2013/2 - peb.ufrj

Instrumentação e Técnicas de Medida – EEL710
18/09/2013
Nome:
PARA ESTA PROVA, DESRESPEITAR AS SEGUINTES REGRAS VALE –1 PONTO
1) COLOQUE SEU NOME E NUMERE AS FOLHAS DOS CADERNOS DE RESPOSTA
2) RESPONDA AS QUESTÕES EM ORDEM UTILIZANDO ATÉ 2 PÁGINAS POR QUESTÃO (NO MÁXIMO 3)
3) REDESENHE O CIRCUITO E INDIQUE AS CORRENTES E TENSÕES (NOMES E SENTIDOS)
4) ESCREVA AS EQUAÇÕES LITERAIS, E SÓ DEPOIS SUBSTITUA VALORES
5) O EQUACIONAMENTO DO PROBLEMA É MAIS IMPORTANTE QUE A SOLUÇÃO FINAL*
6) USE UM MÁXIMO DE 5 LINHAS PARA CADA QUESTÃO DISCURSIVA + 1 ESQUEMÁTICO
7) JUSTIFIQUE TODAS AS RESPOSTAS
8) FAÇA UMA PROVA ORGANIZADA E CAPRICHADA
1) Alguns condicionadores de sinais para circuitos em ponte de Wheatstone provêm excitação
alternada (para a ponte) com onda quadrada para reduzir efeitos de offset. Indique dois tipos de
offset que podem ser removidos com esta técnica e um que não pode (se houver). Explique (com
desenhos e equações) como este método funciona.
2) Cabos coaxiais podem ser utilizados para evitar a irradiação de
campos magnéticos. Isto acontece quando a corrente fluindo pelo cabo
(I1) é a mesma que flui pela malha (Is). Com base na figura ao lado
determine a frequência a partir da qual esta blindagem se torna
eficiente. Considere LMALHA=M, não adicione fontes de ruído,
considere que o plano de terra tem resistência nula, mas a malha não.
Desenhe o modelo e equacione o problema.
3) O circuito abaixo é utilizado para medir temperatura quando RSEN é um RTD.
a) explique como funciona o circuito;
b) considerando que os componentes são ideais calcule a linearidade;
c) diga quais são os componentes críticos e se o amplificador operacional apresentado, associado
aos resistores R1 e R2, poderiam ser substituídos por um amplificador subtrator integrado (caso
todos os terminais estivessem disponíveis para se realizar a montagem abaixo), neste caso,
explique os benefícios desta troca;
d) substitua o bloco “Amp” pelo seu circuito real;
e) calcule os componentes para um PT100 (R=100Ω @ 0ºC, e α= 3907·10–6Ω/Ω/K) operando na
faixa de 0 a 100ºC (use uma escala simples para permitir a leitura da temperatura diretamente
com um multímetro).
4) O circuito abaixo foi projetado para funcionar como um barômetro na faixa de 28 até 32
polegadas de mercúrio. A saída do barômetro deve ser lida em um voltímetro digital de 4 dígitos. O
fabricante do sensor informa que as especificações da tabela são válidas para um circuito formado
pelo zener, R5, LT1490 (superior), ponte, R6=0 e R4=R3=∞. Usando a montagem indicada pelo
fabricante ele diz que o sensor é intercambiável.
a) explique como o circuito funciona (calculando o circuito);
b) determine a equação da tensão de saída em função da entrada de pressão (mostre os valores da
tensão de saída para as entradas de 28 e 32 inHg e diga qual a função do LT1490 inferior);
c) explique a função de RSET e estime seu valor sabendo que as saídas e entradas do LT1167 estão
limitadas a valores entre +Vcc-2V e -Vcc+2V (Vcc são as tensões de alimentação do LT1167);
d) explique que tipos de erro são introduzidos por R6, R4 e R3;
e) diga quais características do LT1167 podem ficar piores com a ligação da entrada REF (pino 5)
em um ponto diferente do terra;
f) qual razão para a melhor exatidão ser de 0,2% se a linearidade máxima do sensor ser de 0,1%
(use valores para justificar a sua resposta).
Características do Lucas Nova Sensor NPC-1220-015-A-3L
Pressão nominal: 15PSI = 30,5438 polegadas de mercúrio
Características do LT1167
RG =
49,4 k Ω
G− 1
Instrumentação e Técnicas de Medida – EEL710
30/10/2013
Nome:
PARA ESTA PROVA, DESRESPEITAR AS SEGUINTES REGRAS VALE –1 PONTO
1) COLOQUE SEU NOME E NUMERE AS FOLHAS DOS CADERNOS DE RESPOSTA
2) RESPONDA AS QUESTÕES EM ORDEM UTILIZANDO ATÉ 2 PÁGINAS POR QUESTÃO (NO MÁXIMO 3)
3) REDESENHE O CIRCUITO E INDIQUE AS CORRENTES E TENSÕES (NOMES E SENTIDOS)
4) ESCREVA AS EQUAÇÕES LITERAIS, E SÓ DEPOIS SUBSTITUA VALORES
5) O EQUACIONAMENTO DO PROBLEMA É MAIS IMPORTANTE QUE A SOLUÇÃO FINAL*
6) USE UM MÁXIMO DE 5 LINHAS PARA CADA QUESTÃO DISCURSIVA + 1 ESQUEMÁTICO
7) JUSTIFIQUE TODAS AS RESPOSTAS
8) FAÇA UMA PROVA ORGANIZADA E CAPRICHADA
1) O circuito abaixo é usado como um condicionador para sensores piezoelétricos. A) Calcule a
função de transferência; B) explique qual a função de Rb (supondo Rp infinito) e da tensão de
1/2Vcc; C) explique se este circuito funciona ou não como um amplificador de carga; D) explique,
usando modelos, se o cabo de interligação (do sensor ao circuito) pode ou não afetar o desempenho
deste circuito; E) explique se esta configuração não inversora apresenta vantagens ou desvantagens
com relação a configuração inversora; F) liste as características importantes para o amplificador
operacional (inclua uma breve justificativa com exemplos numéricos).
2) O circuito abaixo deve ser usado com sensores reativos e excitação CA. A) determine uma
expressão para a tensão de saída; B) mostre como interligar este circuito a um LVDT (mostre as
conexões – primário e secundários); C) mostre como interligar a entrada SYNC na fonte Vo para
fazer o circuito funcionar (use circuitos, desenhos e cálculos); D) explique se este circuito tem ou
não a capacidade de detectar o sentido do deslocamento medido (use gráficos, formas de onda e
cálculos); E) explique quais componentes e suas características são críticas para o circuito
(justifique com números ou equações); F) explique o que mudaria se o sinal SYNC fosse conectado
a fonte de excitação do LVDT.
3) Este circuito foi projetado para ser um termômetro. O manual informa que a sensibilidade de
saída é de 10mV/ºC e que a exatidão é de 1ºC para a faixa de 0ºC até 650ºC. O manual também
informa que o LT1025 deve ficar próximo das conexões do termopar. Sabe-se que a sensibilidade
do termopar tipo E (Cromel-Constantan) é de 60,9μV/ºC em 25ºC, e apresenta variação de
aproximadamente 75mV para a faixa de -270 a 1000ºC. Explique: A) como funciona o circuito (use
gráficos e determine valores importantes); B) quais as funções do LT1025 e do LT1021; C) como
devem ser escolhidos os operacionais (use valores para ajudar); D) se o uso de circuito de guarda
ajuda a melhorar o desempenho do circuito. E) Determine qual a sensibilidade do termopar em
temperaturas próximas de 650ºC;
Instrumentação e Técnicas de Medida – EEL710
29/11/2013
Nome:
PARA ESTA PROVA, DESRESPEITAR AS SEGUINTES REGRAS VALE –1 PONTO
1) COLOQUE SEU NOME E NUMERE AS FOLHAS DOS CADERNOS DE RESPOSTA
2) RESPONDA AS QUESTÕES EM ORDEM UTILIZANDO ATÉ 2 PÁGINAS POR QUESTÃO (NO MÁXIMO 3)
3) REDESENHE O CIRCUITO E INDIQUE AS CORRENTES E TENSÕES (NOMES E SENTIDOS)
4) ESCREVA AS EQUAÇÕES LITERAIS, E SÓ DEPOIS SUBSTITUA VALORES
5) O EQUACIONAMENTO DO PROBLEMA É MAIS IMPORTANTE QUE A SOLUÇÃO FINAL*
6) USE UM MÁXIMO DE 5 LINHAS PARA CADA QUESTÃO DISCURSIVA + 1 ESQUEMÁTICO
7) JUSTIFIQUE TODAS AS RESPOSTAS
8) FAÇA UMA PROVA ORGANIZADA E CAPRICHADA
1) Diga qual a principal característica de cada um dos seguintes filtros: A) Butterworth; B) Bessel;
C) Chebyshev; D) Elíptico.
2) Qual a razão para a desnormalização de filtros em função do Amáx (ε)?
3) Um gerador de funções com impedância igual a 600 Ω é usado para testes em um circuito, na
faixa de 300 Hz a 3,4 kHz. A impedância de entrada do circuito é de 20 kΩ. Uma interferência
indesejada de 60 Hz, vinda do gerador está presente no sinal. Projete um filtro passa altas para
atenuar esta interferência em pelo menos 15 vezes. A) Projete o filtro polinomial de menor ordem
possível, admitindo uma queda de 0,5 dB na banda passante; B) Desenhe os gabaritos do passa altas
e do passa baixas normalizado.
4) A figura abaixo mostra o espectro de potência de um sinal de EEG. As frequências importantes
estão na faixa de 0 até 40 Hz. O sinal foi amostrado a 260 Hz. A) A escolha da frequência de
amostragem foi apropriada? B) Qual a quantidade de bits devemos escolher para fazer a conversão
AD de tal forma que tenhamos a máxima resolução possível do sinal sem que o ruído analógico
produza um ruído digital maior que ±1LSB.
50
Espectro (dB)
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Frequência (Hz)
90
100 110 120 130
5) Sintetize um filtro passa banda de segunda ordem, Sallen Key, com frequência central de
1000 rad/s e Q=10. O ganho na frequência central deve ser unitário. Para o projeto C 5=C2=1F;
R1=R4=R3=√2/ωp; m=1+[R(m-1)]/[R]=4-√2/Q; Ganho= Q(2√2-1/Q).
Para os filtros:
ε= √10 0,1⋅Amáx− 1
Para o Butterworth:
[
−1
log ( 10 0,1⋅Amin− 1 )⋅( 100,1⋅Amáx − 1 )
n⩾
2⋅logω s
],
Para Chebyshev tipo I:
n⩾
cosh −1
√(10
−1
− 1 )⋅( 100,1⋅Amáx − 1)
cosh −1 (ω s)
0,1⋅Amin
Instrumentação e Técnicas de Medida – EEL710
13/12/2013
Nome:
PARA ESTA PROVA, DESRESPEITAR AS SEGUINTES REGRAS VALE –1 PONTO
1) COLOQUE SEU NOME E NUMERE AS FOLHAS DOS CADERNOS DE RESPOSTA
2) RESPONDA AS QUESTÕES EM ORDEM UTILIZANDO ATÉ 2 PÁGINAS POR QUESTÃO (NO MÁXIMO 3)
3) REDESENHE O CIRCUITO E INDIQUE AS CORRENTES E TENSÕES (NOMES E SENTIDOS)
4) ESCREVA AS EQUAÇÕES LITERAIS, E SÓ DEPOIS SUBSTITUA VALORES
5) O EQUACIONAMENTO DO PROBLEMA É MAIS IMPORTANTE QUE A SOLUÇÃO FINAL*
6) USE UM MÁXIMO DE 5 LINHAS PARA CADA QUESTÃO DISCURSIVA + 1 ESQUEMÁTICO
7) JUSTIFIQUE TODAS AS RESPOSTAS
8) FAÇA UMA PROVA ORGANIZADA E CAPRICHADA
1) Usando as definições de VIM diga:
a) o que significa calibração;
b) qual a diferença entre precisão e exatidão;
c) qual a diferença entre repetibilidade e reprodutibilidade.
2) O circuito abaixo é um amplificador para termopares do tipo K (Chromel-Alumel), cujo
coeficiente Seebeck é de 40µV/ºC. O INA128 queimou e deve ser substituído por um AD620
(G=1+ 49,4kΩ/RG). O PT100 tem R=100Ω @ 0ºC, e coeficiente de temperatura de
3907·10-6Ω/Ω/K. O REF102 é uma fonte de 10V para referência. O novo circuito deve funcionar até
250ºC e a saída deve ser exibida em um voltímetro, na escala de 2V. A) como funciona o circuito?
B) recalcule os componentes para que o circuito funcione com o AD620. C) qual a função dos
capacitores em paralelo com a fonte e onde devem ser colocados quando o circuito for montado?
3) A) Explique como funciona o circuito ao
lado e como devemos escolher o resistor
R6 para que ele funcione bem. B) Qual a
função do capacitor C? C) Substitua o
bloco Av pelo seu circuito real. Suponha
que R1=R3=R4=R e R2=R±ΔR.
4) O circuito abaixo é o modelo de um amplificador de carga. R1, C1 e I D formam o modelo do
sensor. Calcule o ruído na saída do amplificador. Considere R1=1000MΩ, R2=1000ΩM, C1=50pF,
C2=10pF. As características importantes do operacional são: GB=1MHz, V N=8nV/√Hz e
IN=0,6fA/√Hz. Desenhe as curvas de densidade de ruído em função da frequência. Marque os
ganhos e as frequências de corte. Monte a tabela com os níveis de ruído (RMS) gerados pelas fontes
(indique claramente as faixas de integração).
5) Projete o filtro mais simples que minimize o efeito de uma interferência de 60Hz com tensão
eficaz de 1V sobre um sinal cuja banda passante vai de 0 até 10Hz com amplitude é de 0,1V.
Admite-se 11% de atenuação máxima do sinal na banda passante. Deseja-se uma relação sinal ruído
de 100 vezes.
Para filtros Butterworth:
[
ε= 10
Amáx
10
log
n⩾
[
−1
1
2
]
( 100,1⋅Amin − 1 )
( 100,1⋅Amáx − 1 )
]
2⋅logω s
S k =e
(
j π⋅
2
2⋅k+ n− 1
n
)
Parâmetros para filtros de Butterworth (3dB de ganho na frequência de corte)
N
w1
Q1
w2
Q2
w3
Q3
w4
Q4
2
1,00000
0,707107
3
1,00000
1,00000
1,00000
-
4
1,00000
1,30656
1,00000
0,541196
5
1,00000
1,61803
1,00000
0,618034
1,00000
-
6
1,00000
1,93185
1,00000
0,707107
1,00000
0,517638
7
1,00000
2,24698
1,00000
0,801938
1,00000
0,554958
1,00000
-
8
1,00000
2,56291
1,00000
0,899977
1,00000
0,601345
1,00000
0,50599