Instrumentação e controlo, transdutores e condicionadores de sinal
robótica
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Adriano A. Santos Departamento de Engenharia Mecânica Instituto Politécnico do Porto
AUTOMAÇÃO E CONTROLO
1.ª Parte
INTRODUÇÃO Um transdutor é um equipamento que transforma o sinal proveniente de uma grandeza física não elétrica, como a pressão, a temperatura, a humidade, e outros num outro tipo de sinal, normalmente elétrico. Os transdutores, atualmente integrados num único componente, podem ser divididos em três fases de processamento do sinal elétrico de saída em resposta à medida física pretendida (Figura 1). No entanto, o transdutor propriamente dito é o elemento que converte o sinal da grandeza física num sinal de saída elétrico na ordem dos milivolt ou miliampere.
Grandeza Física (pressão, temperatura, humidade, e outros)
Transdutor
Sinal de saída (sinal elétrico)
Figura 1. Princípio de funcionamento de um transdutor.
Nos casos em que os sensores não proporcionam um sinal de saída elétrico há a necessidade de utilizar equipamentos de conversão (condicionamento de sinal) para converter a variação de resistência, por exemplo, os sinais provenientes das sondas de temperatura PT-100 em sinais elétricos com recurso a pontes de Wheatstone. Os equipamentos de conversão, através de uma alimentação elétrica, estabelecem uma relação entre a resistência e a temperatura da sonda tendo como base a resistência em ohms à temperatura absoluta e a resistência à temperatura absoluta de referência. Esta relação é representada pela equação de Steinhard e Hart que relaciona, de forma empírica, a temperatura absoluta T com a resistência R do elemento sensor. O sinal elétrico de saída é gerado pelo conversor com base na variação da resistência (negativa ou positiva) ocorrida na sonda. Na Figura 2 apresenta-se um conversor e uma sonda de temperatura (PT-100) usada na medição da temperatura de um dado processo.
Figura 2. Equipamento de conversão e sonda de temperatura PT-100 (Siemens).
O circuito de condicionamento e processamento de sinal é um circuito, elétrico ou eletrónico, capaz de processar o sinal transmitido pelo transdutor, linearizando-o e standardizando-o dentro dos limites da aplicação. As saídas analógicas standardizadas, resultantes dos sinais elétricos destes equipamentos são
realizadas em corrente (0...5, 0...10, 0...20 e 4...20 mA) ou em tensão (0...+5, 0...+10, -5...+5 e -10...+10 V). No entanto, a saída mais utilizada é a saída de 4...20 mA sendo mesmo considerada como a saída universal. Assim, e a título de conclusão desta introdução, pode-se dizer que com o recurso a transdutores podemos utilizar instrumentação eletrónica para medir, modificar e melhorar o atual estado tecnológico das aplicações industriais.
CLASSIFICAÇÃO E CARATERÍSTICAS DOS TRANSDUTORES Os transdutores poderão ser classificados em ativos e passivos. Os ativos são aquele que por ação direta da grandeza a ser tratada são capazes de gerar sinais elétricos intrínsecos no elemento sensor. São constituídos por um único elemento que não necessita de alimentação exterior para a obtenção do sinal. Os passivos são aqueles que necessitam de alimentação elétrica exterior. Nestes enquadram-se os transdutores com princípios de funcionamento baseados na resistividade, capacitância, e outros. Do ponto de vista do sinal proporcionado na sua saída, os transdutores podem ser classificados em analógicos e digitais que, por sua vez, se poderão subdividir em absolutos e incrementais. Nos analógicos o sinal de saída é proporcional à magnitude da grandeza física a medir em todo o seu campo de atuação. Nos digitais, divididos em absolutos e incrementais, o sinal de saída apresenta-se na forma de níveis discretos de tensão associados a valores numéricos preestabelecidos. Estes serão absolutos quando os sinais obtidos são referentes a uma origem fixa e incrementais quando os sinais são referenciados a valores anteriores. Partindo desta classificação e do modo de funcionamento poderá dizer-se que cada transdutor possuirá uma relação medida-saída, descrita por uma equação teórica ou representação gráfica e como tal, os transdutores apresentam, normalmente, caraterísticas de transferência lineares onde a reta representa a relação de transferência ou a função referência do transdutor. Nos casos de não linearidade deve-se limitar o uso do transdutor ao intervalo de funcionamento em que a resposta se torne linear. A escolha de um transdutor deverá, então, estar sujeita a uma série de pressupostos fundamentais para determinar a sua capacidade para realizar o controlo de uma dada grandeza física como o intervalo de trabalho (adequado à magnitude da grandeza a medir), a sensibilidade (sinal de saída suficiente por unidade de entrada), a resposta (velocidade de respostas às alterações da grandeza medida), o formato da saída elétrica (saída