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Joaquim Gabriel Mendes
Maria Teresa Restivo
António Mendes Lopes
Fernando Gomes de Almeida
Maria de Fátima Chouzal
LABORATÓRIOS DE INSTRUMENTAÇÃO PARA MEDIÇÃO
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Ficha Técnica
Maria Teresa RestivoFernando Gomes de AlmeidaMaria de Fátima ChouzalJoaquim Gabriel MendesAntónio Mendes Lopes
Revisão da versão inglesa
José Couto Marques
Ilustração de abertura e esboços
Leonor ZamithJoana Restivo
ISBN
978-972-8025-67-0
Conteúdos (textos, vídeos, animações, simulações, fotografias, desenhos e esquemas)
Programação de conteúdos multimédia
Susana LeitãoCarlos Moreira da SilvaGATIUP
Design e montagem multimédia
Ana FerreiraMiguel CarvalhaisPatrícia AlmeidaRenato SilvaSérgio Coutoidd.fba.up.pt
Produção
Cosmotrónica
Editora UP
Série Electrónica, 3
Reitoria da Universidade do PortoPraça Gomes Teixeira, 4099-002 Porto
Coordenação de edição multimédia
Maria de Fátima ChouzalMaria Teresa Restivo
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…quando se pode medir aquilo de que se fala e expressá-lo em números, sabe-se alguma coisa sobre o mesmo; mas quando não se pode medi-lo, quando não se pode exprimi-lo em números, o conhecimento que se tem é de um tipo insuficiente e insatisfatório…
Sir William Thompson, Lord Kelvin (1824-1907)
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Índice geral
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Prefácio
A criação de conhecimento é uma das componentes essenciais da missão da Universidade. Mas é fundamental que esse conhecimento não fique prisioneiro na própria instituição. Deve ser transmitido para a sociedade para que dele possa tirar proveito.A Universidade do Porto, querendo estar presente na linha da frente das universidades a nível internacional, assume inteiramente na sua missão aquelas duas componentes.A publicação de resultados do trabalho desenvolvido por membros da sua comunidade académica é motivo de regozijo para a U.Porto pelo contributo que dai advém para o cumprimento da sua missão.Tal publicação merece ainda mais realce quando ela permite colmatar lacunas ao nível da literatura disponível e simultaneamente abrir excelentes perspectivas para a aprendizagem de conhecimentos, tecnologias e técnicas por parte dos estudantes da própria universidade mas também de todos os outros cidadãos interessados.A edição multimédia de “Laboratórios de Instrumentação para Medição” satisfaz plenamente aquelas características pelo que é merecedora do nosso mais vivo aplauso, incentivo e reconhecimento. Esta publicação possui ainda duas outras características especiais que reforçam o seu interesse. Por um lado, trata questões de índole experimental ou laboratorial numa abordagem muito próxima da real, oferecendo mesmo
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acesso remoto a experiências, disponibilizando aos seus leitores uma excelente ferramenta de aprendizagem de técnicas e metodologias laboratoriais. Por outro lado, a opção pelo formato electrónico permite que este trabalho seja mais facilmente utilizável por um maior número de cidadãos.Os autores desta edição são credores das maiores felicitações pela sua iniciativa, bem como por todo o trabalho que desenvolveram e que culminou nesta obra.Este e-book tem todas as condições para ser um sucesso e, assim, para contribuir para o prestígio e divulgação da U.Porto, merecendo, por tal, o seu reconhecimento.
José Carlos D. Marques dos SantosREITOR
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Prólogo
Saúda-se com muito entusiasmo a publicação deste e-book sobre Laboratórios de Instrumentação para Medição. A literatura técnica em língua portuguesa é muito limitada nesta matéria e, com o ensino de massas actualmente praticado nas nossas universidades, é extremamente difícil proporcionar o acesso directo dos alunos às técnicas de experimentação/medição no laboratório real.
De utilização simples e amigável, este e-book permite aos alunos dos cursos universitários de engenharia, física, bio-engenharia e outras áreas afins tomarem um primeiro contacto com algumas das técnicas de medição mais comuns, numa abordagem muito próxima dum ambiente laboratorial efectivo que poderão vir a utilizar numa fase mais avançada da sua formação.Porque a mecânica constitui seguramente um dos sectores básicos para a abordagem do problema da instrumentação/medição, aquela é a área de maior incidência no que diz respeito ao conteúdo do ebook, com referência específica à medição dimensional, de forças, de deslocamentos, de deformações, de proximidade, de temperaturas e de velocidades. Sendo a importância geral da área da electrónica tão indiscutível quanto a área da mecânica, a sua diversidade e sofisticação são factores que limitaram um tratamento mais abrangente desta matéria. Mesmo assim, foi conseguida uma ligação interessante entre as diversas grandezas físicas e a electrónica, muito útil em processos automáticos de aquisição de dados e controlo. É também de realçar o facto de permitir a ligação
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a experiências remotas, o que constitui em si mesmo uma novidade não só em termos nacionais mas também a nível internacional.O presente ebook é uma obra actual de leitura fácil e utilização interactiva, com muitos exemplos e simulações, ideal para alunos, técnicos e profissionais de engenharia e outras áreas técnicas ou científicas de índole experimental.
Joaquim Silva GomesPROFESSOR CATEDRáTICO DA FEUP
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Nota de Autor
A instrumentação é capital na concepção e realização de sistemas de medição, monitorização e comando e na obtenção de resultados e seu processamento, desempenhando actualmente um papel de fundamental importância nas mais diversas áreas tecnológicas, bem como nas da certificação, do controlo e da informação.As crescentes exigências de rigor colocadas pela experimentação em qualquer área científica fazem da Instrumentação para Medição uma componente curricular indispensável, especialmente em cursos do ensino superior com forte envolvente tecnológica, revelando-se essencial em actividades de investigação e de desenvolvimento.É intenção sistemática deste trabalho:
incentivar actividades experimentais;contribuir para a uniformização de conceitos e definições tendo por base o Vocabulário Internacional de Metrologia;familiarizar o utilizador com a manipulação de equipamentos e dispositivos para a realização de tarefas experimentais e o uso de métodos e procedimentos para medição de grandezas físicas de interesse mais frequente;incitar a reflexão sobre os resultados das medições;explorar os princípios de funcionamento dos sensores/transdutores mais tradicionais no laboratório e na indústria bem como a sua caracterização;abordar e clarificar aspectos relevantes do condicionamento e transmissão de sinal, da aquisição e processamento de dados; introduzir o conceito de instrumentação virtual bem como de monitorização e actuação remota via Web, disponibilizando mesmo a ligação a experiências remotas.
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Os autores gostariam de incitar os utilizadores à realização das suas próprias análises e subsequente elaboração de questões correlacionadas, como um excelente meio de trabalhar o conhecimento.Os autores esperam também contribuir para a disseminação de actividades experimentais no ensino de engenharia e facilitar a tarefa de concepção, afinação e exploração de sistemas experimentais dedicados ao treino em laboratório, tendo optado por uma sistemática descrição técnica dos equipamentos utilizados que os torna facilmente reprodutíveis em qualquer contexto. Nesta perspectiva disponibilizam ainda sistemas experimentais remotamente acessíveis.
Os autores
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À Editora UPorto todo o apoio concedido a esta edição e à Dra. Sara Ponte pela sua coordenação;À Universidade do Porto por ter criado as condições para o arranque do trabalho que acabou por conduzir à presente publicação. Neste apoio inicial agradecemos a confiança depositada pelo Professor José Ferreira Gomes, então Vice-Reitor;À Doutora Lígia Ribeiro pelo apoio prestado em diversas fases;Ao Eng. Carlos Sousa e ao Eng. José Almacinha pelas inúmeras discussões de conceitos metrológicos;Aos avaliadores pelas sugestões feitas;Ao Professor José Couto Marques pela revisão dos textos em língua inglesa;Ao Professor Joaquim Silva Gomes pelo contributo na elaboração do Prólogo;Ao Professor Marques dos Santos que sempre incentivou este trabalho e formulou sugestões de grande importância, pela sua disponibilidade para prefaciar este trabalho;
Os autores desejam agradecer
Agradecimentos
Os autores desejam agradecer
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Patrocínios
A todos expressamos o nosso sincero agradecimento.
Aos patrocinadores
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Índice de capítulos
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Pretende-se, neste módulo, rever a utilização de equipamento genérico de laboratório, nomeadamente: multímetros, osciloscópios, geradores de funções, frequencímetros e fontes de alimentação DC.
Utilização de equipamento genérico de laboratório
I
Objectivos
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Realização experimental
30
Após a conclusão deste módulo, o utilizador deverá ser capaz de usar as funções fundamentais de multímetros digitais, de osciloscópios digitais, de geradores de funções, de frequencímetros e de fontes estabilizadas e reguláveis de tensão/corrente.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
1
2
3
Quando utiliza um equipamento com leitura de resistência pelo método de dois ou quatro condutores, em que caso tem uma medição com valor mais elevado? A que corresponde a diferença entre os valores medidos para as duas situações?
Como insere um multímetro num circuito para efectuar uma medição de tensão?
Como insere um multímetro num circuito para efectuar uma medição de corrente?
O que entende por resposta em frequência de um equipamento?4
Síntese e conhecimentos adquiridos
31
Pretende-se, neste módulo, proceder a medições dimensionais de interiores, exteriores, profundidades, ângulos e roscas, utilizando para o efeito instrumentos mecânicos já conhecidos, tais como: paquímetro, micrómetro de interiores e exteriores, comparador, suta e conta-fios. Mostra-se, ainda, como um comparador pode ser utilizado num procedimento de verificação dimensional.
Medição dimensionalII
Objectivos
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Conceitos fundamentais
53
Síntese e conhecimentos adquiridos
1
2
3
O tipo de medição realizada com um paquímetro analógico é absoluta ou diferencial?
Pretende-se medir um veio ф40h7 para verificar se este está dentro da tolerância. Que instrumento deverá ser utilizado?
Pretende-se medir um furo ф100H14 para verificar se este está dentro da tolerância. Que instrumento deverá ser utilizado?
Que instrumento utiliza para medir o ângulo entre duas superfícies de uma peça?
4
Após a conclusão deste módulo, o utilizador deverá utilizar com familiaridade os instrumentos mecânicos já conhecidos, analógicos e digitais e de uso corrente nas medições dimensionais. Deverá, também, identificar as capacidades de comunicação electrónica implementadas em alguns deles.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
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Pretende-se, neste módulo, introduzir os sistemas de aquisição de dados, com recurso a hardware e a software gráfico (LabVIEW) da National IntrumentsTM.
Aquisição de dadosIII
Objectivos
55
Conceitos fundamentais
90
Após a conclusão deste módulo o utilizador deverá ser capaz de usar um sistema de conversão A/D, e de desenvolver aplicações básicas com o software gráfico LabVIEW para a aquisição de sinais DC e AC, atendendo à importância de parâmetros como gama de entrada, resolução da conversão e frequência de amostragem.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
Síntese e conhecimentos adquiridos
1
2
3
Os transdutores analógicos dificilmente apresentam não-linearidades inferiores a 0,1%. Assumindo que a gama de conversão é igual à gama de saída do transdutor, qual deverá ser a resolução da carta de aquisição a utilizar de modo que a exactidão do sistema de medição não seja signitivamente afectada por esta?
Para garantir a correcta digitalização de um sinal AC, qual a relação que deverá existir entre a frequência deste e a frequência de amostragem?
Se pretender fazer a aquisição de um sinal y(t) = 2 + 3 sin 100 πt, com a carta de aquisição NI 6008 USB, qual a gama que escolheria e qual a frequência de amostragem que utilizaria?
91
Pretende-se, neste módulo, utilizar pontes de medição LCR na determinação de valores de elementos resistivos, capacitivos e indutivos. Simultaneamente, pretende-se analisar alguns fenómenos físicos que induzem variações de características desses elementos e que estão na base do princípio de funcionamento de um grande número de transdutores. Numa segunda fase, a montagem em ponte de Wheatstone é usada para a medição estática de valores de resistência. Finalmente, numa terceira fase, analisa-se experimentalmente a função de transferência de uma ponte de Wheatstone para grandes e pequenas variações de resistência.
Pontes de mediçãoIV
Objectivos
92
Conceitos fundamentais
114
Após a conclusão deste módulo o utilizador deverá ser capaz de identificar alguns princípios de funcionamento de transdutores passivos do tipo resistivo, indutivo e capacitivo. Deverá ainda distinguir claramente o tipo de função de transferência de uma ponte de medição para grandes e pequenas variações dos elementos integrados. Após ter obtido a característica de funcionamento de uma ponte de medição deverá, também, ser capaz de determinar a linearidade e a sensibilidade da ponte de medição bem como a resolução do sistema de medição.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
Síntese e conhecimentos adquiridos
1
2
3
Quais as vantagens de utilização de uma ponte de medição para a determinação da variação de uma impedância?
Como determina a sensibilidade média de uma ponte de medição?
Como determina a não linearidade (erro de linearidade ou linearidade) de uma ponte de medição?
A característica normalizada de uma ponte de medição varia com os valores dos componentes que a constituem?
4
115
Pretende-se, neste módulo, montar um extensómetro numa barra de alumínio, respeitando a sequência de procedimentos considerada adequada para garantir o seu correcto funcionamento.
Montagem de extensómetrosV
Objectivos
116
Conceitos fundamentais
152
Após a conclusão deste módulo o utilizador deverá ser capaz de explicar o princípio de funcionamento de um extensómetro de resistência eléctrica, de aplicar a técnica de montagem destes sensores para instrumentação de peças e de proceder ao teste eléctrico do extensómetro colado. Deverá ainda identificar os parâmetros mais importantes a ter em conta na escolha de um extensómetro.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
Síntese e conhecimentos adquiridos
1
2
3
Para medir o estado de deformação à superfície de uma peça solicitada, em que não são conhecidas as direcções principais de tensão, que tipo de extensómetro escolheria?
Como poderá diminuir o efeito da variação de temperatura na medição de deformação provocada por uma tensão mecânica numa peça de aço?
Como verifica que um extensómetro está correctamente montado?
153
Pretende-se, neste módulo, utilizar extensómetros na medição de deformação e tensão mecânica. Simultaneamente, serão aplicadas algumas técnicas comuns à instrumentação associada à extensometria de resistência.
Utilização de extensómetros
VI
Objectivos
154
Conceitos fundamentais
174
Após a conclusão deste módulo o utilizador deverá ser capaz de utilizar extensómetros de resistência eléctrica na determinação de deformações, bem como identificar o tipo de condicionamento de sinal associado. Deverá ainda ser capaz de determinar as sensibilidades dos diferentes elementos que constituem o sistema de medição de deformação usado e a resolução associada à medição. E, ainda, aplicar as técnicas de compensação de grandezas de influência bem como do aumento da sensibilidade do sistema.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
Síntese e conhecimentos adquiridos
1
2
3
Por que razão pode ser utilizada a equação nas aplicações habituais em engenharia mecânica?
Como podem ser compensados os efeitos de temperatura na medição de deformações com extensómetros de resistência?
Quais as vantagens da ulitlização de uma montagem com três condutores?
Deve, numa configuração de meia ponte ou de ponte completa, utilizar uma montagem com três condutores?
4
175
Pretende-se, neste módulo, utilizar extensómetros e através da medição da sua deformação, determinar alguns parâmetros característicos de um material (módulo de Young e coeficiente de Poisson), e medir forças (células de carga), quando associados a um corpo de prova de geometria conveniente.
Medição de força e de deformação
VII
Objectivos
176
Conceitos fundamentais
220
Após a conclusão deste módulo o utilizador deverá ser capaz de usar extensómetros de resistência eléctrica para a determinação de características mecânicas de um material em ensaio e para a medição de força, tendo em consideração diferentes aproximações para o condicionamento de sinal associado. Deverá também ser capaz de conceber e realizar uma balança electrónica.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
1
2
3
Quantos elementos sensores e condicionamentos de sinal (pontes de medição) necessita usar se quiser medir o coeficiente de Poisson de um material?
Quantos elementos sensores e condicionamentos de sinal (pontes de medição) necessita usar se quiser medir o módulo de Young de um material?
Quando utiliza uma barra como corpo de prova de uma célula de carga, por que motivo deve medir o valor da espessura da barra com um micrómetro?
Em que tipo de células de carga é o seu elemento elástico solicitado por esforços de flexão?
4
Síntese e conhecimentos adquiridos
221
Este módulo expõe uma das técnicas frequentemente utilizadas na medição de temperatura, baseada na utilização de termómetros de resistência. Por um lado, pretende-se evidenciar o princípio de funcionamento de um RTD (Resistance Temperature Detector), bem como obter e analisar a sua característica. Por outro lado, utilizando um transmissor de temperatura para RTD, será desenvolvido um termómetro electrónico.
Medição de temperatura: termómetros de resistência
VIII
Objectivos
222
Conceitos fundamentais
251
Após a conclusão deste módulo o utilizador deverá ter verificado o princípio de funcionamento de um sensor de temperatura do tipo resistência condutora, determinado a sua característica e analisado a sensibilidade do sensor e a resolução do sistema de medição de temperatura usado. Deverá ainda ser capaz de utilizar um transmissor de temperatura e desenvolver um termómetro electrónico.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
1
2
3
Na medição de temperatura o RTD não é, normalmente, integrado numa ponte de medição. Porquê?
Por que se utiliza o método de quatro condutores quando se pretende ler o valor da resistência de um Pt₁₀₀?
Que cuidados devemos ter na alimentação de um RTD e porquê?
Qual o offset típico de um transmissor de temperatura de dois condutores?
4
Síntese e conhecimentos adquiridos
252
Este módulo aborda uma das técnicas frequentemente utilizadas na medição de temperatura baseada na utilização de termopares. Por um lado, mostra a simplicidade de realização de um termopar e evidencia o seu princípio de funcionamento e, por outro, as técnicas associadas à sua utilização corrente.
Medição de temperatura: termopares
IX
Objectivos
253
Conceitos fundamentais
285
Após a conclusão deste módulo o utilizador deverá ser capaz de enunciar o princípio de funcionamento de um termopar e o motivo pelo qual não se deve realizar um termopar com dois quaisquer materiais condutores. Deverá também ser capaz de explicar a necessidade de referenciação da “junção fria” e a forma como esta poderá ser realizada.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
1
2
3
4
Um termopar é um transdutor de temperatura relativo ou absoluto?
Que diferentes soluções conhece para efectuar a compensação de junção fria?
Por que motivo a utilização de termopares, em ambientes industriais, pode requerer alguns cuidados no condicionamento de sinal?
Que parâmetros deve considerar na escolha do tipo de termopar para uma dada aplicação?
Síntese e conhecimentos adquiridos
286
Pretende-se, neste módulo, efectuar alguns testes experimentais com diversos transdutores de deslocamento, analógicos e digitais, de modo a obter algumas das suas características de funcionamento. Os transdutores que serão objecto de estudo experimental são do tipo: transdutor potenciométrico, LVDT, codificador linear incremental, comparador digital e transdutor indutivo por correntes de Foucault.
Medição de deslocamentoX
Objectivos
287
Conceitos fundamentais
331
Neste módulo são usados diferentes tipos de transdutores analógicos e/ou digitais para medição de deslocamento, utilizados frequentemente em aplicações laboratoriais e industriais.Após a sua conclusão, o utilizador deverá ser capaz de interpretar o tipo de característica de um transdutor de deslocamento e analisar e quantificar parâmetros tais como a não linearidade, a sensibilidade e a histerese.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
1
2
3
4
Entre as características de um transdutor de deslocamento fornecidas pelo seu fabricante é referido: não linearidade ≤ 0,25%; alimentação 2V@5kHz. Como as interpreta?
O valor do sinal de saída de um LVDT, correspondente a uma dada posição do núcleo, mantém-se após uma interrupção momentânea da alimentação? O LVDT é um transdutor de medição absoluto ou relativo? Justifique.
Quais são os elementos constituintes de um sistema de medição de deslocamento que inclui um codificador digital incremental?
Quais são os elementos constituintes de um sistema de medição de deslocamento que inclui um transdutor do tipo LVDT?
Síntese e conhecimentos adquiridos
332
Pretende-se, neste módulo, efectuar alguns testes experimentais com diversos detectores de proximidade para obter algumas das suas características de funcionamento. Os detectores que serão objecto de estudo experimental são do tipo: detectores indutivo e capacitivo, detectores fotoeléctrico e de fibra óptica e contacto reed.
Detecção de proximidadeXI
Objectivos
333
Conceitos fundamentais
368
Neste módulo são usados vários tipos de detectores de proximidade para determinação das suas características. O utilizador deverá ser capaz de enunciar as suas especificidades de funcionamento quanto aos materiais alvo, às distâncias de detecção e à histerese de funcionamento.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
1
2
3
4
Explique a importância da histerese na utilização de um detector.
Considere os seguintes conjuntos de detectores e materiais: {indutivo por correntes de Foucault, capacitivo, óptico, contacto reed}, {aço, alumínio, nylon, poliamida, madeira, cobre, água, teflon, papel, vidro, betão, vidro espelhado}. Estabeleça a associação entre os materiais e os detectores que os podem detectar.
Num detector óptico utilizando fibras ópticas, qual o papel desempenhado por estas?
Dos diferentes tipos de detectores estudados qual o que apresenta maior gama de detecção?
Síntese e conhecimentos adquiridos
369
Pretende-se, neste módulo, explicar o princípio de funcionamento e usar taquímetros electromagnéticos e digitais na medição de velocidade angular.
XII
Objectivos
Medição de velocidade angular
370
Conceitos fundamentais
395
Síntese
Após a conclusão deste módulo o utilizador deverá ser capaz de explicar o princípio de funcionamento de taquímetros digitais e de taquímetros electromagnéticos DC usados para a medição de velocidade angular e identificar os componentes que os constituem. Deverá também ser capaz de avaliar a utilização de diferentes dispositivos para medição de frequência e, deste modo, de velocidade de rotação.No final deste módulo deverá ser capaz de responder:
1
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3
4
A informação produzida por um taquímetro electromagnético DC permite conhecer o sentido de rotação?
De que parâmetros depende a resolução de um taquímetro electromagnético DC?
Quais são os componentes fundamentais de um taquímetro digital?
Como pode realizar a detecção de sentido num taquímetro digital?
De que parâmetros depende a resolução de um taquímetro digital?5
Síntese e conhecimentos adquiridos
396
Pretende-se, neste módulo, utilizar alguns dos equipamentos desenvolvidos no Laboratório de Instrumentação para Medição (LIM) da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) para complementar os conhecimentos de medição de grandezas físicas e de procedimentos de calibração. Para este efeito recorre-se à utilização de algumas das tecnologias actualmente disponíveis para a monitorização e a actuação de sistemas laboratoriais via Web.
XIII
Objectivos
Monitorização e actuação via Web
397
Conceitos fundamentais
443
O que entende por desvio de rectitude?
O que é o módulo de Young de um material?
Qual a relação analítica entre a flecha e a deformação, numa barra de secção rectangular, encastrada num dos extremas, quando uma carga é aplicada num ponto do seu extremo livre?
5
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7
