Sensores e Transdutores

Um transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia, ou quantidade física, noutra, de acordo com uma relação definida.

Quando um transdutor é o elemento sensível que responde directamente à quantidade física a ser medida e faz parte de um sistema de controlo ou instrumentação, então o transdutor é frequentemente chamado de sensor.

Nos sistemas de aquisição de dados, os transdutores fazem o sensoreamento dos fenómenos físicos e fornecem-nos sinais eléctricos que o sistema consegue aceitar. Por exemplo, os termopares, detectores resistivos de temperatura (RTDs), termístores, e sensores IC convertem a temperatura num sinal de tensão analógico, enquanto os sensores de fluxo produzem trens de impulsos digitais cuja frequência depende da velocidade do fluxo.

Existem duas categorias de transdutores:

– Transdutores Activos – convertem energia não-eléctrica num sinal de saída eléctrico. Não requerem alimentação externa para operar. Os termopares são um exemplo de um transdutor activo.

– Transdutores passivos – alteram um valor eléctrico de rede, tal como uma resistência, indutância ou capacitância, de acordo com as alterações verificadas na quantidade física que estão a medir. Extensómetros (alteração resistiva ao stress/pressão) e as LVDTs (alteração da indutância com o deslocamento) são dois exemplos deste tipo de transdutores. Para ser capaz de detectar tais alterações, os dispositivos passivos necessitam de alimentação externa.

Características dos Transdutores

Os transdutores são classificados de acordo com a grandeza física que medem (ex: temperatura, força, etc.).

Para além da selecção óbvia do tipo de transdutor requerido para medir uma dada grandeza física e considerações de custos envolvidos, as características mais importantes da determinação da aplicabilidade de um transdutor para uma determinada aplicação, são:

Precisão
Sensibilidade
Repetibilidade
Alcance – calibre – intervalo

Precisão

Quando uma gama de medições é feita em qualquer processo é essencial saber a precisão das leituras e se essa mesma precisão é mantida sobre toda a gama de valores ou não.
A precisão de um transdutor descreve o quanto uma sua medição é perto do valor real da variável do processo a ser medida. Ela representa o erro máximo que podemos esperar de uma medição feita em qualquer ponto dentro da gama de operação do transdutor. Os fabricantes dão-nos o valor da precisão do transdutor na forma de percentagem sobre a gama de operação do transdutor, como por exemplo +/- 1% entre 20ºC e 120ºC, ou na forma de taxa (ex: +/- 1%) sobre o intervalo de operação do transdutor.

Sensibilidade

A sensibilidade é definida como a variação no sinal de saída de um transdutor em função de uma variação específica na variável de entrada a ser medida. Dispositivos de elevada sensibilidade, tais como os termístores, podem sofrer alterações de resistência do tipo 5% por ºC, enquanto dispositivos de baixa sensibilidade, tais como os termopares, podem produzir uma tensão de saída que se altera apenas 5 microVolt por ºC.

Repetibilidade

Se duas ou mais medições são feitas a uma variável do processo num estado idêntico, a repetibilidade de um transdutor indica quão perto as medições repetidas estão uma da outra. A capacidade para produzir resultados quase iguais à mesma entrada física ao longo do seu período de vida útil é uma indicação da sua confiabilidade e está geralmente relacionada com o seu custo.

Intervalo de Utilização / Alcance

Um transdutor é geralmente construído para operar dentro de uma certa gama de valores. O alcance é definido como os valores máximo e o mínimo mensuráveis de uma variável de processo entre os quais os limites definidos de todos as outras características especificadas para esse transdutor (sensibilidade, precisão, etc.) são válidas. Um termopar, por exemplo, pode funcionar bem fora do intervalo de operação especificado de 0ºC a 500ºC, contudo a sua sensibilidade fora desse intervalo pode ser menor do que o especificado e, assim, não produzir medições com a precisão e repetibilidade indicadas para o aparelho.
Há muitas variáveis que afectam a precisão, sensibilidade e repetibilidade das medições.
No processo de medição de uma grandeza física, o transdutor altera o sistema a ser monitorizado. Como exemplo, um transdutor de medição de temperatura baixa a temperatura do sistema a ser monitorizado, pois alguma energia é utilizada a aquecer a sua própria massa.
Os transdutores são responsáveis por ruído indesejável da mesma forma que um gravador de cassetes é sensível ao campo magnético alternado do transformador de corrente (o que origina o ruído conhecido como “hum”).
Alguns transdutores estão sujeitos a sinais de alimentação que alteram a sua resposta à grandeza de entrada a ser medida. Como exemplo, uma corrente de alimentação dos RTDs pode resultar em auto-aquecimento do dispositivo, alterando-se assim a sua resistência.

Aquisição e Tratamento de Dados – Teoria (3):

Aquisição de Dados e Configuração do Sistema de Controlo

Aquisição de Dados e Configuração do Sistema de Controlo

Exemplo de Extensómetro

Em muitas aplicações, e especialmente na aquisição de dados e controlo de processos, o poder e a flexibilidade do PC permite aos sistemas de DAQ serem configurados de várias formas, cada uma com as suas vantagens.
A chave para um uso eficaz do PC é a simbiose dos requisitos específicos de uma dada aplicação de aquisição de dados e o hardware e software disponíveis.
A escolha do hardware, e da configuração do sistema, é largamente ditada pelo ambiente no qual o sistema vai operar (ex: laboratório I&D, fábrica, localização remota ou não, etc.). O número de sensores e actuadores necessários e a sua localização física em relação ao PC, o tipo de tratamento/condicionamento de sinal necessário, e a agressividade do ambiente, são factores chave.

Muitas das configurações de sistema mais comuns são:
– Computador com placa I/o plug-in;
– I/O distribuído;
– Registadores e controladores independentes ou distribuídos;
– Instrumentos IE-488.

Computador com placa I/o plug-in

As placas de plug-in I/O são ligadas directamente no bus de expansão do computador, são geralmente compactas, e representam o método mais rápido de adquirir dados para a memória do computador e/ou alterar saídas. Junto com estas vantagens, as placas de plug-in representam também a opção mais barata para um sistema completo de aquisição de dados e sistemas de controlo e são, por isso, comummente utilizadas como um dos artigos de um hardware de DAQ.
Como é mostrado na figura seguinte, exemplos de placas de plug-in I/O são placas de A/D de múltiplas entradas analógicas, placas D/A de múltiplas saídas analógicas, placas digitais de I/O, placas contador/temporizador, placas de controlo especializadas (tais como controladores de servomecanismos e motores de passo-a-passo) ou placas de instrumentação especializadas (tais como osciloscópios digitais).

Placas de DAQ multifuncionais, contendo conversores A/D (ADCs), conversores D/A (DACs), portas I/O digitais e circuitos de contagem ou temporização, realizam todas as funções equivalentes a placas individuais especializadas. Dependendo do número de entradas/saídas analógicas e entradas/saídas digitais necessárias para uma dada aplicação, as placas multifunções representam a melhor relação custo-benefício e a solução mais flexível para sistemas DAQ.
As placas de expansão plug-in são comummente utilizadas em aplicações onde o computador está perto dos sensores usados para as medições ou dos actuadores a serem controlados. Em alternativa, elas podem ser interfaceadas para transdutores e actuadores remotamente localizados, através de módulos de condicionamento de sinal, conhecidos como transmissores de dois-fios. Esta configuração de sistema é discutida na secção seguinte.

I/O Distribuída

Com frequência, os sensores têm de ficar longe do computador onde os dados são processados e armazenados. Isto é especialmente verdade nos ambientes industriais, onde os sensores e os actuadores podem estar localizados em ambientes hostis, numa grande área, possivelmente a centenas de metros de distância do computador. Em ambientes ruidosos, é muito difícil aos muito pequenos sinais recebidos dos sensores tais como termopares e extensómetros (da ordem dos mV) sobreviver na transmissão a longas distâncias, especialmente na sua forma bruta, sem a qualidade dos dados do sensor ser comprometida.
Uma alternativa de montar longos, e possivelmente caros, fios sensores, é o uso de I/O distribuída, que está disponível na forma de módulos condicionadores de sinal remotos, localizados perto dos sensores aos quais servem de interface. É necessário um módulo para cada sensor utilizado, permitindo elevados níveis de modularidade do sistema (desde um a centenas de pontos por localização). Embora isso possa tornar os sistemas mais caros, os benefícios em termos da qualidade do sinal e fiabilidade podem valer a pena.
Uma das formas de I/O distribuídas mais utilizadas é o transmissor digital. Este dispositivos inteligentes executam todas as funções de tratamento/condicionamento do sinal (amplificação, filtragem, isolamento, etc.), contêm um microcontrolador e um conversor A/D, para executar a conversão digital do sinal dentro do próprio módulo. Os dados convertidos são depois transmitidos para o computador através de uma interface de comunicação RS-232 ou RS-485. A utilização de redes de multiqueda RS-485, como mostrado na figura seguinte reduz a quantidade de cabo necessário, pois cada módulo de condicionamento de sinal partilha o mesmo par de cabos. Ligar até 32 módulos, a distâncias de comunicação até 10km, é possível usando uma rede multiqueda RS-485 standard. Contudo, como poucos computadores têm de raiz o suporte para o standard RS-485, é necessário um conversor RS-485 para RS-232 para permitir a comunicação entre o computador e os módulos remotos.