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Instrumentação eletroeletrônica Aquisição de dados e elementos finais de controle Prof. Giancarlo Michelino Gaeta Lopes • Unidade de Ensino: 4 • Competência da Unidade: compreender os elementos de aquisição de dados. • Resumo: Apresentar os diferentes tipos de um sistema de aquisição de dados, a conversão entre sinais analógico e digital, os elementos finais de controle. • Palavras-chave: Placas de aquisição de dados; Conversão analógico/digital; Conversão digital/analógico; Válvulas de controle. • Título da Teleaula: Aquisição de dados e elementos finais de controle • Teleaula nº: 4 Contextualização • Como realizar a aquisição de dados de um sensor? Como disponibilizar esses dados para o usuário final? • Como funciona um conversor analógico digital? E um digital analógico? • Como a instrumentação interage com os sistemas de comunicação? Sistemas de aquisição de dados • Aquisição de dados: processo de medição de variáveis físicas e amostrar o resultado em uma forma de fácil visualização e interpretação. • Sistema de Aquisição de Dados. Fonte: https://goo.gl/nad8e7e. • Um sistema de aquisição de dados possui: • Sensor; • Condicionador de sinal: amplificador de Instrumentação. Fonte: https://goo.gl/a52sa8af. Acesso em: 8 fev. 2018. Fonte: https://goo.gl8a7d4ed2. Acesso em: 8 fev. 2018. • Exemplos de Sistemas DAQ: • Placas Internas; • Sistemas por USB; • Sistemas de Comunicação serial; • Controladores Lógicos Programáveis. Fonte: https://goo.gl/9VDQmM. Acesso em: 18 fev. 2018. Fonte: https://goo.gl/3pF4f6. Acesso em: 18 fev. 2018. Comunicação do DAQ com o PC • RS – 232: permite a comunicação só entre dois equipamentos; • RS – 485: permite mais de dois equipamentos, mais velozes e permite maiores distâncias; • USB: Protocolo de comunicação mais recente. Fonte: https://goo.gl/23fvaw. Acesso em: 18 fev. 2018. Hardware de aquisição de dados • Hardware de aquisição de dados: interface entre o mundo externo e o computador. Fonte: https://goo.gl/6sciHb. Acesso em: 18 fev. 2018. Fonte: https://goo.gl/GreDff. Acesso em: 18 fev. 2018. • Entradas analógicas: • Número de canais: • Entrada simples • Entrada diferencial • Taxa de amostragem • Teorema de Nyquist • ������ > 2 � ������ • Resolução: menor passo de incremento do sinal; • Escala: limites mínimo e máximo. Fonte: https://goo.gl/LbwgHJ. Acesso em: 18 fev. 2018. • Saídas analógicas • Utilizam um conversor digital-analógico (D/A); • Tempo de ajuste; • Slew rate; • Resolução de saída; Fonte: Soloman (2012, p. 228) • Entradas e saídas digitais • Contato seco – interruptores; • Acionamento de cargas. Fonte: https://goo.gl/strsaaer34. Acesso em: 18 fev. 2018. Fonte: o autor. • Contador/temporizador: • contagem de eventos; • acompanhamento de medidas de fluxo; • contagem de frequência; • medidas de largura de pulso e período de tempo; Fonte: https://goo.gl/aweq98e. Acesso em: 18 fev. 2018. Sistema de aquisição de dados para estufa • Você trabalha em uma empresa de consultoria em instrumentação e automação • Sua empresa foi contratada por uma pequena cooperativa de agricultores que desejam monitorar e controlar a temperatura, a umidade e a irrigação nas suas estufas; • Que tipo de soluções a sua empresa pode oferecer para tirar o máximo proveito dessas estruturas? Resolvendo a situação-problema • Pequena cooperativa sugerir estratégias de controle simples e equipamentos de menor custo; • Controle climático nas estufas: • Temperatura: termostato controla a abertura e fechamento de janelas controle liga/desliga com histerese; • Umidade relativa do ar: abertura da janela do telhado nas primeiras horas da manhã; • Controle climático nas estufas: • Sistema de irrigação com tanque de regulação, aspersores e sistema de distribuição programação para o funcionamento com tempos de rega fixos conforme a experiência do produtor; • O controle pode ser feito em um computador; Fonte: https://goo.gl/s5se78. Acesso em: 18 fev. 2018. • Requisitos mínimos para a placa de Aquisição de Dados: • Duas entradas digitais → ler a temperatura; • Um temporizador → controlar janela do telhado; • Um temporizador → controlar a irrigação; • Uma saída digital → acionar a válvula de irrigação; • Duas saídas digitais → motores das janelas. Fonte: https://goo.gl/qc4iUK. Acesso em: 18 fev. 2018. Conversor digital-analógico • Recebem como entrada um sinal digital, na forma de uma palavra de n bits, e disponibilizam na sua saída uma informação analógica cujo formato pode ser tanto na forma de tensão ou de corrente; ENTRADA DIGITAL SAÍDA ANALÓGICA A1 A2 Vout (V) 0 0 0,0 0 1 1,0 1 0 2,0 1 1 3,0 • Características de um D/A: • Resolução: variação na tensão de saída quando um código de entrada tem a variação de um bit. • Tempo de estabelecimento: tempo entre a disponibilização do código digital de entrada até o instante que a saída atinge o nível analógico; • Margem dinâmica: determina os valores máximos e mínimos do sinal analógico de saída varia; • Erro de deslocamento: valor de saída quando a entrada é zero; • erro de fim de escala: desvio que sofre a saída em relação ao seu valor ideal; • Conversor D/A básico: Fonte: FIALHO, 2010. Fonte: FIALHO, 2010. Conversores analógico-digital Conversor analógico-digital • Recebe um sinal elétrico analógico de entrada e, depois de um certo tempo, produz um código digital de saída que representa a entrada; • Etapas da conversão A/D: Amostragem Retenção Quantificação Codificação • Amostragem: retira uma amostra do sinal analógico; • Retenção: tempo que a amostra é retida para que seja realizada a conversão do sinal analógico em digital; • Quantificação: define a magnitude de cada uma das amostragens recebidas; • Codificação: gera o código binário a partir quantificação realizada; • Conversor Analógico – Digital (A/D) Fonte: https://goo.gl/a4t1aWQ. Fonte: Soloman (2012, p. 227) • Informações importantes sobre a conversão: • Amostragem → ������ = 10 � ������� • Resolução ou sensibilidade � = 1 2� − 1 � �� Onde: S é a sensibilidade (resolução) do conversor N é o número de bits FE é máximo valor (fundo de escala) • Técnicas para a conversão A/D • Com comparador; • Com rampa em escada; • De aproximações sucessivas; • De rampa única; • De dupla rampa. Fonte: FIALHO, 2010. Fonte: FIALHO, 2010. • Especificações de um conversor A/D: • Resolução em bits; • Taxa de amostragem; • Interface de comunicação; • Faixa de tensão de referência; • Presença de tensão de referência simples ou simétrica; • Entrada comum ou diferencial; Situação-problema • Você trabalha em uma empresa de consultoria em instrumentação e automação; • Sua empresa foi contratada por uma metalúrgica que deseja monitorar a temperatura de um dos seus fornos por meio de um computador pessoal; • É necessário que o equipamento seja ajustado para que não sejam perdidas informações importantes da medição. Qual solução oferecer? • Características do forno que deve ter a sua temperatura monitorada: • Atinge temperatura máxima de 650 ºC; • A empresa já possui um termopar do tipo J faixa de operação: 227°C à 750°C; • Possui também um conversor A/D de 8 bits; Resolvendo a situação-problema • O erro do termopar tipo J é de 0,75 % você deve ajustar o fundo de escala do conversor para que a resolução seja no mínimo igual ao erro do termopar; • A melhor resposta do sistema se dá quando temos a menor resolução possível; • A faixa de operação do termopar é de: ����� = 650°� − 227°� = 423ºC • Ajustando essa faixa para a quantidade de bits do conversor A/D, a resolução da conversão fica: � = 1 2� − 1 � ����� = 1 2� − 1 � 423 � = 1,658823529 ℃ • É necessário um circuito de condicionamento para adequar o sinal do termopar dentro da faixa de operação do conversor A/D.Atuadores • Atuadores são elementos que agem diretamente sobre um processo, executando uma ação. Fonte: https://goo.gl/DmFa9e. Acesso em: 18 fev. 2018. Fonte: https://goo.gl/aje4t68. Acesso em: 18 fev. 2018. Controle de vazão • Por válvulas solenoide e pneumáticas; Fonte: https://goo.gl/F7v6eT. Acesso em: 18 fev. 202. Fonte: Aguirre (2013, (a) p. 304 Motores • CC – controle fácil; • CA – controle complexo. Fonte: https://goo.gl/Ukj79o. Acesso em: 18 fev. 2022. Inversor de frequência • Controla a velocidade e o torque (controle vetorial) �� = 120 � � ����� Fonte: https://goo.gl/1WzX7H. Acesso em: 18 fev. 2022. Fonte: https://goo.gl/images/v16mtY. Acesso em: 18 fev. 2022. Bombas • Por meio da pressão gerada no bocal de descarga converte a energia cinética do seu rotor em energia potencial; Fonte: https://goo.gl/images/SM2y7y. Acesso em: 18 fev. 2022. Fonte: AGUIRRE, 2013. • Outros atuadores: • Conjunto de resistências elétricas; • Cilindros hidráulicos e pneumáticos; iStock/ribeirorocha ID: 1077249394 Recapitulando • Sistemas de aquisição de dados; • Hardware de um sistema de aquisição de dados; • Conversor A/D e D/A; • Elementos finais de controle: atuadores;
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