Alessandro B. de S. OLIVEIRA Campus UnB Gama Laboratório ... · Medições nos Motores de Combustão Interna e nos sistemas de Injeção, Admissão e Escapamento. Engenharia Aeroespacial

Campus UnB GamaLaboratório de Metrologia Dinâmica

Calibração Dinâmica de transdutores de pressão

Alessandro B. de S. OLIVEIRA

Plano da apresentação

• Problemática

• Principio da calibração dinâmica

• Método de calculo da incerteza – GUM

• Método de calculo da incerteza – Monte-Carlo

• Avaliações

• Conclusões e perspectivas

Medição de pressão dentro de uma câmara de um motor de combustão interna à diesel

Introdução à medição dinâmica







Medição de pressão utilizando uma linha pneumática


Transdutor de Referência

Transdutor Instalado

na Linha Pneumática

Medição de pressão utilizando uma linha pneumática


Transdutor de Referência

Transdutor Instalado

na Linha Pneumática


Estudo da Influência das Linhas Pneumáticas Curtas e de Pequeno Diâmetro na Resposta do Transdutor

Transdutor de

Referência

Transdutor

Instalado na

Linha Pneumática

DAR TC-02


Área de Aplicação

Exemplos de aplicação da medição dinâmica de pressão e temperatura

Engenharia Automotiva

Medições nos Motores de Combustão Interna e nos sistemas de Injeção, Admissão e Escapamento.

Engenharia Aeroespacial

Medição de pressão em sistemas de propulsão, em turbinas e em rotores

Engenharia Nuclear

Monitoração do sistema de fusão e fissão nuclear, controle do sistema de segurança dos reatores

Engenharia Militar

Controle de sistemas de propulsão, explosões e balística

Engenharia Mecânica Geral

Monitoração de turbinas hidráulicas, caldeiras, usinas termoelétricas, sistemas de automatização hidráulicos e pneumáticos, bombas, compressores, sistemas de refrigeração, trocadores de calor.

Medicina

Equipamentos de diagnóstico e de monitoramento e controle de equipamentos cirúrgicos auxiliares


Sinal

Problemática

FenômenoFísico

em regime estático

Escolha dotransdutor

Calculo de incertezaQuantificar a Qualidade da

medição

ingredientes.

Calibração estática do transdutor

Características típicas

Estáticas

Sinal

Problemática

FenômenoFísico

em regime dinâmico



EstáticasDinâmicas


medição

ingredientes.


Sinal

Objetivo

FenômenoFísico

em regime dinâmico



EstáticasDinâmicas


medição

ingredientes.


Calibração dinâmicado transdutor

Principio da calibração estática

SS

E

D=D

Estática

Sinal deentrada

ETransdutor

Sinal de saída

S

Principio da calibração dinâmica

Função de transferência

Sinal deentrada

E(t)Transdutor

Sinal desaídaS(t)

HS

E

S t e

E t e

j t

j t

( )( )

( )

( ).

( ).

. . .

. . .

2

0

2

0


Sinal deentrada

E(t)Transdutor

Sinal deSaídaS(t)

Sinal de entradaE(t)

A

0


k

0 1/k


A

0

Esquema Geral

Meios de calibração - Periódicos

Principío de Calibração

Motorde

Modulação

RespostaS(t)

ComandoSinal senoidal

E(t)

TransdutorÀ calibrar

CavidadeModulador


Gerador não ressonante com modulação de volume

Biela Cilindro Pistão

Transdutor à calibrarMotor elétricoDe velocidade variável

Transdutor de ReferenciaManivela


Câmara de compressão

Transdutorde referencia

Transdutorà calibrar

Membrana

BobinaMovel

Imâpermanente

CarcaçaPeça com magnético

CarcaçaPeça com Polo magnético


Ressonador acústico

Capteurde référence

Capteurà étalonnerMembrane

haut-parleur

BobineMobile

Tube de longueurvariable

Culasse et pièce polaire magnétique

Culasse et pièce polaire magnétique


Fontede PressãoConstante

Conversoreletropneumatico

Transdutor à calibrar

Transdutor de referencia

Câmara decalibração

Bobina Bico

Palette

Câmarade comando

Clapet

Purgada saída

Saída doconversor

Modulação por perda de carga – Conversor eletro-pneumático


Sirene


Transdutorde referência

Fonte de Pressão

Discoperfuradorotativo

Bico


Gerador de onda quadrada

Orificed'admission

Corpscylindrique

CavitéTournanteC1

Rotor

Orificed'echappement

Orifice de mise en place du capteur de référence et à etalonner

(a) (b) (c)

CavitéTournanteC2

CavitéTournanteC1


Coluna de liquido

( ) sin( )P t g h h A tr r w= +

Excitadorde vibração


Acelerômetrode referência

Liquido

Transdutorde referencia

Meios de calibração - Aperiódicos

Bomba fechada

Membranade segurança

Transdutorà calibrar Carga

explosiva

Dispositivode ignição

Câmarade expansão

Masseadicional

Pequena câmara

P1

Transdutor àcalibrar

Grande câmara

P2

Sistema de comunicação

P2

P1

Ts Tempo

Pressão

Meios de calibração – Aperiódicos

Dispositivo de abertura rápida

Pequenacâmara

P1


Grande câmara

P2

Sistema decomunicação

P2

P1

Ts Tempo

Pressão

Meios de calibração



Pequenacâmara

P1


Grande câmara

P2


P2

P1

Ts Tempo

Pressão



Pequenacâmara

P1


Grande câmara

P2


P2

P1

Ts Tempo

Pressão



Tube de choque

Membrana

Câmara Alta Pressão

Transdutor dePressão

CâmaraBaixa Pressão


Tube de choque

Membrana

CâmaraAlta Pressão


CâmaraBaixa Pressão


Tube de choque

Membrana



CâmaraBaixa pressão


Tube de choque

Membrana



CâmaraBaixa pressão


Tube de choque

T3

Ondes de détente

Surface de séparation

T4

T2

T1

V4

V3 V2

V1

P4

P3 P2

P1

4

3 2

1

5

Pre

ssio

nT

emps

Tem

pe

ratu

reV

itess

e

Onde de choc

Position

Chambre HP Chambre BP

Membrane

tCapteur de

Pression

ChambreHaute pression

ChambreBasse pression

Membrane

14

1234

Surface de séparation

Ondes dedétente

Onde de choc

Diagrama domínio de utilização

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 1000001E-3

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

Pre

ssã

o [

kPa

]

Frequência [Hz]

Dispositivo de abertura rápida Tube de choque

Desvio é o erro Maximo dentro da banda [f1, f2]


1 a dentro da banda de freqüência {f1, f3}

Principio de inter-comparação entre dois meios de calibração A e B

1 a dans la bande de fréquence {f1, f3} 1 b dans la bande de fréquence {f2, f4}


1 a dentro da banda de freqüência {f1, f2} Dentro da zona de inter-comparação {f2, f3}, a resposta do transdutor é 1 b1 b dentro da banda de freqüência {f2, f4}


Domínio Pressão freqüência LMD na França

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 1000000,1

1

10

100

1000

10000

100000

Pre

ssio

n [

kPa

]

Frequence [Hz]

DOR 200

DOR 20

DOR 10TCR

TC20TC100

TC200

TC10

Padrão coletivo em Pressão Dinâmica

Rastreabilidade

P1

P2

Palier de pression stable

Pressãoestabilizada

Transitoirecapteur réf. statique

Temps stabilisation

Temps

Échelon depression

Rastreabilidade à pressão estática

Pequenacâmara

P1

Transdutor “Estático"

Grande câmara

P2

Transdutor Referência

P1

P2

Patamar de pressão estabilizada

Pressãoestabilizada

TransienteTransdutor ref. estática

Tempo estabilização

Tempo

Degrau de pressão

Rastreabilidade à pressão estática

Pequenacâmara

P1

Transdutor “ Estático”

Grande câmara

P2

Transdutor

referência

Rastreabilidade aos padrões primarios

Método GUM

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

Modelo

Método GUM

METHODE

Principe de mesure

Traitement des informations

Mode opératoire Valeur conv.vraie

Qualité des composantes

DériveJustesseFidélité

Dérive

Homogénéité

Résolution

Etalonnage

MOYEN

Appareilde

Mesure

Etalon

MAIN D'OEUVRE

Stress

Habileté

Expérience

Acuité visuelle

Proprietés physiquechimique

Homogénéité

Qualité

Stabilité

Résultat de mesure

MILIEU

Pression

Température

Sources d'énergie

Vibration

Hygrométrie

Hostilité du milieu

MATIERE

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

ModeloDiagrama d’Ishikawa – Método dos 5M

Método GUM

METHODE

Principe de mesure





Dérive

Homogénéité

Résolution

Etalonnage

MOYEN

Appareilde

Mesure

Etalon

MAIN D'OEUVRE

Stress

Habileté

Expérience

Acuité visuelle


Homogénéité

Qualité

Stabilité

Résultat de mesure

MILIEU

Pression

Température

Sources d'énergie

Vibration

Hygrométrie


MATIERE

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

ModeloDiagrama d’Ishikawa – Método « 3M »

Método GUM

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

Modelo

Estimaçâo das incertezas tipo

x1 , u(x1)

x2 , u(x2)

x3 , u(x3)

Y= f(X) y , u(y)

Propagation des variances

Expression des résultats

. ( )cU k u y=

Método GUM

• Avaliação Tipo A

–Analise estatística de uma série de observação

Estimação das incertezas tipo

2exp

1

1( )

1

n

i

i

s X Xn =

= -- å

100 200 300 400

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

Eca

rt [

Pa

]

Fréquence [Hz]

Método GUM

•Avaliação do Tipo B

–Outros métodos diferentes da analise estatística.


Métodos reconhecidos

–Resultados de medições anteriores

–Experiência, conhecimento geral

–Especificações do fabricante

–Certificados de calibração

–Livros e manuais

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

De

nsi

té d

e p

rob

ab

ilité

420-2-4Valeur de la grandeur mesurée

Loi uniforme

68% 95%

Exemplo:Exemplo:

Se há o conhecimentos dos valores Se há o conhecimentos dos valores

min et max possíveismin et max possíveis

Distribuição uniformeDistribuição uniforme

Método GUM

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

Modelo


x1 , u(x1)

x2 , u(x2)

x3 , u(x3)

Y= f(X) y , u(y)

Propagação das variâncias


. ( )cU k u y=

Método GUM

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

Modelo


x1 , u(x1)

x2 , u(x2)

x3 , u(x3)

Y= f(X) y , u(y)



. ( )cU k u y=

21

2 2

1 1 1

( ) . ( ) 2 . ( , )n n n

c i i ji i ji i j

f f fu y u x u x x

x x x

-

= = =

æ ö¶ ¶ ¶= +ç ÷¶ ¶ ¶è øå åå

Método GUM

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

Modelo


x1 , u(x1)

x2 , u(x2)

x3 , u(x3)

Y= f(X) y , u(y)



. ( )cU k u y=Expressão dos resultados

. ( )cU k u y=

Procedimento de calibração dinâmica

Calibração dinâmicaPressão

Transdutor de referência

Calibração dinâmicaTensão

Sistema de aquisição

Avaliação do softwareCalculo


Calibração quase-estáticaPressão


Calibração quase-estáticaTensão

Sistema de aquisiçao

Calibração dinâmicaPressão


Calibração dinâmicaTensão


Calibração quase-estáticaPressão

transdutor à calibrar

Procedimento de Calibração Transdutor de referência

Procedimento de calibração do transdutorPor comparação

Geradordegrau de tensão GE01

FiltroAquisição

Multímetro

SoftwareKETSTA

V

U

Calibração quase-estática da cadeia de aquisição

Quasi-statique

TensionSyst. acquisition

Quasi-statique

PressionCapt. référence

Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique


Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique


Incertitude élargie = 1,3E- 3 Volt

Geradordegrau de tensão GE01

FiltroAquisição

Multímetro

SoftwareKETSTA

V

U

Calibração quase-estática da cadeia de aquisição

Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique


Incertitude élargie : 298 Pa (k=2)

Gerador de degrau de

pressão DAR

FiltroAquisição

Manômetro

Software

KETSTAV

P

Calibração quase-estática do transdutor de referência

Incertitude élargie = 0,0010 % (k=2)

Réponse Transitoire étalon

S(t)

LogicielEDYCAP

Fonction de transfert

H(f)


étalonHet(f)

IncertitudeUH(f)

Expressionsmathématiques

+

-Logiciel EDYCAP

Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique


Avaliação do software de calculo da funçãode transferência

Générateurd'échelon de tension GE01

Filtre passe basEnregistreur de

transitoire

LogicielEDYCAP


H(f)

Moyen Etendue de fréquence

Filtrage Nombre de

points Période

d’échantillonnage

DOR20 1 à 100 Hz 3 kHz 10001 0,2 ms

TCR 10 à 1000 Hz 2 kHz 5001 20 s

TC20 100 a 10000 Hz 40 kHz 6001 1 s

Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique


Calibração dinâmica do sistema de aquisição

Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique


INCERTITUDEDYNAMIQUE

SYSTEME ACQUISITION

METHODE

Répétabilité

Fonction de Transfert

Filtrage

Echantillonnage

Exploitation (EDYCAP)

Résolution verticale

Etalonnage quasi-statique sys. acquisition

MOYEN

Jitter



SYSTEME ACQUISITION

METHODE

Répétabilité


Filtrage

Echantillonnage

Exploitation (EDYCAP)

Résolution verticale


MOYEN

Jitter


1 10 100 1000 100000,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

Ince

rtitu

de

éla

rgie

[%

]

Fréquence [Hz]

DOR20 TCR TC20

Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique



Dispositif à ouverture rapide

DOR20

FiltreEnregistreur

LogicielEDYCAP


H(f)

Capteur de référence

Tube à chocTCR

Tube à chocTC20

Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique


Calibração dinâmica do transdutor de referência


METHODE

Répétabilité


Type de gaz Type de membrane

Montage

Etalonnage quasi-statique cap. référence

Fonction de Transfert sys.acquisition

Edycap

EchantillonnageFiltrage


MOYEN

Procédure

Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique



DOR20 TCR

TC20





Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique


Bande de fréquence: Incertitude élargie [%] Incertitude élargie [kPa]

de 1 Hz à 10 Hz 0,35 1,7

>10 Hz à 49 Hz 0,51 2,6

> 49 Hz à 100 Hz 0,51 2,5

> 100 Hz à 400 Hz 0,98 4,9

> 400 Hz à 1 kHz 1,10 5,5

> 1 kHz à 3 kHz 2,89 14,5

> 3 kHz à 5 kHz 7,43 37,2

> 5 kHz à 10 kHz 38,85 194,3

Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique


Fonction de transfert unitaire (Rapport d’amplitude)


Fréquence 10Hz

37%

57%

1%

4%1%

Fréquence 50Hz

50%

3%

1%

17%

29%

Fréquence 100Hz

24%2%

0%

55%19%

Fréquence 500Hz

21%

70%

0%

2%7%

Fréquence 1000Hz26%

45%

1%

3%

25%

Fréquence 5000Hz

4% 0%

0%

96%

0%

Incertitude Quasi statique Erreur modélisation écart Gain de Voltage Acquisition+ exploitation Disp. des Mesures

Distribuição dos pesos das fontes de incerteza


g(X 1)

g(X 2)

g(X 3)

Y= f(X) g(Y)

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

Modèle

Attribution loi de distribution

g(X 1)

g(X 2)

g(X 3)

.

g(X n)

Simulation m itérations

Método de Monte-Carlo

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

Modèle

Diagramme d’Ishikawa – Méthode de « 3M »

METHODE

Principe de mesure





Dérive

Homogénéité

Résolution

Etalonnage

MOYEN

Appareilde

Mesure

Etalon

MAIN D'OEUVRE

Stress

Habileté

Expérience

Acuité visuelle


Homogénéité

Qualité

Stabilité

Résultat de mesure

MILIEU

Pression

Température

Sources d'énergie

Vibration

Hygrométrie


MATIERE


Méthode de Monte-Carlo

g(X 1)

g(X 2)

g(X 3)

Y= f(X) g(Y)

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

Modèle


g(X 1)

g(X 2)

g(X 3)

.

g(X n)



100 200 300 400

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

Eca

rt [

Pa

]

Fréquence [Hz]

Statgraphics



100 200 300 400

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

Eca

rt [

Pa

]

Fréquence [Hz]

Statgraphics



100 200 300 400

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

Eca

rt [

Pa

]

Fréquence [Hz]

Statgraphics


g(X 1)

g(X 2)

g(X 3)

Y= f(X) g(Y)

1 2 3( , , ,......, )nY f X X X X=

Modèle


g(X 1)

g(X 2)

g(X 3)

.

g(X n)




METHODE

Répétabilité


Type de gaz Type de membrane

Montage

Etalonnage quasi-statique cap. référence

Fonction de Transfert sys.acquisition

Edycap

EchantillonnageFiltrage


MOYEN

Procédure

Quasi-statique


Quasi-statique


Logiciel EDYCAP

Dynamique


Dynamique


Calibração dinâmica do transdutor de referência pelo Método de Monte-Carlo

Ajustement de loi de distribution


Bande de fréquence Type de loi Incertitude élargie [V] Incertitude élargie [%]

1 à 50 Hz Normale (k=2) 1731 0,35

50 à 100 Hz Normale (k=2) 2320 0,47

100 à 400 Hz Normale (k=2) 4748 0,22

400 à 1000 Hz Normale (k=2) 5268 0,14

1000 à 3000 Hz Normale (k=2) 11710 2,34

3000 à 5000 Hz Triangle rectangle (k=1,65)

[-36600 ;21900] [-7,35 ; 4,34]

5000 à 10000 Hz Uniforme (k=1,65) 1988406 39,8

Résultat de la simulation




Comparaison de deux méthodes de calcul


32,0% 0,8%1,1%

63,9%

2,1%

0,1%

0,1% 84,8%

3,1% 0,1% 2,3%

8,9%

0,4%

0,4%

0,1%

0,1%2,4%

75,2%

1,1%0,9%20,2%

Multimètre B1 écart B2 Dérive B3 Résolution B4 Arrondi (Ketsta) B5 Fluctuation B6 Répétabilité A1

12 bits 16 bits

Avaliação de diferentes modos de resolução vertical

Avaliações da resposta dinâmica de sistema de aquisição

Geradorde degrau detensão GE01

Sistema deaquisição

12 Bits

Multimetro

SoftwareKETSTA V12Bits

U

Filtro


16 BitsV16Bits

SoftwareKETSTA

Gerador deDegrau de tensão GE01

Filtro passa-baixa

Software

EDYCAP

Função detransferência

H12Bits(f)


12 Bits

16 Bits H16Bits(f)


Função detransferência

Avaliações da resposta dinâmica de sistema de aquisição

Calibração dinâmica por comparação


por comparação

H(p)

Calculo da função de

transferência

Resposta transitória do transdutor de

referenciau(t)

s(t)

Gerador de degrau

e(t)

Resposta transitória do transdutor à

calibrar

Dispositivo de abertura

rápida

FiltroAquisição

SoftwareEDYCAP


H(p)


Tubo de Choque


Calibração dinâmica por comparação

Função de Transferência

Conclusôes

Incerteza entre 1 à 5000 Hz é 0,5 % superior ao método de calibração de transdutores de referência

Documents

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