4 a 20 mili amperes 0 a 10 volts relatorio projeto circuito trabalho

RELATÓRIO SOBRE TRABALHO FINAL DA DISCIPLINA DE
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
TRANSMISSOR DE TEMPERATURA
12 / 2015

SUMÁRIO
1. Introdução ......................................................................................................................... 3
1.2.1. Objetivo geral .............................................................................................................. 4
1.2.2. Objetivo específico ...................................................................................................... 4
2. Descrição Geral ................................................................................................................. 3
2.1. Hardware........................................................................................................................ 3
2.1.1. Circuito de corrente..................................................................................................... 3
2.1.2. Ponte de Wheatstone ................................................................................................... 5
2.1.3. Amplificador diferenciador ......................................................................................... 7
2.1.4. Circuito de corrente de saída ....................................................................................... 9
2.1.5. Circuito de tensão de saída ........................................................................................ 11
2.2. Características e Resultados ......................................................................................... 14
2.2.1. Características Elétricas ............................................................................................ 14
2.2.2. Características Estáticas ............................................................................................. 15
2.2.3 Características Dinâmicas ........................................................................................... 16
3. Conclusão....................................................................................................................... 19
4. Apêndice ......................................................................................................................... 20
4.1 Esquema elétrico............................................................................................................ 20
4.2. Layout PCI.................................................................................................................. 21
4.3. Tabela de termorresistência.......................................................................................... 21

1
1. Introdução
Nos processos de fabricação industrial são utilizados vários instrumentos com finalidade
levantar variáveis de processo.
Estes instrumentos são conhecidos como sensores, e para que os sensores possam ter suas
medições compreendidas para gerenciar e controlar estes processos faz-se necessário o uso de
transmissores.
Os transmissores ou sensores tem a finalidade de transformar uma variável entregue por um
determinado elemento sensor que pode ser resistência, tensão, corrente, etc. em um valor de
tensão e ou corrente adequado para a interpretação de um controlador lógico.
O relatório deste projeto trata do desenvolvimento de um transmissor com a finalidade de
fazer esta conversão.
Um transmissor de temperatura com saída de 0 a 10 volts e corrente de 4mA a 20mA
direcionado para leitura de um elemento sensor PT 100 em escala de temperatura de 0° a 100°
Centígrados, é descrito a partir de seus cálculos para desenvolvimento construção e resultados
finais, bem como uma abordagem das características do elemento sensor na escala citada.
1.1. Metodologia
A proposta do circuito transmissor tem como foco responder de forma constante e regular
as mudanças de níveis de temperatura.
Utilizando um elemento sensor tipo PT 100 de platina para ler uma temperatura na faixa de
0 a 100 graus Celsius, onde o circuito deve entregar uma saída de tensão de 0 volts e 4 mA para
0° Celsius, e 10 volts e 20 mA a 100° Celsius. O circuito deve também suportar uma impedância
de até 600 Ω na saída de corrente.
O circuito visa atender aos valores desejados, assim como o objetivo de ser pequeno com
componentes de fácil acesso.
Captar a variável
Tratar e
amplificar a
variável
Ajustar as
tensões de saída
para o desejado

2
Porém devido as caraterísticas dinâmicas do amplificador algumas limitações aparecem no
circuito com relação as tensões de saída.
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo geral
Projetar um circuito transmissor que entregue os valores desejados, respeitando o tipo de
elemento sensor, buscando ser o mais próximo possível das medições calculadas, dentro das
propostas de construção física considerando os objetivos específicos.
1.2.2. Objetivo específico
Captar os valores a serem interpretados dentro da faixa de temperatura do PT 100 utilizado.
Construir o circuito transmissor utilizando componentes de fácil acesso.
Utilizar a menor quantidade possível de componentes visando baixo custo do projeto.
Respeitar os níveis de grandeza que melhor se adequam tanto para o perfeito funcionamento
do elemento sensor quanto suas variáveis de resposta, corrente e tensões do PT 100, de forma
que pequenas interferências não venham a causar grandes erros de medição.
Utilizar o mesmo sinal de tensão para a corrente sem que sofra perda quando houver na uma
impedância de até 600 Ω no circuito de saída de corrente.
Permitir ajuste para correção de valores não ideais dos componentes.

3
Transmissor de temperatura
2. Descrição Geral
Para que os objetivos sejam atingidos foi necessário reduzir o circuito o máximo possível
sem que houvesse perda de qualidade nos resultados. Porém o circuito resultante sofreu
algumas perdas.
A necessidade de se trabalhar com componentes de fácil acesso e com circuitos mais
simples implicaram numa maior dificuldade de ajuste, porém admissível.
O circuito idealizado seque o diagrama de blocos abaixo.
Cada parte do circuito tem uma função, partindo do circuito de corrente para adequar as
características do PT 100, passando pela ponte de wheatstone para preparar as tensões
resultantes que, sequencialmente são interpretadas por um amplificador operacional
configurado como um diferenciador. As tensões resultantes na saída do amplificador são
posteriormente manipuladas por um circuito de tensão flutuante e outro circuito de espelho
de corrente para obter os valores de corrente e tensão desejados.
2.1. Hardware
O projeto foi idealizado em um circuito analógico que pudesse permitir o ajuste com
auxílio do software Proteus Isis, e sua PCB desenvolvida com a ferramenta Ares. As imagens
do circuito projetado seu layout para PCI e finalizado se encontram no apêndice deste
relatório.
Para um bom resultado na precisão da leitura do elemento sensor, foi preciso garantir
uma corrente próxima a exigida no datasheet do componente PT 100, de onde parte a
primeira etapa do circuito transmissor.
2.1.1. Circuito de corrente.
Circuito de
corrente
Ponte de
Wheatstone
Elemento
sensor
Amplificador
diferenciador
Circuito de
corrente de saída
Circuito de
tensão de saída

4
Esta primeira etapa conta com um circuito de controle de corrente apoiada na
configuração do CI LM 317 (U1) como regulador de correte, conforme seu datasheet.
O CI LM 317 é um regulador de tensão com alimentação de 1.25 V a 37 V, configurado
no circuito como regulador de corrente, regulando a que irá circular sobre o PT 100.
A corrente ideal de excitação do elemento sensor PT100 de platina deve ser de 1mA. No
circuito é aplicada uma corrente de 2,5mA.
Este valor é admissível pois conforme a tabela de termorresistência do datasheet, a
potência que irá dissipar com esta corrente na faixa de temperatura desejada está abaixo da
máxima admissível de 5mW.
Foi escolhido um valor maior de corrente, para que o ganho do amplificador fique o
menor possível, diminuindo interferências no ganho. Abaixo o esquema do circuito de
corrente indica o valor de corrente na saída.
Conforme os dados do datasheet do LM 317 foram feitos os seguintes cálculos para obter
a corrente desejada.
Cálculos do circuito de corrente.
Cálculo da corrente desejada.

5
2.1.2. Ponte de Wheatstone
Na sequência faz se uso de um circuito de ponte de resistores tipo wheatstone. Este
circuito tem a finalidade de gerar duas alimentações de níveis praticamente iguais para as
entradas do amplificador diferenciador.
Nele é feito um artifício muito importante para que o número de componentes seja menor.
O esquema abaixo demostra a configuração das resistências e onde vai conectado o elemento
sensor.
No esquema foram inseridos dois resistores de 1,2 KΩ, um de cada lado da ponte. No
lado oposto ao PT 100 um potenciômetro em escala de 100 Ω para poder ajustar uma
resistência igual a resistência da faixa de temperatura do sensor. Este potenciômetro acaba
sendo a chave para um circuito menor, pois nele é feito o ajuste para se obter uma tensão
desejada para a corrente que o circuito tem que ter na saída, e consecutivamente acaba sendo
a mesma da tensão que deve haver de resposta para as faixas de temperaturas sentidas pelo
PT100.

6
Ao invés de se ter um circuito para a tensão e aproveitar esta tensão para outro circuito
de corrente, é usada uma só tensão para os dois ao mesmo tempo.
A solução encontrada para reduzir o tamanho do circuito consiste em ajustar este trimpote
(RV1) para um valor abaixo do valor da resistência do PT100 para 0° Celsius, que seria de
100 Ω.
Isso cria no circuito uma diferença inicial de tensão proporcional a necessária para obter 4
mA para 0 graus na saída do transmissor.
Para que isto ocorra é preciso considerar todo o circuito.
A partir da relação entre tensão e corrente será obtido um valor de tensão para a corrente,
abordado mais adiante.
No lado do PT 100 foram obtidos os valores de tensão para 0 graus e 100 graus
Celsius, bastando apenas calcular a corrente em cima do mesmo, pois o circuito de
corrente, mantém uma corrente constante sobre ele.
A corrente, porém, é dividida nos ramos da ponte, onde estão os resistores de 1,2 KΩ
para forçar uma queda de tensão 10 vezes a do PT 100. Assim ocorre uma divisão da corrente
igual nos dois ramos da ponte, fazendo com que a corrente sobre o trimpote RV1 de ajuste
da ponte seja a mesma do PT 100, vindo os dois a ficarem com as resistências diretamente
relacionadas as tensões que vão para o amplificador.
Quando a resistência do trimpote RV1 for igual a do elemento sensor, as tensões também
serão as mesmas.
Adiante constam os cálculos para a ponte de wheatstone.
Cálculos referentes a ponte de wheatstone.
Cálculos dos resistores
VR2 = I no ramo(A) ∗ R2
VR2 = 2,5 ∗ 10−3 ∗ 1200 = 3 V
VR3 = I no ramo (B) ∗ R3
VR3 = 2,5 ∗ 10−3 ∗ 1200 = 3V

7
Os cálculos para o trimpote RV1 serão abordados adiante pois dependem das tensões
desejadas.
Cálculos das tensões no PT 100.
VPT100 a 0° C = I no ramo (B) ∗ (resistencia em 0° C (100Ω))
VPT100 a 0° C = 2,5 ∗ 10−3 ∗ 100 = 250 mV
VPT100 a 100° C = I no ramo (B) ∗ (resistencia em 100° C (138,5Ω)
VPT100 a 100° C = 2,5 ∗ 10−3 ∗ 138,5 ≅ 346mV
2.1.3. Amplificador diferenciador
Na sequência as tensões obtidas das duas saídas da ponte, OUT 1, e OUT 2 são ligadas
as entradas não inversora e inversora respectivamente do amplificador diferenciador.
As tensões agora serão comparadas e amplificadas. O amplificador utilizado é o
LM741C, alimentado simetricamente com ± 15 V com offset ajustado pelo trimpote RV3. O
amplificador (U2) na configuração de diferenciador faz subtração da entrada negativa da
positiva, e amplifica o resultado pela relação de ganho calculado das resistências RV2 por
R4 numa configuração ideal. O ganho desejado então é calculado por esta relação.

8
O esquema abaixo mostra as entradas das tensões e os resistores calculados.
Para obter 10 volts na saída com valor de resistência de 138,5Ω, a relação do ganho é
calculada sobre ajustadas o trimpote RV4 de 20 kΩ, conforme os cálculos de ganho a seguir.
Cálculos do circuito amplificador diferenciador.
Cálculo da faixa de tensão obtida na saída OUT 1.
ΔVOUT1 = VPT100 a 100° C − VPT100 a 0° C
ΔVOUT1 = 0,346 − 0,250 ≅ 96,25 mV
Cálculo do ganho desejado para tensão de 10 volts.

9
Cálculo do resistor de entrada para o trimpote RV2 ajustado em 10kΩ.
Para o resistor R4 foi usado um valor comercial de 100Ω os resistores R5 e R6 tem os
mesmos valores que R4 e RV2 respectivamente para satisfazer a configuração de
diferenciador do amplificador.
Para ajustar o ganho de 97 vezes com um resistor de 100 Ω, o trimpote RV2 é então
ajustado para 10,3 KΩ.
Agora pode se aplicar os valores na fórmula do diferenciador para se verificar a
aproximação da tensão na saída
Cálculo do diferenciador para uma tensão próxima de 5 volts (metade da escala) para
uma entrada de temperatura de 50° Celsius (metade da escala) 119,4Ω seguindo a tabela
de termo resistência do PT100.
2.1.4. Circuito de corrente de saída
Tendo definido os valores de ganho para uma resposta desejada na saída do amplificador,
é definida agora uma tensão inicial, a fim de retirar a corrente de 4 a 20 mA diretamente
desta saída.
Isso consiste em ajustar a resistência do trimpote RV1 para uma queda de tensão, que
amplificada pelo ganho, seja a tensão para obter 4 mA amperes na saída quando o sensor
estiver a 0° Celsius.

10
Esta tensão depende do circuito de corrente. Neste circuito deve haver uma tensão
suficiente para que ocorra uma relação de tensão por corrente de forma linear.
O esquema abaixo ilustra a configuração do circuito espelho de corrente utilizando o
transistor Darlington TIP 122 (Q1 e Q2).
Este circuito apresenta um valor de corrente de coletor no segundo transistor igual a
corrente de coletor do primeiro, com tanto que a resistência do segundo não exceda a
resistência do primeiro. Conforme a resistência ultrapassa, a corrente começa a se dividir
proporcionalmente na quantidade da resistência excedente, se subtraindo em ambos lados do
espelho.
O transistor TIP 122, foi escolhido devido a característica do espelho de corrente que
consiste no Hfe do transistor, pois para que as correntes sejam as mesmas nos dois
transistores o Hfe tem que ser o mesmo e, este apresenta um Hfe fixo devido seus resistores
de ajuste interno.
Para que haja uma corrente de 4 a 20 mA, é calculada a relação de tensão com uma faixa
de 10 volts somada aos 10 volts, mais a queda de tensão de base do transistor, e definido um
valor de resistor. Abaixo estão os cálculos relacionados a corrente de saída do transmissor.

11
Cálculos do circuito espelho de corrente.
Cálculo da faixa de tensão para uma resistência fixa com variação de 10 volts.
Cálculo para definir o valor de resistência.
O valor obtido será ajustado em RV5, mas devido a necessidade de colocar resistores de
nivelamento na base dos transistores, para que os dois tenham a mesma corrente forçada, o
valor ajustado deve ser o calculado menos R8 de valor 56 Ω.
Este valor foi escolhido porque ele deve ser um valor mínimo que force a corrente no
espelho, mas que não acabe interferindo na qualidade da resposta quando adicionado o
resistor de 600 Ω de teste. Um valor alto poderia se somar e reduzir a corrente de saída, então
RV5 passa a ter o valor de 570 Ω aproximadamente.
2.1.5. Circuito de tensão de saída
Definidos os valores agora é possível obter a tensão mínima desejada.
Cálculos do circuito de tensão de saída
Cálculo para definir a tensão desejada na saída para uma temperatura de 0° Celsius
com uma saída de 4 mA.
𝑉 𝑑𝑒𝑠𝑗𝑎𝑑𝑎 = (𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 0° 𝐶 ∗ 𝑅 𝑎𝑗𝑢𝑠𝑡𝑒) + 𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟

12
𝑉 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎 = (4 ∗ 10−3 ∗ 625) + 0,7 = 3,2 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠
Cálculo para verificar a faixa livre de tensão (esta deve ser a tensão de 10 volts que o
circuito deve variar com a resistência do PT100).
Vda faixa desejada = Vpara 20 mA − Vdesejada
Vdafaixadesejada = 13,2 − 3,2 = 10V
Isto significa que aplicando uma tensão inicial de 3,2 volts com uma resistência de 625Ω
ocorre uma faixa linear de corrente de 4 a 20 mA com tensão de 3,2 a 13,2 volts.
De posse deste valor de tensão inicial desejada agora é possível encontrar um valor para
RV1.
Ajustando RV1 com 0 graus Celsius para que o valor de tensão da saída seja de 3,2 volts,
o circuito cumpre seu papel de ter tamanho reduzido, entregando as tensões e correntes
desejadas.
Cálculo para definir o valor de resistência de RV1.
Ajustando o resistor RV1 para este valor deve aparecer na saída do amplificador uma
tensão próxima a tensão desejada.
Cálculo da tensão inicial desejada.

13
Por fim o último circuito tem a finalidade de gerar uma tensão flutuante que subtraia a
tensão desejada, deixando exposta somente a faixa de tensão desejada.
Este circuito utiliza outro LM317 na configuração regulador de tensão ajustado com valor
de resistor de ajuste padrão conforme datasheet. O esquema abaixo demonstra o circuito de
tensão flutuante.
A função deste circuito é servir de referência para a saída de 0 a 10 volts. Para isso sua
tensão de saída deve ser a mesma da tensão inicial desejada no amplificador. Os cálculos
para regular esta tensão seguem abaixo.
Cálculos do circuito de tensão flutuante.
Cálculo do resistor de ajuste.
Com a tensão ajustada com o mesmo valor da tensão desejada, a tensão medida de V

14
OUT+ a V OUT REF é de aproximadamente 0 a 10 volts para a faixa do PT 100 de 0° a 100°
Celsius.
2.2. Características e Resultados
2.2.1. Características Elétricas
Características elétricas do sensor PT 100 no circuito
Característica Mínimo Máximo Unidade
Tensão de
alimentação
250 347 mV
Corrente de
excitação
2,5 mA
Faixa de trabalho
(Temperatura)
0° 100° Celsius
Faixa de trabalho
(resistência)
100 138,5 Ω
Potencia dissipada 626 866 uW
Obs: Os valores descritos são apenas os calculados.
Características elétricas do circuito transmissor.
Características Mínimo Máximo Unidade
Tensão de
alimentação
±15 ±15,5 V (simétrico
+ GND)
Corrente consumo¹ 300 300 mA (aprox.)¹
Tensão de saída 0,3 9,8 V(Vcc±15 V)
Corrente de saída 4,2 19,7 mA(V +15V)
Potência total
dissipada
- 4,5 W
Ganho - 97 mV/V
Corrente nas
conexões do sensor
- 2,5 mA

15
Obs: ¹ valor obtido através de teste regulando corrente da fonte de alimentação.
2.2.2. Características Estáticas
Características estáticas do PT 100 para a faixa do projeto
Característica Valor Variação Unidade
Sensibilidade 0,385 ±1,68 % Ω /C°
Erro de linearidade 1,2 - Ω ¹
Exatidão 98 % 10% % ²
Obs: ¹Valor calculado para cada 10 graus Celsius.
²Valor do datasheet.
Características estáticas do circuito
Característica Valor Variação Unidade
Sensibilidade
da tensão
77,67 ± 6% ¹ mV/V
Sensibilidade
da
temperatura
88 ± 6% mV/C° ²
Sensibilidade
da corrente
150 ±5% uA/C°
Linearidade
tens resistência
ão 95 +0,3V, -0,2V
tensão para 0° e
100° C
% ³
Linearidade
corrente
resistência
93,75 +0,2 mA, -
0,8mA corrente
para 0° e 100° C
% ³
Erro
linearidade
tensão
de
de
Max 1 - V=10° C
Erro
linearidade
corrente
de
de
Max 0,4 - mA=2,5°C
Exatidão de tensão 94 ± 10 %
Exatidão de
corrente
92,5 ±10 %

16
Obs: ¹ porcentagem somando os erros de fim de escala e dividindo por 2. ² sensibilidade
considerando somente a faixa ativa de 9,8 volts obtida na saída. ³ somente valores
calculados
2.2.3 Características Dinâmicas
Característica dinâmica desconsiderando o tempo de resposta do PT100 para a
temperatura.
O circuito responde de forma imediata as variações de resistência do PT100, conforme a
tabela abaixo.
Tabela dos dados calculados da resposta para temperaturas a cada 10° C.
Nos gráficos a baixo é possível verificar a resposta de tensão e corrente frente as
temperaturas percebidas pelo elemento sensor.

17
Gráfico de tensão para valores de temperatura de 10° em 10° Celsius calculados.
Gráfico de corrente para valores de temperatura de 10 em 10 graus Celsius calculados.

18
Gráfico de resposta mA/V a cada 10° Celsius.
Gráfico de tensões e correntes encontradas na saída para as temperaturas reais medidos
na prática.
Foi utilizado como dispositivo de aquecimento do PT 100 um ferro de solda de 60W,
para a medição de temperatura foi utilizado termômetro do multímetro Mininpa CAT II. O
mesmo tipo de multímetro foi utilizado para medição da corrente e tensão.

19
3. Conclusão
Após efetuadas as medições, foi constatado um erro considerável quanto a resposta de
tensão frente a temperatura devido métodos utilizados para teste. Conclui-se que, ao
considerar um erro de 10% de interferência do método, o circuito responde satisfatoriamente
ao proposto nos objetivos.
Nesta parte do circuito ocorreu uma variação aceitável para a temperatura mínima e para
a temperatura máxima.
Considerando o método utilizado para efetuar os testes, é possível afirmar que os erros
existem de fato.
Nos valores de saída de corrente foram encontradas variações não aceitáveis para a
temperatura máxima.
Um fator determinante para a ocorrência de falhas é o fato de a tensão máxima de saída
ser limitada pela alimentação do AOP. A tensão de saída máxima é relacionada com a
impedância de carga e a temperatura ambiente, vindo a tornar o circuito instável em
condições extremas. No entanto em condições típicas dadas pelo datasheet responde de
forma aceitável.
O ponto mais fraco do circuito é o fato de a tensão de saída não se limitar a 0 volt para
temperaturas abaixo de 0° Celsius. Podendo chegar a uma tensão de 0 a -8 para temperaturas
abaixo da faixa.
Os valores de corrente de excitação e ganho atenderam o esperado, pois não houve grande
perturbação na saída.
O circuito cumpriu com o objetivo de ser simples pequeno e construído com peças de
fácil aquisição, consecutivamente atende ao objetivo de ser barato.
Os ajustes foram estrategicamente adicionados como foi proposto, possibilitando um
bom ajuste dos valores finais.
Como solução para o problema de limite e tensão final máxima, sem depender da
alimentação do componente LM 741, pode-se adicionar um diodo Zener na faixa de 13,3
volts para limitar a tensão de saída, e aumentar a tensão de alimentação para 18 volts.
Como proposta de solução para limitar a tensão em 0 volts para a temperatura mínima,
poderia ser adicionado na tensão de saída um diodo comum, que impedisse a tensão negativa,
e somado sua diferença de queda de tensão para não influenciar na medição.

20
4. Apêndice
4.1 Esquema elétrico

21
4.2. Layout PCI
4.3. Tabela de termorresistência

4 a 20 mili amperes 0 a 10 volts relatorio projeto circuito trabalho

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Semelhante a 4 a 20 mili amperes 0 a 10 volts relatorio projeto circuito trabalho

Semelhante a 4 a 20 mili amperes 0 a 10 volts relatorio projeto circuito trabalho (15)

Último

Último (20)

4 a 20 mili amperes 0 a 10 volts relatorio projeto circuito trabalho