Aquisição_Novo - DCA
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Transcript Aquisição_Novo - DCA
SUPERVISÃO E
CONTROLE
OPERACIONAL DE
SISTEMAS
Prof. André Laurindo Maitelli
DCA-UFRN
AQUISIÇÃO DE
DADOS
Conceitos
É a coleta de informações para fins de
armazenamento e uso posterior, como
análise dos dados e conseqüente controle e
monitoração do processo;
Nas aplicações industriais, a aquisição de
dados deve ser em tempo real, ou seja, o
sistema deve ter a habilidade de coletar os
dados ou fazer uma tarefa de controle
dentro de uma janela aceitável de tempo ;
Conceitos
Os elementos básicos de um sistema de
aquisição de dados são:
Sensores e transdutores;
Cabeamento de campo;
Condicionadores de sinal;
Hardware para aquisição de dados;
PC (sistema operacional)
Software para aquisição de dados;
Conceitos
Conceitos
Entrada
analógica
Sensor
Condicionador
de sinal
Registrador
Circuito sample
e hold
Multiplexador
analógico
Conversor
D/A
Outras
entradas
analógicas
Sequenciador
programador
Controle
Buffer de
saída
Computador
Circuito de
controle
Sensores/Transdutores
Um transdutor é um dispositivo que
converte uma forma de energia ou
quantidade física em outra, de acordo com
uma relação definida;
Quando o transdutor é o elemento sensor
que responde diretamente à quantidade
física a ser medida, o transdutor é referido
como sensor;
Transdutores
Mensurando
(não elétrica)
Sensor
Saída
(elétrica)
Alimentação
(se necessária)
Em sistemas de aquisição de dados os
transdutores (sensores) convertem um sinal nãoelétrico (pressão, temperatura, vazão, etc) em um
sinal elétrico proporcional.
Poder ser:
Ativos: requerem fontes externas de alimentação. Ex:
termopares, opto eletrônicos;
Passivos:
não
requerem.
Ex:
fotovoltaicos,
piezoeléticos, termoelétricos.
Transdutores
Características:
Exatidão: erro entre valor exato e valor
medido;
Sensibilidade: variação da saída em função da
variação da entrada;
Repetitibilidade: proximidade de duas medidas
do mesmo valor de entrada;
Faixa (Range): faixa entre os valores máximo e
mínimo da medida;
Condicionadores de Sinal
Fazem alterações necessárias nos sinais
analógicos gerados pelos sensores antes que
sejam introduzidos no sistema de aquisição
de dados. Tipos:
Transmissor;
Buffer;
Filtro;
Amplificador;
Conversor;
Linearizador.
Transmissor
Possui as funções de:
Padronizar o sinal, proporcionando uma
padronização dos instrumentos e interfaces
receptoras;
Isolar o sinal do processo do sistema receptor
Levar a informação para locais remotos, sem
corrupção ou deformações;
Padrões:
4 a 20 mA
3 a 15 psi
eletrônico
pneumático
Buffer
Impede o efeito de carga de um circuito em
outro.
10 W
10 W
-
+
10 W
10 W
10 V
10 V
Fonte
Sem buffer
Buffer
Com buffer
Carga
Filtros
Os ambientes industriais introduzem
muitos sinais de interferência espúrios, que
afetam o desempenho do sistema, no
mínimo, introduzindo grandes erros nos
valores das medições;
Estes sinais indesejáveis são chamados
genericamente de ruído;
Podem ser provocados por transformadores,
motores elétricos (principalmente partida),
disjuntores, chaves, linha de alimentação
(60 Hz ou 400 Hz) e outros dispositivos que
tenham transiente de tensão.
Filtros
Eliminam ou atenuam determinadas freqüências
dos sinais;
Podem ser ativos (amplificadores operacionais) ou
passivos.
R
dB
Frequência de Corte
(atenuação >3dB)
Vi
Filtro passa-baixa
C
Vo
fc
dB=20log(Vo/Vi)
Filtros Ativos
Usam Amplificadores Operacionais
Filtro passa-baixa ativo
Filtro passa-alta ativo
Amplificador
Altera o nível ou amplitude do sinal;
A atenuação pode ser conseguida através de
divisores de tensão (resistores em série);
A amplificação requer dispositivo ativo,
como transistor com o amplificador
operacional.
R2
R1
-
+
Vi
Vo
Conversor de Sinal
Geralmente converte a variação de um
parâmetro elétrico em uma variação
proporcional de outro parâmetro.
Exemplos:
corrente (usada em transmissão) para tensão
(usada localmente);
tensão em freqüência;
resistência em tensão ou corrente.
Linearizador
A saída do sensor pode ser linearizada
usando um amplificador que tenha ganho
que seja uma função matemática inversa de
sua entrada, fornecendo assim uma saída
linear;
z=10x
x
f
y
Y=log10x=x
z
Z = Q2 = k2 ΔP
f -¹
Q k P
ΔP
f
f -¹
Linearizador
Saída
(2)
(3)
(1)
Variável
(1) Curva de transferência do sensor, mostrando a relação não linear
entre variável e saída do sensor
(2) Curva de transferência do linearizador entre saída e entrada
(3) Curva final linearizada, mostrando relação linear entre saída do
linearizador e variável medida.
Multiplexação
É a técnica de compartilhar sinais no tempo
Multiplexador
Canais de
entradas
analógicas
sinal
analógico
Decodificador de
endereço
Conversor
A/D
sinal digital
Multiplexador Analógico
Conjunto de chaves paralelas ligadas a uma
linha de saída comum;
As
chaves
podem
fechar-se
sequencialmente ou aleatoriamente;
A saída de um MUX é uma série de
amostras, tomadas de diferentes sinais de
medição em diferentes tempos.
Multiplexador Analógico
Chaves
eletrônicas
T
T
0 1 2 3 0 1 2 3
T/4
0 1 2 3 0 1 2 3
Sinal multiplexado
Dispositivo
sample e hold
Sample
Hold
Sinal sample e hold
Multiplexad
or 4 canais
Sinais de entrada
Sinal de controle
Decodificador
de endereço
Sinal binário
endereço canal
Endereço Canal
00
0
01
1
10
2
11
3
Circuito Amostrador/Segurador
Em geral, a amplitude do sinal analógico varia
continuamente com o tempo;
O sample and hold garante que o sinal permaneça
constante durante a conversão A/D.
Chave
Entrada
Saída
Acionador da
chave
Controle da
amostra
Capacitor
Conversor D/A
Geralmente o conversor digital para analógico
(D/A) é um sub-circuito do conversor analógico
para digital (A/D);
Os tipos principais de conversor D/A são:
amplificador somador de tensão;
circuito com resistor ponderado binário;
VR
ao
a1
a2
.
.
.
Conversor
Digital para
Analógico
(D/A)
an-1
an
+V
G
-V
Vo
Tensão de saída
analógica
Amplificador Somador de Tensão
R2=2R1
Conversor D/A de 2 bits
Amplificador R-2R
• Utiliza resistores de 2 valores;
• A resistência de qualquer nó para o terra e para
um terminal de entrada é 2R.
Rf
2R
MSB
R
Bit
2R
R
2R
+
R
2R
LSB
2R
Vo
Tensão saída
MSB
V/2
2o MSB
V/4
3o MSB
V/8
4o MSB
V/16
5o MSB
V/32
6o MSB
V/64
7o MSB
V/128
8o MSB
V/256
9o MSB
V/512
LSB
V/1024
Conversor A/D
• Há vários métodos para esta conversão, diferindo na
precisão, custo, taxa de conversão e suscetibilidade ao
ruído.
• As quatros técnicas principais são:
Comandos, como
– Tensão para freqüência;
finalizar conversão,
começar conversão,
– Simultânea;
ler
– Rampa;
b
b
– Aproximação sucessivas.
Conversor
n
n-1
Vi
Analógico para
Digital
(A/D)
.
.
.
Linhas de saída
paralelas
b2
b1
VR
+V
G
-V
Conversor Tensão para Freqüência
• Converte uma tensão de entrada analógica em uma
forma de onda periódica, com uma freqüência que
é diretamente proporcional à tensão de entrada;
• A base da conversão tensão para freqüência é um
oscilador com tensão controlada muito linear;
• O oscilador com tensão controlada deve ser
projetado de modo que a relação entre a
freqüência de saída e a tensão de entrada seja
constante.
Oscilador com
tensão controlada
Contador
Pulso
Gerador de
Pulsos
Display
digital
Conversor A/D tipo Rampa
Controle
Tensão de
entrada
analógica
+
Contador
binário
-
Display
digital
Clock
Tensão de
referência
Conversor D/A
escada binária
OBS: O tempo de conversão está diretamente relacionado com a
amplitude da tensão de entrada
Conversão A/D por Aproximações
Sucessivas
• O sistema começa habilitando os bits do conversor D/A um
por vez começando pelo mais significativo. Se vda > vi o
bit é setado para zero, caso contrario é setado para 1;
• Ex: 3 bits, sendo vi =3v
V (V 2V 4V ) 7v
max
Vi
Vda
+
1
2
3
111
Comparador de
tensão
110
Saída de tensão do
Conversor D/A
MSB
101
Saída
paralela
100
100
011
011
MSB
Registro de Aproximação
sucessiva
Clock
110
101
110
Saída
serial
010
001
010
001
OBS: O tempo de conversão depende do n˚ de bits
000
Conversor Simultâneo
• São os mais rápidos conversores operando com taxas da
ordem de dezenas de MHz;
• É utilizado quando altas taxas de conversão com baixa
resolução são requeridas;
• Faz 2n-1 comparações simultâneas;
Entrada analógica
Saída digital
0 a V/4
00
V/4 a V/2
01
v/2 a 3V/4
10
3V/4 a V
11
Resolução da Conversão
• É a menor variação de tensão de entrada
que produz variação na saída. É o menor
valor detectado em uma medida;
• Depende do número de bits;
• Um conversor com n-bits tem 2n possíveis
saídas e a resolução é 1/2n;
• Ex: n=10 bits
Resolução: 1/210=1/1024=0.0976%
Erro de Quantização
• Como o conversor A/D pode representar uma
voltagem de entrada em uma resolução finita de 1
LSB, o erro máximo é de ±½ LSB;
Erro de Quantização
• Pode haver desvios do erro de quantização:
– Erro de offset;
– Erro de ganho;