UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE PÓS- GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
TÉCNICAS DE AUXÍLIO À GARANTIA DA CONFIABILIDADE METROLÓGICA EM BANCADAS AUTOMATIZADAS DE ENSAIO
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
RENATO SCAVONE
ii TÉCNICAS DE AUXÍLIO À GARANTIA DA CONFIABILIDADE METROLÓGICA
EM BANCADAS AUTOMATIZADAS DE ENSAIO
ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM ENGENHARIA
ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECÂNICA, ÁREA DE CONCENTRAÇÃO METROLOGIA E INSTRUMENTAÇÃO, APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA RENATO SCAVONE
Prof. Antô ■ Coordenador do Curso
Prc 5c. - Orientador
BANCA EXAMINADORA
Prof. Abe , Ph.D.
Prof. Car) c.
Prof. Neli
À minha avó
Antônia Rampazzo Parodi (in memorian )
Aos meus pais Roque Scavone
Angela Lygia Parodi Scavone
A minha futura esposa Janine Münch
AGRADECIMENTOS
iv
Ao professor Carlos Alberto Flesch pela orientação, dedicação e por seu sincero engajamento no desenvolvimento deste trabalho.
À CAPES - " Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior " pela concessão da bolsa de estudos que patrocinou este trabalho.
Ao Depto. de Eng. Mecânica da UFSC, ao LABMETRO e à Fundação CERTI por fornecerem as condições necessárias para desenvolvimento deste trabalho.
Ao estagiário Marcelo Vieira Jurchaks pela efetiva participação nas análises referente as técnicas teóricas e experimentais e na apresentação do trabalho.
Ao estagiário Alexandre Barp pela implementação do sistema especialista protótipo e ao pós- graduando Luís Galaz pela participação na fase inicial da implementação.
À secretária Nair Iracema das Neves por todos serviços de suporte prestados no decorrer do trabalho.
À minha mãe, Angela Lygia Parodi Scavone, pelo incentivo e apoio irrestrito concedidos, que foram de fundamental importância para realização do trabalho.
Ao meu pai, Roque Scavone, pelo exemplo de arrojo, me encorajando a buscar meus verdadeiros ideais.
Aos meus irmãos Rogério, Mônica e Raquel por suprirem minha ausência em deveres da família.
Aos amigos, pela atenção dispensada e tempo gasto e pela ajuda concedida através de opiniões, sugestões e explicações.
À minha futura esposa, Janine Münch, por ficar sempre ao meu lado, pela ajuda prestada através de muitas ações concretas e pela força transmitida me incentivando a alcançar minha meta.
V
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 01
1 .1 0 PROBLEMA DA CONFIABILIDADE METROLÓGICA EM
BANCADAS DE E N S A IO ... ..01 1.2 ESCOPO DO TR A BA LH O ...03 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO... ..04
2. APLICAÇÃO DA TÉCNICA DE MODELAGEM PARA AVALIAÇÃO DE
ERROS EM CADEIAS DE MEDIÇÃO AUTOMATIZADAS 05
2.1 CADEIAS AUTOMATIZADAS DE M E D IÇ Ã O ... 06 2.1.1 Configurações das Cadeias Automatizadas de Medição ... 06 2.1.2 Fontes de Erros Relacionadas às Cadeias Automatizadas
de Medição ... 11 2.2 MODELAGEM ELÉTRICA DE CADEIAS AUTOMATIZADAS
DE MEDIÇÃO ... 14 2.2.1 Circuito Equivalente Thévenin ... 14 2.2.2 Parâmetros Elétricos típicos dos módulos
de instrum entação... 18 2.2.3 Exemplos de aplicação da modelagem para avaliação
de erros em cadeias automatizadas de medição de
bancadas de ensaio de motores de combustão interna ... 19 2.3 CONSIDERAÇÕES RELATIVAS À APLICABILIDADE
vi 3. APLICAÇÃO DAS ESTRATÉGIAS EXPERIMENTAIS DE TAGUCHI
UTILIZANDO-SE ANÁLISE DE VARIÂNCIA PARA MELHORAR A
QUALIDADE METROLÓGICA EM BANCADAS DE ENSAIO 34
3.1 ANÁLISE DE V A R IÂ N C IA ... ..35
3.1.1 Análise de Variância com um fator . ...36
3.1.1.1 Modelo de representação dos dados com um fator . 36 3.1.1.2 Tabela resumo ANO VA com um f a t o r ...38
3.1.1.3 Teste F para comparação de Variâncias ... ..41
3.1.1.4 Exemplos de Aplicação em bancadas de ensaio . . . 42
3.1.2 Análise de Variância com dois fatores ... ..46
3.1.2.1 Modelo de Representação dos d a d o s ...46
3.1.2.2 Interação entre os f a to r e s ... ..47
3.1.2.3 Tabela resumo ANOVA com dois f a to r e s ...48
3.1.2.4 Exemplo de Aplicação em bancadas de ensaio . . . . 49
3.1.3 Considerações Relativas à Interpretação dos Resultados com Auxílio da Técnica Estatística de "Análise de Variância " . . . . 50
3.2 ESTRATÉGIAS DE EX PERIM ENTAÇÃO... ..51
3.2.1 Introdução ...51
3.2.2 Experimento Fatorial Saturado ... ..55
3.2.3 Experimentos usando os Arranjos Ortogonais de Taguchi . . . 57
3.2.3.1 Utilização dos Arranjos Ortogonais de Taguchi . . . 58
3.2.4 Experimentos segundo a metodologia de "Projeto por Parâmetros" ...63
3.2.4.1 Projeto por Parâmetros em Experimentos de Calibração ... ..64
3.2.4.2 Metodologia de Projeto por Parâmetros com ênfase no desenvolvimento de Processos de Medição Robustos ... ..65
3.2.4.3 Razão Sinal Ruído de T a g u c h i...69
3.3 CONSIDERAÇÕES RELATIVAS À APLICABILIDADE DAS DIFERENTES ESTRATÉGIAS APRESENTADAS ...82
4. MÉTODOS ON-LINE DE CONTROLE DA QUALIDADE
METROLÓGICA BASEADOS NOS RESULTADOS DE CALIBRAÇÕES
PERIÓDICAS, APLICÁVEIS À BANCADAS DE ENSAIOS 83
4.1 CALIBRAÇÕES PERIÓDICAS E HIERARQUIA DE PADRÕES
APLICADAS À BANCADAS DE E N S A IO ... 84 4.1.1 Considerações Relativas ao Planejamento das
Calibrações em Bancadas de Ensaio ... 84 4.1.2 Características Particulares em Bancadas de E n s a io ... 88 4.2 MÉTODOS ON-LINE DE CONTROLE DA QUALIDADE
METROLÓGICA BASEADOS EM RESULTADOS DE CALIBRAÇÕES . 89 4.2.1 Monitoração de Características Metrológicas Relativas
à Incerteza de Medição ... 91 4.2.2 Utilização do Característico de Resposta para Redução
da Incerteza de Medição ... 91 4.2.3 Controle Estatístico do Processo de Medição ... 96 4.2.4 Estabelecimento de Intervalos de Calibração ... 97 4.2.4.1 Parâmetros a serem especificados no processo . . . . 97 4.2.4.2 Características operacionais d esejad as... 99 4.2.4.3 Tipos de critérios utilizados no p ro c e ss o ... 99 4.2.4.4 Requisitos de um sistema para estabelecimento
dos intervalos de calibração em bancadas de ensaio
de produtos industriais...100 4.3 PROPOSTA DA ESTRUTURA DE UM SISTEMA
COMPUTADORIZADO PARA AUXILIAR NO CONTROLE ON-LINE
DA QUALIDADE METROLÓGICA EM BANCADAS DE E N S A IO ... 105 4.3.1 Caracterização do Sistema Proposto ... 105 4.3.2 Base de Dados necessária ao Sistema ...105 4.3.3 Integração do Sistema a bancada de ensaio automatizada . . . . 106 4.3.4 Módulo de Gerenciamento dos Intervalos de Calibração . . . . 108
5. APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA DE SISTEMAS ESPECIALISTAS PARA ESTABELECIMENTO DOS INTERVALOS DE CALIBRAÇÃO
DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO EM BANCADAS DE ENSAIO ... 109
5.1 IN TR O D U Ç Ã O ... 109
5.2 CARACTERIZAÇÃO DOS SISTEMAS ESPECIALISTAS ...109
5.3 APLICABILIDADE DE SISTEMAS ESPECIALISTAS PARA DETERMINAR INTERVALOS DE CALIBRAÇÃO... ... 112
5.4 MÉTODOS DE REPRESENTAÇÃO DO CONHECIMENTO E DE PROGRAMAÇÃO USADOS EM SISTEMAS ESPECIA LISTA S... 113
5.4.1 Representação baseada em regras ... 114
5.4.2 Representação baseada em "frames" ... 117
5.4.3 Programação orientada a objetos... 118
5.5 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA ESPECIALISTA PROTÓTIPO PARA ESTABELECIMENTO DOS INTERVALOS DE CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE BANCADAS DE ENSAIO DE MOTORES DE COMBUSTÃO IN T E R N A ...119
5.5.1 Requisitos estabelecidos... 119
5.5.2 Modelos de solução propostos ... 119
5.5.3 Ferramenta de Desenvolvimento e Métodos Empregados . . . . 123
5.5.4 Apresentação do Protótipo D esenvolvido...123
5.5.5 Avaliação do Protótipo Desenvolvido ...131
6. CONCLUSÕES...133
6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 138
GLOSSÁRIO DAS SIGLAS
A/D ... Analógico/Digital AC ... Corrente Alternada ANOVA ... Análise de Variância AO ... Arranjo Ortogonal
ASME ... The American Society of Mechanical Engineers BE ... .... Bancada de Ensaio
BEMCI ... .... Bancada de Ensaio de Motores de Combustão Interna
CAT ... .... Ensaio Auxiliado por Computador ( " Computer Aided Testing " ) CE ... .... Curva de Erro
DC ... .... Corrente Contínua DM ... Dispersão das Medições
EPA ... .... Environmental Protection Agency
ESOCI ... Sistema Especialista para Otimização dos Intervalos de Calibração FO ... .... Faixa de Operação
GM ... .... Grandeza a Medir IA ... .... Inteligência Artificial IC ... .... Intervalo de Calibração IM ... .... Incerteza de Medição
MOSFET ... .... " Metal OxideField Effect Transistor " MR ... Memória de Regras
MT ... Memória de Trabalho MUX ... .... Multiplexador
PP ... .... Projeto por Parâmetros PW ... Ponte de Wheastone S/R ... .... Sinal/Ruído
SAS ... .... Sistema de Aquisição de Sinais SE ... .... Sistema Especialista
SGQM ... .... Sistema de Gerenciamento da Qualidade Metrológica SM ... .... Sistema de Medição
UTS ... .... Unidade de Tratamento do Sinal VFE ... .... Valor de Fundo de Escala VM ... Valor Medido
X
SIMBOLOGIA
(3j ... efeito do j-ésimo nível de um determinado fator AES ... ... Incerteza do Erro Sistemático
ti ... ... Razão Sinal/Ruído ( unidades: l/[erro] ou [dB] ) H ... ....média total das observações
a 2 ... Variância Residual
x(3y ... ... efeito da interação entre o i1*1 de um fator e o j * de outro fator Tj ... ... efeito do i-ésimo nível de um determinado fator
u ... ....Graus de Liberdade
Cjjl ... ....Capacitância entre "High" e "Low"
DMr ...Dispersão associada a média das medidas E0 cL ... ....Erro Aleatório
E s ... ....Erro Sistemático
F( a 0i o2 ) ... ....F tabelado em função do nível de confiança e dos graus de liberdades Fc)a()os ... ....Razão entre as médias dos quadrados(entre *s níveis e dentro dos níveis) I0FF ... ....Corrente de Fuga
Lj l ... ....Indutância dos Fios de Ligação MS ... ....Média dos Quadrados
nc ... ....Número de ciclos de medições no processo de calibração N c ... ....Número mínimo de combinações
Nt ... ....Número Total de Observações necessárias para experimentação Ra/q ... ....Resistência de Entrada do Conversor Analógico/Digital
R ç ... ....Resistência de Contato fechado da chave Rqjp ...Resistência Combinada entre "High" e "Low"
Re a ... ....Resistência de Entrada do Amplificador
Repw ...Resistência Equivalente Thévenin da Entrada da Ponte de Wheastone
REq ... ....Resistência Equivalente (em série e/ou em paralelo)
RpL ... ....Resistência dos Fios de Ligação Rjjl ... ....Resistência entre "High" e "Low"
ryk ... ....componente residual aleatória
Rsa ... ....Resistência de Saída do Amplificador
RSPW ... ....Resistência Equivalente Thévenin da Saída da Ponte de Wheastone Rj j j ... ....Resistência Equivalente Thévenin
Rpjjg ... ... Resistência Equivalente Thévenin da Entrada do Módulo R fjjg ... ... Resistência Equivalente Thévenin da Saída do Módulo
s ... ... Estimativa do Desvio Padrão para um número finito de medidas S. w ... Sensibilidade do transdutor
SSN ... ... Soma dos Quadrados entre os diferentes Níveis SSr ... ... Soma dos Quadrados dentro dos Níveis
SST ... ... Soma Total dos Quadrados t ... ... Fator de " S tu d en t"
Valpw ... Tensão de Alimentação da Ponte de Wheastone VSA ... Tensão de Saída do Amplificador
VT ... ... Tensão Termoelétrica
Vj j j ... ... Tensão Equivalente Thévenin
V-yjjp ... ... Tensão Equivalente Thévenin da Fonte V-j-jjrj, ... ... Tensão Equivalente Thévenin do Transdutor y ... Observações(dados) obtidas nos experimentos
RESUMO
xii
É notório o crescimento das exigências em termos de requisitos de garantia da confiabilidade metrológica dos resultados produzidos em bancadas de ensaio de produtos industriais. Apesar da opção pela aplicação dos recursos de "Computer Aided Testing" (CAT) ser cada vez mais freqüente, constata-se que em grande parte das bancadas, o controle da qualidade metrológica está longe de ser alcançado. As técnicas para avaliação e controle da qualidade usualmente empregadas são insuficientes para se ter conhecimento em relação à real incerteza dos resultados experimentais e para mantê-la dentro de limites ao longo do tempo.
Neste contexto, sob enfoque metrológico, são analisadas frente a particular aplicação em bancadas de ensaio, diferentes técnicas de auxílio à garantia da confiabilidade dos resultados obtidos. Diversas aplicações são propostas para as fases de desenvolvimento do processo de medição(controle "off-line"), bem como de monitoração e controle da qualidade metrológica dos processos correntes(controle "on-line"). É analisada aplicação da modelagem elétrica e matemática das cadeias de medição automatizadas para avaliação de fontes de erros na especificação dos módulos de instrumentação e das diferentes configurações a serem empregadas. É apresentada análise da aplicabilidade, em situações existentes em bancadas de ensaio, das estratégias experimentais propostas por Taguchi, com o uso da técnica estatística de "Análise de Variância" para interpretação dos resultados. São descritos diferentes métodos de controle "on-line" da qualidade metrológica aplicáveis em bancadas automatizadas de ensaio. É analisado detalhadamente o problema de estabelecimento de intervalos de calibração adequados. Devido às condições favoráveis identificadas é proposta a aplicação da tecnologia de sistemas especialistas para auxiliar na resolução deste problema. É apresentado um protótipo de sistema especialista, desenvolvido a partir de um modelo proposto de resolução do problema, para mostrar-se a aplicabilidade desta técnica.
É mostrado que o processo de medição em bancadas automatizadas de ensaios está revestido de elementos que permitem que as técnicas sejam exploradas individualmente ou em conjunto para assegurar a confiabilidade metrológica. Assim, no trabalho são apresentadas propostas de aplicação das diferentes técnicas proporcionando ferramentas concretas para avaliação e controle da qualidade metrológica de maneira mais apropriada.
ABSTRACT
xiii
The advent of the increased requirements of reliability assurance resulting from test benches with industrial products is evident. Despite the crescent application of computer aided testing (CAT) quality control is still far from being perfect for a large number of test benches. The techniques for the evaluation and control of quality which are usually employed are insufficient for delivering the real uncertainty of experimental results and for restricting them to the allowed limits for a long time.
Within this context, several techniques supporting the reliability assurance o f the obtained results are analyzed with respect to particular applications for test benches. The applications of the techniques are proposed for the phases of development of the measurement process (off line control) as well as the monitoring and quality control of running processes (on line control). The application o f electrical and mathematical modelling of automated measurement systems is analyzed for the evaluation of error sources in the specification of instrumentation modules and different configurations. The analysis o f the applicability of the Taguchi methods for design of experiments with the statistical technique of " Analysis of Variance " (ANOVA) are presented. Different methods o f on-line control of metrological quality are described which are applicable to automated test benches. The problem of the determination of adequate calibration intervals is analyzed in detail. Due to the identified suitable conditions the application of the technology of expert systems is proposed to aid in the resolution of this problem. In order to demonstrate the applicability of this technique, a prototype of an expert systems is presented, which was developed basing on a model proposed for the resolution of this problem.
It is demonstrated that the measurement process in automated test benches contains elements permitting the individual as well as the associated exploration of techniques for the assurance of metrological reliability. Thus practical and most appropriate tools for the evaluation and control of metrological quality are presented.
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
1.1 O PROBLEMA DA CONFIABILIDADE METROLÓGICA EM BANCADAS DE ENSAIO
Bancadas de ensaio de produtos industriais são empregadas na qualificação, desenvolvimento e pesquisa. Os resultados das medições produzidos nestas, exercem influência sob praticamente todos os processos envolvidos no ciclo produtivo. Para que se constituam em subsídios creditórios para a garantia da qualidade dos processos industriais é fundamental que os resultados dos ensaios estejam revestidos de suficiente confiabilidade.
Fatores tais como, crescente competição a nível internacional entre as empresas e novas exigências relativas à legislação, determinam cada vez mais que os produtos melhorem sua qualidade de forma global. No caso particular de motores de combustão interna, por exemplo, é exigido que estes tenham características, tais como: menor custo, menor nível de emissões de gases poluentes, curto tempo de aceleração, menor consumo de combustível, maior durabilidade, menor nível de vibrações e ruído, maior segurança e menores tamanho e peso. Em decorrência, são crescentes os requisitos acerca da confiabilidade dos resultados das medições realizadas numa bancada de ensaio de motores de combustão interna. Baseadas nestes resultados muitas das decisões na fase de desenvolvimento de novos produtos serão tomadas.
Além disso, a consolidação das normas de Gestão e Garantia da Qualidade, onde têm destaque as normas da série ISO 9000, levaram a uma nova maneira de inter-relacionamento entre as empresas e mesmo entre os diferentes setores de uma mesma empresa, gerando com isto novos padrões de qualidade assegurada aos quais as bancadas de ensaio também deverão se adequar.
Fato marcante atualmente, é a indiscutível elevação da potencialidade que a automação tem conferido aos processos metrológicos. A utilização de sistemas computadorizados incorporados ao processo de medição, por exemplo em bancadas de ensaio, tem se tomado um procedimento cada vez mais comum diante das crescentes necessidades de redução do tempo e do custo de realização dos ensaios; de aumento da confiabilidade e da flexibilidade; e de não suscetibilidade em relação a fatores humanos. Por exemplo, em bancadas de ensaio de motores de combustão interna, tem havido a migração da situação manual para automatizada, no mais das vezes buscando máximo aproveitamento de instalações, equipamentos e instrumentos disponíveis.
Os chamados sistemas " CAT - Computer Aided Testing " desempenham, entre outras, as funções de: controle automático do regime do motor e demais condições do ensaio; aquisição automática de sinais; e, processamento dos dados obtidos.
Contudo muitas vezes vê-se que tal evolução não está sendo estendida à confiabilidade metrológica dos ensaios. Ao longo do desenvolvimento de sistemas de automação de bancadas de ensaio de motores de combustão interna e da aplicação de bancadas de ensaio de radiadores, para empresas brasileiras e multinacionais, montadoras e autopeças, pode-se observar que há muita insegurança acerca da confiabilidade dos resultados obtidos em ensaios, e que há pouco conhecimento em relação à real incerteza dos resultados experimentais.
Há necessidade de que o desenvolvimento dos processos de medição sejam feitos de maneira criteriosa com emprego de técnicas que auxiliem na avaliação e no controle da qualidade metrológica dos resultados dos ensaios. Além disso, os níveis de qualidade produzidos pelos processos correntes devem ser, ao longo do tempo, monitorados e controlados dentro de limites aceitos como satisfatórios, através de métodos específicos para estas funções.
As atividades de controle da qualidade metrológica podem ser separadas em dois grupos: - ações de controle da qualidade metrológica empregadas fora do ciclo de produção dos resultados das medições de um ensaio( CONTROLE " OFF-LINE " ).
- ações de controle da qualidade metrológica empregadas durante o ciclo de produção dos resultados das medições de um ensaio( CONTROLE " ON-LINE " ).
O controle " OFF-LINE " está baseado em métodos de avaliação da qualidade metrológica aplicáveis na fase de planejamento do processo de medição. Em bancadas de ensaio estes métodos devem auxiliar em diversas situações, tais como por exemplo: na especificação dos módulos de instrumentação e das configurações das cadeias automatizadas de medição; na adoção de procedimentos específicos de medição; no estabelecimento das condições dos ensaios; e, no planejamento dos processos de avaliação periódica da qualidade metrológica.
Após definido o processo de medição, a qualidade metrológica deve ser monitorada e controlada ao longo do tempo. Em bancadas de ensaio, o principal método de avaliação empregado é constituído por calibrações periódicas dos sistemas de medição. As ações de controle "ON-LINE" estão baseadas, principalmente, nos resultados obtidos nessas calibrações.
O estudo de métodos "OFF-LINE" e "ON-LINE" para avaliação e controle da qualidade metrológica aplicáveis às bancadas de ensaio é de fundamental importância para mudar a indesejável situação atual, de falta de controle sobre a incerteza dos resultados produzidos ao longo do tempo, em que se encontram grande parte das bancadas de ensaio de produtos industriais.
3 1.2 ESCOPO DO TRABALHO
Os métodos de avaliação empregados no controle "OFF-LINE" são basicamente de dois diferentes tipos: avaliação teórica e avaliação experimental. Na teórica são usadas, por exemplo, técnicas para modelagem das fontes de erros presentes no processo de medição enquanto que na experimental empregam-se, por exemplo, técnicas de análise estatística.
Analisando-se informações referentes à instrumentação, documentação de projetos de desenvolvimento e informações levantadas de bancadas automatizadas verificou-se que a técnica de avaliação teórica através da modelagem elétrica das cadeias de medições automatizadas pode auxiliar, por exemplo, avaliando fontes de erros na especificação das configurações das cadeias de medição e dos módulos de instrumentação a serem empregados. Porém, devido às particularidades existentes em bancadas de ensaio, a técnica de modelagem não é suficiente para garantir a confiabilidade metrológica dos resultados.
A aplicação de técnicas experimentais também se faz necessária. Por meio de revisão bibliográfica e detalhada análise das particularidades do problema em questão, constatou-se que as estratégias experimentais de Taguchi, juntamente com a utilização da técnica estatística de "Análise de Variância" para interpretação dos resultados, podem ser aplicadas em diversas situações, para melhorar a qualidade metrológica em bancadas de ensaio.
Estudos também mostraram que o principal método de avaliação utilizado no controle "ON-LINE" está baseado em experimentos de calibração de instrumentos e sistemas de medição. Constatou-se que baseados nos resultados de calibrações periódicas é possível, em bancadas de ensaio, o emprego de diferentes ações de controle da qualidade metrológica, dentre as quais identificou-se uma, fundamental para a garantia da confiabilidade metrológica: o estabelecimento de intervalos adequados de calibração.
O processo de estabelecimento de intervalos de calibração de maneira otimizada, frente às particulares condições encontradas em bancadas de ensaio, foi analisado em detalhes e baseado em revisão da literatura e em características específicas do problema propõe-se a aplicação da tecnologia de sistemas especialistas. A aplicabilidade desta técnica é mostrada por intermédio do desenvolvimento de um sistema protótipo.
Devido à necessidade de dados reais que servissem de base para se mostrar a utilidade das diferentes técnicas, orientou-se a análise para o caso particular de bancadas automatizadas de ensaio de motores de combustão interna, das quais existem disponíveis informações acumuladas durante projetos de desenvolvimento realizados anteriormente em conjunto com empresas montadoras de veículos e fabricantes de autopeças.
4 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
a) M odelagem: é analisada a aplicação da técnica de modelagem elétrica e matemática para avaliar, de maneira sistematizada, fontes de erros existentes no caso particular das configurações típicas das cadeias automatizadas de medição existentes em bancadas de ensaio de motores de combustão intema(capítulo 2).
b) Técnicas Experim entais: é apresentado um estudo a respeito das técnicas de delineamento de experimentos de Taguchi, nas quais é utilizado o método estatístico de "Análise de Variância" para interpretação dos resultados experimentais obtidos. São analisadas possíveis aplicações visando melhorar as condições da qualidade metrológica em bancadas de ensaio de motores de combustão intema(capítulo 3).
c) Intervalos de C alibração: são analisados os principais métodos de controle da qualidade metrológica, baseados em resultados de calibrações periódicas, aplicáveis às bancadas de ensaio. É proposta a estrutura básica de um sistema computadorizado contendo diversos módulos para gerenciamento da qualidade metrológica dos resultados das medições, cujo responsável pelo estabelecimento de intervalos de calibração otimizados é um dos módulos principais. Apresenta-se então um estudo detalhado sobre o processo de estabelecimento de intervalos de calibração em bancadas de ensaio(capítulo 4).
d) Sistemas Especialistas: mostra-se a aplicabilidade da tecnologia de sistemas especialistas para auxiliar na automatização do processo de estabelecimento dos intervalos de calibração em bancadas de ensaio. Através da proposta de modelos simplificados para resolução deste problema no caso particular de bancadas de ensaio de motores de combustão interna, são apresentadas as principais técnicas de representação e programação empregadas em sistemas especialistas e é descrito resumidamente o sistema protótipo desenvolvido(capítulo 5).
e) Conclusões: são apresentadas as considerações finais do trabalho, onde são resumidas as principais vantagens, limitações, utilidades e dificuldades da aplicação de cada uma das diferentes técnicas analisadas. É abordada ainda a possibilidade de aplicação simultânea de diferentes técnicas de modo que se tomem complementares(capítulo 6).
CAPÍTULO 2
" APLICAÇÃO DA TÉCNICA DE MODELAGEM PARA AVALIAÇÃO DE ERROS EM CADEIAS DE MEDIÇÃO AUTOMATIZADAS"
Sistemas de aquisição de sinais automatizados realizam medições de grandezas físicas através do uso de módulos de instrumentação específicos para desempenhar esta função. No caso particular de bancadas de ensaio de motores de combustão intema(BEMCI) automatizadas, por exemplo, a grande maioria dos sinais são provenientes de transdutores analógicos.
Durante o processo de aquisição do sinal analógico e de conversão para digital existem fontes de erros que devem ser avaliadas com o objetivo de garantir que os níveis admissíveis de incerteza dos resultados sejam mantidos. Especificar um sistema de medição automatizado que assegure um nível preestabelecido de incerteza real é um trabalho complexo e requer múltiplos conhecimentos em metrologia e instrumentação. O encadeamento dos diferentes módulos instrumentais irá compor sistemas de medição cujas características metrológicas e operacionais serão determinadas pelas características individuais dos módulos, suas mútuas retroações, procedimentos de medição e das particulares condições de utilização.
No decorrer deste capítulo são analisadas as configurações típicas das cadeias automatizadas de medição para bancadas de ensaio de motores de combustão interna. Apresentam-se, de maneira geral, as principais fontes de erros relacionadas aos instrumentos de medição, no âmbito de sistemas automatizados.
E descrita a técnica de modelagem elétrica e matemática das cadeias de medição. Esta técnica é usada para, teoricamente, avaliar de maneira sistematizada aspectos qualitativos e quantitativos associados às fontes de erros inerentes às interfaces empregadas no processo de automação. A aplicabilidade desta técnica é mostrada através de exemplos, para o caso particular de BEMCI, onde são avaliadas determinadas fontes de erros. Mostra-se que tal análise é indispensável para a especificação adequada dos módulos que compõe uma cadeia de medição automatizada, permitindo a identificação de efeitos de retroação entre os módulos ou decorrentes de parâmetros elétricos dos instrumentos, que não são considerados, por exemplo, pela análise tradicional com a teoria de propagação de erros.
2.1 CADEIAS AUTOMATIZADAS DE MEDIÇÃO
6
É possível descrever de maneira sistematizada um sistema de medição qualquer através de um arranjo de módulos funcionais[l]. Este arranjo, ou cadeia de medição, como será denominado neste trabalho, considera as principais funções necessárias para descrição do comportamento dos instrumentos presentes num sistema de medição automatizado, desde a geração do sinal analógico no transdutor até ser transformado em um sinal digital.
2.1.1 Configurações das Cadeias Automatizadas de Medição
Através das interligações convenientes dos módulos funcionais são configuradas as cadeias de medição automatizadas. Analisando-se projetos de bancadas automatizadas de ensaio de motores de combustão intema[2][3][4][5][6], por exemplo, verifica-se que existem as seguintes configurações típicas:
(a) Transdutores Passivos com Amplificação Individual do Sinal e antes da Multiplexação (exemplo: célula de carga extensométrica usada no sistema de medição do torque ).
(b) Transdutores Passivos com Alimentação Permanente Compartilhada e Multiplexação antes da Amplificação ( exemplo: transdutores de pressão extensométricos ou capacitivos ).
(c) Transdutores Passivos com Multiplexação da Alimentação e do Sinal de Saída antes da Amplificação ( exemplo: transdutores de pressão extensométricos ou capacitivos ).
(d) Transdutores Ativos com Amplificação Individual antes da Multiplexação ( exemplo: termopares ou transdutores piezoelétricos de pressão usado na câmara de combustão ).
(e) Transdutores Ativos com Multiplexação antes da Amplificação ( exemplo: termopares ).
(f) Transdutores Passivos com Condicionamento de Sinal individual com Contador/Frequencímetro ( transdutor a " pick-up " magnético usado na medição de rotação ).
Estas cadeias estão apresentadas na figura (2.1), onde para cada uma das diferentes cadeias, estão representados seus principais módulos funcionais de instrumentação, dispostos nas configurações normalmente utilizadas em BEMCTs automatizadas.
Transdutores Ativos
Transdutores Passivos
Cada função específica, em uma cadeia de medição, está associada a um respectivo módulo de instrumentação. Apresenta-se a seguir, uma descrição resumida, das principais funções dos módulos mostrados na figura (2.1). E exemplificado cada caso com instrumentos usualmente encontrados em BEMCTs.
a) T ransdutores: são os módulos responsáveis pela geração de sinais proporcionais as grandezas a medir. Podem ser classificados em dois grupos distintos, em função do processo de geração de sinal, que são, transdutores ativos e passivos. Ativos quando o sinal é gerado através de uma transformação energética, buscando energia do processo. Um exemplo deste tipo de transdutor, amplamente utilizado em BEMCIs são os termopares para medição de temperatura. Passivos quando a grandeza a medir (GM) influencia o comportamento do transdutor mas o sinal é gerado em função de uma energia auxiliar. Em BEMCI's há normalmente variados transdutores deste tipo. Exemplos comuns são os transdutores extensométricos que operam segundo as diferentes configurações de ponte de Wheastone, medindo pressão e torque.
b) Fontes de Alim entação: são os módulos que fornecem energia para os transdutores passivos. Podem ser de tensão ou corrente, alternada ou contínua. No caso particular de transdutores baseados em circuito de ponte de Wheastone, por exemplo, a alimentação com tensão alternada leva a obtenção de sinais modulados em amplitude. Este fato possibilita a minimização da influência de ruídos e interferências de baixa freqüência, provenientes de tensões termoelétricas e da rede de 60 Hz.
c) M ultiplexadores: são os módulos que têm a função de chavear, um de cada vez, os sinais de múltiplos canais para um único instrumento da cadeia. A função de chaveamento pode ser usada, por exemplo, para direcionar o sinal de saída de múltiplos transdutores para um amplificador ou conversor A/D. As chaves mais usadas nos circuitos de multiplexação são dos tipos: relés e estado sólido[7], Relés são dispositivos controlados eletricamente onde a parte mecânica abre e fecha um circuito. Relés "Reed" e "Armature" são dois exemplos deste tipo de chave[7], Uma chave de estado sólido é um dispositivo eletrônico baseado em transistores operando como chaves; sendo em geral empregada a tecnologia MOSFET ("Metal OxideField Effect Transistor")[8],
d) M ódulos de Transm issão e Condicionamento de Sinais: em sistemas de aquisição de sinais são utilizados circuitos de condicionamento de sinais para colocar o sinal numa forma em que este seja medido e armazenado. Os módulos de condicionamento podem ser específicos para uma certa classe de transdutores ou de propósito geral. Na figura (2.1) estão representadas as seguintes funções: ligação física de instrumentos, amplificação do sinal, fixação do sinal analógico e conversão deste para digital.
d l) Am plificadores: em instrumentação, por vezes incorporando outras funções, são usados principalmente para amplificar sinais diferenciais de tensão proveniente de transdutores[7] e para adequar a relação de impedâncias na interligação de módulos instrumentais. O mais empregado em sistemas automatizados de aquisição de sinais é o amplificador de instrumentação programável[9], Apresentam simetria, alta impedância de entrada, alta razão de rejeição de modo comum e ganho facilmente ajustável pelo usuário, normalmente por software.
Quanto às frequências dos sinais a serem amplificados, pode-se distinguir dois tipos de comportamento: os amplificadores "DC" amplificam sinais desde a freqüência zero; os "AC" tem uma freqüência de corte inferior estabelecida. Em altas frequências o comportamento de ambos é semelhante, não havendo distinção entre os dois tipos de amplificadores. Amplificadores "AC" tem especial aplicação em circuitos de ponte de Wheastone, alimentados por tensão alternada, onde a amplificação do sinal modulado, por este tipo de amplificador, permite a eliminação dos ruídos e interferências de baixa freqüência [1],
d2) Circuitos ” Sam ple-Hold é um tipo de memória analógica[9] que tem, usualmente nos sistemas de aquisição de sinais, função fixar o sinal na entrada do conversor A/D para que não sejam introduzidos erros no processo de conversão. São usados com conversores A/D do tipo aproximação sucessivas. Outra aplicação típica está na amostragem simultânea de sinais que variam rapidamente e devem ser medidos simultarieamente[10]. Neste caso, especificamente, é usada uma configuração com um circuito "Sample-Hold" para cada sinal e um único conversor A/D, e realiza-se a multiplexação dos sinais de saída dos circuitos "Sample-Hold", nos quais os sinais analógicos são amostrados ao mesmo tempo.
d3) Conversores Analógico/Digital: convertem sinais analógicos usualmente em tensão, para uma forma digital equivalente. Os três tipos usuais, de acordo com o princípio utilizado, em sistemas de aquisição de sinais são: Integração, Aproximações-Sucessivas e Paralelo. Como regra geral[10], os integradores, por exemplo o de Dupla/Rampa, operaram em frequências de amostragem relativamente baixas. Usualmente até da ordem de dezena de hertz. Como são baseados em integração, operam como filtro passa-baixas, conseguindo com isso excelente rejeição dos ruídos da rede elétrica. Seus empregos típicos são em voltímetro "DC" e em placas conversoras com grande número de bits(16 ou mais). Os do tipo paralelo são empregados em ensaios altamente dinâmicos; na casa dos megahertz, porém com prejuízo para a resolução já que o número de bits fica na prática limitado, em geral a 8, e no máximo 12, bits. Aplicação típica está em osciloscópios e analisadores de Fourier. O de aproximações sucessivas, acompanhado de circuito "Sample-Hold", é o mais empregado em sistemas de aquisição de sinais, por apresentarem características de freqüência de conversão e de resolução adequadas às bancadas. Em geral 12 a 16 bits e freqüência de kHz.
Uma função importante, relativa ao condicionamento de sinais, que não representou-se na figura (2.1) é a de filtragem do sinal analógico. Além da atenuação da influência dos ruídos e interferências provenientes, por exemplo, da rede elétrica, uma aplicação típica, em aquisição de sinais, é a pré-filtragem contra " aliasing "[7], Sabe-se que a freqüência de amostragem deve ser no mínimo duas vezes a maior componente de freqüência do sinal de entrada que está sendo amostrado ("Nyquist Frequency")[10], Assim, filtros passa-baixa são usados na entrada de conversores A/D para limitar a freqüência do sinal que está sendo convertido em função da taxa de aquisição do sistema.
Em relação a medição de rotação, em BEMCI's, com transdutores a "pick-up" magnético é necessário fazer-se algumas considerações. Transdutores deste tipo geram um sinal senoidal com freqüência proporcional a rotação que está sendo medida. O sinal de saída é transmitido para um contador ou frequencímetro que, por exemplo, realiza a contagem da quantidade de pulsos elétricos num intervalo de tempo preestabelecido[6]. Nota-se que o contador trata o sinal de entrada como um sinal digital, ou seja, reconhece somente variações de maneira discreta deste sinal(como abaixo ou acima de um certo nível de amplitude). Esta classe especial de transdutores são minoria em BEMCI's e sua análise não está enquadrada no escopo deste trabalho.
2.1.2 Fontes de Erros Relacionadas às Cadeias Automatizadas de Medição
11
Em uma especificação criteriosa do sistema automatizado de medição em relação a incerteza de medição real, é necessário que sejam consideradas todas as fontes de erros, tais como: influência de características metrológicas, operacionais e de parâmetros elétricos relevantes dos diferentes módulos de instrumentação empregados; influências externas devido, por exemplo, condições ambientais e particulares de utilização sob os diferentes módulos; efeitos decorrentes das interligações entre módulos adjacentes. Além destas deve-se considerar ainda a estabilidade em relação ao tempo dos fatores que influenciam a incerteza real de medição, para que estabelecidos procedimentos específicos que assegurem a confiabilidade dos resultados, mantendo-se sob controle a qualidade metrológica ao longo do tempo.
Quanto aos módulos individuais de instrumentação, esta tarefa exige o conhecimento das definições das especificações fornecidas pelos fabricantes, o que pode ser bastante trabalhoso, devido a falta de padronização existente. Alguns fabricantes publicam referências com a definição e a interpretação das diferentes especificações [10]auxiliando na execução desta tarefa.
Em relação a estas fontes de erros, podem ser distinguidas dois tipos de características a serem avaliadas que são: características comuns a diferentes módulos de instrumentação e características particulares a módulos de instrumentação específicos.
Como ilustração de características comuns incluem-se, por exemplo:
- incerteza de medição real do módulo: é a incerteza considerando-se todos os fatores significativos, inclusive as condições de operação do instrumento. Não deve ser confundida, por exemplo, com termos como "classe de exatidão", "erro combinado", "acuracidade" normalmente usados[ll] para transdutores ou com quantificação da incerteza ("quantizing uncertainty") para conversores A/D[10], pois estes não englobam todos os fatores relevantes em relação a incerteza.
- tensão e corrente de "offset": "offset" é definido como o desvio do zero do sinal de saída quando a entrada é zero[12], E comumente representado como fontes de interferências nos terminais de entrada dos instrumentos. Pode ser avaliada a influência da tensão de "offset" independentemente das características dos módulos interligados. É necessário conhecer somente o nível de sinal em que o instrumento vai operar[12]. Quanto à corrente de "offset", a avaliação se faz combinando a mesma com a resistência equivalente do módulo adjacente.
- " d rift" da tensão de "offset": é a variação(desvio) da tensão de offset em função de fatores, tais como, temperatura, tempo e tensão de alimentação[12], É necessário conhecer-se as condições de contorno sob o instrumento que está sendo analisado e novamente o nível de sinal. - " d rift” da sensibilidade e/ou do ganho: a sensibilidade de transdutores é a variação do sinal de saída correspondente à uma variação unitária da grandeza a medir. O ganho de amplificadores é a relação entre as tensões de saída e de entrada. A variação do ganho nos amplificadores pode ser considerada analogamente a variação da sensibilidade nos transdutores. Normalmente é dada em função da temperatura. O erro neste caso é proporcional a variação.
- tensão e corrente de ruído: o ruído pode ter uma grande variedade de causas e é representado por fontes de interferência nos terminais de entrada e de saída dos instrumentos. As fontes de interferência de ruído são dadas em tensão e/ou corrente[12], O efeito do ruído em corrente só pode ser avaliado conhecendo-se as características dos módulos interligados. Já o ruído em tensão pode ser comparado diretamente com o nível de sinal em que o instrumento vai operar, analogamente a tensão de offset. A diferença é que a tensão de "offset" é de natureza contínua enquanto que a de ruído é de natureza estocástica.
Existem ainda as características particulares de módulos de instrumentação de um determinado tipo. Como exemplos ilustrativos destas, tem-se:
- am plificador: por exemplo, razão de rejeição de modo comum é uma característica de amplificadores. Devido a tensão de modo comum chegar a ser até milhares de vezes maior do que a diferencial[l 1], em um amplificador, uma alta razão de rejeição de modo comum (120 dB) pode não garantir que erros bem acima dos admissíveis sejam introduzidos dentro do SM. - m ultiplexadores: por exemplo, "cross-talk", corrente de fuga, resistência de contato fechado de chaves, tensões termoelétricas nas junções das chaves são características particulares de multiplexadores. Erros devido à multiplexação podem em muitos casos práticos ser maiores do que a soma de todos os demais erros existentes na cadeia de medição[9][15][16],
- circuitos "S am ple-H old": por exemplo, atraso de tempo na abertura da chave(delay time), faixa de variação do tempo de abertura(Jitter), taxa de decaimento do sinal(droop rate), são características específicas de circuitos sample-hold[10] e juntamente com outras (existem mais de uma dezena) devem ser avaliadas.
- conversores A/D: por exemplo, erro diferencial de linearidade, ou seja , desvio da largura de um código em relação ao valor ideal[10] é uma diversas características específica de conversores A/D.
Como mencionado anteriormente, existem determinadas características elétricas dos módulos de instrumentação que devem ser analisadas de maneira combinada. Isto ocorre devido a efeitos decorrentes das interligações entre módulos adjacentes. A relação de impedâncias de dois módulos interligados, por exemplo, gera um divisor de tensão que influência na transferência do sinal analógico[9], Além disto, os erros causados por algumas características elétricas, tais como por exemplo, correntes de "offset" [12], correntes de ruído[12] presentes em diferentes módulos de instrumentação ou correntes de fuga no caso específico de multiplexadores[13], são diretamente proporcionais a resistência equivalente dos módulos, aos quais estes estão ligados.
Quanto às influências externas, em ambiente industrial, é muito comum a presença de campos elétricos e magnéticos no meio por onde os fios de ligação estão transmitindo os sinais provenientes dos transdutores. Esses campos são causadores de ruídos sobre o sinal e recomenda- se a utilização de cabos convenientes, com os fios trançados para redução da influência dos campos magnéticos, e cabos blindados e devidamente aterrados para a redução da influência dos campos elétricos[14], É necessário considerar-se que muitas das características elétricas variam em função da temperatura e os efeitos deveriam ser devidamente avaliados. H á ainda tensões térmicas parasitas ou tensões termoelétricas, por exemplo, nas junções de condutores, chaves com relés e bomes de entrada e saída dos módulos de instrumentação[9], que são geradas nos pontos de contato devido à união de dois metais dissimilares em diferentes temperaturas.
2.2 M O D ELA G EM ELÉTRICA DE CADEIAS AUTOMATIZADAS DE M EDIÇÃO 14
2.2.1 C ircuito Equivalente Thévenin
O teorema de Thévenin estabelece que qualquer circuito elétrico contendo elementos resistivos, capacitivos e indutivos, juntamente com fontes de corrente e tensão, pode ser representado por um circuito equivalente composto por uma fonte de tensão em série com uma única impedância, como mostrado na figura (2.2).
Figura(2.2) Caso Geral do Circuito Equivalente Thévenin
A aplicação da modelagem elétrica, nas diversas fases de transferência do sinal analógico, apresenta-se como uma ferramenta para avaliação de muitas das fontes de erros descritas anteriormente, tais como por exemplo: tensões de "offset", de ruído, de "cross talk" e termoelétricas ; correntes de "offset", de ruído e correntes de fuga em multiplexadores combinadas com a resistência equivalente de módulos vizinhos ; retroação devido à relação de impedâncias de módulos adjacentes ; "drifts" da tensão e corrente de "offset" ; efeitos de variações de resistências em função da temperatura entre outras.
O teorema permite que os diferentes módulos de instrumentação, componentes da cadeia automatizada de medição, sejam representados através de um circuito Thévenin equivalente ou modelo elétrico Thévenin.
Considerando-se o caso particular de alimentação com tensão contínua e medição de grandezas estáticas, onde a impedância do circuito equivalente thévenin é simplificada tomando- se um elemento resistivo, apresentam-se a seguir, exemplos de modelos normalmente empregados para os módulos de instrumentação mostrados na figura (2.1). É exemplificado cada caso com instrumentos usualmente encontrados em BEMCIs.
a) T ransdutores Ativos: Aplicando o teorema de Thévenin pode-se representar um termopar por seu modelo elétrico equivalente [8][9][15] como o representado na figura (2.3).
Figura(2.3) Modelo Equivalente de um Termopar
b) T ransdutores Passivos: Considerando um transdutor em ponte completa e aplicando-se o teorema Thévenin, pode-se representar o transdutor por dois modelos elétricos equivalentes: um circuito elétrico associado aos pontos onde é conectada a fonte de alimentação do transdutor (entrada) e outro associado ao sinal de saída do transdutor[8][16], Este caso está mostrado na figura (2.4).
16 c) Fontes de Alim entação: No caso de fontes de tensão contínua, caso mais comumente encontrado em instrumentação fornecida comercialmente para aquisição de sinais[7], pode-se usar o modelo elétrico Thévenin equivalente[8] ilustrado na figura (2.5) .
d) M ultiplexadores: Independentemente do tipo de chave, um circuito de multiplexação pode ser representado por um modelo elétrico equivalente[8][9][13][15][16]. Por exemplo, a figura (2.6) representa o modelo elétrico de um multiplexador com N canais diferenciais, ou seja com dois fios, high(H) e low(L).
e) M ódulos de Transm issão e Condicionamento de Sinais: Analogamente aos circuitos apresentados anteriormente, pode-se representar os circuitos de condicionamento de sinal por modelos elétricos equivalentes através da aplicação do teorema de Thévenin. As figuras (2.7), (2.8) e (2.9) ilustram respectivamente, exemplos de modelos elétricos referentes a fios de ligação, amplificadores (circuito de entrada e saída) e conversores analógico digitais. E preciso destacar ainda que comercialmente os conversores A/D que necessitam de "sample-hold", na maior parte dos casos, fornecem os dois módulos em conjunto. É esse o caso que está sendo representado no modelo da figura (2.9).
17
Modelo Elétrico Equivalente Modelo Simplificado
d Elementos Localizados " DC "
2.2.2 P arâm etro s Elétricos típicos dos módulos de instrum entação
18
A seguir são apresentados nas tabelas (2.1), (2.2) e (2.3); valores de parâmetros elétricos típicos de módulos de instrumentação[17][18][19][20][21][22], usuais em bancadas de ensaio de motores de combustão interna. Estes valores serão usados posteriormente para quantificação de erros na transferência do sinal analógico.
lYansdutor Classi ficação Tipo Descrição do Parâmetro Característico Sensi bilidade Resistência de Entrada Resistência de Saída Valor de Fundo de Escala s. R« VFE Tennopar Ativo K [Cromei Alumel) 40 mV/K - Q /m2.45 -J (Feiro/ C onst) s i m V na -1.45 n / m -Thisdutor Extensomé- trico de Pressão Passivo Configu ração em Ponte Competi 435x10’ mV/Pa 120 n 120 n 690 kPa 350 n 350 n i2oo n 1200 n 4500 Í1 4500 n
Tabela(2.1) Parâmetros Elétricos de Transdutores
Descriçio do Parâmetro Característico Módulo de Condicionamento de Sinal Rrsiatftncia por Comprimento Tcnsfio Thávemn Resistência Thévenin de Entrada Resistência Thévenin de Salda (l/m v™ R-™. Fios de 41=0-51mm 0.090 - - -de Cobre $2=0J2mm 0.220 - - -Fonte de AlimentaçSo TensSo 10V o .in í.o n Amplificador - 5-10V io * n s o n Conversor A/D - - lo ’n
19 Característica Elétrica Módulo de Multiplexação Descrição N ° de C an ai s R es is tê n c ia de C o n ta to * ! ! t h 1 1 C õ -8 1 o Ten sS o T en n o el ét ri ca Símbolo N Rc ARe Ic Rm VT Unidade n n A n v 4 Tipo de Chave do M ultíplexador FET 8 3.103 1% 33.10* 10' 25.10“ 16 4 Rclé 8 1.102 0.1% 1.10* 10’ 25.10"5 16
Tabela(2.3) Parâmetros e étricos de Multip exadores
2.2.3 Exemplos de aplicação d a modelagem p ara avaliação de erros em cadeias autom atizadas de medição de bancadas de ensaio de motores de com bustão interna
A fim de mostrar a aplicabilidade da técnica de modelagem é proposto um modelo que será aplicado nas diversas fases de transferência do sinal analógico, adaptando-se as características particulares de contorno.
Analisando-se as cadeias automatizadas de medição, identifica-se três fases bem definidas, que são: (a) Fonte de A lim entação--- Transdutor ; (b) Transdutor--- Amplificador ; (c) A m plificador--- Conversor A/D.
O modelo proposto é simplificado, e considera somente determinadas fontes de erros. Foram considerados os parâmetros ilustrados nos circuitos elétricos equivalentes, os quais tem seus valores típicos apresentados nas tabelas (2.1), (2.2) e (2.3). Foram analisadas as configurações usuais das cadeias de medição automatizadas existentes em BEMCI's. Para isto, é proposto o circuito elétrico básico simplificado, apresentado na figura (2.10).
20
As equações (2.1), (2.2) e (2.3) apresentadas a seguir representam matematicamente, como o sinal em tensão ( V0 ) é influenciado pelos fatores mencionados.
V
=
VQ ±
(
OFF XR
EQI )
(
2.
1)
v = vQ ± VT
(
2.
2)
V
=
R
EQH& EQI + & EQH )
x
Vn
(2.3)Dessa maneira, o processo de análise dos erros toma-se sistematizado. Para isto faz-se uma comparação entre o circuito elétrico da cadeia de medição que deseja-se analisar e o circuito básico da figura (2.10) e assim determina-se quais são os elementos da cadeia a ser estudada e como esses influenciam na composição dos elementos do circuito elétrico básico. Após isso, aplicam-se as características de contorno e obtem-se quantitativamente os valores dos erros a que está sujeita aquela determinada cadeia de medição naquelas condições particulares.
Agrupou-se em famílias passiveis de modelagem semelhante, as configurações mais usuais das cadeias de medição normalmente usadas em BEMCTs automatizadas. Baseado nestas, analisou-se qualitativa e quantitativamente as fontes de erros estabelecidas anteriormente. A partir de modelos elétricos de cada um dos módulos e das configurações normalmente empregadas, determinou-se um modelo matemático aplicável. Considerando-se os parâmetros característicos dos instrumentos, fornecidos pelos principais fabricantes, e as condições de contorno concernentes aos BEMCI's pôde-se quantificar a influência de cada uma das fontes de erros previamente selecionadas.
a) T ransdutores passivos com amplificação individual do sinal e antes da multiplexação Para realizar-se essa análise, utilizam-se os transdutores baseados em ponte completa de Wheastone que são amplamente usados em BEMCI[6], por exemplo na medição do torque e diversas pressões. Com base nos modelos elétricos de cada um dos módulos da cadeia de medição e considerando alimentação DC e que a grandeza a medir apresenta um comportamento quase estático, pode-se representar o sistema de medição (SM) através do circuito elétrico compacto resultante apresentado na fugura (2.11).
21
Figura(2.11) Modelo Equivalente Simplificado da Cadeia Automatizada de Medição
Para analisar os erros na transferência do sinal analógico compara-se o circuito elétrico apresentado com o circuito básico da figura (2.10) em três etapas distintas:
( a l) Fonte de A lim e n ta çã o --- T ran sd u to r
Nesse caso temos apenas o erro devido ao divisor de tensão, gerado pela resistência interna da fonte mais a resistência dos fios de ligação ( Reql ) e pela resistência de entrada do transdutor. Essa influência é apresentada na equação (2.4).
ALPW
___________^ E P W __________
^ E P W + fL
+ ^
7HF /A tabela (2.4) mostra os erros introduzidos para dois típicos fios de ligação diferentes (0,5lmm e 0,32mm) e fontes com resistências interna usualmente encontradas(l e 0.1 O )[15], Além disso, mostra o efeito da variação da resistência dos fios de ligação com a temperatura (considerando um aT=±30°C na metade do comprimento dos fios de ligação). Foram ainda considerados os valores mais comuns para a impedância de entrada de transdutores de ponte completa (120, 350, 1200, e 4500 Q).
22
Parâmetros Elétricos
Diâmetro do fio de ligação (mm) Resistência Internada Fonte G U [ « 3 0=0.5 lmm(24AWG) 0=O.32mm(28AWG) Resistência dos fios de ligaçío Variação da resistência comatemp. Resistência dos fios de ligação Variação da resistência comatemp.
Resistências 2R*l ±AR 2R*. ±AR R*,
[ O ] 3.0 ±0.2 7.5 ±0.4 0.1 1.0 Resistência de Entrada do Transdutor (Rrfw) [H ] 120 -2.45 ±0.15 -6.0 ±0.30 -0.085 -0.85 350 -0.85 ±0.050 -2.1 ±0.10 -0.030 -0.30 1200 -025 ±0.020 -0.60 ±0.030 -0.010 -0.085 4500 -0.065 ±0.0050 -0.15 ±0.010 -0.0020 -0.020
Tabela(2.4) Valores de erros em %VM
Os erros na tabela(2.4) estão expressos em porcentagem do valor medido(%VM). Comparando-se os erros calculados com a incerteza de medição admissível, por exemplo especificada pela norma ISO - 1585[6] para o sistema de medição de torque, que é de ± 1% VM, tem-se que os erros sistemáticos devido a resistência dos fios de ligação estão fora de conformidade e deveriam ser compensados. Aumentando-se o diâmetro dos fios de ligação diminui-se o erro devido ao efeito de variação de temperatura. Para que o erro devido a resistência interna da fonte seja menor que 0,1%VM, é recomendado o uso de fontes de tensão com resistência interna abaixo de 0,in.
(a2) Transdutor--- Amplificador
Nessa etapa, os erros devido ao divisor de tensão não são significativos por causa da alta impedância de entrada dos amplificadores utilizados na prática ( na faixa 100 M Q a 1 G D ) em relação as resistências dos fios de ligação ( < 10 D ) e de saída da ponte de wheastone ( 120 a 4500 Q ).
(a3) A m plificador--- Conversor A/D
Nessa etapa tem-se uma multiplexação envolvida e então devem ser analisadas as três fontes de erros existentes no circuito básico. Porém como o sinal de tensão já foi amplificado (está normalmente na faixa d e 0 a l 0 V ) a tensão termoelétrica se toma insignificante. A queda de tensão devido a corrente de fuga combinada (Ioff) e a resistência equivalente I (Reql) na pior situação ainda é menor do que 10 mV , considerando os dados das tabelas (2.1), (2.2) e (2.3) podendo também ser desconsiderada. Analisando-se o erro devido ao divisor de tensão nota-se que a Reql é igual a soma entre RsA e 2Rc e que Reqll é ReA/D em paralelo com Rdif . Considerando novamente as características de contorno, obtem-se que o erro fica na faixa de 0.1% utilizando multiplexador com chaves semicondutoras podendo então ser significativo se forem usados multiplexadores com resistência entre "high" e "low" menores que 100 M Q , o que não é impossível de ser encontrado no mercado. No caso da utilização de multiplexadores a relé, que possuem geralmente uma menor resistência de contato e uma maior resistência entre "high" e "low", a influência é desprezível.
b) T ransdutores passivos com alim entação perm anente com partilhada e multiplexação antes da am plificação
Esse tipo de cadeia pode ser encontrada, por exemplo, na automação das diversas medições de pressão que são feitas em BEMCI, usando-se transdutores de pressão baseados em ponte completa de Wheastone, que estão à disposição no mercado. Novamente, a partir dos modelos elétricos de cada um dos módulos, alimentação DC e considerando um comportamento quase estático da grandeza a medir, representa-se o SM através do circuito elétrico compactado resultante mostrado na figura (2.12).
24
Figura(2.12) Modelo Equivalente Simplificado da Cadeia Automatizada de Medição
Novamente a análise é realizada em três etapas:
(b l) Fonte de A lim en tação --- T ran sd u to r
Nesse caso, tem-se uma fonte de alimentação sendo compartilhada por vários transdutores em configuração de ponte completa de Wheastone. Fazendo-se a comparação entre o modelo básico e o da cadeia, constata-se que a única fonte de erro é devido ao divisor de tensão pelas resistências Reql e ReqH A equação (2.5) mostra como a tensão da fonte é influenciada pelo divisor de tensão.
XEPW
A tabela (2.5) mostra os erros introduzidos para fios de ligação com dois diferentes diâmetros e duas diferentes fontes de alimentação. A distância considerada entre a fonte e o transdutor foi de 15 metros e foi considerada os casos de alimentação simultânea de 4, 8, e 16 pontes. Foram consideradas ainda transdutores com dois diferentes valores para a resistência de entrada ( 350Q e 1200Í2 ). Nota-se que os fatores que mais influenciam os erros são a resistência interna da fonte e a resistência de entrada do transdutor.
25
Característica Elétrica Fios de Ligação Resistência dos
(2R Resistência de Entrada da Fonte
Resistência em n 3.0 7.5 0.1 1.0 N° de Transdutores N° de Transdutores N=4 N=8 N=16 N=4 N=8 N=16 Resistência de Entrada daPW P íw ) 350 -0.85 -2.1 -0.10 -0.25 -0.50 -1.1 -2.2 -4.4 1200 -0.60 -0.60 -0.050 O1 O -0.15 -0.35 -0.65 -1.3
Tabela(2.5) Valores de Erros em %VM
Os erros na tabela(2.5) estão expressos em porcentagem do valor medido(%VM). Comparando-se os erros calculados com a incerteza de medição admissível, por exemplo especificada pela norma ISO - 1585[6]para o sistema de medição de Pressão Barométrica, que é de ± 100 Pa , ou seja aproximadamente ± 0 ,1 % VM, tem-se novamente erros sistemáticos bastante significativos. Aumentando-se o número de transdutores que compartilham a mesma fonte a situação toma-se mais crítica. É recomendado o uso de circuitos de compensação, como por exemplo, realimentação individual para cada ponte de medição.
26 (b2) Transdutor Amplificador
Nessa fase tem-se que considerar os três tipos de erros possíveis. Os erros devido à corrente de fuga combinada com Reql e à tensão termoelétrica são dados diretamente em tensão e se forem divididos pela sensibilidade do transdutor, para uma determinada faixa de operação, pode-se chegar ao erro em unidade de pressão para aquela determinada faixa e tensão de Alimentação. As equações (2.6) , (2.7) e (2.8) expressam os erros introduzidos nessa etapa.
^EA VmPW ± (2.6)
V
eaV
thpw± N x IQFF
x( RmPW + 2R
fl+ 2Rc )
(2.7) y « r D w D \DIF x ^EA
&DIF + &EA
( ^THPW + ^R
fl+ 2RC ) +
( D v TO \DIF A ^EA
RDIF + &EA/
xKTHPW
(
2.
8)
A tabela (2.6) mostra os erros introduzidos para multiplexadores com dois tipos diferentes de chaves ( Semicondutora e Relé ). Considerou-se ainda a influência da variação da resistência com a temperatura e da variação da resistência de contato entre chaveamentos. Pode-se ainda observar na tabela (2.6) a influência do divisor de tensão.
27 Fontes de Erros Tipo de Chave do Modo de Multiple- xação Número de Canais do' Multiple-xador
Eito Devido a Corrente deFuga Combinada c/ Resistências Tensão Termoelétrica Divisor de Tensão N.Iqff v T R*PW 2Rc V2AR, 2R*. 2ARn Rthpw 350 1200 350 1200 Chave Semi-Condutora 4 2.7 0.020 - - 0.15 0.55 0.10 -0.040 -0.040 8 5.3 0.040 0.010 - 0.30 1.10 ■0.060 ■0.070 16 10.6 0.080 0.015 - 0.60 2.10 -0.10 -0.15 Chave Relé 4 - - - 0.020 0.85 - -8 - - - - 0.010 0.030 - -16 0.010 - - - 0.020 0.065 -
-Tabela(2.6) Valores de erros do transdutor/amplificador da cadeia da figura(2.12) NxIqff e VT [ %VFE ] ; R ^ [ % VM ]
Os erros devido à corrente de fuga combinada e à tensão termoelétrica estão expressos na tabela(2.6) em porcentagem do valor de fundo de escala (%VFE), considerando VFE igual a 6,895 bar(100 PSI) que é o caso da pressão de óleo lubrificante[3], O erro devido o divisor de tensão é dado em % VM. Observa-se que no caso de chaves semicondutoras a corrente de fuga combinada com a resistência de contato geram erros aleatórios de aproximadamente 3 %VFE a 10 %VFE. Com chaves do tipo relé o efeito mais crítico é o da tensão termoelétrica, causando erros de 1%VFE. Os traços que aparecem na tabela(2.6) significam erros menores que 0,010%VFE ou que 0,010%VM.
(b3) A m p lific a d o r--- Conversor A/D
(c) T ransdutores passivos com multiplexação da alim entação e do sinal de saída antes da amplificação
Outra configuração comumente encontrada na automação, por exemplo, das diversas medições de pressão. Para as etapas (c2) Transdutor--- Amplificador e (c3) Amplificador--- Conversor A/D a análise é idêntica à apresentada para a cadeia (b). A diferença é que na primeira etapa tem-se agora uma multiplexação envolvida.
(cl) Fonte de A lim en tação --- T ransdutor
Pode-se representar está parte da cadeia de medição pelo circuito elétrico apresentado na figura (2.13).
Figura(2.13) Modelo Equivalente da Alimentação Multiplexada
Considerando que o valor da tensão da fonte esteja na faixa de 5 a 10 volts[7], a tensão termoelétrica pode ser desconsiderada. Da mesma maneira, aplicando-se as condições de contorno das tabelas(2.1), (2.2) e (2.3) constata-se que o erro devido a corrente de fuga combinada com a Reql é desprezível. Porém, a influência do divisor de tensão nesse tipo de configuração é muito significativa, e está dada pela equação (2.9).
ALPW RTHF RE PW _______
