3.3.1 Instrumentos de medição
Conforme foi referido, instrumento de medição é um dispositivo destinado à execução da medição. O conjunto de instrumentos de medição e de outros dispositivos montados para efectuar uma medição específica designa-se por sistema de medição. Deste modo a medição pode ser obtida directamente a partir do instrumento de medição, ou através de um sistema de medição, que trata o sinal do instrumento de medida, apresentando como resultado final o valor da grandeza a medir. Um sistema de medição programável, onde as medições são feitas automaticamente, na observância de um plano pré-definido com capacidade de guardar informação, constitui um sistema de monitorização. Quando estes sistemas são dotados de capacidade de decisão podem ser classificados como sistemas inteligentes de monitorização.
Os transdutores podem ser mecânicos, eléctricos, electromecânicos, pneumáticos ou ópticos. O termo sensor está em geral associado aos transdutores eléctricos. Os transdutores mais utilizados na área das estruturas continuam a ser os mecânicos e os eléctricos.
3.3.2 Características dos instrumentos de medição
O valor apresentado como resultado de um processo de medição valor medido corresponde ao valor detectado por um determinado instrumento de medição, em determinadas condições de medição. O valor medido deve-se aproximar tanto quanto possível do valor exacto da grandeza medida, sendo certo que este dificilmente é encontrado.
Para o sucesso de um processo de medição, para além das condições em que este se realiza, convergem essencialmente dois factores. Por um lado, a selecção do instrumento para o fim em vista, por outro, a avaliação qualitativa e quantitativa dos valores apresentados como resultado da medição.
O conhecimento das características dos instrumentos de medição desempenha, quer num quer noutro, um papel fundamental. Estas características têm uma terminologia muito própria e são definidas com base num conjunto de conceitos que a seguir se resumem (Freitas, 1988).
Ampliação ou ganho Ampliação é a relação existente entre o valor apresentado pelo instrumento de medição, correspondente à diferença entre o valor inicial e o valor final, e a grandeza a medir.
Gama ou campo de medição Gama de medição é o intervalo de valores da grandeza a medir que se consegue avaliar com o instrumento de medição, para os quais o erro de leitura se mantém dentro de determinados limites.
Gama de temperatura de funcionamento Gama de temperatura ambiente para a qual é possível que o instrumento funcione dentro dos limites das respectivas características.
Gama de temperatura compensada Gama de temperatura ambiente para a qual o instrumento funciona dentro dos limites das respectivas características, sendo desprezável o efeito da variação da temperatura.
Escala completa Escala completa corresponde à distância do valor mínimo ao valor máximo da gama de medição. Coincide com o limite superior da gama de medição quando esta é definida para um intervalo de valores que se inicia em zero.
Sensibilidade Sendo um instrumento de medição um sistema que a uma variação de um dado sinal de entrada faz corresponder uma variação da sua saída, a sensibilidade do instrumento é dada pelo quociente entre a variação da resposta (∆Sout) e a variação do sinal de entrada (∆Sin).
in
Conforme se ilustra na Figura 3.1 esta característica é definida em torno de cada ponto de funcionamento, podendo não ser a mesma em todos os pontos. As unidades em que a sensibilidade é expressa depende do instrumento de medição (Campilho, 2000). Por exemplo, num transdutor de temperatura resistivo, a sensibilidade é expressa em Ω/ºC.
Sout
Figura 3.1 Definição de sensibilidade.
Resolução Resolução de um instrumento de medição é a menor variação da grandeza de entrada para a qual existe variação da saída. Em certos instrumentos é particularmente nítida a existência de
pequenas variações do sinal de entrada para as quais a saída se mantém inalterada. A resolução é expressa em unidades da grandeza de entrada.
Folga Designa-se por folga a zona de início da escala, que corresponde a um intervalo mais ou menos lato de valores da grandeza de entrada, para a qual não existe variação perceptível na saída.
A folga é expressa em unidades da grandeza de entrada (ver Figura 3.2).
Saturação Designa-se por saturação do instrumento de medição a zona do fim da escala, a partir da qual a diferentes valores da grandeza de entrada não corresponde variação significativa do valor de saída (ver Figura 3.2).
Sout
Sin folga
histerese saturação
Figura 3.2 Conceitos de folga, histerese e saturação.
Histerese A histerese caracteriza-se pela dependência da variável de saída em relação à variação crescente ou decrescente do sinal de entrada (ver Figura 3.2). A histerese pode ser provocada, por exemplo, por atrito mecânico, por efeito térmico ou pela existência de folga. Este valor costuma definir-se em percentagem do valor de fim de escala.
Erro de zero As escalas dos instrumentos de medição são vulgarmente iniciados por zero. Se para uma entrada nula o instrumento indicar um valor diferente de zero diz-se que existe um erro de zero.
Este erro pode ser corrigido por ajuste adequado da escala (ver Figura 3.3).
Deriva Deriva é um fenómeno que se caracteriza pela alteração das características metrológicas do instrumento de medição ao longo do tempo. Pode afectar, entre outras, a sensibilidade e o ajuste.
Fidelidade Fidelidade é uma característica que fornece uma indicação sobre os erros sistemáticos do instrumento cometidos no processo de medição. Os instrumentos de medição podem apresentar, em maior ou menor grau, valores com erro sistemático, revelando um erro de fidelidade na medição.
Dependendo da qualidade do instrumento, os erros de fidelidade são diferentes, podendo ser agrupados em classes, em geral identificados por um número ou símbolo.
Sout
Sin
ajuste
Figura 3.3 Erro de zero.
Linearidade A linearidade traduz o intervalo entre dois segmentos de recta no qual se situa a característica do instrumento de medição. Um instrumento de medição que apresente boa linearidade é porque tem uma sensibilidade praticamente constante. Conforme se esquematiza na Figura 3.4 estes segmentos podem ser definidos em relação ao valor de fim de escala ou ao valor medido, surgindo então segmentos paralelos ou segmentos concorrentes, respectivamente.
Sout
Sin
b a
Sout
Sin
b a
a) Referida ao fim da escala b) Referida a um ponto de leitura
Figura 3.4 Conceito de linearidade.
A linearidade corresponde assim ao desvio máximo da relação linear expressa em percentagem sendo dada pela expressão:
100 1 ×
−
= b e a
Linearidad [%], (3.2)
em que a e b têm o significado expresso na Figura 3.4.
Estabilidade Estabilidade é a aptidão do instrumento de medição em conservar as suas características metrológicas ao longo tempo. É dada pela variação percentual do sinal de saída, mantendo constantes no tempo o sinal de entrada e as condições de medição.
Tempo de resposta Designa-se tempo de resposta de um instrumento ao intervalo de tempo que decorre desde a variação de sinal de entrada até ao momento em que o sinal de saída atinja o seu valor final, em regime estável. Este conceito está representado na Figura 3.5.
Sin / Sout
t sinal de entrada (Sin) sinal de saída (Sout)
tempo de resposta
Figura 3.5 Tempo de resposta de um instrumento de medição.
Exactidão, precisão ou acuidade A acuidade de um instrumento de medição traduz a diferença entre o valor da medição efectuada e o valor exacto, ou convencionado exacto, da grandeza medida.
Repetibilidade Em termos qualitativos a repetibilidade é definida como a concordância entre resultados individuais num conjunto de medições, usando o mesmo método, com os mesmos materiais e sob as mesmas condições, nomeadamente, com o mesmo operador, os mesmos meios, no mesmo local e com curtos intervalos de tempo entre eles. É dada pelo valor abaixo do qual o valor absoluto da diferença entre os dois resultados experimentais é esperado ser encontrado. A esta diferença está associada uma probabilidade de ocorrência. Na ausência de outras indicações, essa probabilidade é em geral tomada como 95%.
Reprodutibilidade Reprodutibilidade define-se de modo idêntico à repetibilidade como a concordância entre resultados individuais obtidos através do mesmo método, com os mesmos materiais mas sob condições diferentes.
Incerteza de uma medição Trata-se do parâmetro que caracteriza o intervalo de valores obtidos numa série de medições de uma mesma grandeza e no qual se espera que esteja situado o
verdadeiro valor da grandeza medida. Este intervalo de incerteza resulta de erros de medição, alguns dos quais inerentes à repetibilidade e à reprodutibilidade, e é traduzido pelo desvio padrão.