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Guias e Dicas
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controlador logico, Notas de estudo de Automação

condicionamento

Tipologia: Notas de estudo

2010

Compartilhado em 15/06/2010

anderson-de-amorim-ramos-3
anderson-de-amorim-ramos-3 🇧🇷

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INSTRUMENTA
INSTRUMENTAÇ
ÇÃO
ÃO
(M412)
(M412)
CAP
CAPÍ
ÍTULO II
TULO II
Condicionamento
de
sinais analógicos
2006/2007
©Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM 2
Bibliografia do cap
Bibliografia do capí
ítulo
tulo
Curtis D. Johnson,
Controlo de Processos -
Tecnologia da Instrumentação, Edição da Fundação
Calouste Gulbenkian, 1991
Gustavo da Silva
, Instrumentação Industrial, Edição
da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, 1999
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INSTRUMENTAÇINSTRUMENTAÇÃOÃO

(M412)(M412)

CAPÍ CAPÍTULO IITULO II

Condicionamento

de

sinais analógicos

Bibliografia do capí Bibliografia do capítulotulo

  • Curtis D. Johnson, Controlo de Processos - Tecnologia da Instrumentação , Edição da Fundação Calouste Gulbenkian, 1991
  • Gustavo da Silva, Instrumentação Industrial , Edição da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, 1999

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^3

Índice do cap Índice do capíítulotulo

  • Princípios básicos
  • Pontes de Wheatstone
  • Filtros RC passivos e activos
  • Amplificadores operacionais
  • Amplificadores de instrumentação
  • Conversores de sinais (I/V e V/I)

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analóanalógicosgicos

„ Princípios básicos de condicionamento

de sinal analógico

‹ Alteração do nível do sinal: os casos mais

simples são a amplificação e a atenuação

( modulação em amplitude ).

‹ Alteração da frequência do sinal: Neste

caso, diz-se que se está a proceder a uma

modulação em frequência.

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^7

analanalóógicosgicos

„ Linearização (continuação): A equação

deste amplificador, é dada por:

‹ em que: ” VA = Tensão de saída do amplificador ” VIN = Tensão de entrada no amplificador =V (^) i ” K = Constante de ganho (ou de calibração)

VA = K ×ln( V (^) IN ) (2.2)

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Linearização (continuação): Substituindo

(2.1) em (2.2), obtém-se:

‹em que Vi =VIN => Relação linear entreVA e I

V K.ln(V )-α.K.I (2.3)

V K.ln(V .e )

A 0

α.I A 0

=

=

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^9

analanalóógicosgicos

„ Linearização (continuação): Gráficos de saída

do transdutor não-linear e do amplificador.

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Circuitos passivos: Vamos considerar os

seguintes circuitos básicos:

” Circuito divisor de tensão

” Ponte de Wheatstone

” Filtros (passivos)

‹ Circuito divisor de tensão : É geralmente

utilizado para converter uma variação de

resistência numa variação de tensão.

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^13

analanalóógicosgicos

„ Problema 2.1. Circuito divisor de tensão:

‹Considere no esquema anterior Vs=5.0 V, R1=10 kΩ e que R2 varia de 4 a 12 k Ω. Determine a variação de V D , a gama de variação da impedância de saída e a potência dissipada no transdutor. ‹ Resolução: Para R2=4 kΩ, tem-se:

5 1,43 V 4 10

4 VD ⎟× = ⎠

⎞ ⎜ ⎝

=

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Problema 2.1. Circuito divisor de tensão

‹Para R2=12 kΩ, tem-se:

‹Impedância de saída Rs:

.5 2,73 V 12 10

12 VD ⎟ = ⎠

⎞ ⎜ ⎝

=

5,45 kΩ 12 10

R

2,86 kΩ 4 10

R

S

S

⎟^ =

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^15

analanalóógicosgicos

„ Problema 2.1. Circuito divisor de tensão

(cont.):

‹Potências dissipadas na resistência R2:

P 2,73 /12000 0,62 mW

P 1,43 /4000 0,51mW

R

V

R

V P V.I V.

2

2

2

= =

= =

⎟ = ⎠

⎞ ⎜ ⎝

⎛ = =

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Ponte de Wheatstone: É utilizada em aplica-

ções em que a resistência do transdutor varia

com uma grandeza dinâmica. No esquema, a

letra D corresponde a um detector de zero,

utilizado para comparar os potenciais entre os

pontos a e b. No caso mais geral, o detector de

zero é constituído por:

Amplificador diferencial

de elevada impedância

de entrada

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^19

analanalóógicosgicos

„ Ponte de Wheatstone: Do circuito anterior,

verifica-se que ∆ V=0 , quando:

‹ Esta condição é independente do facto de poder haver variações na tensão de alimentação V da ponte. ‹ A equação deV e a equação acima representa- da, constituem a base de aplicação das pontes de Wheatstone em instrumentação, utilizando detectores de elevada impedância de entrada.

R 3 R 2 = R 1 R 4

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Ponte de Wheatstone:

‹ Compensação de ligações: A resistência das ligações compridas pode ser alterada de uma forma transitória (efeitos devidos a ruído, térmicos, vibrações, tensões parasitas, etc..)

‹ Solução do problema: Utilizar uma compensação de ligações de tal forma que, qualquer variação na resistência das ligações vá afectar de igual forma os dois braços do circuito da ponte.

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^21

analanalóógicosgicos

„ Ponte de Wheatstone:

‹ Compensação de ligações: Esquema típico. (Nota: R3 e R4 alteram-se da mesma forma, pelo que: (R3R2=R1R4)** ‹‹ Portanto, não há alterações na tensão de desvio da ponte.

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Ponte de Wheatstone:

‹ Ponte equilibrada por corrente: A ponte de

Wheastone tem que ser equilibrada através da

variação das resistências nos braços da ponte.

DESVANTAGEM! DESVANTAGEM!

‹ Solução actual: Equilíbrio electrónico da ponte

através do fornecimento de uma corrente de

compensação. Deste modo, só são utilizadas

resistências fixas na ponte de Wheatstone.

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^25

analanalóógicosgicos

„ Ponte de Wheatstone:

‹ Pontes de corrente alternada: O procedimento é análogo ao utilizada para corrente contínua, pelo que:

‹Nesta equação: ” E=Tensão de excitação sinusoidal ” Z1=Z2=Z3=Z4=Impedâncias da ponte

.E

(Z Z ).(Z Z )

Z Z Z Z

∆E

1 3 1 4

3 2 1 4

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Ponte de Wheatstone:

‹ Pontes de corrente alternada: O equilíbrio da ponte, é dado por:

‹‹^ Exemplo 2.9: ”” Z1=1 kΩ ; Z2=2 kΩ ; Z3=1 kΩ/1 μF ; Zx=? ” Do esquema, e como a ponte está equilibrada:

Z 3 Z 2 = Z 1 Z 4

Z 2 Z 3 = Z 1 Z x

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^27

analanalóógicosgicos

„ Ponte de Wheatstone:

‹ Exercício 2.9 (Cont.): Deste modo, tem-se:

x

x

x

x

C

R

RR j

C

R

R R j

C

R R j

C

R R j

ω ω

ω ω

1 1

2 2 3

2 3 1

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Ponte de Wheatstone:

‹ Exercício 2.9 (Cont.): Satisfazendo as partes reais e imaginárias em separado, tem-se:

‹Substituindo valores:

2

1 x 1

2 3 x

R

R

0 C C

R

R R

R − = =

0,5 μF 2

1 2 kΩ C 1 1

2 1 R (^) x = x = =

×

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^31

analanalóógicosgicos

„ Filtro RC passa-baixo:

‹ A frequência crítica é dada por:

‹ A relação de amplitude entre as tensões de entrada/saída, para qualquer frequênciaf do sinal, é dada por:

(rad/s)

1 (Hz) ; 2

1 RC RC

f c = ω c =

2

c

i

o

f
f
V
V

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Filtro RC passa-baixo

‹O produto ζ (segundos)=R ( Ω ) * C (F), define a constante de tempo do filtro. Esta grandeza caracteriza a rapidez de resposta do filtro quando submetido a uma entrada degrau.

A constante de tempo do filtro indica o tempo que a tensão Vc demora a atingir 63,2 % do seu valor máximo (Vo)

− RC

t

Vo Vi 1 e

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^33

analanalóógicosgicos

„ Filtro RC passa-baixo

‹ Diagrama de resposta em frequência. (Nota: eixo das abcissas (f/fc) – logarítmico).

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Filtros passivos de 1ª ordem

Filtro RC passa-baixo: Diagrama de resposta em frequência (aproximação assimptótica).

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^37

analanalóógicosgicos

„ Filtro RC passa-baixo

‹ Problema 2.10 (cont): Para obter a relação de entrada/saída a 1 kHz, aplica-se a expressão do filtro em função da frequência, pelo que:

‹Em decibeis (dB) - unidade corrente quando se está a lidar com sinais em frequência, teremos:

20 ln ( 0 , 995 ) 1 , 003 dB V

V 20 ln V

V 10 i

o 10 i dB

o (^) = × =− ⎟⎟ ⎠

⎞ ⎜⎜ ⎝

⎛ ⎟⎟ = × ⎠

⎞ ⎜⎜ ⎝

V
V

i^2

o (^) =

⎟ ⎠

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Filtro RC passa-alto

„ Este filtro, deixa passar as altas frequências e

rejeita as baixas frequências.

”A frequência crítica deste filtro obtem-se através da mesma expressão obtida para o filtro passa-baixo, ou seja:

”A relação entrada-saída é dada pela seguinte expressão: ( )

( )

2 c

c

i

o

1 f/f

f/f

V

V

=

(Hz)
RC
f c

© Luis Filipe Baptista – ENIDH/DMM^39

analanalóógicosgicos

„ Filtro RC passa-alto passivo:

‹ Esquema típico deste filtro e diagrama temporal de variação da resposta do filtro para uma entrada degrau.

Condicionamento de Condicionamento de sinaissinais

analanalóógicosgicos

„ Filtro RC passa-alto:

‹ Diagrama de resposta em frequência