segunda-feira, 21 de novembro de 2011

Apostila de Instrumentação e Medidas: Grandezas Mecânicas da UniCamp

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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 .....................................................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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