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INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos.

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1 INSTRUMENTOS E SISTEMA GENERALIZADO DE MEDIDA Introdução e Conceitos

2 Roteiro Modelo de um Instrumento genérico de medida Elementos funcionais de um instrumento; Transdutores Ativos e Passivos; Princípio da deflexão e da nulidade; Configuração Entrada-Saída e tipos de entradas; Métodos de Correção para entradas indesejáveis;

3 Introdução É possível e desejável descrever tanto a operação quanto o desempenho (quão próximo da perfeição) dos instrumentos de medida e equipamentos associados de forma generalizada sem recorrer a um hardware físico específico. Para alcançar tal feito, os instrumentos são representados através de modelos e classificações.

4 Elementos Funcionais (a) Elemento Sensor Primário: Recebe (extrai) energia do meio e produz uma saída, que depende da quantidade medida. (b) Elemento Conversor de Variável: Converte a saída do elemento sensor em outra variável mais conveniente. (c) Elemento Manipulador de variável: Altera valores numéricos de uma variável, sem alterar sua natureza física (ex.: amplificador).

5 Elementos Funcionais (d) Elemento Transmissor de Dados: Responsável pela transmissão de dados de um elemento para outro (quando estes forem separados fisicamente). Exemplos: (i) Transmissão de um torque através de um eixo e (ii) Sistema de telemetria. (e) Elemento Apresentador de Dados: Transforma a variável medida para uma forma capaz de ser detectada por um dos sentidos humanos (normalmente a visão). Exemplo: ponteiro e escala de um instrumento. (f) Elemento Armazenador / Leitor de Dados: Usados para guardar todos (ou uma parte) os dados, podendo recupera-los mais tarde. Exemplo: (i) CD, DVD, memória do computados etc.

6 Exemplo

7 Definição de Termos a. Legibilidade (Readability): Indica a aproximação com a qual a escala de um instrumento pode ser lida. Exemplo: Escala com leituras entre 0 e 10 com comprimento: (i) de 30 cm e (ii) de 15 cm. O instrumento (i) possui maior legibilidade. b. Menor Divisão (Least count): É a menor divisão entre 2 indicações que pode ser detectada na escala de um instrumento. OBS.: Legibilidade e menor divisão são dependentes: i. do comprimento da escala, ii. do espaçamento das divisões e iii. da dimensão do ponteiro.

8 Definição de Termos c. Sensibilidade (sensitivity): É a razão entre o movimento linear de um ponteiro e a variação da variável medida, a qual causa este movimento. Exemplo: Diferença de potencial de 1 mV, medida por uma escala de 10 cm. Sensibilidade = 10 cm / mV. d. Histerese (Hysteresis): O valor lido por um instrumento é diferente, dependendo se este valor é alcançado a partir de valores maiortes ou menores. Exemplo: Curva de calibração OBS.: Histerese pode ser causada por atrito mecânico, efeitos magnéticos, efeitos térmicos e deformação plástica.

9 Definição de termos e. Exatidão (Accuracy): Indica o desvio de uma medida com relação a uma entrada conhecida (valor verdadeiro). Exemplo: Um manômetro com fundo de escala de 100 psi possui exatidão de 1% (exatidão é fornecida em porcentagem do fundo de escala do instrumento). Isto significa que o instrumento possui uma incerteza de 1 psi, com relação ao valor verdadeiro. Neste caso: i. P/ uma medida de 10 psi Incerteza de 10% ii. P/ uma medida de 100 psi Incerteza de 1% f. Precisão (precision): Indica a abilidade do instrumento de reproduzir leituras com uma dada exatidão. Ou seja, está associado à repetibilidade. OBS. 1: Distinção entre exatidão e precisão Valor verdadeiro = 100 psi Medidas obtidas c/ um instrumento: 104, 103, 105, 103, 105 psi Logo: (i) Exatidão do instrumento = 4 psi ( 4% ) (ii) Precisão do instrumento =  1psi OBS. 2: Uma calibração pode melhorar a exatidão do instrumento até o limite de sua precisão (precisão depende da qualidade do instrumento)..

10 Transdutores Ativos e Passivos Transdutores: Transdutores: São dispositivos que convertem uma forma de energia ou quantidade física em outra. Em uma definição mais ampla, esta energia ou quantidade física podem ser as mesmas na entrada e na saída. A energia ou estímulo determina a quantidade do sinal. Transdutores Passivos: componente cuja energia de saída é fornecida inteiramente pelo sinal de entrada ou meio de medida. Transdutores Ativos: possui uma fonte auxiliar de potência que fornece a maior parte da potência de saída enquanto que o sinal de entrada conbribui apenas com uma porção insignificante. Dessa forma, a entrada apenas controla a saída.

11 Modo analógico ou digital Diferenças: contínuo no domínio do tempo: as variáveis são observadas de forma direta sem passar por processos de codificação. Em um intervalo definido de tempo existem infinitas amostras do sinal. Reflete fielmente o fenômeno físico. Analógico: contínuo no domínio do tempo: as variáveis são observadas de forma direta sem passar por processos de codificação. Em um intervalo definido de tempo existem infinitas amostras do sinal. Reflete fielmente o fenômeno físico. Digital: Apresenta valores discretos (descontínuos) no tempo e amplitude. Isso significa que um sinal digital só é definido para determinados instantes de tempo, e o conjunto de valores que pode assumir é finito. Digital: Apresenta valores discretos (descontínuos) no tempo e amplitude. Isso significa que um sinal digital só é definido para determinados instantes de tempo, e o conjunto de valores que pode assumir é finito. Conversor Analógico-Digital; Conversor Analógico-Digital; Discretização e Resolução/Largura de Código; Discretização e Resolução/Largura de Código; O problema do Aliasing; O problema do Aliasing;

12 Princípio da Deflexão e da Nulidade Princípio da Deflexão A quantidade medida produz algum efeito físico que provoca um efeito similar porém oposto em alguma parte do instrumento. Esse efeito oposto está relacionado com uma grandeza física que pode ser observada pelo usuário. Esse efeito oposto aumenta até que o equilibrio é alcançado e a deflexão/magnitude deste é inferido como a grandeza medida. Acurácia depende da calibração do elemento defletor; Mais apropriado para medidas dinâmicas; Princípio da Nulidade Um dispositivo que opera por esse princípio tenta manter nula a deflexão pela aplicação do efeito oposto adequado. Faz-se necessário, assim, um detetor de desbalanceamento e uma forma prática de reestabelecer o equilíbrio. Acurácia depende do método de balanceamento; Acurácia geralmente maior devido a comparação direta com os padrões de calibração e pela maior sensibilidade do “sensor de zero” (range);

13 Modelo de um Instrumento de Medida FDFD FIFI F M,D F M,I Entrada Desejável Entrada Interferente Entrada Modificadora Saída Desejável Saída Interferente Saída do Instrumento

14 Entradas e saídas estão relacionadas por funções de transferência F j que devem carregar informações como: Linearidade; Características estáticas e dinâmicas; Tratamento estatístico. As entradas são classificadas de acordo com Draper, MacKay e Lees (1955) em: Entrada Desejável: representam as quantidades que o instrumento especificamente pretende medir; Entrada Interferente: representam as quantidades às quais o instrumento é não intencionalmente sensível; Entrada Modificadora:representam as quantidades que modificam as relações entrada-saída tanto das entradas desejáveis quanto das interferentes. Modelo de um Instrumento de Medida

15 Exemplo Manômetro em U: Saída: Desnível entre terminais medido por uma escala milimetrada; Entradas deseáveis: Pressões em seus terminais; Entradas interferentes: Aceleração e/ou angulo de desalinhamento com a vertical; Entradas modificadoras: força gravitacional e/ou temperatura ambiente.

16 Metodos de Correção Dentre os métodos de correção para entradas interferentes e modifcadoras, citamos os mais amplamente utilizados, a saber: 1.Método da Insensibilidade Inerente 2.Método do Sistema com Realimentação e alto-ganho 3.Método da Correção do Sinal de Saída 4.Método das Entradas Opostas 5.Método da Filtragem do Sinal

17 Este método propõe a filosofia de projeto óbvia, na qual os elementos de um sistema de medida deveriam ser inerentemente sensíveis somente as entradas desejáveis. Entretanto, normalmente isto não é inteiramente possível de ser realizado. Na prática procura-se minimizar os efeitos das entradas indesejáveis, fazendo-se as funções de transferência F I e F M,D próximas de zero para minimizar os efeitos das entradas interferentes e modificadoras. Exemplo: Uso de material com coeficiente de expansão extremamente baixo (liga Invar). Método da Insensibilidade Inerente

18 Método do Sistema c/ Realimentação e Alto Ganho Sistema de malha aberta: Voltímetro eletro - mecânico K MO K SP eiei xoxo T F M1 F M2 i M1 i M2

19 Método do Sistema c/ Realimentação e Alto Ganho Sistema de malha Fechada: Voltímetro eletro – mecânico modificado K SP eiei xoxo T F M1 F M2 i M1 i M2 K FB K AM  - K MO F M4 i M4 F M3 i M3

20 Método do Sistema c/ Realimentação e Alto Ganho

21 Método da Correção do Sinal de Saída Quando os efeitos das entradas interferentes e modificadoras podem ser calculados (ou estimados), de maneira a ter-se valores quantitativos, a saída do sistema de medida pode ser corrigida de maneira a minimizar (ou eliminar) os efeitos das entradas interfrentes e modificadoras. Exemplos: Termômetro de bulbo Correção de ângulo de ataque de perfil simétrico Correção dos efeitos da temperatura ambiente no anemômetro de fio quente Manômetro em U OBS: Um computador pode implementar esses tipos de correção de forma automática.

22 Método das Entradas Opostas Consiste na introdução intensional de elementos no sistema de medida, cujas funções de transferencia anulam (ou minimizam) os efeitos das entradas (inevitáveis) interferentes e modificadora. FDFD FIFI Entrada Desejável Entrada Interferente Saída Desejável OIOI Saída do Instrumento F I,O O I,O O I - O I,O    -

23 Milivoltímetro: Dispositivo sensível a corrente Método das Entradas Opostas

24 Tubo de Pitot: Tomada estática Método das Entradas Opostas

25 Medidor de vazão mássica: Compensação de Temperatura e Pressão Método das Entradas Opostas

26 Método da Filtragem do Sinal Filtragem do sinal de entrada FDFD FIFI F M,D F M,I Entrada Desejável Entrada Interferente Entrada Modificadora Saída Desejável Saída Interferente Saída do Instrumento Filtro

27 Método da Filtragem do Sinal Filtragem do sinal de saída F M,D F M,I Entrada Desejável Entrada Interferente Entrada Modificadora Saída Desejável Saída Interferente Saída Filtro FDFD FIFI ODOD OIOI OMOM

28 Método da Filtragem do Sinal Filtragem (mecânica) do sinal de entrada

29 Método da Filtragem do Sinal Filtragem (mecânica) do sinal de entrada

30 Método da Filtragem do Sinal Filtragem (elétrica) do sinal de entrada

31 Método da Filtragem do Sinal Filtragem (térmica) do sinal de entrada

32 Método da Filtragem do Sinal Filtragem (elétrica) do sinal de saída

33 Método da Filtragem do Sinal Filtragem: Tipos de Filtro


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