Metrologia e Instrumentação

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<p>Metrologia/ Instrumentação</p><p>Inicialmente, vamos estabecer a definição a dois termos atualmente bastante citados, mas</p><p>entendidos dos mais diferentes modos:</p><p>·Metrologia é a ciência da medição. Trata dos conceitos básicos, dos métodos, dos erros e sua</p><p>propagação, das unidades e dos padrões envolvidos na quantificação de grandezas físicas.</p><p>Instrumentação é o conjunto de técnicas e instrumentos usados para observar, medir e</p><p>registrar fenômenos físicos. A instrumentação preocupa-se com o estudo, o desenvolvimento,</p><p>a aplicação e a operação dos instrumentos.</p><p>O procedimento de medir - medição</p><p>Medir é o procedimento pelo qual o valor momentâneo de uma grandeza física (grandeza a</p><p>medir) é determinado como um múltiplo e/ou uma fração de uma unidade estabelecida como</p><p>padrão.</p><p>A medida é o valor correspondente ao valor momentâneo da grandeza a</p><p>medir no instante da leitura. A leitura é obtida pela aplicação dos parâmetros do</p><p>sistema de medição à leitura e é expressa por um número acompanhado da</p><p>unidade da grandeza a medir.</p><p>Erros de medição</p><p>Por razões diversas, toda medição pode apresentar erro. O erro de uma</p><p>medida é dado pela equação:</p><p>EA = M −VV</p><p>onde:</p><p>EA = Erro Absoluto</p><p>M = valor Medido</p><p>VV = Valor verdadeiro</p><p>Na prática temos:</p><p>Erro Relativo ( ER )  é a relação entre o erro absoluto e o valor exato.</p><p>𝐸𝑅 =</p><p>𝐸𝐴</p><p>𝑉𝑉</p><p>=</p><p>𝑀 − 𝑉𝑉</p><p>𝑉𝑉</p><p>é comum expressar o erro relativo em percentagem. Temos então:</p><p>𝐸𝑅% =</p><p>𝐸𝐴</p><p>𝑉𝑉</p><p>× 100 ou 𝐸𝑅% =</p><p>𝑀−𝑉𝑉</p><p>𝑉𝑉</p><p>× 100</p><p>Determinação da Classe de Exatidão de um Instrumento</p><p>A Classe de exatidão (indica EA) é o número que indica “quantos” por cento do</p><p>valor final da escala( ou valor selecionado) é o erro absoluto do instrumento, sendo</p><p>que, este valor vale para qualquer medida do instrumento. Este número vem indicado</p><p>junto aos símbolos de identificação do instrumento, situados nas escalas dos mesmos.</p><p>Exemplo:</p><p>Pela definição, o erro absoluto deste voltímetro, bobina móvel, é de 1% de</p><p>200V, ou seja:</p><p>EA=  2 V.</p><p>Teremos assim:</p><p>1º medida</p><p>Valor Medido (M)=___________________</p><p>Valor Verdadeiro (VV)= _____________________</p><p>Erro Absoluto (EA)= __________________</p><p>Erro Percentual (ER%)= ________________</p><p>2º medida</p><p>Valor Medido (M)=___________________</p><p>Valor Exato (E)= _____________________</p><p>Erro Absoluto (EA)= __________________</p><p>Erro Percentual (ER%)= ________________</p><p>3º medida</p><p>Valor Medido (M)=___________________</p><p>Valor Exato (E)= _____________________</p><p>Erro Absoluto (EA)= __________________</p><p>Erro Percentual (ER%)= ________________</p><p>4º medida</p><p>Valor Medido (M)=___________________</p><p>Valor Exato (E)= _____________________</p><p>Erro Absoluto (EA)= __________________</p><p>Erro Percentual (ER%)= ________________</p><p>Fontes de erros</p><p>Um erro pode decorrer do sistema de medição e do operador, sendo muitas as possíveis</p><p>causas. O comportamento metrológico do sistema de medição é influenciado por</p><p>perturbações externas e internas.</p><p>Fatores externos podem provocar erros, alterando diretamente o comportamento do sistema</p><p>de medição ou agindo diretamente sobre a grandeza a medir.</p><p>O fator mais crítico, de modo geral, é a variação da temperatura ambiente. Essa variação</p><p>provoca, por exemplo, dilatação das escalas dos instrumentos de medição de comprimento, do</p><p>mesmo modo que age sobre a grandeza a medir, isto é, sobre o comprimento de uma peça</p><p>que será medida.</p><p>A variação da temperatura pode, também, ser causada por fator interno. Exemplo típico é o da</p><p>não estabilidade dos sistemas elétricos de medição, num determinado tempo, após serem</p><p>ligados. É necessário aguardar a estabilização térmica dos instrumentos/equipamentos para</p><p>reduzir os efeitos da temperatura.</p><p>◼ Categorias de erros</p><p>Erros grosseiros: ocorrem por falhas de leitura do instrumento pelo operador ou sistema de</p><p>aquisição.</p><p>Ex: a troca da posição dos algarismos aos escrever os resultados ou o erro de paralaxe.</p><p>Solução: repetir os ensaios pelo mesmo operador, ou por outros operadores.</p><p>Erros sistemáticos: ocorrem pela deficiência do instrumento ou do método empregado e às</p><p>condições sob as quais a medida é realizada. Dividem-se em: Instrumentais e ambientais</p><p>◼ Erro sistemático instrumental</p><p>Inerentes aos equipamentos de medição.</p><p>Ex: escalas mal graduadas, oxidação de contatos, desgaste de peças e descalibração.</p><p>Solução: utilizar instrumentos de boa qualidade e fazer a manutenção e calibração adequadas.</p><p>◼ Erro sistemático ambiental</p><p>Referem-se às condições do ambiente externo ao aparelho.</p><p>Ex: temperatura, umidade, pressão, campos elétricos e/ou magnéticos.</p><p>Solução: trabalhar em ambientes climatizados e providenciar a blindagem dos aparelhos em</p><p>relação a campos eletromagnéticos.</p><p>◼ Erros aleatórios: também chamados de erros acidentais, devem-se a fatores imponderáveis</p><p>(incertezas)</p><p>Ex: ocorrência de transitórios em uma rede elétrica.</p><p>Solução: como não podem ser previstos, sua limitação é impossível.</p><p>Conceito de Processo</p><p>Um processo é qualquer operação ou sequência de operações envolvendo uma alteração na</p><p>substância sendo tratada. Exemplos de processo:</p><p>2. Uma mudança de composição, como ocorre em uma reação química ou mistura física de</p><p>duas substâncias diferentes.</p><p>3. Uma mudança de dimensão, como na moagem de carvão.</p><p>Um processo pode ser complexo, como a produção de gasolina através da destilação da</p><p>mistura complexa de produtos químicos do petroleo bruto ou pode ser simples, como o</p><p>bombeamento d'água de um lugar a outro. Processo pode ser: 1. embalagem de alimentos, 2.</p><p>Engarrafamento de líquidos, 3. Resfriamento do ar ambiente de uma sala para uma</p><p>temperatura desejada,</p><p>Para todos estes processos, se aplicam certos princípios universais de medição e controle</p><p>através de equipamentos e técnicas que podem ser muito diferentes.</p><p>Cada processo possui várias propriedades que podem variar, tais como pressão, temperatura,</p><p>nível, vazão, acidez, viscosidade e muitas outras. Cada uma destas propriedades é chamada</p><p>de variável de processo. Os valores destas variáveis podem ser medidos e enviados para</p><p>locais distantes através de sinais. As medições podem ser lidas, usadas para controle ou</p><p>armazenadas.</p><p>Instrumentos de Processo</p><p>Um instrumento de processo é um dispositivo usado direta ou indiretamente para desempenhar</p><p>uma ou mais das seguintes três funções:</p><p>1. Medição</p><p>2. Controle</p><p>3. Manipulação.</p><p>Medição</p><p>Medir é determinar a existência ou valor de uma variável. Os instrumentos de medição incluem</p><p>todos os dispositivos usados direta ou indiretamente para este objetivo. Sistemas de medição</p><p>podem incluir instrumentos auxiliares para fornecer indicações ou alarmes, para calcular</p><p>valores derivados ou para desempenhar outras funções.</p><p>Controle</p><p>Controlar é fazer uma variável do processo, chamada de variável controlada, se manter em um</p><p>valor especificado ou dentro de limites especificados ou se alterar de um modo especificado.</p><p>Por exemplo, a temperatura da sala pode ser controlada por um termostato para se manter</p><p>constante. Um controlador requer e comanda outro dispositivo chamado de elemento final de</p><p>controle. Um controlador automático pode ser visto como um cérebro automático que não tem</p><p>músculo. O músculo é o elemento final de controle. Os diferentes controladores podem operar</p><p>automaticamente ou por ajuste manual.</p><p>Manipulação</p><p>Manipular é fazer um elemento final de controle variar diretamente uma variável de processo</p><p>de modo a conseguir o controle de outro variável do processo. Por exemplo, o termostato do</p><p>controle de temperatura da sala operar um damper de ar, que manipula a vazão de ar. O</p><p>elemento final obedece ao controlador e segue sempre seu comando, que vem através de um</p><p>sinal.</p><p>As três funções de medir, controlar e manipular são geralmente referidas na forma simplificada</p><p>de medição e controle. Neste termo descritivo, a manipulação está absorvida pelo controle,</p><p>porque ambas as funções estão envolvidas na</p><p>ação corretiva de controlar o processo. Mesmo</p><p>assim, é importante distinguir as funções diferentes de controlar e manipular.</p><p>O termo instrumentação de processo cobre as categorias acima de instrumentos, mas também</p><p>inclui os instrumentos acessórios associados, como fiações, tubulações, reguladores, conjuntos</p><p>distribuidores. Eles excluem as fontes de alimentação que simplesmente possibilitam o</p><p>funcionamento dos instrumentos.</p><p>Sequência de funções em uma malha</p><p>Há três funções básicas de instrumentos: medir, controlar e manipular. Todos os instrumentos</p><p>fazem uma ou a combinação destas três funções. Uma combinação de instrumentos ou</p><p>funções que são interligados para medir ou controlar um processo é chamado de malha. A Fig.</p><p>2.1. mostra um diagrama de bloco de uma malha de instrumentos simples para controlar a</p><p>velocidade de um automóvel.</p><p>O processo é o motor do carro em operação. O objetivo é manter constante a velocidade do</p><p>carro. Há variações técnicas, mas se supõe que a velocidade do motor é um índice da</p><p>velocidade do carro, significando que a velocidade do carro pode ser considerada constante se</p><p>a velocidade do motor for constante, não importando se o carro está subindo, descendo ou no</p><p>plano.</p><p>Para controlar a velocidade, o motorista do carro ajusta manualmente um controlador para</p><p>manter uma velocidade, por exemplo, de 80 km/h. A velocidade real é continuamente medida</p><p>por um sensor de velocidade, que manda um sinal para informar ao controlador qual é o valor</p><p>da velocidade. O controlador então decide se a velocidade real é muito alta ou muito baixa. Se</p><p>for muito baixa, o controlador envia um sinal para uma válvula de combustível para abrir mais,</p><p>para permitir um aumento da vazão de combustível. Se for muito alta, o controlador comanda a</p><p>válvula para abrir menos. Se a velocidade estiver no valor ajustado, nada se altera. Em</p><p>qualquer caso, o motor aumenta ou diminui a velocidade, se e quando necessário. Através da</p><p>medição, controle e manipulação contínuas, o sistema de controle mantém constante a</p><p>velocidade do carro.</p><p>A figura mostra como o sensor não faz nada a não ser medir e enviar a informação para o</p><p>controlador. O sensor é chamado também de elemento primário. O controlador não faz nada a</p><p>não ser estudar a situação do processo, comparando o que está com o que devia estar e então</p><p>envia um comando para o elemento final de controle. O elemento final de controle não faz nada</p><p>a não ser manipular a vazão do combustível. Aqui é onde é necessário fornecer uma força</p><p>física para superar as forças do processo de modo a dar um bom controle. Na malha de</p><p>controle, o elemento final de controle aplica uma grande força para fazer seu trabalho. A</p><p>velocidade do carro é a variável controlada; a vazão do combustível é a variável manipulada.</p><p>Controle da velocidade do carro</p><p>Um exemplo de outra malha de controle, tomado da indústria, é mostrado na Fig. 2.2. Um</p><p>volume constante de água é armazenado em um tanque para fornecer uma reserva para o</p><p>equipamento do processo que fornece água em vazões flutuantes. O controle automático é</p><p>usado para manter o nível do tanque alto e para impedir o vazamento do tanque. Um sensor</p><p>mede o nível de água e envia para um transmissor um sinal que corresponde a este nível. Um</p><p>transmissor é um instrumento que passa adiante a informação que ele recebe do sensor em</p><p>uma forma padronizada. O sensor pode ser parte ou não do transmissor. O transmissor então</p><p>envia um sinal de medição para um controlador que comanda a válvula de controle, que, por</p><p>sua vez, manipula a vazão de suprimento de água para o tanque, quando necessário, para</p><p>manter constante o nível do tanque. A variável controlada é o nível do tanque; a variável</p><p>manipulada é a vazão de entrada da água para o tanque.</p><p>A informação enviada pelo transmissor pode ser usada por outros instrumentos além do</p><p>controlador. Por exemplo, esta informação pode ser usada por um indicador, registrador ou</p><p>alarme. Estes instrumentos não fazem parte da malha de controle mas fazem parte da malha</p><p>de instrumentos.</p><p>2.2. Combinando funções em um único instrumento</p><p>Para medir ou controlar uma variável de processo pode ser necessário somente um único</p><p>instrumento, mas, geralmente, são necessários vários instrumentos trabalhando juntos e</p><p>formando uma malha.</p><p>Um termômetro caseiro sente e indica a temperatura; é um sistema de medição completo, uma</p><p>malha completa. Um termômetro industrial geralmente possui o elemento sensor separado do</p><p>indicador. Em outro exemplo, a medição de temperatura na indústria pode ser feita com um</p><p>sensor, transmissor e indicador, todos separados e interligados entre si para indicar a</p><p>temperatura do processo em local distante.</p><p>As funções individuais nem sempre são óbvias quando seu equipamento está uma única caixa</p><p>física, mas todas as funções estão lá. Entendendo as funções básicas, pode-se entender</p><p>melhor como os conjuntos operam.</p><p>Como exemplo, seja o ferro elétrico de passar roupa, que é um único aparelho que possui uma</p><p>malha completa de controle. O ferro é um regulador que mantém constante a temperatura, com</p><p>valores ajustáveis para algodão, seda, sintético e outros tecidos. Seu uso requer a intervenção</p><p>e energia humanas, mas isto está separado de suas funções automáticas de controle de</p><p>temperatura. O ferro controla sua temperatura, fornecendo um comando corretivo se a</p><p>temperatura estiver diferente da temperatura ajustada, fechando ou abrindo um contato</p><p>elétrico. Em temperatura abaixo da ajustada, a chave fecha, a corrente elétrica flui e esquenta</p><p>o ferro, a temperatura aumenta e tende a ficar mais alta que a ajustada. Quando ela fica igual à</p><p>ajustada, a chave abre, a corrente é interrompida e temperatura começa a abaixar e o ciclo de</p><p>liga-desliga se mantém indefinidamente.</p><p>Controle do nível de água em um tanque</p><p>Princípios Gerais de Medição</p><p>Medições diretas ou inferidas</p><p>Há dois modos de se fazer uma medição: direta ou inferida.</p><p>Medição direta</p><p>No caso de instrumentos, há medidores diretos de vazão (rotâmetro caseiro e bomba de</p><p>gasolina), que fornecem uma indicação direta do volume do fluido que passa através do</p><p>medidor.</p><p>Medição inferida</p><p>A medição inferida sente o efeito criado pela variável que se quer medir e não sente</p><p>diretamente a variável que se quer medir. A maioria das medições das variáveis de processo é</p><p>inferida. Por exemplo, mede-se a pressão através da deformação elástica, mede-se a</p><p>temperatura através da milivoltagem criada pelo termopar ou da resistência eléctrica que</p><p>dependem da temperatura medida.</p><p>Faixa e Span</p><p>Cada variável medida e cada instrumento de medição possuem uma faixa selecionada. Faixa é</p><p>definida como o limite inferior e o limite superior de variação ou utilidade. O limite superior é</p><p>chamado de fundo de escala. Por exemplo, suponha que se queira selecionar um termômetro</p><p>para medir a temperatura externa de um ambiente. A temperatura, no Huambo, pode variar</p><p>entre 18 e 40 oC. Para se ter alguma margem em cima e em baixo, se estende a escala para 5</p><p>e 50 oC. A faixa de temperatura de projeto ou de trabalho é então de 18 a 40 oC e a faixa de</p><p>temperatura do instrumento é de 5 a 50 oC.</p><p>Amplitude da faixa, ou span é a diferença algébrica entre os limites superior e inferior da faixa.</p><p>Para um termômetro com faixa de -40 a 130 oC, a largura de faixa é igual a 170 oC, pois 130 -</p><p>(-40) = 130 + 40 = 170 oC</p><p>Um velocímetro de automóvel tendo faixa de 0 a 240 km/h tem a largura de faixa de 240</p><p>km/h.</p><p>A faixa é sempre expressa por dois números; a amplitude da faixa por um único número</p><p>positivo.</p><p>Calibração do Instrumento</p><p>Calibrar um instrumento é fazer sua saída corresponder a uma série de entradas deste</p><p>instrumento. Os dados assim obtidos são usados para:</p><p>1. determinar os pontos em que as graduações da escala devem ser colocados,</p><p>2. ajustar a saída do instrumento para os valores desejados,</p><p>3. avaliar o erro, comparando o valor real lido com o valor ideal da saída.</p><p>Por exemplo, calibrar um transmissor eletrônico</p><p>de temperatura, com saída de 4 a 20mA cc, na</p><p>faixa de 0 a 200 oC, é ajustá-lo (parafuso de zero e de largura de faixa) para que estas curvas</p><p>se correspondam.</p><p>Sinais de Instrumento</p><p>O sinal é uma variável que contem uma informação e que representa uma variável de</p><p>processo. Por exemplo, o transmissor pneumático de nível gera um sinal na sua saída, padrão</p><p>de 20 a 100 kPa, que é função linear do valor do nível. Quando a saída do transmissor for igual</p><p>a 20 kPa significa que o nível está em 0%, quando a saída valer 100 kPa o nível está em 100%</p><p>e quando a saída for de 60 kPa o nível está em 50%. A mesma situação ocorre com o</p><p>transmissor electrónico de nível, com saída de 4 a 20 mA cc: saída de 4 mA cc significa nível</p><p>de 0%, 12 mA cc equivale a nível de 50% 20 mA cc significa 100%.</p><p>Há três tipos básicos de sinais: binário, analógico e digital.</p><p>Sinal binário</p><p>O sinal binário é o tipo mais simples, possuindo dois valores discretos possíveis: 0 ou 1, ligado</p><p>ou desligado, sim ou não, verdadeiro ou falso. Discreto significa que consiste de duais partes</p><p>individuais distintas e desligadas. A saída de um instrumento binário muda de um valor para</p><p>outro de acordo com sua entrada, que pode ser maior ou menor que um valor de referência.</p><p>Um termostato ou chave de temperatura é um exemplo de um dispositivo que fornece sinal</p><p>binário. Seja um termostato ajustado para a temperatura de 20 oC. Sua saída liga e desliga o</p><p>motor do compressor de ar condicionado. Quando o motor estiver ligado, o compressor</p><p>funciona e abaixa a temperatura da sala. Assim, quando a temperatura atingir 20oC o</p><p>termostato desliga o compressor e a temperatura começa a subir. Quando passa por 20 oC</p><p>subindo, o termostato liga o compressor e a temperatura começa a descer e o ciclo se repete.</p><p>A função única do termostato é verificar se a temperatura da sala é menor que 20 oC. Se for</p><p>menor, ele desliga o compressor; se for maior ele liga o compressor. O sinal de saída do</p><p>termostato é sempre ligado ou desligado, com nada no meio.</p><p>Um sinal binário é, às vezes, chamado de sinal digital ou sinal digital discreto. Porém, o sinal</p><p>binário, em qualquer momento, somente diz se uma condição está ligada ou desligada.</p><p>O estado do sinal pode ser momentâneo ou durar indefinidamente. O sinal binário não tem a</p><p>natureza periódica e repetitiva do sinal digital verdadeiro.</p><p>Sinal analógico</p><p>O sinal analógico é aquele que varia continuamente e quando vai de um ponto a outro, assume</p><p>todos os infinitos valores intermediários entre os dois pontos. A sua variação é contínua, sem</p><p>saltos bruscos e sem quebras. O ajuste automático da saída analógica de um instrumento,</p><p>quando sua entrada varia, é conhecido como modulação.</p><p>Para a maioria dos instrumentos analógicos, a saída varia em uma relação biunívoca com a</p><p>entrada: para cada valor da entrada há um valor de saída e cada valor da saída corresponde a</p><p>um único valor da entrada. Para a minoria dos instrumentos analógicos, incluindo o controlador</p><p>analógico, a saída do instrumento pode variar não apenas em função da entrada, mas também</p><p>em função do tempo e neste caso pode-se ter saídas diferentes para uma única entrada, mas</p><p>variando com o tempo.</p><p>A maioria das pessoas, quando fala de analógico e digital, geralmente só pensa na indicação.</p><p>A indicação analógica é aquela obtida pelo conjunto escala e ponteiro, um móvel em relação ao</p><p>outro.</p><p>Sinal digital</p><p>Um sinal digital tem elementos discretos, tipicamente um trem de pulsos cuja altura, freqüência</p><p>ou formato varia de um modo que corresponda exatamente à variação do sinal de saída.</p><p>Embora o sinal tenha uma forma de pulso, a informação transportada pode ser binária,</p><p>analógica, numérica ou alfabética. O sinal de pulso pode ser convertido subseqüentemente na</p><p>forma binária ou analógica ou em um conjunto de símbolos discretos como os dígitos</p><p>numéricos ou letras alfabéticas para fornecer uma mensagem inteligível para um operador. O</p><p>uso combinado de letras e números é chamado de alfanumérico. Por exemplo, há instrumentos</p><p>que enviam sinais digitais para representar uma vazão, pressão, temperatura ou outra variável</p><p>de processo. O relógio digital comum conta pulsos elétricos e fornece uma leitura, analógica ou</p><p>digital, usando os dez dígitos do sistema decimal de numeração.</p><p>Existem conversores de sinais para transformar sinais digitais em outras formas de sinal e vice-</p><p>versa.</p><p>PROCESSOS DE LEITURAS</p><p>Os instrumentos elétricos de medições, conforme o modo de indicação do valor</p><p>das grandezas medidas, classificam-se em:</p><p>4.1. Indicadores</p><p>Indicação do valor da grandeza diretamente sobre uma escala graduada.</p><p>4.2. Registradores Registram o valor da grandeza a ser medida sobre um rolo de</p><p>papel graduado. Após a retirada do papel do instrumento tem-se uma idéia da variação</p><p>da grandeza medida durante o período de tempo em que este instrumento esteve</p><p>ligado.</p><p>Atualmente existem modernos instrumentos microprocessados que fornecem</p><p>registros de várias grandezas elétricas, as quais podem ser editadas através de software</p><p>específico. São os chamados Medidor Universal de Grandeza (MUG) ou Analisador de</p><p>Energia.</p><p>4.3 Acumuladores ou Totalizadores</p><p>O mostrador destes instrumentos indicam o valor acumulado da grandeza</p><p>medida, desde o momento em que os mesmos foram instalados. Um bom exemplo</p><p>destes instrumentos de medidas são os medidores de energia elétrica, que podem ser</p><p>de dois tipos:</p><p>tipo relógio</p><p>tipo ciclométrico</p><p>Em ambos os tipos para saber o consumo mensal, basta efetuar a subtração</p><p>entre a leitura atual e a do mês anterior.</p><p>Nas escalas graduadas de leitura, vem gravado o símbolo da unidade de medida</p><p>caracterizando o instrumento em função da grandeza elétrica que o mesmo mede.</p><p>Vejamos alguns exemplos: Complete o quadro abaixo:</p><p>SÍMBOLO INSTRUMENTO O QUE MEDE UND.</p><p>DE MEDIDA</p><p>A  Amperímetro mede corrente elétrica em Ampère</p><p>V  ________________ mede _______________ em __________________</p><p>  _________________ mede ________________ em ____________________</p><p>Hz  __________________ mede __________ _____ em __________________</p><p>mA  ________________ mede ________________ em _________________</p><p>V ________________ mede _________________ em ______________________</p><p>__________________mede ________________ em _____________________</p><p>W_________________mede __________________ em _____________________</p>