introdução à automação de sistemas de...
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Summary
Introdução à Automação de Sistemas de Medidas
Prof.: Geraldo Cernicchiaro
13 a 17 de julho 2015
Resumo
Atualmente, a física experimental envolve o uso de diversos dispositivos, técnicas e transdutores que codificam parâmetros físicos em sinais elétricos. Do laboratório de matéria condensada aos experimentos de altas energias, estão presentes sistemas para monitorar, controlar e/ou manter constantes, diversos destes parâmetros, tais como: temperatura, nível, posição, imagem, etc. A ciência induz e se transforma em função do desenvolvimento dos instrumentos científicos, métodos de medidas e tecnologias. O objetivo deste curso é apresentar ferramentas, conceitos, circuitos, interfaces, algoritmos e protocolos que estão envolvidos nos processos para adquirir, registrar e manipular dados experimentais com ênfase no uso da automação e de técnicas digitais (PID, FFT, Labview, conversores, etc).
Sumário
• Introdução
• Eletrônica Básica
• Automação e Controle
• Instrumentos e Dispositivos de medidas
• Integração de Sistemas
Física Básica e Física Aplicada
Cesar Lattes, carro de boi e câmera de Wilson , (Inicio da década de 50).
O Rio Grande - entre Corumbá e Sta Cruz de la Sierra, fronteira Brasil-Bolívia.
Cesar Lattes
Emulsões fotográficas e a descoberta do méson-p
Sincrociclótron de 184 polegadas Universidade de Berkeley (EUA)
Laboratório de Chacaltaya, altitude de 5.200 metros,
nos Andes Bolivianos
Summary
• área de 3.000 km² • 1.600 tanques • 3,6m de diâmetro e 1,6m de altura • capacidade 12.000 litros de água • alto grau de pureza, • separados por 1500 m
Detector Cherenkov
• no Deserto de El Nihuil , Argentina
WWW – World Wide Web
Eu não entendo Tim. Eu posso usar isto para postar vídeos do meu gato?
March 12, 1989, that Tim Berners-Lee shared a document with his colleagues at CERN outlining what would become the World Wide Web
CERN -Organisation européenne pour la recherche nucléaire
LHCb MWPC - Detecção de Múons
LHC - Large Hadron Collider
• ALICE
• ATLAS
• CMS
• LHCb
Grupo de Múons
11
Sensores, condicionamento de sinal, interfaces …
Block diagram
ELMB
PT100
MWPCs
LHCb Muon Temperature Monitoring
Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA
Prozessvisualisierungs- und Steuerungs-System - PVSS
OLE for Process Control - OPC
Object Linking and Embedding - OLE
Experiment Control System – ECS
Experiment Control System – ECS
LHCb Muon Temperature Monitoring
Transdutores - Dispositivo capaz de transformar uma forma
de energia em outra e possibilitar o controle de um processo ou
fenômeno, realizar uma medição, etc.
• Sensores - fornecem informações de entradas em nosso sistema
a partir do mundo externo
• Atuadores - que executam ações de saída para o mundo externo
• Dispositivo que converte informação de sistemas não
elétricos para sistemas elétricos, ou vice-versa
Conceitos
Automação - (do latim Automatus = mover-se por si ): é um sistema que emprega processos automáticos que comandam, e controlam, os mecanismos para seu próprio funcionamento sem interferência do homem.
Sistema de Medidas
Mensurando
Sensor Transdutor
Condicionamento
do sinal Formatação
do dado
Transmissão do dado
Armazenamento
Apresentação do dado
Sistema:
• Conjunto de elementos, ou subsistemas, que interagem, e processam, com uma finalidade
- matéria, energia, informação
• Aberto: com troca com o ambiente • Fechado: sem troca com o ambiente
Output
Input
• Domínio Físico e Químico
Domínios não-elétricos • Posição em escala
• Número
• Corrente
Analógico
Domínios elétricos
• Voltagem
• Carga
• Freqüência
Tempo • Largura de pulso
• Fase
• Contagem
Digital • Serial
• Paralelo
Domínio de Dados
Como a informação é codificada
• Indicação direta é obtida no dispositivo do mostrador
• mostrador de ponteiro • dispositivo mostrador
• registrador gráfico
Valor = Mensurando
Medição por Deflexão ou Indicação
• Transdutores de temperatura
- termistores, termopares, semicondutores.
• Transdutores de posição
• Transdutores de velocidade
• Transdutores de aceleração
• Transdutores de força e pressão
• Transdutores de pressão de fluidos
• Transdutores de luz
- fotoresistências, células fotovoltaicas, fotodiodos, CCDs, etc
• Transdutores Resistivos
• Transdutores Capacitivos
• Transdutores Indutivos
Transdutores
Sistema Internacional de Unidades
Base quantity SI base unit
Name Symbol Name Symbol
length l, x, r, etc. metre m
mass m kilogram kg
time, duration t second s
electric current I, i ampere A
thermodynamic
temperature T kelvin K
amount of
substance n mole mol
luminous intensity Iv candela cd
Derived quantity Name Symbol
Expressed
in terms of
other SI units
Expressed
in terms of
SI base units
plane angle radian (b) rad 1 (b) m/m
solid angle steradian (b) sr (c) 1 (b) m2/m2
frequency hertz (d) Hz s–1
force newton N m kg s–2
pressure, stress pascal Pa N/m2 m–1 kg s–2
energy, work, amount of heat joule J N m m2 kg s–2
power, radiant flux watt W J/s m2 kg s–3
electric charge, amount of electricity coulomb C s A
electric potential difference, electromotive force volt V W/A m2 kg s–3 A–1
capacitance farad F C/V m–2 kg–1 s4 A2
electric resistance ohm V/A m2 kg s–3 A–2
electric conductance siemens S A/V m–2 kg–1 s3 A2
magnetic flux weber Wb V s m2 kg s–2 A–1
magnetic flux density tesla T Wb/m2 kg s–2 A–1
inductance henry H Wb/A m2 kg s–2 A–2
Celsius temperature degree Celsius (e) °C K
luminous flux lumen lm cd sr (c) cd
illuminance lux lx lm/m2 m–2 cd
SI - Unidades de medidas derivadas coerentes
Conversão entre os domínios
PT100 Termoresistor
Fenômeno Físico
Função de Transferência do transdutor
Condicionamento do sinal
Função de Transferência do medidor
R = Ro [1 + α(T - To)] Rx = V/i
r
i
V
RX +
Mv = A.V + B
Interface
Interface GPIB ou IEEE-488
Formato Comando
Conexões
Sistema de Controle
• Sistema de controle de malha fechada
• Sistema de controle de malha aberta
Controle
Atuador Sensor
Physis
Sistema sob controle
Sistema Supervisório: Entrada de Comando
Medida do Parâmetro Físico
Comando de Correção
Magnetometro de Amostra Vibrante
Physical Property Magnetic System - PPMS
Protocolos de medidas elétricas e magnéticas
Antes de tudo
• Por que medir?
• O que queremos medir?
• Quais os métodos disponíveis?
• Qual a tolerância de erro aceitável?
• Como a medida afeta o sinal?
• Como a forma de onda do sinal afeta a medida?
• Qual a banda passante do método de medida?
• Quais as fontes de ruído?
• Quais as fontes de interferência?
• Qual o protocolo de medida?
Algumas Definições
• Medir
• Exprimir o valor de uma grandeza em relação a um padrão (p.e.
comprimento) ou a uma escala de referência (p.e. temperatura)
• Não é colecionar números - é um processo
• Sinal elétrico
• Uma quantidade elétrica detectável tal como tensão, carga ou corrente,
ou sua variação, no qual uma informação pode ser codificada.
• Codificar
•Transferir informação de um sistema de para outro.
• Digital
• Representação por meio de uma seqüência de números ou sinais
discretos (p.e. bits e bytes) - Enumerar
• Analógico
• Uma grandeza que pode assumir valores contínuos.
• Conversores
• Dispositivo que permite codificar sinais analógicos em digitais e vice-
versa (DAC e ADC)
Grandezas Analógicas e Digitais
Analógico Digital
Contínuo Discreto
Codificar
• Samuel F. B. Morse ( 1832 )
• Telégrafo eletromagnético
• Transferir informação de um sistema para outro
• Ampère
C B P F t (s) A
mpli
tude
(V o
u A
)
• Codificação Digital
Código ASCII
American Standard Code for Information Interchange "Código Padrão Americano para o Intercâmbio de Informação"
Onda Quadrada ou pulso
V
5,0
2,5
0
Duty cycle (%)
inclinação ou taxa de variação ou slew rate (V/ms)
Vmax
Vmin
V offset
fase
t(ms)
TTL - Transistor Transistor Logic
Padrão Serial RS 232
Formas de Onda
Onda Quadrada ou Pulsada Onda Triangular
Onda Dente de Serra Onda Senoidal
Am
pli
tude
Período
Onda senoidal alternada
Am
pli
tude
pic
o a
pic
o V
pp
Am
pli
tude
de
pic
o V
p
Período = T
frequência = 1/T
Am
pli
tude
RM
S
Lei de Ohm
R = r L
V (
Volt
)
I (Ampère)
R (ohm) = V
I
Georg Ohm (1787-1854)
V I R
+
V = R . I
A
• 1° Lei de Ohm (1827)
• Nos materiais ôhmicos, a razão entre a diferença de
potencial e a corrente elétrica é constante
• 2° Lei de Ohm
L - comprimento
r - resistividade
A - área da seção transversal
A
1ª - Lei das correntes ou lei dos Nós
Leis de Kirchhoff
A soma algébrica das quedas de tensão
ao longo de uma malha fechada é zero
A soma algébrica das intensidades de
corrente que concorrem num nó é nula
G. R. Kirchhoff (1824-1887)
• Regem a associação de componentes num circuito (1845)
1ª - Lei das tensões ou lei das Malhas
Divisores de tensão
V out = R1 * Vin
(R1 + R2)
Medida de resistência elétrica
Medição a dois fios
A
RShunt
V
r RX
* 1
* 10
* 100
Funciona para medir valores altos de resistência
Medida de resistência elétrica
Medição a quatro fios
A
RShunt V
r RX
* 1
* 10
* 100
A medida independe da resistência das ponteiras e dos contatos
Medida de Resistência Elétrica - Ohm
Medida de Tensão - Volt
Medida de Corrente - Ampère
Circuito equivalente
O teorema de Thévenin afirma que, do ponto de
vista de um qualquer par de terminais, um circuito
linear pode sempre ser substituído por uma fonte
de tensão com resistência interna RTh.
A transformação de fonte indica que uma fonte de
tensão com resistência interna não nula pode ser
substituída por uma fonte de corrente com resistência
interna não infinita RTh.
RTh
VTh
RTh
IN
Equivalente de Thévenin
Equivalente de Norton
dP = 0
dR
Máxima transferência de energia
P = I 2 * R r
V
R
e I = V
P = V2 * R
(R + r)2
(R + r)
é máximo para
dP =
dR
=
* d(V2 R) (R + r)2
dR - d (R + r)2
dR * V2 R
(R+r)4
= 0
(R+r)3
(R+ r)V2 - 2RV2
dP =
dR = 0
(R + r)3
( r - R)V2
logo r - R = 0 então R = r
como
(R + r)3
V2 = 0
= 0
(u/v)’ = (u’.v – u.v’) / v2
Impedancia Elétrica
Resitor
I = V
Z
Resistor Linha de Transmissão
Gerador
Senoidal
Z = √ R2 + (XL – XC ) 2
Capacitores
• Capacitores são elementos elétricos capazes de
armazenar carga elétrica e energia potencial elétrica.
• Unidade Faraday
+ + + +
I = dV
dt Q = C*V
C Capacitância medida em Farad F
e Constante de proporcionalidade F/m
A área das armaduras m²
d distância entre as armaduras m
C = e A
d
Indutores
• Um indutor é fundamentalmente um armazenador de energia sob a forma de
um campo magnético.
•Unidade Henry. V = L dI
dt
Filtro Passa Baixa:
1
210log20
A
AdB
1
210log10
P
PdB
6dB então 3010.02log como .2 Se 1012 AA
20dB então 101log como .10 Se 1012 AA
RC1/2f
1
12/1222
p
inout V
CR
V
Decibel :
CjZC / LZ j L
Filtro Passa Alta
)2(1
2
)/(12/122/122
ininout V
fRC
fRCV
CR
RV
p
p
Atenuação = -20dB / dec ou - 6dB/octave fase @ -3dB = 45
Função do Tempo: Numero Complexo
cos( ) jo oV t V e a jb
0 2 4 6 8 10 12
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
Am
plit
ude
Tempo
0 2 4 6 8 10 12
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
Am
plit
ude
Tempo
Sinal Modulante:
tEte mmm cos
Sinal Modulado:
• Alterar uma
característica da
onda portadora,
proporcionalmente
ao sinal modulante
Modulação AM
0 2 4 6 8 10 12
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
Am
plit
ud
e
Tempo
Sinal da Portadora:
tEte ooo cos
+
• Amplitude Modulada
Modulação em Amplitude
Sinal da Portadora: tEte ooo cos Sinal Modulante: tEte mmm cos
] cos[ 2
] cos[ 2
cos
então
) cos( 2
1 ) cos(
2
1 cos cos
: que lembrando
cos cos cos
cos ] cos 1 [
como
cos cos 1
cos ] cos [
cos ] [
t E
m t E
m t E t e
B A B A B A
t t mE t E t e
t t m E t e
m E
E
t t E
E E t e
t t E E t e
t t e E t e
o m o
o m o
o o
o m o o o
o m o
m
o
o m
m
o o
o m m o
o m o
Sinal Modulado:
0 2 4 6 8 10 12
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
Am
plit
ude
Tempo
Sinal Modulado:
Espectro de Amplitude:
(Wo-Wm) Wo (Wo+Wm)
Eo
mEo/2 mEo/2
W
m = Em/Eo = índice de modulação
Modulação:
0
Detector de Envoltória:
0 2 4 6 8 10 12
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
Am
plit
ude
Tempo
0 2 4 6 8 10 12
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
Am
plit
ude
Tempo
tEte mmm cos
Sinal Modulado
0 2 4 6 8 10 12
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
Am
plit
ude
Tempo
Ação do Filtro
R
D
C
Vin Vout
Sinal Demodulado
Circuito Retificador
Sinal Retificado
Série de Fourier
1
( ) .cos( ) .sen( )2
:
( ) é a função;
é o valor médio de ( );2
e são os coeficientes da série de Foourier
é a velo
on o n o
n
o
n n
o
af t a n t b n t
onde
f t
af t
a b
cida angular da função ( )f t
T
on
T
on
T
o
dttntfT
b
dttntfT
a
tfdttfT
a
0
0
0
)sen()(2
)cos()(2
)( de médio valor )(2
Enunciado da Série Trigonométrica de Fourier:
• Uma função periódica f(t) pode ser decomposta em um somatória
de senos e cossenos equivalentes à função dada
Cálculo dos coeficientes de Série de Fourier:
Análise Espectrográfica
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
o =Fundamental
0 1 2 3
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
3 o = 3 Harmônico
5 o = 5 Harmônico
0 DC
Análise Espectrográfica
Amplificadores Operacionais
• Alta impedância de entrada (Ri ~10 MW)
• Baixa impedância de saída (Rth ~75 W)
• Alto ganho de Tensão a ( 741 ~ 100000)
• Possibilidade de operar como amplificador diferencial
• Alimentação simétrica
V1 Entrada não inversora
V2 Entrada inversora
Vo Tensão saida
Alimentação simétrica
Vth = a (V1 - V2)
Ro = Rth
Regras de ouro
• Alta impedância de entrada
• Quando conectado em uma configuração de
realimentação negativa, o OpAmp irá tentar
mudar a tensão de Vout de modo a deixar as
tensões de entrada iguais.
1. Nenhuma corrente irá fluir nas
entradas.
2. As tensões, ou seja os potenciais em
relação ao terra, nas duas entradas
serão iguais.
(vi − v2) / R1 = (v2 − vo) / R2
R2 (vi − v2) = R1 (v2 − vo).
vo = a (v1 −v2) = −a v2 , pois v1=0.
R2vi + R2vo/a = −R1vo/a − R1vo.
vo = R2
R1
vi −
Operações analógicas
Circuito somador
va/Ra + vb/Rb + vc/Rc = −vo/R2
Circuito diferenciador
vo = − R1 C dvi
dt
vo = - R2 (va/Ra + vb/Rb + vc/Rc)
Circuito Integrador
vo = − vi
RC
dt
0
t
+ c
Comparador
• Se abaixo de um determinado valor
saída em nível alto alto
• Converte uma informação analógica
em uma informação digital
Álgebra de Boole
“NOT” F = A F A
A B F
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
“OR” F = A+B F A
B
A F
0 1
1 0
A B F
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
“AND” F = A•B F A
B
Nome Símbolo Notação Tabela
Verdade
A B S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
A S
0 1
1 0
A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
A B S
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
A B S
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
J K Q
0 0 Qa
0 1 0
1 0 1
1 1 Qa
D Q
0 0
1 1
T Q
0 Qa
1 Qa
Nome
E
(AND)
OU
(OR)
NÃO
(NOT)
OU
exclusivo
(XOR)
NÃO E
(NAND)
NÃO
OU
(NOR)
Flip-
Flop JK
Flip-
Flop D
Flip-
Flop T
Símbolo
Notação S = A . B S = A + B S = A S = (A . B) S = (A + B) - - -
S = A B
Blocos lógicos elementares
X Y S C
0 0 0 0
0 1 1 0
1 0 1 0
1 1 0 1
Bloco somador
S = X Y
E a saída de "vai um" é a função E:
C = X . Y
Contador
Divisão de freqüência
Contador assíncrono básico
E S3 S2 S1 S0
nada 0 0 0 0
1 0 0 0 1
2 0 0 1 0
3 0 0 1 1
4 0 1 0 0
5 0 1 0 1
6 0 1 1 0
7 0 1 1 1
8 1 0 0 0
9 1 0 0 1
10 1 0 1 0
11 1 0 1 1
12 1 1 0 0
S0
S1
S2
S3
clock
S0 S1 S2 S3
A (Va) B (Vb) C (Vc) D (Vd) |Vs| (V)
0 0 0 0 0
0 0 0 1 0,625
0 0 1 0 1,25
0 0 1 1 1,875
0 1 0 0 2,5
0 1 0 1 3,125
0 1 1 0 3,75
0 1 1 1 4,375
1 0 0 0 5
1 0 0 1 5,625
1 0 1 0 6,25
1 0 1 1 6,875
1 1 0 0 7,5
1 1 0 1 8,125
1 1 1 0 8,75
1 1 1 1 9,375
Vs = -Rr [ (Va/R) + (Vb/2R) + (Vc/4R) + (Vd/8R) ]
| Vs | = 0/1 + 0/2 + 0/4 + 5/8 = 0,625 V.
Conversor Digital-Analógico tipo R-2nR
| Vs | = 0/1 + 0/2 + 5/4 + 0/8 = 1,250.
Conversor Analógico Digital - ADC
Conversor tipo rampa digital Conversor tipo paralelo
• Byte; Bit; Palavra
• Código (Binário; BCD; ASCII)
• Hardware; Software;
• Linguagem de Alto Nível; Linguagem Assembly; Linguagem Máquina
• Compilador; Interpretador; Assembler
• CPU - “Central Processing Unit”
• Barramento (Endereço; Dados; Control)
• ALU - Unidade Aritmética e Lógica
• Vírgula fixa; Vírgula flutuante (Mantissa; Base; Expoente)
• Instrução; Programa
• Ciclo de instrução (Busca; Decodificação; Execução)
• Conjunto de instruções
Terminologia Digital
Sistema de Magnetometria SQUID
Gradiômetro
Amp.
Lock-In
Modulação
(Feed-Back)
Vout
Corrente de Polarização Pré-amplificador
de baixo ruído
Realimentação
Modelo OSI - (Open Systems Interconnection)
PC Data Logger
sonda 1
sonda 2
sonda n
μC ATmega
168
Driver
RS-232
Driver
SDI-12
RS 232
SDI-12
Architecture of
RPCs and Scintillators Setup at CBPF
RPC 8x8
RPC 8x8
PMT
PMT
Oscilloscope
MarrocDAQ
PC
USB
USB
USB
muon
trigger label
Scintillator
Scintillator
Experimental Setup
Gas Control
Scintillators
RPC
RPC
RPC
Scintillators
RPC Resistive Plate Chambers
Scintillators Data Acquisition
• Lounasmaa, O.V. Experimental Principles and Methods Below 1K. (Academic Press:
London and New York)
• P. Horowitz, W. Hill. The Art of Electronics. (Cambridge University Press.)
• J. J. Brophy. Basic Electronics for Scientists. (McGraw-Hill Kogakusha Ltda.)
• W.P.Press, S. A. Teukolky., W. T. Vetterling, B. P. Flannery. Numerical Recipes on C. (Cambridge University Press)
• E. Fukushima, S. B.W. Roeder. Experimental Pulse NMR A Nuts and Bolts Approach (Addison-Wesley Publishing Company)
• Simulação eletrônica: Electronics Workbench 5.12
• Web of Science – http://portal.cbpf.br/index.php?page=Biblioteca.apres
• VOCABULÁRIO INTERNACIONAL DE METROLOGIA: Conceitos Fundamentais e Gerais e Termos Associados – http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/VIM_2310.pdf
Bibliografia
Para se fazer Física Experimental de fronteira é preciso Instrumentação Científica de fronteira
Pesquisa Instrumentação
Tecnologia
• Objetivos
• Definições
• Modelos
• Dispositivos e ferramentas
• Transdutores
• Sensores
• Atuadores
•Automação de processos
• Algoritmos
• Protocolos
• Interface com usuário
Estrutura de Cursos
1º ano – cursos totalizando 20 créditos.
2º ano – desenvolvimento do projeto e defesa da dissertação. .
• Cursos Obrigatórios (4 créditos): • Eletrônica Analógica e Digital • Mecânica Quântica Aplicada • Sistemas de Medidas e Métodos Experimentais
• Cursos Opcionais (4 créditos) e minicursos (2 créditos): • Processamento de Sinais e Imagens • Materiais Magnéticos e suas Aplicações • Instrumentação Básica em Altas Energias • Redes de Computadores e Computação de Alto Desempenho • Técnicas de Detecção • Outros:
• Da pós-graduação Acadêmica do CBPF • De outras Instituições reconhecidas (Inmetro).