Aula 01 de Instrumentação
Organizado por Prof. Dr. ValnerBrusamarello
Composto por notas pessoais de aula e:
Notas de aula do professor John UFRGS
Apresentação de Prof. Dr. WelingtonF. de MAGALHÃES -Professor associado I e Pesquisador doDepartamento de Química, ICEx, UFMG
Grandezas Físicas
grandeza mensurável
édefinida como: “atributo de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser qualitativamente distinguido e quantitativamente determinado”e o valor de uma grandeza “expressão quantitativa de uma grandeza específica, geralmente sob a forma de uma unidade multiplicada por um número ”
Exemplos de grandezas Físicas
Variáveis de força
;
Variáveis térmicas ;
Variáveis de radiação ;
Taxa de variáveis ;
Variáveis de quantidade ;
Variáveis de propriedades físicas ;
Variáveis de composição química ;
Variáveis Elétricas
Rastreabilidade
[VIM 6.10]
Rastreabilidade, f [traceability/ traçabilité, f]
Propriedade do resultado de uma medição ou do valor de um padrão estar relacionado a referências estabelecidas, geralmente padrões nacionais ou internacionais, através de uma cadeia contínua de comparações, todas tendo incertezas estabelecidas.
HIERARQUIA DO SISTEMA METROLÓGICO
Indústria e outros setoresEnsaiosCalibração
PadrõesNacionaisBIPM
Unidades do SI
Padrões Internacionais
Padrões dos Institutos Nacionaisde MetrologiaPadrões de referência dos laboratórios de calibração acreditadosPadrões de referência dos laboratóriosde ensaio acreditadosPadrões de trabalho dos laboratórios do chão de fábrica
R A S T R E A B I L I D A D E
COMPARABILIDADE
D I S S E M I N A Ç Ã O
Cadeia de rastreabilidade
[VIM 6.10]
•Padrão primário, BIPM / NMI•Padrão secundário, NMI / Lab. Cred.•Padrão de referência, Lab. Cred. / Ind.•Padrão de trabalho, Lab. Cred. /Indústria•Equipamentos padrões, indústria
•
Produtos
Comparabilidade
[VIM 2004: 2.29]
Comparabilidade dos resultados de medição, f [comparabilityofmeasurementresult/ comparabilitéduresultatsde mesurage, f]
Propriedade dos resultados de medições [ou dos valores de padrões] que os tornam comparáveis porque eles são metrologicamenterastreáveis aos mesmos padrões de referência metrológicosestabelecidos.
Comparabilidade
[VIM 2004: 2.29]
Dois resultados de mediçãode um mesmo mensurando:
Esses resultados são iguais entre si?
•
Iguais
•
Diferentes
Características do resultado de uma medição
Conseqüentemente, um resultado de medição com boas características metrológicastem :
Aceitação
Confiabilidade, credibilidade e
Universalidade
Unidades de Medida
Nome GrandezaSímbolo
MetrocomprimentomsegundotemposquilogramamassakgampèrecorrenteAKelvinTemperaturaKMolQuantidade de matériamolcandelaIntensidade de luzcd
sistema Internacional de Unidades (SI)
Institutos Nacionais de Metrologia –INMNationalMetrologyInstitutes–NMI
O PAPEL DO INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA
Reservatório de “Padrões Nacionais”
Lócus de conhecimento e de credibilidade baseados em excelência em C & T
“Referência Nacional”, seu significado
Engajamento no apoio àcompetitividade nacional
Envolvimento na geração e difusão de conhecimentos
Grande articulação internacional
Instrumento de política industrial
Institutos de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial –INMETRO
13
WELMAGMetroQui
Campus do Inmetro em Xerém
MecânicaAcústica e VibraçãoElétricaÓpticaTérmicaQuímicaCentro Operacional
6,000 m
2
Relevância da metrologia
Por que a comparabilidadeéimportante?
Necessária para a confiabilidade das medições
Evita as barreiras técnicas ao comércio
Garante as justas relações de troca
Permite o desenvolvimento tecnológico, a qualidade, inovação e competitividade industrial
Relevância da metrologia
Nas relações industriais e comerciais globalizadas
No meio ambiente
Na saúde pública e pessoal
Na proteção ao consumidor
Processos judiciais (Química Forense)
Relevância da metrologia
Nesse contexto de garantia da qualidade do resultado analítico, a
incerteza
éum dos principais parâmetros associada ao resultado da medição.
Atualmente, émundialmente reconhecido que o resultado de uma medição não estácompleto se faltar alguma expressão da incerteza a ele associado. Somente de posse de uma estimativa da incerteza podemos garantir a
comparabilidade
de dois resultados
[GUM 2003]
.
Instrumentação
PROCESSO
Variáveis 1 a n
Transdutor 1Transdutor nRegistro de Informação
Instrumentação éo conjunto de dispositivos e técnicas utilizadas para
monitorar e/ou controlar
fenômenos físicos que ocorrem em um sistema termodinâmico (Processo).
Registro de
Informaçãoe/ou Controle das VariáveisValores desejadosTransdutores
Métodos de Medição
Comparação Direta
Comparação direta da leitura com o PADRÃO da grandeza medida.
Padrão Primário
Padrão Secundário
etc
Comparação Indireta
Emprega um dispositivo ou um sistema de medição previamente calibrado com padrões da grandeza que se deseja medir.
Tais sistemas de medição têm especificado o erro de uma medição efetuada com ele.
Canal De Medição
Transmissor Condicionador IndicadorMalha abertaouMalha fechadaPROCESSO USUÁRIO
Porque A Instrumentação Eletro-eletrônica Tornou-se Tão Importante?
Pela “facilidade de tratamento”dos sinais elétricos;
Pela existência de transdutores sensores e atuadores de natureza elétrica;
Pela confiabilidade de operação de um sistema instrumentado com recursos eletro-eletrônicos;
Pela capacidade de controlar um processo em “tempo real”;
Pela “realizabilidade”de operações multivariáveis de alta complexidade
.
Instrumentação Para Monitoração E Controle De Processos
Nova revolução industrial
EVOLUÇÃO:
Monitoração de processos;
Controle de processos;
Teste de processos;
Teste assistido por computador
Análise experimental
PROCESSO
I N S T R U M E N T A Ç Ã O
INFORMÁTICA
NOVA REVOLUÇÃO INDUSTRIAL
Redes de distribuição no Chão de fábrica
Utilização de Sensores inteligentes
Sistema de Medição
Instrumento
Variável de interesse para medida
x
mVariável de saída
y
Variáveis espúriasVariáveis espúrias
x
e
1
x
e
2
x
e
4
x
e
3
x
e
5
x
e
6
x
e
7
x
e
9
x
e
k
Planejamento de um Sistema de Medição
Conhecimento sobre o processo e suas variáveis
Avaliação de variáveis espúrias
Escolha dos Instrumentos Apropriados
Escolha dos transdutores
Princípio de funcionamento
Conhecimento sobre tipos, características, etc
Análise dos instrumentos
Relação entre mensurando e leitura
Como éafetado por variáveis espúrias
Análise da propagação de erros em todo o sistema de medição
Tipos de Variáveis Espúrias
Variáveis Ambientais
Armazenamento
Transporte
Manuseio
Instalação
Variáveis Operacionais
Operação exposta à: temperatura, aceleração, vibração, pressão, umidade, corrosão, campos eletromagnéticos, radiação nuclear, atmosfera iônica, etc.
Ruído Eletrônico
Definições e Conceitos
SENSOR: [VIM 2008]
éum elemento de um sistema de medição que édiretamente afetado por um fenômeno, corpo ou substância que contém a grandeza a ser medida. Pode-se citar como exemplos: o elemento de platina de um termômetro do tipo RTD, rotor de uma turbina para medir vazão, tubo de Bourdonde um manômetro, bóia de um instrumento de medição de nível, fotocélula de um espectrofotômetro, entre outros.
TRANSDUTOR:
éum dispositivo que converte um sinal de uma forma física para um sinal correspondente de outra forma física.
[VIM2008]
éum dispositivo utilizado em medições, que fornece uma grandeza de saída que tem uma correlação específica com a grandeza de entrada. Pode-se citar como exemplos: termopar, transformador de corrente, extensômetrode resistência elétrica (strain-gage), eletrodo de pH, entre outros.
DETECTOR:
éum dispositivo ou substância que indica a presença de um fenômeno sempre que um limiar de mobilidade de uma grandeza éexcedido, sem necessariamente fornecer um valor de uma grandeza associada. Pode-se citar como exemplos: detector de vazamento de halogênio, entre outros
INSTRUMENTO:
Sistema mecânico, eletromecânico ou eletrônico que integra um sensor ou um transdutor a dispositivos com funções específicas de processamento de modo que sua saída mostra ou registra determinada variável dentro de unidades padronizadas. Ex.: Paquímetro.
Condicionador de Sinal-
converte a saída do transdutor (ou sensor) em um sinal elétrico apropriada para o dispositivo de apresentação ou controle
Definições e Conceitos
Definições e Conceitos
Calibração
6.11 CALIBRAÇÃO (VIM) Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição ou sistema de medição ou valores representados por uma medida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões.Observações:1) O resultado de uma calibração permite tanto o estabelecimento dos valores do mensurando para as indicações como a determinação das correções a serem aplicadas.2) Uma calibração pode, também, determinar outras propriedades metrológicascomo o efeito das grandezas de influência.3) O resultado de uma calibração pode ser registrado em um documento, algumas vezes denominado certificado de calibração ou relatório de calibração.
Sistemas de Medição
Função de Transferência
Estabelece as relações que existem entre as entradas e saídas de um sistema de medição
Caracteriza cada dispositivo de um sistema de medição
Depende dos princípios físicos que regem o comportamento do dispositivo
Em geral, os dispositivos de um sistema de medição são construídos visando uma função de transferência linear
Dispositivo de Apresentação
x
e
3
x
e
1
Transdutor Sensor Fonte de AlimentaçãoMensurando
x
m
y
1
Condicionador de Sinal
x
e
2
y
2
D
isplay=h
(
y
2
)y
2
=
g
(y
1
)
y
1
=
f
(x
m
)
Função de Transferência
Dinâmica
Caracteriza as relações dinâmicas entre entrada e saída
Determina as características do sistema de medição quando as quantidades medidas apresentam variações, em relação ao tempo, comparáveis ao tempo de resposta do sistema de medição
Estática
Caracteriza as relações estáticas entre entrada e saída
Determina as características do sistema de medição quando as quantidades medidas permanecem constantes ou apresentam variações lentas em relação ao tempo
Função de Transferência
Dispositivo de Apresentação
x
e
3
x
e
1
Transdutor Sensor Fonte de AlimentaçãoMensurando
x
m
y
1
Condicionador de Sinal
x
e
2
y
2
D
isplay=h
(
y
2
,ex
3
)
y
2
=
g
(y1,e
x
2
)
y
1
=
f
(xm,e
x
1
)
Parte do Instrumento
Variável de interesse para medida
x
mVariável de saída
y
Variáveis espúriasVariáveis espúrias
x
e
1
x
e
2
x
e
4
x
e
3
x
e
5
x
e
6
x
e
7
x
e
9
x
e
k
Os sistemas de medição são compostos por diversas partes
Infinitas variáveis afetam a variável de saída de cada parte
y =
f
(x
m
,x
e
1
, x
e
2
, x
e
3
, ...., x
e
k
, ...., x
e
∞
)
Os sistemas de medição são construídos com a intenção de medirem (serem mais sensíveis à) algumas variáveis de entrada desejadas
As variáveisindesejadassão ditas espúrias
O desempenho do sistema de medição édeterminado por sua
sensibilidade
às variáveis desejadase
rejeição
às variáveis indesejadas
Função de Transferência
Teórica
Aproximada -obtida com base em modelos teóricos
Expressa na forma de equação matemática
Ajudam no entendimento dos mecanismos de transduçãoe na estimativa do erro nas medidas efetuadas
Indispensável para o projeto do sistema de medição
( )
4321
,,,
x x x x f leitura
=
leiturau
1
Função de Transferência
Real (Curva de Aferição ou Calibração)
Levantamento experimental da função de transferência (gráfico ou tabela) -Procedimento de Calibração
Necessária para a utilização do instrumento
Empregam-se unidades padronizadas como estímulo
leiturau
1
Função de Transferência
Experimental
Equação matemática que melhor descreve a curva de aferição na faixa de valores de utilização do instrumento
Utilizada para avaliar a função de transferência teórica
leiturau
1
realcxperimentalteórica
Em geral emprega-se o método dos mínimos quadrados
Função de Transferência
Efetua-se esse procedimento para cada valor de
x
m
Qual a distribuição da parcela aleatória de y (u
y
)?
Teorema Central do Limite•Se as parcelas aleatórias de
x
e
forem estatísticamenteindependentes e o número de parcelas tender ao infinito a distribuição de
u
y
tende a
distribuição normal
.
Obtenção da Função de Transferência Real
Função de transferência REAL
Mensurando
x
m
MedidaReal
yVariáveis espúrias
x
e
1
x
e
2
x
e
4
x
e
3
x
e
5
x
e
6
x
e
7
x
e
9
x
e
k
INSTRUMENTO REAL
+
Aplica-se
x
m
fixo e registram-se os valores de
y
Parcelas aleatórias de
x
ek
afetam
y
Medida
y(x
m
)
Área = P(
µ
y
–
t
<y<
µ
y
+
t
)
Área
y
p
(y)
µ
y
+
t
µ
y
µ
y
–
t
Área Total = 1
µ
y
P
(y)= freqüência de y
p
(y=y
k
)
Freq. com que y ocorre entre y
k
-
y e y
k
+
y2
y
leitura=
y
x
m
Função de Transferência
Obtenção da Função de Transferência Experimental
Estipula-se um modelo (função matemática ) para a curva
Emprega-se o método dos mínimos quadrados para determinar os parâmetros da função.
Algarismos Significativos
Os algarismos significativos de uma medida são todos os algarismos lidos com certeza mais o primeiro algarismo duvidoso.
A abordagem anterior aplica-se a instrumentos analógicos, onde se tem um indicador se deslocando sobre uma escala. No caso de instrumentos digitais nada épossível afirmar além do que émostrado no visor.
Os zeros àesquerda do número, isto é, os zeros que posicionam a vírgula não são significativos. Para esclarecer estes conceitos, analise os conceitos que seguem:
a medida 0,023 cm tem somente dois algarismos significativos;
a medida 0,348 s tem apenas três algarismos significativos;
a medida 0,0040000 m tem cinco algarismos significativos;
Bibliografia
HOLMAN J. P. Experimental Methods for Engineers,.McGraw-Hill, Inc
DOEBELIN, O. Measurement Systems, McGraw-Hill, 1990.
BALBINOT A., BRUSAMARELLO V. J., Instrumentação e Fundamentos de Medidas V 1 e V2 , 2006 e 2007.
[AMC 1987]Recommendationsfor theDefinition, Estimation, andUse oftheDetectionLimit, AnalyticalMethodsCommittee, Analyst, February1987, vol112, 199-204.
[AOAC-EP]“InternationalHarmonizedProtocolfor ProficiencyTestingof(Chemical) AnalyticalLaboratories”, Protocolo Internacional Harmonizado para Ensaios de Proficiênciade Laboratórios de Analises (Químicas),Michael THOMPSON, Roger WOOD, J. AOAC Intern.Vol. 76, Num. 4, p.: 926-940, 1993.
[CHASIN 1998]Alice A. da Mata Chasin, Elizabeth de S. Nascimento, Luciane M. Ribeiro-Neto, Maria Elisa P.B.de Siqueira, Maristela H. Andraus, MyriamC. Salvador, Nilda G. de Fernícola, Rosangela Gornie Sônia Salcedo,“Validação de métodos em análises toxicológicas: uma abordagem geral”,
Revista Brasileira de Toxicologia
, vol. 11, Num. 1, pag. 1-6, 1998.
[FLAVIO 2002]Flávio Leite, Validação em Análise Química, 4
a
edição, Editora Átomo, Campinas, 2002.
ISBN 85-86491-18-7
[FPAM 1998]EURACHEM/CITAC,“TheFintessfor PurposeofAnalyticalMethods–A LaboratoryGuideto MethodValidationandRelatedTopics”,EnglishEdition1.0, LGC, Teddington, UK, 1998.ISBN 0-948926-12-0
[GONÇALVES 2001]
Armando AlbertaziGONÇALVES Jr., “Metrologia ParteI–2001.1, LabMetro, Laboratório de Metrologia e Automação, Departamento de Engenharia Mecânica, niversidadeFederal de Santa Catarina, Florianópolis, 2001.http://www.demec.ufmg.br/port/d_online/diario/Ema020/Documentos/Apostila_metrologia_2001-1.pdf
BIBLIOGRAFIA
[GUM 1995]ISO, BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML,“Guideto theExpressionofUncertaintyin Measurement”– GUM,CorrectedandReprinted, 1995, 1995.ISBN 92-67-10188-9
[GUM 1998]ISO, INMETRO, ABNT, SBM,“Guia para a Expressão da Incerteza de Medição”– GUM,Segunda Edição Brasileira do “Guideto theExpressionofUncertaintyin Measurement”, Edição Revisada (agosto de 1998), 2
a
edição, 1998.ISBN 85-86768-03-0
[GUM 2003]ISO, INMETRO, ABNT, SBM,“Guia para a Expressão da Incerteza de Medição”– GUM,Terceira Edição Brasileira do “Guideto theExpressionofUncertaintyin Measurement”, Edição Revisada (agosto de 2003), 3
a
edição, 2003.ISBN 85-07-00251-X
[HCQ]MASSART, D.L. ; VANDEGINSTE, B.G.M.; BUYDENS, L.M.C.; DE JONG, S.; LEWI, P.J. & SMEYERS-VERBEKE, J, “HandbookofChemometricsandQualimetrics–PartA”, Elsevier, amsterdam, 1997.ISBN 0-444-89724-0Set ISBN 0-444-82854-0
[ICH 1966]ICH Q2B –InternationalConferenceonHarmonization–ValidationofAnalyticalProcedures: Methodology-1966.
[ISO 17025:1999]ISO, “General Requirementsfor CompetenceofTestingandCalibrationLaboratories”,InterantionalOrganizationfor Standardization, Gèneve, 1999.
BIBLIOGRAFIA
[IUPAC-CQI]
“HarmonizedGuidelinesfor InternalQualityControlin AnalyticalChemistryLaboratories”, Guia Harmonizado para Controle de Qualidade Interno em Laboratórios de Química Analítica,Michael THOMPSON, Roger WOOD, Pure & Appl. Chem. Vol. 67, Num. 46, p.: 649-666, 1995.
[IUPAC-PEC]
“Protocolfor theDesign, ConductandInterpretationofCollaborativeStudies”, Protocolo para o Planejamento, Condução e Interpretação de Estudos (Ensaios) Colaborativos,HORWITZ, William, Pure & Appl. Chem. Vol. 60, Num. 6, p.: 855-864, 1988.
[IUPAC-Rec]
“HarmonisedGuidelinesfor Use ofRecoveryInformationin AnalyticalMeasurement”, Michael THOMPSON, StevenL.R. Ellison, Ale
Fajgelj, Paul WillettsandRoger WOOD, Technical Report, IUPAC/ISO/AOAC Intern./EURACHEM, Resulting from the Symposium onHarmonisationof Quality Assurance Systems for Analytical Laboratories, Orlando, USA, 4-5 Sep 1996.www.eurachem.ul.pt/guidesand.documents.htm
[MILLER 1991]BasicStatisticalMethodsfor AnalyticalChemistry, Part2: CalibrationandRegressionMethods–A Review, James N. Miller, Analyst, January1991, vol116. 3-14.
[NBR ISO/IEC 17025:2001]
, “Requisitos Gerais para a Competência de Laboratórios de Ensaio e Calibração”, ABNT –Associação Brasileira de Norma Técnicas, Rio de Janeiro, jan2001.
[NBR ISO/IEC 17025:2005]
Associação Brasileira de Normas Técnicas –ABNT, “Requisitos Gerais para Competência de Laboratórios de Ensaio e Calibração”, ABNT, Rio de Janeiro, setembro 2005.
[NBR ISO 8402]
, “gestão da qualidade e garantia da qualidade –Terminologia
BIBLIOGRAFIA
[QGU 2000]
INMETRO, CNI, SENAI,“Quadro Geral de Unidades de Medida”– QGU,Resolução do CONMETRO n
o
12/ 1988, 2
a
edição, Rio de Janeiro, 2000.ISBN 85-87090-91-7
[QUAM2000]
QuantifyingUncertaintyin AnalyticalMeasurement–EURACHEM / CITACGUIDE, QUAM 2000.
[SI 2003]
INMETRO, CNI, SENAI,“Sistema Internacional de Unidades”, 8
a
edição, INMETRO, Duque de Caxias, RJ, 2003.ISBN 85-87-87090-85-2
Arquivo disponível em: http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/Si.pdf
[SMAC]
Peter C. MeierandPeter E. Zünd,“StatisticalMethodsin AnalyticalChemistry”, John Wiley& Sons, New York, 2000,ISBN 0-471-29363-6.
[TCM]
“Traceabilityin ChemicalMeasurement–A Guideto AchievingComparableResultsin ChemicalMeasurement”, EURACHEM / CITAC Guide, VotingDraft, March2003. http://www.eurachem.org
[VIML 2005]
INMETRO,“Vocabulário Internacional de Termos de Metrologia Legal”, A que se refere a portaria INMETRO n
o
163, de 06 de setembro de 2005, 4
a
edição, Rio de Janeiro, 2005. ISBN 85-87090-88-7
Arquivo disponível em: http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/VocMet.pdf
[VIM 2004]
ISO, BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML,ISO VIM (Dguide99999) “InternationalVocabularyofBasicandGeneral Termsin Metrology”, “VocabulaireInternationaldesTermesFondamentauxetGénérauxde Métrologie”, Revisionofthe1993 edition, Internationalvocabularyofbasicandgeneral termsin metrology(VIM), 3rd Edition, VotingDraftapril2004
[VIM 2003]
INMETRO,“Vocabulário Internacional de termos Fundamentais e Gerais de Metrologia”– VIM”, Resolução do CONMETRO n
o
12/1988, 3
a
edição, Rio de Janeiro, 2003. ISBN 85-87090-90-9
Arquivo disponível em: http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/vim.pdf
BIBLIOGRAFIA
[VIM 1995]
ISO, BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML,“InternationalVocabularyofBasicandGeneral Termsin Metrology”– VIM, “VocabulaireInternationaldesTermesFondamentauxetGénérauxde Métrologie”, 1995.ISBN 92-67-01075-1
