ELT030 Instrumentação 2º Semestre-2016
Estrutura típica de um instrumento de medição Em geral, um instrumento de medição possui um elemento sensor ou transdutor, um tratamento de sinais e um elemento de saída (um indicador, registrador ou mesmo transmissor), que pode ser analógico ou digital. Estrutura típica de um instrumento de medição. 2
Sensores / Transdutores A transdução de uma grandeza física para um sinal no domínio elétrico pode ser dada por uma diferença de potencial, uma corrente, na forma de uma resistência, indutância ou capacitância. Um sensor é um dispositivo físico ou órgão biológico que detecta, ou sente, um sinal ou uma determinada condição do mundo físico ou de compostos químicos. Por exemplo, um sensor traduz/converte uma grandeza (velocidade, pressão, temperatura, etc.) em outra grandeza, por exemplo, corrente, tensão e resistência elétrica, que passa a conter informação sobre a grandeza original. Um transdutor é um dispositivo, normalmente elétrico ou eletrônico, que converte uma forma de energia em outra forma de energia, para efeitos de medição e transferência de informação. A maioria dos transdutores são sensores ou atuadores. Podem ou não ter como componente um elemento sensor. Por exemplo, um transdutor é formado a partir de cristais naturais denominados cristais piezoelétricos. Quando estes recebem um estímulo mecânico (força/peso), geram um sinal elétrico proporcional. 3
Diferença: Sensores / Transdutores Um sensor nem sempre tem as características elétricas necessárias para ser utilizado de imediato em um sistema. Normalmente o sinal de saída deve ser trabalhado antes da sua utilização. Suponha que a saída de um sensor ao ser sensibilizado por uma energia externa, é dada por um nível de tensão muito baixo. É então necessária uma amplificação do mesmo por um amplificador capaz de elevar o nível do sinal para sua efetiva utilização. Transdutor é a denominação de um dispositivo completo, utilizado para transformar uma grandeza qualquer em outra que pode efetivamente ser utilizada por dispositivos em alguma função. Normalmente os transdutores transformam uma grandeza física (temperatura, pressão, etc) num sinal de tensão ou corrente que pode ser facilmente interpretado por um sistema. Muitas vezes os termos sensor e transdutor são usados indistintamente, pois um dispositivo que contenha o elemento sensor e o transdutor integrados costuma ser chamado simplesmente de transdutor. 4
Tratamento de Sinais Detecção de Variação de Resistência Ponte de Wheatstone Vo = 0 (Equilíbrio) Exemplo medidas de pressão e força empregando strain gages, medidas de temperatura empregando termoresistores ou termistores, medidas de deslocamento linear ou angular usando resistores variáveis. 5
Tratamento de Sinais Detecção de Variação de Resistência PontedeWheatstone(Circuitoadoisfios) Vo = 0 (Equilíbrio) PontedeWheatstone(Circuitoatrêsfios) 6
Tratamento de Sinais Detecção de Variação de Capacitância 7
Tratamento de Sinais Circuitos com amplificadores operacionais 8
Tratamento de Sinais Circuitos com amplificadores operacionais Amplificador de Instrumentação Essa estrutura tem a capacidade fazer a subtração de duas tensões, mantendo a alta impedância de entrada dos amplificadores operacionais, com o ganho de tensão dado pela resistência RG. 9
Tratamento de Sinais Circuitos com amplificadores operacionais Amplificador de Instrumentação 10
Conversor Digital para Analógico Elementos de Saída 11
Conversor Analógico para Digital Elementos de Saída 12
PlacasdeAquisiçãodedados Elementos de Saída 13
Transmissor Eletrônico O sinal elétrico em tensão e corrente de um transdutor possui baixa amplitude ou baixa potência, sendo assim inadequado para transmissão. Então, surge a necessidade dos sinais de transdutores serem condicionados para poderem ser transmitidos pelo do chão de fábrica, onde há várias fontes de ruído. O sinal de tensão é então condicionado para o sinal padrão de transmissão, podendo ser analógico em tensão/corrente, ou digital em tensão/frequência. OO conjunto que converte o sinal físico em um sinal padrão de transmissão, é chamado de transmissor eletrônico. 14
Exemplo de Transmissor Eletrônico Sensibilidade Faixa de operação Exatidão Faixa de indicação Tipo de transmissão analógica/digital Classificação de área Confiabilidade Disponibilidade Manutenção 15
Interferências na transmissão Na transmissão de sinais elétricos pelo chão de fábrica, um dos requisitos principais é garantir a integridade dos dados, ou seja, saber quais as interferências que o sinal pode vir a sofrer ao atravessar o ambiente ruidoso e, assim, minimizar seus efeitos. Mas o que é ruído e o que é sinal? O ruído é definido como um sinal elétrico indesejável que corrompe o sinal elétrico de interesse. Os ruídos podem ser classificados como: ruído aleatório e ruído de interferência. O ruído aleatório é aquele causado por flutuações de cargas elétricas nos dispositivos eletrônicos. O ruído de interferência é aquele causado por alguma fonte conhecida podendo ser interna ou externa ao sistema. 16
Interferências na transmissão O chão de fábrica possui inúmeras fontes de interferência, como lâmpadas fluorescentes, motores de indução, antenas na sua vizinhança, disjuntores, que influenciam no loop de terra e interferem nos níveis de tensão e corrente durante a transmissão dessas grandezas. As interferências mais comuns são classificadas como: Acoplamento galvânico. Interferência eletromagnética. Linha cruzada (crosstalk). Carregamento. 17
Interferências na transmissão: Acoplamento galvânico O acoplamento galvânico ocorre quando o circuito ou parte de um sistema apresenta uma interferência no terra comum, propagando ruídos na transmissão dos sinais elétricos. Uma maneira de minimizar o acoplamento galvânico é com uma transmissão diferencial, onde uma interferência afeta o par de fios de forma semelhante, sendo cancelada. Outra prática é o uso de conexões que separam as linhas de potência das linhas de sinais, sendo conectadas em um único ponto de menor impedância do terra. 18
Interferências na transmissão: Interferência eletromagnética A interferência eletromagnética ocorre quando um campo eletromagnético induz uma corrente espúria nos sinais de transmissão, gerando flutuações de tensão. Pode ser gerada por centelhamento nas escovas de motores, chaveamento de circuitos de potência, relés, disjuntores, lâmpadas fluorescentes, aquecedores, descargas atmosféricas, entre outros. 19
Interferências na transmissão: Linha cruzada A linha cruzada (crosstalk) é um efeito interno capacitivo que ocorre entre cabos e montagens, que podem percorrer longas distâncias paralelamente até o painel de controle ou computador central, o que permite o acoplamento de ruídos com os sinais dos próprios cabos entre si. 20
Interferências na transmissão: Redução da Interferência Uma maneira de reduzir a interferência eletromagnética e a linha cruzada é utilizando de par trançado (twisted pair), no qual o ruído induzido tende a se cancelar na direção oposta das correntes induzidas. Diversos elementos de um sistema de medida podem ser conectados com pares trançados. Uma outra maneira elaborada de reduzir tais interferências são os cabos blindados (shielding cables), formando uma proteção sobre a linha de transmissão. 21
Interferências na transmissão: Redução da Interferência O sinal de transmissão pode ser cercado por uma malha metálica, isolando os efeitos eletromagnéticos e capacitivos de uma forma mais eficaz que nos pares trançado; mas essa pode apresentar problema de múltiplos terras. O par trançado é amplamente difundido na indústria devido ao menor custo. Os usos de aterramentos e blindagens são normalizados pela ABNT NBR-5410. 22
Interferências na transmissão: Carregamento O carregamento se refere a interferência em uma medição causada pela interação entre as impedâncias, gerando assim uma não-linearidade na medida. Pelo teorema de Thévenin, sabe-se que qualquer circuito elétrico pode ser simplificado por uma fonte de tensão e uma impedância série. Exemplo: Carregamento de um potenciômetro. 23
Interferências na transmissão: Carregamento 24
Padrões de transmissão Uma maneira eficiente de se transmitir sinais em tensão é com baixa impedância na transmissão e alta impedância na recepção, reduzindo o carregamento e acoplamentos. Tal casamento de impedâncias é implementado com amplificadores operacionais. Assim, um dos primeiros padrões de transmissão elétrica de sinais foi em tensão, no qual o sinal pode estar referenciado a um potencial fixo ou na forma diferencial, onde ruídos no terra e na alimentação tendem a se cancelar. Tomando os cuidados com interferências e impedâncias, é possível fazer a transmissão de sinais analógicos em tensão em pequenas distâncias. Um primeiro padrão foi em tensão DC de 1 5 V, onde o sinal em 0 V significa cabo rompido, identificando assim uma falha na comunicação. 25
Padrões de transmissão Porém, um dos maiores problemas da transmissão de sinais analógicos em tensão são perdas ôhmicas nos cabos e nas conexões, que diminuem a exatidão das medidas; as quais limitam a transmissão a poucas dezenas metros. De forma a aumentar as distâncias de transmissão de sinais analógicos é utilizado um padrão em corrente de 4 20 ma, onde sinais são transmitidos em até 3000 m de distância. Para sensores de grandeza digital on-off, como o sensor de presença ou de fim de curso, outros padrões de transmissão são estabelecidos, sendo comum o padrão em tensão DC de 0 24 V ou em tensão AC de 0 110 V, com as margens de ruído bastante elevadas. 26
Padrões de transmissão Uma outra forma de transmitir sinais analógicos é através da conversão para o domínio digital, no qual a tensão em si não carrega a informação. Uma forma de converter um sinal analógico em um digital proporcional é através da conversão tensão/frequência na transmissão e da conversão frequência/tensão na recepção; ambas implementadas com circuitos mono-estáveis. O sinal modulado em frequência é bem menos susceptível a interferências do que os sinais em tensão e corrente. 27
Padrões de transmissão O advento do circuito integrado e do microprocessador na década de 1980 trouxe a possibilidade de converter o sinal analógico em uma palavra digital equivalente. Dessa maneira, as informações são transmitidas segundo um protocolo de comunicação, que podem fazer o uso de padrões de comunicação como o padrão RS-232 e RS-485, voltados para a comunicação entre dispositivos. RS 232 RS 485 28
OBRIGADO! CARLOS WALDECIR DE SOUZA waldecir.souza@unifei.edu.br cw.souza @ yahoo.com.br 29