Aula 2-Introducao a metrologia

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INSTRUMENTAÇÃO EM PROCESSOS QUÍMICOS
ADERJANE LACERDA
OURO BRANCO 
BIBLIOGRAFIA
- BEGA, E. A. “Instrumentação Industrial”. 2 ed., Interciência, 2006.
- FIALHO, A. B. “ Instrumentação Industrial – Conceitos, Aplicações e
Análises”, 4 ed., Editora Érica, 2005.
- LIRA, F. A. “ Metrologia na Industria”, 4 ed., Editora Érica, 2004.
- ALBERTAZZI, A. G. Jr., “ Fundamentos de Metrologia Científica e
Industrial” Editora Manole, 2008.
- SIGHIERI, L., NISHINARI, A., “ Controle Automático de Processos
Industriais Instrumentação”, 2 ed. Blucher, 1973.
1. INTRODUÇÃO À METROLOGIA:
1.1. CONCEITOS METROLÓGICOS
•Etimologicamente, a palavra Metrologia vem do grego metro (medida) e
logos (tratado), e é definida como a ciência da medição, abrangendo todos
os aspectos teóricos e práticos relativos às medições, qualquer que seja a
incerteza, em quaisquer campos da ciência e da tecnologia.
•É uma ferramenta fundamental no crescimento e na inovação das
tecnologias, promovendo a competitividade e criando um ambiente favorável
ao desenvolvimento científico e industrial dos países.
Objetivos e aplicações da metrologia
 Objetivo fundamental:
 Obter informações quantificadas (valores das grandezas a medir) do
objeto da medição (produto, substância, fenômeno, evento, serviço, etc.)
 Objetivos específicos aplicáveis a diversas áreas do conhecimento:
 Pesquisa (melhor caracterização da investigação),
 Medição de grandezas de objetos consumíveis (energia elétrica, volume
de água, tempo de telefonia – defesa do consumidor),
 Segurança (humana, meio ambiente, demais seres),
 Verificação (averiguar o atendimento de especificações),
 Controle de processos (indústria, controle dimensional, etc.).
Objetivos e aplicações da metrologia
 Objetivos como ciência:
 Estabelecer as unidades das grandezas a medir.
 Realizar fisicamente os padrões primários das unidades.
 Reproduzir réplicas dos padrões primários e secundários.
 Desenvolver métodos de medição.
 Determinar os erros dos métodos de medição.
 Pesquisar as causas de erros.
 Propor soluções de eliminar ou diminuir os erros.
Por que é importante?
 A metrologia é tão importante que foram instituídas organizações
internacionais e nacionais governamentais que formam uma rede
mundial para tratar dos assuntos pertinentes.
 Talvez não se tenha outra área do conhecimento com tanta
importância, justificada pelo fato de ser oficializada em vários países e
principalmente nos de tecnologia mais avançada.
Organizações metrológicas
 Foram criadas para atuarem em áreas tais como:
 Disseminação dos padrões físicos das unidades de medidas,
 Metrologia legal (legislação e regulamentações),
 Padronização (normas técnicas),
 Metrologia científica (pesquisa e desenvolvimento),
 Metrologia industrial (controle de qualidade),
 Ensino (disseminação dos conhecimentos de metrologia).
Exemplos de campos do conhecimento onde a metrologia é praticada:
 Meio ambiente,
 Biologia,
 Construções navais e oceânicas,
 Oceanografia,
 Meteorologia,
 Geologia,
 Química,
 Construção civil,
 Construção mecânica,
 Saúde,
 Produção de energia,
 Indústria de alimentos,
 Produção farmacêutica,
 Pecuária, 
 serviços.
1.1. CONCEITOS METROLÓGICOS
O QUE É MEDIR?
Medir é o procedimento experimental pelo qual o valor momentâneo de uma
grandeza física (mensurando) é determinado como um múltiplo e uma
fração de uma unidade, estabelecida por um padrão e reconhecida
internacionalmente.
Mensurando é o objeto da medição. É a grandeza específica submetida à
medição.
A operação de medição é realizada por um dispositivo denominado
instrumento de medição : Dispositivo utilizado para realizar medições,
individualmente ou associado a um ou mais dispositivos suplementares.
sistema de medição:Conjunto de um ou mais instrumentos de medição e
frequentemente outros dispositivos, compreendendo, se necessário,
reagentes e insumos, montado e adaptado para fornecer informações
destinadas à obtenção dos valores medidos, dentro de intervalos
especificados para grandezas de naturezas especificadas.
Indicação é o valor de uma grandeza fornecido por um sistema de medição.
MEDIR PARA QUÊ?
Do ponto de vista técnico, a medição pode ser empregada para
monitorar, controlar ou investigar processos ou fenômenos físicos.
Monitorar: consiste em observar ou registrar passivamente o valor de
uma grandeza.
São exemplos de monitoração:
- a observação de parâmetros climáticos com
barômetros, termômetros e hidrômetros;
- a medição de velocidade, volume de combustível ou
temperatura do motor de automóvel;
- a indicação da quantidade de energia elétrica ou do
volume d’água consumidos mensalmente por uma residência;
Controlar: a operação de controle é sempre de natureza ativa.
Vários exemplos de sistemas de controle estão presentes no dia-a-
dia:
- o sistema de controle da temperatura no interior de um
refrigerador envolve um sensor, o termostato, que mede a temperatura no
interior e a compara com limites preestabelecidos. Se a temperatura estiver
acima do limite máximo aceitável, o motor do compressor é ligado e assim
permanece até que a temperatura atinja o limite mínimo, quando o motor é
desligado. O isolamento térmico da geladeira mantém a temperatura baixa
por um certo tempo. O motor do compressor permanece desligado enquanto
a temperatura no interior do refrigerador estiver dentro da faixa tolerada,
voltando a ser ligado apenas quando o limite máximo for novamente
ultrapassado.
Investigar: A investigação requer uma postura proativa.
A investigação é de fundamental importância na área científica, e
está fortemente presente na área tecnológica. Por meio de experimentos e
de uma grande quantidade de medições, é possível:
- otimizar o desempenho de um carro de fórmula 1 quanto
à potência, consumo de combustível, estabilidade, segurança do piloto,
desgaste dos pneus, tec;
- aumentar a eficiência de um aparelho de ar condicionado
por meio de otimização da geometria, materiais e formas de componentes,
rotação, etc.; e pela contínua medição das melhorias obtidas;
- otimizar a composição de novos materiais controlando as
quantidades dos elementos químicos que formam a liga e medindo seus
efeitos e propriedades resultantes;
- desenvolver alimentos industrializados e avaliar suas
propriedades.
Errar é Inevitável: é impossível medir sem cometer erros de medição.
Para realizar uma medição sem erros, seriam necessários:
- um sistema de medição perfeito;
- um ambiente controlado e perfeitamente estável;
- um operador perfeito;
- que a grandeza sob medição tivesse um valor único,
perfeitamente definido e estável.
O processo de medição: denomina-se de processo de medição o
conjunto de métodos e meios que são utilizados para efetuar uma
medição. Além do mensurando e do sistema de medição, fazem parte do
processo, o operador, os procedimentos de medição utilizados e as
condições em que as medições são efetuadas.
O resultado da medição: é a faixa de valores dentro da qual deve estar o
valor verdadeiro do mensurando.
O resultado de uma medição não é um número. É sempre uma
faixa de valores. Os erros de medição sempre deixam uma parcela de
dúvidas que permite determinar apenas aproximadamente o valor do
mensurando, o que dá origem à faixa de valores da qual o valor verdadeiro
do mensurando é esperado.
O resultado da medição é composto de duas parcelas: o
resultado-base (RB) e a incerteza (IM).
Resultado-base é a estimativa do valor do mensurando que,
acredita-se mais se aproxima do seu valor verdadeiro. Corresponde à
posição central do resultado da medição.
Incerteza de medição é a parcela de dúvidas associada à
medição. Corresponde à metade do comprimento da faixa simétrica e está
centrada em torno do resultado base, que exprime a faixa de dúvidas
associada á medição.
Grandeza:
Atributo de um fenômeno, corpo ou substância susceptível de ser
caracterizado qualitativa e quantitativamente. Pode referir-se às grandezas
em sentido geral ou a uma grandeza determinada.Exemplos de grandezas são o comprimento, a massa, o tempo, o
trabalho e a energia, pertencendo as duas últimas à mesma categoria, uma
vez que são mutuamente comparáveis; a resistência elétrica de um
condutor, a massa de um elétron ou a temperatura do hélio líquido são
grandezas determinadas.
Exatidão da Medição
Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor
verdadeiro do mensurando.
Observações
1) Exatidão é um conceito qualitativo.
2) O termo precisão não deve ser utilizado como exatidão.
Repetitividade
Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de
um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de
medição.
Observações:
1) estas condições são denominadas condições de repetitividade.
2) Condições de repetitividade incluem:
− Mesmo procedimento de medição;
− Mesmo observador;
− Mesmo instrumento de medição, utilizado nas mesmas
condições;
− Mesmo local;
− Repetição em curto período de tempo.
3)Repetitividade pode ser expressa, quantitativamente, em função das
características da dispersão dos resultados.
Reprodutibilidade
Grau de concordância entre os resultados das medições de um
mesmo mensurando efetuadas sob condições variadas de medição.
Observações:
1) Para que uma expressão da reprodutibilidade seja válida, é necessário
que sejam especificadas as condições alteradas.
2) As condições alteradas podem incluir:
− Princípio de medição;
− Método de medição;
− Observador;
− Instrumento de medição;
− Padrão de referência;
− Local;
− Condições de utilização;
− Tempo.
1.2. UNIDADES E QUANTIDADES
•A expressão quantitativa de uma grandeza qualquer implica a adoção de
uma grandeza determinada da mesma espécie para referência.
•Designa-se então por unidade (de medida) – (unit (of measurement)) – a
grandeza determinada convencionalmente adotada para essa finalidade. O
conjunto de unidades de diferentes grandezas constitui um sistema de
unidades.
•Ao longo dos tempos diferentes sistemas de unidades foram sendo
utilizados. Na generalidade, todos continham em comum unidades de
comprimento, de massa e de tempo que passaram por isso a chamar-se de
unidades base ou unidades fundamentais primárias
• Para além destas introduziram-se unidades fundamentais auxiliares de
modo a cobrir necessidades nos domínios do Eletromagnetismo, da
Termodinâmica e da Óptica.
•As restantes das grandezas podiam ser expressas em termos das
fundamentais recorrendo às chamadas equações de dimensões,
designando-se por isso as respectivas unidades de derivadas.
•O sistema em uso no domínio da Engenharia desde 1954 é o Sistema
Internacional, o qual constitui uma extensão do sistema MKSA proposto por
Giorgi e adotado em 1935 por muitos países.
•Até 1983 (a partir dessa data, com a nova definição da unidade de
comprimento, esta grandeza deixou de ser primária) esse sistema era
constituído pelas seguintes unidades base:
Unidades do Sistema Internacional de Unidades
-Três classes de unidades estão presentes no Sistema
Internacional: as unidades base, as unidades derivadas e as unidades
suplementares.
- cada grandeza tem apenas uma única unidade, obtida por
multiplicação ou divisão a partir das unidades de base ou das unidades
suplementares.
As Sete Unidades de Base
metro – A unidade de comprimento, metro (m) é, por definição (1983), a
distância percorrida pela luz no vazio durante um intervalo de tempo de 1/299
792 458 s.
kilograma – A unidade de massa, kilograma (kg), corresponde à massa de
1 dm3 de água à temperatura de máxima densidade.
segundo – A unidade de tempo, segundo (s), tem duas definições,
consoante as grandezas determinadas em questão.
Ampere – A unidade de intensidade de corrente do sistema internacional,
ampere (A), é o valor da corrente constante que, mantida em dois condutores
paralelos de comprimento infinito e secção circular desprezível colocados à
distância de 1 m no vácuo, produz uma força entre os condutores de 2×10−7
n/m de comprimento.
grau Kelvin – A unidade de temperatura termodinâmica, grau Kelvin
(K), é 1/273.16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água, isto
é, a temperatura de equilíbrio em que coexistem o gelo, água líquida e
vapor.
candela – A unidade de intensidade luminosa, candela (cd), é a
intensidade luminosa, numa dada direcção, de uma fonte de radiação
monocromática de frequência 540×1012 Hz que radie nessa direcção
1/683 W por steradiano.
mole – A unidade de quantidade de matéria, mole (mole), é a quantidade
de matéria de um sistema contendo tantas entidades elementares quantos
os átomos que existem em 0.012 kg de carbono 12.
Unidades Derivadas
 As setes unidades de base e as duas unidades suplementares
formam um conjunto suficientemente completo para, por meio de
combinações , descrever todas as demais grandezas existentes
- Exemplos:
- Grandeza derivada:área
Unidade derivada: metro quadrado
- Grandeza derivada: volume
Unidade derivada: metro cúbico
- Grandeza derivada: velocidade
Unidade derivada: metro por segundo
Unidades Derivadas com nomes e símbolos especiais
Grandeza derivada: freqüência
Unidade derivada: hertz
-Grandeza derivada: força
-Unidade derivada: newton
-Grandeza derivada: pressão e tensão
-Unidade derivada: pascal
-Grandeza derivada: energia, trabalho e quantidade de calor
- Unidade derivada: joule
-Grandeza derivada: potência
-Unidade derivada: watt
Unidades Derivadas formadas pelas unidades de base combinadas
com as unidades derivadas com nomes especiais
Grandeza derivada: viscosidade dinâmica
Unidade derivada: pascal-segundo
-Grandeza derivada: tensão superficial
Unidade derivada: newton por metro
-Grandeza derivada: velocidade angular
Unidade derivada: radiano por segundo
Múltiplos e Submúltiplos
-Prefixos das Unidades do Sistema Internacional:
- fator: 10.24 -fator: 10.9
- nome do prefixo: Yotta -nome do prefixo: giga
- símbolo: Y -símbolo:G
- fator: 10.21 - fator: 10.6
- nome do prefixo: Zetta - nome do prefixo: mega
- símbolo: Z - símbolo: M
- fator: 10.18 - fator: 10.3
- nome do prefixo: Exa - nome do prefixo: quilo
- símbolo: E - símbolo: K
- fator: 10.15 - fator:10.2
- nome do prefixo: Peta -nome do prefixo: hecto
- símbolo: P -símbolo:h
- fator: 10.12 -fator: 10.1
- nome do prefixo: Tera -nome do prefixo: deca
- símbolo: T -símbolo: da
Erro de Medição
-Idealmente, a indicação apresentada por um sistema de medição deve
corresponder ao valor verdadeiro do mensurando. Infelizmente não é isso o
que sempre acontece.
Tipos de Erros
-Erro sistemático é a parcela previsível do erro. Corresponde ao erro médio.
- Erro Aleatório é a parcela imprevisível do erro. É o agente que faz com
que repetições levem a resultados diferentes.
Precisão e Exatidão
- São dois parâmetros qualitativos associados ao desempenho de um
sistema. Um sistema com ótima precisão repete bem, com pequena
dispersão. Um sistema com excelente exatidão não apresenta erros.
Fontes de Erros
• Denomina-se fonte de erros qualquer fator que, agindo sobre o processo de
medição, dá origem a erros de medição.
Fatores Internos ao sistema de medição
-Limitações tecnológicas e econômicas levam a construção de sistemas de
medições não-ideais.
- Há imperfeições nas partes que os compõem, nas conexões, nos conjuntos, nos
circuitos e nos demais módulos.
- o próprio princípio físico de operação do sistema de medição pode dar origem a
erros de medição.
Fatores Externos ao sistema de medição
-O ambiente no qual o sistema de medição está inserido pode influênciar o seu
comportamento
-A presença de vibrações mecânicas e as variações de temperatura podem
provocar erros de medição mecânicos. .
Influência do Operador
-Os diferentes níveis de habilidade, a acuidade visual, a correta aplicação da
técnica de medição e os cuidados do operador em efetuar a medição podem
introduzir, em maior ou menor grau, erros de medição
-Uma balança eletrônica digital é um exemplo de sistema de medição em que o
operador tem pouca ou nenhuma influência sobre seu desempenho.
Sistema de Medição
-O sistema de medição é o meio pelo qual as medições são efetuadas. É
construído de forma que permita a comparação do mensurando com a unidade de
medição e indique o número de vezes mais a fração da unidade de medição que
está contida dentro do mensurando.
- Na metrologia, os termos sistema de medição e instrumento de medição são
equivalentes.
Módulos Básicos de um sistema de medição
-A grande maioria dos sistemas de medição que operam pelo princípio da indicação
apresenta 3 módulos funcionais bem definidos. São eles:
- Transdutor ou sensor
-Unidade de tratamento de sinal
-Dispositivo mostrador ou registrador
Transdutor
- É o módulo do sistema de medição que está em contato com o mensurando.
-Uma série de fenômenos físicos podem ocorrer no transdutor, produzindo um sinal
de medição.
- O sinal de medição pode ser mecânico, pneumático, elétrico ou de outra natureza,
mas sempre estará relacionado ao valor do mensurando por meio de uma função
bem definida, normalmente linear.
- Então , um transdutor é um módulo do sistema de medição que gera um sinal de
medição geralmente proporcional ao valor do mensurando.
- Alguns transdutores mais sofisticados podem ser compostos de vários estágios.
Nesses casos, várias transformações de efeito físicos podem estar presentes. Por
exemplo: um sinal mecânico pode ser transformado em óptico e este em elétrico.
-O primeiro estágio do transdutor é também denominado de sensor. O sensor é a
parte do transdutor que é diretamente afetada pelo mensurando. Nos casos em que
o transdutor é formado por apenas um único estágio, sensor e transdutor são
sinônimos.
Unidade de Tratamento de sinais
- O sinal gerado pelo transdutor geralmente é um sinal de baixa energia, difícil de
ser diretamente indicado.
-A unidade de tratamento do sinal tem por principal função amplificar a potencia do
sinal de medição.
-Em alguns sistemas de medição mais sofisticados, a unidade de tratamento do
sinal pode assumir funções de filtragem, compensação, integração, processamento,
etc.
-É as vezes denominada de condicionador de sinais.
-Então, a unidade de tratamento do sinal processa o sinal de medição do transdutor
e normalmente amplifica sua potência
Dispositivo Mostrador e/ou Registrador
- é o ultimo módulo do sistema de medição. Este sistema de medição que torna o
sinal medição perceptível para o usuário.
O processo de medição
 O processo de medição pode ser definido como o conjunto de atividades 
demandadas na obtenção das informações de um objeto da medição.
 Agentes requeridos no processo de medição: