Baixe INME - Arao Gove e outras Notas de estudo em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity!
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
TEMA 1:
OS MÉTODOS, OS INSTRUMENTOS E OS PADRÕES DE MEDIDA. A
MEDIDA E O ERRO DE MEDIDA.
Introdução Os instrumentos de medição são dispositivos utilizados para realizar medições nos mais
variados ramos de actividades, seja no comércio nas áreas de saúde, segurança e meio
ambiente. No nosso caso vamos nos deter ao estudo dos instrumentos destinados a
realizar a medição das grandezas eléctricas.
Como existem varias grandezas eléctricas a serem medidas, os instrumentos variam
conforme a sua complexidade e utilização, no que se refere a sua conexão e
funcionamento.
O processo de medição, em geral, envolve a utilização de um instrumento como o meio físico para determinar uma grandeza ou o valor de uma variável. O instrumento actua
como extensão da capacidade humana e, em muitos casos, permite que alguém
determine o valor de uma quantidade desconhecida, o que não seria realizável apenas
pela capacidade humana sem auxílio do meio utilizado. Um instrumento pode então ser
definido como o dispositivo de determinação do valor ou grandeza de uma quantidade
ou variável.
1. Conceitos sobre instrumentação e medidas eléctricas.
1.1 Função e constituição de um sistema de medição. O uso de intrumentos em processos industriais visa a obtenção de um produto de melhor
qualidade com menor custo, menor tempo e com quantidade reduzida de mão de obra. Todos os instrumentos servem funções comuns que é o de medir e transmitir
informação sobre uma grandeza. Neste caso concreto, entende-se por medida o
processo de determinar a quantidade ou a capacidade de uma grandeza por comparação
(directa ou indirecta) com um padrão do sistema de unidades utilizado. Por padrão
entende-se o valor de referência a ser utilizado, no acto de medir.
Assim, ao seleccionarmos um dado instrumento de medida, deve-se ter em conta o seu
campo de aplicação e as características que este deve ter para dar informação sobre a
grandeza a medir. Em particular, o grau de exactidão de uma medida depende do tipo de transdutor usado. Isto é, do dispositivo que converte uma forma de energia numa outra
forma.
Classificação dos instrumentos de medida
Os instrumentos de medida podem ser dividido de acordo com o emprego e sistema de
medição com o qual funcionam. Assim: Quanto ao emprego podemos dividi-los em:
Instrumentos Indicadores ou Mostradores;
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
Instrumentos Registadores; Instrumentos Integradores; Instrumentos Reguladores.
Instrumentos indicadores ou mostradores São instrumentos que indicam em qualquer momento o valor instantâneo, eficaz, médio ou de pico da grandeza a ser medida Exemplos: amperímetro, voltímetro, Ohmímetro, wattímetro, etc. A indicação da grandeza pode se dar pelo deslocamento de um ponteiro sobre uma escala graduada (instrumentos analógicos) ou pela representação numérica em um display (instrumentos digitais). Um instrumento de medição indicador também pode fornecer um registo.
Instrumentos registadores São instrumentos que registaram os valores da grandeza sobre um rolo de papel graduado, permitindo que mesmo após o instrumento ter sido desligado possamos fazer uma análise da variação da grandeza medida durante o período em que o instrumento permaneceu ligado. Os instrumentos que são ligados a computadores, para armazenamento temporário ou permanente do valor da(s) grandeza(s) medida em disco rígido, disquete, cd, etc., também são classificados como registadores. Um instrumento registador também pode apresentar uma indicação da grandeza.
Instrumentos integradores São instrumentos cujo mostrador apresenta o valor acumulado da grandeza medida, desde que os mesmos foram instalados até o presente momento. Exemplos: Medidor de energia eléctrica. Nestes instrumentos o valor da grandeza é obtido pela diferença entre a leitura no fim do período, chamada “leitura actual” e a leitura feita no início do período, chamada de “leitura anterior”.
Instrumentos Reguladores: Indicam a grandeza do instante medido e tem a capacidade de influir no processo para
adequa-la as necessidades pré estabelecidas.
Quanto ao uso podemos dividi-los em: Instrumentos portáteis e Instrumentos para painéis ou quadros de comando
Instrumentos para painéis ou quadros de comando São empregados para medidas contínuas, isto é, são fixos ou embutidos em painéis indicando, controlando ou registando continuamente uma grandeza qualquer. Geralmente têm dimensões normalizadas para facilidade de troca sem grandes interrupções; e Instrumentos portáteis Os instrumentos portáteis são empregados na manutenção ou em laboratório e, portanto, de uso descontínuo, para avaliação, controle e pesquisa de uma instalação ou de um outro instrumento.
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
Podemos apresentar um sistema de medição no esquema seguinte:
O Sensor da grandeza à medir, esta em contacto com o sistema sob medição e produz
um sinal de saída que dependa da variável sob medição. E tem como característica
principal uma elevada sensibilidade a variável que se quer medir e uma baixa
sensibilidade as variáveis que possam perturbar essa medição.
Exemplo: um termopar, em que a f.e.m aos seus terminais dependem da temperatura.
O Bloco de elaboração de medida, converte o sinal que vem do sensor em uma forma
de sinal conveniente para o uso a que se destina. Pode conter elementos destinados a
compensar a sensibilidade indesejável do sensor as grandezas que não se quer medir e
elementos que combinam mais de uma grandeza directamente medida para gerar sinais
correspondentes a grandeza composta.
Bloco de condicionamento de sinal, converte o sinal que sai do sensor numa forma
apropriada para posterior processamento. Exemplo: Amplificador operacional, ponte de
Wheatstone. Bloco de processamento de sinal, converte o sinal que recebe numa forma mais
apropriada para apresentação. Exemplo: Conversor analógico-digital.
Dispositivo de apresentação de dados, geralmente destinado a leitura, apresenta o
valor medido numa forma facilmente perceptível pelo utilizador.
EXEMPLOS: Indicador de ponteiro, mostrador alfanumérico, …
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
1.3 Simbologia Para a identificação rápida das diversas características do instrumento de medida, foram
adoptados símbolos inscritos na escala, de modo que cada um determina uma destas
características.
Os diversos símbolos usados na electrotécnica e no campo de medição eléctrica são
mostrados nas tabelas a seguir.
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
Símbolos diversos
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
Símbolos diversos
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
Estes erros podem e devem ser evitados com a repetição dos ensaios pelo mesmo operador ou por outros operadores, através do cuidado e da precaução.
Erros sistemáticos Este tipo de erro é geralmente dividido em duas categorias: erros instrumentais e erros ambientais.
Erros Instrumentais São erros inerentes aos instrumentos de medição devido à sua estrutura interna. Por exemplo, o atrito entre as partes móveis dos instrumentos, tensão mecânica irregular da mola de torção, consumo de energia eléctrica dos instrumentos, etc. Estes erros farão com que o instrumento dê indicação incorrecta. Podemos também citar como exemplo de erros instrumentais os erros de calibração, motivando indicações superiores ou inferiores ao longo de toda a escala do instrumento.
Erros ambientais São erros devidos às condições externas ao dispositivo de medição, incluindo o meio circundante, como por exemplo as variações de temperatura, humidade, pressão ou campos eléctricos e magnéticos. Alterações na temperatura ambiente causam mudanças nas propriedades elásticas das molas e na resistência eléctrica que compõem a estrutura interna do instrumento, afectando sua indicação. Campos magnéticos externos causam alterações na intensidade do campo magnético interno dos instrumentos do qual depende seu funcionamento correcto. Podemos evitar os erros ambientais tomando os seguintes cuidados ou precauções: Utilização de ar condicionado (necessário apenas em medições de alto grau de exactidão, como por exemplo medições em laboratório). Uso de blindagens magnéticas (necessárias aos instrumentos electrodinâmicos que são utilizados próximos à fontes de campos magnéticos, como por exemplo, motores, transformadores, etc.).
Erros acidentais A experiência mostra que, a mesma pessoa, realizando os mesmos ensaios com os mesmos elementos constitutivos de um circuito eléctrico, não consegue obter, cada vez, o mesmo resultado. A divergência entre estes resultados é devida à existência de um factor incontrolável, o “factor sorte”. Para usar uma tecnologia mais científica, diremos que os erros acidentais são a consequência do “imponderável” (algo que não se pode avaliar), também chamados de erros de carácter imprevisível. Como já foi dito, são erros essencialmente variáveis e não susceptíveis de limitação. Este tipo de erro só é detectável em medições de alto grau de exactidão.
Tratamento de erros Eficácia de uma medida é o grau de exactidão duma medida quando comparada com o valor esperado (mais provável) da variável a ser medida. Por média aritmética entende-se a soma de um conjunto de números dividido pelo número total de dados do conjunto. Por desvio (di) entende-se a diferença entre qualquer dado de um conjunto de números (Xi) e o valor médio desse conjunto de números (𝐗̅ (^) n).
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
Por desvio médio absoluto (D) , entende-se o grau com o qual os valores de um conjunto de números varia à volta do seu valor médio. O desvio médio das medidas efectuadas é definido como:
onde: Nestas condições, o erro absoluto (E) corresponde a diferença algébrica entre o valor medido de uma grandeza e o seu valor verdadeiro (𝐗 n) , ou aceito como verdadeiro de um conjunto de observações efectuadas.
𝐄 = 𝐗𝐢 − 𝐗 n Por erro relativo (Er) entende-se a relação entre o erro absoluto e o valor verdadeiro da grandeza medida:
Por precisão de uma medida entende-se a consistência ou a repetitibilidade da medida. Isto é, o quão próximo a medida está do valor pretendido:
O desvio padrão (S) corresponde à razão entre a raiz quadra do somatório dos quadrados dos desvios pelo número n de medidas efectuadas. Quando o número dessas medidas é igual ou inferior a 30, n é substituído por n-1:
Por limite de erro entende-se a percentagem de desvio relativo máximo admissível, em relação ao valor de leitura máxima ou deflexão máxima (indicadores analógicos de ponteiro). No processo de selecção de um instrumento de medida deve-se ter em conta o meio e o tipo de medida e erro/certeza pretendidos. Depois, antes de se ligar o instrumento seleccionado, deve-se verificar se este foi colocado para a faixa de medida pretendido. A prática normalmente aconselha que se inicie o processo por colocar o aparelho na faixa de maior leitura e depois fazer-se o acerto da faixa pretendida. Em instrumentos electrónicos, deve-se também ter a preocupação de se considerar os efeitos de carga; garantir que em nenhuma circunstância o aparelho será curto- circuitado; adaptação da impedância e a frequência de resposta do aparelho, comparado com a medida efectuada. Por Calibração , entende-se o processo de aferir a certeza das medidas efectuadas, comparando-as com as medias de um aparelho, considerado como referência.
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
2. Introdução ao controlo de processo.
Introdução Em variados processos industriais, é comum haver necessidade de controlar o nível de um reservatório, ou a temperatura de um ambiente, ou a vazão numa tubulação ou a pressão num cilindro, entre muitas outras situações. Normalmente, não são sistemas de controlo isolados, mas interligados, formando complexas plantas industriais. Entretanto, não importa quão complexo seja o sistema, ele é sempre composto de subsistemas mais simples. Por isso, a assimilação dos conceitos básicos de controlo é um primeiro e importante passo para a compreensão, a análise e o projecto de sofisticados sistemas de controlo.
2.1 Conceitos e elementos do controlo de processo Para facilitar o entendimento de alguns termos que serão utilizados, a seguir, vamos ver alguns conceitos. Sistema É uma combinação de componentes (elementos) que actuam conjuntamente e realizam um certo objetivo. Sistema de controlo é um sistema que tende a manter uma relação preestabelecida entre duas variáveis do sistema através da comparação de funções destas variáveis e utilizando a diferença como meio de controlo.
Para ilustrar o conceito de controlo manual e automático vamos utilizar como processo típico o sistema térmico das figuras. Inicialmente considere o caso em que um operador detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um termómetro está instalado na saída do sistema, medindo a temperatura da água quente. O operador observa a indicação do termómetro e baseado nela, efectua o fechamento ou abertura da válvula de controlo de vapor para que a temperatura desejada seja mantida. Deste modo, o operador é que está efectuando o controlo através de sua observação e de sua acção manual, sendo portanto, um caso de “Controlo Manual”.
Figura 1: Controle Manual de um Sistema Térmico
Considere agora o caso da figura a seguir, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
quente em um valor desejado. Neste caso, este sistema actua de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de controlo e um actuador junto à válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos. Desse modo, o controle da temperatura da água quente é feito sem a interferência directa do homem, actuando então de maneira automática, sendo portanto um caso de “Controlo Automático”.
Figura 2: Controle Automático de um Sistema Térmico
Variável dinâmica , é qualquer parâmetro físico que pode variar ao longo do tempo, de uma forma espontânea ou por influência externa. Regulação , consiste na operação de manutenção em um valor constante a variável dinâmica. Planta , é uma parte de um equipamento, eventualmente um conjunto de itens de uma máquina, que funciona conjuntamente, cuja finalidade é desenvolver uma dada operação. Processo , Qualquer operação ou sequência de operações, envolvendo uma mudança de estado, de composição, de dimensão ou outras propriedades que possam ser definidas relativamente a um padrão. Avaliação: operação de análise do valor medido e a determinação da acção, caso seja necessário Valor de referência é um valor desejado da variável dinâmica estabelecido previamente como referência de ponto de controlo no qual o valor controlado deve permanecer. Elemento de controlo: dispositivo que exerce uma influência directa no processo, isto é, efectua alterações necessárias na variável dinâmica para trazer ao ponto de ajuste ou referência.
Objectivo principal do controlo de processos O controlo de processos, esta directamente relacionada com o facto de o homem ter passado a adoptar formas de regulação automática de modo a obter uma fabricação mais eficiente do produto (a obtenção de um produto de melhor qualidade com menor custo, menor tempo e com quantidade reduzida de mão de obra).
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
Acontece quando usamos informação acerca do desvio do sistema (em relação ao projectado) para controlar o sistema.
2.2.1. Diagrama em malha aberta
Figura Diagrama em Malha Aberta
É aquele sistema no qual a acção de controlo é independente da saída, portanto a saída não tem efeito na acção de controlo. Neste caso, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. Não há um sensor (medidor) para observar um eventual desvio, nem a realimentação para corrigi-lo. A exactidão destes sistemas depende da calibração do sistema. Exemplos A máquina de lavar roupa; Uma fonte de alimentação regulada com transistor é, na realidade, um sistema de controle de malha aberta. Aplicações São aplicados onde a frequência ou consequência dos desvios não justificam a complexidade e os custos maiores das malhas fechadas.
2.2.2. Diagrama em malha fechada
Figura Diagrama em Malha Fechada
É aquele no qual a acção de controlo depende, de algum modo, da saída. Portanto, a saída possui um efeito directo na acção de controlo. Neste caso a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. O Sensor (elemento de medição, transdutor) monitoria a saída, fornecendo um sinal que retorna a entrada, formando uma malha com realimentação. O sinal a entrada e a realimentação se juntam num Somador (comparador), que combina ambos e fornece um sinal de erro que vai orientar o controlador. O controlador avalia e tenta corrigir o desvio e através de um novo comando enviado ao actuador.
FCT Instrumentação e Medidas Eléctrica – A. Gove
O actuador é um dispositivo que recebe o sinal de controlo e gera um sinal com potência suficiente para actuar sobre o sistema. O actuador é necessário porque usualmente a saída do controlador é de natureza física diferente (ou de potência muito menor) que da variável manipulada.
Estes sistemas são mais precisos, pois detectam e corrigem erros. Podem ser de realimentação únicas ou múltiplas. Exemplo: O operador de um reservatório verifica se o nível máximo foi atingido através de uma régua de nível, que é o sensor. Sinal de erro, a diferença entre o nível máximo (saída desejada) e o nível atual (saída real), é analisado para abrir ou fechar o registro. O Operador é ao mesmo tempo o comparador, o controlador e o atuador neste sistema elementar.
Aplicações: São a maioria dos sistemas actuais analógicos ou digitais. Os sistemas de controlo para robótica são necessariamente desta categoria.
