ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA

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1 Departamento Informática Disciplina Sistemas de Instrumentação Engenharia de Sistemas e 1 Ano Curso Ano 2º Semestre Informática º Lectivo Aulas TeóricoPráticas Ficha de Trabalho N.º5 2005/2006 Título Sistemas de Instrumentação 1. Os extensímetros permitem medir a quantidade de deformação dum corpo, através da variação da sua resistência eléctrica. R 3 R 4 F V R1 V a ADC F R 3 R 4 DAQ PC O ganho do amplificador de instrumentação é dado pela fórmula: R 2.R R v = v.. out in R3 R2 a. Tendo em atenção os esquemas abaixo, explique porque se utiliza habitualmente a configuração em Ponte de Wheatstone com dois extensímetros (activo e passivo), para a medição das pequenas variações na resistência, que são função da deformação. b. Tomando como base a montagem acima, suponha que o extensímetro que mede a deformação tem um GF= 2,03 e R n =200Ω. Os valores das resistências da ponte são de = = 200 Ω, sendo a resistência nominal do extensímetro inactivo de 200Ω. Se for aplicada uma deformação de 1100 µm / m determine a tensão à entrada do conversor A/D da placa DAQ, sabendo que: i. V excitação = 5 V; ii. no amplificador de instrumentação, =10 KΩ, =4.7 KΩ, R 3 =10 KΩ e R 4 =100 KΩ; c. Diga como poderia aumentar a sensibilidade da ponte de Wheatstone, na medição de deformação. 2. Numa operação de metalização, a temperatura tem de ser medida para o seu controlo no intervalo entre 260ºC e 315,6ºC, usando um termopar tipo J, com a junção de referência à temperatura de 25ºC. d. Implemente um sistema de medição leia a temperatura numa escala de 0 a 510, para a entrada numa ADC de 8 bits. e. Quando a temperatura for 240ºC, estime o valor da palavra binária (código binário natural) à saída da ADC. (Nota: as tabelas dos coeficientes dos polinómios de conversão TensãoTemperatura e TemperaturaTensão encontramse em anexo). 2005/2006 Página 1 de 5

2 Disciplina Sistemas de Instrumentação Aulas TeóricoPráticas 3. Indique como procederia para determinar os coeficientes a 0, a 1 e a 2 da equação SteinhartHart podem ser calculados a partir da curva resistência vs temperatura, dada na tabela no anexo a este teste. º 1 T ( k ) = a a ln( R ) a ln( R ) [ ] T 2 T a. Explique o procedimento a seguir para o cálculo dos coeficientes a 0, a 1 e a Um RTD foi ligado numa ponte de Wheatstone de 3 fios (ver figura). As outras resistências da ponte têm o valor de 200Ω. A tensão da fonte de alimentação (V s ) é de 10V e a tensão de saída da ponte ( Vo ) é de 0,5V. A V s B Vo D R LA Terminal A R 4 Terminal C R LC RTD Terminal B C a. Calcule a resistência do RTD, desprezando o efeito da resistência dos terminais (RL i ). b. Se a resistência dos terminais (R L ) for de 1Ω, qual será a resistência do RTD? c. Qual é o erro da resistência, devido a termos desprezado o efeito da resistência dos terminais? d. Se o RTD seguir a curva da tabela em Anexo, qual é o erro no valor da temperatura? 5. Um extensímetro com GF = 2.03 e R=350Ω é usado numa ponte tal como mostra a figura seguinte: R LB V s R1 RG inactivo RG activo V out Considere = = 350Ω e RGi = 350Ω. a. Se for aplicada uma deformação de 1450m/m, determine a tensão da ponte se Vs= 10.0 V. 6. A saída dum transdutor está entre 20 e 250 mv, de acordo com o valor do fenómeno físico em medição. Projecte o condicionamento de sinal, usando os valores adequados para as resistências, de forma a ligálo a uma ADC com uma gama de tensão de entrada entre 0 e 5V. Para o efeito, deve garantir uma impedância de entrada elevada. 2005/2006 Página 2 de 5

3 Disciplina Sistemas de Instrumentação Aulas TeóricoPráticas 7. Considere uma célula de carga, Constituída por uma coluna de alumínio de cm de raio com um extensímetro de activo e outro passivo de compensação. a. Determine a tensão de desvio da ponte para uma carga entre 0 e N. 8. Determine quantos bits deverá ter um conversor D/A de forma a termos na saída incrementos inferiores ou iguais a 0.04V. A tensão de referência é de 10V. 9. O sistema de controlo de abertura duma das válvulas, que permite variar o valor do caudal de água a fornecer por um sistema de abastecimento de água a uma dada zona da cidade de Viseu, de acordo com as necessidades, tem uma variação linear da tensão de entrada entre 0 e 10 V. O maior ou menor caudal é definido (em função necessidades) por um sistema de aquisição de dados baseado num PC, cuja DAQ tem um conversor D/A de 8 bits. Cada saída de palavra de 8 bits, corresponde a um dado nível de tensão, necessária para alimentar o sistema de controlo de abertura da válvula, para um dado caudal. a. Determine a tensão de referência necessária, para se obter o caudal de água máximo (10V). b. Calcule a percentagem do caudal em relação ao caudal máximo, correspondente à variação de 1 bit na palavra binária de entrada no conversor D/A. 10. Pretendese medir a temperatura usando um transdutor com uma função de transferência de 0.02V/ºC. Determine a tensão de referência e o tamanho das palavras das ADC, para que possamos medir temperatura entre 0ºC e 100ºC, com uma resolução de 0.1ºC. 11. Determine a palavra binária, que resulta duma entrada de 3.217V numa ADC de 5 bits, com uma tensão de referência de 5V. 12. Considere uma ADC do tipo Aproximações Sucessivas, como mostra a figura abaixo. V r V i Tensão analógica DAC (Tensão de Referência) Clock V o (Saída Digital) (SAR) Sucessive Approximation Register and Control a. Indique as vantagens inerentes à utilização dum conversor A/D utilizando Aproximações sucessivas. b. Indique 2 dos erros presentes num conversor A/D, representando o seu efeito em termos da função de transferência entre a entrada analógica e a saída digital. c. Determine a saída da ADC, para o caso dum conversor de 4 bits, com uma entrada de 3.217V e uma referência igual a 5V. 2005/2006 Página 3 de 5

4 Disciplina Sistemas de Instrumentação Aulas TeóricoPráticas 13. Suponha que pretende medir temperatura, utilizando um transdutor cuja saída é de 6.5mV/ºC, devendo medir valores até 100ºC. Para o efeito, usase uma ADC de 6bits, com uma tensão de referência de 10V. a. Projecte um circuito que faça a interface entre o transdutor e a ADC. b. Determine a resolução em temperatura. 14. Tendo em atenção a placa PCI1200 da NATIONAL INSTRUMENTS que utilizou nas aulas práticas: a. Indique 2 das componentes, em geral presentes numa placa deste tipo, descrevendo a função de cada uma dessas (Para cada uma, indique algumas das especificações usadas). b. Suponha, que todas as entradas analógicas da alínea anterior, são amostradas à mesma taxa. Qual é o valor máximo dessa taxa (amostras por segundo e por canal) 15. Para que não se perca informação relevante durante o processo de amostragem, tem de se escolher uma frequência de amostragem adequada f s. c. Demonstre graficamente o Teorema de Amostragem. d. Explique o efeito de Aliasing, baseandose na figura abaixo. 16. A multiplexagem permite a conversão de sinais analógicos utilizando apenas um conversor A/D, numa placa DAQ. a. Suponha que a taxa de amostragem especificada para uma placa DAQ é de 120 KAmostras / S, e que a mesma possui 8 canais de entrada analógicos. i. Qual é a taxa de amostragem efectiva para cada um dos canais. ii. Esquematize o processo de multiplexagem, legendandoo convenientemente. b. Diga justificando, se seria possível utilizar este conversor A/D da placa DAQ, caso tivéssemos apenas 2 sinais analógicos com as seguintes características: i. s 1 (t): limitado na frequência com f Máx =10 KHz. ii. s 2 (t): não limitado na frequência, mas 95% do sinal encontrase entre 0 e 20 KHz. 2005/2006 Página 4 de 5

5 Disciplina Sistemas de Instrumentação Aulas TeóricoPráticas TERMOPARES Coeficientes do polinómio de conversão: TensãoTemperatura (T=a 0 a 1 va 2 v 2..a n v n ) [ºC] Tipo Termopar E J K R S T Gama 0º a 1000ºC 0º a 760ºC 0º a 500ºC 50º a 250ºC 50 a 250ºC 0º a 400ºC a 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 a 1 1,705E2 1,978E2 2,508E2 1,889E1 1,849E1 2,592E2 a 2 2,330E7 2,001E7 7,860E8 9,383E5 8,005E5 7,602E7 a 3 6,543E12 1,036E11 2,503E10 1,306E7 1,022E7 4,637E11 a 4 7,356E17 2,549E16 8,315E14 2,270E10 1,522E10 2,165E15 a 5 1,789E21 3,585E21 1,228E17 3,514E13 1,888E13 6,048E20 a 6 8,403E26 5,344E26 9,804E22 3,895E16 1,590E16 7,293E25 a 7 1,373E30 5,099E31 4,413E26 2,823E19 8,230E20 a 8 1,062E35 1,057E30 1,260E22 2,34E23 a 9 3,244E41 1,052E35 3,135E26 2,797E17 a 10 3,318E30 Coeficientes do polinómio de conversão: TemperaturaTensão (v=c 0 c 1 Tc 2 T 2..c n T n ) [µv] Tipo Termopar E J K R S T Gama 0º a 1000ºC 210º a 760ºC 0º a 1372ºC 50º a 1064ºC 50 a 1064ºC 0º a 400ºC c 0 0,0 0,0 17,600 0,0 0,0 0,0 c 1 58,665 50,381 38,921 5,289 5,403 38,748 c 2 4,503E2 3,047E2 9,945E5 1,391E2 1,259E2 3,329E2 c 3 2,890E5 8,568E5 3,184E7 2,388E5 2,324E5 2,061E4 c 4 3,305E7 1,322E7 5,607E10 3,569E8 3,220E8 2,188E6 c 5 6,502E10 1,705E10 5,607E13 4,623E11 3,314E11 1,099E8 c 6 1,919E13 2,094E13 3,202E16 5,007E14 2,557E14 3,081E11 c 7 1,253E15 1,253E16 9,715E20 3,731E17 1,250E17 4,547E14 c 8 2,148E18 1,210E23 1,577E20 2,714E21 2,751E17 c 9 1,438E21 2,810E24 3,596E25 c /2006 Página 5 de 5