Fundamentos de A g E u n i g r r e e INSTRUMENTAÇÃO n h a r i a Luis Antonio Aguirre Fundamentos de Fundamentos de instrumentação apresenta os fundamentos teóricos e os procedimentos metodológicos necessários para o correto enten- INSTRUMENTAÇÃO dimento, especifi cação, uso e avaliação de instrumentos e sistemas I de medição de grandezas variadas. N S Luis Antonio Aguirre Nesta obra, o autor descreve e analisa sensores e circuitos de ins- T R trumentos para operação em malha aberta e fechada, com foco na U F u caracterização estática e dinâmica de instrumentos, o que a torna M n d essencial para a formação de futuros técnicos e estudantes de várias E a N m áreas da engenharia, como aeroespacial, civil, elétrica, mecânica, T e mecatrônica, metalúrgica, química, de controle e automação. A n t Ç o à s d O e sv.pearson.com.br A Sala Virtual oferece, para professores e estudantes, um conjunto de práticas de instrumentação para realização em laboratório, centradas em atividades de caracterização, calibração e uso de sensores. Professores também terão acesso a apresentações em PowerPoint. Este livro também está disponível para compra em formato e-book. Para adquiri-lo, acesse nosso site. ISBN 978-85-8143-183-3 w w w . p e a r s o n . c o m . b r CVR_AGUI_1833_1_CVR.indd 1 11/07/2013 14:19:28 Fundamentos de instrumentação Fundamentos de instrumentação Luis Antonio Aguirre Departamento de Engenharia Eletrônica Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) © 2014 by Pearson Education do Brasil Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Pearson Education do Brasil. Diretor editorial e de conteúdo Roger Trimer Gerente editorial Kelly Tavares Supervisora de produção editorial Silvana Afonso Coordenadora de desenvolvimento Danielle Sales Coordenadora de produção gráfica Tatiane Romano Editor de aquisições Vinícius Souza Editores de desenvolvimento Rodrigo Manoel, Gabriela Zimmermann e Maiza Bernardello Preparação Mariana Albertini Revisão Maria Alice da Costa Capa Solange Rennó Projeto gráfico e diagramação MKX Editorial Estagiária Karina Ono Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Aguirre, Luis Antonio Fundamentos de instrumentação/Luis Antonio Aguirre. – São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2013 ISBN 978-85-8143-183-3 1. Engenharia – Instrumentos 2. instrumentos de medição I. Título 13-04937 CDD-681.2 Índice para catálogo sistemático: 1. Instrumentação: engenharia 681.2 2013 Direitos exclusivos para a língua portuguesa cedidos à Pearson Education do Brasil Ltda., uma empresa do grupo Pearson Education Rua Nelson Francisco, 26 CEP 02712-100 – São Paulo – SP – Brasil Fone: 11 2178-8686 – Fax: 11 2178-8688 [email protected] Àquele que disse: “Eu sou o caminho, a verdade e a Vida; ninguém vem ao Pai senão por mim.” João 14:6 SUMÁRIO Prefácio ............................................................................................................. XIII Agradecimentos ................................................................................................. XVII Parte 1 – Fundamentos conceituais .................................................................... 1 Capítulo 1 – Introdução a sistemas de medição .................................................. 3 1.1 Objetivos dos sistemas de medição .................................................................. 3 1.2 Entrada e saída de um instrumento ................................................................... 5 1.3 Representação de entrada/saída de sistemas de medição .................................. 6 1.4 Principais pontos do capítulo ........................................................................... 7 Leituras recomendadas .............................................................................................. 8 Exercícios .................................................................................................................. 8 Capítulo 2 – Análise generalizada de instrumentos........ ..................................... 9 2.1 Descrição funcional de instrumentos ................................................................ 9 2.2 Classificação de instrumentos ........................................................................... 11 2.2.1 Transdutores passivos e ativos ............................................................... 11 2.2.2 Instrumentos analógicos e digitais ......................................................... 11 2.3 Deflexão e detecção de nulo ............................................................................ 12 2.4 Configuração de entrada e saída ...................................................................... 14 2.5 Métodos para minimizar os efeitos de entradas espúrias ................................... 19 2.5.1 O método da insensibilidade inerente ................................................... 19 2.5.2 O uso de filtros ..................................................................................... 20 2.5.3 O método das correções calculadas ...................................................... 21 2.5.4 O método das entradas em oposição..................................................... 24 2.5.5 O uso de realimentação negativa .......................................................... 25 2.5.6 Uma nota sobre história ........................................................................ 26 2.6 Principais pontos do capítulo ........................................................................... 28 Leituras recomendadas .............................................................................................. 29 Exercícios .................................................................................................................. 29 VII Capítulo 3 – Análise estática de instrumentos ...................................................... 31 3.1 Efeitos sistemáticos e aleatórios ........................................................................ 31 3.1.1 Função de densidade de probabilidade ................................................. 32 3.1.2 Desempenho de instrumentos e a FDP .................................................. 34 3.1.3 Exatidão e precisão ............................................................................... 35 3.1.4 Estimativas amostrais ............................................................................. 36 3.1.5 Formalização de terminologia ............................................................... 40 3.2 Calibração estática de instrumentos ................................................................. 43 3.2.1 Obtenção de dados de calibração ......................................................... 44 3.2.2 Obtenção da curva de calibração .......................................................... 46 3.2.3 Incerteza do ajuste ................................................................................ 48 3.2.4 Incerteza do resultado da medida ......................................................... 49 3.3 Características estáticas de instrumentos .......................................................... 53 3.3.1 Sensibilidade ......................................................................................... 53 3.3.2 Resolução ............................................................................................. 56 3.3.3 Limiar ................................................................................................... 57 3.3.4 Histerese ............................................................................................... 57 3.3.5 Zona morta ........................................................................................... 58 3.3.6 Faixa e alcance ..................................................................................... 59 3.3.7 Linearidade estática .............................................................................. 59 3.3.8 Desvio de zero e de sensibilidade ......................................................... 60 3.4 Carregamento ................................................................................................... 62 3.4.1 Carregamento do elemento primário ..................................................... 62 3.4.2 Carregamento entre estágios ................................................................. 64 3.5 Principais pontos do capítulo ........................................................................... 66 Leituras recomendadas .............................................................................................. 67 Exercícios .................................................................................................................. 67 Capítulo 4 – Análise dinâmica de instrumentos ................................................... 71 4.1 Representação de sistemas lineares .................................................................. 72 4.2 Modelos de baixa ordem .................................................................................. 77 4.2.1 Instrumentos de ordem zero .................................................................. 77 4.2.2 Instrumentos de primeira ordem ............................................................ 78 4.2.3 Instrumentos de segunda ordem ............................................................ 80 4.2.4 Instrumentos com atraso puro de tempo ................................................ 82 4.3 Resposta temporal ............................................................................................ 83 4.3.1 Instrumentos de ordem zero .................................................................. 84 4.3.2 Instrumentos de primeira ordem ............................................................ 84 4.3.3 Instrumentos de segunda ordem ............................................................ 86 4.3.4 Instrumentos com atraso puro de tempo ................................................ 88 4.4 Resposta em frequência .................................................................................... 90 VIII