Aula 11 condicionadores e transmissores

Instrumentação Básica

Técnico Integrado Semestral

Período: 2012-1

Prof.: Guilherme P. Colnago

Aula 11

Condicionadores e Transmissores de Sinais

Assuntos

ConversoresConversores

TransmissoresTransmissores

ExperiênciasExperiências

Condicionamento de SinaisCondicionamento de Sinais

Condicionamento Condicionamento de Sinaisde Sinais

Assunto

Condicionamento de SinaisPor que condicionar sinais?

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.

Condicionamento de SinaisPor que condicionar sinais?

Dois dispositivos devem se comunicar, porém, é como se um não “entendesse” o outro...

Condicionamento de Sinais

São questões técnicas...

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

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).

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.

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.

Condicionamento de SinaisCondicionador: diagrama básico

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.

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.

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

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)

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).

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.

Condicionamento Condicionamento de Sinaisde Sinais

ConversoresConversores

Assunto

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.

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.

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.

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

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

Conversor A/D

O sinal é amostrado e digitalizado.Este valor digital pode então ser processado ou armazenado.

Conversores

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

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

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

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

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

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

Conversor I/P

Conversores

Conversor I/P

Conversores

Conversor I/P

Sinal pneumático válvula Padrão industrialMínimo: 4mA 3psiMáximo: 20mA 15psi

Fonte de pressão: compressor

Sinal de controle: corrente

Conversores

Conversor I/P – Construção

Conversores

Conversor I/P – Construção

Conversores

Conversor I/P – Construção

Saída: 3psi

Conversores

Conversor I/P – Construção

Saída: 9psi

Conversores

TransmissoresTransmissores

Assunto

TransmissoresO que é e o que faz um Transmissor?

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

TransmissoresBasicamente, o transmissor é um conjunto de dispositivos interligados.

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.

TransmissoresTransmissor de corrente Malha de Controle completaExemplo: vazão converte sinal de frequência em corrente.

TransmissoresTransmissor de corrente

Exemplo: termopar converte temperatura em corrente.

TransmissoresTransmissor

TransmissoresTransmissor

LVDT

ExperiênciasExperiências

Assunto

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.

Prof.: Guilherme P. Colnago

Dúvidas: gpcolnago@ifes.edu.br

Fim