Programa de Ps Graduao em Engenharia Civil Universidade Federal de Pernambuco Disciplina: Ensaios de Campo e Instrumentao Professor: Jos Fernando T. Juc Conceitos Gerais de Instrumentao

1. Algumas definies importantes

Ao se tratar de instrumentao, de qualquer tipo, e de medies atravs dela efetuadas, impe-se primeiramente que os que escrevem e falam usem a mesma linguagem dos que os leem ou ouvem. Isto no tem sido fcil, pelo menos em portugus. Ocorre frequentemente a falta de vocbulo tcnico em nosso idioma com a tradio de um nico e inesquecvel significado. Procura-se remediar tal situao pela adoo de termos estrangeiros, de diversas origens mas principalmente extrados da literatura inglesa, em sua forma original ou portuguesadas. No raro, tais termos so utilizados com significados distintos do que prevalece na lngua de origem. A mide se usam diferentes expresses para se denominar um mesmo instrumento ou propriedade. Por vezes se adota uma nica palavra com significados diversos. Consideramos destarte til que se inicie este relatrio pela definio de alguns termos vinculados a execuo de medies e a caracterizao de aparelhos e sistemas usados para tal fim apresentando-se os significados de aceitao mais geral por parte dos melhores autores e profissionais mais experientes no setor.

1.1 Erro

Erro ou erro absoluto de uma medida a diferena numrica entre o valor lido e o valor real. Poucos so os casos em que se conhece o valor real de uma medio, mas h casos em que isto ocorre (na medio da soma dos ngulos internos de um tringulo, por exemplo). Muito frequentemente se denomina de erro absoluto a diferena entre o valor de uma medio e o de outra obtida por meio mais rigoroso; s vezes se chama de erro a diferena entre o resultado de uma medio e a medida aritmtica de vrias medies repetidas com o mesmo sistema. Ambas as definies, apesar de incorretas, so largamente usadas.

Erro Relativo a relao, geralmente expressa em porcentagem, entre o erro absoluto e o valor real. No caso de se conhecer o valor real e se o erro absoluto for pequeno, pode-se calcular o erro relativo pela diviso do erro absoluto pelo valor medido.

Os Erros podem ser classificados em pessoais (ou humanos), aleatrios (ou randmicos), sistemticos, instrumentais ou de instalao.

Os erros pessoais ou humanos so causados por falta de cuidado ou de ateno na leitura e tambm por falta de experincia ou por predisposio (pr-julgamento) do operador.

Os erros aleatrios ou randmicos so os que se obtm quando medies de uma mesma quantidade ou varivel, efetuadas pelo mesmo operador e utilizando um nico sistema de medio, resultam em valores distintos. So de natureza indeterminada.

Os erros sistemticos e os erros instrumentais decorrem de falhas e imperfeies de sistema de medio ou de um dos aparelhos que o compem. Tais erros so mais comumente causados por inrcia, histerese, atrito, etc. Podem ser em geral, corrigidos, num todo ou em parte, por uma calibrao adequada.

Os erros de instalao so devidos a aplicao incorreta ou instalao defeituosa da instrumentao.

1.2 Acurcia, exatido ou grau de correo

Os trs termos possuem o mesmo significado. Exprimem a qualidade de uma medio de reproduzir mais ou menos fielmente o valor real. A forma usual de exprimir a acurcia de um sistema de medio consiste em se dizer ser ele acurado (ou correto, ou exato) dentro dos limites compreendidos entre mais ou menos uma certa quantidade ou porcentagem.

bastante frequente se confundir os termos preciso e acurcia, mas como se ver adiante, eles tem significados distintos.

, muitas vezes, difcil se avaliar a acurcia se um aparelho ou medio pela impossibilidade prtica ou terica de se conhecer o valor real de uma medio. Usa-se frequentemente, o valor obtido atravs de um sistema mais exato como se se tratasse do valor real,

supondo-se-o isento de erro e a partir dele se definindo a acurcia do sistema menos exato.

Vrias so as fonte de exatido de medies. Entre elas, se poderia citar o efeito de paralaxe, imperfeies dos materiais utilizados (irregularidades no dimetro interno de tubos, por exemplo), fenmenos fsicos de ao difcil de se evitar (capilaridade, tenso superficial de atrito, etc.) construo deficiente (engrenagem mal usinada, inrcia excessiva, etc.) e variao com o tempo nas propriedades dos materiais (corroso, creep, envelhecimento de ims permanentes, fadiga, etc.).

1.3 Preciso

A preciso se refere coerncia de um conjunto de medies. um termo que se associa frequentemente a expresses repetibilidade e reprodutibilidade, embora estes dois ltimos vocbulos sejam mais corretamente vinculado varivel tempo, como se expor adiante.

Um aparelho pode ser bastante preciso conduzindo sempre a leituras muito prximas umas das outras e, apesar disso, ser pouco correto se, por exemplo, uma calibrao deficiente ou a alterao nas propriedades dos materiais da instrumentao conduzirem a resultados afastados do valor.

1.4 Repetibilidade ou reprodutibilidade Desvio Estabilidade

Repetibilidade o grau de coerncia guardada entre si por medies efetuadas em ocasies distintas. comum haver um desvio (drift, ou shift, na literatura inglesa) com o passar do tempo, variando a diferena entre o valor medido e o calibrado. Pode ser causado por aquecimento, umidade, fadiga, corroso, creep (deformao lenta, etc., dos diversos componentes da instrumentao. Diz-se que um sistema de medio estvel quando a presenta boa repetibilidade de leituras ao longo do tempo.

1.5 Sensibilidade Resoluo (Poder de resoluo)

A sensibilidade de um aparelho pode ser definida como a relao entre, por exemplo, o deslocamento de um ponteiro no sistema de leitura e a variao correspondente na varivel que se est a medir. Um manmetro tipo - U, cheio de gua, dotado de rgua graduada em milmetro, apresenta uma sensibilidade de 1 mm: 1kgf/m, enquanto que o mesmo manmetro, contendo mercrio, tem uma sensibilidade de 1 mm: 13,6kgf/m.

A sensibilidade uma propriedade importante de um aparelho, sendo-lhe imposta durante a fase de projeto, tendo em vista os valores das quantidades a serem medidas.

Na maioria das vezes em que se exprime a sensibilidade de um aparelho, omite-se qualquer referencia grandeza lida na unidade de leitura, mencionando-se apenas a quantidades da varivel que se mede correspondente menor diviso de leitura. Nos exemplos acima citados, as sensibilidades seriam, respectivamente, de 1 e 13, 6kgf/m. Neste caso, usa-se tambm a expresso resoluo, significado idntico (exemplo: a resoluo, ou poder de resoluo, de um teodolito de preciso de 1 segundo de arco)

1.6 Resposta

Resposta de um instrumento a menor alterao de uma varivel que causa variao perceptvel no aparelho. Pode ser expressa em termos da varivel que se l (por exemplo, em milmetros no caso de um manmetro tipo U), mas comumente dada em termos da varivel que se mede (em unidades de presso, no exemplo citado).

A resposta pode ser parcialmente controlvel e parcialmente controlvel. O tempo de resposta (time lag), por exemplo, pode ser reduzido na leitura de um piezmetro pela reduo do comprimento e do dimetro da tubulao; o caso evidente de resposta controlvel, que pode ser melhorada atravs de pequena modificao no sistema de medio. A inercia e o atrito so as causas mais comuns de aumento incontrolvel da resposta de um aparelho, embora em alguns casos a melhoria da lubrificao possa trazer resultados positivos.

A resposta de um instrumento no necessariamente igual ao longo de todo a gama de funcionamento do aparelho. Na verdade, ela usualmente varia de ponto para ponto de escala.

1.7 Capacidade (span) e intervalo (range)

Capacidade de um aparelho a diferena, em termos de varivel que se mede, entre os valores superior e inferior que podem ser medidos com o instrumento sem causar alteraes em sua calibrao ou funcionamento. Denomina-se de intervalo ou gama de validade das leituras (range) ou intervalo limitado pelos valores extremos.

1.8 Instrumentao

Num sentido lato, pode-se definir instrumentao como a arte e a cincia que consistem na aplicao de instrumentos de medio e aparelhos de controle a um sistema ou processo destinado a determinar a identidade e a magnitude (intensidade) de certas quantidades fsicas ou fenmenos qumicos, buscando-se obter em tal tarefa o mximo de eficincia ao menor custo.

2 A arte e a cincia da instrumentao

2.1 Funes da instrumentao

Efetuar medies consiste em se transmitir informaes acompanhadas de transmisso de energia. A energia no pode ser removida de um sistema sem alterao, por menor que seja, no comportamento do meio em observao. Tal alterao , porm, em muitos casos, menor que a perturbao introduzida no maio observado pela instalao dos aparelhos sensores, linhas de transmisso das medies e, por vezes, sistemas de leitura e registro das variveis medidas. O grande objetivo de um projeto de instrumentao e, pois, a obteno de medies acuradas, precisas e rpidas de uma varivel, em pontos selecionados de um certo mio, reduzindo-se ao mnimo possvel a alterao de comportamento decorrente da instalao e operao do sistema de medio.

A medio uma combinao cuidadosamente equilibrada de fsica aplicada (converso de energia) e matemtica aplicada (transmisso de informaes).

Um instrumento de medio um aparelho destinado a determinar uma condio, um fenmeno, ou o valor de uma varivel fsica. Os diversos tipo de instrumento e as funes por ele desempenhadas so mencionados e discutidos nos itens que se seguem.

2.2 Sinalizador

Se o instrumento destinado apenas a indicao de certos valores selecionados de uma certa varivel ento apenas um sinal bsico necessrio. Assim, se uma sonda baixada no interior de tubos inseridos no terreno com o fim de detectar nveis de colares magnticos (medidor magnticos de recalques) torna-se desnecessrio o registro de variao do campo magntico atuando sobre a sonda, bastando que o aparelho esteja regulado para, a um certo valor, fazer soar uma cigarra. Este um exemplo de sinalizador.

2.3 Monitor

No caso de se desejar a medio contnua ( ou a certos intervalos), de uma varivel entre determinados limites, o instrumento deve ser capaz de tal avaliao e, neste caso, denomina-se monitor. No exemplo acima referido, se uma trena fixada sonda sensora, a comparao de sua graduao a uma referencia fixa no exterior fornece a profundidade de cada colar magntico. A trena , no caso um monitor. Outro exemplo de monitor o monmetro de mercrio.

2.4 Indicador

Indicador o instrumento que dispe de um ponteiro, de um amostrador digital ou de outro dispositivo similar capaz de indicar numa escala o valor da varivel que se mede. O cronmetro o exemplo tpico de indicador.

2.5 Registrador

Quando o valor medido da varivel registrado atravs da impresso (ou outro processo de materializao) de nmeros, letras, sinais ou grficos, o instrumento de medio se denomina registrador.

Um relgio de ponto um registrador.

2.6 Totalizador

Se o instrumento no mede o valor da varivel a cada momento e sim o total acumulado a partir de um certo instante, ele chamado de totalizador. o caso do hidrmetro, que mede volume (e no descarga), ou do defletmetro, que mede deslocamento (do qual se derivam as velocidades de deformao e as deformaes especificas).

2.7 Transmissor Amplificador

Transmissor o dispositivo destinado a transmitir a um ponto distante do local de medio as informaes referentes varivel em observao. A linha pode conter um ou mais amplificadores cuja funo magnificar o sinal a ser lido ou registrado em unidade localizada remotamente.

2.8 Unidade de leitura e registro

o mecanismo que permite a centralizao de diversas variveis efetuados em vrios pontos do maio em observao.

2.9 Transdutor

Transdutores so dispositivos capazes de transformar valores de uma certa varivel em valores de uma outra varivel que so ento medidos e correlacionados aos primeiros. Um transdutor eltrico tipo straingauge, por exemplo, pode ser usado para transportar a deformao experimentada por um diagrama pela ao de certo presso hidrosttica (varivel a ser medida) em variao da resistncia

de um fio condutor (fixado ao mencionado diafragma), causada esta pelo alongamento e consequente reduo da seo do fio.

Os transdutores recebem impulsos de um ou mais sistemas de transmisso e fornecem outros impulsos (relacionados aos primeiros) e outros sistemas de transmisso.

Qualquer dispositivo que converta uma forma de energia em outro um transdutor. Exemplo de transdutores podem incluir o telefone, que converte energia sonora em sinais eltricos; o termopar, que transforma energia trmica em potencial eltrico; a clu-