ELT030

InstrumentaçãoInstrumentação

2º Semestre - 2016

Estrutura típica de um instrumento de medição

�Em geral, um instrumento de medição possui um elemento sensor outransdutor, um tratamento de sinais e um elemento de saída (um indicador,registrador ou mesmo transmissor), que pode ser analógico ou digital.

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Estrutura típica de um instrumento de medição.

Sensores / Transdutores�A transdução de uma grandeza física para um sinal no domínio elétrico pode ser dada por uma diferença depotencial, uma corrente, na forma de uma resistência, indutância ou capacitância.

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�Um sensor é um dispositivo físico ou órgão biológico que detecta, ou sente, um sinal ou uma determinada condiçãodo 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 estesrecebem um estímulo mecânico (força/peso), geram um sinal elétrico proporcional.

Diferença: Sensores / Transdutores�Um sensor nem sempre tem as características elétricas necessárias para ser utilizado de imediatoem um sistema. Normalmente o sinal de saída deve ser trabalhado antes da sua utilização. Suponhaque a saída de um sensor ao ser sensibilizado por uma energia externa, é dada por um nível detensão muito baixo. É então necessária uma amplificação do mesmo por um amplificador capaz deelevar o nível do sinal para sua efetiva utilização.

�Transdutor é a denominação de um dispositivo completo, utilizado para transformar uma grandezaqualquer em outra que pode efetivamente ser utilizada por dispositivos em alguma função.

�Normalmente os transdutores transformam uma grandeza física (temperatura, pressão, etc) num

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�Normalmente os transdutores transformam uma grandeza física (temperatura, pressão, etc) numsinal 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 quecontenha o elemento sensor e o transdutor integrados costuma ser chamado simplesmente detransdutor.

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.

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Tratamento de Sinais

� Detecção de Variação de Resistência

� Ponte de Wheatstone ( Circuito a dois fios)

Vo = 0 (Equilíbrio)

� Ponte de Wheatstone ( Circuito a três fios)

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Tratamento de Sinais

� Detecção de Variação de Capacitância

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Tratamento de Sinais

� Circuitos com amplificadores operacionais

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Tratamento de Sinais

� Circuitos com amplificadores operacionais

Amplificador de Instrumentação

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Essa estrutura tem a capacidade fazer a subtração de duas tensões, mantendo a alta impedância deentrada dos amplificadores operacionais, com o ganho de tensão dado pela resistência RG.

Tratamento de Sinais

� Circuitos com amplificadores operacionais

Amplificador de Instrumentação

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Elementos de Saída

� Conversor Digital para Analógico

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Elementos de Saída

� Conversor Analógico para Digital

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Elementos de Saída

� Placas de Aquisição de dados

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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 sertransmitidos 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 analógicoem tensão/corrente, ou digital em tensão/frequência.

�O conjunto que converte o sinal físico em um sinal padrão de transmissão, é chamado de

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�O conjunto que converte o sinal físico em um sinal padrão de transmissão, é chamado detransmissor eletrônico.

Exemplo de Transmissor Eletrônico

�Sensibilidade�Faixa de operação�Exatidão�Faixa de indicação

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�Faixa de indicação�Tipo de transmissão analógica/digital�Classificação de área�Confiabilidade�Disponibilidade�Manutenção

Interferências na transmissão

Na transmissão de sinais elétricos pelo chão de fábrica, um dos requisitos principais é garantir a integridade dosdados, ou seja, saber quais as interferências que o sinal pode vir a sofrer ao atravessar o ambiente ruidoso e, assim,minimizar seus efeitos.

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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.

Interferências na transmissão

�O chão de fábrica possui inúmeras fontes de interferência, como lâmpadasfluorescentes, 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.

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�As interferências mais comuns são classificadas como:�Acoplamento galvânico.�Interferência eletromagnética.�Linha cruzada (crosstalk).

�Carregamento.

Interferências na transmissão: Acoplamento galvânico�O acoplamento galvânico ocorre quando o circuito ou parte de um sistema apresenta uma interferência no terracomum, propagando ruídos na transmissão dos sinais elétricos.

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�Uma maneira de minimizar o acoplamento galvânico é com uma transmissão diferencial, onde uma interferênciaafeta 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.

Interferências na transmissão: Interferência eletromagnética

�A interferência eletromagnética ocorre quando um campo eletromagnéticoinduz uma corrente espúria nos sinais de transmissão, gerando flutuações detensão.

�Pode ser gerada por centelhamento nas escovas de motores, chaveamentode circuitos de potência, relés, disjuntores, lâmpadas fluorescentes,aquecedores, descargas atmosféricas, entre outros.

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aquecedores, descargas atmosféricas, entre outros.

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.

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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.

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�Uma outra maneira elaborada de reduzir tais interferências são os cabos blindados (shielding cables), formando

uma proteção sobre a linha de transmissão.

Interferências na transmissão: Redução da Interferência

�O sinal de transmissão pode ser cercado por uma malha metálica, isolandoos efeitos eletromagnéticos e capacitivos de uma forma mais eficaz que nospares trançado; mas essa pode apresentar problema de múltiplos terras.�O par trançado é amplamente difundido na indústria devido ao menor custo.

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� Os usos de aterramentos e blindagens são normalizados pela ABNT NBR-5410.

Interferências na transmissão: Carregamento

O carregamento se refere a interferência em uma medição causada pelainteração entre as impedâncias, gerando assim uma não-linearidade namedida. Pelo teorema de Thévenin, sabe-se que qualquer circuito elétricopode ser simplificado por uma fonte de tensão e uma impedância série.

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Exemplo: Carregamento de um potenciômetro.

Interferências na transmissão: Carregamento

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Padrões de transmissão

�Uma maneira eficiente de se transmitir sinais em tensão é com baixa impedância na transmissão ealta impedância na recepção, reduzindo o carregamento e acoplamentos.

�Tal casamento de impedâncias é implementado com amplificadores operacionais. Assim, um dosprimeiros padrões de transmissão elétrica de sinais foi em tensão, no qual o sinal pode estarreferenciado a um potencial fixo ou na forma diferencial, onde ruídos no terra e na alimentaçãotendem a se cancelar.

�Tomando os cuidados com interferências e impedâncias, é possível fazer a transmissão de sinaisanalógicos em tensão em pequenas distâncias. Um primeiro padrão foi em tensão DC de 1–5 V, onde

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analógicos em tensão em pequenas distâncias. Um primeiro padrão foi em tensão DC de 1–5 V, ondeo sinal em 0 V significa cabo rompido, identificando assim uma falha na comunicação.

Padrões de transmissão

�Porém, um dos maiores problemas da transmissão de sinais analógicos em tensãosão 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 umpadrão em corrente de 4–20 mA, onde sinais são transmitidos em até 3000 m dedistância.

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�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.

Padrões de transmissão

�Uma outra forma de transmitir sinais analógicos é através da conversão para o domínio digital, noqual a tensão em si não carrega a informação.

�Uma forma de converter um sinal analógico em um digital proporcional é através da conversãotensão/frequência na transmissão e da conversão frequência/tensão na recepção; ambasimplementadas com circuitos mono-estáveis.

�O sinal modulado em frequência é bem menos susceptível a interferências do que os sinais emtensão e corrente.

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tensão e corrente.

Padrões de transmissão

�O advento do circuito integrado e do microprocessador na década de 1980 trouxe a possibilidade de converter osinal analógico em uma palavra digital equivalente.�Dessa maneira, as informações são transmitidas segundo um protocolo de comunicação, que podem fazer o uso depadrões de comunicação como o padrão RS-232 e RS-485, voltados para a comunicação entre dispositivos.

RS 232

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RS 485

OBRIGADO !

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OBRIGADO !CARLOS WALDECIR DE SOUZA

waldecir.souza@unifei.edu.br

cw.souza @ yahoo.com.br