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
+−10 VR1​ = 40 ΩR2​ = 150 ΩR3​ = 40 ΩR4​ = 40 Ωab+−Rth​ = ?

Encontre a resistência de Thévenin Rth da ponte mostrada, vista dos terminais de saída a e b.

Vs = 10 VR1 = 40 ΩR2 = 150 ΩR3 = 40 ΩR4 = 40 Ω
Rth = Ω
2.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−10 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​ = ?

Uma ponte com braços de 1000 Ω é excitada com 10 V e tem um extensômetro ativo (um quarto de ponte). O fator do extensômetro é 2 e a deformação é 1500 µε. Encontre a saída da ponte Vo em mV.

Vs = 10 VGF = 2ε = 1500 µε
Vo = mV
3.Aquisição de dados e amostragemMédia
tTs​ = 1/fs​f = 850 Hzfs​ = 1 kHz

Uma onda senoidal de 850 Hz é amostrada a 1 kHz sem filtro antialiasing. Em que frequência fa ela aparece nas amostras? Dê em Hz.

f = 850 Hzfs = 1 kHz
fa = Hz
4.Aquisição de dados e amostragemDifícil
T5 mV/°C×1∿01N = 8, 2,5 V? °C/LSB

Um sensor de temperatura fornece 5 mV/°C (0 V a 0 °C). Seu sinal é amplificado 1 vezes e entra em um ADC de 8 bits com faixa de 0 a 2,5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Encontre a variação de temperatura ΔTLSB que corresponde a um LSB.

S = 5 mV/°CG = 1N = 8VFSR = 2,5 V
ΔTLSB = °C
5.Circuitos com amplificadores operacionaisMédia
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = −1,5 VR1​ = 47 kΩV2​ = 0,7 VR3​ = 47 kΩR4​ = 22 kΩ

O amplificador diferencial usa um amplificador operacional ideal alimentado com ±15 V, com R3 = R1 e R4 = R2. Encontre a tensão de saída Vout.

V1 = −1,5 VV2 = 0,7 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
6.Circuitos com amplificadores operacionaisDifícil
−+Vout​C = 0,47 µFVin​ = −2,2 VR = 22 kΩ

O integrador usa um amplificador operacional ideal alimentado com ±15 V; sua saída satura em ±13 V. O capacitor está descarregado quando uma entrada constante Vin = −2,2 V é aplicada em t = 0. Quanto tempo após t = 0 a saída atinge a saturação? Encontre t.

Vin = −2,2 VR = 22 kΩC = 0,47 µFVsat = ±13 V
t = ms
7.Resistores em série e paraleloMédia
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​6 ΩB

Encontre a resistência equivalente Req vista pela fonte V1.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
8.Resistores em série e paraleloDifícil
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBR6​20 Ω

Encontre a resistência equivalente Req vista pela fonte V1.

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 ΩR5 = 25 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
9.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩARL​4 ΩIL​B

Uma carga RL = 4 Ω é ligada entre a–b. Substitua o resto do circuito pelo seu equivalente de Thévenin e encontre a corrente na carga IL.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩRL = 4 Ω
IL = A
10.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​2 ABab

Encontre a corrente de Norton IN: a corrente que flui de a para b se os terminais forem curto-circuitados.

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
IN = A

3Soluções

1.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Rth = 51,58 Ω

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.

Alimentação em curto

R₁∥R₂ = 40·150/190 = 31,58 Ω
R₃∥R₄ = 40·40/80 = 20 Ω

Resistência de Thévenin

Rth = 51,58 Ω

Resposta

Rth = 51,58 Ω
2.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vo = 7,5 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 = 2·1500·10⁻⁶ = 0,003

Saída da ponte

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 10·0,003/4 = 7,5 mV

Resposta

Vo = 7,5 mV
3.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: fa = 150 Hz

Amostragem: um ADC mede o sinal fs vezes por segundo. Pelo teorema de Nyquist–Shannon, uma frequência f só é capturada corretamente enquanto f < fs/2, a frequência de Nyquist (de dobramento), de modo que a taxa de amostragem deve superar o dobro da maior frequência do sinal. Uma frequência mais alta não se perde: ela aparece como um alias em fa = |f − k·fs|, com o número inteiro k que leva o resultado para entre 0 e fs/2. As amostras não distinguem as duas, então um filtro analógico antialiasing deve remover tudo acima de fs/2 antes do ADC.

Frequência de Nyquist

fs/2 = 500 Hz < f = 850 Hz

Múltiplo mais próximo da taxa de amostragem

k = round(850/1000) = 1

Frequência de aliasing

fa = |850 − 1·1000| = 150 Hz

Resposta

fa = 150 Hz

A curva tracejada na figura é o alias: ela passa exatamente pelas mesmas amostras.

4.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: ΔTLSB = 1,953 °C

Resolução do ADC: um conversor de N bits divide sua faixa de fundo de escala VFSR em 2ᴺ códigos, de 0 a 2ᴺ − 1. Um passo é 1 LSB = VFSR/2ᴺ: a menor variação que o conversor consegue mostrar. Um ADC com truncamento dá o código ⌊Vin/LSB⌋; um ADC com arredondamento nunca fica a mais de ½ LSB do valor verdadeiro, seu erro de quantização. Cada bit a mais reduz o LSB à metade e acrescenta cerca de 6 dB à relação sinal-ruído de quantização ideal SQNR = 6,02·N + 1,76 dB para uma senoide de fundo de escala. Para alcançar uma resolução r em uma faixa, escolha o menor N com 2ᴺ ≥ faixa/r.

Tamanho do passo

1 LSB = 2500/256 = 9,766 mV

Sensibilidade no ADC

5·1 = 5 mV/°C

Resolução de temperatura

ΔTLSB = 9,766/5 = 1,953 °C

Resposta

ΔTLSB = 1,953 °C

O ADC atinge o fundo de escala a 500 °C.

5.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Vout = 1,03 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.

Tensão nas entradas

R₃ e R₄ conduzem a mesma corrente, então formam um divisor de tensão; a realimentação faz V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,7·22/(47 + 22) = 0,2232 V
V₋ = V₊

LKC na entrada inversora

(−1,5 − 0,2232)/47 = (0,2232 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/47)·(0,7 − (−1,5)) = 1,03 V

Resposta

Vout = 1,03 V
6.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: t = 61,1 ms

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.

Corrente de entrada e taxa da rampa

kΩ vezes µF dá milissegundos.

RC = 22 kΩ · 0,47 µF = 10,34 ms
taxa da rampa = −Vin/(RC) = −(−2,2)/10,34 = 0,2128 V/ms

Tempo até a saturação

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·10,34/2,2 = 61,1 ms

Resposta

t = 61,1 ms
7.Resistores em série e paralelo

Resposta: Req = 16,44 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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​6 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 = 2 + 6 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 12 + 4,444 = 16,44 Ω

Resposta

Req = 16,44 Ω
8.Resistores em série e paralelo

Resposta: Req = 20,91 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​ = 15 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBR6​20 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 = 25 + 20 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 9,474 Ω
R3 + 9,474 = 14,47 Ω
R2 ∥ 14,47 = 5,914 Ω
Req = R1 + 5,914 = 15 + 5,914 = 20,91 Ω

Resposta

Req = 20,91 Ω
9.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 0,2778 A

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​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩCURTOR2​20 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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 8 = 12,62 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAab+−Vth​

Encontre Vth, a tensão de circuito aberto

Com a–b aberto, não passa corrente por R₃, então não há queda nele e V_b = V_A. R₁ e R₂ formam um divisor de tensão.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 6·20/(6+20) = 4,615 V
Rth​ = 12,62 Ω+−Vth​4,615 VRL​4 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) = 4,615/(12,62 + 4) = 0,2778 A
10.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 2,172 A

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​ = 25 ΩR3​ = 8 ΩCURTOR2​8 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 = 25·8/(25+8) = 6,061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,061 + 8 = 14,06 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​2 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) = 2,424 + 2·6,061 = 14,55 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,55 + 2·8 = 30,55 V
IN​2,172 ARth​14,06 Ωab

Equivalente de Norton

Uma fonte de Norton é o mesmo circuito visto como uma fonte de corrente em paralelo com R_th. Sua corrente é a corrente de curto-circuito em a–b.

IN = Vth/Rth = 30,55/14,06 = 2,172 A

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