Sistemas de Medição - Aula 8: Equipamentos de Medição Digital

Nota O material a seguir é um slide de aula apresentado pelo prof William Caires Silva Amorim como material pedagógico do IFMG dentro de suas atividades curriculares ofertadas em ambiente virtual e presencial de aprendizagem Seu uso cópia e ou divulgação em parte ou no todo por quaisquer meios existentes ou que vierem a ser desenvolvidos somente poderá ser feito mediante autorização expressa deste docente e do IFMG Caso contrário estarão sujeitos às penalidades legais vigentes SISTEMAS DE MEDIÇÃO Aula 8 Equipamentos de Medição Digital Prof Me William Caires Silva Amorim SISTEMAS DE MEDIÇÃO SISTEMAS DE MEDIÇÃO SISTEMAS DE MEDIÇÃO 3 Sumário Considerações Iniciais Decomposição de Sistemas Conversor AD Instrumentos Digitais Digital x Analógico SISTEMAS DE MEDIÇÃO 4 Considerações Iniciais A leitura digital é direta e precisa Não necessita de interpolação Instrumentos digitais podem ser facilmente acoplados entre si e também a computadores Instrumentos digitais são resistentes a ruídos Operam em baixas tensões de 5 a 10 volts A unidade básica do modo digital é o bit BInary digiT O bit pode assumir valores 0 desligado ou 1 ligado 8 bits 1 byte 1 kbyte 1024 bits A palavra digital é feita de bits Por exemplo uma palavra de 8 bits 00011010 SISTEMAS DE MEDIÇÃO 5 Sistemas de Numeração Decimal e Binário Um sistema de numeração compreende um conjunto de números que são representados por numerais de uma forma consistente Sistema Decimal O sistema decimal é um sistema de numeração que utiliza a base dez Símbolos da base Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sistema Binário O sistema binário ou base 2 é um sistema de numeração que todas as quantidades se representam com base em dois números Símbolos da base Binária 0 1 SISTEMAS DE MEDIÇÃO 6 Decomposição de Sistemas SISTEMAS DE MEDIÇÃO 7 Operações aritméticas no sistema binário SISTEMAS DE MEDIÇÃO 8 Conversão Decimal para Binário SISTEMAS DE MEDIÇÃO 9 Conversão Decimal para Binário SISTEMAS DE MEDIÇÃO 10 Conversão Binário para Decimal 1 Multiplicase cada bit 0 ou 1 de N2 base 2 na sequência da direita último bit para a esquerda primeiro bit pela potência de base 2 elevada ao número correspondente à localização do bit em N2 2 A localização do bit em N2 é dada pela posição do mesmo contando da direita para a esquerda a partir da posição 0 zero 3 O número N10 base 10 equivalente a N2 base 2 será a soma das parcelas das multiplicações efetuadas no item 1 SISTEMAS DE MEDIÇÃO 11 Conversão Binário para Decimal SISTEMAS DE MEDIÇÃO 12 Conversor AD Conversor AD é a base de todo a interface eletrônica entre o sistema analógico e o sistema digital Está presente nos instrumentos de medição digital e é responsável pelo aumento significativo nos níveis de precisão e exatidão assim como na diminuição do custo e popularização de instrumentos de medida digitais Características importantes do conversor AD 1 Faixa dinâmica é a faixa de amplitude de operação do sinal analógico em geral uma tensão dentro da região de trabalho linear do conversor O sinal de entrada deve ser condicionado de forma a possibilitar sua máxima utilização dentro dessa faixa dinâmica Os conversores AD típicos apresentam na prática uma faixa dinâmica de 01 a 10V SISTEMAS DE MEDIÇÃO 13 Conversor AD 2 Resolução é a menor quantidade que pode ser convertida resolvida dentro da faixa dinâmica do sinal de entrada É especificada pelo número de bits do conversor São encontrados na prática conversores com resoluções de 8 a 20 bits SISTEMAS DE MEDIÇÃO 14 Conversor AD O Modo de Operação Digital No processo de conversão analógicodigital AD a Resolução de um conversor é dada por onde N é o número de bits Exemplo Para um amperímetro quer possui um conversor de 2 bits efetuando a leitura de 3 mA temse SISTEMAS DE MEDIÇÃO 15 Conversor AD 3 Tempo de conversão é o tempo necessário para se obter o valor na saída a partir do momento em que o sinal de entrada foi aplicado e iniciado o processo de conversão Depende da estrutura do circuito utilizado e da sua resolução De modo geral quanto maior a resolução maior o tempo de conversão Encontramse na prática tempos de conversão variando desde alguns segundos até nanossegundos Este tempo é importante para definir a máxima frequência possível a ser convertida a partir de um sinal de entrada variante no tempo 4 Erro de linearidade expressa o desvio do resultado de conversão de uma reta ideal É expresso em E uma porcentagem do valor total ou em número de bits Ex Um erro de linearidade de 04 equivale a uma linearidade de 1 bit num conversor de 8 bits SISTEMAS DE MEDIÇÃO 16 Conversor AD 1 Amostrador amostragem do sinal em tempo discreto 2 Quantizador aproximação do valor amostrado a um dos 2N níveis possíveis 3 Codificação conversão do valor amostrado num código específico SISTEMAS DE MEDIÇÃO 17 Conversor AD Tipos de amostragem a Amostragem por trem de impulsos na prática impossível ou muito difícil b Amostragem com trem de pulsos c Amostragem com retenção de ordem zero mais utilizado d Trackhold amostragem e retenção real SISTEMAS DE MEDIÇÃO 18 Instrumentos Digitais Os instrumentos analógicos baseados nos galvanômetros possuem uma certa limitação nas medidas elétricas Uma pequena intensidade de corrente já produz uma deflexão máxima de seu instrumento mesmo utilizando artifícios como inserção de resistores na construção não são suficientes para que a faixa de operação destes instrumentos sejam adequadas a muitos casos Os instrumentos digitais de medidas elétricas utilizando amplificadores eletrônicos aumentaram a impedância de entrada ao sistema de medida que possibilita uma maior sensibilidade as medidas Além de tensão corrente ou resistência uma maior variedade de medidas puderam ser então feitas em um único aparelho tais como capacitância indutância temperatura SISTEMAS DE MEDIÇÃO 19 Instrumentos Digitais Atenuador adequa o nível do sinal elétrico a ser medido geralmente tensão corrente ou resistência ao estágio condicionador de sinais Condicionador de Sinais converte as variáveis tensão e corrente alternadas e resistência e outras em tensão contínua Conversor AnalógicoDigital AD converte o sinal a ser medido em um número binário que é formatado para em seguida ser mostrado no display Display apresenta a leitura da variável medida SISTEMAS DE MEDIÇÃO 20 Instrumentos Digitais SISTEMAS DE MEDIÇÃO 21 Voltímetro Digital O sinal a ser medido passa por divisor de tensão de forma a ajustar a uma tensão compatível com conversor AD No exemplo o sinal é ajustado para uma faixa de 0 a 200 mV A resistência de entrada é fixa diferente do voltímetro analógico em que para cada calibre a resistência é diferente Desse modo não temos mais a relação ΩV Neste exemplo a resistência é de 10 MΩ Se a tensão for alternada ela passará por uma retificação antes de passar pelo conversor AD SISTEMAS DE MEDIÇÃO 22 Amperímetro Digital A resistência de entrada varia para cada calibre selecionado A resistência para cada calibre é tal que a tensão fique na faixa de 0 a 200 mV para o exemplo mostrado Para o calibre de 20 A é necessário mudar a ponta de prova para um borne específico visto que a chave seletora não suporta essa intensidade de corrente SISTEMAS DE MEDIÇÃO 23 Ohmímetro Digital Uma fonte interna alimenta o circuito formado pela resistência a ser medida Rx e a resistência do calibre selecionado A resistência é determinada pela divisão de tensão uma vez que a tensão e a resistência do calibre são conhecidos Um resistor dependente de tensão PTC serve de proteção caso seja aplicada uma tensão alta na entrada temperatura acaba elevando e o PTC atua SISTEMAS DE MEDIÇÃO 24 Ohmímetro Digital SISTEMAS DE MEDIÇÃO 27 Erros no Conversor AD O processo de conversão AD está sujeito a erros por subamostragem i e amostrar o sinal a uma taxa muito baixa leva a perdas de informação que não podem ser recuperadas Teorema de ShannonNyquist ou da Amostragem A frequência de amostragem de um sinal analógico dever ser maior que duas vezes a maior frequência do espectro do sinal famostragem 2fespectro SISTEMAS DE MEDIÇÃO 28 Erros na Amostragem SISTEMAS DE MEDIÇÃO 29 Display É a parte mais evidente do instrumento digital e onde se efetua a leitura da grandeza medida O display do instrumento digital pode ser de dois tipos LED Light Emitting Diode semicondutores capazes de emitir luz quando percorridos por corrente elétrica Esses displays têm fundo escuro para proporcionar maior destaque ao brilho dos LEDs LCD Liquid Crystal Display constituídos por duas lâminas transparentes de material polarizador de luz com eixos polarizadores alinhados perpendicularmente entre si Entre as lâminas existe uma solução de cristal líquido cujas moléculas podem se alinhar sob a ação da corrente elétrica impedindo a passagem da luz SISTEMAS DE MEDIÇÃO 30 Display LED x LCD SISTEMAS DE MEDIÇÃO 31 Resolução Normalmente são utilizados displays de 3 12 dígitos i e são capazes de mostrar três dígitos de 0 a 9 e um que só pode assumir dois valores zero ou vazio ou 1 O ponto decimal é deslocado conforme calibre selecionado Exemplo O calibre 2 V terá três casas após o ponto e o maior valor indicado será 1999 V O calibre 20 V terá duas casas após o ponto e o maior valor indicado será 1999 V e assim por diante SISTEMAS DE MEDIÇÃO 33 EXATIDÃO A exatidão dos medidores digitais informa o maior erro possível em determinada condição de medição É expressa através de percentual da leitura do instrumento Exemplo Um instrumento digital com 1 de exatidão está apresentando uma medida de 100 unidades em seu display o valor verdadeiro estará na faixa de 99 a 101 unidades A especificação da exatidão de alguns instrumentos inclui o número de contagens que o dígito mais à direita pode variar Assim se um voltímetro tem exatidão de 1 2 e seu display mede 220 V o valor real pode estar entre 21778 e 22222 V SISTEMAS DE MEDIÇÃO 34 TRUE RMS Instrumentos digitais convencionais assim como instrumentos analógicos são apenas capazes de medir sinais alternados com forma de onda senoidal Entretanto existe uma classe de instrumentos digitais denominados True RMS que são capazes de medir qualquer tipo de onda O sinal é adequadamente processado de forma que saia sempre o verdadeiro valor eficaz Instrumentos sem True RMS podem apresentar erros de medição de até 40 principalmente em medições de corrente em que são aplicadas a eles ondas com altas distorções Esse tipo de distorção da onda de corrente é muito comum em máquinas elétricas e também em fontes chaveadas e inversores de tensão SISTEMAS DE MEDIÇÃO 35 Digital x Analógico Vantagens dos instrumentos digitais em relação aos analógicos Facilidade de leitura com menor possibilidade de erros do operador Maior resolução Maior exatidão Indicação da polaridade do sinal Capacidade de agregar novas funções Capacidade de comunicação com dispositivos externos Obrigado pela atenção Bons estudos Dúvidas Email williamamorimifmgedubr 36 SISTEMAS DE MEDIÇÃO O seu sucesso como engenheiro será diretamente proporcional à sua habilidade em se comunicar Charles K Alexander