4 a 20 mili amperes 0 a 10 volts relatorio projeto circuito trabalho

RELATÓRIO SOBRE TRABALHO FINAL DA DISCIPLINA DE

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

TRANSMISSOR DE TEMPERATURA

12 / 2015

SUMÁRIO

1. Introdução ......................................................................................................................... 3

1.2.1. Objetivo geral .............................................................................................................. 4

1.2.2. Objetivo específico ...................................................................................................... 4

2. Descrição Geral ................................................................................................................. 3

2.1. Hardware ........................................................................................................................ 3

2.1.1. Circuito de corrente. .................................................................................................... 3

2.1.2. Ponte de Wheatstone ................................................................................................... 5

2.1.3. Amplificador diferenciador ......................................................................................... 7

2.1.4. Circuito de corrente de saída ....................................................................................... 9

2.1.5. Circuito de tensão de saída ........................................................................................ 11

2.2. Características e Resultados ......................................................................................... 14

2.2.1. Características Elétricas ............................................................................................ 14

2.2.2. Características Estáticas ............................................................................................. 15

2.2.3 Características Dinâmicas ........................................................................................... 16

3. Conclusão ....................................................................................................................... 19

4. Apêndice ......................................................................................................................... 20

4.1 Esquema elétrico ............................................................................................................ 20

4.2. Layout PCI .................................................................................................................. 21

4.3. Tabela de termorresistência .......................................................................................... 21

1

1. Introdução

Nos processos de fabricação industrial são utilizados vários instrumentos com finalidade

levantar variáveis de processo.

Estes instrumentos são conhecidos como sensores, e para que os sensores possam ter suas

medições compreendidas para gerenciar e controlar estes processos faz-se necessário o uso de

transmissores.

Os transmissores ou sensores tem a finalidade de transformar uma variável entregue por um

determinado elemento sensor que pode ser resistência, tensão, corrente, etc. em um valor de

tensão e ou corrente adequado para a interpretação de um controlador lógico.

O relatório deste projeto trata do desenvolvimento de um transmissor com a finalidade de

fazer esta conversão.

Um transmissor de temperatura com saída de 0 a 10 volts e corrente de 4mA a 20mA

direcionado para leitura de um elemento sensor PT 100 em escala de temperatura de 0° a 100°

Centígrados, é descrito a partir de seus cálculos para desenvolvimento construção e resultados

finais, bem como uma abordagem das características do elemento sensor na escala citada.

1.1. Metodologia

A proposta do circuito transmissor tem como foco responder de forma constante e regular

as mudanças de níveis de temperatura.

Utilizando um elemento sensor tipo PT 100 de platina para ler uma temperatura na faixa de

0 a 100 graus Celsius, onde o circuito deve entregar uma saída de tensão de 0 volts e 4 mA para

0° Celsius, e 10 volts e 20 mA a 100° Celsius. O circuito deve também suportar uma impedância

de até 600 Ω na saída de corrente.

O circuito visa atender aos valores desejados, assim como o objetivo de ser pequeno com

componentes de fácil acesso.

Captar a variável Tratar e

amplificar a variável

Ajustar as tensões de saída para o desejado

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Porém devido as caraterísticas dinâmicas do amplificador algumas limitações aparecem no

circuito com relação as tensões de saída.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo geral

Projetar um circuito transmissor que entregue os valores desejados, respeitando o tipo de

elemento sensor, buscando ser o mais próximo possível das medições calculadas, dentro das

propostas de construção física considerando os objetivos específicos.

1.2.2. Objetivo específico

Captar os valores a serem interpretados dentro da faixa de temperatura do PT 100 utilizado.

Construir o circuito transmissor utilizando componentes de fácil acesso.

Utilizar a menor quantidade possível de componentes visando baixo custo do projeto.

Respeitar os níveis de grandeza que melhor se adequam tanto para o perfeito funcionamento

do elemento sensor quanto suas variáveis de resposta, corrente e tensões do PT 100, de forma

que pequenas interferências não venham a causar grandes erros de medição.

Utilizar o mesmo sinal de tensão para a corrente sem que sofra perda quando houver na uma

impedância de até 600 Ω no circuito de saída de corrente.

Permitir ajuste para correção de valores não ideais dos componentes.

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Transmissor de temperatura

2. Descrição Geral

Para que os objetivos sejam atingidos foi necessário reduzir o circuito o máximo possível

sem que houvesse perda de qualidade nos resultados. Porém o circuito resultante sofreu

algumas perdas.

A necessidade de se trabalhar com componentes de fácil acesso e com circuitos mais

simples implicaram numa maior dificuldade de ajuste, porém admissível.

O circuito idealizado seque o diagrama de blocos abaixo.

Cada parte do circuito tem uma função, partindo do circuito de corrente para adequar as

características do PT 100, passando pela ponte de wheatstone para preparar as tensões

resultantes que, sequencialmente são interpretadas por um amplificador operacional

configurado como um diferenciador. As tensões resultantes na saída do amplificador são

posteriormente manipuladas por um circuito de tensão flutuante e outro circuito de espelho

de corrente para obter os valores de corrente e tensão desejados.

2.1. Hardware

O projeto foi idealizado em um circuito analógico que pudesse permitir o ajuste com

auxílio do software Proteus Isis, e sua PCB desenvolvida com a ferramenta Ares. As imagens

do circuito projetado seu layout para PCI e finalizado se encontram no apêndice deste

relatório.

Para um bom resultado na precisão da leitura do elemento sensor, foi preciso garantir

uma corrente próxima a exigida no datasheet do componente PT 100, de onde parte a

primeira etapa do circuito transmissor.

2.1.1. Circuito de corrente.

Circuito de corrente

Ponte de Wheatstone

Elemento sensor

Amplificador diferenciador

Circuito de corrente de saída

Circuito de tensão de saída

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Esta primeira etapa conta com um circuito de controle de corrente apoiada na

configuração do CI LM 317 (U1) como regulador de correte, conforme seu datasheet.

O CI LM 317 é um regulador de tensão com alimentação de 1.25 V a 37 V, configurado

no circuito como regulador de corrente, regulando a que irá circular sobre o PT 100.

A corrente ideal de excitação do elemento sensor PT100 de platina deve ser de 1mA. No

circuito é aplicada uma corrente de 2,5mA.

Este valor é admissível pois conforme a tabela de termorresistência do datasheet, a

potência que irá dissipar com esta corrente na faixa de temperatura desejada está abaixo da

máxima admissível de 5mW.

Foi escolhido um valor maior de corrente, para que o ganho do amplificador fique o

menor possível, diminuindo interferências no ganho. Abaixo o esquema do circuito de

corrente indica o valor de corrente na saída.

Conforme os dados do datasheet do LM 317 foram feitos os seguintes cálculos para obter

a corrente desejada.

Cálculos do circuito de corrente.

Cálculo da corrente desejada.

5


2.1.2. Ponte de Wheatstone

Na sequência faz se uso de um circuito de ponte de resistores tipo wheatstone. Este

circuito tem a finalidade de gerar duas alimentações de níveis praticamente iguais para as

entradas do amplificador diferenciador.

Nele é feito um artifício muito importante para que o número de componentes seja menor.

O esquema abaixo demostra a configuração das resistências e onde vai conectado o elemento

sensor.

No esquema foram inseridos dois resistores de 1,2 KΩ, um de cada lado da ponte. No

lado oposto ao PT 100 um potenciômetro em escala de 100 Ω para poder ajustar uma

resistência igual a resistência da faixa de temperatura do sensor. Este potenciômetro acaba

sendo a chave para um circuito menor, pois nele é feito o ajuste para se obter uma tensão

desejada para a corrente que o circuito tem que ter na saída, e consecutivamente acaba sendo

a mesma da tensão que deve haver de resposta para as faixas de temperaturas sentidas pelo

PT100.

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Ao invés de se ter um circuito para a tensão e aproveitar esta tensão para outro circuito

de corrente, é usada uma só tensão para os dois ao mesmo tempo.

A solução encontrada para reduzir o tamanho do circuito consiste em ajustar este trimpote

(RV1) para um valor abaixo do valor da resistência do PT100 para 0° Celsius, que seria de

100 Ω.

Isso cria no circuito uma diferença inicial de tensão proporcional a necessária para obter 4 mA para 0 graus na saída do transmissor.

Para que isto ocorra é preciso considerar todo o circuito.

A partir da relação entre tensão e corrente será obtido um valor de tensão para a corrente,

abordado mais adiante.

No lado do PT 100 foram obtidos os valores de tensão para 0 graus e 100 graus

Celsius, bastando apenas calcular a corrente em cima do mesmo, pois o circuito de

corrente, mantém uma corrente constante sobre ele.

A corrente, porém, é dividida nos ramos da ponte, onde estão os resistores de 1,2 KΩ

para forçar uma queda de tensão 10 vezes a do PT 100. Assim ocorre uma divisão da corrente

igual nos dois ramos da ponte, fazendo com que a corrente sobre o trimpote RV1 de ajuste

da ponte seja a mesma do PT 100, vindo os dois a ficarem com as resistências diretamente

relacionadas as tensões que vão para o amplificador.

Quando a resistência do trimpote RV1 for igual a do elemento sensor, as tensões também

serão as mesmas.

Adiante constam os cálculos para a ponte de wheatstone.

Cálculos referentes a ponte de wheatstone.

Cálculos dos resistores

VR2 = I no ramo(A) ∗ R2

VR2 = 2,5 ∗ 10−3 ∗ 1200 = 3 V

VR3 = I no ramo (B) ∗ R3

VR3 = 2,5 ∗ 10−3 ∗ 1200 = 3V

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Os cálculos para o trimpote RV1 serão abordados adiante pois dependem das tensões

desejadas.

Cálculos das tensões no PT 100.

VPT100 a 0° C = I no ramo (B) ∗ (resistencia em 0° C (100Ω))

VPT100 a 0° C = 2,5 ∗ 10−3 ∗ 100 = 250 mV

VPT100 a 100° C = I no ramo (B) ∗ (resistencia em 100° C (138,5Ω)

VPT100 a 100° C = 2,5 ∗ 10−3 ∗ 138,5 ≅ 346mV

2.1.3. Amplificador diferenciador

Na sequência as tensões obtidas das duas saídas da ponte, OUT 1, e OUT 2 são ligadas

as entradas não inversora e inversora respectivamente do amplificador diferenciador.

As tensões agora serão comparadas e amplificadas. O amplificador utilizado é o

LM741C, alimentado simetricamente com ± 15 V com offset ajustado pelo trimpote RV3. O

amplificador (U2) na configuração de diferenciador faz subtração da entrada negativa da

positiva, e amplifica o resultado pela relação de ganho calculado das resistências RV2 por

R4 numa configuração ideal. O ganho desejado então é calculado por esta relação.

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O esquema abaixo mostra as entradas das tensões e os resistores calculados.

Para obter 10 volts na saída com valor de resistência de 138,5Ω, a relação do ganho é

calculada sobre ajustadas o trimpote RV4 de 20 kΩ, conforme os cálculos de ganho a seguir.

Cálculos do circuito amplificador diferenciador.

Cálculo da faixa de tensão obtida na saída OUT 1.

ΔVOUT1 = VPT100 a 100° C − VPT100 a 0° C

ΔVOUT1 = 0,346 − 0,250 ≅ 96,25 mV

Cálculo do ganho desejado para tensão de 10 volts.

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Cálculo do resistor de entrada para o trimpote RV2 ajustado em 10kΩ.

Para o resistor R4 foi usado um valor comercial de 100Ω os resistores R5 e R6 tem os

mesmos valores que R4 e RV2 respectivamente para satisfazer a configuração de

diferenciador do amplificador.

Para ajustar o ganho de 97 vezes com um resistor de 100 Ω, o trimpote RV2 é então

ajustado para 10,3 KΩ.

Agora pode se aplicar os valores na fórmula do diferenciador para se verificar a

aproximação da tensão na saída

Cálculo do diferenciador para uma tensão próxima de 5 volts (metade da escala) para

uma entrada de temperatura de 50° Celsius (metade da escala) 119,4Ω seguindo a tabela

de termo resistência do PT100.

2.1.4. Circuito de corrente de saída

Tendo definido os valores de ganho para uma resposta desejada na saída do amplificador,

é definida agora uma tensão inicial, a fim de retirar a corrente de 4 a 20 mA diretamente

desta saída.

Isso consiste em ajustar a resistência do trimpote RV1 para uma queda de tensão, que

amplificada pelo ganho, seja a tensão para obter 4 mA amperes na saída quando o sensor

estiver a 0° Celsius.

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Esta tensão depende do circuito de corrente. Neste circuito deve haver uma tensão

suficiente para que ocorra uma relação de tensão por corrente de forma linear.

O esquema abaixo ilustra a configuração do circuito espelho de corrente utilizando o

transistor Darlington TIP 122 (Q1 e Q2).

Este circuito apresenta um valor de corrente de coletor no segundo transistor igual a

corrente de coletor do primeiro, com tanto que a resistência do segundo não exceda a

resistência do primeiro. Conforme a resistência ultrapassa, a corrente começa a se dividir

proporcionalmente na quantidade da resistência excedente, se subtraindo em ambos lados do

espelho.

O transistor TIP 122, foi escolhido devido a característica do espelho de corrente que

consiste no Hfe do transistor, pois para que as correntes sejam as mesmas nos dois

transistores o Hfe tem que ser o mesmo e, este apresenta um Hfe fixo devido seus resistores

de ajuste interno.

Para que haja uma corrente de 4 a 20 mA, é calculada a relação de tensão com uma faixa

de 10 volts somada aos 10 volts, mais a queda de tensão de base do transistor, e definido um

valor de resistor. Abaixo estão os cálculos relacionados a corrente de saída do transmissor.

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Cálculos do circuito espelho de corrente.

Cálculo da faixa de tensão para uma resistência fixa com variação de 10 volts.

Cálculo para definir o valor de resistência.

O valor obtido será ajustado em RV5, mas devido a necessidade de colocar resistores de

nivelamento na base dos transistores, para que os dois tenham a mesma corrente forçada, o

valor ajustado deve ser o calculado menos R8 de valor 56 Ω.

Este valor foi escolhido porque ele deve ser um valor mínimo que force a corrente no

espelho, mas que não acabe interferindo na qualidade da resposta quando adicionado o

resistor de 600 Ω de teste. Um valor alto poderia se somar e reduzir a corrente de saída, então

RV5 passa a ter o valor de 570 Ω aproximadamente.

2.1.5. Circuito de tensão de saída

Definidos os valores agora é possível obter a tensão mínima desejada.

Cálculos do circuito de tensão de saída

Cálculo para definir a tensão desejada na saída para uma temperatura de 0° Celsius

com uma saída de 4 mA.

𝑉𝑑𝑒𝑠𝑗𝑎𝑑𝑎 = (𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 0° 𝐶 ∗ 𝑅𝑎𝑗𝑢𝑠𝑡𝑒) + 𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟

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𝑉𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎 = (4 ∗ 10−3 ∗ 625) + 0,7 = 3,2 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠

Cálculo para verificar a faixa livre de tensão (esta deve ser a tensão de 10 volts que o

circuito deve variar com a resistência do PT100).

Vda faixa desejada = Vpara 20 mA − Vdesejada

Vdafaixadesejada = 13,2 − 3,2 = 10V

Isto significa que aplicando uma tensão inicial de 3,2 volts com uma resistência de 625Ω

ocorre uma faixa linear de corrente de 4 a 20 mA com tensão de 3,2 a 13,2 volts.

De posse deste valor de tensão inicial desejada agora é possível encontrar um valor para

RV1.

Ajustando RV1 com 0 graus Celsius para que o valor de tensão da saída seja de 3,2 volts,

o circuito cumpre seu papel de ter tamanho reduzido, entregando as tensões e correntes

desejadas.

Cálculo para definir o valor de resistência de RV1.

Ajustando o resistor RV1 para este valor deve aparecer na saída do amplificador uma

tensão próxima a tensão desejada.

Cálculo da tensão inicial desejada.

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Por fim o último circuito tem a finalidade de gerar uma tensão flutuante que subtraia a

tensão desejada, deixando exposta somente a faixa de tensão desejada.

Este circuito utiliza outro LM317 na configuração regulador de tensão ajustado com valor

de resistor de ajuste padrão conforme datasheet. O esquema abaixo demonstra o circuito de

tensão flutuante.

A função deste circuito é servir de referência para a saída de 0 a 10 volts. Para isso sua

tensão de saída deve ser a mesma da tensão inicial desejada no amplificador. Os cálculos

para regular esta tensão seguem abaixo.

Cálculos do circuito de tensão flutuante.

Cálculo do resistor de ajuste.

Com a tensão ajustada com o mesmo valor da tensão desejada, a tensão medida de V

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OUT+ a V OUT REF é de aproximadamente 0 a 10 volts para a faixa do PT 100 de 0° a 100°

Celsius.

2.2. Características e Resultados

2.2.1. Características Elétricas

Características elétricas do sensor PT 100 no circuito

Característica

Mínimo

Máximo Unidade

Tensão de

alimentação

250 347 mV

Corrente de

excitação

2,5 mA

Faixa de trabalho

(Temperatura)

0° 100° Celsius

Faixa de trabalho

(resistência)

100 138,5 Ω

Potencia dissipada 626 866 uW

Obs: Os valores descritos são apenas os calculados.

Características elétricas do circuito transmissor.

Características Mínimo Máximo Unidade

Tensão de

alimentação

±15 ±15,5 V (simétrico

+ GND)

Corrente consumo¹ 300 300 mA (aprox.)¹

Tensão de saída 0,3 9,8 V(Vcc±15 V)

Corrente de saída 4,2 19,7 mA(V +15V)

Potência total

dissipada

- 4,5 W

Ganho - 97 mV/V

Corrente nas

conexões do sensor

- 2,5 mA

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Obs: ¹ valor obtido através de teste regulando corrente da fonte de alimentação.

2.2.2. Características Estáticas

Características estáticas do PT 100 para a faixa do projeto

Característica Valor Variação Unidade

Sensibilidade 0,385 ±1,68 % Ω /C°

Erro de linearidade 1,2 - Ω ¹

Exatidão 98 % 10% % ²

Obs: ¹Valor calculado para cada 10 graus Celsius.

²Valor do datasheet.

Características estáticas do circuito

Característica Valor Variação Unidade

Sensibilidade

da tensão

77,67 ± 6% ¹ mV/V

Sensibilidade

da

temperatura

88 ± 6% mV/C° ²

Sensibilidade

da corrente

150 ±5% uA/C°

Linearidade

tens resistência

ão 95 +0,3V, -0,2V

tensão para 0° e

100° C

% ³

Linearidade

corrente

resistência

93,75 +0,2 mA, -

0,8mA corrente

para 0° e 100° C

% ³

Erro

linearidade

tensão

de

de

Max 1 - V=10° C

Erro

linearidade

corrente

de

de

Max 0,4 - mA=2,5°C

Exatidão de tensão 94 ± 10 %

Exatidão de

corrente

92,5 ±10 %

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Obs: ¹ porcentagem somando os erros de fim de escala e dividindo por 2. ² sensibilidade

considerando somente a faixa ativa de 9,8 volts obtida na saída. ³ somente valores

calculados

2.2.3 Características Dinâmicas

Característica dinâmica desconsiderando o tempo de resposta do PT100 para a

temperatura.

O circuito responde de forma imediata as variações de resistência do PT100, conforme a

tabela abaixo.

Tabela dos dados calculados da resposta para temperaturas a cada 10° C.

Nos gráficos a baixo é possível verificar a resposta de tensão e corrente frente as

temperaturas percebidas pelo elemento sensor.

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Gráfico de tensão para valores de temperatura de 10° em 10° Celsius calculados.

Gráfico de corrente para valores de temperatura de 10 em 10 graus Celsius calculados.

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Gráfico de resposta mA/V a cada 10° Celsius.

Gráfico de tensões e correntes encontradas na saída para as temperaturas reais medidos

na prática.

Foi utilizado como dispositivo de aquecimento do PT 100 um ferro de solda de 60W,

para a medição de temperatura foi utilizado termômetro do multímetro Mininpa CAT II. O

mesmo tipo de multímetro foi utilizado para medição da corrente e tensão.

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3. Conclusão

Após efetuadas as medições, foi constatado um erro considerável quanto a resposta de

tensão frente a temperatura devido métodos utilizados para teste. Conclui-se que, ao

considerar um erro de 10% de interferência do método, o circuito responde satisfatoriamente

ao proposto nos objetivos.

Nesta parte do circuito ocorreu uma variação aceitável para a temperatura mínima e para

a temperatura máxima.

Considerando o método utilizado para efetuar os testes, é possível afirmar que os erros

existem de fato.

Nos valores de saída de corrente foram encontradas variações não aceitáveis para a

temperatura máxima.

Um fator determinante para a ocorrência de falhas é o fato de a tensão máxima de saída

ser limitada pela alimentação do AOP. A tensão de saída máxima é relacionada com a

impedância de carga e a temperatura ambiente, vindo a tornar o circuito instável em

condições extremas. No entanto em condições típicas dadas pelo datasheet responde de

forma aceitável.

O ponto mais fraco do circuito é o fato de a tensão de saída não se limitar a 0 volt para

temperaturas abaixo de 0° Celsius. Podendo chegar a uma tensão de 0 a -8 para temperaturas

abaixo da faixa.

Os valores de corrente de excitação e ganho atenderam o esperado, pois não houve grande

perturbação na saída.

O circuito cumpriu com o objetivo de ser simples pequeno e construído com peças de

fácil aquisição, consecutivamente atende ao objetivo de ser barato.

Os ajustes foram estrategicamente adicionados como foi proposto, possibilitando um

bom ajuste dos valores finais.

Como solução para o problema de limite e tensão final máxima, sem depender da

alimentação do componente LM 741, pode-se adicionar um diodo Zener na faixa de 13,3

volts para limitar a tensão de saída, e aumentar a tensão de alimentação para 18 volts.

Como proposta de solução para limitar a tensão em 0 volts para a temperatura mínima,

poderia ser adicionado na tensão de saída um diodo comum, que impedisse a tensão negativa,

e somado sua diferença de queda de tensão para não influenciar na medição.

20


4. Apêndice

4.1 Esquema elétrico

21


4.2. Layout PCI

4.3. Tabela de termorresistência

4 a 20 mili amperes 0 a 10 volts relatorio projeto circuito trabalho

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