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ELT030InstrumentaçãoInstrumentação
2º Semestre - 2016
Ferramental estatístico
� Na ciência da instrumentação, os métodos estatísticos se apresentamcomo ferramentas fundamentais para medição.
� Estatística é ciência que se preocupa com a organização, descrição, análisee interpretação dos dados experimentais.
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Ferramentas básicas da Estatística para Medição.
Ferramental estatístico� Em todas as medições, observações ocorrem variações, independentemente do tipo de experimento que esteja sendo
avaliado.
� Quando o número de observações fica grande podemos representar o conjunto de observações pela Distribuição
Normal conhecida também como Distribuição de Gauss.
� Pelo teorema de Gauss o valor mais provável de uma grandeza medida “n” vezes com a mesma precisão é a médiaaritmética das “n” medidas efetuadas.
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Manutenção• Uma atividade importante para a instrumentação industrial é a política de
manutenção, seja corretiva, preventiva ou preditiva.
• Manutenção pode ser definida como o conjunto de ações necessárias paragarantir a disponibilidade da função de um item com confiabilidade,mantenabilidade, segurança e custo adequado dentro de um processo.
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Disponibilidade 24 horas por dia, 7 dias por semana.
Confiabilidade e Disponibilidade
Confiabilidade é definida como a probabilidade de um item exercer a sua função por um período previsto, sobcondições de operação especificadas.Se um item não permite reparo, o grau de confiabilidade pode ser avaliado pelo seu MTTF (mean time to failure), ouseja, o período médio até que ele falhe.Caso o item permita reparo, faz sentido avaliar o grau de confiabilidade pelo seu MTBF (mean time between failure),ou seja, o período médio entre falhas.
Mantenabilidade é definida como a probabilidade de um item ser recolocado em operação dentro de um períodoprevisto, sob procedimentos de manutenção especificados.O grau de mantenabilidade de um item pode ser avaliado pelo seu MTTR (mean time to repair), ou seja, o período
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O grau de mantenabilidade de um item pode ser avaliado pelo seu MTTR (mean time to repair), ou seja, o períodomédio de reparo.
Disponibilidade é definida como a probabilidade de um item estar funcionando sob condições de operaçãoespecificadas, podendo ser expressa em função do MTBF e do MTTR.
Taxa de Falhas
Definindo a taxa de falhas λ(t) como:
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Onde na é o número de amostras analisadas, nf o número de falhas durante otempo t e MTBF é o tempo médio entre as falhas: a média da vida útil de umapopulação.Exemplo: um fabricante testou 1000 peças de um PT-100, durante 200 horas eocorreram 8 falhas. Qual o MTBF?
Taxa de Falhas: Curva da Banheira
Sempre existe a possibilidade de que um item falhe durante o seu ciclo de vida, o qual deve ser avaliadoestatisticamente para determinar a sua probabilidade de ocorrência versus o custo da falha, um seguimento conhecidocomo manutenção centrada na confiabilidade. A curva da banheira mostra como a taxa de falhas varia ao longo do ciclode vida de um item isolado do seu sistema, apresentando, em geral, as fases da sua vida.A taxa de falhas não é uma constante, como pode ser visualizado pela curva da banheira, a qual retrata o ciclo de vidade um instrumento ou equipamento.
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A fase I é chamada mortalidade infantil, na qual a taxa de falhas é alta e decrescente ao longo do tempo. Isso édevido a problemas na manufatura e componentes.A fase II é chamada de vida útil, na qual a taxa de falhas é baixa e praticamente constante ao longo do tempo. Oequipamento opera nessa fase e basicamente as falhas são eventos aleatórios (vibrações, variações de temperatura,sobrecarga, operações indevidas, etc...)A fase III é chamada de desgaste ou fim da vida, na qual há o aumento da taxa de falhas no tempo por problemasde desgaste nos materiais e componentes.
Taxa de Falhas: Curva da Banheira
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�Caso o item não permita reparo, como os sistemas eletrônicos e os sistemas mecânicos simples, o período de vida útiltende a ser mais extenso, pois o item se degrada por causas naturais (o envelhecimento, a oxidação, a corrosão, afadiga, entre outros). Nestes casos é possível uma ação preventiva apos efetuar-se estudos detalhados sobre o MTTF,fazendo o descarte do item.
�Caso o item permita reparo, como os sistemas mecânicos complexos, o período de vida útil tende a ser mais restrito,estando diretamente relacionado com o período de desgaste. Nestes casos também é possível uma ação preventiva apósefetuar-se estudos detalhados sobre o MTBF, fazendo a recuperação do item, protelando o seu descarte final.
Taxa de Falhas: Curva da Banheira
Burn-inUm item ou parte de um item pode ser colocado em operação pelo própriofabricante por um período previsto com a finalidade de eliminar o período demortalidade infantil. A essa atividade, da-se o nome de burn-in, a qual, para ossistemas eletrônicos, é frequentemente realizada em temperatura elevada e/outensão elevada, evidenciando o período de mortalidade infantil.
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Confiabilidade
Uma vez conhecida a confiabilidade de um item, faz necessário determinar a confiabilidade do sistema no qual o item está inserido. Um item de baixa confiabilidade certamente quebrará a cadeia de confiabilidade de todo o sistema.
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Analogia com os elos de uma corrente.
Confiabilidade
�Para um sistema de baixa complexidade, é possível determinar analiticamente a sua confiabilidade. Considere umsistema formado por n itens em serie. A confiabilidade do sistema é dada pela probabilidade dos n itens estaremfuncionando:
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�Nesse caso, a taxa de falhas do sistema é dada pela soma das taxas de falhas dos itens. Observe que se um dositem possui uma taxa de falhas muito maior do que a dos demais, toda a confiabilidade do sistema será prejudicada,diminuindo, assim, o MTTF do sistema como um todo.
�Para analise de um sistema de alta complexidade, a analise se torna mais onerosa, sendo mais vantajosasimulações probabilísticas da confiabilidade do sistema, como as simulações de Monte Carlo.
Confiabilidade
�A confiabilidade depende do uso, do ambiente e dos materiais do sistema. Dessa maneira, algunsfatores devem ser considerados durante o projeto de um instrumento de medição para obter umsistema com alta confiabilidade.
�O instrumento de medição deve possuir um numero reduzido de itens para realizar a funçãodesejada, os quais devem possuir um histórico conhecido de confiabilidade, pois quanto mais itensem serie, maior a probabilidade de ocorrer uma falha.
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em serie, maior a probabilidade de ocorrer uma falha.
�O instrumento de medição deve operar dentro das faixas especificadas, pois a confiabilidade decairapidamente quando aumenta a temperatura, a umidade, a tensão, a vibração, entre outros.
�Do ponto de vista da eletrônica, o uso de circuitos integrados substituindo a função de várioscomponentes discretos aumenta a confiabilidade do instrumento de medição, uma vez que aconfiabilidade de um circuito integrado praticamente não esta correlacionada com a suacomplexidade.
�Os componentes eletrônicos devem passar por um período de burn-in de maneira a ultrapassar operíodo de mortalidade infantil.
Redundância
�A confiabilidade de um item pode ser aumentada introduzindo no sistema algum tipo de redundância, por exemplo,usar dois ou mais itens em paralelo de maneira que o sistema continue a funcionar mesmo que parte dele falhe.Existem vários tipos de redundâncias que podem ser utilizadas , entre elas vamos ver duas mais básicas: a paralelaativa e a paralela passiva (ou stand-by) .
�Na redundância paralela ativa, dois ou mais itens idênticos estão continuamente operando em paralelo. Neste caso, a confiabilidade do sistema e dada por:
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�Na redundância paralela passiva (ou stand-by), dois ou mais itens idênticos estão ligados a saída através de umachave de decisão, a qual é capaz de identificar a falha dos itens. Assim, um dos itens precisa falhar para que osubsequente assuma a sua função no sistema. Considerando que a chave de decisão é infalível, a confiabilidade dosistema e dada por:
Redundância
Considere que uma válvula critica para um sistema que tem uma taxa defalhas de 0.0001 falhas por hora.Qual será o MTTF se for utilizada uma redundância paralela ativa com 2válvulas?
MTTF = 15.000 horas
Qual será o MTTF se for utilizada uma redundância paralela passiva com 2
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Qual será o MTTF se for utilizada uma redundância paralela passiva com 2válvulas?
MTTF = 20.000 horas
Como exemplo, foi introduzida uma redundância paralela passiva na válvulada malha de controle de vazão apresentada na aula de diagrama P&I de, naqual a decisão de chaveamento esta no controlador.Observe que na identificação dos instrumentos em paralelo no diagrama P&I,segundo a norma ANSI/ISA S5.1, foram utilizados os sufixos A e B,identificando o paralelismo de função.
Redundância
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Diagrama P&I de uma malha de controle de vazão.
Exercícios
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À 20°C Deflexão a carga zero = 0 mm \\ Sensibilidade (20-0)mm/1Kg = 20 mm/Kg
À 30°C Deflexão a carga zero = 5 mm \\ Sensibilidade (27-5)mm/1Kg = 22 mm/Kg
A deriva de zero/°C = (5-0)/(30-20) = 5/10 = 0,5 mm/°C
A deriva de sensibilidade/°C = (22-20)mm/Kg / (30-20) °C = 0,2 mm/Kg / °C
Exercícios
�Defina instrumento de ordem zero einstrumento de primeira ordem.
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Exercícios
� Comente sobre o gráfico conhecido como aCurva da banheira.
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Conceito de Sistema de Medição
�Sistema de mediçãoÉ o conjunto completo de instrumentos de medição e outros
equipamentos acoplados para executar uma mediçãoespecífica.
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Conceito de Sistema de Medição
�Sistema de medição
�Medidor: dispositivo que interage com o sólido ou fluido
criando a possibilidade de medir as características deinteresse.
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Conceito de Sistema de Medição
�Sistema de medição
�Sensor, dispositivo que capta do sólido oufluido a característica de interesse.
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Conceito de Sistema de Medição
�Sistema de medição� Circuito de medida, conjunto que recebe do sensor a
característica de interesse, procede o tratamento necessário ea transmite ao instrumento de medida.
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Conceito de Sistema de Medição
�Sistema de medição
� Instrumento de Medida, aparelho que recebendo acaracterística de interesse do circuito de medida,procede seu tratamento.
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Escolha do Sistema de Medição
� Natureza da aplicação e do local
� Tipo de fluido
� Líquido, vapor,gás
� Tipo de escoamento do fluido
� Rio,canal,conduto forçado ou livre
� Meio de transporte� Meio de transporte
� Estado e espessura da parede,diâmetro,trecho reto
� Acesso ao local de medida
� Característica do ambiente
� Pressão,temperatura,vibrações, áreas classificadas,etc
� Suporte
� Energia elétrica,tempo de parada
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Escolha do Sistema de Medição
� Característica física, química e biológica do fluido
� Pressões e temperaturas de serviço
� Massa específica e viscosidade
� Presença de substâncias corrosivas
� Elementos transportados pelo fluido
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Escolha do Sistema de Medição
� Resultados desejados
� Medidas desejadas
� Apresentação das medidas
� Indicador digital ou analógico,registro,alarmes, limites,etc
� Fixação de Parâmetros: exatidão, precisão, faixa de medida, proteção, etc
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Escolha do Sistema de Medição
� Custos econômicos e garantias
� Custo para estudo e projetos
� Custo de equipamentos e instalação
� Custo de operação e manutenção
� Padronização de equipamentos existentes
� Fornecedores e suas competências� Fornecedores e suas competências
� Características técnicas,custos,qualidade,garantias e rede de manutenção,certificados,etc
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