Sebastião Samissone Timba

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Automação e Controlo Aula 6 Sistemas de Medidas 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

2 1. Medição de grandezas físicas
Automação e Controlo 1. Medição de grandezas físicas Uma grandeza física pode ser medida qualitivamente e quantitivamente. A medição torna-se útil no controlo do processo em questão. O velocímetro, por exemplo, mede a velocidade em que um móvel contém. Existem diversas grandezas físicas que são atualmente medidas: Pressão, temperatura, humidade, tensão elétrica, frequência, comprimento, etc. A instrumentação é uma das áreas do estudo das medidas elétricas. Para controlar um processo industrial (independente de qual o produto fabricado ou sua área de atuação) é necessária a medição e o controle de uma série de variáveis físicas e químicas,e para isso se utiliza a instrumentação. 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

3 1. Medição de grandezas físicas
Automação e Controlo 1. Medição de grandezas físicas 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

4 2. Sensores, transdutores e atuadores
Automação e Controlo 2. Sensores, transdutores e atuadores Transdutores e sensores são amplamente utilizados em instrumentação. Um transdutor é um dispositivo que converte um tipo de energia qualquer em outro tipo de energia qualquer. O sensor é o elemento sensitivo do sistema. Medidor=sensor+transdutor Sensor detecta uma variável física de interesse. Ex: pressão, temperatura, força. Transdutor transforma essa variável em outra fácil de ser medida. Ex: transformer um sinal de temperature em sinal elétrico 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

5 2. Sensores, transdutores e atuadores 2.1. Classificação dos Sensores
Automação e Controlo 2. Sensores, transdutores e atuadores 2.1. Classificação dos Sensores Quanto à operação: Ativos: não precisam de alimentação externa para produzir um sinal de saída. Ex:o termopar produz um sinal elétrico quando é aquecido. Passivos: precisam ser alimentados para gerar um sinal de saída. Ex: termoresistência Quanto à função: Analógico: Fornece um sinal analógico de saída. Ex: tensão, ângulo de rotação (potenciômetro). Discreto: fornece um sinal de natureza binária, onde os valores estão associados aos estados lógicos. Ex:chaves, encoders. 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

6 2. Sensores, transdutores e atuadores 2.1. Classificação dos Sensores
Automação e Controlo 2. Sensores, transdutores e atuadores Quanto à grandeza física resultante: Mecânicos -Mensurando é transformado em deslocamento e movimento. Elétricos –Mensurando é transformado em tensão devido à variação de resistência elétrica, capacitância, indutância e carga elétrica. Magnéticos-Mensurando é transformado em campo magnético. Ópticos –Mensurando é transformado em sinal óptico. Acústicos- Mensurando é transformado em frequência (ressonância) e amplitude (emissão acústica). Químicos-Mensurando é transformado em alteração da condutividade elétrica. Biológicos- Mensurando é transformado em nível de atividade metabólica. 2.1. Classificação dos Sensores 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

7 2. Sensores, transdutores e atuadores
Automação e Controlo 2. Sensores, transdutores e atuadores 2.2. Princípio de funcionamento dos Transdutores Transdução resistiva-Resistência eléctrica varia com a temperatura (RTD – Resistance Temperature Detector) Transdução fotoresistiva- Condutividade eléctrica do material depende da intensidade luminosa que neles incide (LDR – Light Dependent Resistor) Transdução potenciométrica-Resistência eléctrica varia por variação de um contacto Transdução de galga extensométrica: Resistência eléctrica varia num fio condutor devido ao efeito de uma força (strain gauge). Transdução capacitiva: variação da capacidade por alteração no posicionamento dos eléctrodos ou por alteração do dieléctrico Transdução indutiva: variação da auto-indução de uma bobina por variação externa do fluxo ou variação de núcleo Transdução electromagnética: por variação fluxo magnético por variação do núcleo Transdução da relutância magnética por variação do núcleo Transdução piezoeléctrica: variação da carga ou da tensão eléctrica quando sujeitos a uma força de compressão ou tensão Transdução fotocondutiva: variação da tensão por variação da incidência de luz Transdução fotovoltaica: variação da tensão na junção do semicondutor por variação da incidência de iluminação. Transdução termoeléctrica: força electromotriz num circuito fechado constituído por dois metais diferentes se os pontos de junção estiverem a temperaturas diferentes. 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

8 2. Sensores, transdutores e atuadores
Automação e Controlo 2. Sensores, transdutores e atuadores São responsáveis pela variação de parâmetros do processo a ser controlado. Recebem um sinal proveniente do controlador e agem sobre o Sistema controlado. Praticamente todas as ações físicas realizáveis por um operador humano sobre um processo podem ser realizadas (com maior precisão) por um atuador controlado eletronicamente. 2.2. Actuadores 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

9 2. Sensores, transdutores e atuadores
Automação e Controlo 2. Sensores, transdutores e atuadores 2.2. Actuadores Principais atuadores: -Motores elétricos: controle de movimentos de rotação e deslocamentos; -Válvulas hidráulicas e pneumáticas: controle de fluxo; -Bombas: controle de fluxo e nível; -Resistências elétricas: controle de aquecimento; -Compressores: controle de refrigeração/climatização. 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

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Automação e Controlo 3. Conversores ADC e DAC A natureza apresenta-nos grandezas analógicas (contínuas) no entanto existem muitas situações em que é conveniente poder converter esses sinais numa forma digital (discreta) principalmente por questões de processamento. A figura apresenta um exemplo de um sistema com processamento digital de sinal. • Amostrador Retentor - Este bloco é responsável por recolher amostras do sinal de entrada e reter cada uma dessas amostras até recolher outra. A amostra neste contexto é como uma fotografia instantânea do sinal de entrada que guarda a informação do sinal no instante de amostragem. • ADC - Analog to Digital Converter ou conversor de analógico para digital. A função deste bloco é converter a informação analógica da amostra anteriormente recolhida em informação digital em binário. A partir deste bloco a informação passa a ser transmitida em paralelo por um conjunto de n sinais binários. 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

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Automação e Controlo 3. Conversores ADC e DAC • Processamento Digital - O bloco de processamento digital implementa a função pretendida. Por exemplo numsistema de controlo digital seria neste bloco preparado o sinal de controlo a aplicar ao processo externo. • DAC - Digital to Analog Converter ou conversor de digital para analógico. Este bloco recebe a informação binária resultante A figura ilustra o processo de amostragem e retenção de um sinal. O sinal Vi é analógico. Este sinal é amostrado em instantes de tempo igualmente espaçados nos quais são recolhidas as amostras que compõem o sinal ViA. O efeito da retenção está no gráfico representado sob o nome de ViAR. Tal como o nome indica o valor da amostra é retido até que esteja disponível uma nova amostra. Deve notar-se que este processo de amostragem e retenção implica a perda de alguma da informação do sinal original uma vez que o sinal agora obtido, ainda que mantendo uma semelhança com o sinal inicial, não tem todas as características desse sinal. É necessário garantir que as amostras são suficientemente representativas para que seja possível recuperar a informação fundamental do sinal original. Esta informação fundamental é dependente de cada aplicação. O Teorema de Nyquist afirma que a frequência mínima de amostragem deve ser igual a duas vezes a frequência máxima do sinal a amostrar. 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

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Automação e Controlo 3. Conversores ADC e DAC Considere-se o contador num estado em que a saída está a zero e um sinal de entrada em tensão superior a zero. Nesta situação o comparador da entrada dará uma saída correspondente ao valor de alimentação positiva uma vez que a saída do contador está ligada a um conversor de digital para analógico por forma a que este sinal possa ser comparado com o sinal de entrada. Esta saída permitirá que o sinal de relógio atravesse a porta lógica E e seja utilizado como sinal de relógio para o contador. Desta forma, logo que o sinal de saída for superior ao de entrada, o comparador da entrada terá como saída o valor de alimentação inferior o que não permitirá que o sinal do oscilador atravesse a porta E, terminando o processo de conversão. Antes de uma nova conversão o bloco de lógica de controlo terá de recolocar o contador a zero (através do sinal CL). A designação comum de rampa (ou escada) resulta do facto de a saída de um conversor deste tipo descrever uma rampa (ou escada) até estabilizar no valor correcto da conversão. Deve notar-se que, de acordo com este princípio de funcionamento o conversor terminaria com a saída a conter o valor digital imediatamente superior à entrada. Como desvantagens este conversor apresenta um tempo de conversão elevado e variável. 3.1. Conversores ADC Conversor ADC em rampa 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

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Automação e Controlo 3. Conversores ADC e DAC O conversor de analógico para digital por aproximações sucessivas é uma evolução natural do conversor em rampa que corrige o tempo de conversão variável. É comum ao conversor anterior tendo o contador sido substituído por um bloco de lógica de controlo. Com esta alteração o conversor passa a efectuar sempre o mesmo número de passos em cada conversão, tantos quanto o número de bits. Em cada conversão a lógica de controlo vai colocar o valor lógico 1 em cada um dos bits da saída, do mais significativo para o menos significativo, e testar o resultado. Se a tensão de saída de digital para analógico exceder o valor do sinal de entrada o bit em questão é recolocado a zero e testado o bit seguinte, caso contrário o bit é mantido a um e testado o bit seguinte. No final dos n passos, para um contador de n bits, obtém-se a conversão de analógico para digital. Deve notar-se que, de acordo com este princípio de funcionamento o conversor terminaria com a saída a conter o valor digital imediatamente inferior à entrada. A vantagem de iniciar a verificação pelo bit mais significativo é que o sinal de saída fica mais rapidamente próximo do seu valor final. 3.1. Conversores ADC Conversor ADC por aproximações sucessivas 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

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Automação e Controlo 3. Conversores ADC e DAC 3.1. Conversores ADC Conversor ADC em topologia paralela Como é possível verificar a partir do diagrama de blocos este conversor está baseado numa topologia de conversão paralela por comparação do sinal de entrada Vi com um sinal de referência Vr. Este sinal de referência está disponível à entrada dos diversos comparadores através de um conjunto de divisores de tensão que permite fazer a comparação do sinal de entrada com uma parte do sinal de referência. A informação resultante de cada um dos comparadores é depois codificada permitindo obter a saída num conjunto de n bits. Para melhor compreender o funcionamento do conversor vejamos um exemplo para três bits. Sabendo que a tensão de referência é de 14 Volts é possível estabelecer uma correspondência entre a tensão de entrada e a saída digital. Os sinais ABC compõem a saída digital do conversor. Para o comparador que gera a saída I0 a entrada proveniente da tensão de referência pode ser calculada aplicando um divisor de tensão (considerando os amplificadores operacionais ideais): A resistência total envolvida é 7R 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

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Automação e Controlo 3. Conversores ADC e DAC 3.2. Conversores DAC Se os resistores Ra, Rb ... têm valores relacionados com 𝟐 𝒏 (1R, R2, 4R, ...) Conversor DAC R- 𝟐 𝒏 R . Considerando o caso particular de Rr = R, a equação anterior fica: Se Ra = Rb = Rc = R, o circuito faz a soma das tensões de entrada, inverte o resultado e multiplica por um ganho: Para 0V ou 5V e 4 bits teremos o módulo de tensão: 0000=0V 0001=0,625V 0010=1,250V 0100=2,500V 1000=5,000V 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

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Automação e Controlo 3. Conversores ADC e DAC 3.2. Conversores DAC Na análise, considera-se V a tensão do nível lógico 1. Para a situação (Va = Vb = Vc = Vd = 0), há naturalmente tensão nula na entrada e saída também nula. Para a condição 0001 (Va = 0, Vb = 0, Vc = 0, Vd = V, onde Va é o dígito mais significativo), pode-se considerar as entradas nulas com o mesmo potencial do terra e o circuito equivalente é o mostrado na figura. Conversor DAC R-2R Circuito equivalente Simplificando o circuito por associações sucessivas de resistências em paralelo e em série, pode-se deduzir que a resistência entre o ponto Z e a massa é R. Assim, a tensão Vzo = V/3. A resistência entre o ponto Y e o ponto O é R e, portanto, a tensão Vyo = Vzo/3 = V/6. De forma análoga pode-se concluir que Vxo = Vyo/2 = V/12 e Vpo = Vxo/2 = V/24. Para 0V ou 4.8V, Rr = 4R, Vs = − Rr / 2R (Vpo) = − 2 Vpo e 4 bits teremos o módulo de tensão: 0000=0V 0001=0,4V 0010=0,8V 0100=1,6V 1000=3,2V 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

17 4. Alguns circuitos de Instrumentação
Automação e Controlo 4. Alguns circuitos de Instrumentação Divisor de tensão resistivo Ponte de Wheatstone resistivo Divisor de tensão capacitivo 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

18 4. Alguns circuitos de Instrumentação
Automação e Controlo 4. Alguns circuitos de Instrumentação Ponte de Wheatstone resistivo e Capacitivo Conversão frequência tensão 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

19 4. Alguns circuitos de Instrumentação
Automação e Controlo 4. Alguns circuitos de Instrumentação Conversão tensão frequência 4/19/2019 Sebastião Samissone Timba

20 Fim da aula 6