INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE INDUSTRIAL IProf. Pierre Vilar Dantas

Turma: 0063-A

Horário: 6N

ENCONTRO DE 02/03/2018 1

2

Sinais e Ruídos Parte 1

3

Sinal - Definição• Matematicamente, um sinal é definido como uma função de

uma ou mais variáveis que representam um fenômenofísico.

• Na área da instrumentação, o processamento ou tratamentode um determinado sinal deve ser baseado em métodoscriteriosos, pois a sua natureza e a sua relação com o ruídodeterminam o desenvolvimento apropriado do sistema demedição

4

Exemplos

5

Representação

6

Séries de Fourier

7

Ruído Caracterização• O ruído é um sinal puramente aleatório, portanto seu valor

instantâneo não pode ser determinado em qualquermomento.

• Pode ser gerado em função do uso dos componentespassivos e ativos, ou ainda pode ser sobreposto ao circuitopor fontes externas como, por exemplo, linhas de energiaelétrica. motores elétricos, sistemas de ignição, sistemas decomunicação, etc.

8

Tipos de Ruídos

9

Tipos de Ruídos

10

Relação Sinal-Ruído

11

O Termopar

12

Efeitos Seebeck e Peltier• O efeito Seebeck é a produção de uma diferença de

potencial (tensão elétrica) entre duas junçõesde condutores (ou semicondutores) de materiais diferentesquando elas estão a diferentes temperaturas (forçaeletromotriz térmica).

• É o reverso do efeito Peltier que é a produção deum gradiente de temperatura em duas junções de doiscondutores (ou semicondutores) de materiais diferentesquando submetidos a uma diferença de potencial (tensãoelétrica) em um circuito fechado (consequentemente,percorrido por uma corrente elétrica).

13

TermoparDefinição• Elemento primário de medida de temperatura constituídopor dois materiais diferentes ligados um ao outro.

14

Termopar

15

Outros sensores/transdutores Termistor• Termistor - semicondutores sensíveis à temperatura.

� NTC (do inglês Negative Temperature Coefficient) - termistorescujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura énegativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura.

� PTC (do inglês Positive Temperature Coefficient) - termistorescujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura épositivo: a resistência aumenta com o aumento da temperatura.

16

Outros sensores/transdutoresPirômetro• O pirômetro é um tipo de termômetro.

• Mede irradiação térmica da superfície de um objeto einforma a temperatura.

• Trata-se de um dispositivo que não necessita de contato.

17

Outros sensores/transdutoresTermoresistência• Uma termorresistência (RTD - Resistance Temperature

Detector) é um instrumento que permite determinaruma temperatura, através da relação entrea resistência elétrica do material.

• Geralmente, são de platina, mas são também utilizadosoutros materiais, como por exemplo o níquel.

• Por norma, é identificada pelo material que a constitui epela resistência que apresenta a 0 °C. Por exemplo, uma Pt-100 é uma termorresistência de platina que a0 °C apresenta uma resistência de 100 Ω, ao passo que umaNi-500, a 0 °C apresenta uma resistência de 500 Ω.

18

Voltando aos TermoparesTipos

19

INTERDEPENDÊNCIADOS EFEITOS TERMELÉTRICOS

1. Junção 1 a T1 à eAB(T1) (Seebeck)

2. Junção 2 a T2 à eAB(T2) (Seebeck)

3. eAB(T1) e eAB(T2) à I (Ohm)

4. I nas junções origina libertação/absorção de calor à T1 e T2mudam (Peltier)

5. I nos condutores origina libertação/absorção de calor à T1 eT2 também mudam (Thomson)

20

Termopares Normalizados

21

Regras de uso de Termopares

22

Regras de uso de Termopares

23

Regras de uso de Termopares

24

Temperatura do objeto

25

Temperatura do objeto

26

Rejeição ao Ruído• (Note-se que a sensibilidade de um termopar é da ordem dos

microvolt/ºC)

• Ações a tomar (no projeto, na instalação)

1. Usar cabos curtos, se possível com o conversor junto do termopar;

2. Cabos de sinal longe de cabos de potência;

3. Usar cabos de extensão adequados, que não devem ser muitoapertados;

4. Usar cabos de sinal blindados, convenientemente ligados à terra;

5. Efetuar uma filtragem analógica do sinal;

6. Usar amplificadores com rejeição de modo comum elevada;

7. Usar termopares adequados à atmosfera, com a junção soldada deorigem;

8. Quando possível, usar termopares com sensibilidade elevada.

27

Sinais e Ruídos Parte 2

28

Padrão 4-20mA

29

Sinais de InstrumentaçãoPadrão 4-20mA• O princípio do loop de 4 a 20mA consistem em uma única

malha com vários resistores.

• Pela lei das malhas a corrente é a mesma em todos oselementos resistivos e a tensão é distribuída em todos osresistores.

• Ou seja, o padrão 4 a 20mA tem a vantagem da informaçãomanter-se constante mesmo havendo várias cargas emsérie.

30

Sinais de InstrumentaçãoO que há num loop 4-20mA• Sensor e transdutor e transmissor;

• Fonte de alimentação;

• Loop (circuito fechado);

• Sistema de aquisição.

31

Sinais de InstrumentaçãoLoop 4-20mA – Vantagens e Desvantagens• Vantagens

� O padrão 4-20mA é um padrão clássico nas indústrias;� É fácil identificar quando o transmissor está com defeito;� Não é sensível a ruídos elétricos;� É muito simples para instalar e configurar.

• Desvantagens� Podem transmitir somente um sinal numa mesma malha;� Quando há muitos instrumentos em um processo, o número de

malhas é maior também podendo causar problemas deaterramento quando os fios não são propriamente isolados.

32

Por que 4-20mA?

33

Por que 4-20mA?1. 30mA passando pelo corpo humano (coração) é suficiente

para matar a pessoa (ver norma).

2. Em sua maioria, um semicondutor requer pelo menos3mA de corrente para operar.

3. O padrão deve ser linear na banda máxima de 3-30mA.Pensou-se no padrão 5-25mA e 4-20mA.

4. Como os cálculos com 4-20mA são mais fáceis.

•Fonte: Why do we use a 4-20 mA signal and not a 0 mA signal inindustries:

• https://www.researchgate.net/post/Why_do_we_use_a_4-20_mA_signal_and_not_a_0_mA_signal_in_industries

34

Sistemas de Aquisição de Dados

35

Princípios básicos• ”Sistema de aquisição de dados é qualquer arranjo que

permita transformar sinais analógicos em digitais parapermitir a interpretação e manipulação por sistemasdigitais”.

36

Filtro anti-aliasing• Implementado por um circuito integrado dedicado ou porum amplificador operacional ou por um filtro RC. Oobjetivo desse filtro é eliminar ou reduzir as frequência”desnecessárias”, reduzindo portanto a largura de banda docircuito, o que ajuda na minimização do ruído.

37

Circuito Sample and Hold (SH)• Outras denominações:

� Amostrador com retenção (SH, S&H ou SHA).� Segurador.

• A função é manter ou segurar o valor do sinal até que apróxima amostra seja adquirida. A vantagem de utilizaçãodesse dispositivo é o aumento da confiabilidade do processode conversão.

• Explicar a condição:

38

Amostragem• Computadores digitais são incapazes de processar sinaisanalógicos. Portanto, é necessária uma represertação digitaldesta informação.

• O conversor analógico-digital (ADC ou A/D) converte umtensão da entrada (ou corrente) para uma quantidadebinária representativa.

39

Teorema de Nyquist• A razão de amostragem f determinada pelo Teorema de

Nyquist precisa ser, no mínimo, duas vezes a frequênciamáxima do espectro de Fourier do sinal analógico. Parareconstruir o sinal original após a amostragem é necessáriopassar a forma de onda amostrada por um filtro passa baixaque limita a banda passante.

• Após a digitalização do sinal pelo conversor ADC, o sinalestá apto para ser analisado ou processado pela unidade deprocessamento de sinais, por exemplo, um computador.

40

Quantização• Representação aproximada de um valor do sinal por umconjunto finito de valores.

41