Lista e Respostas de Exercicios de Sistemas de Medidas 1 PDF

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Lista e Respostas de Exercicios de Sistemas de Medidas 1...

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Qual a importância de se medir? Segurança, evitar desperdício (dinheiro/custo), qualidade (certificação), precisão, eficiência, dimensionar, controle do processo, prever (acidente, custo, desperdícios...). (palavras-chaves: SEGURANÇA, QUALIDADE E CUSTO)

CAPITULO I  INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de MEDIÇÃO, TRANSMISSÃO, INDICAÇÃO, REGISTRO e CONTROLE DE VARIÁVEIS físicas em equipamentos nos processos industriais.  Os instrumentos de medição e controle permitem manter constantes as variáveis do processo, objetivando a melhoria em qualidade, o aumento em quantidade do produto e a segurança. ASPECTOS GERAIS DA ÁREA DE INSTRUMENTAÇÃO  1 – Processo industrial é definido como: Processo industrial: É uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde varia pelo menos uma característica física ou química de um material. Ou seja, o Processo que modifica (fisicamente e/ou quimicamente) a matéria prima.  Variáveis de Processo: São condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo.  2 – Variável controlada é definida como: Variável Controlada: É a variável que deve ser controlada para obtermos um objetivo no processo, ou seja, e a variável que todas as outras trabalham para garanti-la. Ex: no caso do forjamento é a forma.  Meio controlado: É a energia ou material no qual a variável é controlada.  3 – Variável manipulada é definida como: Variável manipulada: É aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado. Ou seja, é a que vai mudar para objetivar a controlada.  Agente de controle: É a energia ou o material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica. 4 – No processo mostrado na figura a seguir, temos um tanque de armazenamento de água, o nosso objetivo é manter o nível da água dentro do tanque constante, e para isso utilizamos um medidor de nível LT 200 , que envia o valor para um controlador LIC 200 que comanda uma válvula de controle de vazão (LV 200) para manter o nível dentro de uma faixa pré programada no LIT 200. Descreva qual é: As variáveis do processo: Nível A variável controlada: Nível A variável manipulada: Vazão ELEMENTOS BÁSICOS DE UM SISTEMA DE CONTROLE  Unidade de medida: o instrumento  Unidade de controle: o controlador  Elemento final de controle: o atuador

Malha de controle: A seqüência de operações, medir a variável; comparar com um valor pré determinado e atuar no sistema de modo a minimizar a diferença entre a medida e o SET POINT (valor pré estabelecido). A malha de controle pode ser fechada ou aberta. 5 - Defina o que é malha fechada e o que é malha aberta citando exemplos e esquemas de pelo menos 3 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DIFERENTES PARA CADA CASO. Malha fechada: a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, é utilizada para manipular uma ou mais variável de processo, ou seja, pega a informação do medidor para o controlador que manda a “informação” para o atuador. Os três componentes estão interligados. Malha aberta: a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar qualquer entrada do sistema para compensar variações do processo, ou seja, não existe uma conexão entre o sistema de medida, o controlador e o atuador. No exemplo ao lado, o operador substitui o controlador.

Se o operário fosse o controlador? A malha seria aberta, pois o operador não faz parte do sistema. Quais as vantagens e desvantagens da malha fechada em relação a malha aberta? Vantagens: segurança, eficiência (não tem operário trabalhando e trabalha 24h), confiabilidade, maior produtividade entre outros Desvantagens: alto custo de implementação e manutenção e exige mão de obra qualificada. REDE DE COMUNICAÇÃO: utilização de protocolos de comunicação em automação, ou seja, todos se comunicam com um computador central evitando ligações entre os demais computadores. Evitando mais fios, mais custo e mais cara a manutenção. SISTEMAS DE MEDIDAS: Existem vários sistemas de medidas, mas os principais são: métrico decimal, físico ou cegesimal, industrial Frances e inglês. Os vários sistemas de medidas existem ate hoje, pois cada um se adéqua melhor a uma aplicação. ANÁLISE EM ENGENHARIA TEÓRICA E EXPERIMENTAL A Teoria e o experimento são dois métodos complementares, daí o engenheiro que utiliza ambos será um melhor solucionador de problemas.

MÉTODO TEÓRICO

MÉTODO EXPERIMENTAL

• Os resultados são normalmente de uso geral; • É muito comum o uso de hipóteses simplificadoras • Em alguns casos o método teórico resulta em problemas matemáticos complexos; • Não requer o uso de equipamentos de laboratório, apenas lápis, papel, calculadoras, computadores, etc; • Muitas vezes o tempo requerido para a solução do problema é menor, já que não é necessário construir modelos em escala ou dispositivos experimentais e realizar medições.

• Quase sempre os resultados aplicam-se somente ao sistema sendo testado • Requer a construção de um Protótipo • O tempo requerido para a solução do problema é normalmente longo por envolver o projeto, construção e depuração do dispositivo Experimental.

CAPITULO II ELEMENTOS FUNCIONAIS DE UM INSTRUMENTO DETECTOR: são dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável do processo. Pode ser ou não parte do transmissor. ATUADORES: TRANSMISSOR: instrumento que tem a função de converter sinais do detector em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel. INDICADOR: instrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo detector, transmissor, etc... RESGISTRADOR: Instrumento que registra graficamente valores instantâneo medidos ao longo do tempo, valores estes enviados pelo detector, transmissor, controlador etc. CONVERSOR: Instrumento cuja função é a de receber uma informação na forma de um sinal, alterar esta forma e emitir um sinal de saída proporcional ao de entrada. UNIDADE ARITMÉTICA: Instrumento que realiza operações nos sinais de valores de entrada de acordo com uma determinada expressão e fornece uma saída resultante da operação. INTEGRADOR: instrumento que indica o valor obtido pela integração de quantidades medidas sobre o tempo. CONTROLADOR: Instrumento que compara o valor medido com o desejado e, baseado na diferença entre eles, emite sinal de correção para a variável manipulada a fim de que essa diferença seja igual a zero. ELEMENTOS FINAL DE CONTROLE: dispositivo cuja a função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado. AMPLIFICADORES DE SINAL TRANSDOTORES: sensor e conversor ou sensor e transmissor ao mesmo tempo em um só instrumento. 6 – Cite os três elementos básicos de um sistema de controle automático e suas respectivas

funções. OS ELEMENTOS BÁSICOS DO SISTEMA DE CONTROLE SE COMPÕEM BASICAMENTE DE: CONTROLADORES, SENSORES/DETECTORES E ATUADORES. As funções estão acima. EXEMPLOS: No medidor de pressão ao lado, temos: O pistão sendo um sensor e um conversor (converte pressão em deslocamento), logo sendo um transdutor de pressão Eixo do pistão: transmissor O ponteiro e a escala são um mostrador No medidor de temperatura e pressão ao lado, temos: O Bulbo como conversor e sensor, logo sendo um transdutor de temperatura O capilar como transmissor O tubo de Bourbon como conversor O par de engrenagem como amplificador O ponteiro mais escala como mostrador. Contador de rotações a distância

Micro-chave é um sensor mais um conversor, logo e um transdutor de revolução Solenóide é um conversor (converte sinal elétrico em mecânico) Contador mecânico é registrador, mostrador e conversor

7 – Assinale V para as sentenças verdadeiras e F para as sentenças falsas e justifique suas respostas: ( F ) Indicador é um instrumento composto por uma escala e um ponteiro. (pode ser um mostrador digital) ( F ) Registrador é um instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valores específico ou entre valores determinados. (isso quem faz é o controlador, o registrador apenas registra os valores instantâneos ao longo do tempo) ( F ) Transmissor de nível é um instrumento que mede temperatura, através de um elemento primário, e transmite para um outro instrumento a distância, através de um sinal padronizado proporcional à temperatura medida. ( F ) Controlador é um instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle. (ele manda o sinal, o atuador e quem modifica) ( V ) Conversor corrente-pressão é um instrumento que recebe um sinal em corrente e

converte para um sinal pneumático de saída, proporcional ao sinal de entrada. ( V ) Os anunciadores de alarme são dispositivos de segurança destinados a identifica anormalidades em um processo e alertar o operador através de sons ou luzes intermitentes. TIPO DE SINAL TRANSMITIDO TIPO PNEUMÁTICO  Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar.  Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero.  O gás mais utilizado para transmissão é o AR COMPRIMIDO (tem oxigênio que alimenta a combustão), sendo também o NITROGÊNIO (inerte e sufoca a chama).  A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo). DESVANTAGENS DO SINAL PNEUMÁTICO  Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento.  Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas.  Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores.  Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m.  Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados.  Não permite conexão direta aos computadores.  Perda de carga: dificulta a precisão  Possibilidade de vazamento. TIPO HIDRÁULICO: o fluido de “trabalho” e um líquido. Quais as vantagens e desvantagens do tipo hidráulico em relação ao tipo pneumático? VANTAGENS  Mais fácil de visualizar um vazamento  Resposta mais rápida (por conta da “incompressibilidade”)  Precisa de menos equipamentos auxiliares  Consegue medir pressões maiores  Quando usado como fluido e óleo, lubrifica e ainda evita oxidações.

DESVANTAGENS  Mais caro (óleo é mais caro que gás)  Tubos mais reforçados  Equipamentos mais robustos  Mais pesado  Manutenção mais cara

SINAL TIPO VISUAL E TIPO SONORO APLICAÇÃO: SEGURANÇA TIPO VISUAL: Aviso, segurança TIPO SONORO: Caracteriza-se por não precisar estar olhando para a máquina.

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Quais as vantagens e as desvantagens do sinal sonoro em relação ao sinal luminoso? VANTAGENS Não precisa estar olhando para a máquina (não ficar atento) O sinal sonoro e imune a obstáculos DESVANTAGENS Inadequado para lugares barulhentos Lugares isolados acusticamente Sinais luminosos conseguem fornecer mais informações O sinal luminoso e mais fácil de identificar a máquina, o sonoro teria que ter som diferente para cada maquina e cada aviso – dificultando bastante a identificação. Sinal sonoro perturba em lugares que necessita de bastante atenção, sendo inviável. A velocidade da luz e mais rápida, principalmente para grandes distâncias. A luz não precisa de um meio material para se propagar A luz alcança maiores distâncias. TIPO ELÉTRICO

 Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50mA e 1 a 5 V.  Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque tais instrumentos estão preparados para uma fácil mudança do seu sinal de saída.  A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15psi de um sinal pneumático.  O “zero vivo” utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a vantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios), que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo.

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VANTAGENS DO SINAL ELÉTRICO Permite transmissão para longas distâncias sem perdas. Alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. Necessita de poucos equipamentos auxiliares. Permite fácil conexão aos computadores. Fácil instalação. Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas.

8a) Quanto ao sinal de transmissão, quais as vantagens e desvantagens do sinal pneumático sobre o eletrônico analógico? Quais as vantagens e desvantagens do sinal tipo elétrico em relação aos sinais tipo pneumático e hidráulico? VANTAGENS DESVANTAGENS  Mais rápido  O sinal elétrico não é seguro para lugares  Mais barato, inflamáveis (já que podem gerar faíscas)  Baixa manutenção,  Risco de choques  Menor risco de poluição (não deixa resíduos)  São susceptíveis a ruídos magnéticos (já que o  Mais informações, mesmo sofre influência na corrente)  Pode ser ligado diretamente ao computador,  Os raios podem influenciar.  Precisa de menos equipamentos,  Mais fácil de fazer a conversão,  Alcance para maiores distâncias,

 Converte sinais mais fácil sinais elétricos para propriedades com temperatura,  Menor dimensão,  Menor peso,  Mais fácil instalação (já que os tubos não são flexíveis e os fios permitem mais facilmente o contorno de obstáculos),  O fio pode ser instalado no alto,  Mais fácil de condicioná-lo em lugares de alta pressão e menor espaço físico.

TRANSMISSÃO VIA RÁDIO: Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica. 8c) Quanto ao sinal de transmissão, quais as vantagens e desvantagens quais as vantagens e desvantagens do sinal via rádio? VANTAGENS  Longas distâncias (maior alcance)  Pode ser usado no vácuo  Não necessita de cabos de sinal.  Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.  Para pequenas velocidades não altera o sinal  Transpõem objetos (alguns)

DESVANTAGENS  INSTRUMENTAÇÃO DE SISTEMAS  Alto custo inicial.  Necessidade de técnicos altamente especializados  Pode ser imune a campos magnéticos  Não funciona em lugares “blindados”

TRANSDUTORES ATIVOS E PASSIVOS TRANSDUTORES PASSIVOS são aqueles cuja energia é suprida inteiramente ou quase inteiramente pelo sinal de entrada. Ex: termômetro analógico. TRANSDUTORES ATIVOS são aqueles que possuem uma fonte auxiliar de potência, que supre a maior parte da energia consumida, enquanto que o sinal de entrada supre somente uma porção insignificante. Ex: termômetro digital. OBSERVAÇÃO: a vantagem dos transdutores ativos e que conseguem trabalhar com sinais de menor intensidade, mas tem como desvantagem, consumir mais energia. SINAL ANALÓGICO E DIGITAL (BINÁRIO E DIGITAL)  Para podermos automatizar um processo, é necessário que tenhamos informações sobre o seu estado, para isso se estudam quais as magnitudes físicas que deverão ser transmitidas e registrada.

SINAIS ANALÓGICOS

O sinal analógico é contínuo no tempo e usualmente varia no tempo de forma relativamente suave. O sinal analógico carrega a informação todo o intervalo de tempo de observação. Exemplo de um termômetro de mercúrio.

SINAIS BINÁRIOS  O sinal binário é o mais simples, pois tem somente dois "estados discretos", ligado ou desligado, 0 ou 1.  Vários instrumentos usados no controle discreto de sistemas têm esta característica.  Por exemplo, um instrumento chamado "chave de nível" (chave pois "chaveia" entre dois estados discretos e independentes, lógicos, do tipo sim ou não,ligado ou desligado, 0 ou 1) pode ser usado para ligar ou desligar a bomba que alimenta um reservatório de líquido. SINAIS DIGITAIS  O sinal digital é formado por uma série de números discretos, cada um deles correspondendo a um valor do sinal analógico em um certo instante de tempo.  A resolução do sinal digital depende do número de bits, e o número de combinações se dá pela seguinte regra: NC = 2n onde n é o número de bits. Exemplos: Quantos bits são necessários para converter um sinal analógico de medida de temperatura de uma sanduicheira elétrica para um sinal digital. (1 bite -> NC = 21=2 informações) 2) Quantos bits são necessários para converter um sinal analógico de um termômetro para uso médico para um sinal digital com resolução menor que 0,1 °C e escala de 30 até 45 45

35

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Tentativa N=4 -> NC = 24=16

N=5 -> NC = 25=32

(45-35)/15 = 0,7

(45-35)/32 = 0,32

8b) Quanto ao sinal de transmissão, quais as vantagens e desvantagens do sinal eletrônico analógico sobre o eletrônico Digital? As desvantagens relativas do sinal digital frente ao analógico: Menos preciso Menos informações (para melhorar tem que aumentar o número de bites) As vantagens relativas do sinal digital frente ao analógico Facilidade de condicionamento de sinal (+ facilidade de armazenar, pois tem um numero finito de combinações); Os computadores são digitais e podem então processar os sinais digitais em pré e pósprocessamento, isto é, filtragem, operações matemáticas, etc; Os sinais digitais podem ser apresentados diretamente em displays numéricos; Problemas com ruídos são praticamente eliminados, e a transmissão de dados é mais simples;

 Sinais digitais podem ser transmitidos em redes computacionais.

MÉTODOS DA DEFLEXÃO E ANULAÇÃO: É uma forma de classificar os instrumentos em dois grupos: cancelamento e deflexão. Esta classificação diz respeito ao princípio de operação do instrumento. Em INSTRUMENTOS DE DEFLEXÃO a quantidade medida produz um efeito físico que é contrabalanceado por um efeito contrário em alguma outra parte do instrumento. Este efeito contrário, por sua vez, está intimamente ligado a alguma variável que será diretamente perceptível por um sentidos humano. Em INSTRUMENTOS DE CANCELAMENTO, a deflexão é idealmente mantida nula pela aplicação de um efeito contrário àquele gerado pela quantidade medida. A balança de braço articulado (a "balança de feira"), o instrumento da cancelamento mais simples e talvez o mais antigo que existe.

Comentário: quero medir peso, mas meço a deflexão (deslocamento)

Comentário: pode ser usado para calibrar uma variável. Se m1=m2 -> deflexão igual a zero Se m1>m2 -> deflexão > 0

Quais as vantagens e desvantagens do instrumento de deflexão em relação ao do cancelamento? VANTAGENS DESVANTAGENS  Mais adequado para medidas dinâmicas  Tem a escala limitada (ex: fluido escoando)  Resposta na medida mais rápida (leituras mais rápidas)  Mais prático de usar

CAPITULO III TERMINOLOGIA NA METROLOGIA

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 Erro: É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático, que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a mais ou a menos. Erro Absoluto - Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro convencional da grandeza medida. Erro Aleatório - Componente do erro de medição que varia de uma forma imprevisível quando se efetuam várias medições da mesma grandeza. Erro Sistemático - Componente do erro de medição que se mantém constante ou varia de forma previsível quando se efetuam várias medições de uma mesma grandeza. Os erros sistemáticos e suas causas podem ser conhecidos ou desconhecidos. Valor Verdadeiro (de uma grandeza) - Valor que caracteriza uma grandeza perfeitamente definida nas condições existentes quando ela é considerada. O valor verdadeiro de uma grandeza é um con...