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Calibração Dinâmica de transdutores de pressão

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Calibração Dinâmica de transdutores de pressão Alessandro B. de S. OLIVEIRA Campus UnB Gama Laboratório de Metrologia Dinâmica Plano da apresentação Problemática Principio da calibração dinâmica Método
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Calibração Dinâmica de transdutores de pressão Alessandro B. de S. OLIVEIRA Campus UnB Gama Laboratório de Metrologia Dinâmica Plano da apresentação Problemática Principio da calibração dinâmica Método de calculo da incerteza GUM Método de calculo da incerteza Monte-Carlo Avaliações Conclusões e perspectivas Introdução à medição dinâmica Medição de pressão dentro de uma câmara de um motor de combustão interna à diesel Introdução à medição dinâmica Medição de pressão dentro de uma câmara de um motor de combustão interna à diesel Introdução à medição dinâmica Medição de pressão dentro de uma câmara de um motor de combustão interna à diesel Introdução à medição dinâmica Medição de pressão dentro de uma câmara de um motor de combustão interna à diesel Introdução à medição dinâmica Medição de pressão utilizando uma linha pneumática Transdutor de Referência Transdutor Instalado na Linha Pneumática Introdução à medição dinâmica Medição de pressão utilizando uma linha pneumática Transdutor de Referência Transdutor Instalado na Linha Pneumática Introdução à medição dinâmica Estudo da Influência das Linhas Pneumáticas Curtas e de Pequeno Diâmetro na Resposta do Transdutor DAR TC-02 Transdutor de Referência Transdutor Instalado na Linha Pneumática Introdução à medição dinâmica Área de Aplicação Exemplos de aplicação da medição dinâmica de pressão e temperatura Engenharia Automotiva Medições nos Motores de Combustão Interna e nos sistemas de Injeção, Admissão e Escapamento. Engenharia Aeroespacial Medição de pressão em sistemas de propulsão, em turbinas e em rotores Engenharia Nuclear Monitoração do sistema de fusão e fissão nuclear, controle do sistema de segurança dos reatores Engenharia Militar Controle de sistemas de propulsão, explosões e balística Engenharia Mecânica Geral Monitoração de turbinas hidráulicas, caldeiras, usinas termoelétricas, sistemas de automatização hidráulicos e pneumáticos, bombas, compressores, sistemas de refrigeração, trocadores de calor. Medicina Equipamentos de diagnóstico e de monitoramento e controle de equipamentos cirúrgicos auxiliares Introdução à medição dinâmica Problemática Fenômeno Físico em regime estático Escolha do transdutor Características típicas Estáticas Sinal Quantificar a Qualidade da medição Calculo de incerteza ingredientes. Calibração estática do transdutor Problemática Fenômeno Físico em regime dinâmico Escolha do transdutor Características típicas Estáticas Dinâmicas Sinal Quantificar a Qualidade da medição Calculo de incerteza ingredientes. Calibração estática do transdutor Objetivo Fenômeno Físico em regime dinâmico Escolha do transdutor Características típicas Estáticas Dinâmicas Sinal Quantificar a Qualidade da medição Calculo de incerteza ingredientes. Calibração estática do transdutor Calibração dinâmica do transdutor Principio da calibração estática Sinal de entrada E Transdutor Estática DS S= DE Sinal de saída S Principio da calibração dinâmica Sinal de entrada E(t) Sinal de saída S(t) Transdutor Função de transferência S ( ) H ( ) E ( ) 2. j..t S ( t ). e 0 0 E (t ). e 2. j..t Principio da calibração dinâmica Sinal de entrada E(t) Transdutor Sinal de Saída S(t) A 0 Sinal de entrada E(t) A k Sinal de entrada E(t) 0 1/k Sinal de entrada E(t) 0 Esquema Geral Meios de calibração - Periódicos Principío de Calibração Transdutor À calibrar Modulador Comando Sinal senoidal E(t) Cavidade Motor de Modulação Resposta S(t) Meios de calibração - Periódicos Gerador não ressonante com modulação de volume Biela Manivela Motor elétrico De velocidade variável Cilindro Pistão Transdutor de Referencia Transdutor à calibrar Meios de calibração - Periódicos Câmara de compressão Membrana Transdutor de referencia Carcaça Peça com Polo magnético Transdutor à calibrar Bobina Movel Imâ permanente Carcaça Peça com magnético Meios de calibração - Periódicos Ressonador acústico Tube de longueur variable Membrane haut-parleur Culasse et pièce polaire magnétique Culasse et pièce polaire magnétique Capteur de référence Capteur à étalonner Bobine Mobile Meios de calibração - Periódicos Modulação por perda de carga Conversor eletro-pneumático Conversor eletropneumatico Câmara de calibração Bobina Transdutor de referencia Palette Bico Câmara de comando Clapet Transdutor à calibrar Saída do conversor Purga da saída Fonte de Pressão Constante Meios de calibração - Periódicos Sirene Disco perfurado rotativo Bico Transdutor À calibrar Transdutor de referência Fonte de Pressão Meios de calibração - Periódicos Gerador de onda quadrada Orifice d'admission Corps cylindrique Cavité Tournante C1 (a) Cavité Tournante C1 (b) Cavité Orifice de mise en Tournante place du capteur de C2 référence et à etalonner Rotor Orifice d'echappement (c) Meios de calibração - Periódicos Coluna de liquido Acelerômetro de referência Liquido Transdutor de referencia Transdutor À calibrar Excitador de vibração P (t ) = r g h + r h A sin(w t ) Meios de calibração - Aperiódicos Bomba fechada Membrana de segurança Transdutor à calibrar Carga explosiva Dispositivo de ignição Câmara de expansão Masse adicional Meios de calibração Aperiódicos Dispositivo de abertura rápida Transdutor à calibrar Pequena câmara P1 Sistema de comunicação Grande câmara P2 Pressão P2 P1 Ts Tempo Meios de calibração Dispositivo de abertura rápida Transdutor à calibrar Pequena câmara P1 Sistema de comunicação Grande câmara P2 Pressão P2 P1 Ts Tempo Meios de calibração Dispositivo de abertura rápida Transdutor à calibrar Pequena câmara P1 Sistema de comunicação Grande câmara P2 Pressão P2 P1 Ts Tempo Meios de calibração Dispositivo de abertura rápida Transdutor à calibrar Pequena câmara P1 Sistema de comunicação Grande câmara P2 Pressão P2 P1 Ts Tempo Meios de calibração Tube de choque Transdutor de Pressão Membrana Câmara Alta Pressão Câmara Baixa Pressão Meios de calibração Tube de choque Transdutor de Pressão Membrana Câmara Alta Pressão Câmara Baixa Pressão Meios de calibração Tube de choque Transdutor de Pressão Membrana Câmara Alta Pressão Câmara Baixa pressão Meios de calibração Tube de choque Transdutor de Pressão Membrana Câmara Alta Pressão Câmara Baixa pressão Meios de calibração Tube de choque Temps Surface de séparation 5 Ondes de détente Capteur de Pression Membrane Chambre Haute pression 3 2 t Onde de choc 4 Chambre Basse pression 1 P4 3 Ondes de détente 2 Surface de séparation P3 P2 P1 1 Onde de choc T2 Temperature 4 Pression 1 T4 T1 T3 V3 Vitesse 4 V2 V1 V4 Position Chambre HP Chambre BP Membrane Diagrama domínio de utilização Pressão [kpa] Tube de choque Dispositivo de abertura rápida 1 0,1 0,01 1E-3 0,01 0, Frequência [Hz] Principio da calibração dinâmica Desvio é o erro Maximo dentro da banda [f1, f2] Principio de inter-comparação entre dois meios de calibração A e B 1 a dentro da banda de freqüência {f1, f3} Principio de inter-comparação entre dois meios de calibração A e B 1 a dans la bande de fréquence {f1, f3} 1 b dans la bande de fréquence {f2, f4} Principio de inter-comparação entre dois meios de calibração A e B 1 a dentro da banda de freqüência {f1, f2} Dentro da zona de inter-comparação {f2, f3}, a resposta do transdutor é 1 b 1 b dentro da banda de freqüência {f2, f4} Domínio Pressão freqüência LMD na França TC DOR 200 TC20 Pression [kpa] DOR TC100 TCR DOR TC ,1 0,01 0, Frequence [Hz] Padrão coletivo em Pressão Dinâmica Rastreabilidade Rastreabilidade à pressão estática P2 Échelon de pression P1 Pressão estabilizada Transdutor Referência Pequena câmara P1 Transdutor Estático Grande câmara P2 Transitoire capteur réf. statique Temps stabilisation Palier de pression stable Temps Rastreabilidade aos padrões primarios Rastreabilidade à pressão estática P2 Degrau de pressão P1 Pressão estabilizada Transdutor referência Pequena câmara P1 Transdutor Estático Grande câmara P2 Transiente Tempo Transdutor ref. estática estabilização Patamar de pressão estabilizada Tempo Método GUM Modelo Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) Método GUM Modelo Diagrama d Ishikawa Método dos 5M Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) MOYEN METHODE MATIERE Fidélité Justesse Principe de mesure Résolution Traitement des informations Dérive Appareil de Mesure Qualité des composantes Homogénéité Proprietés physique chimique Homogénéité Etalonnage Etalon Mode opératoire Dérive Valeur conv. vraie Stabilité Qualité Résultat de mesure Hostilité du milieu Expérience Sources d'énergie Acuité visuelle Vibration Hygrométrie Stress Pression Habileté Température MILIEU MAIN D'OEUVRE Método GUM Modelo Diagrama d Ishikawa Método «3M» Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) MOYEN METHODE MATIERE Fidélité Justesse Principe de mesure Résolution Traitement des informations Dérive Appareil de Mesure Qualité des composantes Homogénéité Proprietés physique chimique Homogénéité Etalonnage Etalon Mode opératoire Dérive Valeur conv. vraie Stabilité Qualité Résultat de mesure Hostilité du milieu Expérience Sources d'énergie Acuité visuelle Vibration Hygrométrie Stress Pression Habileté Température MILIEU MAIN D'OEUVRE Método GUM Modelo Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) Propagation des variances x 1, u(x1) Estimaçâo das incertezas tipo x 2, u(x2) Y= f(x) x 3, u(x3) Expression des résultats U = k. uc ( y ) y, u(y) Método GUM Estimação das incertezas tipo Avaliação Tipo A Analise estatística de uma série de observação sexp 1 n = ( X i - X )2 å n - 1 i =1 Ecart [Pa] Fréquence [Hz] Método GUM Estimação das incertezas tipo Avaliação do Tipo B Outros métodos diferentes da analise estatística. Métodos reconhecidos Exemplo: Se há o conhecimentos dos valores min et max possíveis Distribuição uniforme Resultados de medições anteriores Especificações do fabricante Certificados de calibração Livros e manuais Densité de probabilité Experiência, conhecimento geral Loi uniforme 68% 95% Valeur de la grandeur mesurée 4 Método GUM Modelo Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) Propagação das variâncias x 1, u(x1) Estimação das incertezas tipo x 2, u(x2) Y= f(x) x 3, u(x3) Expression des résultats U = k. uc ( y ) y, u(y) Método GUM Modelo Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) Propagação das variâncias x 1, u(x1) Estimação das incertezas tipo Y= f(x) x 2, u(x2) y, u(y) x 3, u(x3) 2 n -1 n æ f ö f f 2 u ( y) = å ç. u ( x ) + 2. u ( xi, x j ) åå i i =1 è xi ø Expression des résultats i =1 j =1 xi x j 2 c n U = k. uc ( y ) Método GUM Modelo Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) Propagação das variâncias x 1, u(x1) Estimação das incertezas tipo x 2, u(x2) Y= f(x) y, u(y) x 3, u(x3) Expression des résultats Expressão dos resultados U = k. uc ( y ) U = k. uc ( y ) Procedimento de calibração dinâmica Procedimento de Calibração Transdutor de referência Calibração quase-estática Tensão Sistema de aquisiçao Calibração quase-estática Pressão Transdutor de referência Avaliação do software Calculo Função de transferência Calibração dinâmica Tensão Sistema de aquisição Calibração dinâmica Pressão Transdutor de referência Procedimento de calibração do transdutor Por comparação Calibração quase-estática Pressão transdutor à calibrar Calibração dinâmica Tensão Sistema de aquisição Calibração dinâmica Pressão Transdutor à calibrar Calibração quase-estática da cadeia de aquisição U Multímetro Gerador degrau de tensão GE01 Filtro Aquisição Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Software KETSTA Dynamique Tension Syst. acquisition V Dynamique Pression Capt. référence Calibração quase-estática da cadeia de aquisição U Multímetro Gerador degrau de tensão GE01 Filtro Aquisição Software KETSTA V Incertitude élargie = 1,3E- 3 Volt Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Calibração quase-estática do transdutor de referência P Manômetro Gerador de degrau de pressão DAR Filtro Aquisição Software KETSTA V Incertitude élargie : 298 Pa (k=2) Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Avaliação do software de calculo da função de transferência Expressions mathématiques Réponse Transitoire étalon S(t) Logiciel Logiciel EDYCAP EDYCAP Fonction de transfert H(f) + Incertitude UH(f) Fonction de transfert étalon Het(f) Incertitude élargie = 0,0010 % (k=2) Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Calibração dinâmica do sistema de aquisição Générateur d'échelon de tension GE01 Filtre passe bas Enregistreur de transitoire Fonction de transfert H(f) Logiciel EDYCAP Moyen Etendue de fréquence Filtrage Nombre de points Période d échantillonnage DOR20 TCR TC20 1 à 100 Hz 10 à 1000 Hz 100 a Hz 3 khz 2 khz 40 khz ,2 ms 20 s 1 s Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Calibração dinâmica do sistema de aquisição METHODE Répétabilité Filtrage Fonction de Transfert Echantillonnage INCERTITUDE DYNAMIQUE SYSTEME ACQUISITION Résolution verticale Exploitation (EDYCAP) Jitter Etalonnage quasi-statique sys. acquisition MOYEN Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Calibração dinâmica do sistema de aquisição METHODE Répétabilité Filtrage Fonction de Transfert Echantillonnage Résolution verticale Exploitation (EDYCAP) Jitter Etalonnage quasi-statique sys. acquisition MOYEN INCERTITUDE DYNAMIQUE SYSTEME ACQUISITION Calibração dinâmica do sistema de aquisição Incertitude élargie [%] 2,0 DOR20 TCR TC20 1,6 1,2 0,8 0,4 0,0 1 Quasi-statique Tension Syst. acquisition 10 Quasi-statique Pression Capt. référence 100 Fréquence [Hz] Logiciel EDYCAP 1000 Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Calibração dinâmica do transdutor de referência Capteur de référence Dispositif à ouverture rapide DOR20 Tube à choc TCR Filtre Enregistreur Logiciel EDYCAP Fonction de transfert H(f) Tube à choc TC20 Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Calibração dinâmica do transdutor de referência METHODE Répétabilité Type de gaz Type de membrane Fonction de Transfert Montage Procédure INCERTITUDE DYNAMIQUE Etalonnage quasi-statique cap. référence Filtrage Echantillonnage Fonction de Transfert sys.acquisition Edycap Etalonnage quasi-statique sys. acquisition MOYEN Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Calibração dinâmica do transdutor de referência DOR20 TCR TC20 Calibração dinâmica do transdutor de referência Função de transferência Calibração dinâmica do transdutor de referência Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Calibração dinâmica do transdutor de referência Fonction de transfert unitaire (Rapport d amplitude) Bande de fréquence: Incertitude élargie [%] Incertitude élargie [kpa] de 1 Hz à 10 Hz 0,35 1,7 10 Hz à 49 Hz 0,51 2,6 49 Hz à 100 Hz 0,51 2,5 100 Hz à 400 Hz 0,98 4,9 400 Hz à 1 khz 1,10 5,5 1 khz à 3 khz 2,89 14,5 3 khz à 5 khz 7,43 37,2 5 khz à 10 khz 38,85 194,3 Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Calibração dinâmica do transdutor de referência Distribuição dos pesos das fontes de incerteza 1% 4% 3% 17% 37% 1% 57% 1% 29% 50% Fréquence 10Hz Fréquence 50Hz 7% 2% 24% 2% 21% 0% 19% 55% 70% 0% Fréquence 500Hz Fréquence 100Hz 4% 3% 0% 0% 25% 0% 45% 26% Fréquence 1000Hz Incertitude Quasi statique 96% 1% Erreur modélisation écart Fréquence 5000Hz Gain de Voltage Acquisition+ exploitation Disp. des Mesures Método de Monte-Carlo Modèle Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) Attribution loi de distribution Simulation m itérations g(x 1) g(x 2) g(x 1) g(x 3) g(x 2). g(x 3) g(x n) Y= f(x) g(y) Método de Monte-Carlo Modèle Diagramme d Ishikawa Méthode de «3M» Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) MOYEN METHODE MATIERE Fidélité Justesse Principe de mesure Résolution Traitement des informations Dérive Appareil de Mesure Qualité des composantes Homogénéité Proprietés physique chimique Homogénéité Etalonnage Etalon Mode opératoire Dérive Valeur conv. vraie Stabilité Qualité Résultat de mesure Hostilité du milieu Expérience Sources d'énergie Acuité visuelle Vibration Hygrométrie Stress Pression Habileté Température MILIEU MAIN D'OEUVRE Méthode de Monte-Carlo Modèle Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) Attribution loi de distribution Simulation m itérations g(x 1) g(x 2) g(x 1) g(x 3) g(x 2). g(x 3) g(x n) Y= f(x) g(y) Método de Monte-Carlo Attribution loi de distribution Ecart [Pa] Fréquence [Hz] Statgraphics Método de Monte-Carlo Attribution loi de distribution Ecart [Pa] Fréquence [Hz] Statgraphics Método de Monte-Carlo Attribution loi de distribution Ecart [Pa] Fréquence [Hz] Statgraphics Método de Monte-Carlo Modèle Y = f ( X 1, X 2, X 3,..., X n ) Attribution loi de distribution Simulation m itérations g(x 1) g(x 2) g(x 1) g(x 3) g(x 2). g(x 3) g(x n) Y= f(x) g(y) Calibração dinâmica do transdutor de referência pelo Método de Monte-Carlo METHODE Répétabilité Type de gaz Type de membrane Fonction de Transfert Montage Procédure INCERTITUDE DYNAMIQUE Etalonnage quasi-statique cap. référence Filtrage Echantillonnage Fonction de Transfert sys.acquisition Edycap Etalonnage quasi-statique sys. acquisition MOYEN Quasi-statique Tension Syst. acquisition Quasi-statique Pression Capt. référence Logiciel EDYCAP Dynamique Tension Syst. acquisition Dynamique Pression Capt. référence Calibração dinâmica do transdutor de referência pelo Método de Monte-Carlo Ajustement de loi de distribution Calibração dinâmica do transdutor de referência pelo Método de Monte-Carlo Résultat de la simulation Bande de fréquence Type de loi Incertitude élargie [V] Incertitude élargie [%] 1 à 50 Hz Normale (k=2) 0,35 50 à 100 Hz Normale (k=2) 100 à 400 Hz Normale (k=2) 400 à 1000 Hz Normale (k=2) 1000 à 3000 Hz Normale (k=2) 3000 à 5000 Hz Triangle rectangle (k=1,65) Uniforme (k=1,65) [ ;21900] [-7,35 ; 4,34] , à Hz 0,47 0,22 0,14 2,34 Calibração dinâmica do transdutor de referência pelo Método de Monte-Carlo Fonction de transfert Calibração dinâmica do transdutor de referência pelo Método de Monte-Carlo Comparaison de deux méthodes de calcul Avaliações da resposta dinâmica de sistema de aquisição Avaliação de diferentes modos de resolução vertical U Multimetro Gerador de degrau de tensão GE01 Sistema de aquisição 12 Bits Software KETSTA V12Bits Sistema de aquisição 16 Bits Software KETSTA V16Bits Filtro 12 bits 0,1% 16 bits 84,8% 63,9% 8,9% 0,4% 2,1% 0,1% 32,0% Multimètre B1 écart 0,8% B2 1,1% Dérive B3 75,2% 3,1% Résolution B4 Arrondi (Ketsta) B5 0,1% 0,4% 2,3% Fluctuation B6 Répétabilité A1 Avaliações da resposta dinâmica de sistema de aquisição Gerador de Degrau de tensão GE01 Filtro passa-baixa Sistema de aquisição 12 Bits Sistema de aquisição 16 Bits Software EDYCAP Função de transferência H12Bits(f) Função de transferência H16Bits(f) Calibração dinâmica por comparação Resposta transitória do transdutor de referencia u(t) Gerador de degrau e(t) Função de transferência por comparação H(p) Calculo da função de transferência Resposta transitória do transdutor à calibrar s(t) Transdutor de referência Dispositivo de abertura rápida Transdutor à calibrar Tubo de Choque Filtro Aquisição Software EDYCAP Função de transferência H(p) Calibração dinâmica por comparação Função de Transferência Conclusôes Incerteza entre 1 à 5000 Hz é 0,5 % superior ao mét
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