Metrologia/Instrumentação PDF

**Metrologia/ Instrumentação** Inicialmente, vamos estabecer a definição a dois termos atualmente bastante citados, mas entendidos dos mais diferentes modos: ·Metrologia é a ciência da medição. Trata dos conceitos básicos, dos métodos, dos erros e sua propagação, das unidades e dos padrões envolvi...

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