Apostila da Faculdade de Engenharia Mecânica da UniCamp, utilizada no ensino de instrumentação e medidas.
Sumário
1 Conceitos básicos e características gerais de instrumentos ................... 16
1.1 O método experimental na engenharia ................................................16
1.2 Elementos funcionais e características operacionais de instrumentos......18
1.3 Sensores.............................................................................................21
1.3.1 Sensor Lambda ...............................................................................22
1.4 Características operacionais de instrumentos .......................................23
1.4.1 Sensores/Transdutores ativos e passivos ..........................................23
1.4.2 Modos de operação analógico e digital.............................................25
1.4.3 Instrumentos de deflexão e cancelamento .........................................25
1.5 O modo de operação analógico ..........................................................27
1.6 O modo de operação digital ...............................................................29
1.7 Características de sinais de entrada e saída .........................................29
1.8 Desempenho estático e dinâmico dos instrumentos...............................37
1.9 Natureza dos sinais de entrada e saída.................................................44
1.10 Análise de Fourier .............................................................................48
2 Incerteza e Erro .................................................................................... 61
2.1 O erro nos dados experimentais .........................................................61
2.2 O Tratamento dos erros aleatórios......................................................75
2.2.1 A incerteza estimada de um conjunto de dados ...............................75
2.2.2 Média, desvio padrão, distribuição Normal ....................................76
2.2.3 Outras distribuições estatísticas ......................................................78
2.2.4 A decisão final sobre a incerteza a adotar .......................................84
2.2.5 Erros relativo e absoluto ................................................................84
2.3 Propagação de Erro em Operações de Cálculo.................................84
2.3.1 Adição e subtração, z=x+y e z=x-y ................................................87
2.3.2 Multiplicação e divisão, z=xy e z=x/y ..............................................88
2.3.3 Potência, z=x .................................................................................88
2.3.4 Produto de potências, z = x m x n .....................................................88
2.3.5 2.3.5 Funções simples, como z = sen(x) ..........................................89
2.3.6 Funções complexas, como z = f(x, y, w, ...).....................................89
2.4 Arredondamento Numérico ...............................................................89
2.5 Exemplos ..........................................................................................91
2.5.1 Escolha de um Método de Medida..................................................91
2.5.2 Seleção de Instrumentos .................................................................92
2.5.3 Medida da potência em um eixo rotativo .........................................93
3 Medição de temperatura .......................................................................96
3.1 Unidades de Temperatura...................................................................97
3.1.1 A Lei Zero da Termodinâmica e a Definição de Temperatura ...........100
3.1.2 A Segunda Lei da Termodinâmica e a Definição de Temperatura .....102
3.2 Capacidade Térmica ..........................................................................106
3.2.1 Temperatura Negativa......................................................................106
3.2.2 Temperatura dos Gases ...................................................................107
3.2.3 A Medição da Temperatura..............................................................107
3.3 Termômetros de Expansão .................................................................108
3.3.1 Termômetro de gás ideal .................................................................108
3.3.2 Termômetro bimetálico....................................................................111
3.3.3 Termômetro de bulbo .....................................................................112
3.4 Termômetros de Resistência...............................................................115
3.4.1 Termômetros de resistência elétrica, RTD........................................115
3.4.2 Termômetros de termistores ...........................................................121
3.5 Termopares ......................................................................................123
3.6 Termômetros de Radiação ................................................................135
3.6.1 Aplicação dos Termômetros .........................................................................................150
3.7 Efeito da Transferência de Calor nas Medidas de Temperatura ............................................152
3.8 Medidas Térmicas: a Condutividade Térmica .........................................................................160
3.8.1 Condutividade Térmica de Sólidos ...............................................................................161
3.8.2 Medida da Condutividade Térmica de Líquidos e Gases .............................................162
3.9 Medida do Fluxo Térmico ........................................................................................................163
4 Medição de Vazão ................................................................................................................. 165
4.1 Conversão de Unidades ..........................................................................................................165
4.2 Condição Padrão e Intervalo ...................................................................................................166
4.3 Medidores por Obstrução de Área ..........................................................................................167
4.4 Vazão Teórica..........................................................................................................................168
4.4.1 Fluido Incompressível (escoamento idealizado) ...........................................................168
Aplicação da Equação da Energia (ou Eq. de Bernouille, aplicação peculiar) .......................168
4.4.2 Fluido Compressível (escoamento ainda idealizado) ...................................................169
4.5 Vazão Real ..............................................................................................................................172
4.6 Placa de Orifício: Detalhes Geométricos ................................................................................173
4.6.1 Coeficiente de Descarga: Placas de Orifício ................................................................174
4.6.2 Coeficiente de Descarga: Placa de Orifício de Borda Quadrada .................................176
4.6.3 Coeficiente de Descarga: Placa de Orifício (norma ISO, 1980) ...................................177
4.7 O Bocal ASME.........................................................................................................................178
4.7.1 Coeficiente de Descarga: Bocal ASME.........................................................................179
4.8 O venturi Herschel ...................................................................................................................180
4.9 Dimensionamento de Medidores de Vazão por Obstrução de Área.......................................181
4.10 Acerto de cálculo para condições não-normalizadas..............................................................186
4.10.1 As singularidades do sistema de tubulações e a instalação dos medidores por
obstrução.......................................................................................................................188
4.10.2 Comprimento de tubo livre e retificadores de escoamento ..........................................188
4.10.3 Exemplo de dimensionamento: perda de carga e posição de instalação.....................190
4.10.4 Exemplo de dimensionamento: alteração de condição operacional.............................191
5 Medição de Pressão .............................................................................................................. 192
5.1 Pressão: princípio físico ..........................................................................................................193
5.1.1 Definições......................................................................................................................194
5.1.2 Unidades de medida de pressão ..................................................................................196
5.2 Manômetros.............................................................................................................................196
5.2.1 Manômetro de Tubo em U ............................................................................................196
5.2.2 Manômetro de Tubo U inclinado ...................................................................................197
5.2.3 Manômetro de Poço ......................................................................................................198
5.2.4 Barômetro......................................................................................................................198
5.2.5 Manômetro de poço multi-tubos....................................................................................199
5.2.6 O micro-manômetro ......................................................................................................200
5.2.7 Balança anular ..............................................................................................................201
5.2.8 Exercício: seleção de manômetros ...............................................................................202
5.3 Características dos fluídos manométricos ..............................................................................203
5.3.1 Fontes de erro na medição com manômetros U...........................................................206
5.3.2 Sensibilidade .................................................................................................................206
5.4 Medidor Bourdon .....................................................................................................................206
5.4.1 Recomendações de instalação .....................................................................................207
5.5 Transdutores elétro-mecânicos ...............................................................................................209
5.6 Transdutores Elétricos.............................................................................................................210
5.6.1 Princípio físico ...............................................................................................................211
5.6.2 Ponte de Wheatstone....................................................................................................213
5.6.3 Sensor capacitivo ..........................................................................................................214
5.6.4 Sensor piezo-elétrico.....................................................................................................214
5.6.5 Sensor Magnético de Pressão ......................................................................................215
5.6.6 Sensor de indutância variável .......................................................................................216
5.6.7 Sensor de relutância variável ................................................................................................217
6 Medição de Nível, Interface e Viscosidade de Líquidos............................................................... 218
6.1 Nível de líquido ........................................................................................................................218
6.2 Viscosidade .............................................................................................................................225
7 Medição de deformação, tensão, força e movimento .................................................................. 232
7.1 Medição de deformação e tensão ...........................................................................................232
7.2 Medição de força e torque.......................................................................................................239
7.3 Medição de movimento ...........................................................................................................244
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................... 249
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