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;