Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Professores.

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1 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Professores Armando de A Pires Caldeira Jorge Luiz A. Ferreira Métodos Experimentais em Ciências Mecânicas

2 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Grandezas Físicas ou Quantidades O que Medimos ? São parâmetros que estão associados ao conceito que descreve qualitativa e quantitativamente as relações entre as propriedades observadas no estudo da natureza (no seu sentido mais amplo). E o que são Grandezas Físicas ou Quantidades ?

3 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Exemplos de Grandezas Físicas ou Quantidades Potência da lâmpada Temperatura da geladeira Vazão de um Rio Tempo de cozimento Velocidade do automóvel Pressão Sanguinea Volume de combustível Quantidade de arroz Consumo de energia Tamanho do peixe Dimensões das peças Rotação do motor Tempo de uma Aula Tamanho de Grãos

4 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas O que é Medir ? – Definições Medir é o procedimento experimental através do qual o valor momentâneo de uma grandeza física (mensurando) é determinado como um múltiplo e/ou uma fração de uma unidade, estabelecida por um padrão, e reconhecida internacionalmente. Medir uma grandeza física é compará-la com outra grandeza de mesma espécie, que é a unidade de medida. Verifica-se, então, quantas vezes a unidade está contida na grandeza que está sendo medida

5 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas O que é Medir ? Apresentar a um observador (Humano ou não) um valor numérico que descreva o estado da variável ou propriedade medida. (e.g.: temperatura do corpo, temperatura do óleo) Mapear numa escala de valores certas propriedades de um processo, ou sistema, sob medição. (e.g.: menções na UnB...) Fornecer meios para descrever de forma quantitativa um determinado fenômeno (e.g.: resistência a fadiga, Entalpia, etc)

6 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Importância de Medir “Quando se pode medir aquilo de que se fala e expressar isso numericamente, então se conhece alguma coisa sobre o assunto; quando a medida não é conhecida e não se pode exprimir numericamente o fenômeno, o conhecimento é pouco e insatisfatório. Neste caso pode-se ter um início de conhecimento, mas que dificilmente pode ser considerado científico” Lord Kelvin - (Tradução livre de Rangen, G.S., Sarma, G.M., Mani, U.S.U, Instrumentation Devices and Systems, McGraw Hill, New Delhi, 1985, p1)

7 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Importância de Medir Apresentar a um observador (Humano ou não) um valor numérico que descreva o estado da variável ou propriedade medida. (e.g.: temperatura do corpo) Mapear numa escala de valores certas propriedades de um processo, ou sistema, sob medição. (e.g.: menções na UnB...) Fornecer meios para descrever de forma quantitativa um determinado fenômeno.

8 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Para que Medir Monitorar – Observar passivamente grandezas Controlar – Observar, comparar e agir para manter dentro das especificações. Investigar – Descobrir o novo, explicar, formular.

9 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Exemplo de Medições Visando a Monitoração Compra e venda de produtos e serviços: –consumo de água, energia elétrica, taxímetro, combustíveis, etc. Sinais vitais: –pressão arterial, temperatura, –nível de colesterol, hemácias, Atividades desportivas: –desempenho, recordes Condições Atmosféricas: –Pressão, Temperatura, Umidade, Veloc. do Vento

10 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Exemplo de Medições Visando a Controlar Freio ABS: –rotação de cada roda e a velocidade do carro. Sensor de Estacionamento: –Distância entre o veículo e um obstáculo Sistema 4WS – Controle de tração – velocidade, posição do acelerador, ângulo de direção

11 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Exemplo de Medições Visando a Controlar Medir Comparar Especificações xxxx ± xx yyyy ± yy zzz ± z Agir Retirado de Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial – LabMet UFSC

12 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Exemplo de Medições Visando a Controlar Retirado de Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial – LabMet UFSC Conforto Cabine Pressão Temperatura Velocidade Vazão Combustivel Pressão Estagnação Posição Flaps Rolamento Posição Ailerons

13 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Medições Visando Investigar Compreender –Descobertas científicas, estudar fenômenos Dominar –Validar, know-how Evoluir –Melhorar continuamente, expandir limites Inovar

14 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Exemplo de Medições Visando Investigar Ensaio de Tração 1. Diagrama tensão-deformação 2. Tensão Máxima de Tração 3. Tensão de Escoamento 4. Tensão de Ruptura 5. Região de Encruamento 6. Região de "Empescoçamento".

15 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Detecção, Aquisição, Controle, e Análise de Dados A medição está associada a um processo de controle, onde o rigor da medida influencia diretamente a operação do processo controlado Técnicas Envolvidas no Processo de Medição

16 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Como se Mede – Estrutura Básica Instrumento ou sistema de medida: Dispositivo (ou conjunto de dispositivos) capaz de direta ou indiretamente “sentir” a propriedade que se pretende medir e convertê-la em um valor de uma escala ordenada, que será apresentado ao observador.

17 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Como se Mede – Estrutura Básica Importante Erros estão associados ao processo de medida. Nunca o valor medido é o valor verdadeiro da variável medida. Os erros associados à medição não podem ser todos conhecidos a priori. Não é possível fazer sua correção “preventiva”.

18 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Como se Mede – Estrutura Básica Qual o método mais adequado ? Como visualizar ou registrar os dados ? Qual a margem de erro admissível ? Que tipo de comunicação deverá existir entre os diferentes módulos ? Que capacidade de cálculo é necessária ? Que tipo de controle resultará da medida efetuada ? Questões Fundamentais na Seleção de um Processo de Medição

19 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Como se Mede Processo de Medição Retirado de Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial – LabMet UFSC resultado da medição definição do mensurando procedimento de medição condições ambientais sistema de medição operador

20 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Como se Mede – Estrutura Básica Fontes de Erro nas Medições Sistema de medição mensurando indicação imperfeições do sistema de medição má definição do mensurando condições ambientais influência do operador ± ERROS procedimento de medição Retirado de Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial – LabMet UFSC

21 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Como se Mede – Estrutura Básica Resultado da Medição Retirado de Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial – LabMet UFSC Sistema de medição mensurando indicação RB+IM-IM VV

22 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Como se Mede – Estrutura Básica Resultado da Medição Retirado de Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial – LabMet UFSC É a faixa de valores dentro da qual deve se situar o valor verdadeiro do mensurando. Resultado base é a estimativa do valor do mensurando que, acredita-se, mais se aproxime do seu valor verdadeiro. Incerteza da medição é o tamanho da faixa simétrica, e centrada em torno do resultado base, que delimita a faixa onde se situam as dúvidas associadas à medição. RM = (RB ± IM) unidade

23 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Diagrama de Blocos-Função: Permite uma visão geral de como os sistemas/circuitos interagem entre sí. Cada Função principal é representada por um Bloco e pode ser representado por um desenho específico de acordo com a sua aplicação, e as linha que determinam como são interligados. Os diagramas são usados para que possamos compreender como um determinado sistema de medição funciona e como foram arranjados os seus sub-sistemas, nos dando uma visão rápida e geral das seqüências e interligação dos circuitos que compõem o sistema.

24 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Exemplo típico de Sistema de Medida com seus blocos funcionais explicitados: MEDIÇÃO DE UMA FORÇA

25 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Características Estáticas de Elementos de um Sistema de Medição As características estáticas afetam o comportamento da relação entre a entrada e saída do elemento (ou sistema) quando a entrada pode ser considerada estática ou quase- estática (constante no tempo, ou variando muito lentamente). Exatidão Precisão Sensibilidade Linearidade Resolução Histerese Conformidade

26 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Características Estáticas de Elementos de um Sistema de Medição Exatidão: Grau de proximidade entre o resultado da medição e o verdadeiro valor da grandeza medida Precisão: É o grau de aproximação entre os resultados de medições sucessivas de uma mesma grandeza, efetuadas nas mesmas condições. Afere a repetibilidade de uma medida

27 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Exatidão versus Precisão Teste de tiros de canhões em um alvo fixo: –Canhão situado a 500 m de alvo fixo; –Mirar apenas uma vez; –Disparar 20 tiros sem nova chance para refazer a mira; –Distribuição dos tiros no alvo é usada para qualificar canhões. Quatro concorrentes:

28 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Exatidão versus Precisão AB CD Alta Exatidão Alta Precisão Baixa Exatidão Baixa Precisão Baixa Exatidão Alta Precisão Alta Exatidão Baixa Precisão

29 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Características Estáticas de Elementos de um Sistema de Medição Linearidade: Grau de aproximação entre a curva de calibração do sensor e uma reta de aproximação. Determina a constância da Sensibilidade. Sendo linear é mais simples estabelecer a relação entrada saída.

30 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Características Estáticas de Elementos de um Sistema de Medição Sensibilidade: Quociente entre a variação dos valores da grandeza de saída pela correspondente variação da grandeza de entrada. Para um sensor cuja saída se relacione com a entrada pela curva y=f(x), a sensibilidade no ponto, x a, é : É desejável que a sensibilidade seja máxima e constante

31 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Características Estáticas de Elementos de um Sistema de Medição Resolução: Define a mínima variação de entrada que produz uma variação da saída. Resolução de Entrada Resolução de Saída

32 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Características Estáticas de Elementos de um Sistema de Medição Resolução de Entrada (threshold): A menor variação no sinal de entrada (mensurando) que resultará uma variação mensurável na saída (dx min ). Resolução de Saída: Maior salto da medida em resposta a uma variação infinitesimal do mensurando (dy max ).

33 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Características Estáticas de Elementos de um Sistema de Medição Resolução de Entrada (threshold): A menor variação no sinal de entrada (mensurando) que resultará uma variação mensurável na saída (dx min ). Resolução de Saída: Maior salto da medida em resposta a uma variação infinitesimal do mensurando (dy max ).

34 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Características Estáticas de Elementos de um Sistema de Medição Conformidade: Caracteristica que quantifica o quanto a relação real entre o valor verdadeiro de uma medida e o valor lido pelo instrumento se conforma à relação prevista teoricamente - Aplica-se a sistemas de medição não lineares

35 Instrumentação – Conceitos Básicos Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas Estrutura Geral de um Sistema de Medição Características Estáticas de Elementos de um Sistema de Medição Histerese: Propriedade de um elemento evidenciado pela dependência do valor de saída na história de excursões anteriores, para uma dada excursão da entrada. Quantifica a máxima diferença entre leituras para um mesmo mensurando, quando este é aplicado a partir de um incremento ou decremento do estímulo