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SUPERVISÃO E CONTROLE OPERACIONAL DE SISTEMAS Prof. André Laurindo Maitelli DCA-UFRN.

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1 SUPERVISÃO E CONTROLE OPERACIONAL DE SISTEMAS Prof. André Laurindo Maitelli DCA-UFRN

2 AQUISIÇÃO DE DADOS

3 Conceitos É a coleta de informações para fins de armazenamento e uso posterior, como análise dos dados e conseqüente controle e monitoração do processo; Nas aplicações industriais, a aquisição de dados deve ser em tempo real, ou seja, o sistema deve ter a habilidade de coletar os dados ou fazer uma tarefa de controle dentro de uma janela aceitável de tempo ;

4 Conceitos Os elementos básicos de um sistema de aquisição de dados são: Sensores e transdutores; Cabeamento de campo; Condicionadores de sinal; Hardware para aquisição de dados; PC (sistema operacional) Software para aquisição de dados;

5 Conceitos

6 Conceitos Sensor Entrada analógica Condicionador de sinal Circuito sample e hold Conversor D/A Sequenciador programador Registrador Computador Circuito de controle Buffer de saída Outras entradas analógicas Controle Multiplexador analógico

7 Sensores/Transdutores Um transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia ou quantidade física em outra, de acordo com uma relação definida; Quando o transdutor é o elemento sensor que responde diretamente à quantidade física a ser medida, o transdutor é referido como sensor;

8 Transdutores Em sistemas de aquisição de dados os transdutores (sensores) convertem um sinal não- elétrico (pressão, temperatura, vazão, etc) em um sinal elétrico proporcional. Poder ser: Ativos: requerem fontes externas de alimentação. Ex: termopares, opto eletrônicos; Passivos: não requerem. Ex: fotovoltaicos, piezoeléticos, termoelétricos. Sensor Mensurando (não elétrica) Saída (elétrica) Alimentação (se necessária)

9 Transdutores Características: Exatidão: erro entre valor exato e valor medido; Sensibilidade: variação da saída em função da variação da entrada; Repetitibilidade: proximidade de duas medidas do mesmo valor de entrada; Faixa (Range): faixa entre os valores máximo e mínimo da medida;

10 Condicionadores de Sinal Fazem alterações necessárias nos sinais analógicos gerados pelos sensores antes que sejam introduzidos no sistema de aquisição de dados. Tipos: Transmissor; Buffer; Filtro; Amplificador; Conversor; Linearizador.

11 Transmissor Possui as funções de: Padronizar o sinal, proporcionando uma padronização dos instrumentos e interfaces receptoras; Isolar o sinal do processo do sistema receptor Levar a informação para locais remotos, sem corrupção ou deformações; Padrões: 4 a 20 mAeletrônico 3 a 15 psipneumático

12 Buffer Impede o efeito de carga de um circuito em outro V 10 Fonte Buffer Carga V 10 Sem buffer Com buffer

13 Filtros Os ambientes industriais introduzem muitos sinais de interferência espúrios, que afetam o desempenho do sistema, no mínimo, introduzindo grandes erros nos valores das medições; Estes sinais indesejáveis são chamados genericamente de ruído; Podem ser provocados por transformadores, motores elétricos (principalmente partida), disjuntores, chaves, linha de alimentação (60 Hz ou 400 Hz) e outros dispositivos que tenham transiente de tensão.

14 Filtros Eliminam ou atenuam determinadas freqüências dos sinais; Podem ser ativos (amplificadores operacionais) ou passivos. C Vi R Vo Frequência de Corte (atenuação >3dB) fc dB Filtro passa-baixa dB=20log(Vo/Vi)

15 Filtros Ativos Usam Amplificadores Operacionais Filtro passa-baixa ativoFiltro passa-alta ativo

16 Amplificador Altera o nível ou amplitude do sinal; A atenuação pode ser conseguida através de divisores de tensão (resistores em série); A amplificação requer dispositivo ativo, como transistor com o amplificador operacional. + - Vo Vi R2 R1

17 Conversor de Sinal Geralmente converte a variação de um parâmetro elétrico em uma variação proporcional de outro parâmetro. Exemplos: corrente (usada em transmissão) para tensão (usada localmente); tensão em freqüência; resistência em tensão ou corrente.

18 Linearizador A saída do sensor pode ser linearizada usando um amplificador que tenha ganho que seja uma função matemática inversa de sua entrada, fornecendo assim uma saída linear; ff -¹f -¹ x y ff -¹f -¹ ΔPΔP z z=10 x Y=log10 x =x Z = Q 2 = k 2 ΔP

19 Linearizador Variável Saída (1) (3) (2) (1) Curva de transferência do sensor, mostrando a relação não linear entre variável e saída do sensor (2) Curva de transferência do linearizador entre saída e entrada (3) Curva final linearizada, mostrando relação linear entre saída do linearizador e variável medida.

20 Multiplexação É a técnica de compartilhar sinais no tempo sinal analógico Decodificador de endereço Conversor A/D Canais de entradas analógicas Multiplexador sinal digital

21 Multiplexador Analógico Conjunto de chaves paralelas ligadas a uma linha de saída comum; As chaves podem fechar-se sequencialmente ou aleatoriamente; A saída de um MUX é uma série de amostras, tomadas de diferentes sinais de medição em diferentes tempos.

22 Multiplexador Analógico Dispositivo sample e hold T Sinal multiplexado Sinal de controle Multiplexad or 4 canais Decodificador de endereço Sinal binário endereço canal Endereço Canal Sinais de entrada T Sinal sample e hold Hold Sample T/4 Chaves eletrônicas

23 Circuito Amostrador/Segurador Em geral, a amplitude do sinal analógico varia continuamente com o tempo; O sample and hold garante que o sinal permaneça constante durante a conversão A/D. Chave EntradaSaída Acionador da chave Controle da amostra Capacitor

24 Conversor D/A -V +V G Conversor Digital para Analógico (D/A) VoVo VRVR Tensão de saída analógica aoao a1a1 a2a2 a n-1 anan Geralmente o conversor digital para analógico (D/A) é um sub-circuito do conversor analógico para digital (A/D); Os tipos principais de conversor D/A são : amplificador somador de tensão; circuito com resistor ponderado binário ;

25 Amplificador Somador de Tensão R 2 =2R 1 Conversor D/A de 2 bits

26 Amplificador R-2R Utiliza resistores de 2 valores; A resistência de qualquer nó para o terra e para um terminal de entrada é 2R. Bit Tensão saída MSBV/2 2 o MSBV/4 3 o MSBV/8 4 o MSBV/16 5 o MSBV/32 6 o MSBV/64 7 o MSBV/128 8 o MSBV/256 9 o MSBV/512 LSBV/1024 2R RfRf - MSB + VoVo LSB R R R 2R

27 Conversor A/D Há vários métodos para esta conversão, diferindo na precisão, custo, taxa de conversão e suscetibilidade ao ruído. As quatros técnicas principais são: –Tensão para freqüência; –Simultânea; –Rampa; –Aproximação sucessivas. -V +V G Conversor Analógico para Digital (A/D) ViVi Comandos, como finalizar conversão, começar conversão, ler Linhas de saída paralelas bnbn b n-1 b2b2 b1b VRVR

28 Conversor Tensão para Freqüência Converte uma tensão de entrada analógica em uma forma de onda periódica, com uma freqüência que é diretamente proporcional à tensão de entrada; A base da conversão tensão para freqüência é um oscilador com tensão controlada muito linear; O oscilador com tensão controlada deve ser projetado de modo que a relação entre a freqüência de saída e a tensão de entrada seja constante. Oscilador com tensão controlada Gerador de Pulsos Contador Display digital Pulso

29 Conversor A/D tipo Rampa Tensão de entrada analógica Clock Controle + - Conversor D/A escada binária Contador binário Tensão de referência Display digital OBS: O tempo de conversão está diretamente relacionado com a amplitude da tensão de entrada

30 Conversão A/D por Aproximações Sucessivas O sistema começa habilitando os bits do conversor D/A um por vez começando pelo mais significativo. Se v da > v i o bit é setado para zero, caso contrario é setado para 1; Ex: 3 bits, sendo v i =3v OBS: O tempo de conversão depende do n˚ de bits ViVi Clock + - Saída de tensão do Conversor D/A MSB Registro de Aproximação sucessiva Saída serial Saída paralela MSB Comparador de tensão V da

31 Conversor Simultâneo São os mais rápidos conversores operando com taxas da ordem de dezenas de MHz; É utilizado quando altas taxas de conversão com baixa resolução são requeridas; Faz 2 n-1 comparações simultâneas; Entrada analógicaSaída digital 0 a V/4 00 V/4 a V/2 01 v/2 a 3V/4 10 3V/4 a V 11

32 Resolução da Conversão É a menor variação de tensão de entrada que produz variação na saída. É o menor valor detectado em uma medida; Depende do número de bits; Um conversor com n-bits tem 2 n possíveis saídas e a resolução é 1/2 n ; Ex: n=10 bits Resolução: 1/2 10 =1/1024=0.0976%

33 Erro de Quantização Como o conversor A/D pode representar uma voltagem de entrada em uma resolução finita de 1 LSB, o erro máximo é de ±½ LSB;

34 Erro de Quantização Pode haver desvios do erro de quantização: –Erro de offset; –Erro de ganho;


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