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SENSORES E ATUADORES Aula 02 1 Sistemas de Medição Parâmetros de um instrumento; sistemas de erros e características. 2 Características do Sistema de Medição 1.Padrões da calibração: i. Padrão (Standard) 3 Medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema de medição destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade de um ou mais valores de uma grandeza para servir de referência. Características do Sistema de Medição 1.Padrões da calibração: ii. Calibração (Calibration) 4 Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição ou sistema de medição ou valores representados por uma medida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões. Características do Sistema de Medição 1.Padrões da calibração: Exemplo: 5 Massa padrão de 1kg; Resistor padrão de 100Ω; Padrão de frequência do Césio; Amperímetro padrão; Eletrodo padrão de hidrogênio; Solução de referência de cortisol no soro humano, tendo uma concentração certificada Características do Sistema de Medição 2. Faixa nominal (Nominal Range): Faixa de indicação que se pode obter em uma posição específica dos controles de um instrumento de medição. Geralmente definida pelos limites inferior e superior Quando o limite inferior é zero, a faixa nominal pode ser definida unicamente no limite superior. 6 Características do Sistema de Medição 2. Faixa nominal (Nominal Range): Exemplos: • Faixa de indicação de um manômetro: 0 a 20bar; • Faixa de indicação de um termômetro: 700 a 1200°C; • Faixa de indicação de 0V a 100V; • Sua faixa nominal é expressa como “100V”. 7 Características do Sistema de Medição 2.1. Amplitude de Faixa Nominal (Span): Diferença entre os dois limites de uma faixa nominal; Exemplo: Para uma faixa nominal de -30°C a +50°C; A amplitude é de 80°C. Se possuir uma faixa nominal de 200° a 1200°C A amplitude é de 1000°C. Em algumas áreas, a diferença entre o maior e o menor é denominada faixa de indicação (FI) 8 Características do Sistema de Medição 2.1. Amplitude de Faixa Nominal (Span): Em algumas áreas, a diferença entre o maior e o menor é denominada faixa ▪ Termômetro ▪ Faixa de Operação (FO): -50° a +50° Celsius. ▪ Medidor de deslocamento: ▪ Faixa de Operação (FO): de -0,050 a +0,050mm. 9 Características do Sistema de Medição 3. Faixa de Medição (Measuring Range): Conjunto de valores de um mensurando para o qual se admite que o erro de um instrumento de medição mantém-se dentro dos limites especificados; Também é conhecido como Faixa de Operação (FO) que é menor ou, no máximo, igual à Faixa de Indicação (FI); A faixa de operação pode ser obtida através: • Manual de utilização do Sistema de Medição; • Sinais gravados sobre a escada; • Especificações de normas técnicas 10 Características do Sistema de Medição 3. Faixa de Medição (Measuring Range): 11 Características do Sistema de Medição 4. Escala de um instrumento de medição (Scale of a Measuring Instrument): Conjunto ordenado de marcas, associado a qualquer numeração, que faz parte de um dispositivo mostrador de um instrumento de medição; Cada marca é denominada como Marca de Escala. 12 Características do Sistema de Medição 4.1 Comprimento de Escala (Scale Lenght): Comprimento da linha compreendida entre a primeira até a última marca; Este comprimento deve passar pelo centro de todas as marcas menores. Esta linha pode ser real ou imaginária; Pode ser uma curva ou uma reta; O comprimento da escala é expresso em unidades de comprimento, qualquer que seja a unidade do mensurando ou a unidade marcada sobre a escala 13 Características do Sistema de Medição 4.2 Divisão de Escala (Scale Division): Parte de uma escala compreendida entre duas marcas sucessivas quaisquer. Característica de um sistema de medição analógico através de um índice. Exemplos: • Manômetro: Divisão de Escala (DE): 0,1kgj/cm2; • Termômetro: Divisão de Escala (DE): 5°C; • Régua Escolar: Divisão de Escala (DE) = 1mm. 14 Características do Sistema de Medição 5. Índice (Index): A parte fixa ou móvel de um dispositivo mostrador cuja posição em relação às marcas de escala permite determinar um valor indicado. Exemplo: • Ponteiro; • Ponto Luminoso; • Superfície de um líquido; • Pena de um Registrador. 15 Características do Sistema de Medição 6. Resolução de um dispositivo Mostrador Resolution of a Displaying Device): A menor diferença entre indicações de um dispositivo mostrador que pode ser significativamente percebida. 16 Exemplo: Para dispositivos mostrador digital, é a variação da indicação quando o dígito menos significativo variar de uma unidade 2 Processos de Medição Conceitos; características metrológicas dos instrumentos e suas relações com os processos de medição. 17 Processos de Medição Medir: É o procedimento experimental pelo qual o valor momentâneo de um grandeza física (mensurando) é determinado como um múltiplo e/ou uma fração de uma unidade estabelecida por padrão reconhecido Internacionalmente. 18 Processos de Medição Operação de Medição: É realizada por um instrumento de medição ou, de uma forma mais genérica, por um sistema de medição (SM). Obtém-se desta operação instrumentada a chamada indicação direta, que é o número lido pelo operador diretamente no dispositivo mostrador, acompanhado da respectiva unidade indicada neste dispositivo. 19 Processos de Medição Indicação: É obtida pela aplicação da chamada constante do instrumento à indicação direta. A constante do instrumento deve ser conhecida pelo usuário do Sistema de Medição (SM) antes do início da operação de medição. 20 Processos de Medição Resultado de uma Medição: O trabalho de medição, inicia o trabalho do experimentalista que deverá chegar à informação denominada resultado de uma medição. O resultado de uma medição (RM) expressa propriamente o que se pode determinar com segurança sobre o valor do mensurando, a partir da aplicação do Sistema de Medição sobre esta. 21 Processos de Medição Resultado de uma Medição: O Resultado de uma medição possui duas parcelas: 1. O chamado resultado base (RB), que corresponde ao valor central da faixa onde deve situar-se o valor verdadeiro do mensurando; 2. A incerteza da medição (IM), que exprime a faixa de dúvida ainda presente no resultado, provocada pelos erros presentes no SM e/ou variações do mensurando, e deve sempre ser acompanhado da unidade do mensurando. 22RM = (RB ± IM) [unidade] Processos de Medição Resultado de uma Medição: O resultado de uma medição (RM), envolvendo o resultado base (RB) e a incerteza do resultado (IR), deve sempre ser apresentado de forma compatível. É importante que o número e a posição dos dígitos que representam estes componentes do RM guardem certa relação. Seja, por exemplo, o RM representado da forma abaixo: RM = (RB ± IR) → RM = (255,227943 ± 4,133333333) mm 23 Processos de Medição Resultado de uma Medição: RM = (RB ± IR) → RM = (255,227943 ± 4,133333333) mm ▪ A forma acima pode ser melhorada: ▫ Retirando a série de dígitos que absolutamente não trazem nenhuma informação relevante. ▫ Apresentar a IR com precisão de um ou dois algarismos significativos. ▫ O resultado base deve ser escrito de forma a conter o mesmo número de casas decimais que a IR. 24 RM = (255,2 ± 4,1) mm RM = (255 ± 4) mm Processos de Medição Resultado de uma Medição: ▪ O Resultado de uma medição (RM) deve ser expresso preferencialmente com apenas um algarismo significativo na incerteza do resultado (IR). ▪ Regra 1: Arredondar a IR para apenas um algarismo significativo, isto é, com apenas um algarismo diferente de zero. ▪ Regra 2: Arredondar o resultado base (RB) para mantê-lo compatível com a IR de forma que ambos tenham o mesmo número de dígitos decimais após a vírgula. 25Processos de Medição Resultado de uma Medição: ▪ Exemplos: RM = (RB ± IR) ▫ 49,3333 ± 0,1 ▫ 19,7258 ± 0,935 ▫ 19,2758 ± 0,395 ▫ 2037,8142 ± 28,24594 ▫ 203,78142 ± 2,824594 ▫ 85,76 ± 0,02759 26 49,3 ± 0,1 20 ± 1 204 ± 3 85,76 ± 0,03 2038 ± 28 19,3 ± 0,4 Processos de Medição Resultado de uma Medição: ▪ A Incerteza de Resultado (IR) poderá ser representada com dois dígitos significativos quando se tratar de uma medição crítica, ou quando ela for grande, se comparada ao Resultado Base (RB). ▪ Regra 3: Escrever a Incerteza de Resultado (IR) com dois algarismos significativos, ou seja, com apenas dois algarismos diferentes de zero. 27 Processos de Medição Resultado de uma Medição: ▪ Exemplos: RM = (RB ± IR) ▫ 27,2476 ± 0,21 ▫ 428,312 ± 14 ▫ 0,03427 ± 0,0028 ▫ 276,37222 ± 0,18401 ▫ 7,275 ± 0,324 ▫ 486,2612 ± 0,02759 28 27,25 ± 0,21 428 ± 14 7,27 ± 0,32 486,261 ± 0,028 276,37 ± 0,18 0,0343 ± 0,0028 Processos de Medição Exatidão de Medição: Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro convencional. Popularmente é a aproximação a um valor teórico. Grau de concordância entre o resultado de uma e um valor verdadeiro do mensurando. Exatidão é um conceito qualitativo. O termo precisão não deve ser utilizado como exatidão. 29 Processos de Medição Precisão de Medição: (pelo VIM, o termo precisão não deve ser mais utilizado) Variabilidade dos resultados de medições sucessivas. O termo mais correto a ser considerado é Repetitividade. 30 Processos de Medição Exatidão e Precisão (Repetitividade): • São conceitos que não podem ser atribuídos individualmente a algum fator, tais como, à uma máquina, operador ou condição ambiental. • Estes conceitos somente podem ser relacionados ao conjunto destes fatores, que são os PROCESSOS. 31 Processos de Medição Exemplos de Exatidão: Para um sensor de temperatura que possua uma amplitude de 60° a 320° e valor medido de 115°C.Qual o intervalo mais provável do valor real para uma: a) Exatidão de 1,5% do Fundo de Escala Valor Real = 115,0°C ± (0,015∙320) = 115,0°C ± 4,8°C b) Exatidão de 1,5% do Span Valor Real = 115,0°C ± (0,015∙260) = 115,0°C ± 3,9°C c) Exatidão de 1,5% do valor Lido (instantâneo): Valor Real = 115,0°C ± (0,015∙115) = 115,0°C ± 1,7°C 32 Processos de Medição Exemplos de Exatidão: Em determinado manômetro capaz de medir valores entre 0 e 10 bar possui um valor medido de 3,8 bar. Qual o intervalo mais provável do valor real para uma: a) Exatidão de 1,8% do Fundo de Escala Valor Real = 3,80 ± (0,018∙10) = 3,80 ± 0,18 bar b) Exatidão de 1,9% do Span Valor Real = 3,80 ± (0,019∙10) = 3,80 ± 0,19 bar c) Exatidão de 2,1% do valor Lido (instantâneo): Valor Real = 3,80 ± (0,021∙10) = 3,80 ± 0,21 bar 33 Processos de Medição Resolução: Resolução é a menor diferença entre indicações que pode ser significativamente percebida. A avaliação da resolução é feita em função do tipo de instrumento: • Nos sistemas com mostradores digitais, a resolução corresponde ao incremento digital de menor significância; • Nos sistemas com mostradores analógicos, a resolução teórica é zero. Na prática, porém, mostra-se mais eficaz utilizar a resolução das suas marcas de escala. 34 35 Processos de Medição Resolução: Resolução é a menor diferença entre indicações que pode ser significativamente percebida. A avaliação da resolução é feita em função do tipo de instrumento: • Justamente em função destas limitações do operador, da qualidade do dispositivo indicador e da própria necessidade de leituras mais ou menos criteriosas, a resolução a adotar poderá ser uma fração do valor de uma divisão (VD). 36 Processos de Medição Erro Sistemático (Es) • É a parcela do erro que se repete quando uma série de medições é efetuada nas mesmas condições. • Numericamente corresponde à média de um número infinito de medições do mesmo mensurando, efetuadas sobre condições de repetitividade, menos o valor verdadeiro do mensurando. • Em termos práticos, adota-se a tendência como estimativa do erro sistemático. 37 Processos de Medição ▪ Repetitividade (Re) de resultados de medições ▪ Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição. ▪ 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. 38 Processos de Medição ▪ Erro Máximo (Emax) • O Erro Máximo (Emax) expressa a faixa onde se espera que esteja contido o erro máximo (em termos absolutos) do SM; • Deve-se considerar toda a sua faixa de medição e as condições operacionais fixadas pelo seu fabricante. • O termo precisão, embora não recomendado, tem sido usado como sinônimo de incerteza do sistema de medição. O termo correto é Repetitividade. • O erro máximo de um SM é o parâmetro reduzido que melhor descreve a qualidade do instrumento. 39 Processos de Medição ▪ Sensibilidade (Sb) • É o quociente entre a variação da resposta (sinal de saída) do SM e a correspondente variação do estímulo (mensurando); 40 Me ISM Me0 ISM Sb Sb Curvas de Resposta Nominal • Para sistemas lineares a sensibilidade é constante; • Para os não lineares é variável, dependendo do valor do estímulo e determinada pelo coeficiente angular da tangente à curva de resposta (CR). Processos de Medição ▪ Exemplo de Sensibilidade (Sb): ▪ Análise pelo valor mostrado no relógio comparador abaixo: 41 𝑺𝒃 = 𝟐𝟎 𝑽𝑫 − 𝟎[𝑽𝑫] 𝟎, 𝟏 [𝒎𝒎] 𝑺𝒃 = 𝟓𝟎 𝑽𝑫 − 𝟎[𝑽𝑫] 𝟎, 𝟏 [𝒎𝒎] 𝑺𝒃 = 𝟐 [𝒎𝒎] 𝟎, 𝟏 [𝒎𝒎] 𝑺𝒃 = 𝟓 [𝒎𝒎] 𝟎, 𝟏 [𝒎𝒎] a) Faz a leitura de 20 (Valores de Divisão) para cada 0,1 mm b) Faz a leitura de 50 (Valores de Divisão) para cada 0,1 mm c) Faz a leitura de 2 mm para cada 0,1 mm d) Faz a leitura de 5 mm para cada 0,1 mm → 𝑺𝒃 = 𝟐𝟎𝟎[𝑽𝑫/𝒎𝒎] → 𝑺𝒃 = 𝟓𝟎𝟎[𝑽𝑫/𝒎𝒎] → 𝑺𝒃 = 𝟐𝟎[𝒎𝒎/𝒎𝒎] → 𝑺𝒃 = 𝟓𝟎[𝒎𝒎/𝒎𝒎] Erros Encontrados 1. Erro de Medição (Error of Measurement): • O erro de medição é caracterizado como a diferença entre o valor da indicação do SM e o valor verdadeiro do mensurando, isto é: E = I – VV (1) Onde: E = erro de medição I = indicação VV = valor verdadeiro • Na prática, o valor "verdadeiro" é desconhecido. • Usa-se então o valor verdadeiro convencional (VVC), isto é, o valor conhecido com erros não superiores a um décimo do erro de medição esperado. 42 Erros Encontrados 1. Erro de Medição (Error of Measurement): • Neste caso, o erro de medição é calculado por: E = I – VVC (2) Onde VVC = valor verdadeiro convencional • Para eliminar totalmente o erro de medição é necessário empregar um SM perfeito sobre o mensurando que seja perfeitamente definido e estável. • Na prática não se consegue um SM perfeito e o mensurando pode apresentar variações. • Portanto, é impossível eliminar completamente o erro de medição. Mas é possível, ao menos, delimitá-lo. 43 Erros Encontrados 1. Erro de Medição (Error of Measurement): • Sabendo-se da existência do erro de medição, percebeu-se que é possível obter informações confiáveis da medição • Isto é possível desde que a ordem de grandeza e a natureza deste erro sejam conhecidas. • Tipos de Erros • Para melhor entendimento, o erro de medição pode ser considerado como composto de três parcelas aditivas: E = Es + Ea + Eg 44 Sendo: E = erro de medição; Es = erro sistemático; Ea = erro aleatório; Eg = erro grosseiro. Erros Encontrados 2. Erro Sistemático (Es): • É a parcela de erro sempre presente nas medições realizadas em idênticas condições de operação. • É a diferença entre a média de um número infinito de medições do mesmo mensurando e o valor verdadeiro do mensurando quando são obedecidas as condições de repetitividade. 45 Erros Encontrados 2. Erro Sistemático (Es): • Um dispositivo mostradorcom seu ponteiro "torto" é um exemplo clássico de um erro sistemático; • Este erro sempre se repetirá enquanto o ponteiro estiver torto. • Causado por um problema de ajuste ou desgaste do sistema de medição, quanto por fatores construtivos. • Pode estar associado ao próprio princípio de medição empregado ou ainda ser influenciado por grandezas ou fatores externos, como as condições ambientais. 46 Erros Encontrados 2. Erro Sistemático (Es): • A estimativa do erro sistemático da indicação de um instrumento de medição é também denominado Tendência (Td). • O erro sistemático, embora se repita, se a medição for realizada em idênticas condições, geralmente não é constante ao longo de toda a faixa em que o SM pode medir. • Para cada valor distinto do mensurando é possível ter um valor diferente para o erro sistemático. • A forma como varia ao longo da faixa de medição depende de cada SM, sendo de difícil previsão. 47 Erros Encontrados 3. Erro Aleatório (Ea): • Quando uma medição é repetida diversas vezes, nas mesmas condições, observam-se variações nos valores obtidos. • Em relação ao valor médio, estas variações ocorrem de forma imprevisível, tanto para valores acima do valor médio, quanto para abaixo. • Este efeito é provocado pelo erro aleatório (Ea). O erro aleatório é a diferença entre o resultado de uma medição e a média de um número infinito de medições do mesmo mensurando sob condições de repetitividade. 48 Erros Encontrados 3. Erro Aleatório (Ea): • Diversos fatores contribuem para o surgimento do erro aleatório. • A existência de folgas, atrito, vibrações, flutuações de tensão elétrica, instabilidades internas, das condições ambientais ou outras grandezas de influência, contribui para o aparecimento deste tipo de erro. • A intensidade do erro aleatório de um mesmo SM pode variar ao longo da sua faixa de medição, com o tempo, com as variações das grandezas de influência, dentre outros fatores. 49 Erros Encontrados 3. Erro Aleatório (Ea): • A forma como o erro aleatório se manifesta ao longo da faixa de medição depende de cada SM, sendo de difícil previsão. 50 Erros Encontrados 4. Erro Grosseiro (Eg): • O erro grosseiro (Eg) é, geralmente, decorrente de mau uso ou mau funcionamento do SM. • Pode, por exemplo, ocorrer em função de leitura errônea, operação indevida ou dano do SM. • Seu valor é totalmente imprevisível, porém geralmente sua existência é facilmente detectável. • Sua aparição pode ser resumida a casos muito esporádicos, desde que o trabalho de medição seja feito com consciência. • Seu valor será considerado em nossas considerações. 51 Erros Encontrados 5. Erro Aleatório e Erro Sistemático: ▪ Como exemplo podemos imaginar uma situação onde é possível caracterizar erros sistemáticos e aleatórios. ▪ A pontaria de quatro atiradores está sendo colocada à prova. ▪ O objetivo é acertar no centro de um alvo colocado a uma mesma distância. Cada atirador tem direito a 5 tiros. 52 Erros Encontrados 5. Erro Aleatório e Erro Sistemático: • As marcas dos tiros do atirador "A" se espalharam por uma área relativamente grande em torno do centro do alvo. • Estas marcas podem ser inscritas dentro do círculo tracejado desenhado na figura. • Embora este círculo apresente um raio relativamente grande, seu centro coincide aproximadamente com o centro do alvo. 53 Erros Encontrados 5. Erro Aleatório e Erro Sistemático: • O raio do círculo tracejado está associado ao espalhamento dos tiros que decorre diretamente do erro aleatório. • A posição média das marcas dos tiros, que coincide aproximadamente com a posição do centro do círculo tracejado, reflete a influência do erro sistemático. • Pode-se então afirmar que o atirador "A" apresenta elevado nível de erros aleatórios enquanto o erro sistemático é baixo. 54 Erros Encontrados 5. Erro Aleatório e Erro Sistemático: ▪ No caso do atirador "B", além do raio do círculo tracejado ser grande, seu centro está distante do centro do alvo. ▪ Neste caso, tanto os erros aleatórios quanto sistemáticos são grandes. 55 Erros Encontrados 5. Erro Aleatório e Erro Sistemático: ▪ Na condição do atirador "C", a dispersão é muito menor; ▪ Já a posição do centro do círculo tracejado está ainda distante do centro do alvo; ▪ Isto indica pequenos erros aleatórios e grande erro sistemático. 56 Erros Encontrados 5. Erro Aleatório e Erro Sistemático: ▪ Já a situação do atirador "D" reflete pequenos níveis de erros aleatórios e também do erro sistemático. ▪ Do ponto de vista de balística, o melhor dos atiradores é o "D“; ▪ Acertou quase sempre muito próximo do centro do alvo e com boa repetitividade. 57 Erros Encontrados 5. Erro Aleatório e Erro Sistemático: ▪ Ao se comparar os resultados do atirador "C" com o "A", pode-se afirmar que o tanque "C" é melhor. ▪ Embora nenhum dos tiros disparados pelo atirador "C" tenha se aproximado suficientemente do centro do alvo, o seu espalhamento é muito menor. ▪ Um pequeno ajuste na mira do atirador "C" o trará para uma condição de operação muito próxima do atirador "D", o que jamais pode ser obtido com o atirador "A". 58 Erros Encontrados 5. Erro Aleatório e Erro Sistemático: ▪ O erro sistemático não é um fator tão crítico quanto o erro aleatório. ▪ Através de um procedimento adequado é possível estimá-lo relativamente bem e efetuar a sua compensação, o que equivale ao ajuste da mira do atirador "C". ▪ Já o erro aleatório não pode ser compensado; 59 Fontes de Erros • Toda medição está afetada por erros. • Estes erros são provocados pela ação isolada ou combinada de vários fatores que influenciam o processo de medição, envolvendo o sistema de medição, o procedimento de medição, a ação de grandezas de influência e o operador. • O comportamento de um Sistema de Medição depende de fatores conceituais e aspectos construtivos. • Suas características tendem a se degradar com o uso, especialmente em condições de utilização muito severas, o que faz com que haja um aumento do erro. 60 Fontes de Erros • O comportamento do SM pode ser fortemente influenciado por perturbações externas e internas, bem como pela influência do operador, ou mesmo do SM, modificar indevidamente o mensurando. • O procedimento de medição adotado deve ser compatível com as características do mensurando. • O número e posição das medições efetuadas, o modelo de cálculo adotado, a interpretação dos resultados obtidos podem também introduzir componentes de incerteza relevantes no resultado da medição. 61 Fontes de Erros • Perturbações Externas: • Condições Ambientais; • Tensão da Rede Elétrica; • Vibrações; • Operador; • Perturbações Internas: • Atrito; • Tensões Termoelétricas; • Mal contatos elétrico; • Folgas. 62 Mensurando Sistemas de Medição Sinal de Medição Perturbações Externas Retroação Indicação Retroação do Receptor Perturbações Internas Indicador / Receptor Fontes de Erros • A figura ilustra uma situação onde se pretende medir a temperatura de um cafezinho. • Para tal é empregado um termômetro de bulbo. • Ao ser inserido no copo, há um fluxo de energia do café para o termômetro: o bulbo esquenta enquanto o café esfria, até que a temperatura de equilíbrio seja atingida. • É esta temperatura, inferior à temperatura inicial do cafezinho, que será indicada pelo termômetro. 63 20°C 70°C 63°C 63°C Fontes de Erros • Este é outro exemplo onde o mensurando é modificado pelo Sistema de Medição. • A modificação do mensurando por outros módulos da cadeia de medição, acontece, por exemplo, na conexão indevida de dispositivos registradores. 64 63°C 63°C 20°C 70°C 65 - Fim da Aula 02 -
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