Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Engenharia e Gestão Industrial Automação e Instrumentação Trabalho Prático Nº 3 Acondicionamento do sinal de sensores. Introdução A maior parte dos sensores sejam eles de temperatura, força, distância entre outros, usualmente a grandeza pretendida é proporcional à tensão, capacitância, indutância resistência ou condutância. Mediante essa proporcionalidade o circuito de acondicionamento do sinal do sensor será diferente. Normalmente existe uma conversão numa tensão que de seguida será amplificada, para permitir detectar pequenas variações do sinal do sensor. Dois dos circuitos que se usam são a ponte de Wheatstone e o divisor de tensão. Para amplificar o sinal é usado o amplificador operacional com diversas configurações de montagem. Os procedimentos gerais para se obter a medida de uma grandeza física passam pelos diversos processos apresentados na figura. Figura Procedimentos para obter a medida de uma grandeza física. Ponte de Wheatstone A montagem designada por ponte de Wheatstone é representada pela figura, e a relação entre a tensão de entrada e saída é dada pela equação. out s + 4 = () 3 4 + Figura Ponte de Wheatstone Automação e Instrumentação /8
. Divisor de tensão A montagem designada por divisor de tensão é representada pela figura 3, e a relação entre a tensão de entrada e saída é dada pela equação. out s + = () Figura 3 Divisor de tensão.3 Amplificação Por fim, mediante os valores da grandeza que se pretende medir, deve-se adequar o amplificador, usando o amplificador operacional, de modo a que a gama da tensão seja a adequada à entrada do ADC (Analog/Digital Converter). Usualmente a variação da tensão de saída ( out ) é entre 0 e 5 olts. Os amplificadores operacionais (AMP-OP) são componentes electrónicos, analógicos amplificadores de tensão com um ganho elevado e um largo espectro de frequências. Têm aplicações variadas onde podemos salientar: - amplificadores; - filtros; - conversores Analógico-Digitais e Digitais-Analógicos; - processamento de sinais. amos estudar duas vertentes que destacamos: a) o modo de funcionamento; b)o modo de utilização- circuitos práticos relacionados com a disciplina. Na prática considera-se o amplificador como ideal. Os desvios dos amplificadores reais, comparados com os ideais são pequenos e podem ser considerados como erros pequenos. Amplificador ideal No amplificador operacional a saída em relação ao terminal comum depende da diferença de potencial entre as duas entradas ou seja: o = A OL ( a b ) em que A OL é o ganho em malha aberta do amplificador. A medição dos sinais de entrada e de saída são realizadas relativamente ao ponto comum que normalmente é a Massa, figura 4, das fontes de alimentação (+cc e -cc). Automação e Instrumentação /8
Figura 4 Amplificador operacional. Significado dos sinais + e - dos terminais de entrada a) Terminal menos: é o terminal inversor. Um sinal aplicado a este terminal implica um sinal de saída invertido, isto é com polaridade contrária. b) terminal + ou terminal não inversor. Um sinal aplicado a este terminal implica um sinal à saída com a mesma polaridade. Montagens com amplificadores operacionais Das diversas montagens possíveis vamos destacar as que se apresentam de seguida, cuja finalidade é explicada. o Montagem inversora e não inversora Estas montagens permitem amplificar o sinal de entrada e no caso da montagem inversora inverter o sinal. Figura 5 Montagem inversora. Figura 6 Montagem não inversora. A montagem não inversora, com resistência nula para a saída ( Buffer ), que se segue permite a correcta medição de i por um voltímetro, uma vez que se pode considerar que o amplificador apresenta uma resistência de entra muito elevada e de saída nula, levando a que a resistências interna do voltímetro não influencia a medida. Figura 7 Buffer. Automação e Instrumentação 3/8
o Montagem diferencial As montagens diferenciais são muito utilizados em instrumentação. A utilização de transdutores em que uma variável física é convertida num sinal eléctrico precisa, quase sempre, de uma amplificação desse sinal. É possível obter a montagem diferencial com a subtracção de tensões pela combinação de uma montagem inversora com uma não inversor. Figura 8 Montagem diferencial. Obtivemos uma amplificação da diferença das duas entradas. A função de transferência deste circuito é obtida pelas quatro resistências independentemente das propriedades do amplificador operacional. Considere agora =3 e =4 vem. Objectivos do trabalho Pretende-se que o aluno mediante as características eléctricas do sensor ser capaz de acondicionar o sinal para que este seja adquirido por uma ADC. Automação e Instrumentação 4/8
Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Engenharia e Gestão Industrial Automação e Instrumentação Procedimento - Trabalho Prático Nº 3 Acondicionamento do sinal de sensores Aluno nº: Nome: Aluno nº: Nome: Aluno nº: Nome: Data: / / Hora: Deverá entregar ao professor no final da aula a folha relativa ao procedimento do trabalho.. Sensor de força A curva característica deste sensor de força, da figura, é apresentada na figura 3, onde se pode verificar que a força é proporcional à condutividade. Figura Sensor de força da Flexiforce Figura 3 Curva característica do sensor de força Monte o seguinte circuito da figura 4 Automação e Instrumentação 5/8
Figura 4 Divisor de tensão com amplificador em montagem não inversora Para a tensão de saída vem, out = cc como S >> k, assim + S out = cc () S arie a força (peso) exercida no sensor e registe a tensão de saída e verifique se varia de acordo com a curva dada pelo fabricante. erifique se a gama da tensão de saída se encontra dentro dos valores indicados (0 e 5) para o ADC, ou se é necessário fazer ajuste ao circuito de acondicionamento (considere que pretende pesar entre 0 e kg)? Peso(kg) out Comente:. O sensor de temperatura O sensor de temperatura a utilizar é o incorporado no circuito integrado LM35. Este componente é caracterizado pela sua simplicidade de funcionamento, e elevada precisão. A única característica de funcionamento fornecida pelo fabricante é uma recta com declive de 0m/ºC. Neste trabalho optámos por trabalhar apenas com temperaturas positivas, sendo no entanto possível, com este sensor, trabalhar em temperaturas negativas. Isto torna o funcionamento do circuito ainda mais fácil, reduzindo-se o circuito a dois pinos do LM35, um ligado a cc outro a GND sendo o pino que sobra, uma saída com uma variação linear de 0m/ºC. No nosso caso pretendemos utilizar a gama de temperaturas dos 0 aos 50 ºC o que faz com que o interface com o LM35 seja um amplificador não inversor com ganho de. O circuito utilizado pode ser o dado pela figura 5: Automação e Instrumentação 6/8
Figura 5 Circuito de montagem Estabeleça as ligações da Fonte de Tensão (+5 e 5) ao amplificador operacional e meça o sinal à saída respeitante à temperatura, e verifique se está de acordo com o previsto. Aqueça o LM35 com os dedos e anote a variação da tensão de saída. Ambiente Aquecer Temperatura out Automação e Instrumentação 7/8