Volume 1
Volume 2
Capitulo O Breve História da Capitulo 8 Efeitos Ffslcos Aplicados em
Instrumentação Sensores
Capítulo 1 Conceitos de Instrumentação Capítulo 9 Introdução à Instrumentação
Capítulo 2 Fundamentos de Estatística, Óptica
Incerteza de Medidas e Sua Capitulo 10 Medição de Força
Propagação Capitulo 11 Medição de Deslocamento,
Capítulo 3 Conceitos de Eletrônica Posição, Velocidade, Aceleração
Analógica e Eletrônica Digital e Vibração
Capitulo 4 Sinais e Ruldo Capitulo 12 Medição de Pressão
Capitulo 5 Medidores de Grandezas Capitulo 13 Medição de Nfvel
Elétricas Capitulo 14 Medição de Fluxo
Capítulo 6 Medição de Temperatura Capitulo 15 Fundamentos sobre Medição de
Capítulo 7 Procedimentos Experimentais Umidade, pH, Viscosidade e
Ruido Acústico
Capitulo O Breve História da Instrumentação 1 0.1 Introdução!
0.2 HistóricodaMediçilodoTempo2 0.3 HistóricodaMcdiçilodcPcsoseMcdidas2 0.4 Histórico do Barômetro) 0.5 Histórico do Termômetro 4
Capitulo 1 Conceitos de Instrumentação 6 l.l lntrodução6 1.2 O Método Cicmílico 6 1.3 GrandczasFisicas7 1.4 UnidadesdcMcdida8 1.5 Definições c Conceitos 9 1.5.1 Sensoresetransdutores9 1.5.2 Instrumento ele medição li 1.6 AlgarismosSignificativos25 1.7 Resposta Dinâmica 25 1.8 Tr.msfonnada de Laplace 26 1.9 Transformada ln\'crsadcLaplace28 1.1 O Análise de Sistemas de Ordens Zero. Primeir.a e
Segunda29 Exercícios32 Bibliognlfia34
Capitulo 2 Fundamentos de Estatistlca, Incerteza de Medidas e Sua Propagação 36 2.1 lntroduçào36 2.2 McdidasdcTcndênciaCentral36 2.2.1 Média36 2.2.2 Mcdiaua37 2.2.3 Moda37
2.2.4 Média ge()lnétrica e média harmônica 37 2.2.5 Raiz média quadrática (rool metm squt1re) 39 2.3 Medidas de Dispet"Sao40
2.4 Conceitos sobre Probabilidade e Estatística 40 2.4.1 Fundamcmossobreprobabilidades41 2.4.2 Distribuiçõesestatlsticas42
2.5 Correlação. Correlação Cruzada. Autocorrclação. Autocovari~1ncia c Covari!incia Cruzada 5 I 2.6 Conceitos sobre lnferênci~L Estatística c Dcterminaç:lo
doTamanhodaArnostra52 2.7 Estimativadalnccrtct.adcMedida59
2.7.1 Avaliaçàodaincertet.ademedidadeestimativas de entrada 60
2.7.2 lnccnez~1 de medida expandida 68 2.7.3 Excmplospr.lticosdedetemtinaçãode
inccrtezas-padrilo70
2.7.4 Avaliação da incerteza utilizarnio o método de MontcCarlo75
2.8 Uma huroduçiloàRcgress3oLincar8l 2.8.1 Regres~olinear81
2.8.2 Ajusteclccurvaspormfnimosquadrados generalizado84
2.9 Fund<~mentos sobre Análise de Variância &4 2.9.1 Análiscclcvariância:classificaç3osimples86 2.9.2 Análise de variância: classificaç3o dupla 90 Exercícios93
Bibliografia95
Capítulo 3 Conceitos de Eletr6nlca Analógica e Eletr6nlca Digital 96 3.1 lmroduçào96 3.2 Resistorcs,Üip~Lcüorcselndutorcs96 3.2.1 Resistores96 3.2.2 Capacitorcs97 3.2.3 lndutores98 3.3 RcvisàodeAnáliscdeCircuitos98
3.3.1 Análise de circuitos pelo m~todo das malhas 99 3.3.2 Análise de circuitos pelo m~todo dos nós 99 3.3.3 Teorema da superposição 100 3.3.4 Tooremadclllé\'cnin 100 3.3.5 Blocos de circuitos 101
3.3.6 Amplificadores e realimentação ~gati\·a 101 3.4 Diodos 102
3.5 Transistores Bipolares 105 3.6 Transistor de Efeito de Campo (FET) 109 3.7 Amplificadores Operacionais - OPAMPs I li
\"iii Sumário
3.7.2 Configuração: amplificador não inversor 113 3.7.3 lmpcdância de emrada 114 3.7.4 Resposta em frequência de um amplificador
opemcionalll4
3.7.5 Circuitoslincaresbásicoscomamplificadorcs operacionais 115
3.8 ConceilossobreSisternasDigit:,is 118 3.8.1 SistcmasanalógicOS\'ersussistcmasdigitais 118 3.8.2 Álgebra booleana c portas lógicas 121 3.8.3 Famílias lógicas 122 3.8.4 Sistemas digitais 125 3.8.5 Tópicossobresistemasscqucnciaisl26 3.8.6 Sistemasmicroproçessados 132 3.8.7 PorlasdeUOeinterfaccs 133 3.8.8 lmerfacesesistemasremotos 138 3.8.9 Instrumentação virtual 141 Exercícios 141 Bibliografia 145
Capitulo 4 Sinais e Ruldo 146 4.1 Sinais 146
4.2 Introdução ao Domínio do Tempo 148 4.3 Introdução ao Domínio de Frequêocia 149 4.4 Análise de Fourier 150
4.4.1 Séries de Fourier 150 4.4.2 Aintcgra1dcFourier 157 4.4.3 Transformada rápida de Fourier- FFT 160 4.5 FundmncntossobreRuídoeTécnieasdc
Minimizaçâo 166 4.5.1 Caracterizaçãodorofdo 166 4.5.2 Tipos de ruído intrínseco ou iuerentc 168 4.5.3 Formas de infiltração do ruído 172 4.5.4 Proccdimcntosparareduçãodcrufdocm
cabcamento172
4.5.5 Minimização do roído pelo aterr:amemo 175 4.5.6 O rufdo intrínseco dos componentes
eletrônicos 176
4.5.7 Notasgemisdeboaspráticaspamreduçãodo roído181
4.6 Sistemas de Aquisição de Dados 186 4.6.1 Princfpiosbásicos 186
4.6.2 Principaisarquiteturasdosconvcrsorcsdigital para analógico (DAC ou D/ A) c conversores analógico para digital (ADC ou A/D) 194 4.7 Filtros Analógicos 207
4.7.1 Conccitosbásicos207 4.7.2 l'riocipaisclassesdefiltros209 4.7.3 Resposta em frequência210 4.7.4 Projeto de filtros passivos: uma introdução 212 4.7.5 Projctodefiltrosativos: umaintrodução219 4.8 FiltrosDigitais220 4.8.1 TransformadaZ222 4.8.2 Operadorcsbásicos224 4.8.3 Filtrosnãorecursivoscfihrosrecursivos225 4.8.4 PlanoZ225 4.8.5 Caractcristicasdosfiltrosdcrcspostaimpulsiva finita-FIR226 4.8.6 FiltroHanning226 4.8.7 Filtro polinomial 226 4.8.8 Filtro/10/ch{rcjeita-bandaou passa-faixa)227 4.8.9 Carncterfsticasdosfiltrosderespostairnpulsiva infinita-JJR227
4.8.10 Métodos de desenvolvimento p:m• filtros dcdoispolos228
4.11.11 Uma introdução aos filtros adaptativos 229 Exercfcios230
Bibliogmfla233
Capitulo 5 Medidores de Grandezas Elétricas 234
5.1 Galvanômetros e Instrumentos Fundamentais 234 5.1.1 lnstrumentosanalógicos234 5.1.2 lnstromentosdigitais236 5.2 McdidoresdeTensâo237 5.2.1 Vohímetroanalógico238 5.2.2 Voltímetro digita1240 5.2.3 Voltfmetrovetorial240 5.2.4 Mcdidoresdetensãoeletrônkos241 5.3 Medidores de Corrente 243 5.3.1 Amperímetro analógico 243 5.3.2 Amperfmctrodigital246 5.3.3 Amperímetros do tipo alicate 246 5.3.4 Mcdidorcsdccorrenteclctrônicos247 5.4 ~kdição de Resistência Elétrica. Capacitãncia e
lndutilncia249 5.4.1 Mediç:1odere;;istênciaelétrica249 5.4.2 Circuitosemponte254 5.5 Oscilosçópios259 5.5.1 Osciloscópiosanalógicos259 5.5.2 Qsçiloscópiosdigitais262 5.6 Medidores de P01êncía Elétrica e Fator de
Potência 264
5.6.1 Mediç!io de potência em circuitos OC 265 5.6.2 Wattímctro analógico 265 5.6.3 Método dos três voltímetros 265 5.6.4 Wattímetros térmicos 266 5.6.5 Wanímetros eletrônicos 266 5.6.6 Medição do fator de potência 269 5.6.7 Mcdidorcsdeenergi~elétrica272 Excrcfcios276
Bibliografia278
Capitulo 6 Medição de Temperatura 279 6.1 lmrodução279
6.2 EfeitosMccânicos280
6.2.1 TcmlÕmetros de ex~nsão de líquidos em bulbos dcvidro280
6.2.2 Tem,õmctrosbirnetálicos280 6.2.3 Termômetros manomêtricos 281 6.3 Termômetros de Resistência Elétrica 282
6.3.1 Termômetros metálicos- RTDs 282 6.3.2 Tcrmistorcs286
6.4 Tcmmparcs291 6.4.1 lntrodução29l 6.4.2 Princfpiosfulldamcntais292 6.4.3 Os principais tcmlOparcs comerciais 294 6.4.4 Medição da tensão do tem1opar 296 6.4.5 Compensação da juma fria (junHI de
rcfcrência)296
6.4.6 Alguns exemplos de circuitos condicionadores 304 6.5 Tcnnômctros de Radiação 305
6.5.1 Radiação térmica 306 6.5.2 Corpo negro c cmissividadc 306 6.5.3 Tennômctros infr.tvennelhos e pirômetros 309 6.5.4 Tipos de tem1ômctros de radiação 3 I I 6.5.5 Dete<:torcs ou ~nsorcs de mdiaçiío térmica 313 6.5.6 Tennopares infrJvcrmclhos 315 6.5.7 Campo de visào e razão distância/alvo 316 6.5.8 Medidores de tcmpcr.ttum unidimensionais e
bidirncnsionais -tcrmógr.tfos317 6.6 Medidores de Temperatura com Fibras Ópticas 320
6.6.1 Sistcmadcscnsorc:uncntodistribuídodc temperatura- DTS 321 6.7 Scnsores Scmicondutores pam Temperatura 323
6.7.1 lntroduç1io323
6.7.2 Camctcristica VX /dajunçii.OJHr323 6.7.3 Scnsordeestadosólido324 E:tercícios326
Bibliografia 330
Capítulo 7 Procedimentos Experimentais 331 7.1 Lab. I- Utiliza~iio de lnslrumentos de MOOi~ão de
Gmndc:tasEh!lricas331 7.1.1 Objcti\'OS331
7.1.2 Conceitos teóricos adicionais 331 7.1.3 Bibliogrnfiaadiciona1331 7.1.4 Materiaisecquipamcntos331 7.1.5 Procedimentose:tpcrimentais331 7.1.6 Qucstõcs333
7.2 Lab. 2 -Regrrt~ão Linear e l'ro11aga~ão de lnccrte;o:us333
7.2.1 Objctivos333
7.2.2 Conccitostcóricosadicionais333 7.2.3 Bibliografiaadiciona1333 7.2.4 Mmeri:tiseequiparnentos333 7.2.5 Proccdimentosexperimentais334 7.2.6 Questõcs335
7.3Lab. J -I'rojctodcE:tl)('rirncntos335 7.3.1 Objetivos335 7.3.2 Materiaiseequipamcntos335 7.3.3 Procedimentosc:tperimemais335 7.3.4 Questões336
7.4 Lab. 4- Utlti1.a~iio do Osciloscópio 336 7.4.1 Objetivos336 7.4.2 Cooceitos teóricos adicionais 336 7.4.3 Bibliografiaadicional336
7.4.4 Matcriaiseequipamcntos336 7.4.5 l>rocedimentos experimcmais 336 7.4.6 Questões337
1.3 Lab. 5- Conl'i!itos de •:Jetricidade 337 7.5.1 Objeti\'OSJ37 7.5.2 Conceitos teóricos adicionais 337 7.5.3 Bibliografia adicional 337 7.5.4 M:ueriaiseequipamcntos337 7.5.5 Procedimentos experimentais 338 7.5.6 Questões338
7.6 Lab. 6 -Ulili~a~ãu de Indicadores 338 7.6.1 Objetivos338 7.6.2 Conccitostcóricosadicionais338 7.6.3 llibliogr.tfiaadicional338 7.6.4 Matcriaisecquiparncntos338 7.6.5 Proccdimento~expcrimentais339 7.6.6 Questõcs340 Sumário ix 7.7 Lab. 7 -Fontes de Tcnsiíu c Foull'S de Corrente 340 7.7.1 Objetivos340
7.7.2 Conceitos teóricos adicionais 340 7.7.3 Bibliogmfia:tdiciona1340 7.7.4 Materiais e equip:unentos 340 7.7.5 Procedimentos experimentais 340 7.7.6 Questões341
7.8Lab.8- FiltrosAnalógicos341 7.8.1 Objetivos341
7.8.2 Conceitosteóricosadicionais342 7.8.3 Bibliografiaadicional346 7.8.4 M:ueriaiseequipamentos346 7 .8.5 Procedimentos experimentais 346 7.8.6 Questões347
7.9 Lab. 9 - Amplilicadores de lnstrumt'nlaçiio 347 7.9.1 Objetivos347
7.9.2 Conccitosteóricosadicionais347 7.9.3 llib1iogmfiaadicional347 7.9.4 Materiaiseequipamerrtos347 7.9.5 Proccdimentosexpcrimentais347 7.9.6 Questõcs348
7.10 Lab. 10- J•ontcs 1mra ll•lcdi~ão de Rcsistor~ Ca1mcitorlos c Indolores 348 7.10.1 Objetivos348 7.10.2 Conceitos teóricos lldicionais 348 7.10.3 llibliografiaadicional348 7.10.4 Materiaiseequipamentos348 7.10.5 Procedimentos experimentais 348 7.10.6 Qucstões349
7.11 Lab. 11- Sistemas Combinacionais e Setlueuciais349 7.11.1 Qbjcti\'OSJ49 7.11.2 Bibliogrnfiaadiciona1349 7.1\.3 Materiaiseequipamentos349 7.11.4 Procedimentos experimcmais 349 7.11.5 Questões350
7.12 Lab. 12- Porta Paralela (IEEEI284-A) como EntradaeSaídaJSO 7.12.1 Objctivos350 7.12.2 Conccitostcóricosadicionais350 7.12.3 Bibliografiaadiciona1354 7.12.4 Matcriaisccquipamentos354 7.12.5 Procedimcntnscxpcrimentais354 7.12.6 Questões356
7.13 Lab. 13 -ADCde Sou 12 Bits Interfaceadocom a Portal'aralelaJS6 7.13.1 Objctivus356 7.13.2 Conceitosteóricosadicionais356 7.13.3 Bibliografiaadiciona1357 7.13.4 Matcriaisccquipamentos357 7.13.5Procedimcntnsexpcrimentais357 7.13.6 Questões360
7.14 Lab. 14- Procedimentos Básicos para Uso da Ferramenta LabVIEW 7 Express 361 7.14.1 Objctivos361
7.14.2 Conccitosteóricosadiçionais361 7.14.3 Bibliografiaadicional368 7.14.4 Matcriaisccquipamentos368 7.14.5 Procedimcntoscxpcrimentais368 7.15 Lab. 15 - Séries de Fourier c Análise no Domínio de
Frequência371 7.15.1 Objetivos37l 7.15.2 Con<.:citostcóricosadicionais371 7.15.3 Bibliografiaadicional371 7.15.4 Materiaiseequipamentos371 7.15.5 Proccdimentosexperimcmais37l 7.15.6 Qucstões372
7.16 Lab. 16 - Controle de Porta.~ de Entrada e Saída peloLabVIEWJ72 7.16.1 Objetivos372 7.16.2 Conccitostcóricosadicionais372 7.16.3 Acessandoapor1aparale1a374 7.16.4 Bibliografiaadicional374 7.16.5 Materiaisccquipamcntos374 7.16.6 Procedimentosexperimentais374 7.17 Lab. 17- Filtros Digitais375
7.17.1 Objetivos375 7.17.2 Conceitosteóricosadicionais375 7.17.3 Bibliografiaadicional375 7.17.4 Materiaiseequipamentos375 7.17.5 Procedimcntoscxpcrimentais375 7.17.6 Questõcs375
7.18 Lab. 18- Utilil.llção de Smsorcs de Temperatura 378 7.18.1 Objctivns378 7.18.2 Conceitosteóricosadicionais378 7.18.3 Bibliografiaadicional378 7.18.4 Materiaisccquipamcntos378 7.18.5 Procedimentosexperimentais378 7.18.6 Qucstões378
7.19 Lab. 19- Condicionadores de Temperatura 379 7.19.1 Objetivos379 7.19.2 Conccitostcóricosadicionais379 7.19.3 Bibliografiaadiciona1379 7.19.4 Matcriaisecquipamentos379 7.19.5 Procedimcmocxpcrimental379 7.19.6 Questões379 Índice381
A filhinha de um amigo. quando falava ao telefone na casa dos avóscmscuanivcrsáriodct rêsanos.scdistraiucomoscolcgui-nhas e saiu andando com o telefone no ouvido. O fio do telefone. ao ser puxado. acabou por derrubar um vaso da mesinha. Oba -rolho atraiu os adultos, que correram ao mesmo tempo, olhando paraelacomardereprovação.Eeladisse.assimbemderepen-te sem precisar pensar: '"Também, vovô. você amarrou o telefo -ne na parede!"
Ninguém mais sabe por que temos que "discar" um número no telefone. porque ''batemos" o currículo no computador. o que é CRT. LP. lctrasct. régua de cálculo, Enciclopédia Britânica. papel vegetal.tintananquim.ploller.régua-tê.telexouemprés-timointerbibliotcca
É exatamente o que parece: nosso meio ambiente ficou digi-tal num intervalo muito curto. em apenas uma geração. As pes-soasmaisidosastiveramqucseacostumarapagarcontaspcla lnternet.oe -mailchegaesaipelocelular.avitrolavirouwalk-man e depois iPod. o llop-disk virou pen-drive cada vez menor c com maior capacidade. c prcdsamcme a cada seis meses. com -provando a lei de Moore. meu filho nx:lama que o computador deleestá"umacarroça".
Esse efeito digital alavancou empregos nesta área no mundo todo e apareceram as engenharias da computação. de software e de tecnologia da informação. Mas ao mesmo tempo essa corrc-riadigitalesvaziouoanalógicoctirouaatcnçãodediseiplinas comoinstrumentação.sensoresetransdutores.
O som c a imagem são entes analógicos. O som. para entrar ou sair do processador, passa pelos transdutores no microfone ou no alto-falante do telefone celular. por exemplo. A imagem dacâmeradigital.antesdescrproccssada.écaptadacmsuafor -maanalógica:osinaldafibraóptica.antesdcvirarbytc s.écap-tado analogicamcnte. n~o interessa se é datacom. tclecom ou TV a cabo. As moderníssimas bioprótcscs. ou próteses biônicas. ne -cessitam de interfaces biológico-digital paraunirossinaisana-lógicos dos nervos com os sinais digitais dos processadores.
Sim.omundoànossavoltaéanalógico.esemprcserá.Sem -prc que desejarmos nos contactar com fenômenos nmurais ou tecnológicos ou exercer algum tipo de efeito no mundo teremos que aceitara "analogicidade"do mundo e utili7_aratuadorcsou
sensorcs.convertendoodigitalparaoanalógicoevice-versa.As-sim. sempre haverá espaço para a engenharia de instrumentação clctrônicaanalógicacsensorcs,quc,apcsardcsercmárcascm extinção de profissionais. s~o também áreas em grande cresci -mento tecnológico. com uma demanda enorme para andar pari passu com um mundo cada vez mais nano da tecnologia digital. Esta é a razão deste livro. escrito por dois jovens defensores do mundo analógico. com larga experiência em instrumentação elctrônicacaomesmotcrnpoconscicntesdaprcmentcnecessi-dadedea instrumentação evoluir na mesma velocidade da tec -nologia digital
Olivrofoiescritoparaestudantes.técnicoseengenheirosde instrumentaç~o. cobrindo uma grande gama de sensores e inter -faces. O leitor certamente encontmrá aqui a explicação de suas dúvidascomrelaçãoatransdutoresesensores.Seoleitorforum curioso em instrumentaç~o. também encontmrá aqui exemplos eaplicaçõcsdousodepraticamentctodososscnsoresutili7_ados pela indústriahoje.desdeaáreadeóleoegásatéaárcadeau -tomaçãoeprocessos.
Olivroseiniciacomapanccstatísticadecrrosedacxatidão das medidas. uma disciplina que. apesar de omissa nos cursos decngenhariaelétrica.mostr.t-sehojcdegrandeimportânciana área de scnsorcs. E o porquê é muito simples: medir é justamcn-teoquetodosensorfaz. mas sem o conhecimento de seu erro como saberemos se medimos certo? A partir daí o livro leva o leitora um passciopcloconccitodaclctrônicaanalógica.com dezenasdeexemplosdecircuitospráticosdecorno interfacear umtransdutoroudecomoprocessareletronicamcntcscussinais de saída. Nascquênciacntramosnaturalmcntcnostransdutorcs esensorespropriamcntcditos.capftulosessesquecobrem pra-ticamente todos os tipos de scnsores científicos e industriais ho -jeemusopcloplancta
Unindo esses conceitos com a parte experimental. na qual dezcnasdccxpcrimcntossàodescritosc sugeridos como exer -cícios de laboratório. esta obra toma-se uma referência cornple-taeimprescindfvelnabibliotecadeumcursotécnico.d auniver-sidadcounasuabibliotecaparticular.
Prof.Marceloi\lartinsWerncck Laboratório de Instrumentação e Fo111nica- UFRJ \'erâode2010
Aconstanteevoluçãotecnológicatornaanecessidadedeconhe-cimentosagregadosemdiferemesáreasumrequisitoimprescin -dível. Atualmente. não basta ao profissional da área das enge-nharias dominar um único campo do conhecimento. É preciso saber integrar minimamente recursos de apoio. seja de informá -ticasejadeuutrdsengenharias.
A instrumentação é um exemplo de área do conhcdmcnto que é fomtada por vários campos da engenharia ou das ciências Essacaracteristicaéenfatizadapeluscrescentesavançosnain - formáticaenaclctrônica.oqucfa7.comqucscnsoresctransdu-toressetomemcada vezmaisprecisosedependentesdessas tecnologias. Comuconsequência.éexigidodousuário umco -nhccimcntopréviodoassunto.
Nos mais diversos campos da ciência e engenharia. procedi-mcntosdecontrolc.mediçõcseautomaçàodeprocessostradi -cionalmente utilizam sensores de temperatura, pressão. fluxo e nível.entreoutros.salientamloaimportilnciadainstrumentação nodiaadiadaspessoas.Naáreadacngcnhariabiomédica.seja ern um leito de UTl. seja em uma clínica médica. sensores ou equipamentos baseados na instrumentação estão em uso. bene-ficiandoasaúdeeoconfortodapopulaçãomundial.
Este Hvroédestinadoaestudantesdeengenharia(níveisde graduaçãoepós-graduação)doscursosdeinstrumentaçãoeme -didas. A proposta é que seja uma referência bibliográfica em línguaportuguesaquecobreosseguintestópicos:fundamentos desensores.condicionad ores.assimcomutécnicasdeprocessa-mcntosdcsinaisanalógicoscdigitais
Estaobra.emfunçãodaabrangênciadaárea.foidivididaem dois volumes. os quais se caracterizam por uma abordagem tcóricacpráticaadcquadatantoainiciantcsquantoaprofis sio-naisdaárea
Obra em dois volumes. pode ser utilizada principalmente nasáreasdecngcnhariaefísica.OVolumcl trata de princípios edefinições.análisedeerros.fundamentosdeestatística.téc-nicasexperimcntais. análise de sinais c ruído. elctrônicaana- lógicacclctrônicadigital,mediçõcsdcvariávciselétricas.scn-soresecondicionadoresdetemperaturaeaindaumcapítulode laboratóriosenvolvendoostemasabordados.separadosemmó-dulos
O Volume 2 aborda tópicos como medição de pressão. me-diçàodetluxo.mcdiçãodenível.mediçãodeforça.rncdiçãodc deslocamento. velocidade. aceleração. rnediçào de vibrações.
medição de campos elétricos c magnéticos. além de mais um capítulodeprocedimentosexperimentais
Por ser uma proposta abrangente. procura fornecer detalhes qucintcrcssematodasasáreas.Sendoassim.circuitoseletrôni- cosdecondicionamento.bemcomotécnicasespecíficasdetra-lamento. podem ser direcionados aos cursos afins
Sugere-seque. paracursosdasengenhariasdc modo geral, os Capítulos I e 2 sejam abordados na íntegra. O Capítulo 3. apesardcscrumarcvisàodaárcadceletrônica.éútilnaexpla- naçãodealgunsscnsorescscuscondicionarncntoscdcvc,por-tanto. ser utilizado de acordo com o critério do professor. O Capítulo 4 aborda assuntos genéricos corno análise de sinais no domínio de frequência e a utilização de algumas ferramen-tas computacionais. mas também trata de assuntos específicos daáreadccngcnhariaelétrica,taiscomotécnicasdcsupressão de ruído. e pode ser utiliwdo de acordo com as necessidades do curso. Os Capítulos 5 e 6 apresentam detalhes de sensores etécnicasdcmediçãodcgrandezaselétricasetcrnperatura.Os autores acreditam que esses capítulos possam ser utilizados na íntegraparaqualquercurso.umavezquetratamdeassuntos de interesse genérico das engenharias. O Capítulo 7. o último doVolurne I. é composto de umasériedesugcstõesdeexpe -rimentos em ambiente de laboratório. para que todos os tópicos abordados possam ser aplicados c comprovados em aulas prá-Nestasegundaediçãurevisada.foramincorpuraduscunceitus importantes orientados pelo Vocabulário Internacional de Me -trologia (VIM). A seção que relata o cálculo de incertezas de medidas c sua propagação também foi substancialmente modi -ficada. Foram acrescentados vários exemplos práticos. além de um texto mais completo sobre o assunto.
Também furam adicionadas informações aos tópicos que es-tão associados a interferência c ruído em sistemas de medidas, aossistemasdeaquisiçãodesinais.dentreváriosoutros.Apesar dcaestruturaoriginaldaobratcrsidomantida.muitosassuntos foram aprofundados c, quando possível. mualiwdos segundo normasepadronizaçõesuniversaisvigentes
É importante reafirmar que o objetivo deste livro é fornecer uma referência em língua ponugucsa. no contexto de um curso semestral.capazdeauxiliardemaneiraeficaz.simplesedireta estudantes ou profissionais que trabalham com instrumentação c medidas
Prcfácioà2!Ediçiio xiii
Por fim, cabe esclarecer que os autore> não assumem qualquer contato dos leitores pam apontamentos relacionados a possíveL'\ responsabilidade por danos ou prejuízos causados em função de falhas. propostas de melhorias c dentais discussões aplicaçõesinadequadasdesugestõesapresentadasnestelivro.A
Agradecimentos Particulares
Ao finalizar este projeto, niio poderia deixar de registrar meus sinceros agradecimentos: aos meus pais Valmir e Maria Eliza-bcth (em memória). irmãos (Ricardo e Lnian) e minha compa-nheira c esposa A manda. Palavras são insuficientes para registrar a importância dessas pessoas. portamo deixo apenas o registro de seus nome1;. Aos inesquecíveis mestres da minha vida acadê -mica. em especial às professoras NcdaGonçalvcsc Maria Luí~a (Faculdade de Matemática -PUCRS). aos professores Valmir Balbinot e Wieser (Faculdade de Matemática-PUCRS). aos profcssorcsJuarclSagcbin.ArnaralcDarioAzcvcdo(Faculda-de profcssorcsJuarclSagcbin.ArnaralcDarioAzcvcdo(Faculda-de Engenharia-PUCRS). Aos grandes mestres e incentiva-dores na área da pesquisa: professores Alberto Tamagna. Álvaro Sallcs, Milton Antônio Zaro (Faculdade de Engenharia-UFRGS),
Renovo meu agradecimento a todos que por intermédio dos seus exemplos. dedicação e auxilio influenciaram diretmnente a rea~ lizaçãodcstcprojcto
Aos meus pais Pedro c Adélia, aos meus irmãos h•orcma e Lucas. em especial a esse pelas conversas e dicas proveitosas sobreváriosdostcmasabordadosnolivro
Mais uma vez devo demonstrar meu rcçonhecimento c grati~ dão aos bons professores que tive oportunidade de conhecer ao longo de minha vida acadêmica, aos colegas de profissão. aos alunos e ex-alunos. Agradecimento especial a Alexandre Lago e Milton Zaro. professores cujo tra!XIIho respeito e admiro pro-fundamente. Aos profcssorcsAhamiroAmadco Susin c Renato
professora Berenice A nina Dcdavid c Rubem Ribeiro Fagundcs (em memória) da Faculdade de Engenharia-PUCRS. A todos osestudantes.alunoseex·alunos.comdestaqueaosexcelemes bolsistas de Iniciação Científica Carlos, Diogo c Jairo, pela par-ceria em di~·ersos projetos. Ao colega Valner João Brusamarello, pelaparcerianestelivro.Aproveitotambémpararessaltarque: estudame de ciêtrcitlS exaws de1•e aprender tr gostar de trprender (aprender a aprender) e, portanto. ser autodidata. ter curiosi-dade e busctlr infomwÇtJes nas nwis dil'er.mJ fomes. Utilizando pa{al'ras do grande me.\·tre meu pai. ··ser eslrrdtmte e ntío apenas aluno"
Prof.Dr,Aiexandre 1\albinot
Machado de Brito, pelos bons exemplos e influência. Registro também um agmdecimento especial aos colegas Eng. André Bianchi. Leandro Souza c Adroaldo Lima. pelas preciosas con -tribuições e boa vomadc em ajudar. Ao colega Alexandre Balbi-not.cornquerncornpartilhoaautoriadestaobra.expressominha satisfação em contar com sua dedicação e competência desde o início do projeto
Por fim. faço um ;~gradecimento especial a minha esposa. Rita Becco. pelo suporte, carinho e compreensão dedicados à elaboraçãodestasegundaediçãodo livro.
Agradecimentos de Ambos os Autores
A equipe da LTC, em especial ao Prof. Bcnmrdo Severo c Carla Captivc Airc Systcms, Cclcsco. Emerson Proccss Managcmcnt, Caldas Nery. pela menção especial aos autores. Aos colegas Luiz Endevco Corporation. Flometrics. Hayashidenko Corporation. Carlos Gertz e Rafael Comparsi Laranja pela coautoria nos ca- lcos Excelcc Lida .. lndubr.1s lndúsuia e Comércio Ltda .. Kobold pítulos sobre força c vibrações. Aos estudantes de engenharia lnstrumcnts Inc., Minipa. Positck Ltda .. Lichnc lntcrnational (muitos atualmente formados). em especial Alceu Ziglio. Carlos Corporation. Lion Precision. Maxim lmegrated Products Inc .. Radtkc. Diogo Kocnig. Fábio Bairros. Fernando César Mordia- Microchip Tcchrmlogy Inc .. MicroStrain Inc .. Mitutoyo Sul Amé-to. Gerson Figueiró da Silva. Jairo Rodrigo Tomaszewski. Le- rica, National lnstruments, National Semiconductors. Ohmic andro Fernandes. Márcio Wentz. Maximiliano Ribeiro Cõrrea e lnstruments Corponuion. Omega. Sh-Hardware. Shangai Genui-Tiago Fernandes Borth. Davenir Fernando Kohlrausch. Éverson ne Trading Corpomtion Ltda .. KENCO Engineering. RMS l n-Magioni. Ismael Bordignon. Juliano Rosslcr. Márcio de Olivci- dústria de Equipamentos Eletrônicos Lida .. Rücgcr S.A .. Scn-ra Dal Bosco. Rafael Luis Turcatel. Leandro Corrêa. lrineu Ro- sorex Corporation. Tektronix. Texas lnstruments. Them10teknix drigucs. César Leandro AgostinL Cássio Susin. lgor Costela. Systcms Ltda .. Vishay lntcrtechnology Inc.. Endrcss+Hauscr lrineu Rodrigues. Carlos Frassini Júnior. Francisco Martins.Gus- Controle e Automação Ltda .. MTS Sensor Technologie GmbH lavo Rech. Luciano Rosa. entre outros-pela ajuda e participação & Co. KG. Interlitek Electronics. Yokogawa. WM Berg. pela em muitos dos projetos apresentados nesta obra. Além dos agra- colaboração. liberação de uso de imagens, circuitos c referências decimentos pessoais. não podemos deixar de registrar nossos específicas de componentes qualificando nosso livro agradecimentos às empresas: Analog Deviccs. Brüei&Kjaer.
Comentários e Sugestões
Apesar dos melhores esforços dos autores. do editor e dos revisores. é inevitável que surjam erros no texto. Assim. sào bem-vindas as comunicações de usuários sobre correções ou su-gestões referentes ao conteúdo ou ao nível pedagógico que auxiliem o aprimommcnto de edições futuras. Os comentários dos leitores podem ser encaminhados à LTC- Livros Técnicos e Científicos Editora Lida .. uma editora integrante do GEN I Grupo Editorial Na-cional. no endereço: Travessa do Ouvidor. li - Rio de Janeiro. RJ - CEP 20040-040 ou aoendereçoeletrônicoltc@grupogen.com.br.
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0.1 Introdução
-A história da instrumcnta~'no, assim como qualquer olllro tema envolvendo tecnologia. está rclacionad:l aos desenvolvimentos equestion:uncmosdcépocaspassndas.Asinvençõesquedeal -guma rnaneim rcvolucion:trJm o estilo de vida das pessoas. ou mcsmoaquelcspequcnosinvelltOSquefacilitaramalgumpi"Q-cesso. trouxeram av;mço 11. ciência. bem como nos meios de se medirem gr..mdezas físicas. Esse breve histórico çobre alguns instrumcmos que for.1111 im!X'rtantes para o desenvolvimento das sociedades e da ciência, bem como da tecnologia. De modo al-gum esse assunto 6 esgotado. Desde tempos muito amigos. em queanccessidadcimpcliusociedadesadesenvolveremprocessos simpleseúteisàsuasubsistência.mfostemposatuais.emque muitos gênios pro! agonizaram a cena por grandes realizações e descobertas. a ne<:essidade de medir quase sempre esteve pre-Nos dias atuais. toda descober1a científica necessita de com-pro\'ação experimental. Gerolrnente o processo de comprovação leva à necessidade de medição de gr.mde1.as que remetem às te-oria.~ e leis que fundamentam a ciência. Emretamo, alguns mi-lhares de anos atrás as prioridades eram diferentes. A observação permitia verificar que o tempo passava e de alguma maneird as propriedades climáticas eram cíclicas. A observação também permitia concluir que c~istiam períodos favoráveis tanto para o plantiocornoparaacolhcitadccuhurasagrícolas.Tambémcra possível observar que os dias eram cfclicos. de modo que prova-\'elmcnteotcmpoterii.rnotivudoumadasprirncirasnecessidadcs de medição.
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0.2 Histórico da Medição do
Tempo
---Ape&ar de apresentar uma dificuldade de definição filosófica. o tempo é. nos dias atuais. a quantidade ffsica mais preci&amentc medida do ponto de vista físico. Pode-se afinnar que existem duas escalas de tempo referenciais fundamentais e independen-tes: aescaladetempodinãmica.queébaseadanaregularidade de movimentodoscorposcelcstes fixos em suas órbitas pelas leis da gravitação. e a escala de tempo atômica. a qual é baseada nafrequêndacaracterísticadaradiaçàoeletromagnéticaemitida
ou absorvida nastransiçõcsqufinticasentrcestadosdecncrgia dc:ltomosemolé<:ulas.
Durantcmuitotcmpo.asnccessid:tdcshurnanasrelacionadas àrnediçãodotcmpoatcndiam apcnasafinsnômades,oucntão ao conhecimento das estações do ano para otimizar o plantio c a colheita das culturas agrkolas. Essas necessidades eram per-fcitarnenteatendidaspclacontagcmdasfascsdaLua,edurante muito tempo essa foi a maneira de medir os períodos.
À medida que o homem foi se agrupando em comunidades c: vilas.surgiramcerirnÕiliasrcligiosas.etomou-scnecessáriauma medida mais refinada do tempo. As primeiros civilizações con-centraram-se em tomo do Mediterr.inCQ, onde: surgirom os pri-meiros dispositivos paro medição de tempo.
O primeiro dispositivo de que se tem registro paro a medição do tempo foi og11ómmr. que surgiu por volta de 3500 a.C. E~se instrumento consiste em uma barro •·enical. na qual o Sol pro-jeta uma sombra. O comprimeruo dessa sombrn. ponamo. era relacionado ao tempo. A Figura 0.1 ilustra uma vareta para pro-jeçàodesotnbrn.
Por volta de 800 a.C., já er~m utilizados instrumentos mais precisos. Um desses instrumentos ern o smrdür/, um relógio de
2 CapftuloZero
Figura 0.2 Relógio de sol.
sol utilizado pelos egípcios. O relógio con~i~tia em uma base extensa ligada a uma esuutura. Aba~ continha 6 divisões de tempo. e era colocada na direção leste-oeste. com a cruz no lado lestcpelamanhãcocstcpelatank:.Asombr.ldacruzprojetada na base iodicavao horário. A Figura0.2 mostra um S1111dial. e a Figura 0.3 mostra outra configuração de relógio de sol.
Provavelmente. o mais preciso desses dispositivos foi o reló-gio desenvolvido pelos caldeus. tribo de Moisés considerada o primeiro povo a dividir a noite e o dia em 12 hora~ cada. Os re-lógios de sol hemisféricos da Babilônia. aparentemente inventa-dos pelo astrônomo Barosus em aprollinmdamente 300 a.C .. eon- sistiarncmumblococúbieo.noqualexistiaum:lcntradahemis-ftrica. À entrada era fixado um ponteiro cujo final era preso no centro do espaço hemisférico. A trajetória traçada pela sombra do ponteiro era aproximadamente um arco dn:ular cujos com-primento c posição varia\·am de acordo com as estações. Um n6meroapropriadodean:oseradesenhadonasuperficíeinterna do hemisf<!rio. Cada arco possuía 12 divisões. Cada dia. desde o surgimento até o pôr do sol. tinha 12 intervalos iguais, ou ho-ras. Uma vez que a duração do dia varia de acordo com a estação. cssashor.tserJmvariávcis.
Os gregos desenvolveram e construíram relógios de sol de cornplellidnde considerável entre 300c 200 a.C.. incluindo ins-trumentos com indicadores de horas vcrtic:tis. horizontais ou inclinados. Os romanos também utilizaram relógios de sol. e alguns eram portáteis. Os árabes melhoraram o desig11 desses relógios c. no início do século XIII d.C.. constru(ram tais instru-mentos sobre superfícies cilfndricru; ou cônicas. entre outras. O instrumento de medição do tempo continuou C\"Oluindo. Come-çaram a ser desenvolvidos mecanismos de relógios cujo princí-pio de funcionamento era baseado no tempo de eochimento de um \"O]ume de água com vazão constante.
O primeiro relógio público. cujo funcionamento era baseado ernurnrnecanismoquercpetemovinrcntosiguaisernespaçosde tempo iguais, foi construído e instalado em Mililo (Itália) em 1335. Aproximadamente no ano 1500surgiram relógios portáteis baseados em molas. e em 1656 surgiram os primeiros relógios baseados em pêndulos.
Figura 0.3 Outra conliguraçikl de relógio de sol.
A subdivisão do dia em 24 horas. da hora em 60 minutos e do minuto em 60 segundos é de origem antiga. mas css:ts subdi-visões tomarnm-se de uso geral em aproximadamente 1600d.C. Quando o aumeuto da precisão dos relógios ]e\·ou à adoção do dia solar médio. o qual contém 86.400 segundos. o segundo so-lar médio tomou-se a unidade de tempo básica.
O segundo. conforme o atual Sistema Internacional (SI) de medidas. foi definido em 1967 corno 9.192.ó31.770 ciclos de radiaçàoassociadaàtransiçãoentrcníveisdeestadodoátomo de césio 133. O nUmero de ciclos foi escolhido para fazer o comprimento do segundo corresponder tão próximo quanto possh·el ao padrlo definido anterionnente: 1/86.400 do dia solarm&Jio.
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0.3 Histórico da Medição de
Pesos e
Medidas
-Com a organizaçilo das pessoas em sociedade. começaram a surgirrnciosdcpcrrnutacmoedasc.assirn.ocomén:io.Édese espcrar.portanto.quepadrõesdevarnsurgirpamqucexistauma referência de medida
Outr.1s necessidades- como. por exemplo. na arquitetura. a execução de projetos corno ru; pirâmides- evidenciam que os egípcios possufam havia muito tempo um sistema de pesos e medidas. Escrituras e gravuras em tumbas de pessoas medindo grãos deixam claro que esse po\'O jã havia organizado um si ste-ma de unidades.
A história sugere que aprollimadamcnte 5.000 unidades e pa-drõcsdcmcdidasní sticascinrprecisascramutilizados.Emal-gum ponto da história. homens, principalmente comen:i:mtes, faziam suas referências com medidas de panes do corpo. Assim. um comprimento ou altura podia ser definido em número de rnàos.JXrltnosoupassos.Curiosamente.osis tetn:linglêsfoiba-seado nessas medidas: pé. polegada. A Tabela 0.1 mo~trJ. algumas curiosidadcscmrclaçãoàsunid:tdcsdcmedidas.
As primeiras tentati,•as de medidas tinham b;tsicamente dois elementos principais: um era a sua unidade ou então sua defini -ção em rela-ção à aplica-ção daquela medida. Dessa forma. dis-tâncias eram dadas em passos ou dias de ca\·algada. e um acre foi pensado como a ãrea de terra que podia ser trJ.balhada por 11111 homem em um dia. O outro elemento era que essas unidades fosscnrbasc;~dasernunidadesconhecidascomopés(/ut).mãos (lwm/-sp<m.~). entre outras
lssoserviamuitobemparaamaioriadaspropostas.nrasdes-decedosevcrificouanecessidadedepadronizaç~o.Porellemplo. no antigo Egito. o côwulo era conhecido corno a distância do
Breveliistórindnlnstrumentação 3
Tabela 0.1 Curiosidades sobre padrões de medidas
Século X Reis saxões Edgar e llcnriquc r definiram uma jarda (yard) como a distância da ponta do nariz ao dedo polegar Ricardo Cora<;·ào de Leilo- primeira documenta<;·ào de padronização de medidas
SéculoXIIJ Eduardo I: definições 3grJ:o'idecevada= r polegada 12polegaJa'i= I pé 3 pé~= r jarda (Jan/ou ulna)
5 Y,jarda~ = I vara (também igoal aocomprimentodoeombinaJodo'i 16 pés esquerdo~ do~ primeiro'< 16 homens a 'iaíremdaigrejanodomingo)
40 var.ll' X 4 varas = I acre (também a área com que um homem munido de um machado p<J<le trabalhar I dia)
colovelo à ponta do dedo médio da mão (essa medida foi prova-velmente aumentando em termos absolutos ao longo do tempo devido à variação da estatura humana). Em 2500 a.C. foi pa-dronizado corno côvado mestre real. feito de granito negro com 525 rnrn de comprimento, aproximadamente o comprimento do antebraço de um homem. O côvado real podia ainda ser dividido em ?larguras de mãos. as quais. por sua vez. podiam ser dividi-das em 28 larguras de dedos. A Figura 0.4 mostra alguns padrões provavelmente adotados no antigo Egito.
Após a ocupação dos persas. foi adotado o côvado persa. de 63.85 em. Medidas de dimensões grandes como comprimentos de terra tomaram diferentes formas. O comprimento do re111en duplo eraigualàdiagonaldoquadr.illo.ccadaladomediaumroytllcubir Esta medida era 74.07 em e podia ser dividida em quarenta peque-nas unidades de 1.85 em cada. Outra medida para terra era a me-dida da corda (conhecida como w ou me!t-w) de lOOcôvados rl'ais. e uma área podia ser medida por um ~·etjat. o qual media 100 cô-vados quadr.tdos (mais tardechamadodet/rollra). Uma medida de comprimcntoaindarnaioréochamadoril"er-unit.Aparentemcntc esta medida consistia em 20.000 côvados. ou cerca de I 0.5 km
Figura 0.4 Padrões de unidade adO(ados no antigo Egito
NaGrã-Bretanha.ape;;ardeterhavidoumasériedetentativas dcpadronização.otrabalhornaiscmbasadocsustcntadosurgiu apenas no século XIV. quando foi publicado o seguinte texto: ""( ... ]ordena-scque3gràossecosearrcdondadosdecevadafa-zcm urna polegada; I 2 polegadas fazem um pé; 3 pés fazem uma ulna. e 5Vz ulnas fazem 1 rod [ .. .]".A ulna mais tarde tornou-se ajardaefoipadronizadacomoadistànciaentreduasmarcasem urnabarrademetal
Autilizaçãodesementescornounidadesbásicasdepesoteve lugarespccialnodesenvolvimentodemedidasdepcsosdurante muito tempo e em muitas cultur.ts. Na Inglaterra. três sistemas depesopersistiram:ogrãotinhaumafunçàomuitoútilescrviu a todas essas três unidades. de modo que podia ser convertido deumaparaoutra
O sistema métrico surgiu oficialmente na França em 1799. com a seguinte declaraç~o de intenção:"'( ... ] ser para todas as pessoas em todos os tempos .. :·. A principal ideia era que todas asunidadesfosscmdependentesdefatosnaturais.Onretmfoi dcfinidocomoadécimamilionésimapancdc 14dacircunfcrên-cia da Terra (do Polo Norte à linha do equador) passando por Paris. Para essa medida. Jean-Baptiste Joseph Delambre ( 1749-1822) foi o astrônomo que comandou a pane norte de uma ex-pedição meridiana e Pierre François André Méchain (1744-1804) comandouapartesul.Esscsastrônomosfizeramasmedidascom um instnnncntodenominadocírculo repetidor, inventado pelo físico Jean Charles de Borda ( 1733-1799)
O grama foi definido corno o peso de um centímetro cúbico de água pura.
Quando meios mais precisos de medição de comprimento começaram a surgir. foi revelado um erro na definição do metro Issolevouàprocuradenovospadrõcs.agoramaisrobustosque os primeiros. Inicialmente o metro foi definido como a medida deumabarradeplatinacomadimensãoexmadadefiniçâo.
Essencialmente. os novos métodos baseados em fenômenos físicos só podem ser observados em laboratórios espccialrnente equipados.Hojeometroédefinidocomoadistânciapercorrida por um feixe de luz no vácuo em ~ de segundo. Isso é consideravelmcntcmaisprecisoqucduasmarcascmumabarra e. além disso. pode ser replicado.
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0.4 Histórico do Barômetro
-Em urna carta. datada de 1630. Giovan Battista Baliani pergun-tou a Galileu Galilei por que um sistema de transporte de água
4 CapfTuloZcro
que ele havia projct:~do não funciona'':!. Esse sistema consistia em um simples amnjo hidr.lulico. no qual um duto de água de-,·eria carregar o líquido sobre urna ladeira de 21 m. O sistema denomin:~v:~-sc sn,lum. c era b:lscado em uma bomba de sucção de ar de maneira semelhante às bomb:ls atuais.
No entanto. na época acreditava-se que as bombas criavam vácuo. e. como a "natureza odeia o vácuo··. a água era impelida a OCUp;lf o espaço evacuado. Acreditava-se que não ha.via limite dealturaparafa7.crumacolunadeáguasubir.GalileuinvC!;tigou a situação e concluiu que os limites d:~ bomba de sucção eram de li m de colu11a. Acima dessa altura a força do vácuo era ill -suficienteparasuportar:lCOiunadcágua.
Galileuçompartilhouapreocupaçàoquantoaoprobleiii:l.COm seu disdpulo Torricclli. Torricclli. então. projetou um experimen -to conduzido por seu disdpulo Vincenzo Viviani em 1643.oqual provou que o ar tem peso. Eles havimn çonstroído um protótipo de um barúmetrode mercúrio. De inicio Torricelli utilizou água. rnaseranecessárioumtubodevidromuitolongo(l8m).S ubs-tituindoaágu;1pormcrcúrio.<JUCàtcmperatumarnbienteélíqui -doecujadcnsidadcéaproximadmnentcl3vet.esmaiorqueada água. ele reduziu o tubo par:1 aproxinmdamentc 90 çm.
O instrornento de Torricelli consistia em um tubo de vidro longo com uma das extremidades fechada. O tubo era preençhi-do com mercúrio e em seguida invertido em urna base que tam -bém continha mercúrio. A Figura 0.5 mostrJ o esquema do in s-TrumcntodcTorricclli.
Em vez de sair completamente do tubo. a altura da coluna se estabilizava em um nÍ\'el de aproximadamente 76 em. Pequenas nutuaçõcs eram observadas. c hoje se sabe que eram devidas a pequenas nutuações n:l temperawra c na pressão atmosférica. Torricelli çoncluiu que a toluna de mercúrio se estabilizava de-vido ao peso ou à press!lo que o ar exercia na base do experi-Como açontoce muitas vezes em ciência. uma linha de racio-cínio ocorre em lugares diferentes aproximadamente na mesma
Figura 0.5 Bar6mctrl)dc:Torricelli
Figura 0.6 Barômetro de escala cin:ular.
época. Existem evidências de que pelo menos outros dois pes-quisadores também desenvolveram um barômetro. DocumenTa-ção histórica sugere que o rnnterniitico italiano Gaspar Bcni tam -bémtrabalhounoproblemaqueprcocupnvaGalileueconstruiu um barômetro alguns anos antcsdeTorricelli. Oticntista filó-sofo francês René Descartes descreveu um experimento de um sistema para a detennim1ç~o da pressão atmosférica em 1631. mas não existem evidências de que tenha algum dia çonstruído oststema.
Em 1648. o matemático francês Blaise P.Jscallançou a teoria de que a pres!õão atmosférica cafa em altitudes acima do nível do mar. Em seu experimento. um barômetro foi levado ao topo de uma mootanha a 1.490 111 do nível do mar. e obser.'ou-se que açolunadcmercúriocaiua8.6cm. Durantcaproximadarncmc 20 anos após esse fato. o desenvolvi meu to do b:lrômetro foi len -to. Foi quando. em 1665. o cientista inglês Robcrt Hooke crioo obarômctrodcescalacircular. A partirdccntãoobarômetro passou por um século de grnndes progressos. A Figura 0.6 mos~ tra um barômetro de escala drcular.
Ousodapala\'rabarômetroparadescn:vcroinstromcmode medida de pressão é atribuída oo ciemista inglês Roben Boyle. que em l669descreveu planos par-.1 acoustruçãode um bar ôme-tro poniitil. O conceito de barômetro $em líquido foi primeira-mente lançado pelo materniitieoGottfried Wilhehn Leibniz. por volta de 1700.AprimcirJI"CI"lõàodcssaideiafoiconstroídapclo cientista francês LucicnVidic.autordoschmnadosbarômctros aneroidcs metálicos. Esse novo instrumento não apresentava o problema de hal"cr urn lfquido que poderia derramar por todo o instrumento pelo fato de ser selado. Isto fczçorn que se tomas-se o primeiro barúrnetro portátil. Dessa forma. ele tomou-se um instrorncntocomumeextcnsamcnteutilizad onasárcasrclaçio-nadasàrncteorologia.
Atualmente. os barômetros 11neroidcs foram substitufdos por sensorcselctrônicos.osquais.quandoconcctadosa mitropro-cessadores. se tomam precisos e bastame flcxfvcis a uma série de aplicações na medição de pressão
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0.5 Histórico do Termômetro
-Os primeiros termômetros eram chamados de tcrmoscópios. e. enquamoalguusinventoresdcsenvolveramversõesdesseinstru-mento ao mesmo tempo. o in,·entor italiano Samorio Samorio (1561-1636) foi o primeiro a atrescentar urna escala numérica
ao iustrumcnto (por esse motivo. alguns autores citam Santorio cornoinventordoprirneirotermômetro)
Em 1596. Galileu Galilei inventou um termômetro de água rudimentar. Esse instrumento permitiu que. pela primeira vez. variaçõesdetemperall.lrapudessemserlidas.Em 1714.Gabriel Fahrenheit inventou o primeiro termômetro de mer.:úrio. iustru-mcntoqucéutilizadomualmcntc
Apesar de Galileu ser aclamado por muitos autores como o inventor do primeiro termômetro. o instrumento não media a tcmpcratura- apenasindkavadifcrcnças.Porissooinstru-mento desenvolvido por Galileu de~·e ser denominado terrnos -.:ópio. O pre.:un;or do termômetro é um instrumento sem esca-la.qucapenasindicavaasdifcrençasdctcmperaturacsópodia mostrar se a temperatura estava acima. abaixo ou igual. Não permitia. portamo. que uma temperatura fosse registrada para futura referência. O tcrmoscópio foi largamente utilizado por um grupo de pesquisadores em Veneza. incluindo Galilcu.
Até o início do século XVII. não existiam maneiras de medir ouquantifkarcalor.Santorio(l561-1636) irwcntoualguns ins-trumentos: um medidor de vento. um medidor de escoomento de água. o puliilógio. c um termoscópio. o precursor do termô-metro. Em 1612. ele aplicou pela primeira vez uma escala nu -mérica ao seu termoscópio. e é considerado o inventor do ter-mômetro. O instrumento de Santorio era um termômetro de ar. Tinha baixa precisão. e os efeitos da variação da pressão atmos -férka ainda não eram compreendidos na época
O primeiro termômetro líquido em vidro fechado, bastante conhecido awalmeme. foi produzido em 1654 por Ferdinando 11(1610-1670).duquedaTos.:ana.Seutcrmômetroerapreenchi-do com álcool, c, apesar de representar um avanço significativo. ele não tinha boa precisão e não utilizava uma escala padrão.
Em 1714. Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). cientista alemão. inventou o termômetro de mercúrio. A expansão do merctírio. associada a melhoramentos no vidro. levou a um in -cremento significativo na precisão dos termômetros. Em 1724. Fahrenheit introduziu aesealadetcmperaturaquc levaria seu nome. Utilizou os novos pontos fixos de temperatura para fazer um padrdo de seu novo instrumento. Fahrcnhcit dividiu os pon-tos de congelamento e fervura da água em 180 divisões. Trinta
Brevcl-listórindnlnstrurnentação 5 c dois (32) foram escolhidos para o ponto mais baixo. de modo que não haveria valores negativos nem abaixo daquele ponto (menores medidas .:onseguidas por ele em seu laboratório . .:om umamisturadcgclo.salcágua).Algumasvczcssugcriu-sequc Fahrenheittcriadivididosuaescalaern IOOgrausutilizandoa temperatura do sangue (in.:orretamente medida) e o ponto de congelamentodaágua,oqucnãoévcrdade
Em 1731. o francês René Antoinc Ferchauld de Réamur (1683-1757) propôs uma escala de termômetro no qual o
o
o
represen-tava o ponto de congelamento c 80° o ponto de fervura. A csea-ladeRéarnurnãoémaisutilizadaatualmenteEm 1742. o astrônomo sueco Andcrs Cclsius (1701-1744) su-geriu um termômetro com 100 divisões entre os pontos de con-gelamento e de fervura da água. Celsius escolheu 0° para o pon-to de fervura e too• para o pouto de congelamento. Um ano mais tardc.ofrancêsJcanPierrcCristin(l683-1755)invcrtcuaesca- laCelsiusparaproduziraescalacentígradautilizadaatualrnen-te (O •c para o ponto de congelamento c 100
oc
para o ponto de fervura). Em 1948.dccomumaeordo. aesealadctcmpcratura adaptadaporCristinfoiadotadapclaConfcrencialntcrnacional de Pesos c Medidas. Passou a ser conhecida como escala Cclsius. e é utilizada atualmenteEm 1848. Lord William Thomson Kclvin deu sua contribui-ção. Desenvolveu a idcia de temperatura absoluta. a qual é eon-sideradaasegundaleidatennodinâmiea.edcscnvolvcuateoria dinârni.:a do calor. Em sua teoria. Kelvin propôs que a tempe-ratura de oo absoluto (O K) seria a menor temperatura possível. àqualqualquermovimenlodepartículasatômicascessaria. Kel-vindefiniuqueavariaçãode I gr.tu Kelvinseriaequivalenteà variação de 1 grau Cclsius. Atualmente, o grau Kclvin é a uni-dadepadrãoparamedidadetempcratura.
Si r William Thomson. bar .lo Kclvin de Largs. Lord Kelvin da Escócia (1824-1907), estudou na Universidade de Cambridgc c rnaistardetornou-seprofessorde FilosofiaNaturalnaUniversi-dadc de Glasgow. Entre outros feitus seus podem-se citar a dc;;-cobcrta do efeito Joulc-Thomson dos gases, seu trabalho no pri-meiro cabo para telégrafo transatl~ntico, a in~·cnçâo do galvanô-metro de c;;pelho. o gravador sifão. um sistema mecânico par.t prcvisãodcmaréseomelhommcntodabtíssolaparanavios.
4
1.1 Introdução
-Ao oontr.1rio do que muitas pessoas acreditam. a palavra INSTRU-MENTAÇÃO significa muito mais do que sugere. Na verdade. a maioria dos cursos de instrumentação deveria ter em seu título um oome genérico o suficiente para relacionar a mediçOO de grande-zascmqualquerprocesso.AinstnutJCillaç11oestápresente.por exemplo, em uma instalação elétrica. na simples medida da tensão elétrica de uma residência (220 V ou 110 V). Está presente no controle do sistema que está gcr.mdocssa tensão -seja, por exem-plo. na medição da velocidadedaturbinaquegirndcvidoàforça da:!guacmurnahidrclétrica.sejamrnvésdamcdiçãodaprcssiio do v:1por em uma usina tennelétrica ou no controle das reações nucleares que ocorrem em uma usina nuclear. A medição dos pro-cessoséqucdetcnninaospadrõesepcnnitequc s.:ja mreferen-ciadas ullidadcsàsdivcrsasgrnndezas.
A imponância da Instrumentação poderia ser resumida em umafra se:''Amediçãoéabasedoprocessoexperimental."'Sc-ja em um processo que deve ser controlado, seja em pesquisa ou ctnumalinhadcproduçãodentrodeumaindústria.oprocesso damediçãodegrandczasfísicasffundamental.
As técnicas experimentais têm mudado profundamente nos últimos anos devido ao desenvolvimento de instrumentos eletrô-nicosecontroladoresimeligentesdeprocessos. Essa tendência dcvesemamcr,c.pamatenderàdcmanda.oopcradordcveestar familiarizndocom os princípios básicos de instrumentação e as idcias que governam o seu desenvolvimento e a sua utilização Obviamente. o conhecimento de muitos prindpios de instrumen -tação é necessário pam realizar um experimento bem-sucedido. eessafarnzãopelaqualaexperimentaçãodcverespeita rpro-ccdimentos. experimentais criteriosos. beneficiando-se de uma bem-planejada metodologia. Ao projetar um experimento. o in-divfduoprecis.ascrcap1l7.deespecificara variável físicaeco-nheçcr as leis da física. Depois é neçessário o projeto ou a apli-cação de algum instnnnento, quando !;trá necessário o co nheci-mento dessa aplicação. Por fim. para analisar os dados. o indi-viduo deve combinar as carnctcrísticas do processo físico que está sendo medido com as limita'fÕCS dos d:tdos coleuulos.
Antcsdeiniciaroprocedimento.oexpcrimentalistaprecisa conhecer o processo. bem como estimar as incertezas das medi
-das tolcr:íveis p:m1 o bom andamento do sistema como um todo. Oobjetivodocxpcrimentoditaráaprecisãonecessária.osc us-tos. bem como o tempo que deve ser empregado nessa tarefa. Uma calibrnção de um termômetro de men;úrio pode ser consi -dernda um processo relativamente simples c que depende de tempo e equipamemos limitados. Por outro lado. medir a tcm-pcmturadeumjatodcg;isa l60CI°Ccomprecisãoen,·olveria muito mais cuidados. Medições executadas por labor:noristas inexperientes frequentemente supõem que um expcrimelllo é f<kil de ser exeçutado. "ntdo de que precisam é conectar alguns fios e ligaroinstrumentopar.l.queosdadosoomeccmaserar-mazcnados. Mal sabem que um instrumento que faz pane do processo pode estar nwndando dados ermdos ou com nh•eis de erros demasi11do altos. que podem comprometer todo o expcri-mcmo.
Além disso. mesmo que todos os instrumentos estejam fun~ cionando perfeitamente. se os dados não forem tratados corre-tamcmc. ou. ainda. se não fi1.ercm parte de um processo de co-leta projetado adequadamente. o experimento poderá estar per-dido. Enfim. um cauteloso planejamento dos procedimentos ex-perimentais f um ponto de extrema importância.
4
1.2 O Método Cientifico
-Paraqueumcicmistn investigueosfenôme11osda nntureza. f preciso que ele cot1heça os processos envolvidos. Depois de levantar todas as informações possíveis sobre o fenômeno. o experiment;ldordeverámedirvari:íveisqueestàorelacionadas a esM: fenômeno. Com as infonnações colhidas. scr:i constroída uma hipótese que segue um rnciocínio lógico e coerente com a observação e a base de dados sobre o fenômeno. Veja a Fi -gurai. I.
A realização de uma medida é considerada um experimen-to. e os procedimentos adotados de'"erão seguir uma meto-dologia. Esse método deve envolver a formação da base de conhecimentos. a realizaçâodeexperimentoscontroladose sua avaliação. É importante ressaltar que a necessidade de um método é importante não só para a confiabilidade da me -dida. m:ts também para que ela possa ser repetida por qual-quer pessoa.
Figura 1.1 Pmcedimentn genérico de método científico
Conceitosdelnstrumentação 7
4 1.3 Grandezas Físicas
-Asgmndezasfísicassàoasvariáveisouquantidadesqueseriio rncdidas.Siiosinônirnasasexprcssõcsvariávcldc medida. variá~ vel de instrumentação e variável de processo. Essas variáveis podem ser os objetivos diretos ou indiretos de urna determinada medida. Um exemplo de medida indireta é a detecção da de for~ mação mccãnica causada por uma força. quando o objetivo é dcterminaraintensidadedaforçaaplicadaSegundo o Vocabulário Internacional de Tennos Fundamentais c Gerais de Metrologia (VIM)'. grandeza é dclinida como: "P ro-priedadcdeumfcnômcno,deurncoJVOOUdeumasubstànciaque se !X'de exprcssarquantitativamente sob a fonna de um número e de uma referência." O ,·alor de uma gr.J.ndcza representa a "ex-pressiioquantitativadeumagrandezaespccífica,geralrnentcsob a fonna de uma unidade multiplicada por um número".
Essas variáveis !X'dem ser classificadas em relação a suas caracteristicasfísicasconforrneTabcla 1.1.
O método para executar a medição de uma dctcnninada gran -dezaébastantevariáveledependedefatorescomo:custos.pos
-'Documento produzido fl"loJCGM (Joim Cmnmilru focO~<itluin Mnrology), o qual t fonna<lo por organiz.açÕ<'S ron>o lliPM -IJ1<r<au lm~nwiÜIIUll du Pt>id> t'1 Mr.<uff.<. tEC-Imrmaritmal Elt!Cimucilnica/ C<muni.uitm. IFCC -ll!t~m"· rional Fedaarion o/Ciürirol Chrmi.<lry <llull.<r/>oralol)' Mediân~. ILAC-In· l~marr'onal fn/>oraiOI)' Arrmlimtion CooMmlion. ISO-/nternmional OT}Ja· ni:;mion for Smn,/allfi;ntion. IUPAC-lm.,matiorw/ Union of Pu"' a11d App/r'"d Chemistr-y, IUPAP -lrrtemmiona/ Union ofPu"' and Applie1/ PJ.ysicsc OIML -/nternmiona/OT}Janr'zntionofUga/Metro/ogy
Tabela 1.1 Classificação das variáveis por características físicas
Variáuistérmiws-relacionadaãcondiçãoouãcaracterísticado material. Dcpcndcdacncrgiaténnicadomatcrial. \'ÍJriá;·ei;·demdiaçiia-rclacionadasàcmissi\o,propagação,rcflcxi\o
eabsorçãodecncrgiaatravésdoespaçooumravésdemaleriais Emissãn.absorçàocpmpagaçãocorpuso::ular. Variá;·eisdefarÇil-relacionadas à alteração de repou~oou de
movimento dos corpos
Taxa de mriáwis-relacionadas à taxa com que um corpo ou uma \'ariál·clmedidascafastaouscaproximadeumdcterrninadoponto dcreferênciaouàlaxaderepcliçàodeumdeterminadoevento.O tempo é >empre um componente da medida de taxas Variáwisdeqlumrülmle-relacionadasàsquantidadesdematerial
existentedentrodelimitesespccfficosouqucpassasobreumponto numdctcnnioadopcríodo
\'ari<h·eisdepropriedadesfísicas-relacionadasàspropricdades fhica_,dematcriais(excetopropriedadesrelocionadasàmassaou composição química)
Variá>"<'isd.,comt>asiçlloqufmim-relacionadasàspropriedades químicaseàanális.cdcsubstãncias.
\'Ílfiá;·ei;·c/élricllS-rclacionadasàsvariaçõcsdcparlmctros elétricos
Exemplos
Tempcratura,tcmpcraturadiferencial.calorespcdfico,entropiae cntalpia
Radiaçãonuclcar.Radiaçãocletromagnélica:(infrai'Crmdho,luz visível.uhraviolcta).RaiosX.raioscósmicoseradiaçiiogama. Variáveisfmométrkascvariáveisacústkas Peso,forçatotal.mnmentndctorque,tens;iomecânica.forçaJX>r
unidadcdeárea,pressâo,pressâodiferencialevácuo Vazâodcumdctcrrninadofluido,fluxodcmassa,acclcração.
frcquéncia.vclocidadclinear.vclocidadcangularevibraçilo
Massa e peso a uma gravidade local. Vazão integrada num tempo, volumc,espessuraemolsdcmaterial.
Densidade,umidade,viscosidade,consisténcia,caract{'TÍSticas estrutumiscomodu<'libilidade,dureza.plasti<·idade.
Medidas quantitativas de CO,, CO. H,S. NO,. S. SO,. C, H,, Cll4 , pll, quahdadedoareváriossol•·cntescqufmicos,entreoutros. Tcnsâo,correntc.resistência.coodutãncia.indmftncia.capacitftncia.
8 CapítuloUm
sibilidades físicas. incerteza. tempo. entre outros fatores. Deve -sedeixarelaroqueeadaprocessotemsuaspeçuliatidadeseque aspectos econômicos bem como o tempo envolvido na medição são secundários quando o objetivo é coletar dados confiáveis.
ldealmcnte.busea-seo,·alor,·erdadeiro(deumagrandeza). ou. conforme o VIM. o valor compath·el com a definição de umadadagrandezaespeçílíea.Éumvalorqueseriaobtidopor uma medição perfeita. e. portanto. valores verdadeiros são. por natureza. indeterminados. Entretanto. pode-se utilizar o \'aior convencional, o qual eo11siste 110 valor atribuído a uma grande-za por acordo para uma dada finalidade
Em um determi11ado locaL o valor atribuído a uma gr.mdeza. por meio de um padrJo de referência, pode ser tomado como um valor verdadeiro convencionaL Por exemplo. o CODATA' ( 1986) recomendou o valor para a constante de Avogadru como 6,0221367 X IQllmol '.Ovalorvcrdadeimcom·enciollaléàs vezesdenominadovalordesignado.mclhorestimativadovalor. valorconvencionalouvalordereferência.Frequentemente.um grandenúmeroderesultadosdemediçõesdeumagrandezaé ulilizadopamestabelecerum valorverdadeiroeonvencional. 41 1.4 Unidades de Medida
-A criação do sistema métrico decimal na época da Revolução Francesaetambémactiaçãodedoispadrõesdeplatinaparaa unidade do metrocdoquilogr.tmaem 22 dejunhodc 1799 cons-tituíram o primeiro passo para o desenvolvimento do Sistema Internacional de Unidades atual.
Em 1832. Gauss promoveu a aplicação do sistema métrico. sustentandoqucesseseriaumsistemaconsi stenteparaaapliea-ç5o nas ciências físicas. Gauss foi o primeiro a fazer medidas absolutas da força magnética da Terra com base no sistema mé-trico. As unidades milímetros. gramas e segundo foram utilizadas para as grandezas de comprimento. massa e tempo. respectiva-mente. Alguns anos mais tarde. Gauss e Weberestenderam essas medidasparaineluirofcnômenoelétrico.
Essas aplicações no campo da eletricidade e eletromagne-tismo foram bastante desenvolvidas na década de 1860. com Maxwell e Thontson liderando a Associação Britânica para o Avanço da Ciência (BAAS). Formularam um requerimento pam umsistemadeunidadcscocrcntccomunidadcsbásicascdcri-vadas. Em 1874 a BAAS introduziu o CGS. um sistema de uni -dades baseado em três unidades: centímetro. grama e segundo. utilizando prefixos variando em uma faixa de miem (10-6) a mega ( l<t) pam expressar submúltiplos e múltiplos decimais. O desenvolvimento seguinte da física como uma ciência experi-mental foibascadoncsscsistcma
As dimensões do sistema de unidades CGS nos campos de ele -tricidade e magnetismo provaram ser inconvenientes. Assim. na década de 1880. a BAAS c o comitê da Comissão Internacional de Eletticidade(IEC)aprovamm um conjunto de unidndespr;iticas. Entre elas. estavam o ohm. o volt e o ampere para a resistência elé-trica,atensãoelétricacacorrenteelétrica.respeçtivamentc
Depois do estabelecimento da convenção do metro. em 20 de maio de 1875. o Comité Internacional de Pesos e Medidas (CIPM)
'CODATA-Commillee"" Dm"for Scie11ce ~"'/ Teclmology
conccntrou-senaconstruçãodcnovospmtótiposparaospadrões metro e quilograma como unidades básicas de comprimento e massa. Em 1889. a Conferência Gemi de Pesos e Medidas (CGPM) sancionouessespmtótipos. Juntamcntccomo>cgundo.cssasuni-dades constituíram um sistema similar ao CGS. tendo. porém. como unidades básicas o metro. o quilograma c o segundo.
Em 1901, Giorgi mostrou que é possível combinar as unidades desse sistema (metro. quilograma. segundo) com as unidades elé -tricas para formar um sistema simples e coerente de quatro uni-dades.eaquartaunidadeseriadenaturc7.aelétrica,comooohm ouoampCre.possibilitandoqueasequaçôesdoele1romngnetismo pudessem ser reescritas de forma r.tcionalizada. A proposta de Giorgiabriuocaminhoparaumgrandenúmerodenovosdescn-volvimentosnaáreadaeiêneiaexpetirnental
Atendendo a uma solicitação internacional em 1948. a CGPM. em 1954.aprovouainclusãodoampCre.dokclvincdacandela comounidadesb;isícasdecorremeelétrica.temperaturatermo-dinàmicaeintensidadedeluminosidade,respectivamentc.Ono -me do Sistema Internacional de Unidades (SI} foi adotado em l960.eem 1971 a versàontualdoSI foicompletadandicionan-do o moi para a unidade de quantidade de matéria. Dessa forma. onúmcrototaldeunidadesbásicasésete
As unidades consistem em bases que têm por função tomar univcr:saisosresultadosdemcdidasrealizadascmqualqucrpar -tcdomundo. Sem urna padronização de unidades. o comércio deprodutosseriaumverdadeirocaos.
O Sistema Internacional de Unidades (SI) é adotado na maio-riadospaíses.apesardeemalgunslugaresaindaexistircmdifi -culdadcs de implantação como. por exemplo. nos EUA. onde ainda utiliza-se o pé (ft) como unidade de comprimento c a libra comounidadedeforça
A Tabela l.2mostraasunidadesfundamentaisdoSI. Todas as demais unidades de medida podem ser determinadas emfunçàodessasunidadesbásicas.
As unidades de medidas são. ponanto.grandezasespeçífi -cas. definidas c adotadas por convenção. com as quais outras grandezasdemesmanaturezasãocompamdasparaexpressar suasmagnitudesemrelaçãoàquelagrandeza.Essasunidadcs têm nomes c símbolos aceitos por convenção.
Amcdiçiioconsisteemumconjun1odeopemçõesquetêmpor objetivo detern1inar um valor de uma gr.tndcza. e a metmlogia é a ciência da medição. A metrologia abrange todos os aspcçtos tcó- ricosepn'iticosrelativosàsmcdições.qualquerquesejaaincer-tcza.emquaisquercamposdaciénciaoudatccnologia Tabela 1.2 Unidades fundamentais do SI
<egundo quilograma ampCre ~elvin "ml Comprimento Tempo Temperaturatermodin:1mica Quantidade de matéria
,,
mo!Para efetuar um01 boa medição, é necessário o conhecimento
do(s) fenômcno(s) físico(s). Em outras palavras. o experimenta -lista necessitadas basescientílieas relacionadas
aessesfenô-menos físicos. como. por exemplo:
4 o efeito temKK:létrico. utilizado para a nlCdição da tempcra-llira:
4 o efeito Josephsoo. utili7..ado para a medição da diferença de potencial elétrico:
I o efeito Doppler. utilillldo para a medição da \'elocidade: I o efeito Rmnan. utili7..ado para medição do número de ondas
das\'ibruçõesmolecularcs:entreoutros.
Os métodos de llll>dh;iio consistem nas descrições genéricas
de sequências lógicas de operações adotadas na execução das medições. c o llroCl>dimenlo de mt>diçâo é uma descrição de-talhada de um01 medição de acordo com um ou mais princípios de mediçUo e com um d;tdo método de medição. baseada em um modelo de medição e incluindo qualquer cálculo para se obter um resultado de medição. Um procedimemo de medição é u su-ahncnteregistntdoemurndocumento.queal
gumasvezeséde-nominado procedimento de medição (ou método de medição) c que nonnalmcntc tem detalhes suficientes para permitir que um operadorcxt><:utcamediçUosem informações adicionais.
Os métodos de medição podem ser qualificados de várias
maneiras. corno. por exemplo. método por substituição. método diferencial. método ""de zero"" entre outros.
O objeto da medição é a grandeza cspedfica submetida a es-sa medição, e é denominado mensurando. A especificação de
um mensurando pode requerer informações de outr.1s grandezas
como tempo. temperatura ou pressão. As grandc1..as que afetam o resultado da ntediçilo do mensurando slo denominadas gran -dezas de inOuência. Por exemplo:
I a tcmperaturd de um micrômetro usado na medição de um
comprimento:
I afrequêncianantediçliodaamplitudedeumadiferençade
potencial em corrente altcm:•da:
I a concentração de bilirrubina na medição da concentração de hemoglobina em uma amostra de plasma sanguíneo huma~
Frcqucntcmcntedá-seonomcdcsinuldemediçâoàgran
-dezaqucreprcscntaomcnsurandoaoqualestáfuncionalmentc relacionada. como por exemplo o sinal de saída elétrico de um transdutorde prcss~o.
t
1.5 Definições e Conceitos
-Nesta seção silo apresentados corn.:eitos relacionados à i nstru-mentação em gemi. Esses conceitos podem ser relativos a ins-trumentos de medidas comuns ou a sistemas complexos. encon -tmdos em ambientes específicos de controle de processos.
4 1.5.1 Sensores e transdutores
-Sensores naturais
São os .sensores cncontmdos em organismos vivos e que
geral-mente respondem na fonna de biossinais (divididos em sinais
Conceitosdelnstrurnentação 9
bioclétricos. biomagnéticos. bioquímicas. biomccânicos. bi
oa-cústicos e bi()-ópticos) a C\"entos biológicos caracterizados por
ati\'idadcsdcnaturel..aelétrica.químicaoumccãnica No COTJXI humano sào c:n<:ontr.Jdos os sensorcs (denominados
nessa área de receptores) para os nossos sentidos de ''islo. au-dição.mto.olfatoepaladar.
Os olhos slo senSOfl"s naturais de: \'isào constituídos
pores-truturascomplcxas.osquais.emtemlOsderesolução.faixadi -nâmica. controle autom:ltico de: foco, controle automático de
entrad.a de lul, abertura angular e eficiência de operação em di-\"ersostiposdcambicntcs.superamqualquersensoreletrônico de lu ;o; disponf\'cl atualmente. Os receptores especializados. po-sicionados na retina. são os bastonetes e os cones que desenvol-vem potenciais gcmdorcs e as células ganglionares iniciam os
impulsos ncr\"osos cn\'ii!dOS através da retina ao nervo óptico.
ao quia~ma óptico. ao trato óptico. ao tálarno e à área visual no córtex cercbr;tl do lobooccipital.
Osoméumaoscilnçãodepressilo(noar.iigunououtromeio) O ouvido humano é um poderoso scnsordc som que possui uma f~ixa de nproxirnadmncmc 20Hz a 20000 l·lz. As ondas sonoras penetram no mcato acústico externo c atingem a membrana do límp:tnu (com área ~proxim:tdamcntc circular de 50 a 90 mm'
com 0.1 rnrn de espessunt. Essa mcmbmna é capaz de detectar um deslocamento mfnirno de 10 1 mm). Após a passagem da onda sonom pelo tímpano, ela tr:tfega por diversas estruturas
especializadas(ossfculos.janeladovestíbulo. membrana vesti -bular. rampa do tímpano) até atingir a membrana espiral basilar
e por consequência estimular os cílios tlO órgilo espiral. Após. um impulso ner.'QSO é iniciado. Apenas como observação. essa estrutum denominada orelha tam!Xm está diretamente
relaci()-nada ao equilíbrio estático e dinâmico do corpo humano. Os
órgãos receptare.~ do equilíbrio (chamados de aparelho
vestibu-lar)estàoposicionadosnaorelhaintema.
Para mais detalhes sobre rufdo acústico e seu impacto na au -dição. '"crificilr o Capftulo 15 do Volume 2 desta obrn.
Asscnsaçõescutâneassàoclassificad1semsensa~láteis (tato c prcssi"io) e sens:•~ térmicas (sentido de frio c calor).
EssasscnsaçõcssUooblidasatr.n-ésdosreceptorescutâneos(den-dritosdencurôniossensitivosquetransmitemcsscssi naisaocór-tcx ccrebml do lobo paricnt<1l) distribuídos em regiões do corpo humano. como, por exemplo, ápice da língua. lábios. extremidade dosdcdos,palma~damiio.pl:rntasdopé.entreoutrasregiõcsden samcnte povood~s por esses receptores especializados
Cabe observar que grande área do c6r1ex cerebral é destinada ao proccssarncntodcsinaisdcsensoreamcntoprescntcsna~ pontas dos dedosenosl:lbios.Scnsibilidadcpar~tempemturaeforrnasfísicas dcobjctossãocxcmplosdesinaisdcsaídadcssesscnsores.
A sensação ou camcteri1.:.u;ão do ulfatu ou odor é devida aos receptores especialiU~dos localizados na porçilo superior da ca-vidade do nariz. ou seja. neurônios especializados com dcndritos
em uma extremidade. Esse dendrito é interligado a cílios olfató-riosque reagem aos odores doare. porconsequência. estimulam
os receptores olfatórios que sikl os responsá\·eis por transmitir
os impulsos ao nervo olfmório, oo bulbo olfatório. ao tmto
olfa-tóriocàáreaolfatória nocór1cx cerebral.
O paladar. ou sensibilidade gustmória. é devido aos
