Cap02_Metodos - UBI

Universidade da Beira Interior

Instrumentação e Medida Métodos de Medição e Instrumentação

CAPÍTULO 2 MÉTODOS DE MEDIÇÃO E INSTRUMENTAÇÃO

2.1. Métodos de Medição Definição: Um método de medição é uma sequência lógica de operações, descritas genericamente, utilizadas na execução de medições [VIM 2.4].

2.1.1. MÉTODOS ANALÓGICOS Grandezas intervenientes na medição são de natureza analógica, desde a entrada até à saída do instrumento ou cadeia de medição; Grandeza monitorizada continuamente no tempo; Exemplos: –

A medição directa de uma tensão contínua com um voltímetro de indicação analógica é um método analógico de medição.

– Os registadores galvanométricos (por exemplo, um sismógrafo ou um electrocardiógrafo) e os osciloscópios.

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2.1.2. MÉTODOS DIGITAIS O resultado da medição é representado num visor numérico; O processamento é realizado na forma digital, embora em muitos casos a interligação com o exterior é feita de uma forma analógica; Instrumentação com enorme capacidade de memorização e processamento. Exemplos: –

Multímetro digital, contador digital, osciloscópio digital.

–

Sistemas de instrumentação, instrumentação inteligente.

2.1.3. MÉTODOS POR COMPARAÇÃO Resultados com boa qualidade metrológica; Grandeza a medir é comparada directamente com uma grandeza da mesma natureza e com valor conhecido. Tipos: -

Método de Substituição;

-

Método de zero;

-

Método Diferencial.

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2.1.3.1. Método de substituição A grandeza a medir é substituída por uma grandeza da mesma natureza, de valor conhecido, escolhida de maneira a que os efeitos no dispositivo indicador produzam o mesmo efeito.

Exemplo: Método de substituição para medição da resistência RX. Neste caso, a resistência RS é variada até que o amperímetro indique um valor de intensidade de corrente igual ao obtido quando o comutador está ligado à resistência a medir, RX.

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2.1.3.2. Método de zero A medição é registada quando se verifica uma condição nula num instrumento.

Método de zero – Método potenciométrico Exemplo – Medição de uma tensão: Método de zero pelo método potenciométrico para medir a fonte de tensão desconhecida, Vx. O procedimento consiste na ligação da fonte Vx através de um amperímetro aos terminais A e B do fio potenciométrico. A posição do potenciómetro é ajustada até se verificar a condição de corrente nula no amperímetro:

RAB – Resistência do fio entre os terminais A e B R – Resistência total do fio

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Método de zero – Ponte de Medição (Ponte de Wheatstone) Instrumento de medição tradicionalmente usado na medição de resistências ou impedâncias. Elemento essencial no condicionamento de sinal (cadeias de medição com transdutores resistivos). Conforme a alimentação as pontes designam-se por: -

pontes de corrente contínua;

-

pontes de corrente alternada.

Exemplo – Método de medição de resistência: Método de zero pelo método de Ponte de Medição para medição da resistência desconhecida, Rx. Na condição de corrente nula no detector (a condição de equilíbrio da ponte), a tensão aplicada aos terminais do detector é nula, pelo que surge a relação:

A condição de equilíbrio é expressa pela igualdade: R1Rx = R2R3,

R1, R2, R3 – resistências padrão RX – resistência a medir 5



Erros de medição: –

A tolerância de cada uma das resistências conhecidas, R1, R2 e R3; Se o erro de cada uma delas for εR1, εR2 e εR3, o erro total é εRX = εR1+ εR2+εR3;

–

Variações nas resistências devido ao auto-aquecimento;

–

Tensões por efeito termoeléctrico nos contactos entre materiais diferentes;

–

Erro na determinação do ponto de equilíbrio por falta de sensibilidade e resolução do detector;

–

Resistência dos fios de ligação e dos contactos.

2.1.3.3. Método Diferencial Usado para a medição de desequilíbrios resistivos (ponte de Wheatstone).

Exemplo – Método de medição de resistência: é medida a diferença entre duas grandezas, por exemplo, a diferença de potencial.

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Neste circuito, a diferença de potencial, vA - vB produz à saída do amplificador diferencial, de B

ganho A, a tensão de saída, v0:

O circuito pode ser usado para medição de desequilíbrios resistivos, ΔR. Fazendo: R1 = R2 = R3= R Rx = R + ΔR

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2.1.4. MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIAS

MÉTODO DE SUBSTITUIÇÃO;

(Analisado anteriormente – ponto 2.1.3.1)

MÉTODO DE ZERO: -

Ponte de Medição (Ponte de Wheatstone); (Analisado anteriormente – ponto 2.1.3.2)

MÉTODO DIFERENCIAL; (Analisado anteriormente – ponto 2.1.3.3) MÉTODOS INDIRECTOS: -

Método de Injecção de corrente;

-

Método do Voltímetro-Amperímetro.

2.1.4.1. Métodos Indirectos Recorrem à lei de Ohm.

Método Indirecto – Método de Injecção de Corrente Injectando corrente constante, I, de valor conhecido, a medição da resistência R pode ser feita através da medição da tensão U, pela Lei de Ohm.

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Método Indirecto – Método do Voltímetro-Amperímetro Montagem de longa derivação: – A resistência medida, Rm, é a razão das duas leituras, de tensão, Vm e de corrente, Im.

Montagem de curta derivação: -

A queda de tensão na resistência, Rx é a tensão lida pelo voltímetro, Vm

-

A corrente lida pelo amperímetro é:

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2.2. Instrumentos de Medição 2.2.1. CARACTERIZAÇÃO DOS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO

2.2.1.1. Caracterização Estática -

Sensibilidade, S, de um instrumento de medição é o quociente da variação da resposta do instrumento de medição, Δgo, pela variação correspondente do estímulo, Δgi.

-

Resolução de um dispositivo indicador é a menor diferença entre indicações de um dispositivo indicador que se podem distinguir significativamente.

-

Deriva é a variação lenta de uma característica metrológica de um instrumento de medição.

-

Folga é o máximo intervalo de valores no interior do qual o estímulo pode ser modificado em ambos os sentidos sem provocar variação da resposta do instrumento de medição.

-

Histerese é uma propriedade do instrumento de medição cuja resposta a um sinal de entrada depende da sequência dos sinais de entrada precedentes.

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2.2.1.2. Caracterização Dinâmica -

Tempo de resposta, t0, é o tempo que decorre após uma variação repentina do sinal de entrada até que o sinal de saída atinja, dentro de limites especificados, o seu valor final em regime estável e nele se mantenha.

-

Tempo de subida, tr, é o intervalo de tempo que a saída demora a passar de 10 % a 90% do valor final.

-

Frequências inferior e superior de corte, f1 e f2 são as frequências para as quais se observa ma redução de ganho de -3 dB relativamente ao ganho observado às frequências intermédias.

2.3. Sistemas de Medição Os sistemas de medição são classificados de acordo com diversos critérios: (1) Sistemas em Malha Aberta e em Malha Fechada; (2) Sistemas analógicos e digitais. Sistema em Malha Aberta:

Variável a medir

-

Usualmente não está envolvida qualquer acção de controlo;

-

Vigia e registo de um conjunto de eventos.

Transdutor

Condicionamento de sinal

Visualização

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Sistema em Malha Fechada: -

Medições efectuadas para controlar um estado, ou condição da variável medida.

Transdutor

Condicionamento de sinal

Visualização

Variável a medir Controlo

Comparador

Referência Sistema Analógico: -

Variáveis registadas ou controladas continuamente.

Sistema Digital: -

Capacidades ampliadas: Concepção de sistemas de instrumentação complexos.

-

Interligação de um conjunto de instrumentos digitais a uma única fonte.

-

Variáveis a medir ou a controlar convertidas para um forma digital através de uma placa de aquisição de dados.

-

O programa de controlo do processo, a condução e processamento da informação encontram-se num sistema de apoio informático.

2.4. Bibliografia Aurélio Campilho, “Instrumentação Electrónica – Métodos e Técnicas de Medição”, FEUP Edições, 2000. 12