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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL
FACULDADE DE ENGENHARIA
CONDICIONADOR DE SINAIS ISOLADO PARA MEDIÇÃO DE
SENSORES DE TEMPERATURA
Porto Alegre, 08 de Dezembro de 2017.
Autor: Bruno Rodrigues Albuquerque
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Curso de Engenharia Elétrica ou Engenharia de Controle e Automação
Av. Ipiranga 6681, - Prédio 30 - CEP: 90619-900 - Porto Alegre - RS - Brasil
Email: [email protected]
Orientador: Prof. Dr. Juliano D’Ornelas Benfica
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Av. Ipiranga 6681, - Prédio 30 - Bloco A - Sala 233 - CEP: 90619-900 - Porto Alegre - RS-
Brasil
Email: [email protected]
RESUMO Pesquisa e desenvolvimento de um condicionador de sinais para a medição de
sensores de temperatura e retransmissão de sinal de corrente, com isolação galvânica entre
entrada do sensor e saída de corrente e comunicação USB para leitura e configuração de
seus parâmetros. Desenvolveu-se este dispositivo através do uso de diversas técnicas de
processamento de sinais analógicos e digitais citadas no artigo, bem como novas abordagens
para isolação galvânica de sinais e alimentação. Foi possível configurar o condicionador de
sinais para ler e transmitir sinais de diferentes sensores vastamente utilizados na indústria
atual. Os resultados obtidos foram positivos em relação ao uso da abordagem proposta
visando uma redução de custo comparado à topologia clássica utilizada atualmente em
dispositivos similares.
Palavras-chave: Condicionador de sinais, temperatura, processamento de
sinais, isolação galvânica
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ABSTRACT
ISOLATED SIGNAL CONDITIONER FOR TEMPERATURE SENSOR
MEASUREMENT
Research and development of a signal conditioner for temperature sensors
measurement and current signal retransmission, with galvanic isolation between the sensor
input and current output and USB communication for parameters’ configuration and
reading. The device was developed through the use of multiple signal processing techniques
mentioned in this article and innovative approaches for data and power galvanic isolation. It
was possible to read and configure the signal conditioner, measuring different temperature
sensors widely used in the industry. Obtained results were positive, reducing costs
compared to the classic approach used currently in similar devices.
Key-words: Signal conditioner, temperature, signal processing, galvanic
isolation
1 INTRODUÇÃO
Temperatura é uma das variáveis mais medidas na indústria, seja com o objetivo de
garantir a segurança na operação de algum dispositivo, a qualidade de um determinado
produto ou a eficácia de algum processo. Visto que dentro da indústria encontram-se os mais
severos ambientes e que existe cada vez mais a necessidade de uma medida precisa e
confiável de temperatura, são necessários sistemas que garantam tal qualidade dentro dos
mais perversos ambientes industriais.
Sistemas de monitoramento e controle de temperatura mais complexos devem ser
projetados levando-se em conta alguns pontos críticos, como por exemplo, o tipo de sensor a
ser utilizado de acordo com a temperatura alvo e o ambiente de medição, o efeito do ruído em
um ambiente industrial, a necessidade de isolação entre o sensor e o dispositivo medidor e os
custos tanto do sistema quanto da manutenção do mesmo ao longo do tempo.
Os condicionadores de sinais, também conhecidos como transmissores de temperatura,
são dispositivos que surgiram na indústria com o objetivo de complementar sistemas mais
complexos de medição de temperatura. Transmissores operam como a interface entre o
dispositivo responsável pela indicação, registro ou controle da temperatura e o sensor a ser
medido, garantindo a linearidade da medida, reduzindo a necessidade de cabos caros e
especiais que são altamente suscetíveis a ruídos e perdas, facilitando a manutenção dos
sistemas e a substituição do sensor de temperatura sem a necessidade de substiituição do
dispositivo medidor. Mais recentemente, os transmissores começaram a incorporar outras
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funcionalidades mais complexas dentro de redes industriais como HART® e Profibus®,
permitindo que a variável de temperatura medida pudesse ser monitorada remotamente e que
ferramentas de diagnóstico de falha fossem utilizadas para reduzir o custo e tempo de
manutenção.
Com a abertura e expansão do mercado eletroeletrônico e a redução significativa do
custo de circuitos microprocessados, a comoditização de tais dispositivos é cada vez mais
visível, tornando o preço de venda o principal ponto de competitividade em um mercado onde
não há espaço para grandes inovações. Sendo assim, garantir uma plataforma eficiente, de
baixo custo e ainda assim contemplar tecnologias que facilitem a usabilidade por parte do
usuário e garantam a qualidade do sinal são pontos vitais para garantir a competitividade de
um transmissor de temperatura.
1.1 Tema de Pesquisa
Projeto e desenvolvimento de um condicionador de sinais isolado de alta aplicabilidade
em sistemas de medição, controle ou registro de temperatura.
1.2 Justificativa do Tema
Tendo em vista a comoditização dos condicionadores de sinais na indústria, a
necessidade de inovar em uma plataforma de baixo custo é requisito básico para o
desenvolvimento de um dispositivo desta natureza. Grande parte dos condicionadores de
sinais disponíveis no mercado contam com entrada para um tipo específico de sensor, não
possuem isolação galvânica entre entrada e saída, requerem interfaces especiais para a
configuração e possuem saída de corrente ou tensão, não sendo esta selecionável.
Condicionadores de sinais isolados são percebidos como um produto nobre, frente aos
transmissores não isolados. Esta característica, somada a uma entrada universal configurável
para diversos tipos de sensores de temperatura e ainda com a possibilidade de configurar
todos os parâmetros através de um cabo USB, sem a necessidade de interfaces de
comunicação especiais, tornam esta pesquisa de grande relevância para a indústria.
1.3 Objetivo do Trabalho
Projetar e implementar um condicionador de sinais com entrada para variados tipos de
sensores de temperatura, que isole galvanicamente a entrada da saída e que permita a
facilidade de configuração por parte do usuário através de uma interface USB. Este
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dispositivo deve ter um baixo custo de plataforma que garanta sua competitividade frente aos
seus possíveis concorrentes.
1.4 Delimitações do Trabalho
A pesquisa é focada na implementação prática do condicionador de sinais isolado e na
comprovação de sua correta operação utilizando uma plataforma de baixo custo. Não são
considerados testes relacionados à exatidão das medidas, embora testes de comparação de
exatidão entre diferentes configurações tenham sido executados para a seleção da melhor
configuração da arquitetura.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Este capítulo busca definir o estado da arte dos transmissores de temperatura bem
como elucidar os conceitos básicos de medição de temperatura, os sensores comumente
utilizados na indústria, o método de isolação de sinais a ser usado e as etapas de
condicionamento dos sinais, desde sua medição até a transmissão da saída linearizada.
2.1 Medição de temperatura
A temperatura é uma das grandezas mais utilizadas na indústria, independentemente do
segmento. É ainda, auxiliar na medida de diversas outras variáveis como densidade, umidade
relativa, vazão, entre outras.
Por tal motivo, a medição da temperatura não é interesse recente. Tentativas de criação
de uma escala de temperatura aconteceram por volta do século II DC, quando Claudio
Galeno, sugeriu que a temperatura fosse dividida em níveis entre muito quente (água fervente)
e muito frio (neve). Mas foi só em 1592 que Galileu Galilei inventou o primeiro termômetro,
denominado posteriormente como termoscópio de Galileu. (ANALÓGICA, 2013)
Desde lá, inúmeros avanços nas técnicas de medição de temperatura foram alcançados
por renomados cientistas como Gabriel Fahrenheit, Anders Celcius e William Thomson,
criando as escalas que até hoje conhecemos e que temos como base na medição de
temperatura (ANALÓGICA, 2013).
2.2 Sensores de temperatura
Os sensores de temperatura são os elementos utilizados para a primeira etapa de
medição. Eles são elementos que têm suas características físicas modificadas pela variação da
temperatura. Tais mudanças são então medidas para determinar a temperatura no processo.
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Embora os sensores não sejam um componente com grande grau de tecnologia aplicada
dentro de um processo de medição de temperatura, suas especificidades devem ser levadas em
conta para sua aplicação.
Sensores são comumente elementos passivos e/ou geram sinais muito fracos que
necessitam de amplificação, sendo então necessária ou recomendada a utilização de um
transmissor de temperatura para o correto condicionamento do sinal medido.
Termorresistências e termopares são largamente utilizados na indústria e têm
características completamente diferentes, sendo aplicáveis em diferentes tipos de processos de
medição de temperatura.
2.2.1 Termopares
Termopares são um dos mais populares sensores de temperatura de contato. Eles
podem medir uma grande faixa de temperaturas, são intercambiáveis e têm conectores padrão
(DERIC P. JONES, 2009). São feitos de dois metais diferentes, soldados em uma das pontas
que geram tensão elétrica com a mudança de temperatura. Quaisquer dois metais diferentes
podem ser utilizados para a construção de um termopar, porém a ISA reconhece 12 destas
junções como padrão (DAVIS MATHEWS, 2009). Não é possível se fazer uma medição
direta da tensão do termopar para se determinar a temperatura, uma vez que a conexão com o
multímetro cria uma junção indesejada. A medida deve ser feita utilizando-se de uma técnica
conhecida como compensação de junta fria, que compensa a temperatura da junção criada
para a medição do sensor (DERIC P. JONES, 2009). A Figura 1 mostra um exemplo de
construção de um sensor termopar tipo K.
Figura 1 - Termopar tipo K
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos [2017]
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Termopares dos tipos K, E, J e N são os mais simples e baratos encontrados no
mercado, pois são feitos de materiais mais simples. Já os termopares dos tipos B, E e S são
feitos de metais mais nobres, portanto mais caros. Eles têm características mais estáveis e são
utilizados largamente para medição de altas temperaturas (DERIC P. JONES, 2009).
Apesar de sua robustez e preço acessível, os termopares apresentam algumas
desvantagens como a baixa imunidade a ruídos, perda de suas características ao longo do
tempo, alta resistência de cabos, entre outros (DERIC P. JONES, 2009).
2.2.2 Termorresistências
Termorresistências são elementos resistivos que têm sua resistência elétrica alterada
com a variação de temperatura. Esta variação pode ser medida e então determinar a
temperatura de um processo (RAVI JETHRA, 2000). Termopares estão sendo gradativamente
trocados por termorresistências, pois as mesmas apresentam maior acurácia, estabilidade e
repetibilidade (DERIC P. JONES, 2009). Termorresistências são comumente construídos de
platina, níquel ou cobre. As versões de cobre e níquel operam em menores faixas de
temperatura e são mais baratos do que os feitos de platina. Platina é um material mais versátil
devido a sua vasta faixa de medição e excelentes características de estabilidade, repetibilidade
e resistência à corrosão. Termorresistências de platina estão disponíveis em diversos valores
de resistência nominal (a 0°C), porém o modelo mais encontrado no mercado é o PT100
(DAVIS MATHEWS, 2009). O elemento pode ser encontrado em diversos formatos,
conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 - Encapsulamento de termoressitências
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos [2017]
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2.3 Condicionamento do sinal
Sensores de temperatura geram níveis de saída em tensão ou resistência elétrica, de
baixa magnitude, portanto, estes sinais devem ser condicionados de maneira que possam ser
interpretados corretamente.
2.3.1 Multiplexação, amplificação e conversão de analógico para digital
A multiplexação é uma técnica utilizada para medir diversos sinais utilizando um
único circuito de amplificação e conversão. O conversor A/D pode amostrar um sinal e então
selecionar outro e assim por diante (CASSIOLATO, 2012). A etapa de amplificação aumenta
o nível de tensão para ajustar o sinal medido à faixa de atuação do conversor A/D, assim,
aumentando a resolução (NATIONAL INSTRUMENTS, 2012). A Figura 3 mostra as etapas
divididas em blocos.
Figura 3 - Diagrama de blocos das etapas de condicionamento de sinais
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos [2017]
2.3.2 Linearização
Sensores de temperatura como termopares e termorresistências apresentam
características não lineares em função da medição da temperatura, conforme citado
anteriormente. A linearização é o processo de interpretação do sinal medido, ajustando-o
conforme o conhecimento prévio das características de determinado sensor com a variação da
temperatura (NATIONAL INSTRUMENTS, 2012). Uma comparação entre a linearidade das
curvas pode ser observada graficamente na Figura 4.
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Figura 4 - Curva de resposta dos diferentes sensores em função da temperatura
Fonte: National Instruments [2012]
2.4 Isolação elétrica
O isolamento elétrico busca separar eletricamente duas partes de um dispositivo de
medição. Quando um dispositivo de medição é isolado, isso significa que não há circulação de
corrente entre duas partes do sistema que estão isoladas entre elas. Diversas vantagens podem
ser observadas com a isolação elétrica, porém a mais relevante é que a isolação desfaz loops
de terra no circuito (NATIONAL INSTRUMENTS, 2016). A Figura 5 mostra um exemplo de
como um loop de terra ocorre e qual o circuito resultante deste fenômeno.
Figura 5 - Exemplo de loop de terra
Fonte: National Instruments [2012]
Os loops de terra são uma comum fonte de ruído. Eles acontecem quando pontos
diferentes do circuito têm potenciais diferentes de terra, o que provoca um fluxo de corrente
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entre estes pontos. Este fluxo vai muito provavelmente acarretar em erros na medida
(NATIONAL INSTRUMENTS, 2016).
2.4.1 Topologia clássica de isolação em transmissores
Devido a diferenças de potencial de terra acima de 100 V serem comuns em
determinados ambientes industriais, alguns sensores e circuitos de condicionamento de sinais
devem ser galvanicamente isolados. Em transmissores isolados de temperatura, a alimentação
e a transmissão de dados devem ser eletricamente isoladas (TEXAS INSTRUMENTS, 2016).
A Figura 6 exemplifica uma topologia típica de isolação utilizada na indústria.
Figura 6 - Topologia típica de isolação em transmissores de temperatura
Fonte: Vertex Instruments [2017]
Observa-se que as topologias típicas possuem isolação galvânica para a alimentação e
isolação via opto-acoplador para a comunicação de dados entre os processadores que
gerenciam a entrada e a saída de dados.
Isolações galvânicas têm uma grande vantagem em vida útil quando comparadas a
isoladores com opto-acopladores. Dispositivos industriais são colocados em operação por
muito mais tempo do que dispositivos eletrônicos comuns. Além disso, a manutenção da
isolação elétrica efetiva por um período de até mais do que 15 anos é importante (TEXAS
INSTRUMENTS, 2016).
2.5 Transmissão da variável via sinal analógico
O uso de loops de corrente (4-20mA) se tornou padrão na indústria de controle de
processos devido a sua grande resistência ao ruído, comparado a sinais modulados em tensão.
(SAMS & LYDAY, 2004). O padrão que regulamenta o uso dos sinais de corrente é o ISA
S50.1-1972 (LIPTÁK, 2002).
Loops de corrente são um método de transmissão de informação. Esta informação é
transmitida em formato de corrente, variando sua intensidade, representando os valores a
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serem transmitidos (SAMS & LYDAY, 2004). A Figura 7 exemplifica como funciona um
loop de corrente.
Figura 7 - Exemplo de loop de corrente
Fonte: Texas Instruments [2016]
2.6 Análise das tecnologias disponíveis no mercado
Foi analisado o conjunto de funcionalidades de um par de equipamentos disponíveis no
mercado. A breve análise pode ser vista na Tabela 1.
Tabela 1 - Comparação das tecnologias disponíveis
Modelo Fabricante Saída Entrada Isolação Configuração
TxIsoRail NOVUS Produtos Eletrônicos
Fixa 4-20mA
Termopares e termorresistências
Sim - Trafo + Optoacoplador
Sim, via interface especial.
SITRANS TR200 SIEMENS
Fixa 4-20mA
Termopares, termorresistências, resistência e tensão Sim
Sim, via interface especial.
Fonte: Autoria Própria [2017]
3 METODOLOGIA
É fundamental que as etapas de funcionamento possam ser divididas em blocos de
funcionalidades, para que a topologia seja selecionada de forma correta garantindo o
funcionamento do dispositivo. Este diagrama de blocos pode ser observado na Figura 8.
O condicionador de sinais ficou dividido entre um módulo de entrada e um módulo de
saída devido a necessidade de isolação. A isolação é o que separa os dois módulos, tornando
mais fácil de se identificar quais sinais necessitam ser isolados e quais blocos pertencem a que
parte do circuito.
Resumidamente, o módulo de entrada é responsável pela leitura e pelo
condicionamento do sinal lido do sensor de temperatura. Este módulo é também responsável
pela comunicação via USB.
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Do outro lado da barreira de isolação, o módulo de saída é responsável por suprir a
alimentação de ambos módulos de entrada e saída, de receber o sinal medido pelo módulo de
entrada através da barreira de isolação e também de gerar um sinal analógico de retransmissão
do valor lido na entrada.
Os blocos isolados fora do diagrama principal representam as entradas e saídas do
condicionador sinais.
Figura 8 - Diagrama de blocos do condicionador de sinais
Fonte: Autoria Própria [2017]
Este capitulo busca definir cada um dos blocos indicados na figura 8, explicando a
função de cada um deles para o funcionamento do dispositivo como um todo.
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3.1 Condicionamento do sinal medido
Os sinais oriundos de termorresistências e termopares difererem um do outro. O circuito
deve estar preparado para ler ambos e para isso, os sinais devem passar por etapas de
condicionamento descritas a seguir.
3.1.1 Excitação
Termorresistências são sensores que necessitam ser excitados por uma fonte de
corrente para que então possa ser determinada a tensão entre seus terminais e
consequentemente a sua resistência. Não existem valores pré-definidos para a excitação de
uma termorresistência, porém esta corrente deve ser selecionada com cuidado para evitar o
sobreaquecimento do elemento e para manter o valor de tensão medido nos terminais do
sensor de acordo com a faixa de medição do conversor A/D selecionado.
Termopares não necessitam de polarização, pois são sensores ativos.
3.1.2 Offset para termopar
Os termopares apresentam tensão diferencial negativa em seus terminais quando são
expostos a temperaturas negativas. Como o conversor A/D selecionado não lê tensões
negativas, precisa-se aplicar um offset na entrada negativa do termopar quando a tensão
diferencial dos terminais esta muito próxima de 0mV. A aplicação deste offset é feita através
de um divisor resistivo selecionável via firmware.
3.1.3 Multiplexação
Uma vez que o conversor A/D não lê tensões diferenciais, é necessário que se faça
leituras em diferentes pontos do circuito e que se executem alguns cálculos para que se
determine corretamente o valor de entrada. Para que seja possível a leitura de pontos
diferentes, um multiplexador é inserido na entrada do circuito, assim a entrada pode ser
selecionada através de alguns pinos do microprocessador. Para se determinar o valor de uma
termorresistência, por exemplo, no mínimo três leituras diferentes devem ser feitas.
3.1.4 Amplificação
Um amplificador de ganho configurável foi escolhido devido à diferença de amplitude
dos sinais para os diferentes sensores. Os termopares, por exemplo, devem ser lidos com um
ganho de 50 vezes. Já uma termorresistência do tipo PT100 é lida com ganho 10 vezes
enquanto uma do tipo PT1000 é lida com ganho unitário devido a sua alta resistência.
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3.2 Conversão analógico para digital
Uma interrupção por timer inicia uma conversão a cada 100ms e esta processa 128
amostras, determinando dentro desta rotina qual ponto o multiplexador deve selecionar para
ser convertido. Cada ponto escolhido do multiplexador deve ser convertido em um valor
digital para que então seja processado e transformado em um valor válido através das etapas
seguintes.
Os sensores de junta fria também são lidos através de uma conversão analógico para
digital, porém seus sinais não são condicionados da mesma forma e a conversão é um passo
mais simples e direto, realizando apenas poucas amostras no momento em que se deseja saber
seus valores.
O conversor conta com uma resolução de 14 bits reais e é um periférico do
microprocessador do módulo de entrada.
3.3 Linearização, calibração e ajuste de faixa
Uma vez todas as medidas necessárias foram tomadas pelo conversor A/D, as etapas de
linearização, calibração e ajuste da faixa transformam as medidas cruas em um valor de
temperatura.
A etapa de calibração traz as leituras para uma faixa de valores determinada. Define-se
que o valor lido pelo conversor A/D deve ser calibrado de forma com que as respostas estejam
entre 1000 e 21000, ou seja, 1000 para a menor e 21000 para a maior temperatura da faixa de
medição do sensor a ser lido. A calibração consiste em aplicar um ganho e um offset ao valor
lido. A Tabela 2 mostra a resposta de tensão por temperatura do termopar tipo K em alguns
pontos.
Tabela 2 - Resposta do termopar tipo K resumida
Temp. [°C] Tensão [uV] Contagens
AD
-150 -4913 1000
0 0 2645
100 4096 4016
200 8138 5370
300 12209 6733
400 16397 8135
500 20644 9557
800 33275 13786
1000 41276 16465
1370 54819 21000
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos [2017]
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Conforme abordado, a resposta dos sensores à variação de temperatura não é linear.
Esta não linearidade deve ser compensada através de uma série de aproximações lineares
feitas através das curvas conhecidas dos sensores. A Tabela 2 resume a resposta em tensão do
sensor termopar tipo K, onde estão relacionadas a temperatura, a tensão e o número de
contagens do conversor A/D. Considerando a curva completa do sensor, escolhem-se pontos
ao longo desta e se traçam retas entre estes pontos. Para garantir uma etapa de linearização
mais precisa, deve-se escolher mais pontos onde a curva apresenta maior não linearidade.
O ajuste de faixa se trata de ajustar a saída analógica de acordo com o configurado pelo
usuário. Por exemplo, o condicionador de sinais pode ler uma termorresistência PT100 de
-200 a 650°C, porém pode ser configurado de forma a excursionar sua saída de 0 a 100°C.
3.4 Compensação de Junta Fria
A diferença de potencial medida entre os terminais de um termopar é igual à soma das
temperaturas da junta quente e da junta fria em milli volts. Como o objetivo é determinar a
temperatura da junta quente, precisa-se de alguma forma compensar a temperatura de junta
fria. É considerada temperatura de junta fria a temperatura no bloco de terminais onde estão
conectados os fios do termopar.
Têm-se dois sensores de temperatura conhecidos como termistores do tipo NTC
montados na PCI que são excitados a partir de um pino do processador e um resistor,
formando então um divisor resistivo variável conforme indicado na Figura 9. Para reduzir o
consumo médio de corrente, estes pinos são acionados apenas alguns milli segundos antes da
leitura da temperatura. A tensão no sensor NTC é medida pelo conversor A/D para assim
determinar sua resistência e consequentemente, sua temperatura.
Figura 9 - Circuito de leitura dos sensores de junta fria
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos
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Utilizam-se dois sensores para eliminar alguma possível deriva térmica na PCI, gerada
pelo aquecimento de alguns componentes montados. Desta forma, um sensor é posicionado
mais próximo ao bloco de terminais e outro próximo ao microprocessador, que é considerado
a maior fonte de calor próxima. Diversas condições podem ser geradas para que se aplique um
coeficiente que determine o “peso” de cada sensor de junta fria, ou seja, o quanto cada um dos
dois sensores é afetado por uma possível deriva térmica e como a relação de temperatura dos
dois influencia na medida do termopar.
Após a leitura da tensão sobre o sensor NTC é necessário que este valor seja linearizado
conforme sua tabela de resistência por temperatura. O próximo passo é levar esta medida já
linearizada para a mesma ordem de grandeza do termopar sendo medido, para que então possa
se compensar a junta fria por uma simples subtração de temperaturas.
3.5 Compensação de resistência de cabo
Conforme as referências pesquisadas e mencionadas anteriormente, as
termorresistências são sensores que variam sua resistência de acordo com a temperatura que é
exposta. As conexões utilizadas são através de 2, 3 e 4 fios conforme mostrado na Figura 10.
Figura 10 - Conexões para termorresistência
Fonte: Analog Devices [2000]
Os fios que ligam o elemento sensor ao bloco de terminais apresentam uma resistência
elétrica representada na Figura 10 por “RL”. Esta resistência pode impactar no resultado da
medição, portanto deve ser compensada.
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Duas técnicas de compensação serão utilizadas, uma para a ligação a 3 fios e outra para
a ligação a 4 fios.
3.5.1 Compensação para conexão a 3 fios
Para compensar a resistência do cabo na conexão a 3 fios, devemos assumir que todos
os cabos possuem o mesmo comprimento, são feitos do mesmo tipo de material e têm a
mesma bitola. Esta conexão é indicada na Figura 11.
Figura 11 - Ligação a 3 fios
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos [2017]
Assumindo que a corrente que circula para o ponto 2 é desprezível devido à alta
impedância e entrada do transmissor, temos que:
𝑉1 = 𝑉𝑟𝑡𝑑 + 𝑉𝑟𝑙
𝑉2 = 𝑉𝑟𝑙
Desta forma, vemos que se subtrairmos os dois resultados obtidos, conseguimos isolar
o valor da tensão sobre a termorresistência:
𝑉1 − 𝑉2 = 𝑉𝑟𝑡𝑑
Portanto, quando se lê uma termorresistência com ligação a 3 fios, realizamos 3
medidas para determinar V1, V2 e então Vrtd, que é a tensão sobre a termorresistência
considerando RL igual em todos os fios.
3.5.2 Compensação para conexão a 4 fios
A ligação a 4 fios é mais incomum, porém é requerida quando há necessidade de alta
precisão na medição. Esta ligação é indicada na Figura 12.
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Figura 12 - Ligação a 4 fios
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos [2017]
Neste caso, podemos assumir que não há circulação de corrente para os pinos 2 e 3
devido à alta impedância de entrada do transmissor. Portanto, medem-se os pinos 2 e 3 em
relação ao terra e a diferença das medições pode ser considerada como a tensão sobre o
elemento sensor.
3.6 Comunicação USB
A comunicação USB foi desenvolvida no módulo de entrada do condicionador de
sinais, pois é na entrada onde os dados mais relevantes estão. A comunicação USB permite a
fácil configuração da faixa de medição e tipo de sensor a ser lido pelo transmissor, bem como
seu rápido diagnóstico de falha.
O microprocessador utilizado na entrada possui periférico USB nativo, o que torna sua
utilização mais simples e sem a necessidade de hardware externo ao chip. Para o
desenvolvimento do firmware foi utilizado o stack USB da Microchip® v2.8.
As rotinas de tratamento de dados da USB acontecem juntamente com as interrupções
de baixa prioridade do dispositivo. A stack USB da Microchip® prevê inicialmente que as
interrupções oriundas da USB sejam tratadas como de alta prioridade, porém durante o
desenvolvimento as interrupções de alta prioridade foram necessárias para tratamento de
outras tarefas mais prioritárias, existindo a necessidade de modificação deste ponto da stack.
Como o baixo consumo de corrente é um requerimento básico do transmissor de
temperatura, quando a USB esta conectada utilizamos os 5V fornecidos pela porta USB para
alimentar o circuito de entrada. O chaveamento entre a tensão principal de alimentação ou a
tensão vinda da USB para alimentar os reguladores de tensão acontece através de um circuito
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de diodos ilustrado na Figura 13, que alimenta os reguladores com a tensão cátodo mais alta,
no caso, a tensão vinda da USB.
Figura 13 - Circuito seletor de tensão de entrada do regulador de tensão
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos [2017]
Com um simples divisor resistivo conforme mostrado na Figura 14, é possível detectar
que o cabo USB foi conectado ao circuito através de um pino da USB.
Figura 14 - Divisor resistivo para detecção da conexão USB
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos [2017]
A detecção acontece através de uma interrupção externa do processador. Quando esta
interrupção é atendida, aumenta-se o clock interno do processador para 16MHz , aumentando
assim o desempenho do mesmo para atender as temporizações requeridas pela comunicação
USB.
O protocolo utilizado para realizar a comunicação através do periférico USB é o
Modbus, devido à facilidade de implementação, simplicidade e atendimento aos requisitos
básicos. Diferentemente de outros dispositivos escravos Modbus que podem operar em rede,
este não é o objetivo em um condicionador de sinais. A comunicação neste dispositivo em
específico deverá operar no modo ponto a ponto, ou seja, o dispositivo terá um endereço fixo
que o usuário deverá conhecer quando realizar uma configuração ou diagnóstico.
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3.7 Estratégia de isolação galvânica
Uma isolação galvânica deve existir entre os módulos de entrada e saída. Esta isolação
garante um alto nível de rejeição a ruídos e proteção contra loops de terra, conforme abordado
anteriormente.
Um transformador será utilizado como dispositivo isolante entre os circuitos. Esta é
uma estratégia que difere da abordagem clássica que prevê sempre a utilização de dois
dispositivos para realizar a isolação, um responsável pela isolação da alimentação do circuito
e outro para a isolação dos sinais de comunicação entre os dois módulos do circuito.
Ambos os sinais de alimentação e de comunicação serão transmitidos através do mesmo
transformador, reduzindo área consumida na PCB e reduzindo custo com componentes.
Abordaremos esta estratégia nos tópicos a seguir.
3.7.1 Alimentação do circuito de entrada
Sendo este um condicionador de sinais isolado e alimentado pelo loop de corrente, a
referência (terra) dos dois módulos não pode ser interligada. Portanto, o módulo de saída deve
ser responsável por alimentar o módulo de entrada.
A proposta é que trens de pulso espaçados sejam enviados através do transformador,
condicionados por um banco de capacitores no circuito de saída e regulados por um circuito
regulador de tensão, conforme ilustrado na Figura 15. Os pulsos são gerados por pinos do
microprocessador, que produzem uma tensão alternada no transformador chaveando cada uma
das extremidades do transformador para nível alto e baixo simultaneamente.
Considerando que a tensão de alimentação do módulo de saída é aproximadamente
40% maior do que a tensão de alimentação do módulo de entrada e que a relação de
transformação no transformador é 1:1, é possível obter-se tensão necessária na entrada do
circuito de regulação para alimentar todo o módulo de entrada.
Figura 15 – Alimentação do módulo de saída através de transformador
Fonte: Autoria Própria [2017]
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3.7.2 Comunicação entre entrada e saída
Dado que o sensor é lido e tem seu valor formatado no módulo de entrada do
condicionador de sinais, é necessário que exista comunicação entre os módulos para que o
sinal seja retransmitido em um sinal analógico pela saída do condicionador.
Uma vez que o transformador já esta sendo utilizado para viabilizar a alimentação do
circuito de entrada, a comunicação precisa ser condicionada de forma a acontecer no intervalo
entre os trens de pulso recebidos.
A entrada é capaz de ler um valor de 14 bits, porém existe também a necessidade de se
transmitir para a saída alguns bits de status, como por exemplo, um valor indicando erro de
sensor ou de leitura de valor fora da faixa. Portanto, se transmite 16 bits de dados. Para
garantir a validade dos dados recebidos, serão enviados 2 bits de paridade, um para o byte
mais significativo e outro para o byte menos significativo. O que define o início e o fim de
uma comunicação são os bits de start e stop. O protocolo é exemplificado na Figura 16.
Figura 16 - Representação do protocolo de comunicação de dados entre módulos de
entrada e saída
Fonte: NOVUS Produtos eletrônicos [2017]
A temporização é definida através da identificação dos pulsos de tensão recebidos, que
são lidos em um pino do processador cuja função é gerar uma interrupção externa. Na rotina
de interrupção externa executa-se a lógica de início e fim de comunicação e de envio dos
dados e bits de paridade.
O processador do módulo de saída gera os pulsos de envio de energia para o outro
módulo e então muda a função de um dos pinos para entrada. Este pino identifica se no
intervalo esperado foi recebido um pulso ou não. O recebimento de um pulso significa o
recebimento de um bit igual a 1. Se o pulso não é identificado, assume-se que o bit é igual a 0.
No módulo de entrada, por sua vez, o dado é enviado através do tap central do
transformador para garantir que a tensão chegue do outro lado em uma amplitude que possa
ser identificada. O módulo de entrada estabelece comunicação apenas quando existe um novo
dado disponível convertido, o que diminui consideravelmente o tráfego de informação
desnecessária entre os módulos.
Page 21
21
3.8 Geração de sinal analógico
Uma vez que o módulo de saída possui a informação do valor de temperatura lido pelo
módulo de entrada, resta transformar esse valor em uma saída analógica linear de corrente de
4 a 20mA.
O periférico responsável por gerar um valor analógico de saída no processador é o PWM.
O processador escolhido possui Timers de 16 bits que tem a capacidade de gerarem pulsos de
largura modulada. A frequência escolhida para os pulsos foi de aproximadamente 7kHz, pois
assim poderia ser escolhido um filtro utilizando capacitâncias relativamente baixas (da ordem
de centenas de nano Farads). A Figura 17 indica as etapas de geração de corrente.
Figura 17 – Diagrama de geração de corrente
Fonte: Autoria Própria [2017]
Após a etapa de filtragem, o sinal é injetado em um amplificador operacional que dá um
ganho na tensão e controla a corrente circulando no transistor através de sua tensão de base.
Um diodo é utilizado para evitar que circule uma corrente reversa, evitando assim possíveis
problemas gerados por conexões incorretas por parte do usuário. Alguns filtros e proteções
contra descargas eletromagnéticas também foram adicionadas ao circuito.
4 RESULTADOS OBTIDOS
Da aplicação das técnicas abordadas anteriormente, obtiveram-se os resultados a
serem apresentados neste capítulo. Consideram-se satisfatórios os resultados obtidos pois o
protótipo construido operou conforme o especificado. De qualquer forma, existem melhorias
que podem ser aplicadas para garantir maior robustez na aplicação do transmissor na indústria
fim.
Page 22
22
4.1 Construção do protótipo
Uma vez que os requisitos básicos do objeto de estudos foram estabelecidos, contou-se
com a estrutura da empresa NOVUS Produtos Eletrônicos para executar a encomenda das
PCIs e a montagem das mesmas através da linha de montagem SMT. A Figura 18 é uma foto
do protótipo montado.
Figura 18 - Foto do protótipo montado
Fonte: Autoria Própria [2017]
O protótipo conta com diversos pontos de teste e opções de componentes diferentes
com funcionalidades semelhantes, se apresentando como um diferencial na obtenção dos
resultados.
4.2 Leitura do sensor
Através das etapas de condicionamento e processamento do sinal lido, obtiveram-se as
curvas de temperatura (em graus Celcius) por corrente (em milli Ampére). Foram levantadas
as curvas dos sensores PT100 em configuração de 3 ou 4 fios e termopares do tipo J, K e S.
Os erros também foram apontados em relação a saída desejada.
Para realizar os testes, foi utilizado um gerador de sinais MicroCal 200 Eurotron, que é
capaz de gerar e medir sinais de variados sensores de temperatura e de corrente, como visto na
Figura 19.
Page 23
23
Figura 19 - Setup de simulação e teste
Fonte: Autoria Própria [2017]
4.2.1 Sensor PT100 3 fios
As leituras no sensor PT100 a 3 fios foram feitas de -200 a 650°C conforme mostra a
Tabela 3. O erro em função da temperatura é indicado na Figura 20.
Tabela 3 - Tabela de medições com entrada PT100 3 fios
Temperatura Simulada
Saída ideal [mA]
Saída real [mA] Erro [mA]
-200 4,000 3,998 -0,002
-150 4,941 4,913 -0,02818
-100 5,882 5,854 -0,02835
-50 6,824 6,985 0,161471
0 7,765 7,74 -0,02471
50 8,706 8,684 -0,02188
100 9,647 9,628 -0,01906
150 10,588 10,572 -0,01624
200 11,529 11,492 -0,03741
250 12,471 12,436 -0,03459
300 13,412 13,38 -0,03176
350 14,353 14,324 -0,02894
400 15,294 15,268 -0,02612
450 16,235 16,189 -0,04629
500 17,176 17,13 -0,04647
550 18,118 18,1 -0,01765
600 19,059 19,021 -0,03782
650 20,000 19,964 -0,036
Fonte: Autoria Própria [2017]
Page 24
24
Figura 20 - Gráfico do erro pela temperatura PT100 3 fios
Fonte: Autoria Própria [2017]
4.2.2 Sensor PT100 4 fios
As leituras no sensor PT100 através da conexão a 4 fios foram feitas de -200 a 650°C
conforme mostra a Tabela 4. O erro em função da temperatura é indicado na Figura 21.
Tabela 4 - Tabela de medições com entrada PT100 4 fios
Temperatura Simulada
Saída ideal [mA]
Saída real [mA]
Erro [mA]
-200 4,000 3,999 -0,001
-150 4,941 4,937 -0,00418
-100 5,882 5,854 -0,02835
-50 6,824 6,797 -0,02653
0 7,765 7,741 -0,02371
50 8,706 8,685 -0,02088
100 9,647 9,629 -0,01806
150 10,588 10,573 -0,01524
200 11,529 11,494 -0,03541
250 12,471 12,438 -0,03259
300 13,412 13,382 -0,02976
350 14,353 14,326 -0,02694
400 15,294 15,27 -0,02412
450 16,235 16,214 -0,02129
500 17,176 17,158 -0,01847
550 18,118 18,102 -0,01565
600 19,059 19,023 -0,03582
650 20,000 19,967 -0,033
Fonte: Autoria Própria [2017]
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
0,2
-400 -200 0 200 400 600 800
Co
rre
nte
[m
A]
Temperatura [°C]
Erro [mA]
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25
Figura 21 - Gráfico do erro pela temperatura PT100 4 fios
Fonte: Autoria Própria [2017]
4.2.3 Sensor PT1000 com 4 fios
As leituras no sensor PT1000 através da conexão a 4 fios foram feitas de -200 a 650°C
conforme mostra a Tabela 5. O erro em função da temperatura é indicado na Figura 22.
Tabela 5 - Tabela de medições com entrada PT1000 4 fios
Temperatura Simulada
Saida ideal [mA]
Saida real [mA] Erro [mA]
-200 4,000 3,974 -0,026
-150 4,941 4,936 -0,00518
-100 5,882 5,878 -0,00435
-50 6,824 6,821 -0,00253
0 7,765 7,741 -0,02371
50 8,706 8,684 -0,02188
100 9,647 9,629 -0,01806
150 10,588 10,573 -0,01524
200 11,529 11,517 -0,01241
250 12,471 12,461 -0,00959
300 13,412 13,405 -0,00676
350 14,353 14,349 -0,00394
400 15,294 15,293 -0,00112
450 16,235 16,237 0,001706
500 17,176 17,181 0,004529
550 18,118 18,125 0,007353
600 19,059 19,069 0,010176
650 20,000 19,99 -0,01
Fonte: Autoria Própria [2017]
-0,04
-0,035
-0,03
-0,025
-0,02
-0,015
-0,01
-0,005
0
-400 -200 0 200 400 600 800
Co
rre
nte
[m
A]
Temperatura [°C]
Erro [mA]
Erro [mA]
Page 26
26
Figura 22 - Gráfico do erro pela temperatura PT1000 4 fios
Fonte: Autoria Própria [2017]
4.2.4 Termopar tipo K
As leituras no sensor Termopar tipo K foram feitas de -150 a 1100°C conforme mostra
a Tabela 6. O erro em função da temperatura é indicado na Figura 23.
Tabela 6 - Tabela de medições com entrada Termopar tipo K
Temperatura Simulada
Saida ideal [mA]
Saida real [mA] Erro [mA]
1100 20,000 20,012 0,012
1000 18,720 18,738 0,018
900 17,440 17,463 0,023
800 16,160 16,165 0,005
700 14,880 14,891 0,011
600 13,600 13,616 0,016
500 12,320 12,318 -0,002
400 11,040 11,044 0,004
300 9,760 9,746 -0,014
200 8,480 8,471 -0,009
100 7,200 7,197 -0,003
0 5,920 5,901 -0,019
-100 4,640 4,63 -0,01
-150 4,000 4,02 0,02
Fonte: Autoria Própria [2017]
-0,03
-0,025
-0,02
-0,015
-0,01
-0,005
0
0,005
0,01
0,015
-400 -200 0 200 400 600 800
Co
rre
nte
[m
A]
Temperatura [°C]
Erro [mA]
Erro [mA]
Page 27
27
Figura 23 - Gráfico do erro pela temperatura Termopar tipo K
Fonte: Autoria Própria [2017]
4.2.5 Termopar tipo J
As leituras no sensor Termopar tipo K foram feitas de -150 a 1100°C conforme mostra
a Tabela 7. O erro em função da temperatura é indicado na Figura 24.
Tabela 7 - Tabela de medições com entrada Termopar tipo J
Temperatura Simulada
Saida ideal [mA]
Saida real [mA] Erro [mA]
-100 4,000 3,998 -0,002
0 5,860 5,854 -0,00647
100 7,721 7,717 -0,00393
200 9,581 9,557 -0,0244
300 11,442 11,422 -0,01986
400 13,302 13,287 -0,01533
500 15,163 15,175 0,012209
600 17,023 17,016 -0,00726
700 18,884 18,881 -0,00272
760 20,000 20,013 0,013
Fonte: Autoria Própria
-0,025
-0,02
-0,015
-0,01
-0,005
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
-500 0 500 1000 1500
Co
rre
nte
[m
A]
Temperatura [°C]
Erro [mA]
Erro [mA]
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28
Figura 24 - Gráfico do erro pela temperatura Termopar tipo J
Fonte: Autoria Própria [2017]
4.2.6 Termopar tipo S
As leituras no sensor Termopar tipo K foram feitas de -150 a 1100°C conforme mostra
a Tabela 8. O erro em função da temperatura é indicado na Figura 25.
Tabela 8 - Tabela de medições com entrada Termopar tipo S
Temperatura Simulada
Saida ideal [mA]
Saida real [mA] Erro [mA]
-50 4,000 3,997 -0,003
100 5,326 5,312 -0,01397
300 7,094 7,056 -0,03792
500 8,862 8,825 -0,03688
700 10,630 10,595 -0,03483
900 12,398 12,365 -0,03279
1100 14,166 14,112 -0,05375
1300 15,934 15,905 -0,0287
1500 17,702 17,675 -0,02666
1600 18,586 18,549 -0,03664
1700 19,470 19,445 -0,02461
1760 20,000 19,964 -0,036
Fonte: Autoria Própria [2017]
-0,03
-0,025
-0,02
-0,015
-0,01
-0,005
0
0,005
0,01
0,015
-200 0 200 400 600 800 1000
Co
rre
nte
[m
A]
Temperatura [°C]
Erro [mA]
Erro [mA]
Page 29
29
Figura 25 - Gráfico do erro pela temperatura Termopar tipo S
Fonte: Autoria Própria [2017]
4.3 Comunicação USB
O dispositivo se apresenta como uma porta COM ao Windows® quando conectado via
USB. Desta forma, ele pode operar como um escravo Modbus via USB tornando possível sua
configuração através de qualquer software que simule um mestre Modbus em Windows®.
Figura 26 - Dispositivo listado no gerenciador de dispositivos Windows®
Fonte: Autoria Própria [2017]
-0,06
-0,05
-0,04
-0,03
-0,02
-0,01
0
-500 0 500 1000 1500 2000
Co
rre
nte
[m
A]
Temperatura [°C]
Erro [mA]
Erro [mA]
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30
O identificador do dispositivo é TxBlock-USB, pois foi reutilizada a mesma stack USB
de um outro projeto. Para que se pudesse testar o dispositivo utilizando alguns softwares e
drivers já existentes, não foram feitas modificações no Vendor e Product Identifier da USB.
Um software proprietário da NOVUS Produtos Eletrônicos desenvolvido anteriormente
para operar com transmissores de temperatura pode também ser utilizado para ler e enviar
configurações ao condicionador de sinais.
Figura 27 - Software TxConfig II lendo o condicionador de sinais
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos [2017]
Qualquer outro software que seja capaz de enviar comandos Modbus a um dispositivo
escravo através de uma porta COM é capaz de monitorar ou escrever nos parâmetros do
dispositivo conforme a sua tabela de configurações Modbus detalhada na Figura 28.
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31
Figura 28 - Tabela de registradores Modbus
Endereço Nome Descrição Mínimo Máximo Acesso
00 HR_SERIAL_NUMBERH Número de série High 0 65535 R
01 HR_SERIAL_NUMBERL Número de série Low 0 65535 R
02 HR_FIRMWARE_VERSIO
N
Versão de Firmware 100 199 R
03 HR_INPUT Valor da entrada 0 22000 R
04 HR_STATUS Status 0 65535 R
05 HR_DEBUG_1 Depuração/Reservado 0 65535 R
06 HR_DEBUG_2 Depuração/Reservado 0 65535 R
07 HR_DEBUG_3 Depuração/Reservado 0 65535 R
08 HR_DEBUG_4 Depuração/Reservado 0 65535 R
09 HR_DEBUG_5 Depuração/Reservado 0 65535 R
10 HR_CONFIGURATION Configuração 0 65535 R/W
11 HR_RANGE_OFFSET Offset da faixa de medida 0 65535 R/W
12 HR_RANGE_GAIN Ganho da faixa de medida 0 65535 R/W
13 HR_USER_OFFSET Offset (Ajuste de zero) -32768 32767 R/W
14 HR_DEBUG_6 Reservado 0 65535 R/W
15 HR_DEBUG_7 Reservado 0 65535 R/W
16 HR_CFG_RESET Reset da configuração 0 65535 R/W
17 HR_DEBUG_9 Reservado 0 65535 R/W
18 HR_DEBUG_10 Reservado 0 65535 R/W
Fonte: NOVUS Produtos Eletrônicos
É considerado um registrador de somente leitura quando seu acesso é definido como R
e são permitidas leitura e escrita nos registradores de acesso R/W.
4.4 Isolação galvânica entre os módulos
Foi possível alimentar o módulo de saída e realizar a comunicação entre os módulos
através do transformador, evitando assim que exista qualquer corrente fluindo através dos
módulos de entrada e saída. A isolação não foi testada através de aplicação de diferentes
potenciais de terra dos circuitos de entrada ou saída, mas considera-se suficiente os testes
executados para garantir que o método proposto é eficaz.
4.4.1 Alimentação do circuito de saída
Os pulsos foram gerados pelo processador do módulo de entrada através de um
espaçamento em tempo feito através de um timer. A temporização no chaveamento dos pinos
do processador é critica e muito curta, portanto esta não pode ser feita através do uso de
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32
timers. Foram utilizados rotinas em assembler que deixam o processador sem operação por
um ciclo, garantindo a correta temporização e duração dos pulsos.
Figura 29 - Captura dos pulsos de tensão enviados pelo módulo de saída
Fonte: Autoria Própria [2017]
Com este espaçamento de pulsos foi possível gerar uma tensão suficiente para suprir o
circuito do módulo de entrada com os 2,5V previstos.
4.4.2 Comunicação entre os módulos
A cada novo dado validado pelo módulo de entrada, este é enviado através da barreira
de isolação conforme o protocolo estabelecido no item 3.7.2. Temporização é chave para o
funcionamento desta estratégia, portanto existiu necessidade do não salvamento de contexto
para as rotinas de interrupção na detecção dos pulsos. Outro efeito a ser observado é um ruído
ao final da recepção do pulso de tensão causado pela mudança da função do pino, quando
trocado de saída para entrada.
É essencial evitar que o pulso de comunicação seja enviado durante o período de ruído
observado na transição do pino. Durante os testes, foi observada uma dificuldade na detecção
do mesmo quando enviado durante este período. O efeito do ruído no sinal pode ser
observado na Figura 30.
Page 33
33
Figura 30 - Captura do efeito da troca de função do pino do processador
Fonte: Autoria Própria [2017]
A detecção da recepção de um pulso é feita através da retificação do sinal de tensão
observado através de um diodo que permite a passagem apenas do semi-ciclo positivo do
sinal. A primeira borda de subida é detectada e alguns delays devem ser dados para que se
envie o pulso de comunicação exatamente no período entre dois trens de pulso e após o ruído
observado na Figura 30.
Figura 31 - Captura de um pulso de comunicação enviado entre os pulsos de tensão
Fonte: Autoria Própria [2017]
Page 34
34
O pulso então é detectado pelo processador do módulo de entrada, pois agora sua
função é de entrada com interrupção. Se não houver recebimento deste pulso durante o
intervalo esperado assume-se que o bit de dado da determinada posição é igual a zero.
4.5 Geração de sinal analógico
A resolução escolhida para a saída foi de 1024 níveis, para isso, o PWM foi configurado
para operar a uma frequência de aproximadamente 4kHz, dadas as limitações de frequência
do microprocessador. Foram então levantados os valores de duty cycle do PWM que geravam
respectivamente 4 e 20mA de corrente na saída do condicionador para determinação da
equação da reta. A partir disso, foram calculados os valores de calibração para transformar os
valores de temperatura na faixa determinada de 1000 a 21000 em valores de duty cycle
necessários para gerar a corrente de saída de 4 a 20mA.
Desta forma, apenas a tarefa de gerar o sinal de corrente fica com o processador do
módulo de saída, isolando toda a inteligência e processamento de sinal no módulo de entrada.
A vantagem disso é que não há necessidade do tráfego de informações de configuração entre
os módulos.
5 CONCLUSÃO
A partir da análise teórica do problema e da aplicação da metodologia, são
considerados os resultados obtidos como satisfatórios, porém, são identificadas oportunidades
de melhoria para que o mesmo possa ser convertido em um produto. De qualquer forma, o
protótipo apresentou correto funcionamento de todas as funcionalidades básicas previstas,
como leitura do sensor, geração do sinal analógico com a alimentação pelo loop de corrente,
comunicação via USB e isolação galvânica.
Em relação à acurácia da medida do sensor, o foco da pesquisa e desenvolvimento não
estava nesta área, portanto existem oportunidades de aperfeiçoamento. As faixas de medição
dos sensores também poderiam ser ampliadas utilizando outras configurações de ganho
possíveis.
A isolação entre os módulos, embora não tenha sido testada com altas tensões, apresentou
bons resultados, com possibilidades de melhoria na velocidade de transmissão de dados entre
os dois lados, limitada devido à necessidade de baixo consumo dos processadores que
operaram com frequências relativamente baixas. Embora temperatura seja uma variável que
não apresenta bruscas mudanças, o mesmo condicionador de sinais poderia vir a ser utilizado
Page 35
35
em outras aplicações, medindo variáveis como milli volts ou corrente, que necessitam de
respostas mais rápida a bruscas mudanças.
Comunicação USB é um grande diferencial no projeto pela facilidade trazida ao usuário
na necessidade de diagnóstico e configuração. A implementação deste módulo se mostrou
satisfatória.
Finalmente, a geração do sinal analógico mostra possibiliades de aperfeiçoamento
relacionadas ao aumento de resolução e possibilidade de configuração para geração de outros
sinais analógicos padronizados na indústria como o de tensão, por exemplo.
6 REFERÊNCIAS
SILVA, J. E. Temperatura: histórico e conceitos. Disponível em:
<http://www.analogica.com.br/arquivos/art-002-teperatura-historico-e-conceitos.pdf> Acesso
em: 10/08/2017
MATHEWS, D. Choosing and Using a Temperature Sensor. Disponível em:
<http://archives.sensorsmag.com/articles/0100/54/> Acesso em: 10/08/2017
JONES, Deric. Biomedical Sensors. New York: Momentum Press, 2010. 463 p.
NATIONAL INSTRUMENTS. Tipos de isolação e aspectos a serem considerados nas
medições. Disponível em:
<http://www.ni.com/white-paper/3410/pt/> Acesso em: 15/08/2017
NATIONAL INSTRUMENTS. Como o aterramento pode melhorar as suas medições.
Disponível em:
<http://www.ni.com/white-paper/3394/pt/> Acesso em: 20/08/2017
SAMS, S.; LYDAY, J. Implementing a 4-mA to 20-mA Current Loop on TI DSPs.
Disponível em:
<http://www.ti.com/lit/an/szza045/szza045.pdf> Acesso em: 20/08/2017
LIPTÁK, Béla. Process Software and Digital Networks 3. ed. Boca Raton, FL: CRC Press,
2002. 864 p.
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36
CASSIOLATO, C. Condicionamento de Sinais Analógicos & Sensores. Disponível em:
<http://www.smar.com/brasil/artigo-tecnico/condicionamento-de-sinais-analogicos-sensores>
Acesso em: 21/08/2017
NATIONAL INSTRUMENTS. O que é condicionamento de sinal? Disponível em:
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