RESUMO P1 Instrumentação

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RESUMO P1 
INSTRUMENTAÇÃO 
 
 
Conceitos 
 Instrumento: Equipamento responsável por medir, registrar ou indicar as variáveis de processo 
produtivo. 
 Controle: Verificação de uma variável para possíveis correções, para que esta permaneça 
dentro de uma tolerância de trabalho pré determinada. 
 Medir: Determinar ou verificar a extensão de uma grandeza ou variável. 
 Registrar: Gravar uma informação em papel ou arquivo eletrônico. 
 Indicar: Exibir o valor de uma variável. 
 Variável: Condições ou situações que ocorrem em um processo produtivo, que podem ou não 
interferir no processo. Ex.: temperatura, pressão, vazão, nível. 
 Processo: Série de ações sistemáticas visando a um certo resultado. Pode ser sequências de 
operação de um ambiente fabril, ou as variações ambientais naturais, urbanas, etc. 
 Sensor: Dispositivo que responde a um estímulo físico/químico de maneira específica e 
mensurável. Sensor é um dispositivo sensível a alguma forma de energia do ambiente (luminosa, 
térmica, cinética), relacionando informações sobre uma grandeza que precisa ser medida (pressão, 
velocidade, corrente, aceleração, posição). Realizam a interface entre equipamentos eletrônicos e o 
mundo físico, convertendo quantidades não elétricas (físicas ou químicas) em sinal elétrico. 
 Transdutor: É um dispositivo que transforma uma energia em outra para que esta possa ser 
utilizada em um sistema de controle ou instrumento de medida (geralmente um sinal elétrico). Para esta 
conversão, geralmente usa-se um elemento sensor. 
 
Motivações para a pesquisa em instrumentação 
 Necessidade de medir as variáveis ambientais; 
 Necessidade de implementar sistemas automáticos (controle); 
 Pesquisa e criação de modelos físicos, químicos, biológicos que necessitam de medidas e 
constatações. 
Sistema de medida 
 Um sistema de medida pode ser dividido em três módulos funcionais: o sensor/transdutor, a 
unidade de tratamento do sinal e o dispositivo mostrador. 
1) O transdutor é o módulo do SM que está em contato com o que está sendo medido. Ele 
detecta as variáveis do processo e as transformam para posterior processamento. O sinal 
gerado pelo sensor/transdutor normalmente é um sinal de baixa energia, difícil de ser 
diretamente indicado. 
2) A unidade de tratamento do sinal (UTS), além da amplificação da potência do sinal, pode 
assumir funções de filtragem, compensação, integração, processamento, etc. É às vezes 
chamada de condicionador de sinais. 
3) O dispositivo mostrador recebe o sinal e através de recursos mecânicos, eletro-mecânicos, 
eletrônicos ou outro qualquer, transforma-o em um número inteligível ao usuário, isto é, 
produz uma indicação direta perceptível. 
 
 
 Ex.: Manômetro: A superfície do líquido sente a pressão e ele a transforma em deslocamento 
vertical proporcional à diferença de pressão. Processo: Gás com pressão P. Sensor e transdutor: Líquido. 
Indicador: Escala graduada. 
 Termômetro bimetálico: Sensor é o metal, o transdutor é a haste, o indicador é o dial. 
 Motivação do desenvolvimento de novos sensores: a existência de diferentes aplicações ou 
funções em sistemas de controle e aquisição de dados. 
 Etapas do funcionamento de sistemas de controle em malha fechada (objetivo da malha 
fechada: rejeitar o efeito de perturbações externas, diminuir a sensibilidade do sistema à variações, 
tornar o sistema robusto, aumentar sua precisão): 
 
1) Sensor detecta uma ocorrência do ambiente a ser controlado; 
2) Sensor envia essa informação ao sistema através do transdutor; 
3) Sistema de controle modifica o ambiente com base na informação (atuação); 
4) Sensor detecta a variação resultante e proporciona nova entrada ao sistema de controle; 
5) Sistema de controle continua atuando sobre o ambiente até receber uma entrada aceitável do 
sensor. 
Sensores classificados por função: 
 Presença: Detectam a presença ou ausência de um objeto, fornecem apenas sinal on-off e a 
fiabilidade é muito importante; 
 Posição: Determinam o movimento ou posição relativa entre dois objetos. Mede a distância a 
partir de uma posição, verifica o alinhamento ou rotação e acompanha o movimento. Potenciômetros 
lineares produzem uma resistência proporcional ao deslocamento ou posição. Possuem três contatos: 
dois conectam aos terminais do resistor (resistência fixa) e o terceiro contato é conectado a um 
posicionador que é movido ao longo do resistor, e, portanto, a resistência entre ele e cada uma das 
outras duas conexões é variável. 
 
 Inspeção: Verificação de determinada característica de um objeto. Estão associados à detecção 
de defeitos em produtos. 
 Medição de condição: Utilizados para grande variedade de entradas, condições e propriedades. 
(Ex: P, T, vazão, umidade, termopar) 
 
 Identificação: Envolve uma única característica do objeto. Acompanham o produto, 
determinando as operações a serem executadas (semelhante inspeção). 
 Sensores classificados por material utilizado: Condutor, semicondutor, substância biológica, 
isolante, líquido, gasoso, outros. 
 Sensores classificados por tipo de conversão: Físico, químico e biológico 
 Tipo de estímulo: Acústico, químico, biológico, elétrico, magnético, óptico, mecânico, radiante, 
térmico. 
 Aplicação: Agricultura, construção civil, energia, saúde, meio ambiente. 
 
 Características técnicas: 
 Sensibilidade: É a razão entre a mudança do sinal de saída causada por uma mudança estímulo 
da entrada. Matematicamente é a derivada da função de transferência com relação ao sinal de 
excitação de um sensor. (Sinal de saída X sinal de entrada) 
 
 Exatidão: Qualidade da medição que assegura que a medida coincida com o valor real da 
grandeza considerada. Ou seja, é o grau de concordância entre o resultado da medição e o valor real. O 
valor representativo deste parâmetro é o valor médio. 
 Precisão: Qualidade da medição que representa a dispersão dos vários resultados, 
correspondentes à repetições de medições quase iguais, em torno do valor central. (MAIS IMPORTANTE) 
 Resolução: É a menor alteração que o mensurado (estímulo) pode apresentar e que é 
detectada pelo sensor. 
 Repetibilidade: Erro de repetibilidade: Incapacidade do sensor de reproduzir o mesmo sinal 
com estímulos equivalentes. 
 Deriva: Caracteriza a mudança da resposta do transdutor com o passar do tempo, devido ao 
envelhecimento, contaminação, envenenamento... 
 Saturação: Limite a partir do qual o sensor perde sua linearidade. 
 
Conversão de variáveis – Tipos de sensores 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Transdutores Auto-geradores ou ATIVOS: Não requerem uma fonte de energia externa para 
converter energia. Ex: Termopar, célula solar, bobina móvel, cristais piezelétricos. 
 Transdutores Modulados ou PASSIVOS: Requerem uma fonte de energia externa para 
converter energia. Ex: Strain Gage, capacitâncias. Deve-se observar a qualidade da alimentação, já que 
se esta variar, a leitura também varia proporcionalmente, introduzindo erro na medida. 
 Sensor ideal: Não consome energia de nenhuma fonte, não tem massa, não consome energia 
do mensurado. 
 Melhor sensor: Deve interferir o menos possível com a amostra. Deve efetuar a conversão da 
medida de forma fiel, repetitiva e estável. Resposta linear (quanto mais, melhor), seletividade, melhor 
sensor para condição da medida e custo também são aspectos a serem considerados. 
 
Sensores Térmicos 
Temperatura, fluxo térmico, capacidadetérmica ------> SENSOR ------> Sinal Elétrico 
 
 
 Os termopares são sensores ativos, que geram um sinal elétrico a partir de uma grandeza sem 
precisar de uma fonte de alimentação. Um termopar é formado pela união de uma das extremidades de 
dois fios de materiais diferentes que podem ser metálicos ou semicondutores. O contato térmico 
(junção) pode ser feito pela fusão ou solda dos dois materiais. 
 
 
 
Sua existência deve-se à observação de Thomas J. Seebeck, em que um circuito fechado por dois metais 
diferentes, dá lugar a uma corrente elétrica quando as junções estão expostas a uma diferença de 
temperatura. Isto é conhecido como Efeito Seebeck. 
 Se o circuito é aberto, uma força eletromotriz de origem termoelétrica aparece e depende 
somente dos metais e das temperaturas das junções do termopar. 
 O coeficiente de Seebeck é assim definido: , 
onde Sa e Sb representam a potência termoelétrica entre dois pontos a e b do termopar (sensibilidade). 
 
 
 
 O efeito Peltier é o inverso do termopar: uma corrente elétrica é forçada a passar por junções 
de metais diferentes, resultando em aquecimento de uma e resfriamento de outra. 
 Funcionamento do termopar: O material condutor submetido a um gradiente de temperatura 
fornecerá aos seus elétrons energia térmica adicional, promovendo um fluxo de carga na região quente 
para a região fria (corrente de difusão). O equilíbrio resulta em acúmulo de carga em uma extremidade 
do fio (extremidade fria) e falta da mesma na outra extremidade (extremidade quente). Assim, será 
observada uma diferença de potencial entre os dois terminais do fio. 
 São usados dois fios de materiais diferentes porque na prática, somente a diferença de 
potencial gerada pelo gradiente da temperatura entre os dois fio de materiais diferentes pode ser 
caracterizada experimentalmente. 
 Termopilha é o nome dado ao dispositivo formado por vários termopares conectados em série, 
de forma que todas as junções de referência estejam na mesma temperatura (fria), e todas as junções 
quentes estejam expostas à temperatura sendo medida. A maior sensibilidade obtida com este arranjo 
permite medidas de temperatura mais seguras. 
 Termorresistores são resistores que aumentam sua resistência elétrica com o aumento da 
temperatura. 
 Termistores são dispositivos a estado sólido que têm como principal característica a variação 
da sua resistência elétrica em função da temperatura. São constituídos geralmente por semicondutores 
cerâmicos que exibem mudanças significativas da resistência com a temperatura. 
 são semicondutores sensíveis à temperatura. 
 NTC (Negative Temperature Coefficient) - termistores cujo coeficiente de variação de 
resistência com a temperatura é negativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura. 
 PTC (Positive Temperature Coefficient) - termistores cujo coeficiente de variação de resistência 
com a temperatura é positivo: a resistência aumenta com o aumento da temperatura. 
 Sensores Mecânicos - dispositivos que transformam uma grandeza mecânica em um sinal 
elétrico (posição, aceleração, força, pressão, deformação, massa, densidade, torque, velocidade de 
fluxo). Aplicações: controle de processos, maquinaria pesadas e em engenharia de testes. 
 Extensiômetros (Strain Gauges) - Resistores que alteram suas características elétricas em 
função da deformação mecânica a que são submetidos. 
Sensores resistivos baseiam-se no princípio da variação da resistência quando a variável medida é 
aplicada ao elemento sensor. Ex: Strain Gauges e piezoresistivos mudam seu valor de resistência devido 
à ação de uma força aplicada. A alteração de R do sensor sob ação mecânica pode ser devido a 
deformação da geometria do resistor ou mudança da condutividade do material condutor. 
 Piezoeletricidade é a capacidade de alguns cristais gerarem corrente elétrica por resposta a 
uma pressão mecânica. 
 Um sensor piezoelétrico é um dispositivo que usa o efeito piezoléctrico para medir pressão, 
aceleração, tensão ou força, convertendo-os num sinal elétrico. Este tipo de sensores passivos não 
interefere com a carga medida. 
Sensibilidade: 
 
 
 
 
Capacitância ou capacidade elétrica é a propriedade que têm os corpos de manter uma carga elétrica. É 
também uma grandeza física escalar que mede a quantidade de energia acumulada em um corpo. 
Alteração da capacitância pode ser utilizada para medir grandezas como deslocamentos, pressão e 
aceleração. A capacitância de um dispositivo de placas paralelas é dada por 
, 
onde A representa a área das placas, d a distância entre elas e E a permitividade do meio dielétrico. 
 
Erros em instrumentos 
● Instrumentos analógicos: O erro é uma porcentagem do valor lido (por exemplo ±1%). Também temos 
o erro de leitura (paralaxe) e o de interpolação que ocorre quando o ponteiro/indicador para entre duas 
unidades de medida. 
● Instrumento digital: o erro é definido pelo número de digitos apresentados, sendo sempre a metade o 
digito menos significativo (ex. 3½ digitos, são quatro números exibidos, mas o quarto tem imprecisão de 
50%) 
 
Classificação dos instrumentos 
● Localização: Painel ou de campo 
● Função: Medição de variável, de alarme, de 
controle de variável 
● Características: Instrumento indicador, 
instrumento registrador e o instrumento de 
controle 
● Não esqueça um instrumento pode misturar 
algumas ou todas estas propriedades. 
 
Sistemas de transmissão remota 
● Pode ser por fios 
● Pode ser sem fios – rede wireless, de rádio 
frequência, satélite, etc 
● Pode ser por transmissão mecânica (correias, 
engrenagens) 
● Pode ser por transmissão hidráulica ou 
pneumática (óleo ou gás) 
 
Medidas de pressão: 
 
Pressão absoluta: Diferença de pressão entre a do processo e a do vácuo absoluto. 
Pressão manométrica: Diferença de pressão entre a do processo e a atmosférica. 
Pressão diferencial: Diferença entre duas pressões desconhecidas. 
Pressão negativa ou vácuo: Pressão relativa é menos que a atmosférica. 
Pressão estática: Pressão exercida por um líquido em repouso. 
Pressão dinâmica: Pressão exercida por um líquido em movimento. 
 
Tipos de indicadores de pressão 
Manômetro em U 
M 
 
 Manômetro de diafragma 
 
 
 
Utilizado para calibrar medidores de pressão pequena. O uso da 
coluna líquida para a medição de pressão se baseia no princípio 
que uma pressão aplicada suporta uma coluna líquida contra a 
atração gravitacional. Quanto maior a pressão, maior a coluna 
líquida suportada. 
A unidade de pressão da coluna líquida é o comprimento. Água e 
mercúrio são os líquidos mais usados; a água por ser o mais 
disponível e o mercúrio por ter uma altíssima densidade e como 
consequência, implicar em pequenas alturas de coluna. 
 
 
 
 
Indicadores de temperatura 
● A temperatura é indicada pelo termômetro 
● Tipos de indicadores de temperatura: 
● Por dilatação (termômetro de mercúrio, 
termômetro bimetálico) 
● Sistemas termoelétricos (termopar, 
termoressistor, termistor NTC, PTC 
 
Exatidão X Precisão -> 
 
 
 
 
 
Fotodetectores 
Sensores (conversores de energia no domínio radiante - distribuída no espectro eletromagnético - para 
energia no domínio elétrico). 
Fotoresistores: Os fotoresistores são constituídos simplesmente pelo material semicondutor, o sulfeto 
de cádmio ou o sulfeto de chumbo. Também chamado de célula fotocondutiva, ou ainda de 
fotoresistência, o LDR (Light Dependent Resistor) é um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja 
resistência varia linearmente com a intensidade de luz incidente, obedecendo à equação R = C.L.a, onde 
L é a luminosidade em Lux, C e a são constantes dependentes do processo de fabricação e do material 
utilizado. 
Quando o fóton tem energia suficiente para quebrar a ligação elétron - buraco (0.2 a 3eV - comprimento 
de onda de 400 a 600nm), um elétron torna-se livre, podendo fluir pelo circuito. A energia luminosa 
desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o 
número destes, o que diminui a resistência e aumenta a condutividade. 
Os fotoresistores têm memória, isto é, a sua resistência atual depende da intensidade e duração de uma 
exposição à radiação ocorrida anteriormente. 
Fotodiodos: Os fotodiodos são dispositivos que convertem sinais óticos em sinais elétricos bastante 
utilizados atualmente. Seu funcionamento é oposto ao funcionamento dos LEDs. 
Fototransistores:Um fototransistor é um transistor bipolar encapado em uma capa transparente que 
permite que luz possa atingir a base coletora da junção. O fototransistor funciona de maneira similar a 
um fotodiodo, apresentando uma sensitividade muito maior à luz, pois os elétrons gerados pelos fótons 
na junção da base-coletora são aplicados na base do transistor, e sua corrente é então amplificada pela 
operação do transistor. O fototransistor apresenta um tempo de resposta maior do que o fotodiodo.