Guilherme P. Colnago

1. Instrumentação Básica
Aula 11
Condicionadores e Transmissores de
Sinais
Técnico Integrado Semestral
Período: 2012-1
Prof.: Guilherme P. Colnago

2. Assuntos
Condicionamento de Sinais
Conversores
Transmissores
Experiências

3. Assunto
Condicionamento
de Sinais

4. Condicionamento de Sinais
Por que condicionar sinais?

5. Condicionamento de Sinais
Por que condicionar sinais?
Em muitas situações, um sensor produz um sinal de tensão da ordem
de microvolts ou milivolts.
Valores tão baixos são difíceis de serem lidos.
Em outros casos, é mesmo necessário converter uma grandeza em
outra.
Ex.: sinal pressão convertido em tensão.

6. Condicionamento de Sinais
Por que condicionar sinais?
Dois dispositivos devem se comunicar, porém, é como se um não
“entendesse” o outro...

7. Condicionamento de Sinais
São questões técnicas...

8. Condicionamento de Sinais
Por que condicionar sinais?
Logo, precisa-se de uma interface que faça a “tradução”.
Interface de condicionamento
Em vários casos uma interface é necessária para realizar a
conversão de um sinal.

9. Condicionamento de Sinais
Sistemas de Controle
A grande maioria dos sistemas de controle automático é composto
por controladores elétricos ou eletrônicos.
Esses dispositivos “reconhecem” apenas sinais elétricos de tensão e
corrente.
Alguns padrões da indústria:
•1 a 5V (ou outras faixas);
•4 a 20mA;
•Frequência (pulsos e sinais digitais em geral).

10. Condicionamento de Sinais
Objetivos básicos do Condicionamento
•Os sinais de muitos sensores e transdutores possuem baixa
amplitudes (baixa energia)  amplificação;
•Podem carregar ruído  filtragem;
•Alimentação do sensor;
•Padronizar a comunicação entre dispositivos.

11. Condicionamento de Sinais
Condicionador Analógico
Sinais analógicos devem ser condicionados para aquisição
adequada.
As etapas básicas de um condicionador eletrônico, por exemplo,
podem ser composta por:
•Amplificação
•Filtragem
Se o sinal deve ser digitalizado e enviado a um microprocessador, há
uma etapa de Conversão Analógica-Digital (CA/D).
Após a CA/D o sinal é digitalizado, i.e., cada amostra é convertida
em um conjunto de bits, formando bytes, que serão processados.

12. Condicionamento de Sinais
Condicionador: diagrama básico

13. Condicionamento de Sinais
Amplificação
Condicionamento mais comum.
Diversos sensores produzem sinais de pequena amplitude.
Tais sinais são ampliados para valores apropriados para serem lidos
ou processados pelo circuito.
O amplificador operacional é o dispositivo mais popular.

14. Condicionamento de Sinais
Filtragem
Basicamente, elimina parte do espectro de um sinal.
Anula ou atenua os possíveis ruídos do sinal.
Outra função é remover do espectro do sinal as altas frequências 
sinais lidos por CA/D tem essa necessidade técnica (antialiasing).
Os filtros podem ser passivos, com capacitores ou indutores, ou
ativos, compostos por amplificadores operacionais.
Filtro Passa-baixas (FPB) de 1ª ordem.

15. Condicionamento de Sinais
Excitação
Vários sensores precisam de algum estímulo para funcionar, seja uma
alimentação ou alguma excitação (frequência, corrente, etc.).
Ex.: o LVDT precisa de uma tensão CA para operar; o RTD precisa de
uma corrente CC (fonte de corrente).
Circuito com fonte de corrente para RTD

16. Condicionamento de Sinais
Outras etapas
Linearização
Diversos sensores apresentam saída não-lineares. A linearização
condiciona o sinal para uma forma linear. Pode ser realizada com
amplificadores com ganho apropriado.
Ex.: saída exponencial de um sensor linearizada através de um
amplificador logarítmico.
Vout = A . e-a.t  Vlin = k . ln Vout = k . (-a . t)

17. Condicionamento de Sinais
Outras etapas
Isolação
Em determinados casos o sinal tem valor acima do máximo (tensão
ou potência) tolerável no circuito. Nesse caso, usa-se isoladores
como interface.
Eles protegem o circuito eletrônico (mais caro).
Ex.: isoladores ópticos (MOC).

18. Condicionamento de Sinais
Outras etapas
Casamento de impedância
Evita que um sinal seja atenuado quando enviado de um dispositivo
a outro.
Quando a impedância de saída de um circuito é alta e a
impedância de entrada do receptor é baixa, o sinal transmitido é
atenuado. Evita-se isso através de uma interface para casar a
impedância. Um do exemplos mais comuns é o buffer.

19. Assunto
Condicionamento
de Sinais
Conversores

20. Conversores
Há a necessidade de conversores que alterem uma grandeza em
outra, sendo a final geralmente elétrica. Exemplos:
•Conversor tensão-corrente;
•Conversor corrente-tensão;
•Conversor frequência –tensão;
•Conversor D/A;
•Conversor A/D;
•Conversor I/P.

21. Conversores
Conversor tensão-corrente
A aquisição de dados de certos dispositivos de
automação, como o CLP, é feita no modo
corrente. As entrada operam na faixa de
4 a 20 mA – padrão industrial.
Como muitos dispositivos fornecem saídas em
tensão, é necessário interface de conversão.
A vantagem do uso de corrente está no fato de
que a atenuação na linha não tem efeito algum
sobre o resultado final da leitura
A corrente na entrada do dispositivo de leitura
se mantém constante independentemente da
resistência do cabo.

22. Conversores
Conversor corrente-tensão
O uso do sinal de corrente (4 a 20mA) é bem
difundido entre os dispositivos.
Aparelhos mais afastados do acabam
precisando usar sinal de corrente para se
comunicar, o que evita atenuação do sinal.
A interface de conversão mais simples é uma
resistência de 250Ω, valor padrão para
trabalhar na faixa de 4 a 20mA. O resultado é
convertido para tensões entre 1 a 5V – padrão
industrial.
Nota: pode-se identificar falhas com corrente.
Os sensores indicam valor mínimo com 4mA e
máximo com 20mA; falhas ou cabos rompidos
são indicados com 0A.

23. Conversores
Conversor frequência-tensão
Diversos sensores são alimentados por tensão, porém operam com
sinal de frequência. Uma interface deve condicionar os pulso para
que fiquem “adequados”.
Quanto maior a frequência, maior a grandeza medida.

24. Conversores
Conversor A/D e D/A
O diagrama básico do processamento digital de sinais (DSP) é
Entrada uC Saída
Um sinal é filtrado e amostrado. Cada amostra sofre um CA/D.
Cada amostra é digitalizada, i.e., transformada em um conjunto de
bits (número).
Valor analógico = 3,567V  CA/D  Valor digital = 1001.1010
Esse valor digital é processado. Se necessário, o processador pode
enviá-lo para um CD/A para que o resultado torne-se analógico.

25. Conversores
Conversor A/D
O sinal é amostrado e digitalizado.
Este valor digital pode então ser processado ou armazenado.

26. Conversores
Conversor A/D
Funcionamento:
Amostragem  em pequenos períodos fixos, um circuito captura
uma amostra do sinal analógico.
Um sinal discreto vai sendo “construído” de forma similar ao original.
Por limitações, nunca serão iguais.
Existem um limite de faixas para representar as tensões.

27. Conversores
Conversor A/D
Faixas:
Quanto maior a resolução, ou número de bits, mais faixas podem ser
definidas  mais preciso ou próximo do sinal real será.
Resolução: 4 bits
Faixas: 24 = 16
 Vd = { 0 , 15 }
= { 0000 a 1111}
Resolução: 8 bits
Faixas: 28 = 256
 Vd = { 0 , 255 }
= {0000.0000 a 1111.1111}

28. Conversores
Conversor A/D
Cada valor discreto é digitalizado
Vdig Sendo:
Van
Conversão A/D = n Vref: referência (5V)
Vref 2 − 1 n: número de bits
Para dado valor analógico amostrado, há um digital equivalente.
1,72V Vdig
= ∴ Vdig = 351 (351,9) → Vbin = 01.0101.1111
5,00V 1023

29. Conversores
Conversor D/A
O conversor digital-analógico (D/A) converte um sinal digital em
analógico. Cada bit altera uma “chave”. A combinação forma uma
determinada tensão. Os conjuntos de bits formarão um sinal
analógico.
Conversor D/A de Resistores ponderados

30. Conversores
Conversor I/P
Diversos dispositivos são controlados de forma pneumática. Válvulas
pneumáticas são mais baratas e tem boa resposta.
Outras razão são ambientes com fluidos inflamáveis. O uso de sinais
elétricos são restritos, pois centelhas podem provocar explosões.
Para se operar esses sistemas usa-se um conversor corrente-pressão
(conversor I/P). Ele converte um sinal analógico de corrente em um
sinal analógico pneumático.
A distância entre controlador e conversor pode ser grande, então um
sinal de corrente é enviado ao conversor I/P, que o converte em
sinal de pressão e o envia ao dispositivo.

31. Conversores
Conversor I/P
Vantagens
•Imunidade a ruído;
•Imunidade a queda de tensão na linha;
•Imunidade a termopares parasitas;
•Imunidade a tensão e resistência de contato;
•Diferenciar sinal “zero” (3psi) de um circuito aberto (0psi).
Desvantagens
•Mecanismos mais complexos.

32. Conversores
Conversor I/P

33. Conversores
Conversor I/P

34. Conversores
Conversor I/P
Sinal pneumático  válvula Padrão industrial
Mínimo: 4mA  3psi
Máximo: 20mA  15psi
Fonte de pressão:
compressor
Sinal de controle:
corrente

35. Conversores
Conversor I/P – Construção

36. Conversores
Conversor I/P – Construção

37. Conversores
Conversor I/P – Construção
Saída: 3psi

38. Conversores
Conversor I/P – Construção
Saída: 9psi

39. Assunto
Transmissores

40. Transmissores
O que é e o que faz um Transmissor?

41. Transmissores
O que é e o que faz um Transmissor?
É um dispositivo que transforma o sinal de um sensor em um sinal
padronizado, adequado para ser transmitido ao controlador.
Existe algumas etapas básicas ne processo:
•Aquisição do sinal;
•Condicionamento: amplificação, linearização, equalização, etc.;
•Transmissão.
Linearização e Equalização
As saídas dos sensores usualmente são não-lineares.
Normalmente, estabelecer uma relação linear entre a variável de
processo e sua representação por um sinal padronizado. Isso é feito
com a linearização ou equalização.
Com o sinal linearizado, o valor de saída pode ser padronizado.
Ex.: vazão  raiz quadrada  transmissor calcula e lineariza

42. Transmissores
Basicamente, o transmissor é um conjunto de dispositivos
interligados.

43. Transmissores
Tipos
Existem diversos tipos de transmissores. Alguns deles:
•Corrente (4mA a 20mA);
•Tensão (1V a 5V);
•Pneumático (3psi a 15psi);
•Digital
o RS-485 (protocolo MODBUS);
o RS-232 (protocolo HART);
o RS-422;
o FoudantionTM Fieldbus.

44. Transmissores
Transmissor de corrente
Malha de Controle completa
Exemplo: vazão  converte sinal de frequência em corrente.

45. Transmissores
Transmissor de corrente
Exemplo: termopar  converte temperatura em corrente.

46. Transmissores
Transmissor

47. Transmissores
Transmissor
LVDT

48. Assunto
Experiências

49. Experiências
Realizar experimentos com condicionamento de sinal:
Conversor A/D do kit Minipa.
Conversor I/P da miniplanta Amatrol (avulso).
Realizar experimentos de Vazão e Transmissão:
Transmissor de Vazão da miniplanta Amatrol (Manual 12).
 Escolher sensor não usado no experimento de vazão.

50. Fim
Prof.: Guilherme P. Colnago
Dúvidas: gpcolnago@ifes.edu.br