aula 11 condicionadores e transmissores
TRANSCRIPT
![Page 1: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/1.jpg)
Instrumentação Básica
Técnico Integrado Semestral
Período: 2012-1
Prof.: Guilherme P. Colnago
Aula 11
Condicionadores e Transmissores de Sinais
![Page 2: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/2.jpg)
Assuntos
ConversoresConversores
TransmissoresTransmissores
ExperiênciasExperiências
Condicionamento de SinaisCondicionamento de Sinais
![Page 3: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/3.jpg)
Condicionamento Condicionamento de Sinaisde Sinais
Assunto
![Page 4: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/4.jpg)
Condicionamento de SinaisPor que condicionar sinais?
![Page 5: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/5.jpg)
Condicionamento de SinaisPor que condicionar sinais?
Em muitas situações, um sensor produz um sinal de tensão da ordem de microvolts ou milivolts. Valores tão baixos são difíceis de serem lidos.
Em outros casos, é mesmo necessário converter uma grandeza em outra. Ex.: sinal pressão convertido em tensão.
![Page 6: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/6.jpg)
Condicionamento de SinaisPor que condicionar sinais?
Dois dispositivos devem se comunicar, porém, é como se um não “entendesse” o outro...
![Page 7: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/7.jpg)
Condicionamento de Sinais
São questões técnicas...
![Page 8: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/8.jpg)
Por que condicionar sinais?Logo, precisa-se de uma interface que faça a “tradução”.
Em vários casos uma interface é necessária para realizar a conversão de um sinal.
Condicionamento de Sinais
Interface de condicionamento
![Page 9: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/9.jpg)
Condicionamento de SinaisSistemas de Controle
A grande maioria dos sistemas de controle automático é composto por controladores elétricos ou eletrônicos.
Esses dispositivos “reconhecem” apenas sinais elétricos de tensão e corrente.
Alguns padrões da indústria:
•1 a 5V (ou outras faixas);
•4 a 20mA;
•Frequência (pulsos e sinais digitais em geral).
![Page 10: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/10.jpg)
Condicionamento de SinaisObjetivos básicos do Condicionamento
•Os sinais de muitos sensores e transdutores possuem baixa amplitudes (baixa energia) amplificação;
•Podem carregar ruído filtragem;
•Alimentação do sensor;
•Padronizar a comunicação entre dispositivos.
![Page 11: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/11.jpg)
Condicionamento de SinaisCondicionador Analógico
Sinais analógicos devem ser condicionados para aquisição adequada.
As etapas básicas de um condicionador eletrônico, por exemplo, podem ser composta por:
•Amplificação
•Filtragem
Se o sinal deve ser digitalizado e enviado a um microprocessador, há uma etapa de Conversão Analógica-Digital (CA/D). Após a CA/D o sinal é digitalizado, i.e., cada amostra é convertida em um conjunto de bits, formando bytes, que serão processados.
![Page 12: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/12.jpg)
Condicionamento de SinaisCondicionador: diagrama básico
![Page 13: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/13.jpg)
Condicionamento de SinaisAmplificação
Condicionamento mais comum.
Diversos sensores produzem sinais de pequena amplitude.Tais sinais são ampliados para valores apropriados para serem lidos ou processados pelo circuito.
O amplificador operacional é o dispositivo mais popular.
![Page 14: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/14.jpg)
Condicionamento de SinaisFiltragem
Basicamente, 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, ou ativos, compostos por amplificadores operacionais.
Filtro Passa-baixas (FPB) de 1ª ordem.
![Page 15: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/15.jpg)
Condicionamento de SinaisExcitação
Vários sensores precisam de algum estímulo para funcionar, seja uma alimentação ou alguma excitação (frequência, corrente, etc.).
Ex.: o LVDT precisa de uma tensão CA para operar; o RTD precisa de uma corrente CC (fonte de corrente).
Circuito com fonte de corrente para RTD
![Page 16: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/16.jpg)
Condicionamento de SinaisOutras etapas
Linearização
Diversos sensores apresentam saída não-lineares. A linearização condiciona o sinal para uma forma linear. Pode ser realizada com amplificadores com ganho apropriado.
Ex.: saída exponencial de um sensor linearizada através de um amplificador logarítmico.
Vout = A . e-a.t Vlin = k . ln Vout = k . (-a . t)
![Page 17: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/17.jpg)
Condicionamento de SinaisOutras etapas
Isolação
Em determinados casos o sinal tem valor acima do máximo (tensão ou potência) tolerável no circuito. Nesse caso, usa-se isoladores como interface. Eles protegem o circuito eletrônico (mais caro).
Ex.: isoladores ópticos (MOC).
![Page 18: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/18.jpg)
Condicionamento de SinaisOutras etapas
Casamento de impedância
Evita que um sinal seja atenuado quando enviado de um dispositivo a outro.
Quando a impedância de saída de um circuito é alta e a impedância de entrada do receptor é baixa, o sinal transmitido é atenuado. Evita-se isso através de uma interface para casar a impedância. Um do exemplos mais comuns é o buffer.
![Page 19: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/19.jpg)
Condicionamento Condicionamento de Sinaisde Sinais
ConversoresConversores
Assunto
![Page 20: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/20.jpg)
ConversoresHá a necessidade de conversores que alterem uma grandeza em outra, sendo a final geralmente elétrica. Exemplos:
•Conversor tensão-corrente;
•Conversor corrente-tensão;
•Conversor frequência –tensão;
•Conversor D/A;
•Conversor A/D;
•Conversor I/P.
![Page 21: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/21.jpg)
ConversoresConversor tensão-corrente
A aquisição de dados de certos dispositivos de automação, como o CLP, é feita no modo corrente. As entrada operam na faixa de 4 a 20 mA – padrão industrial.
Como muitos dispositivos fornecem saídas em tensão, é necessário interface de conversão.
A vantagem do uso de corrente está no fato de que a atenuação na linha não tem efeito algum sobre o resultado final da leitura
A corrente na entrada do dispositivo de leitura se mantém constante independentemente da resistência do cabo.
![Page 22: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/22.jpg)
ConversoresConversor corrente-tensão
O uso do sinal de corrente (4 a 20mA) é bem difundido entre os dispositivos.
Aparelhos mais afastados do acabam precisando usar sinal de corrente para se comunicar, o que evita atenuação do sinal.
A interface de conversão mais simples é uma resistência de 250Ω, valor padrão para trabalhar na faixa de 4 a 20mA. O resultado é convertido para tensões entre 1 a 5V – padrão industrial.
Nota: pode-se identificar falhas com corrente. Os sensores indicam valor mínimo com 4mA e máximo com 20mA; falhas ou cabos rompidos são indicados com 0A.
![Page 23: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/23.jpg)
Conversor frequência-tensão
Diversos sensores são alimentados por tensão, porém operam com sinal de frequência. Uma interface deve condicionar os pulso para que fiquem “adequados”.
Quanto maior a frequência, maior a grandeza medida.
Conversores
![Page 24: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/24.jpg)
Conversor A/D e D/A
O diagrama básico do processamento digital de sinais (DSP) é
Entrada uC Saída
Um sinal é filtrado e amostrado. Cada amostra sofre um CA/D.Cada amostra é digitalizada, i.e., transformada em um conjunto de bits (número).
Valor analógico = 3,567V CA/D Valor digital = 1001.1010
Esse valor digital é processado. Se necessário, o processador pode enviá-lo para um CD/A para que o resultado torne-se analógico.
Conversores
![Page 25: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/25.jpg)
Conversor A/D
O sinal é amostrado e digitalizado.Este valor digital pode então ser processado ou armazenado.
Conversores
![Page 26: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/26.jpg)
Conversor A/D
Funcionamento: Amostragem em pequenos períodos fixos, um circuito captura uma 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.
Conversores
![Page 27: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/27.jpg)
Conversor A/D
Faixas: Quanto maior a resolução, ou número de bits, mais faixas podem ser definidas mais preciso ou próximo do sinal real será.
Resolução: 4 bitsFaixas: 24 = 16 Vd = { 0 , 15 } = { 0000 a 1111}
Resolução: 8 bitsFaixas: 28 = 256 Vd = { 0 , 255 } = {0000.0000 a
1111.1111}
Conversores
![Page 28: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/28.jpg)
Conversor A/D
Cada valor discreto é digitalizadoSendo:
Conversão A/D Vref: referência (5V)n: número de bits
Para dado valor analógico amostrado, há um digital equivalente.
Conversores
12
n
dig
ref
anV
V
V
11.0101.1110V)9,351( 351V1023
V
V00,5
V72,1bindig
dig
![Page 29: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/29.jpg)
Conversor D/A
O conversor digital-analógico (D/A) converte um sinal digital em analógico. Cada bit altera uma “chave”. A combinação forma uma determinada tensão. Os conjuntos de bits formarão um sinal analógico.
Conversor D/A de Resistores ponderados
Conversores
![Page 30: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/30.jpg)
Conversor I/P
Diversos dispositivos são controlados de forma pneumática. Válvulas pneumáticas são mais baratas e tem boa resposta.
Outras razão são ambientes com fluidos inflamáveis. O uso de sinais elétricos 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 um sinal analógico pneumático.
A distância entre controlador e conversor pode ser grande, então um sinal de corrente é enviado ao conversor I/P, que o converte em sinal de pressão e o envia ao dispositivo.
Conversores
![Page 31: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/31.jpg)
Conversor I/P
Vantagens
•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.
Conversores
![Page 32: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/32.jpg)
Conversor I/P
Conversores
![Page 33: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/33.jpg)
Conversor I/P
Conversores
![Page 34: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/34.jpg)
Conversor I/P
Sinal pneumático válvula Padrão industrialMínimo: 4mA 3psiMáximo: 20mA 15psi
Fonte de pressão: compressor
Sinal de controle: corrente
Conversores
![Page 35: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/35.jpg)
Conversor I/P – Construção
Conversores
![Page 36: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/36.jpg)
Conversor I/P – Construção
Conversores
![Page 37: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/37.jpg)
Conversor I/P – Construção
Saída: 3psi
Conversores
![Page 38: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/38.jpg)
Conversor I/P – Construção
Saída: 9psi
Conversores
![Page 39: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/39.jpg)
TransmissoresTransmissores
Assunto
![Page 40: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/40.jpg)
TransmissoresO que é e o que faz um Transmissor?
![Page 41: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/41.jpg)
TransmissoresO que é e o que faz um Transmissor?
É um dispositivo que transforma o sinal de um sensor em um sinal padronizado, 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 de processo e sua representação por um sinal padronizado. Isso é feito com a linearização ou equalização.
Com o sinal linearizado, o valor de saída pode ser padronizado.
Ex.: vazão raiz quadrada transmissor calcula e lineariza
![Page 42: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/42.jpg)
TransmissoresBasicamente, o transmissor é um conjunto de dispositivos interligados.
![Page 43: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/43.jpg)
TransmissoresTipos
Existem 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.
![Page 44: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/44.jpg)
TransmissoresTransmissor de corrente Malha de Controle completaExemplo: vazão converte sinal de frequência em corrente.
![Page 45: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/45.jpg)
TransmissoresTransmissor de corrente
Exemplo: termopar converte temperatura em corrente.
![Page 46: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/46.jpg)
TransmissoresTransmissor
![Page 47: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/47.jpg)
TransmissoresTransmissor
LVDT
![Page 48: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/48.jpg)
ExperiênciasExperiências
Assunto
![Page 49: Aula 11 condicionadores e transmissores](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062419/5571d114d8b42a3f5e8b4df7/html5/thumbnails/49.jpg)
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.