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Aula 11 condicionadores e transmissores

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Aula 11 condicionadores e transmissores

  1. 1. Instrumentação Básica Aula 11 Condicionadores e Transmissores de SinaisTécnico Integrado SemestralPeríodo: 2012-1Prof.: Guilherme P. Colnago
  2. 2. Assuntos Condicionamento de Sinais Conversores Transmissores Experiências
  3. 3. AssuntoCondicionamento de Sinais
  4. 4. Condicionamento de SinaisPor que condicionar sinais?
  5. 5. Condicionamento de SinaisPor que condicionar sinais?Em muitas situações, um sensor produz um sinal de tensão da ordemde microvolts ou milivolts.Valores tão baixos são difíceis de serem lidos.Em outros casos, é mesmo necessário converter uma grandeza emoutra.Ex.: sinal pressão convertido em tensão.
  6. 6. Condicionamento de SinaisPor que condicionar sinais?Dois dispositivos devem se comunicar, porém, é como se um não“entendesse” o outro...
  7. 7. Condicionamento de SinaisSão questões técnicas...
  8. 8. Condicionamento de SinaisPor que condicionar sinais?Logo, precisa-se de uma interface que faça a “tradução”. Interface de condicionamentoEm vários casos uma interface é necessária para realizar aconversão de um sinal.
  9. 9. Condicionamento de SinaisSistemas de ControleA grande maioria dos sistemas de controle automático é compostopor controladores elétricos ou eletrônicos.Esses dispositivos “reconhecem” apenas sinais elétricos de tensão ecorrente.Alguns padrões da indústria:•1 a 5V (ou outras faixas);•4 a 20mA;•Frequência (pulsos e sinais digitais em geral).
  10. 10. Condicionamento de SinaisObjetivos básicos do Condicionamento•Os sinais de muitos sensores e transdutores possuem baixaamplitudes (baixa energia)  amplificação;•Podem carregar ruído  filtragem;•Alimentação do sensor;•Padronizar a comunicação entre dispositivos.
  11. 11. Condicionamento de SinaisCondicionador AnalógicoSinais analógicos devem ser condicionados para aquisiçãoadequada.As etapas básicas de um condicionador eletrônico, por exemplo,podem ser composta por:•Amplificação•FiltragemSe o sinal deve ser digitalizado e enviado a um microprocessador, háuma etapa de Conversão Analógica-Digital (CA/D).Após a CA/D o sinal é digitalizado, i.e., cada amostra é convertidaem um conjunto de bits, formando bytes, que serão processados.
  12. 12. Condicionamento de SinaisCondicionador: diagrama básico
  13. 13. Condicionamento de SinaisAmplificaçãoCondicionamento mais comum.Diversos sensores produzem sinais de pequena amplitude.Tais sinais são ampliados para valores apropriados para serem lidosou processados pelo circuito.O amplificador operacional é o dispositivo mais popular.
  14. 14. Condicionamento de SinaisFiltragemBasicamente, elimina parte do espectro de um sinal.Anula ou atenua os possíveis ruídos do sinal.Outra função é remover do espectro do sinal as altas frequências sinais lidos por CA/D tem essa necessidade técnica (antialiasing).Os filtros podem ser passivos, com capacitores ou indutores, ouativos, compostos por amplificadores operacionais. Filtro Passa-baixas (FPB) de 1ª ordem.
  15. 15. Condicionamento de SinaisExcitaçãoVários sensores precisam de algum estímulo para funcionar, seja umaalimentação ou alguma excitação (frequência, corrente, etc.).Ex.: o LVDT precisa de uma tensão CA para operar; o RTD precisa deuma corrente CC (fonte de corrente).Circuito com fonte de corrente para RTD
  16. 16. Condicionamento de SinaisOutras etapasLinearizaçãoDiversos sensores apresentam saída não-lineares. A linearizaçãocondiciona o sinal para uma forma linear. Pode ser realizada comamplificadores com ganho apropriado.Ex.: saída exponencial de um sensor linearizada através de umamplificador logarítmico. Vout = A . e-a.t  Vlin = k . ln Vout = k . (-a . t)
  17. 17. Condicionamento de SinaisOutras etapasIsolaçãoEm determinados casos o sinal tem valor acima do máximo (tensãoou potência) tolerável no circuito. Nesse caso, usa-se isoladorescomo interface.Eles protegem o circuito eletrônico (mais caro).Ex.: isoladores ópticos (MOC).
  18. 18. Condicionamento de SinaisOutras etapasCasamento de impedânciaEvita que um sinal seja atenuado quando enviado de um dispositivoa outro.Quando a impedância de saída de um circuito é alta e aimpedância de entrada do receptor é baixa, o sinal transmitido éatenuado. Evita-se isso através de uma interface para casar aimpedância. Um do exemplos mais comuns é o buffer.
  19. 19. AssuntoCondicionamento de Sinais Conversores
  20. 20. ConversoresHá a necessidade de conversores que alterem uma grandeza emoutra, sendo a final geralmente elétrica. Exemplos:•Conversor tensão-corrente;•Conversor corrente-tensão;•Conversor frequência –tensão;•Conversor D/A;•Conversor A/D;•Conversor I/P.
  21. 21. ConversoresConversor tensão-correnteA aquisição de dados de certos dispositivos deautomação, como o CLP, é feita no modocorrente. As entrada operam na faixa de4 a 20 mA – padrão industrial.Como muitos dispositivos fornecem saídas emtensão, é necessário interface de conversão.A vantagem do uso de corrente está no fato deque a atenuação na linha não tem efeito algumsobre o resultado final da leituraA corrente na entrada do dispositivo de leiturase mantém constante independentemente daresistência do cabo.
  22. 22. ConversoresConversor corrente-tensãoO uso do sinal de corrente (4 a 20mA) é bemdifundido entre os dispositivos.Aparelhos mais afastados do acabamprecisando usar sinal de corrente para secomunicar, o que evita atenuação do sinal.A interface de conversão mais simples é umaresistência de 250Ω, valor padrão paratrabalhar na faixa de 4 a 20mA. O resultado éconvertido para tensões entre 1 a 5V – padrãoindustrial.Nota: pode-se identificar falhas com corrente.Os sensores indicam valor mínimo com 4mA emáximo com 20mA; falhas ou cabos rompidossão indicados com 0A.
  23. 23. ConversoresConversor frequência-tensãoDiversos sensores são alimentados por tensão, porém operam comsinal de frequência. Uma interface deve condicionar os pulso paraque fiquem “adequados”.Quanto maior a frequência, maior a grandeza medida.
  24. 24. ConversoresConversor A/D e D/AO diagrama básico do processamento digital de sinais (DSP) éEntrada uC SaídaUm sinal é filtrado e amostrado. Cada amostra sofre um CA/D.Cada amostra é digitalizada, i.e., transformada em um conjunto debits (número). Valor analógico = 3,567V  CA/D  Valor digital = 1001.1010Esse valor digital é processado. Se necessário, o processador podeenviá-lo para um CD/A para que o resultado torne-se analógico.
  25. 25. ConversoresConversor A/DO sinal é amostrado e digitalizado.Este valor digital pode então ser processado ou armazenado.
  26. 26. ConversoresConversor A/DFuncionamento:Amostragem  em pequenos períodos fixos, um circuito capturauma amostra do sinal analógico.Um sinal discreto vai sendo “construído” de forma similar ao original.Por limitações, nunca serão iguais.Existem um limite de faixas para representar as tensões.
  27. 27. ConversoresConversor A/DFaixas:Quanto maior a resolução, ou número de bits, mais faixas podem serdefinidas  mais preciso ou próximo do sinal real será. Resolução: 4 bits Faixas: 24 = 16  Vd = { 0 , 15 } = { 0000 a 1111} Resolução: 8 bits Faixas: 28 = 256  Vd = { 0 , 255 } = {0000.0000 a 1111.1111}
  28. 28. ConversoresConversor A/DCada valor discreto é digitalizado Vdig Sendo: VanConversão A/D = n Vref: referência (5V) Vref 2 − 1 n: número de bitsPara dado valor analógico amostrado, há um digital equivalente. 1,72V Vdig = ∴ Vdig = 351 (351,9) → Vbin = 01.0101.1111 5,00V 1023
  29. 29. ConversoresConversor D/AO conversor digital-analógico (D/A) converte um sinal digital emanalógico. Cada bit altera uma “chave”. A combinação forma umadeterminada tensão. Os conjuntos de bits formarão um sinalanalógico. Conversor D/A de Resistores ponderados
  30. 30. ConversoresConversor I/PDiversos dispositivos são controlados de forma pneumática. Válvulaspneumáticas são mais baratas e tem boa resposta.Outras razão são ambientes com fluidos inflamáveis. O uso de sinaiselétricos são restritos, pois centelhas podem provocar explosões.Para se operar esses sistemas usa-se um conversor corrente-pressão(conversor I/P). Ele converte um sinal analógico de corrente em umsinal analógico pneumático.A distância entre controlador e conversor pode ser grande, então umsinal de corrente é enviado ao conversor I/P, que o converte emsinal de pressão e o envia ao dispositivo.
  31. 31. ConversoresConversor I/PVantagens•Imunidade a ruído;•Imunidade a queda de tensão na linha;•Imunidade a termopares parasitas;•Imunidade a tensão e resistência de contato;•Diferenciar sinal “zero” (3psi) de um circuito aberto (0psi).Desvantagens•Mecanismos mais complexos.
  32. 32. ConversoresConversor I/P
  33. 33. ConversoresConversor I/P
  34. 34. ConversoresConversor I/PSinal pneumático  válvula Padrão industrial Mínimo: 4mA  3psi Máximo: 20mA  15psi Fonte de pressão: compressor Sinal de controle: corrente
  35. 35. ConversoresConversor I/P – Construção
  36. 36. ConversoresConversor I/P – Construção
  37. 37. ConversoresConversor I/P – ConstruçãoSaída: 3psi
  38. 38. ConversoresConversor I/P – ConstruçãoSaída: 9psi
  39. 39. AssuntoTransmissores
  40. 40. TransmissoresO que é e o que faz um Transmissor?
  41. 41. TransmissoresO que é e o que faz um Transmissor?É um dispositivo que transforma o sinal de um sensor em um sinalpadronizado, adequado para ser transmitido ao controlador.Existe algumas etapas básicas ne processo:•Aquisição do sinal;•Condicionamento: amplificação, linearização, equalização, etc.;•Transmissão.Linearização e EqualizaçãoAs saídas dos sensores usualmente são não-lineares.Normalmente, estabelecer uma relação linear entre a variável deprocesso e sua representação por um sinal padronizado. Isso é feitocom a linearização ou equalização.Com o sinal linearizado, o valor de saída pode ser padronizado.Ex.: vazão  raiz quadrada  transmissor calcula e lineariza
  42. 42. TransmissoresBasicamente, o transmissor é um conjunto de dispositivosinterligados.
  43. 43. TransmissoresTiposExistem diversos tipos de transmissores. Alguns deles:•Corrente (4mA a 20mA);•Tensão (1V a 5V);•Pneumático (3psi a 15psi);•Digital o RS-485 (protocolo MODBUS); o RS-232 (protocolo HART); o RS-422; o FoudantionTM Fieldbus.
  44. 44. TransmissoresTransmissor de correnteMalha de Controle completaExemplo: vazão  converte sinal de frequência em corrente.
  45. 45. TransmissoresTransmissor de correnteExemplo: termopar  converte temperatura em corrente.
  46. 46. TransmissoresTransmissor
  47. 47. TransmissoresTransmissorLVDT
  48. 48. AssuntoExperiências
  49. 49. ExperiênciasRealizar experimentos com condicionamento de sinal:Conversor A/D do kit Minipa.Conversor I/P da miniplanta Amatrol (avulso).Realizar experimentos de Vazão e Transmissão:Transmissor de Vazão da miniplanta Amatrol (Manual 12).  Escolher sensor não usado no experimento de vazão.
  50. 50. Fim Prof.: Guilherme P. ColnagoDúvidas: gpcolnago@ifes.edu.br

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