Curso: 2023.2 - INSTRUMENTAÇÃO AUTOMÁTICA 2 - Turma 01
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- Orientações
Orientações
Seja bem-vindo(a) ao Curso Técnico de Meteorologia. Eu sou o professor Yoshi e nesta unidade vamos aplicar os conceitos de instrumentação automática através de quatro experimentos. Abaixo, temos o link com os canais de comunicação que iremos utilizar neste curso.
Para iniciar, leia o Plano de Ensino e o Roteiro de Estudos disponíveis na sequência.
- Arquivo
- Fórum
- Estudo 1 - Experimento 01 - Terra-Água
Estudo 1 - Experimento 01 - Terra-Água
Neste estudo iremos aprender sobre:
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- Comparar da variação da temperatura entre uma superfície de terra e outra de água
- Entender o fator de continentalidade no clima
- Utilização de termopares
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Carga Horária
04 horasPeríodo
04/22- Materiais:
Os materiais utilizados neste experimento são :
- 01 datalogger, modelo CR1000
- 02 termopares para medir a temperatura da terra e da água
- 01 lâmpada infra-vermelha de 180W
- 01 Suporte para a lâmpada
- 02 Recipientes contendo as mesmas quantidade de terra e de água
- Método:
1) O experimento deve começar com a lâmpada desligada e as temperaturas iniciais da terra e da água devem ser iguais.
2) Posicione a lâmpada de 180 W para que o seu calor incida igualmente sobre a superfície de terra e de água.
3) Ligue a lâmpada e deixe-a ligada até que as temperaturas da terra e da água cheguem em suas respectivas temperatura máxima, ou no período máximo de 40 minutos.
4) Configure o datalogger para que realize medições a cada 1 segundo de temperatura da terra e da água, e armazene os seus respectivos valores de média e desvio padrão a cada 1 minuto no datalogger.
- Calor Específico
Quando uma substância é aquecida, ela ganha energia térmica, ou seja, seus átomos e moléculas ganha energia cinética e suas velocidades aumentam. A média da energia cinética dessas moléculas é proporcional à temperatura. Ou seja, quando uma substância é aquecida, causa um aumento da temperatura porque a média da energia cinética dos átomos ou moléculas aumenta.
Quando um objeto é aquecido ou resfriado, ocorre uma variação na sua temperatura e ela depende basicamente da quantidade de massa e do tipo de material que ela é constituída.
Por exemplo, quando uma certa quantidade de calor é adicionada em uma porção de terra com uma massa de 1 kg e outra porção de terra com massa de 2 kg, a variação de temperatura de cada porção é diferente. Por outro lado, se uma porção de 1 kg de terra e outra porção de 1 kg de água tem a mesma quantidade de calor adicionada, a variação de temperatura de cada porção é diferente também. Essa a variação de temperatura que depende do tipo de material é denominada de calor específico.
O calor específico é definido como o calor necessário para aumentar a temperatura de 1 kg de uma substância em 1 °C. A sua unidade no sistema internacional é de joules por quilograma kelvin [J/kg.K], mas na prática, utiliza-se também calorias por grama graus Celsius [cal/g°C]. Pela primeira lei da termodinâmica, é possível ter uma relação entre a variação de temperatura de uma substância conforme o calor adicionado/subtraído desta substância
Q = m.cp.ΔT
onde Q é o calor em joule [J], m é a massa [kg], cp é o calor específico à pressão constante [J/kg.K] e ΔT é a variação de temperatura [K] entre o estado inicial e final.
- Programação em CRBasic para leitura de dois termopares no datalogger CR1000.
O termopar tem como sinal de saída uma tensão e não precisa de uma tensão de referência porque o termopar gera o próprio sinal de tensão. Isso se deve ao efeito SEEBECK que produz uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre duas junções de condutores de materiais diferentes quando elas estão a diferentes temperaturas (força eletromotriz térmica). No entanto, esse sinal é muito pequeno e sua leitura de tensão deve ser ajustada para uma faixa (range) de 2,5 mV. A instrução TCDiff tem incluso o cálculo da curva de calibração do termopar conforme o tipo de termopar escolhido, e portanto, o Multiplier e Offset terão os valores sempre de 1 e 0 respectivamente.
- Video sobre como fazer a programação em CRBasic para o experimento 01 de Terra-Água.
- Fiação dos dois termopares para o Experimento 01 - Terra-Água
- Cálculo do Calor específico da terra
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- Estudo 2 - Experimento 02 - Albedo
Estudo 2 - Experimento 02 - Albedo
Neste estudo iremos aprender sobre:
- Fazer a estimativa do albedo em diferentes superfícies utilizando um piranômetro
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- Entender os efeitos de aquecimento na atmosfera pela mudança de superfície
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Carga Horária
04 horasPeríodo
05/22- Materiais:
Os materiais utilizados neste experimento são :
- 01 Datalogger, modelo CR800
- 01 Sensor de radiação global (piranômetro de silício)
- 01 Tripé com suporte para o sensor de radiação solar e caixa selada
- 01 Sistema de alimentação (bateria e controlador de carga)
- Método:
1) Serão realizadas medições de albedo em pelo menos três superfícies diferentes dentro do campus Florianópolis.
2) Em cada superfície, serão realizados 05 ensaios, sendo que cada ensaio refere-se a uma média de 01 minuto de medições de radiação incidente e 01 minuto de radiação refletida.
3) O datalogger deve ser programado para realizar leituras a cada 1 segundo. Assim, serão 60 medições (dentro do intervalo de 1 minuto) do piranômetro orientado para cima para medir a irradiância incidente e orientado para baixo para medir a irradiância refletida.
- Radiação & Albedo
A radiação é entendida uma composição de ondas eletromagnéticas de diversos comprimentos de onda. Assim, tem-se o espectro eletromagnético com ondas longas como as ondas de radio e micro-ondas, passando por ondas intermediárias como infra-vermelho, visível e ultra-violeta; até as menores ondas como as ondas de raio-x e raio-gama.
Além de seu espectro, é necessário entender a sua energia e que pode ser analisada pelas seguintes grandezas: Energia radiante (E), Potência radiante (P), {1:SA:=Irradiância} (F) e Radiância (I).
*Potência = Energia/ tempo [J/s] ou [W]
** Irradiância é o conceito mais utilizado pela meteorologia pois é a medida feita pelos sensores de radiação solar.
Assim, o entendimento completo da radiação pode ser feito pela análise da radiância de um corpo negro para cada comprimento de onda eletromagnética. Essa correlação entre a radiância (intensidade de um corpo negro) e seu comprimento de onda foi proposto pelo cientista Max Planckem 1900. Abaixo, tem-se um exemplo dessa relação entre a radiância e o comprimento de onda para o Sol (visível) e para a Terra (infra-vermelho).
A área abaixo desta curva de Radiância representa o total de radiação que o Sol emite sobre a Terra (em amarelo). Esse total de radiação para todos os comprimentos de onda é denominado de irradiância total, ou simplesmente de radiação solar global. No topo da atmosfera (sem interferência de nuvens) essa irradiância total é na média de So = 1361 W/m2, e é denominada de constante solar.
Ao atravessar a atmosfera, esta irradiância total (So) pode sofrer uma absorção (a), uma reflexão (r) ou uma transmissão (t) para cada comprimento de onda (λ)
1 = aλ + rλ + tλ
sendo que total dessa frações deve ser menor do que 1 (um).
Ao invés de considerar apenas um determinado comprimento de onda (λ), é possível analisar o efeito predominante de uma faixa de comprimento de onda. Um coeficiente muito utilizando para estudos dos efeitos da radiação na superfície da Terra é o Albedo (A) que é definido como a razão entre irradiância total refletida pela irradiância total incidente e sua unidade é adimensional, mas pode ser expressa também em termos percentuais.
A = Frefletida / Fincidente
onde Frefletida é a irradiância refletida e Fincidente é a irradiância incidente e suas unidades são em [W/m2] (watt por metro quadrado). Usualmente o albedo pode se referir tanto a faixa do espectro visível, quanto a todo o espectro eletromagnético.
O albedo médio da Terra é de 30% e pode varia de 95% para superfícies como a neve e gelo à superfície do oceano quando o Sol está 25° acima do horizonte.
No vídeo abaixo, pode-se observar as regiões com maior albedo na região dos polos no período de inverno quando as superfícies ficam cobertas de neve, e os menores valores de albedo na região equatorial com destaque para o oceano Pacífico.
- Programação em CRBasic para leitura de um piranômetro no datalogger CR1000.
- Video sobre como fazer a programação em CRBasic para o experimento 02 para o cálculo do Albedo.
- Fiação do piranômetro para o Experimento 02 - Albedo
- Cálculo do Albedo
- Fazer a estimativa do albedo em diferentes superfícies utilizando um piranômetro
- Estudo 3 - Experimento 03 - PT100
Estudo 3 - Experimento 03 - PT100
Neste estudo iremos aprender sobre:
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- Como funciona uma termo-resistência (PT100)
- Comparar o PT100 com um termopar
- Fazer o ajuste do PT100 na referência de 100 ohms à 0°C
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Carga Horária
04 horasPeríodo
06/22- Materiais:
Os materiais utilizados neste experimento são :
- 01 Datalogger, modelo CR1000
- 01 termopar para medir a temperatura de referência
- 01 Termo-resistência de platina, modelo PT100, o qual será calibrado
- 01 Calorímetro para manter a temperatura estável e controlada
- 01 Gelo e água quente para ajustar e controlar a temperatura desejada
- Método:
1) Coloque gelo no calorímetro (mini geladeira térmica) para que a temperatura interna chegue à zero grau Celsius.
2) Faça a média de 10 medidas da resistência do PT100 (Rs) quando a temperatura estiver em zero grau Celsius.
3) Calcule o erro sistemático do PT100. Ou seja, faça a diferença do valor médio da resistência (Rs) do PT100 à zero grau Celsius do valor de 100 ohms de referência. Inserir a correção da resistência no programa do datalogger (corr = 100-Rs).4) Configure o datalogger para que realize medições a cada 1 segundo de temperatura do termopar e do PT100, e armazene os seus respectivos valores de média e desvio padrão a cada 30 segundos no datalogger.
5) Obtenha pelo menos 10 amostras de média e desvio padrão de temperatura em intervalos de 30 segundos para ao menos 05 pontos de temperatura. Exemplo: 0 °C, 10 °C, 20 °C, 30 °C, 40 °C).
- Termorresistência de Platina (PT100)
Um termo-resistência é um resistorsensível à temperatura. Isso significa que o valor de sua resistência varia com a temperatura. Um dos termo-resistores mais utilizados para realizar medida de temperatura é a termo-resistência de platina denominada de PT100 (Platinum Termoresistance, em inglês).
Este modelo PT100 é simplesmente um pequeno pedaço de platinacuja resistência é de 100 ohms à 0 °C e a relação de sua resistência com a temperatura é descrita pela norma da IEC 751 (ver equação abaixo).
onde Rs é o valor da resistência do PT100, e pode ser determinada através de um circuito denominado de "meia-ponte". Abaixo tem um exemplo de um esquema deste circuito ligado no canal de tensão do datalogger (SE01) e no canal de excitação (Vx1)
Neste circuito, são necessários um resistor de referência Rf, que geralmente é de Rf = 10 kohms, e uma tensão de referência Vx que é aplicada sobre o circuito (Vx = 2000 mV). Assim, utilizando a equação abaixo, é determinado o valor da resistência Rs do PT100.
A norma IEC 751 descreve e classifica o PT100 conforme o valor da incerteza em cada faixa de medição conforme gráfico e tabela abaixo.
O PT100 de classe B é o mais barato e mais comum utilizado pelo indústria, porém, é o modelo com maior erro, sendo que na faixa de medição entre -100 °C e 100 °C sua incerteza é de ± 0,8 °C conforme gráfico abaixo.
O PT100 de classe A tem uma incerteza 2x (duas vezes) menor que o PT100 de classe B. Do mesmo modo, os PT100 DIN 1/3, DIN 1/5 e DIN 1/10 tem uma incerteza 3, 5 e 10 vezes menor que o PT100 de classe B.
- Programação em CRBasic para leitura de um PT100 e um termopar no datalogger CR1000.
- Video sobre como fazer a programação em CRBasic para o experimento 03 para o ajuste do PT100.
- Fiação do PT100 para o Experimento 03 - PT100
- Fiação do PT100
- Fiação do Termopar
- Cálculo do PT100
- Arquivo
- Arquivo
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- Estudo 4 - Experimento 04 - Calibração do Pluviômetro
Estudo 4 - Experimento 04 - Calibração do Pluviômetro
Neste estudo iremos aprender sobre:
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- Quais as fontes de incerteza do pluviômetro
- Como calibrar um pluviômetro
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Carga Horária
04 horasPeríodo
07/22- Materiais:
Os materiais utilizados neste experimento são :
- 01 Datalogger , modelo CR1000
- 01 balança para medir a massa/volume da báscula de referência
- 01 Pluviômetro, do tipo báscula, o qual será calibrado
- 01 Clepsidra para manter a vazão da chuva estável e controlada durante o experimento
- 01 Válvula para controlar a vazão da chuva desejada.
- Método:
1) Coloque o pluviômetro sobre a balança com um recipiente para que a água seja depositada sobre a balança, e faça a fiação do pluviômetro e da balança no datalogger;
2) Com a válvula fechada, encher a clepsidra com água e mantenha a bomba de água ligada para manter a altura da coluna de água estável e constante. Pela equação da hidrostática, isso faz a vazão na saída inferior da coluna ter uma vazão constante;
3) Configure o datalogger para que realize medições de massa de água depositada sobre o pluviômetro que está sobre a balança. Registre o valor de massa da água acumulada na balança apenas quando ocorrer o evento de basculada. Armazene também o tempo entre duas basculadas.
4) Abra a válvula manualmente para que se inicie o experimento. Deixe em uma vazão de modo que o tempo entre as basculadas não seja menor que 5 segundos ou maior que 30 segundos;
5) Obtenha pelo menos 05 ensaios para uma vazão constante com diferentes número de basculadas. Exemplo: 1, 2, 3, 5, 10, 20 basculadas. Ou seja, o primeiro ponto, deve ser 05 ensaios de 1 basculada. O segundo ponto, deve ser 05 ensaios de 2 basculadas consecutivas. O terceiro ponto, deve ser 05 ensaios de 3 basculadas consecutivas...e assim por diante.
- Resultado de Medição de uma Calibração
Toda "medição" tem um erro associado a ela, pois não existe um instrumento que consegue medir e determinar o valor verdadeiro do mensurando de forma absoluta. Haverá sempre um algarismo significativo em que a medição será diferente do valor verdadeiro.
Fonte: livro Fundamentos da Metrologia Científica e Industrial.
Assim, como não é possível determinar o valor verdadeiro, faz-se diversas medições de forma repetitiva de modo que o Resultado de medição (RM) de um experimento pode ser expresso da seguinte forma:
RM = (RB ± IM) unidade,
onde RB é o resultado base que geralmente é a média do valor da medição, IM é a incerteza de medição que geralmente é expressa pelo desvio padrão, e a unidade é a unidade no sistema internacional (SI).
Este resultado de medição pode ser visualizado por um gráfico de distribuição de probabilidade. No caso de um grande número de amostras, tem-se uma distribuição gaussiana, onde o ponto de maior número de ocorrências (maior probabilidade) é o valor médio (μ) da distribuição (resultado base). O desvio padrão (σ) dessa distribuição é denominado de intervalo de confiança (incerteza de medição) que pode ser multiplicado por um fator (k), denominado de fator de abrangência, e que representa a probabilidade de o valor verdadeiro estar dentro deste intervalo.
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- Calibração
A calibração é uma comparação entre o valor "verdadeiro" e o valor de medição do instrumento. Na calibração, esse valor verdadeiro é representado por um instrumento padrão de referência, que deve ser mais exato e mais preciso que o mensurando (objeto a ser calibrado). No entanto, esse instrumento padrão de referência também deve ser calibrado por um outro instrumento padrão de referência mais exato e mais preciso que o anterior, e assim, sucessivamente até que se chegue próximo do valor "verdadeiro" que é o próprio objeto padrão do sistema internacional de referência (SI).
Assim, tem-se uma cadeia de calibrações onde cada instrumento padrão de referência deve ser calibrado com um outro instrumento padrão de referência com mais exatidão e mais precisão. Essa cadeia de comparações entre os padrões de referência é denominada de rastreabilidade, onde cada resultado de medição é registrado em um certificado de calibração para que se possa saber sua procedência. Assim, é possível garantir que todas as medidas no mundo estão referenciadas (rastreadas) à um único padrão de referência. No passado, a falta de um único padrão de referência causou muitas confusões, como por exemplo, no comércio onde a falta de um único padrão para a medida de massa dificultou a comercialização de mercadorias.
Na calibração, quando se faz a comparação entre o instrumento padrão de referência e o instrumento a ser calibrado, tem-se como resultado de medição a diferença entre eles, ou seja, o resultado base de uma calibração está associado ao erro sistemático, que é um termo quantitativo, pois envolve a uma diferença média entre o valor do padrão de referência (valor verdadeiro) e o valor medido pelo instrumento a ser calibrado. Quando não se sabe o valor verdadeiro, mas nota-se que há uma diferença entre o valor verdadeiro e o valor medido, utiliza-se o termo "exatidão" para expressar em termos qualitativos esse erro sistemático de medição.
A incerteza de medição (IM), está associada ao erro aleatório, que é um termo quantitativo também, pois está relacionada com o desvio padrão das medições do instrumento. Quando não é possível obter um valor representativo do desvio padrão por causa de um número pequeno de amostras, mas nota-se que há uma dispersão entre os valores medidos, utiliza-se o termo "precisão" para expressar em termos qualitativos esse erro aleatório de medição. Abaixo, tem um exemplo de como descrever um instrumentos de medição em termos qualitativos utilizando os termos precisão (precision, em inglês) e exatidão (accuracy, em inglês).
No resultado de medição da calibração, a incerteza de medição (IM) é expressa pela incerteza expandida (U) que é a incerteza combinada (uc) multiplicada pelo fator de abrangência (k).
Geralmente se utiliza um fator de abrangência k=2 para representar um intervalo de confiança com probabilidade de 95,45% de ocorrer o resultado de medição apresentado.
A incerteza combinada (uc) é a raiz da soma quadráticas das incertezas do tipo A (incerteza padrão) associada a um fonte de incerteza estatística e a incerteza do tipo B associada às fontes de incerteza de natureza não estatística.
A incerteza do tipo A é definida como o desvio padrão da média (s):
onde σ é o desvio padrão e n é o número de amostras.
A incerteza do tipo B são todas as fontes de incertezas não estatísticas como por exemplo:
- Incerteza do certificado de calibração do padrão (us)
- Incerteza da resolução do instrumento (ur)
- Incerteza das condições ambientais (ut) no experimento (temperatura, umidade e pressão)
- Incerteza no procedimento (cálculos e conversões de grandezas)
- etc...
- Programação em CRBasic para leitura da Balança Digital e do Pluviômetro no datalogger CR1000.
- Video sobre como fazer a programação em CRBasic para o experimento 04 para a calibração do Pluviômetro.
- Fiação do Pluviômetro e da Balança Digital para o Experimento 04 - Calibração do Pluviômetro
- Fiação do Pluviômetro
- Fiação da Balança Digital
- Cálculo da Incerteza expandida na Calibração do Pluviômetro
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- Avaliação e Encerramento
