CAP2_DOEBELIN

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CAT163 - Instrumentação 
Prof. Agnaldo J. R. Reis <agnreis@gmail.com>
UFOP/EM/DECAT
Transparências elaboradas com base no Cap. 2 de DOEBELIN, E.O. Measurement Systems:
Application and Design. McGraw-Hill. 5ª.ed.,2003 (Última atualização em 18.06.2013). Os
‘slides’ 6 e 10-21 foram gentilmente cedidos pelo Sr. Heliomar Guzzo (Vale).
Configurações Generalizadas e Descrições 
Funcionais dos Instrumentos de Medidas
Configurações Generalizadas e Descrições 
Funcionais dos Instrumentos de Medidas
É possível descrever a operação de um instrumento de
medição e avaliar o seu desempenho de uma forma
generalizada sem recorrer a uma montagem física?
Como?
Operação: Elementos Funcionais de um Instrumento
Desempenho: Calibração Estática e Dinâmica
2.1 Elementos Funcionais de um Instrumento
2.1.1 Medidor de Pressão
�
2.1.2 Termômetro de Pressão
Dispositivo de regulação de temperatura com componentes reais, em que:
(a) (b) (c) (d)
a) Transdutor de temperatura; b) Controlador digital PID.
c) Conversor corrente-pressão; d) Válvula de regulação.
2.1.3 Malha de Temperatura
2.2 Transdutores Ativos e Passivos
� 2.2.1 TRANSDUTORES PASSIVOS – UM COMPONENTE CUJA ENERGIA DE
SAÍDA É FORNECIDA INTEIRAMENTE PELO SEU SINAL DE ENTRADA.
MECÂNICO/MECÂNICO ELÉTRICO/MECÂNICO
(http://coffeegeek.com/images/34400/305x200/BourdonTubeMech1.gif) (http://www.eletrodomesticosforum.com/cursos/fisica_na_refrigeracao/termostato.gif)
2.2 Transdutores Ativos e Passivos
� 2.2.2 TRANSDUTORES ATIVOS – NECESSITAM DE UMA FONTE DE
ENERGIA AUXILIAR QUE FORNEÇA A MAIOR PARTE DA ENERGIA DE
SAÍDA.
Amplificador Eletrônico Instrumento Servomecanismo
Controle de Processos e Operações
Sensor
Transmissor
Válvula
Atuador
Indicador
Integrador
Controlador
Conversor
Malha de Controle de Vazão
SENSOR
Sensores são elementos básicos de interface entre o
processo e a medição, também chamados de elementos
primários. É o elemento de um instrumento de medição
que é diretamente afetado pela grandeza submetida à
medição.
Sensor
Transmissor
Válvula
Atuador
Indicador
Integrador
Controlador
Conversor
Malha de Controle de Vazão
Instrumento que tem a função de converter as variáveis
de processo através de elementos primários e enviar o
valor das mesmas, em forma de sinais padronizados,
para outros instrumentos, tais como: controladores,
indicadores e registradores.
TRANSMISSOR
Sensor
Transmissor
Válvula
Atuador
Indicador
Integrador
Controlador
Conversor
Malha de Controle de Vazão
Instrumento que indica o valor da quantidade medida
enviada pelo detector, transmissor etc.
Instrumento que registra graficamente valores
instantâneos medidos ao longo do tempo, valores estes
enviados pelo transmissor ou o controlador. Os
totalizadores são considerados registradores.
INDICADOR
REGISTRADOR
Sensor
Transmissor
Válvula
Atuador
Indicador
Integrador
Controlador
Conversor
Malha de Controle de Vazão
Instrumento que compara o valor medido com o
valor desejado e, baseado na diferença entre eles,
emite sinal de correção para a variável manipulada a
fim de que esta diferença seja igual a zero.
CONTROLADOR
Sensor
Transmissor
Válvula
Atuador
Indicador
Integrador
Controlador
Conversor
Malha de Controle de Vazão
Instrumento que converte uma grandeza física em
outra de natureza diferente, mantendo uma correlação
apropriada.
Ex. Conversor I/P converte uma variável elétrica em
uma variável pneumática.
CONVERSOR
Sensor
Transmissor
Válvula
Atuador
Indicador
Integrador
Controlador
Conversor
Malha de Controle de Vazão
É um conjunto de dispositivos que modificam a
resposta do sistema.
Ex. Válvulas de Controle, Motores etc.
ATUADOR
2.3 Modos de Operação Analógico e Digital
� Analógico – O valor exato da grandeza de 
interesse (e.g., tensão, ângulo de rotação etc.) é 
significativo.
� Digital – Em sistemas digitais eletrônicos, a 
informação binária é representada por níveis de 
tensão. o valor exato da tensão não é 
importante.
2.3 Modos de Operação Analógico e Digital
(a) Modo Analógico 
(b) Modo Digital 
2.4 Métodos da Deflexão e do Anulamento
� Deflexão – A grandeza a ser medida produz
algum efeito físico que gera um efeito similar e
oposto em alguma parte do instrumento.
http://www.brasilescola.com/upload/e/dinamometro.jpg http://www.funbec.com.br/Imagens/Dinamometro.GIF
2.4 Métodos da Deflexão e do Anulamento
(a) Método da Deflexão 
� Anulamento – Tenta manter a deflexão em zero
através da aplicação adequada de um efeito
opositor que foi gerado pela grandeza medida.
http://artesanatocomarte.com.br/loja/images/balancacomsepo.jpg
2.4 Métodos da Deflexão e do Anulamento
2.4 Métodos da Deflexão e do Anulamento
(b) Método do Anulamento
2.5 Configurações de Entrada-Saída de 
Instrumentos e Sistemas de Medição
� Entradas Desejadas
� Entradas não desejadas:
� Entradas de Interferências – Grandezas para as 
quais o instrumento não é intencionalmente sensível.
� Entradas Modificadoras – Grandezas que causam 
mudanças nas relações entrada-saída para as 
entradas desejadas e de interferências.
Configuração de entrada-saída genérica
� Entrada desejada (a): 
p1 e p2.
Saída: deslocamento x
Entradas de Interferência (b): 
Aceleração. 
Saída: x<>0, mesmo se p1=p2.
Entradas Modificadoras (c):
Âng.de Inclinação, temperatura, 
força gravitacional.
Saída: x<>0, mesmo se p1=p2.
Entradas Espúrias para um Manômetro
- Entrada desejada: deformação/tensão
- Entradas de interferências: Campo eletromagnético, temperatura 
(variação da resistividade e dilatação diferencial do sensor e base)
- Entrada modificadora: temperatura, tensão de alimentação
Entrada de Interferência para um Extensômetro
� Insensibilidade Inerente
� Realimentação de Ganho Elevado
� Correções de Saída Calculadas
� Filtragem de Sinal
� Entradas de Oposição
Métodos de Correção para Entradas 
de Interferência e Modificadoras
- Identificar as entradas de interferência e modificadoras;
- Escolher materiais que minimizem os efeitos das entradas 
espúrias (e.g. Invar(metal), Zerodur(vidro/cerâmica), Ni-Span 
C(metal));
- Projeto do instrumento.
1. Método da Insensibilidade Inerente
- Estimar as magnitudes das entradas de interferência/modificadora 
e avaliar como elas afetam a saída.
- Calcular as correções necessárias que deverão ser somadas ou 
subtraídas;
- Condicionamento de sinais;
- ‘Smart Transducers’ (IEEE 1451.4).
2. Método das Correções de Saídas Calculadas
-“Consiste na inclusão de certos elementos (filtros) no instrumento 
que bloqueiam os sinais espúrios, fazendo com que os seus efeitos 
sejam minimizados ou removidos.”
- Local de instalação do filtro.
- Idealmente, os filtros devem apresentar uma relação entrada-
saída nula.
- Os filtros podem bloquear completamente um sinal espúrio ou 
pode ser seletivo.
3. Método da Filtragem de Sinais
3.1 Filtragem na Entrada do Instrumento
3.2 Filtragem Seletiva
3.2 Filtragem Seletiva (cont.)
-“Consiste na inclusão de um elemento no instrumento que tenda a 
cancelar os sinais espúrios, fazendo com que os seus efeitos 
sejam minimizados ou removidos.”
- Variante do método das correções da saídas calculadas.
- Correção automática.
4. Método das Entradas Opositoras
Exemplos: Milivoltímetro
- Elementos Funcionais de um instrumento
- Transdutores Ativos e Passivos
- Modos de Operação Analógico e Digital
- Métodos de deflexão e do anulamento
- Configuraçãode Entradas e Saídas de Instrumentos ou de 
Sistemas de Medição
- Métodos de Correção
- Exercícios
Considerações Finais