ELT030 ELT030 –– InstrumentaçãoInstrumentação

Universidade Federal de ItajubáUniversidade Federal de Itajubá

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Universidade Federal de ItajubáUniversidade Federal de ItajubáEngenharia EletrônicaEngenharia Eletrônica

Sensores InteligentesSensores Inteligentes

Transmissor eletrônicoTransmissor eletrônico

� Um transdutor converte uma grandeza física qualquer parao domínio elétrico. Por sua vez, o sinal elétrico não-padrãoé condicionado eletronicamente para um sinal padrão paratransmissão. O conjunto que converte a grandeza física no

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transmissão. O conjunto que converte a grandeza física nosinal padrão de transmissão, é chamado de transmissor.

Sensor inteligenteSensor inteligente

� Com o advento da eletrônica integrada e consequentementedo microprocessador no início dos anos 1980, surgiram osprimeiros sensores inteligentes, que passaram a incorporar“outras funções” além da conversão do sinal físico no sinal

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“outras funções” além da conversão do sinal físico no sinalelétrico padrão de transmissão.

Sensor inteligenteSensor inteligente

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Sensor inteligenteSensor inteligente

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extensômetroextensômetrocircuitos eletrônicoscircuitos eletrônicos

associadosassociados

Sensor inteligenteSensor inteligente

Mas quais seriam as outras funções?

Uma eletrônica adicional aliada ao processamento de

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Uma eletrônica adicional aliada ao processamento de dados permite as funções de:

� Compensação de ambiente.� Ajuste de escala.� Interface de comunicação.� Auto-diagnóstico e auto-calibração.� Atuação de proteção.

Compensação de ambienteCompensação de ambiente

� A exatidão de um transdutor é influenciada pelas condiçõesambientais as quais ele se encontra, como umidade, tensãode alimentação, temperatura, pressão, entre outros.

� A compensação de ambiente consiste em monitorar certas

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� A compensação de ambiente consiste em monitorar certascondições ambientais, nas quais o transdutor está operando,compensando-as eletronicamente no sinal elétrico medido,melhorando assim sua exatidão; porém, será necessário umtransdutor auxiliar para realizar essa tarefa.

� Outra vantagem em monitorar o ambiente está na proteçãocontra variações transientes por efeitos eletromagnéticos oumesmo eletrostáticos, preservando a integridade do circuitoe a vida útil do transmissor.

Compensação de ambienteCompensação de ambiente

� Por exemplo, sabe-se que a resistência de um extensômetrovaria com a temperatura, sendo uma fonte de incerteza. Umtermistor pode ser utilizado de forma a compensar o efeitoda temperatura na leitura da ponte de Wheatstone em uma

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da temperatura na leitura da ponte de Wheatstone em umaconfiguração ¼ de ponte, melhorando a sua precisão.

VE

R1

R4

R3

R2

RR

EV ∆

≈

4

Compensação de ambienteCompensação de ambiente

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extensômetroextensômetro

termistortermistor

Compensação de ambienteCompensação de ambiente

� Outro exemplo é a compensação da junta fria do termoparatravés de um termistor integrado junto ao bloco isotérmicodo transmissor. Compensando a tensão da junta fria atravésdo termistor, o sinal analógico transmitido será insensível a

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do termistor, o sinal analógico transmitido será insensível aqualquer variação na temperatura do termopar parasita.

cobre

constantan

bloco

isotérmico

temperatura

medida

cobre

cobre

circuito eletrônico de

compensação

Ajuste de escalaAjuste de escala

� Algumas grandezas ao serem medidas não possuem escalaslineares, como o caso dos termistores, nos quais a variaçãoda resistência é exponencial com a temperatura. Pelo ajustede escala, um sinal não-linear pode ser linearizado segundo

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de escala, um sinal não-linear pode ser linearizado segundoequações que não podem (ou devem) ser implementadas deforma analógica por circuitos.

� Um outro caso comum e útil de ajuste de escala é a medidaindireta de grandezas físicas. O transdutor mede a grandezae a eletrônica associada converte para uma outra grandezade interesse. Dessa maneira, o sinal será transmitido na suaescala real e também de uma forma linear.

Ajuste de escalaAjuste de escala

� Um exemplo é a medida de vazão em placas de orifício ouventuris, obtida a partir de uma diferença de pressão. Dessaforma, o valor transmitido não é a pressão diferencial, maso valor da vazão, obtida através de cálculos com o valor da

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o valor da vazão, obtida através de cálculos com o valor dapressão e das características físicas do medidor.

21 PPKQ −=

Interface de comunicaçãoInterface de comunicação

� Para a compensação de ambiente e o ajuste de escala, não énecessário que o transmissor se comunique com o CLP ou oprocessamento central.

� Contudo, uma interface de comunicação permite ao sensor

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� Contudo, uma interface de comunicação permite ao sensorinteligente se identificar e selecionar dados, recebendo e/outransmitindo informações além do sinal analógico.

AutoAuto--diagnósticodiagnóstico

� Aliando-se a interface de comunicação com a compensaçãode ambiente, um transmissor torna-se capaz de realizar umauto-diagnóstico nas condições de operação; informando osistema central da necessidade de manutenção ou mesmo a

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sistema central da necessidade de manutenção ou mesmo asua reposição no sistema industrial a qual está inserido.

� Um sensor ótico pode realizar um auto-diagnóstico na lentequanto a intensidade do feixe de luz recebido, informando ocontrole da necessidade de uma limpeza preventiva, antesque o sistema seja paralisado para a manutenção.

� Assim, é possível aumentar a disponibilidade dos sensoresinteligentes e a própria confiabilidade do sistema industrialem questão (aumentando o MTBF).

AutoAuto--calibração e atuaçãocalibração e atuação

� Uma outra possibilidade é a auto-calibração com o ajuste dezero, de ganho ou de banda da escala. Assim, permite-seuma reconfiguração do sistema (modificando as escalas) oumesmo a aferição dos transmissores sem ter que retirá-los

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mesmo a aferição dos transmissores sem ter que retirá-losde serviço; aumentando dessa forma a disponibilidade dosequipamentos e a confiabilidade do sistema industrial.

� Finalmente, outra função que pode ser incorporada em umsensor inteligente é a atuação de proteção onde o sensor selocaliza. Como exemplo, o desligamento de certos sistemascríticos com altas temperaturas ou pressão fora dos limitesespecificados pelo projeto.

Protocolo HARTProtocolo HART

� Um importante passo na evolução do sensores inteligentes éa utilização de um sinal digital somado ao sinal analógicode transmissão. Dessa maneira, a comunicação do sensor eo controle é realizada pelo próprio cabo de sinal.

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o controle é realizada pelo próprio cabo de sinal.

� O protocolo HART foi introduzido pela Fisher Rosemountna década de 1980 e é um dos protocolos de transmissoresque permite a sobreposição do sinal de comunicação digitalao sinal analógico de 4–20mA sobre a mesma fiação, sem ainterferência dos sinais; mantendo assim a compatibilidadecom a instrumentação existente no sistema e aproveitando oconhecimento existente sobre a planta.

Protocolo HARTProtocolo HART

� Dessa forma, o protocolo HART possibilita a comunicaçãobidirecional digital em instrumentos de campo inteligentes.Tanto o sinal analógico como o sinal digital HART podemser transmitidos de maneira simultânea, na mesma fiação.

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ser transmitidos de maneira simultânea, na mesma fiação.� O sinal físico (variável primária) pode ser transmitido pelo

padrão analógico em corrente, enquanto as informações deconfiguração do transdutor, os parâmetros do processo, asinformações de auto-diagnóstico, de auto-calibração estãodisponíveis digitalmente, na mesma fiação.

� Diferentemente de outras tecnologias de comunicação parainstrumentação industrial (como os fieldbuses), o protocoloHART é compatível com os sistemas já existentes.

Protocolo HARTProtocolo HART

� O HART utiliza o padrão Bell 202, com a modulação FSK(chaveamento de frequência) para assim sobrepor os sinaisde comunicação digital ao sinal analógico em corrente.

� O nível lógico 1 é dado na frequência de 1200Hz e o nível

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� O nível lógico 1 é dado na frequência de 1200Hz e o nívellógico 0 por 2200Hz. O sinal digital é simétrico em relaçãoao zero, não havendo um nível DC associado; portanto, nãointerfere no sinal analógico transmitido.

Protocolo HARTProtocolo HART

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� O sinal HART se propaga a taxa de 1200 bits por segundo,permitindo duas ou mais atualizações por segundo, vindasde um único instrumento de campo.

Aplicação Aplicação HARTHART

� O HART é um protocolo do tipo mestre/escravo, no qual oinstrumento de campo (escravo) somente responde quandoperguntado pelo controlador central (mestre).

� Dois mestres podem se comunicar com um instrumento de

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� Dois mestres podem se comunicar com um instrumento decampo sem causar interferências na comunicação. O mestreprimário geralmente é um CLP e o secundário, um terminalde configuração portátil em campo.

Aplicação Aplicação HARTHART

� Uma comunicação mestre/escravo simultânea com o sinalanalógico em corrente (4–20mA) é a aplicação HART maiscomum. Esse modo permite que as informações digitais dotransmissor escravo seja atualizada duas vezes por segundo

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transmissor escravo seja atualizada duas vezes por segundono mestre. O sinal analógico em corrente carrega de formacontinua a variável primária do processo em questão.

Aplicação Aplicação HARTHART

� O HART também tem a capacidade de conectar múltiplosinstrumentos pelo mesmo par de fios em uma configuraçãochamada rede multidrop. Nesse modo, o sinal de corrente éfixado (tipicamente 4mA), ficando a comunicação limitada

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fixado (tipicamente 4mA), ficando a comunicação limitadasomente ao sinal digital mestre/escravo. A corrente de cadaramo não tem nenhum significado relativo ao processo.

Instalação industrialInstalação industrial

� Na instalação industrial, a mesma fiação usada em sensoresanalógicos em corrente (4–20mA) pode carregar o sinal decomunicação digital HART.

� Os comprimentos dos cabos podem variar de acordo com o

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� Os comprimentos dos cabos podem variar de acordo com oseu tipo e instrumentos conectados; mas em geral chegam a3000 metros para um par trançado blindado e 1500 metrospara múltiplos pares trançado com blindagem comum. Semblindagem, o par trançado também podem ser utilizado emdistâncias curtas (apenas algumas dezenas de metros).

� Barreiras de segurança intrínseca que permitem a passagemde sinais do protocolo HART são disponíveis para uso emáreas classificadas de risco de explosão.

Instalação industrialInstalação industrial

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VÁLVULAS DE CONTROLE: VÁLVULAS DE CONTROLE: ComponentesComponentes

É a parte da válvula decontrole que fornece aforça com que a válvularealiza seu trabalho.

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É a parte da válvula de controlepor onde passa o fluído doprocesso.

O castelo é a parte da válvulaque conecta o atuador ao corpoda válvula.

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VÁLVULAS DE CONTROLE: VÁLVULAS DE CONTROLE: AtuadoresAtuadores

� Atuador Pneumático : diafragma e mola

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VÁLVULAS DE CONTROLE: VÁLVULAS DE CONTROLE: SolenóideSolenóide

� Atuador Pistão: válvulas solenóides

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São válvulas que por construção promovem o desvio defluxo de ar do atuador da válvula principal, de modo queesta possa assumir a posição desejada.

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Instrumentação industrialInstrumentação industrial

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