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Apontamentos Apontamentos de de INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO

Corpo docente:Corpo docente:

•Luis Filipe Baptista (aulas teóricas) •Carlos Augusto Silva (PG1/PG2)

••LinkLinkda pda páágina gina webwebdo docente da disciplina:do docente da disciplina:

http://http://w.enautica.ptw.enautica.pt/professores/Publico//professores/Publico/ Baptista/Baptista/index.htmindex.htm

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO ProgramaPrograma da da disciplinadisciplina

BibliografiaBibliografia

•Curtis D. Johnson,Controlo de Processos - Tecnologia da Instrumentação,Edição da Fundação Calouste Gulbenkian, 1991 •Gustavo da Silva, Instrumentação Industrial, Edição da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, 1999 •António CreusSole, InstrumentacionIndustrial, Editora Marcombo Boixareau •Gustavo Ribeiro da Costa Alves, Instrumentação e Medidas, ISEP, Instituto Politécnico do Porto •Luis Filipe Baptista, Apontamentosde Controlo Contínuoe Digital, ENIDH/DMM, 2006 •Katsuhiko Ogata, Engenhariado controlomoderno, EditoraPrentice-Hall do Brasil, 3aEdição, 1997

Normas de avaliaNormas de avaliaççãoão

Avaliação por testes:

Parte teórica:dois testes escritos, não podendo o aluno ter uma nota inferior a 7 valores em qualquer um deles. A média dos testes deveráser igual ou superior a 9.5 valores;

Parte laboratorial:o aluno deveráapresentar relatórios dos trabalhos práticos a realizar no laboratório, e ter uma nota mínima final de 9.5 valores. Os trabalhos serão sujeitos a uma discussão oral para atribuição da nota final.

Nota_final=0.6*(N_1T + N_2T)/2 + 0.4*(N_TP)

Avaliação por exame:

A nota mínima para ser aprovado no exame final é9.5 valores;

A nota final de exame édada por: Nota_final=0.6*N_EFinal + 0.4*(N_TP)

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO (M412)(M412)

CAPCAPÍÍTULO I TULO I ––IntroduIntroduçção ão à InstrumentaInstrumentaççãoão

Conceitos bConceitos báásicos sobre sicos sobre instrumentainstrumentaçção e medidasão e medidas

FunFunçção e constituião e constituiçção de um ão de um sistema de medisistema de mediççãoão

ConstituiConstituiçção de um ão de um dispositivo de medidadispositivo de medida

Bloco (ou elemento) sensorBloco (ou elemento) sensor

Elemento que se encontra em contacto Elemento que se encontra em contacto com o processo e que produz um sinal de com o processo e que produz um sinal de sasaíída que depende (de qualquer forma) da da que depende (de qualquer forma) da varivariáável sob medivel sob mediçção.ão.

Exemplo:Exemplo:um termopar, em que a f.e.m aos um termopar, em que a f.e.m aos seus terminais depende da temperatura.seus terminais depende da temperatura.

Bloco (ou elemento) de condicionamento de Bloco (ou elemento) de condicionamento de sinalsinal

Converte a saConverte a saíída de um elemento sensor da de um elemento sensor numa forma mais apropriada para posterior numa forma mais apropriada para posterior processamento, geralmente uma tensão processamento, geralmente uma tensão contcontíínua ou um sinal em frequência.nua ou um sinal em frequência.

Ponte de Ponte de WheatstoneWheatstoneque converte uma alteraque converte uma alteraçção ão de resistência numa alterade resistência numa alteraçção de tensão contão de tensão contíínua.nua.

Amplificador operacionalAmplificador operacionalque converte uma tensão que converte uma tensão de de miliVoltsmiliVoltsem Volts.em Volts.

ConstituiConstituiçção de um ão de um dispositivo de medidadispositivo de medida

Bloco (ou elemento) de processamento Bloco (ou elemento) de processamento de sinalde sinal

Converte o sinal de saConverte o sinal de saíída do bloco (ou da do bloco (ou elemento) de condicionamento de sinal elemento) de condicionamento de sinal numa forma mais apropriada para numa forma mais apropriada para apreapre-- sentasentaççãoão ou observaou observaçção.ão.

Exemplo:Exemplo:um conversor analum conversor analóógicogico--digital que digital que converte uma tensão analconverte uma tensão analóógica numa palavra gica numa palavra digital, passdigital, passíível de ser lida por um computador.vel de ser lida por um computador.

ConstituiConstituiçção de um ão de um dispositivo de medidadispositivo de medida

Bloco (ou elemento) de apresentaBloco (ou elemento) de apresentaçção ão de dadosde dados

Apresenta o valor medido numa forma Apresenta o valor medido numa forma facilmente perceptfacilmente perceptíível pelo utilizador.vel pelo utilizador.

Exemplo:Exemplo:indicador de ponteiro, indicador de ponteiro, mostrador alfanummostrador alfanuméérico, indicador de rico, indicador de barras, etc.barras, etc.

ConstituiConstituiçção de um ão de um dispositivo de medidadispositivo de medida

CaracterCaracteríísticas dos aparelhos sticas dos aparelhos de medidade medida

Exactidão ou FidelidadeExactidão ou Fidelidade

Tolerância aos factores ambientais e ao desgaste Tolerância aos factores ambientais e ao desgaste e envelhecimentoe envelhecimento..

PrecisãoPrecisão

A precisão implica a exactidão, uma vez que um A precisão implica a exactidão, uma vez que um aparelho não pode ser exacto sem ser preciso, aparelho não pode ser exacto sem ser preciso, embora o recembora o recííproco não seja verdadeiro.proco não seja verdadeiro.

SensibilidadeSensibilidade

ResoluResoluççãoão

Rapidez de indicaRapidez de indicaççãoão

CaracterCaracteríísticas dos aparelhos sticas dos aparelhos de medidade medida

Comodidade de emprego e portabilidadeComodidade de emprego e portabilidade

Calibre e gama dinâmicaCalibre e gama dinâmica

CalibreCalibreééo valor da grandeza medida que do valor da grandeza medida que dáá, , na escala, o desvio mna escala, o desvio mááximoximo

desvio mínimo legível

CaracterCaracteríísticas dos aparelhos sticas dos aparelhos de medidade medida

Robustez e capacidade de sobrecarga

Um aparelho érobustodesde que não seja susceptível a estragos devidos aos transportes e trepidações.

Um aparelho estáem sobrecargaquando a grandeza física aplicada ultrapassa o calibre.

Capacidade de sobrecarga =

Grandeza máxima não destrutível= sobrecarga que não faz variar, depois da sua aplicação, nem os erros, nem o limite de sensibilidade nem a precisão.

grandeza máxima não destrutiva grandeza que dáo desvio máx. legível

Simbologia referente a aparelhos Simbologia referente a aparelhos de medidade medida

Relativamente à função:

SSíímbolos relativos mbolos relativos ààs caracters caracteríísticas sticas elelééctricas dos aparelhos de medidactricas dos aparelhos de medida

Relativamente às possibilidades de medida: corrente contínua (c.c. ou DC em inglês) corrente alternada (c.a. ou AC em inglês) corrente contínua e alternada

Relativamente àposição em que devem ser utilizados posição de emprego horizontal idem, vertical idem, oblíquacom indicaçãodo ângulo relativamente à horizontal

SSíímbolos relativos mbolos relativos ààs caracters caracteríísticas sticas elelééctricas dos aparelhos de medidactricas dos aparelhos de medida

SSíímbolos relativos mbolos relativos ààs caracters caracteríísticas sticas dos aparelhos de medida eldos aparelhos de medida elééctricosctricos

Relativamente àclasse de precisão

A classe de precisão indica o limite superior do erro relativo (relativamente àmedida da grandeza indicada),como percentagem do máximo valor indicado na escala que se estáa usar. Os aparelhos mais frequentemente utilizados situam-se entre as classes 0,5 e 4.

Classe de precisão 2, escala de 0 a 30 volts. O erro relativo não excede +/-2% de 30 volts, i. e. as leituras obtidas estarão afectadas, no máximo, de um erro absoluto de +/-0,6 V.

SSíímbolos relativos mbolos relativos ààs caracters caracteríísticas sticas dos aparelhos de medida eldos aparelhos de medida elééctricosctricos

Relativamente Relativamente ààsensibilidade, como sensibilidade, como voltvoltíímetrometro

ÉÉindicada em ohms/volt (indicada em ohms/volt (ΩΩ/V) ou, mais frequentemente, /V) ou, mais frequentemente, em em quiloquilo--ohmsohmspor volt (k por volt (k ΩΩ/V). Numa escala de zero a /V). Numa escala de zero a N volts, a resistência interna do voltN volts, a resistência interna do voltíímetro metro ééN N multiplicado pela sensibilidade, atrmultiplicado pela sensibilidade, atráás referida, em s referida, em ohms ohms por voltpor volt..

Exemplo:Exemplo:se a sensibilidade for de 10 0 se a sensibilidade for de 10 0 ΩΩ/V/V

Numa escala de 0 a 0,1 VNuma escala de 0 a 0,1 VR1 = 10 0 R1 = 10 0 ΩΩ/V x 0,1 V = 1 k /V x 0,1 V = 1 k ΩΩ

Numa escala de 0 a 30 VNuma escala de 0 a 30 VR2 = 10 0 R2 = 10 0 ΩΩ/V x 30 V = 3,0 /V x 30 V = 3,0 M M ΩΩ

SSíímbolos relativos mbolos relativos ààs caracters caracteríísticas sticas dos aparelhos de medida eldos aparelhos de medida elééctricosctricos

Relativamente a outros dados

Indica-se também, frequentemente, a tensão de ensaio, em KV, no interior de uma pequena estrela de 5 pontas.

Nos instrumentos de medida para corrente alternadaindicam-se, por vezes, os limites de frequência dentro dos quais as leituras (das várias grandezas mensuráveis) podem ser feitas, dentro da classe de precisão estabelecida.

SSíímbolos relativos mbolos relativos ààs caracters caracteríísticas sticas dos aparelhos de medida eldos aparelhos de medida elééctricosctricos

•Instrumento de bobina móvel, incorporando rectificador •Pertence àclasse 1,5 em corrente contínua e àclasse 2,5 em corrente alternada

•Permite medidas (em c.a.) envolvendo frequências entre 20 e 700Hz, na classe de precisão especificada -2,5 •Resistência interna, como voltímetro, de 20 kΩ/V em c.c.

•Impedância interna, como voltímetro de 10 kΩ/V em c.a.

•Deveráser utilizado com a escala em posição horizontal

•A tensão de ensaio éde 2 kV

Exemplo

CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Alcance (mAlcance (mááximo e mximo e míínimo)nimo) Gama (ou intervalo) de funcionamentoGama (ou intervalo) de funcionamento

SensibilidadeSensibilidade

Tolerância aos efeitos ambientaisTolerância aos efeitos ambientais

Tolerância ao desgaste e envelhecimentoTolerância ao desgaste e envelhecimento

Intervalos de erro ou incertezaIntervalos de erro ou incerteza

CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Alcance (máximo e mínimo)

O alcance de entrada (E)de um elemento éespecificado através dos valores máximo e mínimo de E, i. e. Emáxe Emin. O alcance de saída (S) de um elemento éespecificado através dos valores máximo e mínimo de S, i.e. SmaxeSmin. Por exemplo um sensor de temperatura pode ter um alcance de entrada de 0 a 300ºC e um alcance de saída de 10 a 40 kW.

Gama (ou intervalo) de funcionamento

Indica a máxima variação da entrada ou da saída, i. e. a gama de entrada éigual a Emáx-Emine a gama de saída éSmáx-Smin. No exemplo anterior a gama de entrada era de 300ºC e a gama de saída era de 30 kW.

CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Diz-se que um elemento élinearse a correspondênciaentre os valores àsua entrada e os valores àsua saída forma uma linha recta. A linha recta ideal liga o ponto mínimo (Emin, Smin) ao ponto máximo (Emáx, Smáx), sendo por isso descrita pela seguinte equação:

() min minmax minmaxmin E

SK E aideal =⋅ +

CaracterCaracteríísticassticasde um elementode um elemento

Existem elementos que se afastam da linearidade, i. e. possuem uma característica não linear.

A não-linearidadeégeralmente quantificada em termos de não-linearidade máxima N, expressa como uma percentagem da deflexão de fim de escala (d.f.e.),i. e. como uma percentagem da gama de funcionamento.

©Luis Filipe Baptista –ENIDH/DMM26 CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Em muitos casos, S(E) e consequentemente N(E), pode ser expressa como um polinómio em E, i. e. :

Noutros casos, émais adequado utilizar expressões diferentes das polinomiais. Por exemplo, a resistência R(T)de um termístor, com Tem ºC,édada por:

SE a a E a E a E a Em m q q

CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Sensibilidade

Indica a taxa de variação da saída em relação à entrada, i. e.

dS/dE= K + dN/dE

Para um elemento ideal dS/dE= K. Quanto maior for o valor de K, maior seráa sensibilidade do elemento.

CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Alguns elementos são caracte- rizados pela saída variar em intervalos ou deslocamentos discretos em resposta a uma variação contínua na entrada.

A resolução édefinida como a variação máxima da entrada que não provoca nenhuma variação na saída.

CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Para um dado valor de E, a saída S pode ser diferente consoante E esteja a crescer ou a decrescer. Histerese,éa diferença entre estes dois valores de S.

CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Tolerância aos efeitos ambientais

Em geral, a saída S não depende sódo sinal de entrada E, como também depende dos efeitos do ambiente em que se encontra o elemento. Geralmente, as funções de transferênciasão elaboradas para condições bem determinadas, como por exemplo, a 25ºC de temperatura ambiente, pressão atmosférica a 1000 milibarse uma humidade relativa de 80 %. Se existirem desvios em relação a estas condições, então a nova função de transferência deverá reflectir o efeito destes desvios.

Tipos de efeitos ambientais:efeito de modificaçãoe efeito de interferência. O primeiro actua ao nível do Ke o segundo ao nível do a.

Exemplo:variação da resistência com a temperatura.

CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Tolerância ao desgaste e envelhecimento

O desgaste e o envelhecimento podem causar variações nas características de um elemento, i. e. em Ke a. Estas variações são geralmente muito lentas, mas sistemáticas ao longo do ciclo de vida do elemento em causa.

Exemplo:a rigidez de uma mola pode ser expressa pela seguinte equação k(t) = k0 -b x t

Neste caso, bémuito pequeno e téo tempo, contado desde o momento em que a mola foi fabricada.

CaracterCaracteríísticas de um elementosticas de um elemento

Intervalos de erro ou incerteza

Em muitos sensores e transdutores modernos, a não linearidade, histerese, e efeitos de resolução são tão pequenos que dificilmente (ou por irrelevância) se quantifica cada um destes efeitos individualmente.

Nestes casos, o fabricante opta por definir a resposta do elemento em termos de limites de erro.

Para cada valor de E, a saída S serádefinida como uma linha recta ideal centrada numa zona de erro definida por duas rectas paralelas àrecta ideal, colocadas uma de cada lado, a uma distância igual ao erro absoluto máximo.

INSTRUMENTAINSTRUMENTAÇÇÃOÃO (M412)(M412)

CAPCAPÍÍTULO I TULO I ––IntroduIntroduçção ão à InstrumentaInstrumentaççãoão

ConceitosConceitosbbáásicos sobre sicos sobre Controlo de ProcessosControlo de Processos

IntroduIntroduçção ao controlo de processosão ao controlo de processos

Conceito de controlo de processos

Definição directamente relacionada com o facto de os seres humanos terem passado a adoptar formas de regulação automática de modo a obter uma fabricação mais eficiente dos produtos.

Neste tipo de estruturas, os procedimentos são automáticos,dado que dispensam a utilização de operadores humanos no esquema de regulação.

IntroduIntroduçção ao controlo de processosão ao controlo de processos

Variável dinâmica

Équalquer parâmetro físico que pode variar, ao longo do tempo, de uma forma expontâneaou por influências externas.

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