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Transcrição

1 Série de conceitos básicos de medições com sensores

2 Medições de temperatura Renan Azevedo Engenheiro de Produto, DAQ & Teste NI Henrique Sanches Marketing Técnico, LabVIEW NI

3 Pontos principais Diferentes partes de um sistema de medição de temperatura Panorama de diferentes sensores de temperatura Considerações e conceitos básicos dos termopares Conceitos básicos do RTD Conceitos básicos dos termistores Conceitos básicos dos FBGs

4 Componentes de medição Medição física Sensor Conectividade Condicionamento de sinais e aquisição de dados Computador

5 Escolha o melhor sensor de temperatura Termopares RTDs Vantagens: Desvantagens: Vantagens: Desvantagens: - Baixa tensão - Requer CJC - Exatidão variável + Alta exatidão + Alta estabilidade + Passivo + Econômico + Robusto + Faixa de temperatura - Caro - Requer excitação - Baixa resistência - Autoaquecimento Termistores FBGs Vantagens: Desvantagens: Vantagens: Desvantagens: + Alta resistência + Alta sensibilidade - Saída altamente não linear - Faixa de operação limitada - Requer excitação - Autoaquecimento + Passivo + Não condutivo eletricamente + Ambientalmente sustentável + Sensores multiplexadores - Caro - Instalação - Não é amplamente adotado

6 Conceitos básicos dos termopares Junção de dois metais diferentes. A tensão varia com a temperatura. Não linear. Funciona no príncipio do efeito Seebeck ou efeito termoelétrico. + V -

7 Tipos de termopares Convenções do American National Standards Institute (ANSI) Tipos de termopares Condutores - Positivo Condutores - Negativo B Platina - 30% de ródio Platina - 6% de ródio E Liga de níquel-cromo Constantan (Liga de cobre-níquel) J Ferro Constantan (Liga de cobre-níquel) K Liga de níquel-cromo Liga de níquel-alumínio N Liga de níquel-cromo-silício Liga de níquel-silício-magnésio R Platina - 13% de ródio Platina S Platina - 10% de ródio Platina T Cobre Constantan (Liga de cobre-níquel)

8 Variações de termopares Faixa de temperatura Exatidão Comprimento Diâmetro Ambiente Custo

9 Hardware de medição Medição física Sensor Conectividade Condicionamento de sinais e aquisição de dados Computador

10 Considerações sobre os termopares 1. Compensação de junta fria 2. Ruído 3. Offset de dispositivo 4. Termopar 5. Detecção de termopar em aberto

12 Compensação de junta fria O que é uma junção? Um ponto em seu sistema onde dois metais diferentes entram em contato um com o outro. Junta quente - refere-se à extremidade articulada de um termopar. Junta fria - refere-se à outra junção de metais diferentes em seu sistema de medição. Junta fria Junta fria Junta quente AC A (ferro) Para medir o dispositivo C (Cobre) BC Termopar tipo J B (Constantan) AB Temperatura desejada para medição

13 Compensação de junta fria AB gera uma tensão proporcional à temperatura. AC e BC geram tensões em suas junções. A tensão no AC e BC são indesejadas - Agora as três junções estão sendo medidas gerando um erro de junta fria. AC A (ferro) Para medir o dispositivo C (Cobre) BC Termopar tipo J B (Constantan) AB Temperatura desejada para medição

14 Compensação de junta fria A diferença entre a temperatura real na junta fria e a temperatura medida pelo dispositivo. CJC Dispositivo de medição C (Cobre) Bloco de terminais AC BC A (ferro) Termopar tipo J B (Constantan) AB Temperatura desejada para medição

15 Erro na compensação de junta fria A diferença entre a temperatura real na junta fria e a temperatura medida pelo dispositivo. CJC Dispositivo de medição C (Cobre) Bloco de terminais AC BC A (ferro) Termopar tipo J B (Constantan) AB Temperatura desejada para medição

16 Erro na compensação de junta fria A diferença entre a temperatura real na junta fria e a temperatura medida pelo dispositivo. Erro no sensor CJC C (Cobre) AC BC A (ferro) Termopar tipo J B (Constantan) AB Temperatura desejada para medição Dispositivo de medição Bloco de terminais Erro no dispositivo de medição Gradiente de temperatura entre a junta fria e o sensor

20 Como minimizar o erro isotérmico: Projeto CJC TC+ TC- CJC conectado termicamente aos terminais do termopar. ΔT CJC o mais próximo possível dos terminais do termopar. Baixa relação entre canais e sensores da CJC. A diferença entre a temperatura real na junta fria e a temperatura no termistor.

21 Termistores Regiões isotérmicas Módulo de termopar de alta exatidão

22 Como minimizar o erro isotérmico: Configuração Mantenha a temperatura ambiente o mais estável possível. Mantenha o dispositivo de medição em uma orientação consistente e estável. Reduza as fontes de calor adjacentes e fluxo de ar no dispositivo de medição. Evite deixar os cabos do termopar próximo a objetos frios ou quentes. Mantenha os cabos do termopar próximo ao dispositivo de medição. Permita que os gradientes térmicos sejam estabilizados após uma mudança de temperatura do sistema ou na temperatura ambiente. Use o menor cabo de termopar adequado para a aplicação. Use apenas os fios de ligação do mesmo material condutivo dos cabos do termopar.

24 Filtro passa baixa elimina ruído Rejeita ruídos indesejados dentro de uma determinada faixa de frequência. Implementado em software ou hardware. Domínio do tempo Filtro passa baixa Domínio do tempo Domínio da frequência Domínio da frequência

25 Amplificação aumenta a resolução Amplificador digitalizador de 16 bits digitalizador de 16 bits 10 mv de sinal 4 níveis de resolução (2 bits) 10 V de sinal 65,536 níveis de resolução (16 bits)

26 Amplicação aumenta o SNR 10 mv de sinal 10 mv de sinal SNR = 10 1 mv de ruído digitalizador de 16 bits 10 mv de sinal X 1, V de sinal SNR = mv de ruído digitalizador de 16 bits

28 Erro de offset no dispositivo Graus celsius Erro de offset Millivolts

29 Compensação do offset no dispositivo Graus celsius Sem zeragem automática Com zeragem automática Erro de offset Uso do recurso de zeragem automática integrada Mede o offset interno automaticamente. Reduz o erro de offset e varia a níveis não significativos. Millivolts

30 Compensação do offset no dispositivo Graus celsius Erro de offset Verifique se o dispositivo é calibrado regularmente. Millivolts

32 ɣ Erros do termopar O gradiente no cabo do termopar pode apresentar erros devido às impurezas nos metais. ΔT ΔT Tensão medida

34 Detecção de termopar em aberto Pode reconhecer se um termopar está desconectado ou quebrado. Usa um circuito pequeno para enviar uma fonte de corrente diferencial através do termopar. Quando há uma ruptura, a corrente não tem para onde fluir e resulta em uma resposta de grande tensão.

35 Aquisição de temperaturas em uma das maiores câmaras ambientais de acesso humano Desafio Monitorar a temperatura em uma das maiores câmaras ambientais de acesso humano com um requisito de ±3 F de uma extremidade à outra. Solução Usar um sistema de aquisição de dados para adquirir medições de temperatura sincronizadas e precisas, para ±3 F de ponta a ponta, sem a necessidade de um condicionamento de sinais externo adicional.

36 Demonstração de medições de temperatura

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39 Conceitos básicos do detector resistivo de temperatura (RTD) Dispositivo feito de bobinas ou películas metálicas (geralmente platina). A resistência típica é 100 Ω a 0 C. A resistência varia com a temperatura; faixa de medição típica de até 850 C. Princípio de funcionamento: A resistência de metais puros varia com a alteração da temperatura. A passagem de corrente pelo RDT gera tensão entre seus terminais. Medindo essa tensão, você pode determinar a resistência do detector e, assim, a sua temperatura.

40 Fundamentos do RTD A resistência de um RTD é quase proporcional à temperatura. Materiais usados níquel (Ni) e cobre (Cu), mas a platina (Pt) é o mais comum, devido à sua ampla faixa de temperatura, exatidão e estabilidade. Um RDT de platina de 100 Ω é comumente denominado Pt100. Curva de resistência/temperatura para RTDs de platina

41 Medições de temperatura com RTDs Passo 1: Excitação de corrente. Passo 2: Leitura da tensão gerada nos terminais do RTD. Passo 3: Conversão da leitura da tensão para temperatura. Dica: Para evitar autoaquecimento (aquecimento resistivo), reduza o máximo possível a corrente de excitação.

42 Três formas de conectar seu RTD Modo de 2 fios Modo de 3 fios Modo de 4 fios

43 Modo de 2 fios RTD O dispositivo de aquisição de dados estimula a corrente de excitação. Se ele não o fizer, são necessárias conexões adicionais para fazer a excitação. Desvantagem: Não há compensação para a resistência dos fios do cabo.

44 Modo de 3 fios A medição ocorre entre EX+ e LO. Há compensação da resistência dos fios do cabo se os três fios forem iguais.

45 Modo de 4 fios A resistência do fio do cabo não afeta esse modo porque uma quantidade muito pequena de corrente flui através dos terminais de HI e LO. Assim, a maioria das medições exatas com um RTD é obtida usando esse modo.

46 Considerações sobre o ruído nos RTDs O filtro é necessário para remover o efeito do aumento de ruído devido às linhas de alimentação encontradas em laboratórios e fábricas.

48 Conceitos básicos dos termistores Dispositivos termicamente sensíveis, cuja resistência varia com a temperatura. Feitos com material semicondutor de óxido metálico Ω a Ω a 25 C. Até 300 C ideal para aplicações de baixa temperatura. Extremamente sensível: (~200 Ω/ C) Geralmente são usados termistores com coeficientes de temperatura negativos (NTC).

49 Termistor ou RTD?

50 Como medir a temperatura usando um termistor? Uma medição com termistor é bem semelhante a uma medição com um RTD porque eles operam em princípios similares. Diagramas de conexão com dois, três e quatro fios

51 Obtenha uma maior exatidão com os termistores Alta sensibilidade/resistência. Baixa massa térmica. Padronização relativamente recente entre os fornecedores. Requer uma fonte de excitação. Autoaquecimento.

53 Conceitos básicos da fibra óptica em redes de bragg (FBG) Usa a iluminação apropriada para medir um fenômeno físico. Passiva e não condutiva eletricamente. Ambientalmente sustentável. Pode ter sensores multiplexadores. Dezenas de sensores por fibra reduzem cabeamento. Permite transmissão de sinais em longas distâncias (km).

54 Fibra óptica em redes de bragg (FBG) λ Sinais de entrada Fibra óptica em redes de λ B λ bragg Sinais transmitidos Núcleo da fibra óptica Sinais refletidos Λ B = Grating Period B = 2n e Λ B λ B

55 Comprimento de onda - Multiplexação por divisão λ 1 λ 2 λ 3 Λ 1 Λ 2 Λ 3 Diversos sensores FBG multiplexadores em um comprimento de onda em uma fibra óptica. λ λ 5 λ 6 λ 4 n-1 λ n λ 3 λ 1 λ 2 Interrogador de sensores ópticos (NI PXIe-4844) P Sinais refletidos λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ n-1 λ n λ

56 Aquisição de Medição PXI Módulos de temperatura PXIe-4353 PXIe-4357 PXIe-4844 CompactDAQ Módulos de temperatura NI 9211 NI 9217 NI 9213 NI 9219 NI 9214 CompactRIO Módulos de temperatura NI 9211 NI 9217 NI 9213 NI 9219 NI 9214 Vantagens da plataforma Melhor sincronização Padrão amplamente adotado pela indústria Vantagens da plataforma Medições de transferência de forma de onda Rápida customização de software Vantagens da plataforma Medições determinísticas em um único ponto Customização da temporização e do trigger

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58 Série de conceitos básicos de medições com sensores /daq