instrumentaçao-medidas e grandezas

instrumentaçao-medidas e grandezas

(Parte 1 de 5)

E MEDIDAS: grandezas mecânicas

Fernando A. França: Instrumentação e Medidas: grandezas mecanicas, UNICAMP 2007.

LISTA DE FIGURAS6
LISTA DE TABELAS13
APRESENTAÇÃO14
1 Conceitos básicos e características gerais de instrumentos16
1.1 O método experimental na engenharia16
1.2 Elementos funcionais e características operacionais de instrumentos18
1.3 Sensores21
1.3.1 Sensor Lambda2
1.4 Características operacionais de instrumentos23
1.4.1 Sensores/Transdutores ativos e passivos23
1.4.2 Modos de operação analógico e digital25
1.4.3 Instrumentos de deflexão e cancelamento25
1.5 O modo de operação analógico27
1.6 O modo de operação digital29
1.7 Características de sinais de entrada e saída29
1.8 Desempenho estático e dinâmico dos instrumentos37
1.9 Natureza dos sinais de entrada e saída4
1.10 Análise de Fourier48
2 Incerteza e Erro61
2.1 O erro nos dados experimentais61
2.2 O Tratamento dos erros aleatórios75
2.2.1 A incerteza estimada de um conjunto de dados75
2.2.2 Média, desvio padrão, distribuição Normal76
2.2.3 Outras distribuições estatísticas78
2.2.4 A decisão final sobre a incerteza a adotar84
2.2.5 Erros relativo e absoluto84
2.3 Propagação de Erro em Operações de Cálculo84
2.3.2 Multiplicação e divisão, z=xy e z=x/y8
8
8
2.3.5 2.3.5 Funções simples, como z = sen(x)89
2.3.6 Funções complexas, como z = f(x, y, w,)....................................................................89
2.4 Arredondamento Numérico89
2.5 Exemplos91
2.5.1 Escolha de um Método de Medida91
2.5.2 Seleção de Instrumentos92
2.5.3 Medida da potência em um eixo rotativo93
3 Medição de temperatura96
3.1 Unidades de Temperatura97
3.1.1 A Lei Zero da Termodinâmica e a Definição de Temperatura100
3.1.2 A Segunda Lei da Termodinâmica e a Definição de Temperatura102
3.2 Capacidade Térmica106
3.2.1 Temperatura Negativa106
3.2.2 Temperatura dos Gases107
3.2.3 A Medição da Temperatura107
3.3 Termômetros de Expansão108
3.3.1 Termômetro de gás ideal108
3.3.2 Termômetro bimetálico1
3.3.3 Termômetro de bulbo112
3.4 Termômetros de Resistência115
3.4.1 Termômetros de resistência elétrica, RTD115
3.4.2 Termômetros de termistores121
3.5 Termopares123
3.6 Termômetros de Radiação135
3.6.1 Aplicação dos Termômetros150
3.7 Efeito da Transferência de Calor nas Medidas de Temperatura152
3.8 Medidas Térmicas: a Condutividade Térmica160
3.8.1 Condutividade Térmica de Sólidos161
3.8.2 Medida da Condutividade Térmica de Líquidos e Gases162
3.9 Medida do Fluxo Térmico163
4 Medição de Vazão165
4.1 Conversão de Unidades165
4.2 Condição Padrão e Intervalo166
4.3 Medidores por Obstrução de Área167
4.4.1 Fluido Incompressível (escoamento idealizado)168
Aplicação da Equação da Energia (ou Eq. de Bernouille, aplicação peculiar)168
4.4.2 Fluido Compressível (escoamento ainda idealizado)169
4.5 Vazão Real172
4.6 Placa de Orifício: Detalhes Geométricos173
4.6.1 Coeficiente de Descarga: Placas de Orifício174
4.6.2 Coeficiente de Descarga: Placa de Orifício de Borda Quadrada176
4.6.3 Coeficiente de Descarga: Placa de Orifício (norma ISO, 1980)177
4.7 O Bocal ASME178
4.7.1 Coeficiente de Descarga: Bocal ASME179
4.8 O venturi Herschel180
4.9 Dimensionamento de Medidores de Vazão por Obstrução de Área181
4.10 Acerto de cálculo para condições não-normalizadas186
obstrução188
4.10.2 Comprimento de tubo livre e retificadores de escoamento188
4.10.3 Exemplo de dimensionamento: perda de carga e posição de instalação190
4.10.4 Exemplo de dimensionamento: alteração de condição operacional191
5 Medição de Pressão192
5.1 Pressão: princípio físico193
5.1.1 Definições194
5.1.2 Unidades de medida de pressão196
5.2 Manômetros196
5.2.1 Manômetro de Tubo em U196
5.2.2 Manômetro de Tubo U inclinado197
5.2.3 Manômetro de Poço198
5.2.4 Barômetro198
5.2.5 Manômetro de poço multi-tubos199
5.2.6 O micro-manômetro200
5.2.7 Balança anular201
5.2.8 Exercício: seleção de manômetros202
5.3 Características dos fluídos manométricos203
5.3.1 Fontes de erro na medição com manômetros U206
5.3.2 Sensibilidade206
5.4 Medidor Bourdon206
5.4.1 Recomendações de instalação207
5.5 Transdutores elétro-mecânicos209
5.6.1 Princípio físico211
5.6.2 Ponte de Wheatstone213
5.6.3 Sensor capacitivo214
5.6.4 Sensor piezo-elétrico214
5.6.5 Sensor Magnético de Pressão215
5.6.6 Sensor de indutância variável216
5.6.7 Sensor de relutância variável217
6 Medição de Nível, Interface e Viscosidade de Líquidos218
6.1 Nível de líquido218
6.2 Viscosidade225
7 Medição de deformação, tensão, força e movimento232
7.1 Medição de deformação e tensão232
7.2 Medição de força e torque239
7.3 Medição de movimento244
Figura 1.1 – Configuração de um instrumento18
Figura 1.2 – Manômetro Bourdon: (a) elemento sensor tipo "C"; (b) elemento sensor tipo espiral19
Figura 1.3 – Configuração clássica do Manômetro Bourdon20
Figura 1.4 – Manômetro Bourdon em uma configuração mais simplificada21
Figura 1.5 – Esquema de um medidor eletrônico de deformação (strain)21
Figura 1.6 – Sensores automotivos2
Figura 1.7 – Sensores lambda Bosch23
Figura 1.8 – Transdutores passivos24
conversão, apresentação e armazenamento dos dados; (b) detalhe do sensor24
Figura 1.10 – Transdutores ativos25
Figura 1.10 – Instrumento de deflexão: o calibrador de pneu26
Figura 1.1 - Instrumento de cancelamento: balança de braço26

Figura 1.9 – Anemômetro de fio quente: (a) sensor e eletrônica de alimentação, filtragem,

campo magnético permanente) e (b) galvanômetro de dArsonval em tacômetro28
Figura 1.13 - A ponte de Wheatstone28
Figura 1.14 - Entradas atuantes em instrumentos e saídas resultantes30

Figura 1.12 - (a) Esquema de galvanômetro de dArsonval (não aparecem os ímãs que geram o

Figura 1.15 – Ação das três entradas desejada, interferente e modificadora na operação de um manômetro de mercúrio. (a) As pressões p1 e p2 são as entradas desejadas; não há a ação de entradas interferentes ou modificadoras. (b) O manômetro sobre um veículo em aceleração; a aceleração do veículo representa uma entrada interferente que causará um erro de leitura. (c) O ângulo de inclinação do manômetro com relação à gravidade também

representa uma entrada interferente e modificadora31
operando como um sistema em circuito fechado (ou sistema com realimentação)32

Figura 1.16 – (a) Instrumento operando como um sistema em circuito aberto. (b) Instrumento

na saída3
Figura 1.18 - Filtragem propiciada pela isolação térmica da junção de referência de termopar34

Figura 1.17 – (a) Instrumento com filtragem na entrada. (b) Circuito de instrumento com filtragem

entrada35
Figura 1.21 - Diagrama de instrumento com cancelamento de entradas indesejáveis36
Figura 1.2 – (a) O tubo de Prandtl (b) Diagrama funcional do tubo de Prandtl37
Figura 1.28 - Relógio Atômico Brasileiro45
Figura 1.29 - Senóide genérica46
Figura 1.30 - Onda quadrada de período T46
Figura 1.31 - Sinal analógico e sinal digital47
Figura 1.32 - Sinais periódicos simples: senóide e cos-senóide48
Figura 1.3 - Sinal periódico complexo49
Figura 1.34 - Onda quadrada de período T = 4 segundos e média 15 volts50
Figura 1.35 - Harmônicas da série de Fourier formando a onda quadrada da Fig. 1.3451
Figura 1.36 – Exemplo 1: sinal representando o nascimento de bezerras54
Figura 1.37 – Exemplo 1: sinal discreto54
Figura 1.38 – Exemplo 1: Autocorrelação54
Figura 1.39 – Exemplo 2: intensidade da luz5
Figura 1.40 – Exemplo 2: autocorrelação5
Figura 1.41 – Ruído56
Figura 1.42 – PSD56
Figura 1.43 – PSD em gráfico log-log56
Figura 1.4 – Alexander Graham Bell57
Figura 1.45 – Sinal temporal58
Figura 1.46 – PSD do sinal temporal da Fig. 1.4558
Figura 1.47 – O espectro após a filtragem59
escoamento anular, ambos horizontais59
Figura 2.1 - Manômetro de Bourdon (http://w.zurichpt.com.br/apre_prod_18.htm)63
Figura 2.2 - Curva de aferição de um manômetro Bourdon64
com faixa de operação65
Figura 2.4 - Deslocamento de zero (zero drift) e deslocamento de sensibilidade (sensitivity drift)6
Figura 2.5. Definições de linearidade67
Figura 2.6 - Efeitos de histerese68

Figura 1.48 – Densidade espectral de potência de escoamento intermitente “plug flow” e Figura 2.3 - Curva de aferição de um instrumento sensibilidade constante e variável, de acordo Figura 2.7 - Ilustrando definições com o manômetro Bourdon.......................................................69

Figura 2.8 - A PDF de uma distribuição Gaussiana7
Figura 2.9 - A CDF de uma distribuição Gaussiana79
Figura 2.10 - A PPF de uma distribuição Gaussiana80
Figura 2.1 - PDF's de funções normais80
Figura 2.12 - Funções Log-Normais81
Figura 2.13 – Distribuição t-Student82
Figura 2.14 – Distribuições: (a) com skewness positiva; (b) com skewness negativa83
Figura 2.15 – Distribuições com diferentes kurtosis: (a) tem kurtosis menor que (b)83
Figura 3.1 – (a) Anders Celsius. (b) Termômetro Celsius98
Figura 3.2 - Representações do ciclo de Carnot e de sua eficiência105
Figura 3.4 - Configuração de um termômetro a gás ideal110
Figura 3.5 - Termômetro de expansão a gás da IWZ110
de hastes lineares. (http://home.howstuffworks.com/therm2.htm)1
Figura 3.7 - Termômetro bimetálico de haste com sensor helicoidal112
Figura 3.8 – (a) Termômetros de bulbo de mercúrio; (b) Termômetros de bulbo de álcool113
Figura 3.9 - Sensores RTDs fabricados pela OMEGA116
Figura 3.10 - Variação da resistência com a temperatura para vários materiais de RTDs117
Figura 3.1 - Sensores de RTDs da Precom-USA18
cabeçote para aplicação industrial; (c) Sensores RTDs de conexão rápida118
Figura 3.13 - Montagem a dois fios119
Figura 3.14 - Montagem a três fios119
Figura 3.15 - Montagem a 4 fios tipo Callendar120
Figura 3.16 - Montagem a quatro fios120
Figura 3.17 - Comportamento R x T de um termistor121
Figura 3.18 - Termômetro de termistor122
Figura 3.19 - Sensores termistores (a) padrão e (b) de filme122
Figura 3.20 - Fios metálicos distintos conectados para formar um termopar124
Figura 3.21 - Cooler de CPU com módulo de refrigeração Peltier125

8 Figura 3.3 - Aplicação dos instrumentos de medição de temperatura, de acordo com a temperatura108 Figura 3.6 – (a) Hastes metálicas de termômetro bimetálico (b) Flexão de termômetro bimetálico Figura 3.12 - Sensores de RTDs: (a) sensores variados e alguns conectores; (b) sensor e Figura 3.2 - Ligação de termopar com junção fria em banho de gelo..........................................126

e compensação por circuito elétrico126

Figura 3.23 - Ligação de termopar com junção fria em TRC (Thermolectric Refrigeration Junction)

Figura 3.24 - Magnitude de força eletromotriz (milivoltagem) de termopares variados, tipos E, J, K e R. 127

Figura 3.25 - Códigos de cor de termopares da norma americana ASTM128

Figura 3.26 – “Se o metal C for inserido entre A e B, a temperatura de C em qualquer ponto distante das novas junções AC e BC é irrelevante desde que estas estejam à mesma

temperatura”130
CB for ECB, então a força eletromotriz gerada pelo termopar AB será EAB=EAC+ECB”131
Figura 3.28 - Lei das temperaturas intermediárias ou sucessivas131
Figura 3.29 - Montagem de termopares como termopilha132
Figura 3.30 - Montagem de termopares em paralelo para medir temperatura média133
Figura 3.31 - Tipos de junções134
Figura 3.32 - Tipos e utilização de revestimentos de termopares135
Figura 3.3 - Medição sem interferência136
versão sem o indigo, se tivesse o indigo seria ROY G. BIV)137
Figura 3.35 – Relação entre freqüência e comprimento da onda138
Figura 3.36 - Emitância espectral de corpo negro para cinco temperaturas, log x log139
Figura 3.37 - Emitância espectral de corpo negro para quatro temperaturas, linear139
Figura 3.38 - Emissividade espectral de superfície: dependência com λ e T141
Figura 3.39 - Relação absortividade, refletividade e transmissividade143
(qualitativo)144
Figura 3.41 - Janelas atmosféricas e transmissão do ar144
Figura 3.42 - Pirômetro ótico de fio146
Figura 3.43 - Pirômetro de fio, da Spectrodyne146
Figura 3.4 - Anatomia de um CCD148
Figura 3.45 - Pirômetro digital148
Figura 3.46 - Pirômetro de fibra ótica149

Figura 3.27 – “Se a força eletromotriz gerada por um termopar AC for EAC e aquela do termopar Figura 3.34 – (a) O espectro de radiação emitida pelo Sol; (b) O espectro visível e suas cores (a Figura 3.40 - Emissividade espectral de corpos negros, corpos cinzentos e corpos reais Figura 3.47 – (a) Pireliômetro; (b)................................................................................Piranômetro 149

desprezada a troca de calor radiativa154
Figura 4.1 - Medidor-separador multifásico (gás+líquido) da Agar165
Figura 4.2 – Esquema de medidores de vazão por obstrução de área167
Figura 4.3 - Conjunto de medidores de vazão por obstrução de área167
Figura 4.4 - Conjunto de placas de orifício da EuroMisure168
colocado na horizontal (sem variação de energia potencial)168
Figura 4.6 - Representação da energia específicas em pontos distintos de um venturi169
Figura 4.7 - Fator de expansão Y com relação ao parâmetro β171
Figura 4.8 - Escoamento em venturi: à esquerda, V= 0,4 m/s; à direita, V = 2,0 m/s171
Figura 4.9 - Escoamento em placa de orifício, Rey = 4300171
Figura 4.1 - Orifícios excêntricos ou segmentados para evitar deposição de material174
Figura 4.12 – Comportamento de Cd em função do número de Reynolds174
Figura 4.13 – Diagrama do circuito de teste de aferição de medidores de vazão175
Figura 4.14 - Variações típicas de Cd de placa de orifício de borda quadrada, padrão ASME177
Figura 4.15 – Bocal da ASME178
Figura 4.16 - Localização das tomadas de pressão para bocais utilizados em tubulações178
Figura 4.17 - Curvas de Cd para bocais ASME, Cd versus Re tubulação179
Figura 4.18 - Dimensões de venturi Hershel180
Figura 4.19 - Coeficiente de descarga, Cd, de venturi Hershel180
Figura 4.20 - Condição de aferição e condição alterada186
Figura 4.21 - A perda de pressão (ou perda de carga) nos medidores por obstrução187
Figura 4.23 - Desenvolvimento de escoamento após entrada em tubulação188
Figura 4.24 – Formação de vórtices em singularidades (curvas e tês)188
Figura 4.25 - Indicação de comprimento de trechos retos à montante de medidores de vazão189
Figura 4.26 - Sugestão de retificadores de fluxo para aplicação de medidores de vazão189
Figura 4.27 - Retificador de escoamento da Daniel190
Figura 4.28 - Instalações típicas de sistemas de medição por placa de orifício190

Figura 3.48 - Termopar medindo temperatura em uma placa aquecida colocada em escoamento: Figura 4.5 - Variação da energia entre entrada e saída de medidor de vazão por obstrução de área Figura 4.10 - Orifício Concêntrico. Tomada de Pressão: Flange ou (1D e 1/2D, montante e jusante)173 Figura 4.2 - Perda de carga (relativa, referente ao Dp lido) em medidores por obstrução de área..187 Figura 4.29 - Retificador de escoamento da Daniel....................................................................191

Figura 5.1 - Fluido parado195
Figura 5.2 - Fluido em movimento196
de pressão201
Figura 5.4 - Diagrama de blocos de um transdutor elétro-mecânico de pressão210
Figura 5.5 - Diagrama de blocos de um transdutor elétro-eletrônico de pressão210

1 Figura 5.3 - Balança anular (a) mantido estável por um peso W; (b) o anel gira devido a diferença

pressão212

Figura 5.6 – (a) Sensor resistivo da Omega, série 600 (b) Ilustração: Produto Omega, diafragma...211 Figura 5.7 – Deformação radial e tangencial de um diafragma submetido a uma diferença de

4231RRRR..= implicando em e=0213
Figura 5.9 - Transdutor de Indutância Variável216
Figura 5.10 - Transdutor Indutivo de Fole217
Figura 5.1 – Sensor de relutância variável217
Figura 6.1 - Medição de nível em tanque com visualização direta218
Figura 6.2 - Medição de nível em tanque com vareta molhada219
Figura 6.3 - Arranjo mecânico e arranjo elétrico para medição de nível219
Figura 6.4 - Outras chaves de nível, de catálogo da Omega220
Figura 6.5 - Medição de nível com pesagem do tanque220
pressurizado com gás221
Figura 6.7 - Medição de nível com método capacitivo2
Figura 6.8 - Medição de capacitância entre placas paralelas223
Figura 6.9 - Medição de nível com ultrasom224
Figura 6.10 - Medição através da pressão de um borbulhador225
Figura 6.1 - Arrasto entre duas placas paralelas. A inferior está estacionária226
Figura 6.12 - Esquema de viscosímetros primários227
Figura 6.13 - Viscosímetro Brookfield228
Figura 6.14 - Esquema de viscosímetros secundários229
Figura 6.15 - Viscosímetro Copo Ford230
Figura 7.1 - Definição de deformação232
Figura 7.2 - Carregamento axial de eixo233
Figura 7.4 - Algumas aplicações de extensômetros236
Figura 7.6 - Circuito elétrico da ponte de Wheatstone237
Figura 7.7 - Balança de pivot central (a) e balança de massa deslizante (b)239
Figura 7.8 - Balança de mola240
Figura 7.9 - Esquema do TDVL241
Figura 7.10 - Células de carga de carbono e de fluido241
carga de compressão (à direita)242
Figura 7.12 - Células de carga da Vishay e esquema construtivo de célula de carga cilíndrica243
Figura 7.13 - Um sensor de torque da Omega243
Figura 7.14 - Freio de Prony244
Figura 7.15 - Relógio comparador244
Figura 7.16 - Potenciômetro linear245
Figura 7.17 - Potenciômetro circular246
Figura 7.18 - Transformador linear diferencial246
Figura 7.19 - Encoder ótico247
Figura 7.20 - Tacômetro elétrico247
Tabela 2.1 - Calibração de um manômetro de Bourdon na faixa de pressão de 0 a 10 kPa63
medição71
Tabela 2.3 - Valor médio e desvio padrão de n medições de tempo75
Tabela 2.4 - Extrato de um t-Table82
Tabela 3.1 - Pontos Fixos da ITS 90 (Michalski et al, 1991)100
A Lei Zero da Termodinâmica e a Definição de Temperatura100
Tabela 3.2 - Escalas Kelvin e Celsius (SI) para Escalas Farenheit e Rankine (Inglês)101
Tabela 3.3 - Coeficientes de temperatura α para RTDs (Parr, 1985)115
de catálogo da Rototherm (UK)117

LISTA DE TABELAS Tabela 2.2 - Conceitos recém-discutidos, que se aplicam a instrumentos e ao procedimento de Tabela 3.4 - Tolerância de RTDs de platina Pt 100, de acordo com as normas IEC751 e BS1904,

tolerância, de acordo com a norma inglesa BS4937127

Tabela 3.5 - Especificação de norma da força eletromotriz de termopares variados, e sua

recomendada128
Tabela 3.7 – Tipos e usos de Termopares134
Tabela 3.8 - Incerteza típica de medição com termopares comerciais135
Tabela 3.9 - Emissividade de superfícies142
Tabela 3.10 - vantagens e desvantagens de termômetros151
Tabela 4.1 – Conversão de unidades de vazão166
Tabela 4.2 – Aplicações da relação de Stoltz178
Tabela 5.1 – Manômetros e fluidos manométricos empregados, por faixa de vazão203
Tabela 5.2 – Fluidos manométricos204
Tabela 5.3 - Propriedades do mercúrio e da água205
Tabela 5.4 - Exemplo de valores da coluna deslocada h , em relação ao diâmetro do tubo d205

Na resolução de problemas de engenharia, teoria e experimentação se complementam. O método experimental requer uso intensivo de instrumentos. Assim, é necessário que o engenheiro conheça as técnicas de medição, os instrumentos, a forma adequada de aplicá-los em seus aparatos experimentais e técnicas de processamento dos dados obtidos. Além disso, para construir o aparato experimental e realizar um experimento de forma eficiente o engenheiro deve conhecer os princípios básicos de funcionamento de uma larga gama de instrumentos. A disciplina “Medidas de grandezas térmicas e fluidas” tem por objetivo preparar o profissional para realizar estes procedimentos em aplicações cujas grandezas a serem medidas são térmicas e fluidas.

strain-gages

Os sensores serão o tema principal desse curso, que apresentará uma visão geral dos sensores, explicará como eles operam, descreverá como eles são aplicados e apresentará alguns circuitos básicos necessários para apoiá-los em sua operação. No primeiro capítulo são apresentados conceitos básicos de instrumentação e as principais características que os instrumentos apresentam. No segundo, são apresentados os conceitos de incerteza e erro e introdução à análise estatística em medições. Detalhes sobre temperatura e sua medição são abordados no capítulo três. Os capítulos quatro e cinco apresentam técnicas para a medição de vazão e pressão, respectivamente. Nível, interface e viscosidade de líquidos são abordados no capítulo seis e finalmente, no capítulo sete, são apresentadas técnicas de medição de deslocamento, força, torque, e aspectos na utilização de de

A estrutura de apresentação das aulas da disciplina é apresentada na tabela abaixo, referindo-se ao conteúdo básico da apostila didática e material bibliográfico nela referenciado.

Introdução: apresentação do instrutor, ementa analítica, critério de avaliação, apresentação dos alunos.

2 Conceitos básicos e características gerais de instrumentos.

3 Medição de Temperatura.

4 Medição de Temperatura.

5 Medição de Vazão.

6 Avaliação P1

7 Medição de Pressão.

8 Medição de Nível, Interface e Viscosidade de Líquidos.

9 Medição de Nível, Interface e Viscosidade de Líquidos.

10 Medição de deformação, tensão, força e movimento.

1 Medição de deformação, tensão, força e movimento.

12 Avaliação P2

1 Conceitos básicos e características gerais de instrumentos

1.1 O método experimental na engenharia

A resolução de problemas de engenharia envolve, geralmente, dois métodos distintos: o método teórico e o método experimental. A partir desta constatação, pode-se ir além e afirmar que teoria e experimentação se complementam. O engenheiro consciente deste fato será mais eficiente na resolução de problemas do que aquele que não dá a devida atenção a uma ou outra abordagem.

Os aspectos principais do método teórico são : 1. Os resultados são normalmente de uso geral; 2. É muito comum o uso de hipóteses simplificadoras (simplificações no modelo matemático ); 3. Em alguns casos o método teórico resulta em problemas matemáticos complexos; 4. Não requer o uso de equipamentos de laboratório, apenas lápis, papel, calculadoras, computadores, etc; 5. Muitas vezes o tempo requerido para a solução do problema é menor, já que não é necessário construir modelos em escala ou dispositivos experimentais e realizar medidas. Os principais aspectos do método experimental são: 1. Quase sempre os resultados aplicam-se somente ao sistema sendo testado; 2. Hipóteses simplificadoras não são necessárias caso se teste o sistema real; 3. Medidas bastante exatas são necessárias para se obter um retrato fiel do fenômeno em questão; 4. Requer a construção do sistema real ou de um modelo de teste; 5. O tempo requerido para a solução do problema é normalmente longo por envolver o projeto, construção e depuração do dispositivo experimental e realização das medidas propriamente ditas. Os problemas que requerem o método experimental para a sua solução podem ser divididos em cinco tipos:

1. Testes de validade de previsões teóricas para se "refinar" uma teoria.

Exemplos: teste da resposta em freqüência de acoplamentos mecânicos para a determinação das freqüências de ressonância; verificações experimentais de modelos de turbulência.

2. Obtenção de uma correlação empírica em situações onde uma teoria satisfatória não existe. Exemplos: determinação do fator de atrito em escoamentos turbulentos; determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção no escoamento em um tubo (coeficiente de película).

3. Determinação de parâmetros do sistema e/ou do seu desempenho.

Exemplos: determinação do ponto de deformação plástica de ligas metálicas; obtenção da curva do coeficiente de descarga versus o número de Reynolds de um medidor de vazão por obstrução de área; determinação da eficiência térmica de uma turbina a vapor.

4. Estudo de fenômenos para se desenvolver uma teoria.

Exemplos: microscopia eletrônica de fissuras por fadiga em metais; experimentos sobre o comportamento das bolhas durante a ebulição sobre uma superfície.

5. Solução de equações matemáticas por meio de analogias.

Exemplos: experimentos com modelos em naftalina para se determinar o coeficiente de película de convecção (analogia entre transferência de massa e transferência de calor).

Não há experimento fácil e nem há substituto para a experimentação cuidadosa em muitas áreas da pesquisa básica ou do desenvolvimento de produtos. O engenheiro deve então estar familiarizado com os métodos e técnicas de medida e com a análise de dados experimentais. De maneira geral, pode-se afirmar que o engenheiro deve estar capacitado a executar três tarefas distintas: 1. O engenheiro deve especificar as variáveis físicas a serem investigadas e conhecer o papel destas no trabalho analítico posterior, a fim de projetar o experimento coerente; 2. O engenheiro deve conhecer os princípios básicos de funcionamento de uma larga gama de instrumentos para construir o aparato experimental; 3. O engenheiro deve ter uma compreensão profunda dos princípios físicos envolvidos nos fenômenos estudados, bem como das limitações dos dados experimentais, para que possa analisar os dados coletados. Obviamente, não se deve esperar que uma única pessoa domine todas as áreas do trabalho experimental. Uma só pessoa se desenvolverá necessariamente nas áreas de experimentação diretamente ligadas aos seus interesses profissionais e conhecimentos analíticos e teóricos. Quanto mais abrangentes estes interesses, mais amplas serão as áreas do trabalho experimental dominadas por esta pessoa.

1.2 Elementos funcionais e características operacionais de instrumentos

O método experimental requer uso intensivo de instrumentos. Assim, é necessário que o engenheiro conheça as técnicas de medição, os instrumentos, a forma adequada de aplicá-los em seus aparatos experimentais e técnicas de processamento dos dados obtidos. Para entender o funcionamento de instrumentos de medição, ou mesmo projetar um instrumento, é necessário saber como eles são configurados a partir de elementos funcionais. A configuração geral a partir de elementos funcionais deve ser aplicável aos sistemas de medição como um todo, não atendo-se a um equipamento específico. Muitas vezes, entretanto, não há uma única configuração possível para um certo instrumento. A Fig. 1.1 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.

Figura 1.1 – Configuração de um instrumento

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