INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE INDUSTRIAL I

Transcrição

1 INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE INDUSTRIAL I Prof. Pierre Vilar Dantas Turma: 0063-A Horário: 6N ENCONTRO DE 02/03/2018 1

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3 Sinais e Ruídos Parte 1 3

4 Sinal - Definição Matematicamente, um sinal é definido como uma função de uma ou mais variáveis que representam um fenômeno físico. Na área da instrumentação, o processamento ou tratamento de um determinado sinal deve ser baseado em métodos criteriosos, pois a sua natureza e a sua relação com o ruído determinam o desenvolvimento apropriado do sistema de medição 4

5 Exemplos 5

6 Representação 6

7 Séries de Fourier 7

8 Ruído Caracterização O ruído é um sinal puramente aleatório, portanto seu valor instantâneo não pode ser determinado em qualquer momento. Pode ser gerado em função do uso dos componentes passivos e ativos, ou ainda pode ser sobreposto ao circuito por fontes externas como, por exemplo, linhas de energia elétrica. motores elétricos, sistemas de ignição, sistemas de comunicação, etc. 8

9 Tipos de Ruídos 9

10 Tipos de Ruídos 10

11 Relação Sinal-Ruído 11

12 O Termopar 12

13 Efeitos Seebeck e Peltier O efeito Seebeck é a produção de uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre duas junções de condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando elas estão a diferentes temperaturas (força eletromotriz térmica). É o reverso do efeito Peltier que é a produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma diferença de potencial (tensão elétrica) em um circuito fechado (consequentemente, percorrido por uma corrente elétrica). 13

14 Termopar Definição Elemento primário de medida de temperatura constituído por dois materiais diferentes ligados um ao outro. 14

15 Termopar 15

16 Outros sensores/transdutores Termistor Termistor - semicondutores sensíveis à temperatura. NTC (do inglês Negative Temperature Coefficient) - termistores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é negativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura. PTC (do inglês Positive Temperature Coefficient) - termistores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é positivo: a resistência aumenta com o aumento da temperatura. 16

17 Outros sensores/transdutores Pirômetro O pirômetro é um tipo de termômetro. Mede irradiação térmica da superfície de um objeto e informa a temperatura. Trata-se de um dispositivo que não necessita de contato. 17

18 Outros sensores/transdutores Termoresistência Uma termorresistência (RTD - Resistance Temperature Detector) é um instrumento que permite determinar uma temperatura, através da relação entre a resistência elétrica do material. Geralmente, são de platina, mas são também utilizados outros materiais, como por exemplo o níquel. Por norma, é identificada pelo material que a constitui e pela resistência que apresenta a 0 C. Por exemplo, uma Pt- 100 é uma termorresistência de platina que a 0 C apresenta uma resistência de 100 Ω, ao passo que uma Ni-500, a 0 C apresenta uma resistência de 500 Ω. 18

19 Voltando aos Termopares Tipos 19

20 INTERDEPENDÊNCIA DOS EFEITOS TERMELÉTRICOS 1. Junção 1 a T1 à eab(t1) (Seebeck) 2. Junção 2 a T2 à eab(t2) (Seebeck) 3. eab(t1) e eab(t2) à I (Ohm) 4. I nas junções origina libertação/absorção de calor à T1 e T2 mudam (Peltier) 5. I nos condutores origina libertação/absorção de calor à T1 e T2 também mudam (Thomson) 20

21 Termopares Normalizados 21

22 Regras de uso de Termopares 22

23 Regras de uso de Termopares 23

24 Regras de uso de Termopares 24

25 Temperatura do objeto 25

26 Temperatura do objeto 26

27 Rejeição ao Ruído (Note-se que a sensibilidade de um termopar é da ordem dos microvolt/ºc) Ações a tomar (no projeto, na instalação) 1. Usar cabos curtos, se possível com o conversor junto do termopar; 2. Cabos de sinal longe de cabos de potência; 3. Usar cabos de extensão adequados, que não devem ser muito apertados; 4. Usar cabos de sinal blindados, convenientemente ligados à terra; 5. Efetuar uma filtragem analógica do sinal; 6. Usar amplificadores com rejeição de modo comum elevada; 7. Usar termopares adequados à atmosfera, com a junção soldada de origem; 8. Quando possível, usar termopares com sensibilidade elevada. 27

28 Sinais e Ruídos Parte 2 28

29 Padrão 4-20mA 29

30 Sinais de Instrumentação Padrão 4-20mA O princípio do loop de 4 a 20mA consistem em uma única malha com vários resistores. Pela lei das malhas a corrente é a mesma em todos os elementos resistivos e a tensão é distribuída em todos os resistores. Ou seja, o padrão 4 a 20mA tem a vantagem da informação manter-se constante mesmo havendo várias cargas em série. 30

31 Sinais de Instrumentação O que há num loop 4-20mA Sensor e transdutor e transmissor; Fonte de alimentação; Loop (circuito fechado); Sistema de aquisição. 31

32 Sinais de Instrumentação Loop 4-20mA Vantagens e Desvantagens Vantagens O padrão 4-20mA é um padrão clássico nas indústrias; É fácil identificar quando o transmissor está com defeito; Não é sensível a ruídos elétricos; É muito simples para instalar e configurar. Desvantagens Podem transmitir somente um sinal numa mesma malha; Quando há muitos instrumentos em um processo, o número de malhas é maior também podendo causar problemas de aterramento quando os fios não são propriamente isolados. 32

33 Por que 4-20mA? 33

34 Por que 4-20mA? 1. 30mA passando pelo corpo humano (coração) é suficiente para matar a pessoa (ver norma). 2. Em sua maioria, um semicondutor requer pelo menos 3mA de corrente para operar. 3. O padrão deve ser linear na banda máxima de 3-30mA. Pensou-se no padrão 5-25mA e 4-20mA. 4. Como os cálculos com 4-20mA são mais fáceis. Fonte: Why do we use a 4-20 ma signal and not a 0 ma signal in industries: 34

35 Sistemas de Aquisição de Dados 35

36 Princípios básicos Sistema de aquisição de dados é qualquer arranjo que permita transformar sinais analógicos em digitais para permitir a interpretação e manipulação por sistemas digitais. 36

37 Filtro anti-aliasing Implementado por um circuito integrado dedicado ou por um amplificador operacional ou por um filtro RC. O objetivo desse filtro é eliminar ou reduzir as frequência desnecessárias, reduzindo portanto a largura de banda do circuito, o que ajuda na minimização do ruído. 37

38 Circuito Sample and Hold (SH) Outras denominações: Amostrador com retenção (SH, S&H ou SHA). Segurador. A função é manter ou segurar o valor do sinal até que a próxima amostra seja adquirida. A vantagem de utilização desse dispositivo é o aumento da confiabilidade do processo de conversão. Explicar a condição: 38

39 Amostragem Computadores digitais são incapazes de processar sinais analógicos. Portanto, é necessária uma represertação digital desta informação. O conversor analógico-digital (ADC ou A/D) converte um tensão da entrada (ou corrente) para uma quantidade binária representativa. 39

40 Teorema de Nyquist A razão de amostragem f determinada pelo Teorema de Nyquist precisa ser, no mínimo, duas vezes a frequência máxima do espectro de Fourier do sinal analógico. Para reconstruir o sinal original após a amostragem é necessário passar a forma de onda amostrada por um filtro passa baixa que limita a banda passante. Após a digitalização do sinal pelo conversor ADC, o sinal está apto para ser analisado ou processado pela unidade de processamento de sinais, por exemplo, um computador. 40

41 Quantização Representação aproximada de um valor do sinal por um conjunto finito de valores. 41