Instrumentação e Medição

Ocorrência: 2024/2025 - 2S

Ciclos de Estudo/Cursos

A ficha foi alterada no dia 2025-02-20.

Campos alterados: Objetivos, Resultados de aprendizagem e competências, Métodos de ensino e atividades de aprendizagem, Fórmula de cálculo da classificação final, Provas e trabalhos especiais, Avaliação especial, Bibliografia Complementar, Obtenção de frequência, Programa, Trabalho de estágio/projeto, Software de apoio à Unidade Curricular, Componentes de Avaliação e Ocupação, Palavras Chave, Melhoria de classificação

Língua de trabalho

Objetivos

A unidade curricular de Instrumentação e Medição tem como principais objetivos: i) proporcionar às/aos estudantes uma compreensão abrangente dos princípios de medição e da sua aplicação na engenharia, promovendo o desenvolvimento de competências fundamentais para a medição adequada de parâmetros de sinais elétricos e de quantidades físicas; e ii) dotar as/os estudantes dos conhecimentos necessários para projetar e implementar soluções de aquisição de dados para sistemas de medição de precisão.

Em certa medida, pretende-se instituir a avaliação da qualidade da medição como uma prática padrão na apresentação de resultados experimentais, recorrendo à aplicação dos parâmetros de incerteza descritos nos manuais de operação sempre que forem utilizados instrumentos de medição certificados. O intuito é incutir boas práticas na medição, quantificando sistematicamente as incertezas associadas e, por conseguinte, fomentar o pensamento analítico e o rigor na apresentação dos resultados experimentais. Por outro lado, é proposta uma transição da perspetiva de utilização para a realidade de conceção de sistemas de medição, em que as/os estudantes são introduzidos às técnicas de projeto aplicadas ao desenvolvimento e implementação de instrumentos de medição. Esta vertente pedagógica sensibiliza para as fontes intrínsecas de incerteza introduzidas pelos circuitos eletrónicos que constituem os instrumentos, bem como os métodos para as mitigar tanto na fase de projeto como durante a operação.

Em suma, pretende-se: consciencializar que o resultado de uma medição só tem significado quando acompanhado da respetiva indicação de incerteza associada; e dotar as/os estudantes das ferramentas necessárias para essa análise. Além disso, procura-se aprofundar a compreensão sobre as arquiteturas de medição mais adequadas a cada tipo de mensuranda, identificar a origem de incertezas nesses circuitos, examinar como se propagam e avaliar o seu impacto no resultado da medição.

Resultados de aprendizagem e competências

Os resultados de aprendizagem nesta Unidade Curricular são avaliados pela capacidade de:

• Analisar e explicar os princípios de funcionamento de dispositivos electrónicos em contextos típicos de medição e instrumentação;
• Utilizar corretamente a instrumentação eletrónica em medições experimentais de grandezas e sinais eléctricos, reconhecendo e avaliando possíveis fontes de erro;
• Aplicar conhecimentos sobre transdutores e instrumentos de medição de grandezas não elétricas;
• Interpretar as principais especificações de circuitos e componentes da cadeia de medição;
• Caracterizar um problema de medição e preparar requisitos e especificações técnicas;
• Conceptualizar, projetar, implementar e validar sistemas de medição e instrumentação para aplicações específicas;
• Organizar, preparar e apresentar documentação técnica relativa a um método ou instrumento e aplicar métodos de avaliação da qualidade das medições.

Para atingir o objetivo acima referido, as/os estudantes deverão desenvolver as competências a seguir descritas.

• Competências técnicas específicas:
• Dominar conceitos técnicos de medição e instrumentação;
• Desenvolver capacidades de raciocínio para analisar e resolver problemas de medição de forma sistemática e rigorosa;
• Desenvolver competências na conceção, implementação e teste de instrumentação para aplicações específicas.
• Outras competências:
• Desenvolver competências de trabalho experimental em equipa através de trabalhos laboratoriais e de projeto;
• Desenvolver a capacidade de interpretar e aplicar informação técnica das "datasheets" de componentes no projeto e na resolução de problemas;
• Desenvolver competências de comunicação escrita e oral com rigor técnico.

Modo de trabalho

Pré-requisitos (conhecimentos prévios) e co-requisitos (conhecimentos simultâneos)

Conhecimentos básicos de análise de circuitos elétricos e eletrónica fundamental.

Programa

Os conteúdos programáticos encontram-se estruturados nas quatro componentes seguintes.

• Parte I. Medição e Incerteza

Esta primeira componente centra-se nos erros fundamentais inerentes a qualquer medição, enfatizando a sua aleatoriedade estatística. Introduz o conceito de "incerteza" e o seu papel crítico em aplicações de engenharia. A medição e a incerteza são apresentadas como uma relação inseparável de ação-reação, proporcionando às/aos estudantes ferramentas para aplicar sistematicamente a análise de incertezas em experiências laboratoriais. Esta abordagem promove a consciencialização das limitações da medição e incentiva a interpretação crítica dos resultados.

• Perspetiva Histórica da Metrologia
• Sistema Internacional de Unidades (SI)
• Conceitos e Terminologias Metrológicas
• Qualidade da Medição

• Parte II. Cadeia de Aquisição de Sinais e Dados

Esta segunda, e maior, componente fornece uma base abrangente no processo de captura, condicionamento e conversão de sinais eléctricos em dados digitais. Engloba os blocos construtivos fundamentais dos sistemas de aquisição de dados. Estes incluem os circuitos analógicos para interfaces de entrada, circuitos de condicionamento de sinais, conversores analógico-digitais (ADCs) e técnicas de processamento de sinais digitais. Enfatizam-se as caraterísticas de desempenho dos ADCs, tais como resolução, taxa de amostragem, ruído de quantização, arquitetura, bem como o impacto do fenómeno  "aliasing" e a importância dos filtros "anti-aliasing". Adicionalmente, esta componente visa dotar as(os) estudantes de uma compreensão profunda dos circuitos analógicos essenciais utilizados em instrumentação, tais como amplificadores operacionais e de instrumentação, filtros, multiplexadores e interfaces digitais, com especial atenção para as considerações de projeto com amplificadores de instrumentação de precisão, técnicas de redução de ruído, métodos de isolamento elétrico e outras questões de integridade de sinal.

• Introdução aos Sinais Eléctricos
• Aquisição de Sinais
• Amostragem e reconstrução de sinais
• Teorema de amostragem de Nyquist-Shannon / sobreposição espetral ("aliasing")
• Quantização, erro de quantização, codificação
• Caracterização do desempenho do ADC
• Arquiteturas de Conversores Digital-Analógicos
• Arquitecturas de Conversores Analógico-Digitais
• Condicionamento de Sinal
• Configurações fundamentais de circuitos
• Amplificador de instrumentação
• Classificação de amplificadores / aplicações especializadas
• Filtros analógicos activos
• Ruído eletrónico
• Compatibilidade electromagnética

• Parte III. Instrumentação Eletrónica

Partindo dos princípios básicos do condicionamento de sinais para o contexto da medição, esta secção centra-se no estudo de instrumentos digitais normalmente utilizados para medir grandezas eléctricas. Estes instrumentos incluem, entre outros, multímetros para medir tensão, resistência e outras propriedades eléctricas, bem como analisadores de formas de onda, tais como osciloscópios, que são utilizados para medir caraterísticas de sinais como valores pico-a-pico e RMS de sinais de tensão periódicos. O objetivo é explorar estes instrumentos em detalhe, realçando os seus princípios de funcionamento, considerações de projeto e capacidades de medição. Como resultado, as/os estudantes adquirem uma compreensão mais profunda de como operar esses instrumentos de forma eficaz e obtêm referências de circuitos para projetos futuros.

• Multímetro Digital
• Contadores Digitais de Potência e de Energia
• Osciloscópios
• Contadores Digitais
• Medidores de Impedância

• Parte IV. Sensores, Transdutores e Sistemas de Medição

Esta secção aborda a medição de grandezas não elétricas e introduz uma vasta gama de transdutores. Estes são estudados em pormenor em termos dos mecanismos físicos fundamentais. Adicionalmente, a aplicação destes dispositivos é aprofundada através do estudo de interfaces de circuitos eletrónicos apropriados e de condicionamento específico para cada transdutor.

• Dispositivos Transdutores
• Termoresistivos, Termoeléctricos, Eletromecânicos, Fotoelétricos, Eletromagnéticos, Eletroquímicos
• Comunicação Digital com Transdutores
• Exemplos de Projectos Completos de Sistemas/Circuitos: do Transdutor ao Indicador Digital

Bibliografia Obrigatória

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

Os métodos de ensino e as atividades de aprendizagem desta disciplina integram a fundamentação teórica com vista à aplicação prática direta. Esta abordagem permite uma compreensão mais sólida dos conceitos fundamentais, através da realização de experiências práticas que enfatizam a aplicação de técnicas de medição e a conceção de vários sistemas de medição, tanto de grandezas elétricas como de grandezas não elétricas.

Na componente de Medição, as aulas teóricas fornecem uma base estruturada que introduz os princípios básicos, as normas metrológicas e os métodos analíticos necessários para realizar medições precisas e interpretar dados. Na componente de Instrumentação, são estudados os princípios de funcionamento dos sistemas de medição e as tipologias dos circuitos eletrónicos mais comuns, aprofundando detalhes de implementação e introduzindo exemplos de aplicação prática no contexto da engenharia. A interatividade com as/os estudantes é promovida em todas as vertentes, em particular nas mais relacionadas com as limitações e problemas comuns das vários implementações práticas. Sob a forma de uma discussão aberta, as/os estudantes são desafiados a analisar as soluções mais típicas, promovendo assim o pensamento crítico sobre os detalhes dos temas abordados.

As aulas práticas têm como objetivo complementar e reforçar a estrutura teórica, envolvendo as/os estudantes em procedimentos experimentais com recurso a equipamento laboratorial. Através destas atividades práticas, as/os estudantes desenvolvem competências essenciais em calibração, aquisição de dados e análise de incertezas com instrumentos de laboratório. As/os estudantes também participam em vários projetos de implementação de sistemas de medição, colaborando na conceção e execução de experiências, na interpretação de resultados e na avaliação crítica das limitações de medição. Esta abordagem equilibrada permite dotar as/os estudantes dos conhecimentos e da proficiência técnica necessários para uma aplicação eficaz na engenharia e na investigação. A eficácia da integração da teoria e da experimentação prática é avaliada através de várias sessões de avaliação prática em aula com a/o docente, da produção de documentação técnica pelas/os estudantes e da apresentação oral do trabalho aos seus pares.

Software

Palavras Chave

Tipo de avaliação

Componentes de Avaliação

Componentes de Ocupação

Obtenção de frequência

A frequência das aulas práticas é obrigatória e está sujeita ao número máximo de faltas admissível.

A justificação de uma falta não anula a contagem do trabalho para efeitos de classificação.

Estudantes que tenham frequentado aulas laboratoriais em anos letivos anteriores podem manter essa componente de classificação. Esta opção é automaticamente concedida se não se inscreverem em nenhuma aula de laboratório. Caso contrário, a classificação laboratorial anterior será anulada de forma definitiva.

Fórmula de cálculo da classificação final

A classificação final (C), na escala de 20 valores, é calculada da seguinte forma:

C = 0,40 × E + 0,60 × min{ P, E + 4 }

onde:

• E é a nota de exame (na escala de 20,0 valores);
• P corresponde ao resultado das avaliações laboratoriais (na escala de 20,0 valores);

sendo P determinado por:

P = 0.15 × ( LAB₁ + LAB₂ ) + 0,35 × ( PRJ₁ + PRJ₂ )

em que:

• LAB₁ e LAB₂ correspondem aos resultados (em 20,0 valores cada) da avaliação da primeira e segunda partes do trabalho laboratorial proposto, respetivamente abrangendo medições/incertezas e transdutores;
• PRJ₁ e PRJ₂ são as classificações (em 20,0 valores cada) obtidas nos dois projetos.

Provas e trabalhos especiais

As aulas de laboratório iniciais centram-se em práticas exemplares de implementação de circuitos em placa de ensaio e na aplicação de técnicas adequadas de medição. O progresso das/os estudantes nesta componente é avaliado ao longo destas várias aulas, culminando numa avaliação oral de cada elemento do grupo, que inclui uma série de procedimentos de teste a executar. Esta componente de avaliação é designada por LAB₁.

As aulas laboratoriais finais são dedicadas à comunicação com transdutores através de interfaces digitais. O desenvolvimento do trabalho das/os estudantes e as demonstrações experientais durante estas aulas são o objetivo da avaliação indicada como LAB₂.

Trabalho de estágio/projeto

Nas aulas laboratoriais serão realizados dois projetos (nomeadamente PRJ₁ e PRJ₂) que envolvem a implementação de cadeias de medição completas.

O PRJ₁ é concluído com a entrega de uma ficha técnica contendo todas as especificações relevantes e métricas de desempenho do trabalho desenvolvido por cada grupo de estudantes.

O PRJ₂ termina com uma apresentação oral (em aula) do trabalho desenvolvido.

As avaliações PRJ₁ e PRJ₂ não se limitam às entregas solicitadas em cada um destes projetos, mas abrangem também o desenvolvimento contínuo dos trabalhos e o desempenho individual demonstrado pelas/os estudantes nas aulas.

Avaliação especial (TE, DA, ...)

O trabalho laboratorial proposto é de realização obrigatória para todas/os estudantes, incluindo estudantes com estatutos especiais.

Estudantes com estatuto especial estão sujeitas/os às mesmas avaliações que as/os estudantes regulares.

Melhoria de classificação

Componente teórica: através da realização de exame de avaliação em época própria para o efeito.

Componente prática: através da realização de todas as atividades laboratoriais no ano letivo seguinte, em aula, com obrigatoriedade de inscrição numa turma prática.

Observações

Serão participadas quaisquer práticas detetadas e identificadas como fraudulentas ou impróprias que violem o disposto no "Código Ético de Conduta Académica para a Universidade do Porto".