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: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
Saídas: V_ab = V_a − V_b
Balanço: R₁/R₂ = R₃/R₄
Ponte de fio: R/R_x = l/(100 − l)
Resistência de Thévenin: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
Fator do extensômetro: ΔR/R = GF·ε
Saída da ponte: quarto V_s·GF·ε/4, meia V_s·GF·ε/2, completa V_s·GF·ε
Pequena variação, um braço: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
Tensão: σ = E·ε

Método

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

Aquisição de dados e amostragem

Critério de Nyquist: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
Frequência de aliasing: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
Tamanho do passo: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
Erro de quantização (arredondamento): ±½ LSB
Código do ADC com truncamento: D = ⌊V_in/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 × f_s × N bit/s
ADC multiplexado: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/baud; 8N1 = 10 bits por byte; bytes/s = baud/bits por quadro
Divisor da taxa de baud: baud = f_clk/(16·D)

Método

Anote o que é dado: taxa de amostragem, frequências do sinal, número de bits, faixa de entrada, taxa de baud.
Em questões de amostragem, compare cada frequência com f_s/2; uma frequência mais alta aparece em f_a = |f − k·f_s|, com o múltiplo de f_s mais próximo.
Em questões de resolução, determine 1 LSB = V_FSR/2ᴺ ou o menor N com 2ᴺ ≥ faixa/resolução.
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: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Amplificador não inversor: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Amplificador somador: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Amplificador operacional ideal: V₊ = V₋, I_in = 0

Resistores em série e paralelo

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

Método

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

Thévenin e Norton

Tensão de Thévenin: V_th = V_{open circuit}
Resistência de Thévenin: R_th: todas as fontes desligadas, vista de a–b
Corrente de Norton: I_N = V_th/R_th
Corrente na carga: I_L = V_th/(R_th + R_L)
Máxima transferência de potência: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

Método

Retire a carga e marque os dois terminais a e b.
Encontre a tensão de circuito aberto entre a e b: essa é V_th.
Desligue todas as fontes independentes e encontre a resistência vista de a–b: essa é R_th.
Recoloque a carga no circuito equivalente: V_th em série com R_th.
Para o equivalente de Norton, converta: I_N = V_th/R_th, com R_N = R_th em paralelo.

2Exercícios

1.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia

Um extensômetro de 500 Ω é um braço (R₂) de uma ponte com quatro braços iguais de 500 Ω e uma excitação de 5 V. Encontre a potência P_g dissipada no extensômetro, em mW. O autoaquecimento limita a excitação.

V_s = 5 VR = 500 Ω

P_g = mW

2.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil

Um extensômetro (GF = 2) em um elemento com E = 110 GPa forma um quarto de ponte excitado com 2,5 V. A saída marca 0,5 mV. Encontre a tensão mecânica axial σ em MPa.

V_s = 2,5 VGF = 2V_o = 0,5 mVE = 110 GPa

σ = MPa

3.Aquisição de dados e amostragemMédia

Um gravador amostra 8 canais a 20 kHz cada, com um ADC de 10 bits. Cada amostra é armazenada em bytes inteiros. Encontre a memória M necessária para uma gravação de 5 min, em MB (1 MB = 10⁶ bytes).

n = 8f_s = 20 kHzN = 10t = 5 min

M = MB

4.Aquisição de dados e amostragemDifícil

Um ADC de 24 bits transmite cada amostra por uma UART a 115200 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 f_max que pode ser amostrada sem aliasing, em Hz.

baud = 115200 BdN = 248N1

f_max = Hz

5.Circuitos com amplificadores operacionaisMédia

O amplificador operacional é ideal e alimentado com ±15 V; sua saída satura em ±12 V. O amplificador não inversor é alimentado por uma onda senoidal. Encontre a maior amplitude de entrada V_in,max (valor de pico) para a qual a saída não é ceifada.

R₁ = 1 kΩR_f = 47 kΩV_sat = ±12 V

V_in,max = V

6.Circuitos com amplificadores operacionaisDifícil

O amplificador somador usa um amplificador operacional ideal alimentado com ±15 V. Encontre a tensão de saída V_out.

V₁ = 1,5 VV₂ = 1,5 VR₁ = 10 kΩR₂ = 1 kΩR_f = 1 kΩ

V_out = V

7.Resistores em série e paraleloMédia

Encontre a corrente I_R2 em R₂.

V₁ = 6 VR₁ = 3 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 2 Ω

I_R2 = A

8.Resistores em série e paraleloDifícil

Encontre a corrente I_R1 fornecida pela fonte, que passa por R₁.

V₁ = 9 VR₁ = 5 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 25 ΩR₅ = 8 ΩR₆ = 20 Ω

I_R1 = A

9.Thévenin e NortonMédia

Encontre a tensão de Thévenin V_th vista dos terminais a–b.

V₁ = 15 VR₁ = 8 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 12 Ω

V_th = V

10.Thévenin e NortonDifícil

Encontre a tensão de Thévenin V_th vista dos terminais a–b.

V₁ = 12 VI_s = 4 AR₁ = 6 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 12 Ω

V_th = V

3Soluções

1.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: P_g = 12,5 mW

Ponte de Wheatstone: dois divisores de tensão compartilham uma mesma alimentação V_s. O divisor da esquerda R₁–R₂ dá V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂) e o divisor da direita R₃–R₄ dá V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄); a saída é V_ab = V_a − V_b. A ponte está equilibrada (V_ab = 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 R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄.

Tensão sobre o extensômetro

V = 5/2 = 2,5 V

Potência

P_g = 2,5²/500 = 12,5 mW

Resposta

P_g = 12,5 mW

2.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: σ = 44 MPa

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 V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Dois extensômetros ativos com deformações opostas em braços adjacentes (meia ponte) dão V_s·GF·ε/2, e quatro (ponte completa) dão V_s·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.

Deformação

ε = 4·0,0005/(2,5·2) = 0,0004

Tensão

σ = 110·10³ MPa·0,0004 = 44 MPa

Resposta

σ = 44 MPa

3.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: M = 96 MB

Taxas de dados: cada canal fornece f_s amostras por segundo de N bits, então a taxa bruta é canais × f_s × 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 × f_s × 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

8·20000·2 = 320000 B/s

Memória

M = 320000·300 = 9,6 × 10⁷ B = 96 MB

Resposta

M = 96 MB

4.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: f_max = 1920 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 T_b = 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 = f_clk/(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

f_s,max = 115200/30 = 3840 Hz

Limite de Nyquist

f_max = 3840/2 = 1920 Hz

Resposta

f_max = 1920 Hz

5.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: V_in,max = 0,25 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

A_v = 1 + R_f/R₁ = 1 + 47/1 = 48

Maior entrada antes do ceifamento

V_in,max = V_sat/|A_v| = 12/48 = 0,25 V

Resposta

V_in,max = 0,25 V

6.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: V_out = −1,65 V

Correntes de entrada

V₋ = 0, então cada resistor de entrada tem toda a sua tensão de entrada sobre ele.

I₁ = V₁/R₁ = 1,5/10 = 0,15 mA

I₂ = V₂/R₂ = 1,5/1 = 1,5 mA

I_f = I₁ + I₂ = 1,65 mA

Tensão de saída

V_out = −R_f·I_f = −1·1,65 = −1,65 V

Resposta

V_out = −1,65 V

7.Resistores em série e paralelo

Resposta: I_R2 = 1,024 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.

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 = 5 + 2 = 7 Ω

R₂ ∥ 7 = 2·7/(2+7) = 1,556 Ω

R_eq = R₁ + 1,556 = 3 + 1,556 = 4,556 Ω

Corrente da fonte

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

I_R1 = V₁/R_eq = 6/4,556 = 1,317 A

Corrente em R₂

Subtraia a queda em R₁ para obter a tensão no nó A, que é a tensão sobre R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 6 − 1,317·3 = 2,049 V

I_R2 = V_A/R₂ = 2,049/2 = 1,024 A

Resposta

I_R2 = 1,024 A

8.Resistores em série e paralelo

Resposta: I_R1 = 0,8128 A

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 = 8 + 20 = 28 Ω

R₄ ∥ 28 = 13,21 Ω

R₃ + 13,21 = 25,21 Ω

R₂ ∥ 25,21 = 6,073 Ω

R_eq = R₁ + 6,073 = 5 + 6,073 = 11,07 Ω

Corrente da fonte

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

I_R1 = V₁/R_eq = 9/11,07 = 0,8128 A

Resposta

I_R1 = 0,8128 A

9.Thévenin e Norton

Resposta: V_th = 7,5 V

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

Encontre R_th 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 4 + 12 = 16 Ω

Encontre V_th, 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.

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 15·8/(8+8) = 7,5 V

10.Thévenin e Norton

Resposta: V_th = 66 V

Encontre R_th 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3 + 12 = 15 Ω

Encontre V_th, 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.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 6 + 4·3 = 18 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 18 + 4·12 = 66 V

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Medição e Instrumentação: pacote de revisão

1Fórmulas e métodos

Ponte de Wheatstone e extensômetros

Método

Aquisição de dados e amostragem

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Circuitos com amplificadores operacionais

Resistores em série e paralelo

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Thévenin e Norton

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3Soluções

Tensão sobre o extensômetro

Potência

Resposta

Deformação

Tensão

Resposta

Bytes por amostra

Taxa de bytes

Memória

Resposta

Bits por amostra na linha

Maior taxa de amostragem

Limite de Nyquist

Resposta

Ganho

Maior entrada antes do ceifamento

Resposta

Correntes de entrada

Tensão de saída

Resposta

Combine os resistores a partir da extremidade mais distante

Corrente da fonte

Corrente em R₂

Resposta

Combine os resistores a partir da extremidade mais distante

Corrente da fonte

Resposta

Encontre Rth com todas as fontes desligadas

Encontre Vth, a tensão de circuito aberto

Encontre Rth com todas as fontes desligadas

Encontre Vth, a tensão de circuito aberto

Encontre R_th com todas as fontes desligadas

Encontre V_th, a tensão de circuito aberto

Encontre R_th com todas as fontes desligadas

Encontre V_th, a tensão de circuito aberto