Instrumentação e Controle I

Instrumentação e Controle I

Prof ^a . Ivonilde de Oliveira Lelles

MAR/2014

APRESENTAÇÃO

Este trabalho constitui uma ampliação das notas de aulas dos professores Antônio Nogueira Starling,

Ivonilde de Oliveira Lelles e Ronan Drummond de F. Rossi e faz parte do material didático da

disciplina de Instrumentação e Controle, na modalidade curso integrado, para uso interno na

Coordenação do Curso Técnico de Eletrônica.

SUMÁRIO

CAPÍTULO 01 – INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE CONTROLE ... 5

1.1. Introdução ... 5

1.2. Caracterização dos Sistemas Automatizados ... 6

1.3. Componentes e Funcionamento de um Sistema de controle Automático ... 7

EXERCÍCIOS ... 9

CAPITULO 02 – INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL ...10

2.1. Introdução ...10

2.2. Classificação dos Instrumentos de Medição...10

2.3. Simbologia de Instrumentação ...13

2.4. Características Gerais dos Instrumentos ...16

2.4.1. Características estáticas ...16

2.4.2. Características dinâmicas ...20

2.5. O Erro de Medição ...22

2.6. Calibração de Sistemas de Medição ...26

EXERCÍCIOS ...30

CAPÍTULO 03 – CONDICIONADORES DE SINAIS ...34

3.1. Introdução ...34

3.2. Amplificação Mecânica por Alavancas ...35

3.3. Amplificação Angular por Engrenagens ...36

3.4. Amplificação Eletrônica ...37

3.5. Conversores Analógicos ...38

3.5.1. Circuitos conversores de resistência para tensão e para corrente ...38

3.5.2. Circuitos conversores de corrente para tensão (Fig. 3.12) ...39

3.5.3. Circuitos conversores de tensão para corrente ...39

3.6. Ponte de Wheatstone ...41

EXERCÍCIOS ...42

CAPÍTULO 04 – MEDIÇÃO DE POSIÇÃO ...45

4.1. Introdução ...45

4.2. Transdutores de Posição ...45

4.2.1. Sensores de proximidade indutivos ...45

4.2.2. Sensores de proximidade capacitivos ...46

4.2.3. Sensores de proximidade magnéticos (efeito Hall) ...46

4.2.4. LVDT (Level Voltage Diferencial Transformer)...47

4.2.5. Sensor Potenciométrico ...48

4.2.6. Encoders ...48

4.2.7. Chaves-limite ou chaves fim-de-curso ...50

EXERCICIOS ...51

CAPÍTULO 05 – MEDIÇÃO DE VELOCIDADE ...52

5.1. Introdução ...52

5.2. Transdutores de Velocidade ...52

5.2.1. Dínamo Taquimétrico (Tacogerador) ...52

5.2.2. Acoplador Ótico ...53

EXERCÍCIOS ...54

CAPÍTULO 06 – MEDIÇÃO FORÇAS ...55

6.1. Introdução ...55

6.2. Transdutores de Forças ...55

6.2.1. Balança de alavanca (Comparação com uma força conhecida) ...55

6.2.2. Dinamômetro (comparação com a deformação de um material elástico). ...56

6.2.3. Célula de carga: (deformação de extensômetros) ...56

EXERCÍCIOS ...60

CAPÍTULO 07 – MEDIÇÃO DE PRESSÃO ...62

7.1. Introdução ...62

7.2. Tipos de Pressão ...63

7.3. Classificação dos Medidores de Pressão ...63

7.4. Transdutores de Pressão ...64

7.4.1. Medição por Coluna de Líquido ...64

7.4.2. Tubo de Bourbon ...66

7.4.3. Diafragma ...66

7.4.4. Fole ...67

7.4.5. Campânula...67

7.4.6. Resistivo ...67

7.4.7. Magnético de Indutância Variável ...68

7.4.8. Capacitivo ...68

EXERCÍCIOS ...69

CAPÍTULO 08 – MEDIÇÃO DE NÍVEL ...72

8.1. Introdução ...72

8.2. Classificação dos Medidores de Nível ...72

8.2.1. Método de Medição Direta ...72

8.2.2. Método da Medição Indireta ...72

8.3. Transdutores de Nível ...73

8.3.1. Visores de Nível ...73

8.3.2. Vareta Molhada ...74

8.3.3. Flutuadores (bóias) ...74

8.3.4. Medição de pressão ...75

8.3.5. Borbulhamento ...75

8.3.6. Manômetro em “U” ...76

8.3.7. Medidor de Nível Tipo Capacitivo ...76

8.3.8. Medidor de Nível Tipo Ultra-Som ...79

8.3.9. Medidor de Nível tipo Radioativo ...79

8.3.10. Medição por pesagem ...80

EXERCÍCIOS ...82

CAPÍTULO 09 – MEDIÇÃO DE VAZÃO ...84

9.1. Introdução ...84

9.2. Classificação dos Medidores de Vazão ...85

9.2.1. Medidores indiretos, utilizando fenômenos intimamente relacionados à quantidade do fluido passante ...85

9.2.2. Medidores diretos de volume do fluido passante ...85

9.2.3. Medidores especiais ...85

9.3. Transdutores de Vazão ...85

9.3.1. Placa de Orifício ...86

9.3.2. Tubo de Venturi ...87

9.3.3. Tubo de Pitot...88

9.3.4. Rotâmetro ...89

9.3.5. Hélice ...90

9.3.6. Turbina ...90

9.3.7. Medição por efeito magnético...90

9.3.8. Medição por ultra-som ...90

EXERCÍCIOS ...90

CAPÍTULO 10 – MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ...93

10.1. Introdução ...93

10.2. Medição de Temperatura ...93

10.3. Escalas de Temperatura ...94

10.4. Conversão de escalas ...94

10.5. Transdutores de Temperatura ...95

10.5.1. Termômetro a Dilatação de Líquido ...95

10.5.2. Termômetros à Pressão de Gás ...99

10.5.3. Termômetro à Pressão de Vapor ...99

10.5.4. Termômetros a Dilatação de Sólidos (Termômetros Bimetálicos) ...100

10.5.5. Termopar ...100

10.5.6. Termoresistência ...106

10.5.7. Pirômetros...111

EXERCÍCIOS ...112

CAPÍTULO 11 – ELEMENTO FINAL DE CONTROLE ...116

11.1. Introdução ...116

11.2. Válvulas de controle ...116

11.2.1. Partes principais de uma válvula de controle ...116

11.2.2. Modos de Acionamento das Válvulas ...119

11.3. Motores Elétricos ...120

11.4. Resistências ...121

11.5. Eletroímãs ...122

11.6. Lâmpadas e Alarmes Sonoros ...122

EXERCÍCIOS ...122

5 CAPÍTULO 01 – INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE CONTROLE

1.1. Introdução

O homem, sabendo das limitações de suas capacidades físicas, tem criado ao longo da história artifícios que lhe permitam utilizar seus poderes naturais. Iniciando com a utilização de fontes energéticas alternativas aos seus próprios músculos, o homem construiu máquinas movidas pela força animal, eólica e da água.

Com o advento da tecnologia das máquinas a vapor muitos limites foram ultrapassados, principalmente nas áreas de transporte (barcos a vapor e trens) e na fabricação de bens de consumo.

A força das máquinas a vapor foi uma das principais bases para a Revolução Industrial que se iniciou na Inglaterra no século XIX.

Até poucas décadas atrás, o comando e controle destas máquinas e equipamentos eram feitos por operadores humanos. Esta associação, onde a máquina fornece força e o homem o pensamento é denominada de Maquinismo ou Mecanização.

No Maquinismo o operador, dispondo de informações sensoriais dos dados de aparelhos de medida e de informações diversas, introduz correções na atuação do sistema de máquinas de modo a atingir- se, da melhor forma possível, um objetivo determinado. Um exemplo é o torneiro mecânico que comanda os movimentos do seu torno de acordo com a forma que a peça fabricada vai tomando, em função das medidas que realiza periodicamente.

No maquinismo é o operador quem dita o regime de funcionamento da máquina, mas em muitos casos ele fica reduzido à condição de escravo da mesma, sem qualquer possibilidade de alterar o seu

“ritmo” de trabalho.

Na indústria mecanizada, simbolizada por uma cadeia de produção em massa, todos os movimentos das máquinas são sincronizados e repetitivos. Esse tipo de indústria exige do operário movimentos também monótonos que possam operar a máquina dentro de rigorosos limites de tempo. Submetidos a situações de grande "stress", os operários podem cometer falhas que resultam muitas vezes em sérios prejuízos.

Com a evolução da eletrônica que possibilitou o advento das telecomunicações e dos sistemas computacionais, surgiram novas tecnologias que permitiram a criação de equipamentos que não só substituem a força muscular do homem como na mecanização mas que também têm a capacidade de tomada de decisões. A estas tecnologias é dado o nome de AUTOMAÇÃO.

Denomina-se Automação Industrial o conjunto de técnicas e/ou equipamentos destinadas a tornar automáticos vários processos produtivos em uma indústria, de modo a eliminar ou reduzir bastante a intervenção humana nos mesmos. Os principais objetivos da Automação Industrial são:

 Redução de custos;

 Aumento da Produtividade;

 Maior segurança na operação da unidade produtiva;

Como aspectos positivos e negativos da automação podemos citar:

ASPECTOS POSITIVOS ASPECTOS NEGATIVOS

 Valorização do ser humano, liberando-o de tarefas repetitivas, insalubres e/ou arriscadas;

 Aumento da qualidade de vida da sociedade, promovendo maior conforto aos indivíduos;

 Maior enriquecimento pelo menor custo do produto e/ou pelo aumento da produtividade;

 Fator determinante para a sobrevivência da empresa e, portanto, do emprego, dentro de um mercado altamente competitivo;

 Criação de empregos diretos e indiretos,

 Imprevisibilidade das consequências só passíveis de serem avaliadas no futuro;

 Exigência de profissional cada vez mais qualificado, impondo política de emprego de afunilamento;

 Risco potencial trazido ao setor de produção pela introdução de novas tecnologias;

 Acesso rápido e fácil a essas novas

tecnologias só para grandes empresas

(exclusão tecnológica);

6 além, de novos empregos, relacionados com

a manutenção, desenvolvimento e supervisão de sistemas;

 Interesse pela qualidade do produto e satisfação do cliente;

 Diminuição, em curto prazo, do emprego disponível;

 Desvalorização do trabalho artesanal, aumentando cada vez mais a dependência tecnológica;

A automação baseia-se na utilização de equipamentos capazes de realizar controles e autocorreções através de sensoriamento e ações similares a do ser humano.

Para a implementação da Automação Industrial existem várias técnicas e equipamentos que são aplicados conforme o sistema a se automatizar. Os principais equipamentos são:

 PLC  equipamentos eletrônicos, programados por software, que controlam e coordenam a seqüência de operação de diversas máquinas e equipamentos em uma indústria. Os PLC´s trabalham com variáveis digitais e analógicas.

 SDCD  Sistemas Digitais de Controle Distribuído: de tecnologia mais recente, são sistemas microprocessados que facilitam o controle e otimização dos processos por computador, diminuindo a interferência do operador durante a operação normal do processo e que passa a intervir somente durante instabilidades operacionais, paradas e partidas.

 Controladores (single loop, multi loop)  são controladores baseados em microcontroladores de ultima geração, criados para efetuar controle de processos. Por ser microprocessado, seu sistema operacional permite que se adapte à maioria dos processos, bastando para tal a seleção correta dos parâmetros de PID. Os controladores trabalham com variáveis analógicas e, eventualmente, podem possuir saídas digitais de alarme.

 CN (Comando Numérico)  equipamentos utilizados na fabricação e montagem de peças mecânicas, através do controle de máquinas ferramenta, tais como tornos, fresas, furadeiras, etc. No CNC (comando numérico computadorizado), além das operações normais de um CN, realizada por computador, há às vezes o auxílio de programas CAD para se realizar o projeto gráfico das peças a serem produzidas.

1.2. Caracterização dos Sistemas Automatizados

Como pode ser observado na Fig.1.1 a automação industrial processa-se na maior parte das vezes da seguinte maneira:

Um SISTEMA DE CONTROLE recebe sinais de entrada provenientes dos vários SENSORES e TRANSDUTORES dos processos e/ou máquinas a serem controlados (PROCESSO CONTROLADO), compara essas medidas com os valores desejados e pré-determinados e executa, através de um SOFTWARE de CONTROLE, operações lógicas e matemáticas de modo a gerar os sinais de correção que vão comandar os ATUADORES acerca do controle e atuação mais apropriada a cada instante no SISTEMA CONTROLADO.

O SISTEMA DE CONTROLE comunica-se com um supervisor humano através de uma INTERFACE

HOMEM-MÁQUINA (IHM) e muitas vezes comunica-se com outros sistemas através de uma REDE

DE COMUNICAÇAO.

7 Fig. 1.1- Diagrama esquemático de um sistema genérico de automação

Através deste esquema percebe-se que o desenvolvimento da Automação somente foi possível devido ao surgimento de sistemas "inteligentes" de controle, que simulam a lógica de pensamento e tomada de decisões realizada por um ser humano, pois é este o elemento responsável pela atuação sobre um sistema.

O Controle Contínuo de Processos ou Controle Automático de Processos ou, simplesmente, Controle de Processos, refere-se à Automação de sistemas que possuem grandezas físicas, como temperatura, vazão, pressão, nível, pH, etc., presentes em diversos processos industriais. Pela natureza das grandezas, os sistemas de Controle de Processos estão associados a sinais analógicos.

Um Sistema de Controle é formado por um conjunto de dispositivos que mantém uma ou mais grandezas físicas dentro de condições definidas na sua entrada. Os dispositivos que o compõe podem ser elétricos, mecânicos, ópticos e até seres humanos.

E

Ex x. .: : Um operador deseja manter a temperatura da água quente em um dado valor. O termômetro instalado na tubulação de saída da água quente mede a temperatura real. Esta temperatura é a saída do sistema. Se o operador observa o termômetro e verifica que a temperatura é maior do que a desejada, ele reduz a quantidade de suprimento de vapor de modo a diminuir esta temperatura. È bem possível que a temperatura se torne demasiado baixa, necessitando repetir a sequência de operações no sentido oposto.

Pode-se criar um sistema de Controle de Processos utilizando-se PLC, SDCD ou Controladores.

O Controle Automático de Processo é uma evolução do Controle manual. As vantagens de um sistema de controle automatizado em relação a um operador humano podem ser resumidas como:

 Maior número de aquisições simultâneas de dados para processamento;

 Maior velocidade de processamento e decisão;

 Maior confiabilidade;

 Maior possibilidade de integração com outros sistemas produtivos;

Os processos evoluíram e também a forma de controlá-los. Foram desenvolvidos sistemas de Controle Automático que possibilitaram ao homem controlar os processos com segurança, economia e liberá-lo para atividades não repetitivas e mais nobres.

Controlar um processo significa atuar sobre ele, ou sobre as condições a que o processo está sujeito, de modo a atingir algum objetivo.

Por exemplo: podemos achar necessário ou desejável manter o processo sempre próximo de um determinado estado estacionário, mesmo que efeitos externos tentem desviá-lo desta condição. Este estado estacionário pode ter sido escolhido por atender melhor aos requisitos de qualidade e segurança do processo.

No estudo da automação em sistemas industriais, comerciais, automobilísticos, domésticos, etc., é preciso determinar as condições (ou variáveis) do sistema. È necessário obter os valores das variáveis físicas do ambiente a ser monitorado, e este é o trabalho dos sensores.

1.3. Componentes e Funcionamento de um Sistema de controle Automático

Em um sistema de controle automático, pretende-se controlar uma determinada variável ou condição, chamada de variável do processo (PV). Esta variável ou condição deve ser mantida em um valor desejado pré-determinado, chamado de valor desejado, ponto de controle, valor ou ponto de ajuste, ou “Set Point” (SP).

Num sistema de controle podemos distinguir alguns componentes ou partes:

 O processo, ou seja, o sistema controlado, definido como sendo as múltiplas funções

desenvolvidas no equipamento, na qual a variável é controlada. Assim, o processo inclui

8 tudo aquilo que afeta a variável controlada, quando não é acionado o elemento final de controle.

 O Meio de Medição é o mecanismo destinado a medir o valor real da variável controlada;

fornece um sinal proporcional ao valor da variável medida (sensor).

 O Meio de Controle é o componente do sistema de controle que recebe o sinal do meio de medição, compara-o com um sinal correspondente ao valor desejado e, se houver diferença, emite um sinal de saída que modificará uma variável ou condição no processo para eliminar esta diferença.

 O Elemento Final de Controle é o componente que modifica diretamente uma variável ou condição do processo, que afeta o valor da variável controlada. Esta condição ou variável é chamada de variável manipulada.

Por exemplo, no controle de velocidade de um automóvel, o atuador poderia ser considerado como o pé do motorista sobre o acelerador, o sensor seria composto pelos seus olhos observando o velocímetro e o controlador seu próprio cérebro. Se o ponto de controle fosse 60 km/h e a velocidade observada no velocímetro fosse 55 km/h, o cérebro processaria a informação vinda dos olhos e mandaria acionar o pé sobre o acelerador, aumentando a velocidade e quando esta estivesse mais próxima do valor programado seria dado o comando de diminuir a pressão sobre o acelerador até que a velocidade se estabilizasse próxima do ponto de controle.

Os sistemas de controle podem ser classificados em: malha aberta e malha fechada.

Em um sistema de malha aberta, a ação de controle independe da saída.

A Fig. 1.2. mostra um exemplo simples: a alimentação de água para um reservatório é comandada por uma válvula manual. Desde que as vazões de suprimento e de processo costumam variar, esse sistema exige a periódica intervenção de um operador para manter o nível de água acima do mínimo necessário e abaixo do máximo (evitar transbordamento).

Fig. 1.2- Exemplo Sistema Malha Aberta

Em um sistema de malha fechada, a ação de controle é dependente da saída.

No exemplo da Fig. 1.3., o controle manual anterior é substituído por um automático: o sinal de um

sensor de nível é enviado a um dispositivo controlador que abre ou fecha a válvula de controle de

acordo com valores pré-ajustados de níveis mínimo e máximo. Desde que a variação de nível

depende da vazão do processo, essa saída comanda indiretamente a entrada de água no

reservatório.

9 Fig. 1.3- Exemplo Sistema Malha Fechada

O controle em malha fechada também é conhecido como controle realimentado, onde o valor real da saída é subtraído do valor desejado. Essa diferença é o sinal de erro, que o sistema usa para ajustar a saída ao valor desejado.

No exemplo anterior, o sensor de nível fornece a realimentação, que, no controlador, é comparada com um valor ajustado.

O controlador de nível usa a diferença entre o nível do sensor e o valor ajustado para enviar, quando necessário, o sinal de comando à válvula de controle.

EXERCÍCIOS

1. Defina automação

2. Dê dois exemplos de controle automatizado que você conhece.

3. Comente sobre os aspectos positivos e negativos da automação.

10 CAPITULO 02 – INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

2.1. Introdução

Instrumentação é a ciência que aplica e desenvolve técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos de fabricação, visando à otimização na eficiência desses processos. A utilização de instrumentos nos permite:

 Incrementar e controlar a qualidade do produto;

 Aumentar a produção e o rendimento;

 Obter e fornecer dados seguros da matéria prima e da qualidade produzida, além de ter em mãos dados relativos à economia dos processos.

Para cada variável de um processo industrial, podemos utilizar um ou mais instrumentos para executar funções como:

 Transmitir;

 Registrar;

 Indicar;

 Controlar;

 Analisar;

Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis de um processo.

Através dos instrumentos de medição e dispositivos automáticos podemos medir e/ou controlar as diversas variáveis físicas e químicas existentes nos processos industriais.

2.2. Classificação dos Instrumentos de Medição

Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Podemos classificá-los por:

 Função;

 Sinal transmitido ou suprimento;

 Tipo de sinal;

a) Classificação por Função

Os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função.

Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados por função cuja descrição sucinta pode ser observada na tabela 01.

Tabela 01 - Classificação Por Função

INSTRUMENTO DEFINIÇÃO

Sensor (detector)

São dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte do transmissor

Transmissor

Instrumento que tem a função de converter sinais do detector em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel.

Indicador Instrumento que indica o valor da quantidade medida enviada pelo sensor, transmissor, etc.

Registrador

Instrumento que registra graficamente valores instantâneos

medidos ao longo do tempo, valores estes enviados pelo

sensor, transmissor, controlador, etc.

11 Cego Instrumentos cegos são instrumentos que não apresentam

qualquer indicação para o operador diretamente.

Conversor

Instrumento cuja função é a de receber uma informação na forma de um sinal, alterar esta forma e a emitir como um sinal de saída proporcional ao de entrada.

Unidade Aritmética

Instrumento que realiza operações nos sinais de valores de entrada de acordo com uma determinada expressão e fornece uma saída resultante da operação.

Integrador Instrumento que indica o valor obtido pela integração de quantidades medidas sobre o tempo.

Controlador

Instrumento que compara o valor medido com o desejado e, baseado na diferença entre eles, emite sinal de correção para a variável manipulada a fim de que essa diferença seja igual a zero.

Elemento final de controle Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado.

b) Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento

Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu suprimento. A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.

 Tipo pneumático

Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizados é de (aproximadamente 3 a 15 psi no Sistema Inglês).

Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero para termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação.

O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO e em casos específicos o GÁS NATURAL (PETROBRAS).

Vantagens Desvantagens

 Operação com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo).

 Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento.

 Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados.

 Não permite conexão direta aos computadores.

 Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores.

Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100m.

 Tipo Hidráulico

Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas.

Vantagens Desvantagens

 Resposta rápida;

 Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão.

 Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento.

 Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca.

 Necessita de equipamentos auxiliares, tais como

reservatório, filtros, bombas, etc.

12

 Tipo elétrico

Esse tipo de transmissão é feito utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Face à tecnologia disponível no mercado em relação à fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse o tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua variando de (4 a 20 mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, pode- se utilizar também sinais em tensão contínua de 1 a 5V.

Vantagens Desvantagens

 Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.

 A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão.

 Permite fácil conexão aos computadores.

 Fácil instalação.

 Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas.

 Permite que o mesmo sinal (4~20mA) seja “lido” por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos.

Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas destes instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor.

 Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção.

 Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos.

 Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais.

 Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.

 Tipo Digital

Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação.

Vantagens Desvantagens

 Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento.

 Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados.

 Imune a ruídos externos.

 Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha.

 Menor custo final.

 Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes.

 Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malhas.

 Via Rádio

Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de frequência específica.

Vantagens Desvantagens

 Não necessita de cabos de sinal.

 Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.

 Alto custo inicial.

 Necessidade de técnicos altamente especializados.

 Via Modem

A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em frequência, fase ou amplitude.

Vantagens Desvantagens

 Baixo custo de instalação.

 Pode-se transmitir dados a longas distâncias.  Necessita de profissionais especializados.

 Baixa velocidade na transmissão de dados.

 Sujeito a interferências externas, inclusive violação de

informações.

13 2.3. Simbologia de Instrumentação

Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para representar as configurações utilizadas das malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos países.

Devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais utilizadas em projetos industriais no Brasil é a estabelecida pela ISA (Instrument Society of America).

a) Tipos de Conexões

Quadro 1 – Tipos de Conexões

b) Código de Identificação de Instrumentos

O código que é associado à identificação do local e do número da malha de controle tem o nome de TAG (rótulo) do instrumento. Cada instrumento do sistema tem um TAG diferente, seja pela função, pela localização ou pela malha a que pertence.

Cada instrumento deve se identificar com um sistema de letras que o classifique funcionalmente (Tabela 2).

A 1ª letra indica a variável que o instrumento manipula, a 2ª letra tem a função de completar a informação anterior. A 3ª letra indica a ação do instrumento (ativa para controlador/transmissor, etc., ou passiva para indicador/lâmpada/alarme/totalização, etc.).

Neste grupo ainda pode haver outras letras adicionais para funções auxiliares como contatos de alta, de baixa, etc., num máximo de 6 letras, ao todo.

Como exemplo, uma identificação representativa é a seguinte:

Exemplos de TAG:

ZSL-03 12  Chave de posição indicativa de nível baixo – refere-se ao local 03 e pertence à malha de controle nº 12.

TRSH-11 04  Registrador de temperatura com chave com contato de alta – refere-se ao local 11 e pertencente à malha de controle nº 04.

EIC-04 14  Controlador e indicador de tensão do local 04 , malha nº 14.

14

Tabela 2 - Significado das letras de identificação

15 c) Símbolos gerais para instrumentos os funções pela Norma ISA 5.1

d) Instrumentação de Vazão

e) Válvula de Controle

EXEMPLO: Representação gráfica de uma malha de controle:

Fig.2.1 – Malha de Temperatura

Malha de controle da temperatura (Fig. 2.1) de saída de vapor por variação no fluxo da água de

entrada: A malha tem a função de ajustar a vazão de fluido que vai ao aquecedor para controle da

temperatura do fluido. Essa malha possui um tipo de arranjo chamado de controle em cascata, de

forma que a malha de temperatura (malha mestre) fornece o “set point” à malha de fluxo (malha

escravo).

16 Neste caso, a malha escravo atua em variáveis rápidas (fluxo) e tem ganho alto. A malha mestre atua em variáveis lentas (temperatura) e tem ganho baixo. Normalmente variáveis de fluxo são as mais rápidas, em seguida pressão, depois nível e por fim, temperatura que é a mais lenta.

f) Simbologia para Funções

Quadro 2 – Simbologia para Funções

2.4. Características Gerais dos Instrumentos

A terminologia empregada foi unificada com objetivo de os fabricantes, os usuários e os organismos ou entidades que atuam direta ou indiretamente no campo da Instrumentação Industrial utilizem a mesma linguagem. Os termos empregados definem as características próprias de medida e de controle, bem como as características estáticas e dinâmicas dos diversos instrumentos utilizados. As definições dos termos empregados se relacionam com as normas estabelecidas pela SAMA (Scientific Apparatus Markers Association) em sua norma PMC 20, e que são abordadas a seguir:

2.4.1. Características estáticas

As características estáticas de um instrumento revelam o comportamento instantâneo a uma dada entrada. A maioria dos instrumentos é projetada e construída para que o resultado de sua indicação seja a quantidade da grandeza a qual ele está destinado a medir. Para facilitar a leitura do observador (por exemplo o homem), espera-se que a quantidade da grandeza a ser medida permaneça inalterada por um período de tempo. Quando isto acontece, pode-se dizer que a quantidade da grandeza está estática (ou estável).

Mudando a quantidade da grandeza para valores diferentes pode-se obter uma relação entre os valores da quantidade da grandeza a ser medida e a indicação do instrumento.

a) Faixa de medida [RANGE]

Conjunto de valores que estão compreendidos dentro dos limites inferior e superior da capacidade de medida, ou de indicação do instrumento. Expressa-se determinando os dois valores extremos.

Por exemplo: Um instrumento que mede temperatura entre 30 a 80C tem um range de: RANGE = 30 a 80

C

b) Alcance [SPAN]

É a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida, ou de indicação, ou de transmissão do instrumento.

Por exemplo, um instrumento com faixa de medida de 100ºC a 250ºC, possui um alcance de 150 ºC.

17 c) Zero

È o limite inferior da faixa. Não é, necessariamente, o zero numérico.

d) Sensibilidade [SENSITIVITY]

É a razão entre a variação do valor medido ou transmitido para um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Quanto menor for a sensibilidade de um instrumento maior será, em geral, a necessidade de amplificação do sinal a fim de se reduzir os problemas com ruído na transmissão do mesmo.

A sensibilidade pode ser expressa em unidades de medida de saída e de entrada. Por exemplo, um termômetro de vidro com faixa de medida de 0 ºC a 500 ºC possui uma escala de leitura de 50 cm, portanto, a sua sensibilidade é de 0,1 cm/ºC;

e) Resolução

É a menor variação na grandeza medida que pode ser detectada pelo instrumento. A resolução está relacionada com o número de "bit" do instrumento: quanto maior o número de "bit" melhor a resolução.

Exemplo 1: Um voltímetro analógico com divisões de escala de 0,1V terá sua leitura apresentada com uma resolução de 0,1V;

Exemplo 2: Um instrumento com mostrador digital tem resolução correspondente ao dígito menos significativo. Assim, um voltímetro digital que tem um display com duas casas depois da vírgula tem uma resolução de 0,01V.

f) Repetitividade [REPEATIBILITY]

Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição.

Observações:

1) Estas condições são denominadas condições de repetitividade.

2) Condições de repetitividade incluem:

→ mesmo procedimento de medição;

→ mesmo observador;

→ mesmo instrumento de medição, utilizado nas mesmas condições;

→ mesmo local;

→ repetição em curto período de tempo.

3) Repetitividade pode ser expressa, quantitativamente, em função das características da dispersão dos resultados.

g) Reprodutibilidade

Grau de concordância entre os resultados das medições de um mesmo mensurando efetuadas sob condições variadas de medição.

Observações:

1) Para que uma expressão da reprodutibilidade seja válida, é necessário que sejam especificadas as condições alteradas.

2) As condições alteradas podem incluir:

→ princípio de medição;

→ método de medição;

18

→ observador;

→ instrumento de medição;

→ padrão de referência;

→ local;

→ condições de utilização;

→ tempo.

3) Reprodutibilidade pode ser expressa, quantitativamente, em função das características da dispersão dos resultados.

4) Os resultados aqui mencionados referem-se, usualmente, a resultados corrigidos.

h) Erro [ERROR]

O erro pode ser apresentado de duas formas:

 Erro absoluto: é a diferença algébrica entre o valor medido, ou indicado ou transmitido e o valor real que deveria ser medido, ou indicado, ou transmitido pelo instrumento.

 Erro relativo: é apresentado em percentagem tomando como referência um valor da escala do instrumento. Pode ser calculado para o valor indicado do instrumento, mas normalmente o fabricante calcula em relação ao Span (faixa nominal do instrumento ou fundo de escala).

ERRO (em % do Span) = ((V-Vr)/Span) * 100%

onde:

V => Valor medido, ou indicado, ou transmitido.

Vr => Valor real.

Deve-se observar que se o processo está em condições de regime permanente, existe então o chamado ERRO ESTÁTICO. Em condições dinâmicas o erro varia consideravelmente devido aos instrumentos terem características comuns aos sistemas físicos: absorvem energia do processo e esta transferência requer um certo tempo para ser transmitida (TEMPO DE RESPOSTA DO INSTRUMENTO), o qual dá lugar a atrasos na leitura pelo dispositivo. Sempre que as condições forem dinâmicas, existirá um maior ou menor valor do chamado ERRO DINÂMICO (diferença entre o valor instantâneo da variável e o valor indicado ou transmitido pelo instrumento). Seu valor depende do tipo do fluído do processo, de viscosidade, do elemento primário (termopar, termoresistência), dos meios de proteção do instrumento, etc.

Estes termos, no entanto, estão em desuso. O termo que está sendo utilizado é o de INCERTEZAS.

A palavra “incerteza” significa “dúvida”. De forma ampla “incerteza da medição” significa “dúvida acerca do resultado de uma medição”. Formalmente, define-se incerteza como: “parâmetro, associado com o resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão de valores que podem razoavelmente ser atribuídos ao mensurando”.

i) Exatidão

Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do mensurando. Ou seja, qualidade da medição que assegura que a medida coincida com o valor real da grandeza considerada. O valor representativo deste parâmetro é o valor médio. Isso significa que o valor pode passar de um laboratório para outro, sempre mantendo a medida exata. Este parâmetro é expresso, em geral como porcentagens do fundo de escala.

Observações:

1) Exatidão é um conceito qualitativo.

2) O termo precisão não deve ser utilizado como exatidão.

Um atirador possui duas armas uma boa e outra com problema na mira. A precisão depende do

atirador e não depende da arma. Já a exatidão depende da mira da arma. A Fig. 2.2. exemplifica esta

situação.

19 Fig.2.2 - Relação entre precisão e exatidão

j) Linearidade [LINEARITY]

A linearidade de um instrumento indica a máxima aproximação da relação entrada – saída, com uma determinada linha reta. Geralmente quantifica-se a não–linearidade expressando-se como porcentagem do fundo de escala assim, veja Fig. 2.3:

Fig. 2.3 - Não linearidade num sistema de medida

É a capacidade de um instrumento ter a sua curva de resposta aproximada a uma curva de calibração ideal.

k) Histerese

Histerese de um Sistema de Medição é um erro de medição que ocorre quando há diferença entre a indicação para um dado valor do mensurando quando este foi atingido por valores crescentes e a indicação quando o mensurando é atingido por valores decrescentes (Fig. 2.4). Este valor poderá ser diferente se o ciclo de carregamento e descarregamento for completo ou parcial. A histerese é um fenômeno bastante típico nos instrumentos mecânicos, tendo como fonte de erro, principalmente, folgas e deformações associadas ao atrito.

É a diferença máxima apresentada por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente (Fig. 2.4);

Fig. 2.4 – Curva de Histerese

20 l) Zona Morta [DEAD ZONE ou DEAD BAND]

É a não alteração na indicação ou no sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos da faixa de medida do mesmo, apesar de ter ocorrido uma sensível variação da variável. É dada em porcentagem do Span de medida (Fig. 2.5).

Fig. 2.5 – Zona Morta

EXEMPLO 1: em alguns dispositivos mecânicos é necessário vencer a força de atrito estático do ponteiro para que seja produzido algum movimento mecânico perceptível, assim a medição de uma grandeza que produza uma força menor que esta força mínima não será percebida.

EXEMPLO 2: um instrumento com faixa de medida entre 0ºC a 200ºC possui uma zona morta de

0,1% do span, ou seja 0,2ºC. Portanto, para variações inferiores a este valor, o instrumento não apresentará alteração da medida;

EXEMPLO 3: Alguns velocímetros automotivos começam a indicar a velocidade acima de 20Km/h.

2.4.2. Características dinâmicas

Em muitos instrumentos ou processos, existe a necessidade de se realizar uma determinada medida o mais rápido possível ou bem devagar. A velocidade com que os instrumentos acompanham a variação da variável a ser medida é uma característica que é representada por equações diferenças (ou gráficos). Quando no modelo do instrumento aparece equações diferenças, os parâmetros desta equações determinam as características dinâmicas do instrumento.

Alguns termos que caracterizam um sistema dinamicamente serão apresentados a seguir:

a) Constante de tempo ()

Quando um sistema é submetido a uma entrada que apresenta uma variação abrupta (Ex. degrau), a saída demora um certo tempo para atingir seu valor final. A constante de tempo () de um sistema é definida como o tempo que esse sistema demora para atingir 63,2% do seu valor final, como mostrado na Fig. 1.6.

Fig. 1.6 - Constante de tempo de sistema de primeira ordem para excitação degrau

21 b) Resposta em frequência (Largura de Banda ou Largura de Faixa)

Quando o sinal aplicado a um instrumento apresenta uma variação com a frequência, chama-se resposta em frequência deste instrumento a mudança da relação saída/entrada do instrumento, usualmente dado em dB (decibéis).

A equação abaixo é utilizada para transformar ganho absoluto em dB.

 



 

 

max 10

valor

valor log

. 20 dB

Para -3dB temos:

2 10 1

log 20 . log 3

. 20 3

max 20

3

max max

10 max

10

 



 



 

 



 



 

 

 



 



 



 



 



valor valor valor

valor valor

valor valor

valor dB

Define-se também largura de banda (Bw) como a faixa de frequência cuja relação (saída/entrada) normalizada encontra-se entre 0 e –3 dB, veja Fig. 2.7.

Fig.2.7 - Resposta em frequência de um sistema passa-banda e largura de banda c) Frequência natural

É a frequência de oscilação livre (ω

) do sistema em questão. Um instrumento deve ser projetado para ter sua frequência natural 5 -10 vezes superior à máxima frequência de trabalho do instrumento.

d) Razão de amortecimento

É a característica de dissipação de energia (ξ) do sistema que junto com a frequência natural determina o limite da resposta em frequência do instrumento ou sistema.

e) Tempo Morto

É o tempo gasto entre o instante de aplicação do estímulo e o início da resposta do instrumento

a este estímulo (a saída é atrasada com relação à entrada). Este tempo é fruto, principalmente, do

posicionamento do transdutor no processo (Fig. 2.8).

22 Fig. 2.8 – Tempo Morto

f) Tempo de subida (rising time)

É o tempo necessário para a resposta do instrumento excursionar dos 10 aos 90% da variação que o degrau de entrada irá provocar na saída, entre os valores permanente inicial e final (Fig.2.9).

F1: valor permanente inicial da saída;

F4: valor permanente final da saída;

F2: valor da saída para 10% da variação ; F3: valor da saída para 90% da variação;

3: é a variação da saída correspondente ao tempo de subida

TS: é o tempo de subida

Fig. 2.9 – Tempo de Subida 2.5. O Erro de Medição

a) A Convivência com o Erro

O erro de medição é caracterizado como a diferença entre o valor da indicação do Instrumento e o valor verdadeiro, o mensurando, isto é:

E = I – V

Onde:

E = erro de medição I = indicação

V

= valor verdadeiro

Na prática, o valor "verdadeiro" é desconhecido. Usa-se então o chamado valor verdadeiro convencional (V

), isto é, o valor conhecido com erros não superiores a um décimo do erro de medição esperado. Neste caso, o erro de medição é calculado por:

E = I – V

onde:

V

= valor verdadeiro convencional

Para eliminar totalmente o erro de medição é necessário empregar um instrumento perfeito sobre o mensurando, sendo este perfeitamente definido e estável. Na prática não se consegue um instrumento perfeito e o mensurando pode apresentar variações. Portanto, é impossível eliminar completamente o erro de medição. Mas é possível, ao menos, delimitá-lo.

Mesmo sabendo-se da existência do erro de medição, é ainda possível obter informações confiáveis da medição, desde que a ordem de grandeza e a natureza deste erro sejam conhecidas.

b) Tipos de Erros

Para fins de melhor entendimento, o erro de medição pode ser considerado como composto de três parcelas aditivas:

E = E

+ E

+ E

23 Sendo:

E = erro de medição E

= erro sistemático E

= erro aleatório E

= erro grosseiro

 O erro sistemático

O erro sistemático (E

): é a parcela de erro sempre presente nas medições realizadas em idênticas condições de operação. Um dispositivo mostrador com seu ponteiro "torto" é um exemplo clássico de erro sistemático, que sempre se repetirá enquanto o ponteiro estiver torto.

Pode tanto ser causado por um problema de ajuste ou desgaste do instrumento, quanto por fatores construtivos. Pode estar associado ao próprio princípio de medição empregado ou ainda ser influenciado por grandezas ou fatores externos, como as condições ambientais.

A estimativa do erro sistemático da indicação de um instrumento de medição é também denominado:

Tendência (Td).

 O erro aleatório

Quando uma medição é repetida diversas vezes, nas mesmas condições, observam-se variações nos valores obtidos. Em relação ao valor médio, nota-se que estas variações ocorrem de forma imprevisível, tanto para valores acima do valor médio, quanto para abaixo. Este efeito é provocado pelo erro aleatório (E

).

Diversos fatores contribuem para o surgimento do erro aleatório. A existência de folgas, atrito, vibrações, flutuações de tensão elétrica, instabilidades internas, das condições ambientais ou outras grandezas de influência, contribui para o aparecimento deste tipo de erro.

A intensidade do erro aleatório de um mesmo instrumento pode variar ao longo da sua faixa de medição, com o tempo, com as variações das grandezas de influência, dentre outros fatores. A forma como o erro aleatório se manifesta ao longo da faixa de medição depende de cada sistema, sendo de difícil previsão. Embora esse erro não possa ser eliminado, ele pode ser reduzido aumentando-se o número de observações ou ensaios.

 O erro grosseiro

O erro grosseiro (E

) é, geralmente, decorrente de mau uso ou mau funcionamento do instrumento.

Pode, por exemplo, ocorrer em função de leitura errônea, operação indevida ou dano do instrumento.

Seu valor é totalmente imprevisível, porém geralmente sua existência é facilmente detectável. Sua aparição pode ser resumida a casos muito esporádicos, desde que o trabalho de medição seja feito com consciência.

EXEMPLO

A Fig. 2.10 exemplifica uma situação onde é possível caracterizar erros sistemáticos e aleatórios.

Fig. 2.10 – Caracterização de Efeitos Sistemáticos e Aleatórios em um Problema de Balística

24 A pontaria de quatro atiradores está sendo colocada à prova. O objetivo é acertar os projéteis no centro do alvo colocado a uma mesma distância. Cada atirador tem direito a 15 tiros. Os resultados da prova de tiro dos atiradores A, B, C, e D estão mostrados nesta mesma figura.

As marcas dos tiros do atirador "A" se espalharam por uma área relativamente grande em torno do centro do alvo. Estas marcas podem ser inscritas dentro do círculo tracejado desenhado na figura.

Embora este círculo apresente um raio relativamente grande, seu centro coincide aproximadamente com o centro do alvo. O raio do círculo tracejado está associado ao espalhamento dos tiros que decorre diretamente do erro aleatório. A posição média das marcas dos tiros, que coincide aproximadamente com a posição do centro do círculo tracejado, reflete a influência do erro sistemático. Pode-se então afirmar que o atirador "A" apresenta elevado nível de erros aleatórios enquanto o erro sistemático é baixo.

No caso do atirador "B", além do raio do círculo tracejado ser grande, seu centro está distante do centro do alvo. Neste caso, tanto os erros aleatórios quanto sistemáticos são grandes. Na condição do atirador "C", a dispersão é muito menor, mas a posição do centro do círculo tracejado está ainda distante do centro do alvo, o que indica reduzidos erros aleatórios e grande erro sistemático. Já a situação do atirador "D" reflete reduzidos níveis de erros aleatórios e também do erro sistemático.

Obviamente que, do ponto de vista de balística, o melhor dos atiradores é o atirador "D", por acertar quase sempre muito próximo do centro do alvo com boa repetitividade. Ao se comparar os resultados do atirador "C" com o "A", pode-se afirmar que o atirador "C" é melhor. Embora nenhum dos tiros disparados pelo atirador "C" tenha se aproximado suficientemente do centro do alvo, o seu espalhamento é muito menor. Um pequeno ajuste na mira do atirador "C" o trará para uma condição de operação muito próxima do atirador "D", o que jamais pode ser obtido com o atirador "A".

Tanto no exemplo da Fig. 2.10, quanto em problemas de medição, o erro sistemático não é um fator tão crítico quanto o erro aleatório. Através de um procedimento adequado é possível estimá-lo relativamente bem e efetuar a sua compensação, o que equivale ao ajuste da mira do atirador "C" da Fig. 2.10. Já o erro aleatório não pode ser compensado embora sua influência sobre o valor médio obtido por meio de várias repetições se reduza na proporção de 1/ n , onde "n" é o número de repetições considerado na média. A seguir são apresentados procedimentos para a estimativa quantitativa dos erros de medição.

c) Fontes de Erros

Toda medição está afetada por erros. Estes erros são provocados pela ação isolada ou combinada de vários fatores que influenciam sobre o processo de medição, envolvendo o instrumento, o procedimento de medição, a ação de grandezas de influência e o operador.

O comportamento metrológico do instrumento depende fortemente de fatores conceituais e aspectos construtivos. Suas características tendem a se degradar com o uso, especialmente em condições de utilização muito severas. O comportamento do instrumento pode ser fortemente influenciado por perturbações externas e internas, bem como pela influência do operador, ou mesmo do instrumento, modificar indevidamente o mensurando.

O procedimento de medição adotado deve ser compatível com as características do mensurando. O número e posição das medições efetuadas, o modelo de cálculo adotado, a interpretação dos resultados obtidos podem também introduzir componentes de incerteza relevantes no resultado da medição.

As grandezas de influência externas podem provocar erros alterando diretamente o comportamento do instrumento ou agindo sobre o mensurando. O elemento perturbador mais crítico, de modo geral, é a variação da temperatura ambiente, embora outras grandezas como vibrações mecânicas, variações de pressão atmosférica, umidade ou tensão da rede elétrica, também possam trazer alguma influência. A variação da temperatura provoca dilatação das escalas dos instrumentos de medição de comprimentos, da mesma forma como age sobre o mensurando, por exemplo, modificando o comprimento a medir de uma peça.

A variação da temperatura pode também ser uma perturbação interna. Exemplo típico é a

instabilidade dos sistemas elétricos de medição, por determinado espaço de tempo, após terem sido

ligados. Em função da liberação de calor nos circuitos elétrico/eletrônicos há uma variação das

25 características elétricas de alguns componentes e assim do instrumento. Há necessidade de aguardar estabilização térmica, o que minimizará os efeitos da temperatura. A existência de atrito, folgas, imperfeições construtivas e o comportamento não ideal de elementos físicos são outros exemplos de perturbação interna.

A modificação indevida do mensurando pela ação do instrumento, ou do operador, pode ter diversas causas. Por exemplo, na metrologia dimensional, a dimensão da peça modifica-se em função da força de medição aplicada. Outro exemplo é ilustrado pela Fig. 2.11 onde uma situação onde se pretende medir a temperatura de um cafezinho. Para tal é empregado um termômetro de bulbo. Ao ser inserido no copo, há um fluxo de energia do café para o termômetro: o bulbo esquenta enquanto o café esfria, até que a temperatura de equilíbrio seja atingida. É esta temperatura, inferior a temperatura inicial do cafezinho, que será indicada pelo termômetro. Este é outro exemplo onde o mensurando é modificado pelo instrumento.

Fig.2. 11 – Erro de Retroação do Instrumento sobre o Mensurando

A modificação do mensurando por outros módulos da cadeia de medição, acontece, por exemplo, na conexão indevida de dispositivos registradores. Um exemplo onde o operador modifica o mensurando é quando se instala um termômetro para medir a temperatura no interior de uma câmara frigorífica e, por alguma razão, torna-se necessário entrar nesta câmara para fazer a leitura da temperatura. A presença do operador pode modificar o mensurando, no caso, a temperatura da câmara.

O operador também pode introduzir erros adicionais no processo de medição. Erros de interpolação na leitura, erros inerentes ao manuseio ou à aplicação irregular do instrumento são exemplos típicos.

Sua quantificação é muito difícil, geralmente estimada por medições repetitivas em uma peça de referência, envolvendo diferentes momentos, instrumentos, operadores e nas condições ambientais típicas.

A grande dificuldade trazida por estes diversos fatores é que estas perturbações ocorrem superpostas ao sinal de medição, sendo impossível identificar e separar o que é erro do que é variação do mensurando. Para conviver com estes diversos fatores que influenciam o comportamento do sistema de medição, é comum ao fabricante fixar as condições em que o instrumento deve operar, por exemplo, temperatura 20 ± 1 °C, tensão da rede 220 ± 15 V, etc. Somente dentro destas faixas é que são garantidas as especificações metrológicas dos sistemas de medição. É necessário estar atento para estes limitantes.

d) Minimização do Erro de Medição

O erro de medição sempre existe. Não há meio de eliminá-lo completamente. Entretanto, existem alguns cuidados e procedimentos que podem ser seguidos que resultam na minimização deste erro.

A seguir são apresentadas algumas sugestões nesta direção:

 Seleção correta do Instrumento

Operacional e funcionalmente o instrumento deve ser apropriado para o tipo de mensurando. Deve-se

verificar se o valor do mensurando situa-se dentro da faixa de medição deste sistema. O tipo de

grandeza deve ser compatível com o instrumento: um micrômetro para dimensões externas não se

aplica para dimensões internas. Além disso, deve-se ficar alerta para problemas relacionados com a

modificação do mensurando provocado pelo instrumento: seria conveniente usar um instrumento com

baixa "inércia" térmica para o exemplo da Fig. 2.11. O tipo de mensurando: estático ou dinâmico; a

forma de operação/indicação: digital ou analógica; o método de medição: indicação ou compensação;

26 o peso, o tamanho e a energia necessária, devem ser levados em conta ao se selecionar o instrumento. A leitura dos catálogos e manuais de operação do instrumento é indispensável.

 Modelação correta do processo de medição

Um fator de elevada importância é o conhecimento da natureza do processo ou da grandeza que está sendo medida. A correta definição do mensurando, a compreensão de suas características e comportamento devem ser levadas em conta para definir o procedimento de medição a ser adotado.

Se, por exemplo, a medição envolve um mensurando variável com o tempo ou posição, a adoção de um procedimento errôneo - apenas adequado para mensurando invariáveis – poderá levar a resultados completamente absurdos.

 Adequação do erro máximo do instrumento

Embora um instrumento sempre apresente erro de medição, diferentes sistemas de medição podem apresentar diferentes níveis de erros. A qualidade de um instrumento está relacionada com o nível de erro por este apresentado. É quase sempre possível adquirir no mercado instrumentos com diferentes níveis de qualidade por, obviamente, diferentes preços. O equilíbrio entre o custo e benefício deve ser buscado.

É difícil estabelecer um procedimento genérico para a correta seleção do instrumento baseado unicamente no seu preço e erro máximo. Porém, espera-se que, nas condições fixadas pelos fabricantes, os erros inerentes do instrumento nunca sejam superiores ao erro máximo do instrumento empregado. Através de uma calibração, e de um procedimento mais cuidadoso de medição, onde seja compensada a tendência do instrumento e a medição seja repetida diversas vezes, é possível reduzir significativamente o nível de erros presente no resultado.

INCERTEZA

A incerteza está associada ao resultado da medição. Não corresponde ao erro aleatório do sistema de medição, embora este seja uma das suas componentes. Outras componentes são decorrentes da ação de grandezas de influência sobre o processo de medição, as incertezas da tendência (ou da correção), número de medições efetuadas, resolução limitada, etc. Não há, portanto, uma relação matemática explícita entre a incerteza de um processo de medição e a repetitividade de um sistema de medição.

2.6. Calibração de Sistemas de Medição

Um sistema de medição de boa qualidade deve ser capaz de operar com pequenos erros. Seus princípios construtivos e operacionais devem ser projetados para minimizar erros sistemáticos e aleatórios ao longo da sua faixa de medição, nas suas condições de operação nominais.

Entretanto, por melhores que sejam as características de um sistema de medição, este sempre apresentará erros, seja por fatores internos, seja por ação das grandezas de influência externas. A perfeita caracterização das incertezas associadas a estes erros é de grande importância para que o resultado da medição possa ser estimado de maneira segura. Embora, em alguns casos, os erros de um sistema de medição possam ser analítica ou numericamente estimados, na prática são utilizados procedimentos experimentais quase que exclusivamente.

Através do procedimento experimental denominado calibração é possível correlacionar os valores indicados pelo sistema de medição e sua correspondência com a grandeza sendo medida. Esta operação é extremamente importante e é realizada por um grande número de entidades credenciadas espalhadas pelo país.

 Operações Básicas para Qualificação de Sistemas de Medição

a) Calibração

Calibração é um procedimento experimental através do qual são estabelecidas, sob condições específicas, as relações entre os valores indicados por um instrumento de medição ou sistema de medição ou valores representados por uma medida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões.

Como exemplos, através de uma calibração é possível estabelecer: