Prof. Dr. Pedro Bertemes Filho

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1 UNIVESIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS FACULDADE DE ENGENHARIA DE JOINVILLE COORDENADORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO Prof. Dr. Pedro Bertemes Filho OU (047)

2 PRÉ-REQUISITOS: Conhecimentos na área de eletrônica básica OBJETIVO DA DISCIPLINA: Desenvolver habilidades teóricas e práticas sobre transdutores de sinais; Assessorar o aluno quanto ao uso de sensores em projetos na área de automação de sistemas e robótica. EMENTA: Introdução; Transdutores de temperatura; Extensômetros; Transdutores de posição; Transdutores de velocidade e aceleração; Transdutores ópticos; Transdutores integrados; condicionadores de sinais; sistemas de aquisição de dados.

3 1 Introdução Transdutores e sensores Princípios básicos Instrumentos e instrumentação Características de instrumentos Processos de linearização Grandezas físicas e métodos 2 Sistemas de transdução Transdutores de temperatura: - Resistivos - Junção semicondutora - Termopares - Integrados Extensômetros: - Resistivos - Integrados Transdutores de posição - Indutivos - Capacitivos - LVDT Transdutores de velocidade e aceleração - Mecânicos - Termistores - Eletromecânicos - Eletromagnéticos - Piezoelétricos - Ultrasônicos Transdutores ópticos - Fibra óptica - Princípio de transdução - Fotodetectores - Integrados - Aplicações

4 3 Circuitos condicionadores de sinais Métodos de linearização - Circuitos de multiplicação, divisão, exponenciação e retificação no tempo Amplificação e limitação - Características especiais para instrumentação - Amplificadores diferenciais - Amplificadores de instrumentação - Ruídos e imperfeições CC - Análise de erros Filtragem analógica - Filtros PB/PA em instrumentação - Redes de filtros ativos - Erros de filtragem Técnicas de acondicionamento - Aterramento - Blindagem ativa - Isolação Conversão de dados - Introdução - Multiplexadores analógicos - Circuito de Amostragem e Retenção - Conversores D/A - Conversores A/D 4 Sistemas de aquisição de dados - Introdução - Medições em tempo real - Placas de aquisição de sinais - Características práticas em condicionamento de sinais - Exemplos de sistemas comerciais de aquisição de dados

5 METODOLOGIA: Aulas teóricas expositivas através de transparência utilizando-se de retro-projetor, canhão eletrônico e quadro branco; Aulas práticas com elaboração de experiências, simulações em computador e visitas à laboratórios de pesquisa; Apresentação oral de trabalho final de curso (se necessário). AVALIAÇÃ0: 01 prova escrita (N1 peso 4); 03 aulas práticas divididas em experiências e simulações (N2 peso 3); 01 apresentação oral de trabalho (N3 peso 3). NOTA= 4 N1+ 3 N2+ 3 N3 10

6 BIBLIOGRAFIA: Werneck, M. M. Transdutores e interfaces, Livros Técnicos e Científicos Editora, 240 pp., Garett, P. H. Advanced Instrumentation and Computer I/O Design: Real-Time System Computer Interface Engineering, IEEE Press Marketing, Nova Iorque, p , Doebelin, E. O. Measurement Suystems: application and design, McGraw-Hill International Book Company, edição internacional, Singapura, 867 pp., Neuman, M. R., Liu, C., Mendelson, Y., Buck, R. P. e Geddes, L. A. Biomedical Sensors. In: Bronzino, J. D. The Biomedical Engineering Handbook, CRC Press, Inc., p , Browm, B. H, Smallwood, R. H., Barber, D. C., Lawford, P. V. e Hose, D. R. Medical Physics and Biomedical Engineering, Institute of Physics Publishing, Bristol, 736 pp., Groover, M. P., Weiss, M., Nagel, R. N. eodrey, N..G. Industrial Robotics: technology, programming and apllications, McGraw-Hill, Inc., Nov Iorque, pp., Nehmzow, U. Mobile Robotics: a practical introduction. Springer-Verlag London Limited, Londres, 243 pp., Gorinevsky, D. M., Formalsky, A. M. e Schneider, A. Yu. Force Control of Robotics Systems, CRC Press, Nova Iorque, 350 pp., 1997.

7 Os sensores são elementos vitais no processamento de sinais Com o avanço tecnológico do computador, os sensores digitais são necessários A medição não é uma Ciência exata e requer referências padronizadas.

8 Transdutores X Sensores Elemento sensitivo do sistema Sistema que transforma e relaciona duas formas de energia através de uma relação conhecida Forç a Pressão Tensão elétrica

9 Transdutores X Sensores (outros exemplos) Resistência elétrica platina Temperatura do ar Tensão elétrica Capacitânci a (filme) Umidade do ar Tensão elétrica ddp (solução eletrolítica) Concentração de O² Tensão elétrica

10 Transdutores (classificação quanto a função e operação) Analógico: aquele que opera sinais analógicos (tensão, ângulo de rotação, etc.), onde o valor preciso da quantidade que carrega a informação é significante. Digital: aquele que opera sinais de natureza binária, onde os valores estão associados aos estados lógicos. Passivo: aquele cuja energia do sinal de saída é fornecida inteiramente, ou quase, pelo sinal de entrada. Ativo: aquele cuja energia do sinal de saída é fornecida por uma fonte auxiliar e o sinal de entrada fornece uma parte insignificante. E i E o

11 Princípios básicos A transdução de uma grandeza física está diretamente relacionado ao princípio elétrico envolvido na medição. Precisão: número de algarismos significativos para expressar uma medida numa varredura. Exatidão: aproximidade em que uma medida encontra-se do seu valor real padrão. Resolução: a menor quantidade que pode ser determinada de uma medida. Erro: desvio de uma medida do seu valor real. Faixa: extensão total dos possíveis valores de uma medida. Varredura: extensão de uma medida entre dois limites qualquer.

12 Instrumento X Instrumentação Meio físico a ser monitorado Equipamento eletrônico que manipula sinais elétricos Transdutor Conjunto de técnicas para o desenvolvimento e construção de equipamentos eletrônicos Pré-amplificador ou Conformador Amplificador Processamento do sinal Interface Homem- Máquina Sinal de controle para outra máquina Sinal proveniente de outra máquina

13 Características de instrumentos Faixa Resolução Precisão ou Repetibilidade: capacidade de se obter o mesmo valor em diversas medidas Exatidão ou Erro Sensibilidade: relação entre o estímulo de entrada no transdutor e o sinal de saída por ele produzido. Exemplos: Ohms/ºC ; mv/ppm ; mv/mmhg Linearidade: valor(medido) valor(padrão ) 100% faixa Histerese: caudada por atrito mecânico, resposta de freqüência, inércia molecular, etc. Estabilidade: capacidade de um circuito eletrônico voltar a uma situação de regime permanente depois de receber um sinal transitório. Valor medido Saída Curva medida Curva ideal Erro máximo Valor do padrão Entrada

14 Características de instrumentos Relação Sinal/Ruído: relação entre a potência de um sinal qualquer presente na saída de um instrumento e a potência do sinal de ruído com o sinal ausente. Isolação: maior tensão que pode estar presente em um circuito do instrumento ou transdutor sem que haja ruptura da dielétrica entre um ponto e o terra do mesmo. Resposta de Freqüência: faixa do espectro que determinado sistema pode produzir. Largura de faixa e Espectro de Potência: faixa de variação da freqüência de um determinado sinal, onde o espectro de potência é uma medida do grau de variação do sinal. Deriva: mudança de alguma variável com o passar do tempo (temperatura, envelhecimento, etc.). Ganho [db] db(f j )=20log( A saída (f j ) A entrada ( f j )) Freqüência [Hz]

15 Características de instrumentos Calibração: processo para fornecer todas as características elétrica de um instrumento, tais como: resolução, linearidade, exatidão, deriva, repetibilidade, sensibilidade e histerese. Estímulo de entrada [unidade] subida Valor máximo Sinal de saída [unidade] Estímulo de Entrada [unidade] descida Valor máximo Sinal de saída [unidade] Normas Técnicas: conjunto de procedimentos e características que um instrumento deve atender, tais como: IEC, DIN, ASA e ISO. Valor mínimo Valor mínimo

16 Processos de linearização Processo pela qual a causa e o efeito são proporcionais a todos os valores de entrada e saída de um transdutor. A maioria dos transdutores são não-lineares, mas são lineares numa faixa de interesse. Dado que a relação entrada/saída de um transdutor é não-linear, faz-se necessário o uso de funções matemática para a linearização.

17 1/X MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Processos de linearização Funções matemáticas: 1/X X m logx 1,20E+00 1,00E+00 8,00E-01 6,00E-01 4,00E-01 2,00E-01 0,00E

18 X^2 MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Processos de linearização Funções matemáticas: 1/X X m logx 1,20E+12 1,00E+12 8,00E+11 6,00E+11 4,00E+11 2,00E+11 0,00E+00

19 Log X MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Processos de linearização Funções matemáticas: 1/X X m 7,00E+00 6,00E+00 5,00E+00 logx 4,00E+00 3,00E+00 2,00E+00 1,00E+00 0,00E+00

20 Processos de linearização (exemplo: termo-acoplador tipo-j) Linearização: AX+BX Ponto 1: 11,023 e 400 Temperatura verdadeira ( o F) Sinal de Saída (mv) Temperatura linearizada ( o F) Erro absoluto FS 11,023A+121,507B+32= , ,6 0-2,40 Ponto 2: 20,253 e ,906 7, ,1 298,3-1,45-0,56 20,253A+410,184B+32= , SOLUÇÂO: ,108 17, ,20 0,17 Temperatura(V 0 )=33.865V 0-44V , , , ,1-0, , ,3-0, , ,2-0,68

21 Grandezas físicas Segundo o Sistema Internacional de Medidas, existem somente 4 quantidades fundamentais: comprimento, tempo, massa e temperatura. Medição de movimento: utiliza as grandezas de tempo e comprimento. Tem como unidade o metro, que foi definido em 1960 em termos do comprimento de onda da lâmpada de Krypton 86 (= ,73 comprimentos de onda no vácuo). Já o tempo tem como unidade o segundo, que foi estabelecido em 1964 em termos da freqüência resonante atômica do Césium 133 (= ciclos) Medição de força: F=MA, onde o padrão de massa é um cilindro de platina-iridium e A é a aceleração da gravidade (=mudança no tempo de um corpo em queda livre). A gravidade muda com as coordenadas geográficas, o tempo e a atividade geológica do local. g=978,049 [1+ 0, sin 2 (φ ) 0, sin 2 (2φ)]+correção correção= [0, , cos(2φ)] h+ 0, ( h 1000 ) 2 Pressão/Força Velocidade Aceleração Torque

22 Grandezas físicas Medição de pressão: é derivada da força e área que, por sua vez, são derivados da massa, do comprimento e do tempo. Seu padrão é em termos das precisas colunas de mercúrio (manômetro) ou do tubo à vácuo de McLeod. Som Fluxo Medição de temperatura: temperatura é uma quantidade de intensidade, enquanto que as outras grandezas são quantidades de extensão. l 1 l l 3 = l 1 + l 2 2 Comprimento + = Tempo Massa Temperatura

23 Grandezas físicas Medição de pressão: é derivada da força e área que, por sua vez, são derivados da massa, do comprimento e do tempo. Seu padrão é em termos das precisas colunas de mercúrio (manômetro) ou do tubo à vácuo de McLeod. Som Fluxo Medição de temperatura: temperatura é uma quantidade de intensidade, enquanto que as outras grandezas são quantidades de extensão. Se 2 corpos são ditos terem a mesma temperatura, logo eles precisam estar em equilíbrio térmico, ou seja, não há mudanças nas coordenadas termodinâmicas entre eles. A temperatura é medida através de métodos indiretos, como: Exemplo: O comprimento de 1 - Expansão térmica, uma haste de metal 2 - Transferência de calor depende da temperatura, 3 Condutividade elétrica que depende das 4 Pressão de gás propriedades do material. 5 - Outras

24 Grandezas físicas Medição de pressão: é derivada da força e área que, por sua vez, são derivados da massa, do comprimento e do tempo. Seu padrão é em termos das precisas colunas de mercúrio (manômetro) ou do tubo à vácuo de McLeod. Som Fluxo Medição de temperatura: temperatura é uma quantidade de intensidade, enquanto que as outras grandezas são quantidades de extensão. A temperatura é medida através de métodos indiretos, como: É preciso definir escalas de temperatura que, por sua vez, utilizam um conjunto de pontos de calibração. Logo 1 - Expansão térmica, 2 - Transferência de calor 3 Condutividade elétrica 4 Pressão de gás 5 - Outras

25 Grandezas físicas Medição de pressão: é derivada da força e área que, por sua vez, são derivados da massa, do comprimento e do tempo. Seu padrão é em termos das precisas colunas de mercúrio (manômetro) ou do tubo à vácuo de McLeod. Som Fluxo Medição de temperatura: temperatura é uma quantidade de intensidade, enquanto que as outras grandezas são quantidades de extensão. Padrões: É preciso definir escalas de temperatura que, por sua vez, utilizam um conjunto de pontos de calibração. Logo 1-Oxigênio: equilíbrio líquido/gás 2-Água: equilíbrio sólido/líquido 3-Água: equilíbrio líquido/gás 4-Ouro: equilíbrio sólido/líquido

26 Grandezas físicas Medição de pressão: é derivada da força e área que, por sua vez, são derivados da massa, do comprimento e do tempo. Seu padrão é em termos das precisas colunas de mercúrio (manômetro) ou do tubo à vácuo de McLeod. Som Fluxo Medição de temperatura: temperatura é uma quantidade de intensidade, enquanto que as outras grandezas são quantidades de extensão. Pontos de calibração Energia térmica zero Oxigênio: líquido/gás Água: sólido/líquido 0 90,18 273,15 TEMPERATURA K F C -459,6-297, ,15-182,97 0 T ( 0 C )=T ( K ) 273,15 T ( 0 F )= 9 5 T( 0 C )+ 32 Água: Líquido/gás 373, Ouro: sólido/líquido 1336, ,5 1063