Medição e Instrumentação: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 10 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Ponte de Wheatstone e extensômetros

Tensões dos divisores
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Saídas
Vab = Va − Vb
Balanço
R1/R2 = R3/R4
Ponte de fio
R/Rx = l/(100 − l)
Resistência de Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Fator do extensômetro
ΔR/R = GF·ε
Saída da ponte
quarto Vs·GF·ε/4, meia Vs·GF·ε/2, completa Vs·GF·ε
Pequena variação, um braço
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tensão
σ = E·ε

Método

  1. Trate a ponte como dois divisores de tensão sobre a mesma alimentação.
  2. Para o equilíbrio, faça R₁/R₂ = R₃/R₄ e resolva para o resistor desconhecido.
  3. Para uma ponte desequilibrada, encontre Va e Vb a partir dos divisores e subtraia; use o equivalente de Thévenin quando um medidor carrega a saída.
  4. Para extensômetros, converta a deformação em ΔR/R = GF·ε e use Vs·GF·ε/4, /2 ou ×1 para um quarto, meia ponte ou ponte completa.

Aquisição de dados e amostragem

Critério de Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frequência de aliasing
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Tamanho do passo
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Erro de quantização (arredondamento)
±½ LSB
Código do ADC com truncamento
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bits para uma resolução r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR ideal, senoide de fundo de escala
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Taxa de dados
canais × fs × N bit/s
ADC multiplexado
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bits por byte; bytes/s = baud/bits por quadro
Divisor da taxa de baud
baud = fclk/(16·D)

Método

  1. Anote o que é dado: taxa de amostragem, frequências do sinal, número de bits, faixa de entrada, taxa de baud.
  2. Em questões de amostragem, compare cada frequência com fs/2; uma frequência mais alta aparece em fa = |f − k·fs|, com o múltiplo de fs mais próximo.
  3. Em questões de resolução, determine 1 LSB = VFSR/2ᴺ ou o menor N com 2ᴺ ≥ faixa/resolução.
  4. Para taxas de dados e enlaces UART, conte tudo o que é enviado: canais, amostras por segundo, bits ou bytes inteiros por amostra e os bits de início, de paridade e de parada de cada quadro.

Circuitos com amplificadores operacionais

Amplificador inversor
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificador não inversor
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificador somador
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Amplificador operacional ideal
V+ = V−, Iin = 0

Resistores em série e paralelo

Resistências em série
Req = R1 + R2 + …
Resistências em paralelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dois em paralelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Lei de Ohm
V = I·R
Potência
P = V·I = I²R = V²/R

Método

  1. Comece pela extremidade da rede mais distante dos terminais.
  2. Combine resistores em série somando-os, e resistores em paralelo com 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Redesenhe o circuito após cada passo.
  4. Repita até sobrar um único resistor entre os terminais.

Thévenin e Norton

Tensão de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistência de Thévenin
Rth: todas as fontes desligadas, vista de a–b
Corrente de Norton
IN = Vth/Rth
Corrente na carga
IL = Vth/(Rth + RL)
Máxima transferência de potência
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Método

  1. Retire a carga e marque os dois terminais a e b.
  2. Encontre a tensão de circuito aberto entre a e b: essa é Vth.
  3. Desligue todas as fontes independentes e encontre a resistência vista de a–b: essa é Rth.
  4. Recoloque a carga no circuito equivalente: Vth em série com Rth.
  5. Para o equivalente de Norton, converta: IN = Vth/Rth, com RN = Rth em paralelo.

2Exercícios

1.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−2 V300 Ω300 Ω300 Ω300 Ωab+−

Um extensômetro de 300 Ω é um braço (R₂) de uma ponte com quatro braços iguais de 300 Ω e uma excitação de 2 V. Encontre a potência Pg dissipada no extensômetro, em mW. O autoaquecimento limita a excitação.

Vs = 2 VR = 300 Ω
Pg = mW
2.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−3 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Uma ponte com braços de 120 Ω é excitada com 3 V e tem quatro extensômetros ativos, dois sob tração e dois sob compressão (ponte completa). O fator do extensômetro é 2,12 e a deformação é 1500 µε. Encontre a saída da ponte Vo em mV.

Vs = 3 VGF = 2,12ε = 1500 µε
Vo = mV
3.Aquisição de dados e amostragemMédia
124⋮4 ch∿01N = 1050 kHz? MB

Um gravador amostra 4 canais a 50 kHz cada, com um ADC de 10 bits. Cada amostra é armazenada em bytes inteiros. Encontre a memória M necessária para uma gravação de 1 min, em MB (1 MB = 10⁶ bytes).

n = 4fs = 50 kHzN = 10t = 1 min
M = MB
4.Aquisição de dados e amostragemDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​230400 Bd, 8N1

Um ADC de 24 bits transmite cada amostra por uma UART a 230400 baud, formato 8N1 (bit de início, 8 bits de dados, 1 bit de parada). Cada amostra é enviada como 3 byte(s) inteiro(s) e o enlace fica ocupado o tempo todo. Encontre a maior frequência de sinal fmax que pode ser amostrada sem aliasing, em Hz.

baud = 230400 BdN = 248N1
fmax = Hz
5.Circuitos com amplificadores operacionaisMédia
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = 1,6 V

O amplificador operacional é ideal e alimentado com ±15 V. Encontre a tensão de saída Vout.

Vin = 1,6 VR1 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
6.Circuitos com amplificadores operacionaisDifícil
Vin​V1​Vout​estágio 1: inversorR1​ = 2 kΩRf1​ = 22 kΩestágio 2: não inversorR2​ = 2 kΩRf2​ = 1 kΩ

Dois estágios com amplificador operacional ideal estão ligados em cascata: um amplificador inversor (R1, Rf1) seguido de um amplificador não inversor (R2 para o terra, Rf2 na realimentação). Os dois são alimentados com ±15 V. A entrada é Vin = 0,1 V. Encontre a tensão de saída Vout.

R1 = 2 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 2 kΩRf2 = 1 kΩVin = 0,1 V
Vout = V
7.Resistores em série e paraleloMédia
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​8 ΩB

Encontre a corrente IR1 fornecida pela fonte, que passa por R1.

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
8.Resistores em série e paraleloDifícil
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​5 ΩBR6​30 Ω

Encontre a resistência equivalente Req vista pela fonte V1.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 ΩR5 = 4 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
9.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAab

Encontre a resistência de Thévenin Rth vista dos terminais a–b.

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAIs​6 ABRL​6 ΩIL​

Uma carga RL = 6 Ω é ligada entre a–b. Use um equivalente de Thévenin para encontrar a potência PL entregue à carga.

V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩRL = 6 Ω
PL = W

3Soluções

1.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Pg = 3,333 mW

Ponte de Wheatstone: dois divisores de tensão compartilham uma mesma alimentação Vs. O divisor da esquerda R1–R2 dá Va = Vs·R2/(R1 + R2) e o divisor da direita R3–R4 dá Vb = Vs·R4/(R3 + R4); a saída é Vab = Va − Vb. A ponte está equilibrada (Vab = 0, sem corrente no medidor) quando R1/R2 = R3/R4, isto é, R1·R4 = R2·R3. Vista da saída, a ponte é uma fonte de Thévenin com Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Tensão sobre o extensômetro

V = 2/2 = 1 V

Potência

Pg = 1²/300 = 3,333 mW

Resposta

Pg = 3,333 mW
2.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vo = 9,54 mV

Extensômetros: um extensômetro altera sua resistência com a deformação: ΔR/R = GF·ε, onde o fator do extensômetro GF é cerca de 2 para folha metálica. Em uma ponte com todos os braços iguais a R, um extensômetro ativo (um quarto de ponte) dá Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dois extensômetros ativos com deformações opostas em braços adjacentes (meia ponte) dão Vs·GF·ε/2, e quatro (ponte completa) dão Vs·GF·ε. A tensão mecânica segue da lei de Hooke, σ = E·ε. As células de carga indicam sua sensibilidade em mV/V: a saída a plena carga por volt de excitação.

Variação relativa da resistência

ΔR/R = 2,12·1500·10⁻⁶ = 0,00318

Saída da ponte

Vo = Vs·GF·ε = 3·0,00318 = 9,54 mV

Resposta

Vo = 9,54 mV
3.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: M = 24 MB

Taxas de dados: cada canal fornece fs amostras por segundo de N bits, então a taxa bruta é canais × fs × N bit/s. Na memória, uma amostra ocupa bytes inteiros (uma amostra de 12 bits é armazenada em 2 bytes), então a memória para uma gravação é canais × fs × bytes por amostra × tempo. Um ADC multiplexado converte os canais um após o outro: cada conversão (com o tempo de estabilização) leva t, então uma rodada de n canais leva n·t e cada canal é amostrado a 1/(n·t).

Bytes por amostra

⌈10/8⌉ = 2 B

Taxa de bytes

4·50000·2 = 400000 B/s

Memória

M = 400000·60 = 2,4 × 10⁷ B = 24 MB

Resposta

M = 24 MB
4.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: fmax = 3840 Hz

UART: um enlace serial assíncrono envia cada byte como um quadro: um bit de início (baixo), os bits de dados, um bit de paridade opcional e um ou dois bits de parada (alto). A taxa de baud é o número de bits por segundo, então um bit dura Tb = 1/baud e um quadro de n bits dura n/baud. O formato comum 8N1 tem 10 bits por byte. O gerador de baud divide o clock: baud = fclk/(16·D) com um número inteiro D, então a taxa de baud real difere um pouco da desejada; um erro abaixo de cerca de 2 % costuma ser aceitável.

Bits por amostra na linha

3·10 = 30 bit

Maior taxa de amostragem

fs,max = 230400/30 = 7680 Hz

Limite de Nyquist

fmax = 7680/2 = 3840 Hz

Resposta

fmax = 3840 Hz
5.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Vout = 3,2 V

Regras do amplificador operacional ideal: com realimentação negativa, o amplificador ajusta sua saída para que as duas entradas fiquem na mesma tensão (V₋ = V₊), e nenhuma corrente entra em qualquer entrada. Escrever a LKC na entrada inversora com esses dois fatos dá a saída.

A entrada inversora segue a entrada

V₋ = V₊ = 1,6 V
I = V₋/R1 = 1,6/2 = 0,8 mA

Tensão de saída

A corrente em R₁ também passa por Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 1,6 + 0,8·2 = 3,2 V

Resposta

Vout = 3,2 V
6.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Vout = −1,65 V

Regras do amplificador operacional ideal: com realimentação negativa, o amplificador ajusta sua saída para que as duas entradas fiquem na mesma tensão (V₋ = V₊), e nenhuma corrente entra em qualquer entrada. Escrever a LKC na entrada inversora com esses dois fatos dá a saída.

Ganho de cada estágio

A1 = −Rf1/R1 = −22/2 = −11
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/2 = 1,5

Estágio por estágio

V1 = −11·0,1 = −1,1 V
Vout = 1,5·(−1,1) = −1,65 V

Resposta

Vout = −1,65 V
7.Resistores em série e paralelo

Resposta: IR1 = 1,207 A

Resistores em série e em paralelo: em série a mesma corrente passa por cada resistor e R = R₁ + R₂ + …. Em paralelo cada resistor tem a mesma tensão e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Uma rede em escada é reduzida um par por vez até restar uma única resistência equivalente.

R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​8 ΩB

Combine os resistores a partir da extremidade mais distante

Comece pela extremidade mais distante da fonte e volte em direção a ela. Resistores com a mesma corrente estão em série; resistores entre os mesmos dois nós estão em paralelo.

R3 + R4 = 15 + 8 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 12·23/(12+23) = 7,886 Ω
Req = R1 + 7,886 = 12 + 7,886 = 19,89 Ω

Corrente da fonte

A fonte vê só Req, então a lei de Ohm dá a corrente que ela fornece. Essa corrente passa por R₁.

IR1 = V1/Req = 24/19,89 = 1,207 A

Resposta

IR1 = 1,207 A
8.Resistores em série e paralelo

Resposta: Req = 9,38 Ω

Resistores em série e em paralelo: em série a mesma corrente passa por cada resistor e R = R₁ + R₂ + …. Em paralelo cada resistor tem a mesma tensão e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Uma rede em escada é reduzida um par por vez até restar uma única resistência equivalente.

R1​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​5 ΩBR6​30 Ω

Combine os resistores a partir da extremidade mais distante

Comece pela extremidade mais distante da fonte e volte em direção a ela. Resistores com a mesma corrente estão em série; resistores entre os mesmos dois nós estão em paralelo.

R5 + R6 = 4 + 30 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 4,359 Ω
R3 + 4,359 = 7,359 Ω
R2 ∥ 7,359 = 5,38 Ω
Req = R1 + 5,38 = 4 + 5,38 = 9,38 Ω

Resposta

Req = 9,38 Ω
9.Thévenin e Norton

Resposta: Rth = 20,22 Ω

Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.

R1​ = 8 ΩR3​ = 15 ΩCURTOR2​15 ΩAabRth​

Encontre Rth com todas as fontes desligadas

Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.

R1 ∥ R2 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 15 = 20,22 Ω
10.Thévenin e Norton

Resposta: PL = 77,49 W

Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.

R1​ = 30 ΩR3​ = 5 ΩCURTOR2​6 ΩAABERTOBabRth​

Encontre Rth com todas as fontes desligadas

Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.

R1 ∥ R2 = 30·6/(30+6) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 5 = 10 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAIs​6 ABab+−Vth​

Encontre Vth, a tensão de circuito aberto

Com a–b aberto, o único caminho para Iₛ é por R₃ até o nó A. Encontre V_A por superposição de V₁ e Iₛ, depois some a queda em R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 2,5 + (−6)·5 = −27,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −27,5 + (−6)·5 = −57,5 V
Rth​ = 10 Ω−+Vth​57,5 VRL​6 ΩIL​

Ligue a carga ao equivalente de Thévenin

A fonte de Thévenin e R_th em série se comportam exatamente como o circuito original em a–b, então a carga vê uma malha simples em série.

IL = Vth/(Rth + RL) = −57,5/(10 + 6) = −3,594 A
PL = IL²·RL = −3,594²·6 = 77,49 W

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