ELT030 Instrumentação 1

Transcrição

1 ELT030 Instrumentação Universidade Federal de Itajubá Engenharia Eletrônica Sensores Inteligentes ELT030 Instrumentação 1

2 Transmissor eletrônico Um transdutor converte uma grandeza física qualquer para o domínio elétrico. Por sua vez, o sinal elétrico não-padrão é condicionado eletronicamente para um sinal padrão para transmissão. O conjunto que converte a grandeza física no sinal padrão de transmissão, é chamado de transmissor. ELT030 Instrumentação 2

3 Sensor inteligente Com o advento da eletrônica integrada e consequentemente do microprocessador no início dos anos 1980, surgiram os primeiros sensores inteligentes, que passaram a incorporar outras funções além da conversão do sinal físico no sinal elétrico padrão de transmissão. ELT030 Instrumentação 3

4 Sensor inteligente ELT030 Instrumentação 4

5 Sensor inteligente circuitos eletrônicos associados extensômetro ELT030 Instrumentação 5

6 Sensor inteligente Mas quais seriam as outras funções? Uma eletrônica adicional aliada ao processamento de dados permite as funções de: Compensação de ambiente. Ajuste de escala. Interface de comunicação. Auto-diagnóstico e auto-calibração. Atuação de proteção. ELT030 Instrumentação 6

7 Compensação de ambiente A exatidão de um transdutor é influenciada pelas condições ambientais as quais ele se encontra, como umidade, tensão de alimentação, temperatura, pressão, entre outros. A compensação de ambiente consiste em monitorar certas condições ambientais, nas quais o transdutor está operando, compensando-as eletronicamente no sinal elétrico medido, melhorando assim sua exatidão; porém, será necessário um transdutor auxiliar para realizar essa tarefa. Outra vantagem em monitorar o ambiente está na proteção contra variações transientes por efeitos eletromagnéticos ou mesmo eletrostáticos, preservando a integridade do circuito e a vida útil do transmissor. ELT030 Instrumentação 7

8 Compensação de ambiente Por exemplo, sabe-se que a resistência de um extensômetro varia com a temperatura, sendo uma fonte de incerteza. Um termistor pode ser utilizado de forma a compensar o efeito da temperatura na leitura da ponte de Wheatstone em uma configuração ¼ de ponte, melhorando a sua precisão. R 1 R 3 E V V E 4 R R R 2 R 4 ELT030 Instrumentação 8

9 Compensação de ambiente extensômetro termistor ELT030 Instrumentação 9

10 Compensação de ambiente Outro exemplo é a compensação da junta fria do termopar através de um termistor integrado junto ao bloco isotérmico do transmissor. Compensando a tensão da junta fria através do termistor, o sinal analógico transmitido será insensível a qualquer variação na temperatura do termopar parasita. bloco isotérmico circuito eletrônico de compensação cobre cobre cobre constantan temperatura medida ELT030 Instrumentação 10

11 Ajuste de escala Algumas grandezas ao serem medidas não possuem escalas lineares, como o caso dos termistores, nos quais a variação da resistência é exponencial com a temperatura. Pelo ajuste de escala, um sinal não-linear pode ser linearizado segundo equações que não podem (ou devem) ser implementadas de forma analógica por circuitos. Um outro caso comum e útil de ajuste de escala é a medida indireta de grandezas físicas. O transdutor mede a grandeza e a eletrônica associada converte para uma outra grandeza de interesse. Dessa maneira, o sinal será transmitido na sua escala real e também de uma forma linear. ELT030 Instrumentação 11

12 Ajuste de escala Um exemplo é a medida de vazão em placas de orifício ou venturis, obtida a partir de uma diferença de pressão. Dessa forma, o valor transmitido não é a pressão diferencial, mas o valor da vazão, obtida através de cálculos com o valor da pressão e das características físicas do medidor. Q = K P 1 P 2 ELT030 Instrumentação 12

13 Interface de comunicação Para a compensação de ambiente e o ajuste de escala, não é necessário que o transmissor se comunique com o CLP ou o processamento central. Contudo, uma interface de comunicação permite ao sensor inteligente se identificar e selecionar dados, recebendo e/ou transmitindo informações além do sinal analógico. ELT030 Instrumentação 13

14 Auto-diagnóstico Aliando-se a interface de comunicação com a compensação de ambiente, um transmissor torna-se capaz de realizar um auto-diagnóstico nas condições de operação; informando o sistema central da necessidade de manutenção ou mesmo a sua reposição no sistema industrial a qual está inserido. Um sensor ótico pode realizar um auto-diagnóstico na lente quanto a intensidade do feixe de luz recebido, informando o controle da necessidade de uma limpeza preventiva, antes que o sistema seja paralisado para a manutenção. Assim, é possível aumentar a disponibilidade dos sensores inteligentes e a própria confiabilidade do sistema industrial em questão (aumentando o MTBF). ELT030 Instrumentação 14

15 Auto-calibração e atuação Uma outra possibilidade é a auto-calibração com o ajuste de zero, de ganho ou de banda da escala. Assim, permite-se uma reconfiguração do sistema (modificando as escalas) ou mesmo a aferição dos transmissores sem ter que retirá-los de serviço; aumentando dessa forma a disponibilidade dos equipamentos e a confiabilidade do sistema industrial. Finalmente, outra função que pode ser incorporada em um sensor inteligente é a atuação de proteção onde o sensor se localiza. Como exemplo, o desligamento de certos sistemas críticos com altas temperaturas ou pressão fora dos limites especificados pelo projeto. ELT030 Instrumentação 15

16 Protocolo HART Um importante passo na evolução do sensores inteligentes é a utilização de um sinal digital somado ao sinal analógico de transmissão. Dessa maneira, a comunicação do sensor e o controle é realizada pelo próprio cabo de sinal. O protocolo HART foi introduzido pela Fisher Rosemount na década de 1980 e é um dos protocolos de transmissores que permite a sobreposição do sinal de comunicação digital ao sinal analógico de 4 20mA sobre a mesma fiação, sem a interferência dos sinais; mantendo assim a compatibilidade com a instrumentação existente no sistema e aproveitando o conhecimento existente sobre a planta. ELT030 Instrumentação 16

17 Protocolo HART Dessa forma, o protocolo HART possibilita a comunicação bidirecional digital em instrumentos de campo inteligentes. Tanto o sinal analógico como o sinal digital HART podem ser transmitidos de maneira simultânea, na mesma fiação. O sinal físico (variável primária) pode ser transmitido pelo padrão analógico em corrente, enquanto as informações de configuração do transdutor, os parâmetros do processo, as informações de auto-diagnóstico, de auto-calibração estão disponíveis digitalmente, na mesma fiação. Diferentemente de outras tecnologias de comunicação para instrumentação industrial (como os fieldbuses), o protocolo HART é compatível com os sistemas já existentes. ELT030 Instrumentação 17

18 Protocolo HART O HART utiliza o padrão Bell 202, com a modulação FSK (chaveamento de frequência) para assim sobrepor os sinais de comunicação digital ao sinal analógico em corrente. O nível lógico 1 é dado na frequência de 1200Hz e o nível lógico 0 por 2200Hz. O sinal digital é simétrico em relação ao zero, não havendo um nível DC associado; portanto, não interfere no sinal analógico transmitido. ELT030 Instrumentação 18

19 Protocolo HART O sinal HART se propaga a taxa de 1200 bits por segundo, permitindo duas ou mais atualizações por segundo, vindas de um único instrumento de campo. ELT030 Instrumentação 19

20 Aplicação HART O HART é um protocolo do tipo mestre/escravo, no qual o instrumento de campo (escravo) somente responde quando perguntado pelo controlador central (mestre). Dois mestres podem se comunicar com um instrumento de campo sem causar interferências na comunicação. O mestre primário geralmente é um CLP e o secundário, um terminal de configuração portátil em campo. ELT030 Instrumentação 20

21 Aplicação HART Uma comunicação mestre/escravo simultânea com o sinal analógico em corrente (4 20mA) é a aplicação HART mais comum. Esse modo permite que as informações digitais do transmissor escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre. O sinal analógico em corrente carrega de forma continua a variável primária do processo em questão. ELT030 Instrumentação 21

22 Aplicação HART O HART também tem a capacidade de conectar múltiplos instrumentos pelo mesmo par de fios em uma configuração chamada rede multidrop. Nesse modo, o sinal de corrente é fixado (tipicamente 4mA), ficando a comunicação limitada somente ao sinal digital mestre/escravo. A corrente de cada ramo não tem nenhum significado relativo ao processo. ELT030 Instrumentação 22

23 Instalação industrial Na instalação industrial, a mesma fiação usada em sensores analógicos em corrente (4 20mA) pode carregar o sinal de comunicação digital HART. Os comprimentos dos cabos podem variar de acordo com o seu tipo e instrumentos conectados; mas em geral chegam a 3000 metros para um par trançado blindado e 1500 metros para múltiplos pares trançado com blindagem comum. Sem blindagem, o par trançado também podem ser utilizado em distâncias curtas (apenas algumas dezenas de metros). Barreiras de segurança intrínseca que permitem a passagem de sinais do protocolo HART são disponíveis para uso em áreas classificadas de risco de explosão. ELT030 Instrumentação 23

24 Instalação industrial ELT030 Instrumentação 24

25 VÁLVULAS DE CONTROLE: Componentes É a parte da válvula de controle que fornece a força com que a válvula realiza seu trabalho. O castelo é a parte da válvula que conecta o atuador ao corpo da válvula. É a parte da válvula de controle por onde passa o fluído do processo. ELT030 Instrumentação 25

26 VÁLVULAS DE CONTROLE: Atuadores Atuador Pneumático : diafragma e mola ELT030 Instrumentação 26

27 VÁLVULAS DE CONTROLE: Solenóide Atuador Pistão: válvulas solenóides São válvulas que por construção promovem o desvio de fluxo de ar do atuador da válvula principal, de modo que esta possa assumir a posição desejada. ELT030 Instrumentação 27

28 Instrumentação industrial ELT030 Instrumentação 28