 INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais.  Em todos os processos de fabricação é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como: pressão, vazão, temperatura, nível. Instrumentação

 Basicamente existem três tipos de aplicação para a instrumentação:  O monitoramento de processos e operações;  O controle de processos e operações;  Análise experimental. Instrumentação

 Algumas aplicações de instrumentos de medida tem a simples função de monitoramento da variável medida, ou seja, suas medidas não são utilizadas para controle.  Exemplos: Medidores de consumo de gás, água e energia elétrica utilizados em residências. Monitoramento

 No controle, por outro lado, estamos interessados em medir grandezas para fechar uma malha de controle tal qual em sistemas lineares.  Controle: A partir do conhecimento de um processo podemos tentar controlá-lo através das variáveis de entrada. Controle

 Em todos estes processos é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como:  Pressão  Vazão  Temperatura  Nível  pH  Condutividade  Velocidade  Umidade etc. Instrumentação

 Os sistemas de controle sofreram grandes transformações tecnológicas, como:  Controle manual  Controle Automático  Controle em malha aberta  Controle em malha fechada  Controle analógico  Controle digital

 Controle automático  Sistema que compara o valor da variável do processo com o valor desejado e toma uma atitude de correção de acordo com o desvio existente, sem a intervenção do operador.

 Controlador de malha aberta consiste em um sistema que não possui realimentação.  O controle em malha aberta consiste em aplicar um sinal de controle pré-determinado, esperando-se que ao final de um determinado tempo a variável controlada atinja um determinado valor.

 Controle em malha aberta

 No controle em malha fechada, informações sobre como a saída de controle está evoluindo são utilizadas para determinar o sinal de controle que deve ser aplicado ao processo em um instante específico.

 Controle em malha fechada

 Também pode acontecer de estarmos estudando problemas que não tenham uma teoria bem definida para explicá-lo, neste caso simulações e experimentos devem andar de mãos dadas para tentar solucionar o problema proposto.  A compreensão sobre o desenho e a concepção dos experimentos também é de fundamental importância para que se consiga manter sobre controle efeitos indesejados. Procedimento Experimental

 Instrumento: dispositivo através do qual se pode determinar o valor ou magnitude de uma grandeza.  Medição: é o processo que envolve um instrumento para determinar uma variável física.  Conjunto de operações que tem por objetivo determinar o valor de uma grandeza, isto é, comparar uma grandeza com uma outra da mesma natureza. Medição

 Medida: é o resultado do processo de medição.  Instrumento eletrônico: baseia-se em princípios elétricos ou eletrônicos para se efetuar a medição. Medição

Exemplos de Medição

 A Figura abaixo mostra apenas um dos vários arranjos possíveis. Ele inclui todos os elementos que executam as funções básicas consideradas necessárias para a constituição de qualquer instrumento.  Esses elementos são:  Elemento sensor primário - aquele que primeiro recebe a informação do meio físico medido e gera um sinal de saída que depende de algum modo da quantidade medida. Configuração de um Instrumento

 Elemento conversor de variável - aquele que converte o sinal de saída do elemento sensor primário em um outro sinal mais apropriado para a medição, sem entretanto alterar a informação contida no sinal original.  Elemento manipulador de variável - aquele que opera uma mudança no valor numérico associado ao sinal de saída do elemento conversor de variável segundo uma regra precisamente definida, mantendo entretanto a natureza física do sinal. Configuração de um Instrumento

 Elemento transmissor de dados - aquele que transmite dados entre os elementos funcionais do sistema de medição quando estes se encontram fisicamente separados.  Elemento apresentador de dados - aquele que coloca os dados em uma forma reconhecida por um dos sentidos humanos (pelo observador) para efeito de monitoramento, controle ou análise. Configuração de um Instrumento

 A Figura apresenta um esquema exemplo de um medidor eletrônico de deformação (strain). Configuração de um Instrumento

 O processo de medição pode ser considerado como sendo constituído de três etapas básicas:  Planejamento do experimento;  Realização da medida (ligação dos instrumentos e leitura dos resultados;  Interpretação dos resultados. O que é necessário para a realização de medidas?

 Que todos instrumentos estejam calibrados com relação à mesma referência.  Conhecimento dos instrumentos utilizados e das condições de medida que possam influenciar os resultados.  Capacidade de leitura e interpretação dos resultados, exigindo uma postura crítica diante dos dados. Condições para o sucesso das medidas?

 Procedimento que consiste em ajustar o valor lido por um instrumento com o valor padrão de mesma natureza. Apresenta caráter ativo, pois o erro, além de determinado é corrigido. Calibração

 A calibração pode ser realizada diretamente com um padrão ou indiretamente, usando um medidor calibrado.  Os padrões são classificados da seguinte forma:  Primário  Secundário  Padrões de Referência Padrões

 Padrões primários:  São os padrões reconhecidos como referência para cada grandeza. Podem ser classificados como:  Padrões Internacionais: Quando o mesmo é reconhecido através de acordo internacional.  Padrões Nacionais: Quando adotado oficialmente como referência para uso no país. Padrões

 Padrões secundários:  São os padrões cujos valores são determinados a partir da comparação com o padrão primário. Padrões

 Padrão de referência:  É o padrão com as melhores qualidades, disponível em um determinado local (indústria, órgão, laboratório...), que serve como referência para todas medições ali efetuadas. Padrões

 Nem todas as grandezas podem ser medidas diretamente. Em alguns casos é necessário fazer cálculos para descobrir o valor.  Medida direta: encontrada por comparação direta com a unidade (com o instrumento).  Medida indireta: encontrada através de cálculos que utilizam as medidas feitas. Medida Direta ou Indireta

 Exemplos:  Medir massa com uma balança;  Medir altura com uma trena;  Determinar volume de um líquido em um frasco graduado. Medida Direta

 Exemplos:  Saber a espessura de uma folha medindo diversas folhas;  Determinar a velocidade média de um corpo sabendo o deslocamento e o tempo;  Descobrir o volume de um cilindro multiplicando a área da base pela altura. Medida Indireta

 Exemplo: Consideremos que Lx seja a largura de uma parede que é comparada com o metro padrão, o resultado da comparação será a medida direta do valor de Lx, por exemplo, Lx = 4,3 m. Medida Direta

 Consideremos que Hx seja a altura dessa parede, que é comparada com o metro padrão, o resultado da comparação será a medida direta do valor de Hx, por exemplo, Hx = 2,6 m.  Neste caso, a área da parede será obtida através da operação matemática (multiplicação) entre as medidas diretas, portanto, será uma medida indireta. Medida Indireta

 47. Medição é a comparação entre uma grandeza sujeita à medição e um certo valor adotado como unidade de referência. São exemplos (A) a medida de um comprimento com uma régua comum ou (B) medida de uma vazão através da queda de pressão em uma placa de orifício. A diferença entre a medida “A” e a “B”, quanto à obtenção das medidas, é indicada corretamente por qual alternativa?  A) Medida direta e indireta, respectivamente.  B) Medida indireta e direta, respectivamente.  C) Medida com e sem rastreabilidade, respectivamente.  D) Medida com padrão primário e secundário, respectivamente.  E) Medida com padrão secundário e primário, respectivamente. Medidas

 A tabela seguinte apresenta os conceitos que se aplicam a instrumentos e ao procedimento de medição: Terminologia

 Todo instrumento tem um valor mínimo de entrada, abaixo do qual ele não tem qualquer sinal de saída.  Se a entrada de um instrumento é gradualmente aumentada a partir do zero, existirá algum mínimo valor, abaixo do qual não haverá saída. Esse mínimo valor define o limiar de um instrumento. Limiar (“threshold”)

 Nos instrumentos de indicação analógica, as leituras em geral são obtidas a partir da posição de um elemento indicador (ponteiro, coluna de líquido, etc.) em relação a uma escala. O parâmetro menor divisão da escala corresponde ao valor nominal da variação da leitura entre dois traços adjacentes da escala, Menor Divisão da Escala

 Todos os instrumentos, sem exceção, possuem um valor mínimo e um valor máximo que conseguem medir corretamente, o que chamamos de faixa.  Conjunto de valores da variável que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida. Faixa de Medida - Range

 No instrumento da figura abaixo (um indicador de pressão, também chamado de manômetro), por exemplo, a faixa ou range é de 0 bar a 10 bar. Faixa de Medida - Range

 Máxima deflexão do ponteiro, ou valor máximo que pode ser mostrado num mostrador digital, correspondendo ao maior valor que o equipamento de medição pode mostrar. Fundo de Escala

 É o valor máximo que o instrumento é capaz de medir. Em um indicador de pressão como o da figura abaixo, que mede de 0 bar a 10 bar, o fundo de escala é de 10 bar. Fundo de Escala

 Uso do Multímetro: Fundo de Escala

 Medidor: Ohmímetro  Fundos de escala (Ω ou KΩ) Fundo de Escala

 Resistor de 120ohms (faixas marrom, vermelha e marrom)  Leitura da resistência: R = 119,8ohms  Chave seletora em 200ohms (para valores de R até 200ohms)  A leitura apresenta boa precisão na leitura. Fundo de Escala

 Resistor de 120ohms (faixas marrom, vermelha e marrom)  Leitura da resistência: R = 120 ohms  Chave seletora em 2000ohms  A medida apresentada é menos precisa do que a anterior, não há avaliação de décimos.  A medida mais precisa é sempre obtida com o menor fundo de escala possível. Fundo de Escala

 É a diferença algébrica entre os valores, superior e inferior, da faixa de medida, ou de indicação, ou de transmissão do instrumento.  Por exemplo, no termômetro da figura abaixo estão escritos valores de 0 °C a 120 °C, em espaços de 1 °C cada, então seu alcance é de 120 °C. Alcance

 Exemplo: Um termômetro doméstico geralmente tem uma faixa de 35 °C a 42 °C, o que significa dizer que o termômetro tem um alcance de ______.  Exemplo: Um determinado instrumento possui um range de 1 a 3 atm. O alcance desse instrumento é de ____. Alcance

 Erro: É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da variável medida. Erro

 Um sistema de medição ideal produziria somente medições “corretas” a cada vez que fosse utilizado. No entanto, sistemas de medição com tal propriedade não existem. O erro de medição é definido por: Erro

 Diferença entre o valor lido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida em um processo em regime permanente.  Exemplo: Termômetro registra 30 °C de temperatura ambiente, porém a temperatura real é de 28 °C. Erro Estático

 Diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida ao LONGO DO TEMPO, normalmente um ATRASO NA MEDIÇÃO.  Quando tivermos a variável variando, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamado de ERRO DINÂMICO. Erro Dinâmico

 Exemplo: Termômetro indica nesse momento 220 °C em um equipamento mas levou 2 segundos para indicar o valor e esse já mudou.  Obs.: Quando a variável não estiver variando, podemos ter somente o ERRO ESTÁTICO. Quando a variável estiver variando, poderemos ter o ERRO DINÂMICO e o ERRO ESTÁTICO. Erro Dinâmico

 Os erros podem ser classificados como:  Grosseiros  Sistemáticos  Acidentais, Aleatórios ou residuais Classificação dos Erros

 Assim, para fins de melhor entendimento, o erro de medição pode ser considerado como composto de três parcelas aditivas: E = Es + Ea + Eg Sendo: E = erro de medição Es = erro sistemático Ea = erro aleatório Eg = erro grosseiro Classificação dos Erros

 Grosseiros:  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. Classificação dos Erros

 Sistemáticos:  O erro sistemático (Es): é a parcela de erro sempre presente nas medições realizadas em idênticas condições de operação. Um dispositivo mostrador com seu ponteiro "torto" é um exemplo clássico de erro sistemático, que sempre se repetirá enquanto o ponteiro estiver torto.  Pode tanto ser causado por um problema de ajuste ou desgaste do sistema de medição, quanto por fatores construtivos. Classificação dos Erros

 Acidentais, Aleatórios ou residuais:  Quando uma medição é repetida diversas vezes, nas mesmas condições, observam-se variações nos valores obtidos. Em relação ao valor médio, nota-se que estas variações ocorrem de forma imprevisível, tanto para valores acima do valor médio, quanto para abaixo. Este efeito é provocado pelo 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. Classificação dos Erros

 Em qualquer instrumento de medição é de fundamental importância o conhecimento de três parâmetros, que definirão a qualidade final da medida e permitem uma comparação direta entre instrumentos:  Exatidão.  Precisão.  Resolução. Parâmetros Essenciais em Medidas

 Aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.  Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do mensurando.  Observações:  1) Exatidão é um conceito qualitativo.  2) O termo precisão não deve ser utilizado como exatidão. Exatidão

 Característica qualitativa que determina a capacidade do instrumento em fornecer valores iguais ao valor real da grandeza medida.  Quanto mais próximas as medidas ficarem do valor real, melhor a exatidão do instrumento. Exatidão

 A exatidão é determinada através do processo de calibração estática do instrumento.  Exemplo:  Padrão = 1,000   Instrumento (A) = 1,010   Instrumento (B) = 1,100   Então, (A) é mais exato que (B) Exatidão

 Caracteriza a capacidade do instrumento de fornecer o mesmo resultado, para um dado valor medido, independente da proximidade do valor real da grandeza medida.  Está relacionada com a repetibilidade, isto é, o grau de proximidade entre várias medidas consecutivas. Precisão

 Exemplo:  Instrumento (A): Instrumento (B):  leitura 1 = 1,002  leitura 1 = 1,101   Leitura 2= 1,050  leitura 2 = 1,098   Leitura 3= 0,990  leitura 3 = 1,100    = 0,06  = 0,003  Então, (B) é mais preciso que (A) Precisão

Relação entre Precisão e Exatidão

 É o mesmo que threshold (limiar) apenas que aplicado para um valor qualquer da escala diferente de zero.  Está relacionada com o menor intervalo mensurável pelo instrumento. Resolução

 O processo de validação de métodos químicos é um procedimento adotado pelos laboratórios para fins de certificação de que o método desenvolvido é adequado para analisar o que se pretende. A respeito desse assunto, observe as afirmativas, assinalando, na sequência, a alternativa correta. I. __________ é parâmetro que avalia a dispersão de resultados entre ensaios independentes, repetidos de uma mesma amostra em condições definidas. II. ___________é a proximidade de concordância entre o valor real do analito na amostra e o estimado pelo processo analítico e constitui a chave para o propósito da validação. III. ___________é a medida da capacidade do método permanecer inalterado por pequenas mudanças de parâmetros operacionais e ambientais, os quais devem estar explicitados no trabalho. As lacunas dos itens I, II e III são respectivamente preenchidas corretamente por: a) Robustez; Precisão; Linearidade b) Recuperação; Precisão; Exatidão c) Precisão; Exatidão; Robustez d) Recuperação; Robustez; Sensibilidade e) Precisão; Exatidão; Sensibilidade Exercício

 O processo de validação de métodos químicos é um procedimento adotado pelos laboratórios para fins de certificação de que o método desenvolvido é adequado para analisar o que se pretende. A respeito desse assunto, observe as afirmativas, assinalando, na sequência, a alternativa correta. I. __________ é parâmetro que avalia a dispersão de resultados entre ensaios independentes, repetidos de uma mesma amostra em condições definidas. II. ___________é a proximidade de concordância entre o valor real do analito na amostra e o estimado pelo processo analítico e constitui a chave para o propósito da validação. III. ___________é a medida da capacidade do método permanecer inalterado por pequenas mudanças de parâmetros operacionais e ambientais, os quais devem estar explicitados no trabalho. As lacunas dos itens I, II e III são respectivamente preenchidas corretamente por: a) Robustez; Precisão; Linearidade b) Recuperação; Precisão; Exatidão c) Precisão; Exatidão; Robustez d) Recuperação; Robustez; Sensibilidade e) Precisão; Exatidão; Sensibilidade Exercício

 Faixa na qual o sinal de entrada varia sem dar início a uma mudança observável na saída.  É a faixa onde o sensor não consegue responder. Ela define o valor necessário de variação do processo (da variável em medição) para que o medidor comece a percebê-lo.  Região na qual o instrumento apresenta leitura nula. Zona Morta

 Todo instrumento possui uma faixa de medição. Se criarmos um gráfico mostrando todos os pontos desta faixa, veremos que, para cada variação na grandeza medida teremos uma variação proporcional no instrumento.  Isso resultará, no gráfico, em uma reta. Idealmente esse gráfico será sempre reto, mas na prática vemos que não é bem assim. Por isso medimos a linearidade do instrumento, que indica o quão reto é o gráfico deste medidor. Linearidade

 Para cada ponto azul, que corresponde ao valor da variável, existe um ponto laranja bem próximo que é o valor medido pelo instrumento. Quanto mais próximo do valor real for a medição, mais linear é o instrumento. Linearidade

 Repetitividade é um conceito ligado à Linearidade que expressa a capacidade de o instrumento indicar sempre a mesma saída para uma mesma entrada, repetidas vezes.  Devido às técnicas de medição utilizadas, métodos de construção e materiais utilizados, os instrumentos não indicam exatamente a mesma saída sempre para a mesma entrada. Repetitividade

 Deriva: mudança indesejável que ocorre no sinal medido, com o passar do tempo, causada por fatores ambientais ou por fatores intrínsecos ao sistema. Deriva

 A histerese é a tendência de um sistema de conservar suas propriedades na ausência de um estímulo que as gerou, ou ainda, é a capacidade de preservar uma deformação efetuada por um estímulo. Histerese

 Indicador  Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual podemos ler o valor da variável. Existem também indicadores digitais que mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas. Instrumentos

 Registrador  Instrumento que registra a variável através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico. Instrumentos

 Transmissor  Instrumento que determina o valor de uma variável no processo através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico), cujo valor varia apenas em função da variável do processo. Instrumentos

 Transdutor  Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica, caso necessário, estas informações e fornece um sinal de saída resultante.  Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dispositivo. Instrumentos

 Controlador  Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. Instrumentos

 Elemento Final de Controle  Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle.  Exemplo: Válvula automática que recebe um sinal do controlador para fechar a vazão de saída de um líquido em um tanque para controlar no nível desejado. Instrumentos