Aula 4

7/17/2019 Aula 4

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I&M - FEUP Teresa Restivo Setembro 2014

Sistemas de Medição

Diagrama

de

Blocosde

uma

Cadeia

de

Medição

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Medição de pequenas variações de elementos sensores

usando


Sistemas de MediçãoBloco

de

Condicionamento

e

Transmissão

–

Pontes de

Medição

Medição Diferencial

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de

Condicionamento

e

Transmissão

–

Pontes de

Medição

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Síntese

Melhor resolução com equipamento inferior !

Menor sensibilidade a flutuações da alimentação!

Melhor resolução, melhor exatidão na leitura!

Anulamento de offset !




de

Condicionamento

e

Transmissão

–

Pontes de

Medição

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Uma montagem em

duplo divisor de tensão com

leitura diferencial

tem variadas vantagens!

Este é o princípio defuncionamento dasPontes de Medição




de

Condicionamento

e

Transmissão

–

Pontes de

Medição

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Os dispositivos de Medição geralmente necessitam deexistência de funcionalidades de condicionamento eprocessamento de sinal de modo atornar visível na saída um sinal resultante do estímulo

à entrada

Lembrar a Introdução!

Pontes de Medição



de

Condicionamento

e

Transmissão

–

Pontes de

Medição

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Uma PM é um circuito elétrico

capaz de converter uma

variação de uma ou mais das

suas impedâncias (na entrada)

num sinal de saída em tensão


Sistemas de MediçãoBloco de Condicionamento e Transmissão – Pontes de Medição

Lembrar a Introdução!

Pontes de Medição

VAB

VAB

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Um grande número de elementos sensores usados para

medição de grandezas físicas (deformação, pressão,

força, temperature, etc) convertem alterações da

grandeza em alterações das impedâncias elétricas. Assim,têm que estar frequentemenet integrados em circuitos de

condicionamento de sinal.

Pontes de Medição



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Destacam-se diversas características inerentes ao funcionamento daspontes de medição

melhor deteção de pequenas variações do(s) elemento(s) sensor(es)

capacidade de traduzir o estado de referência do elemento sensor(e.g., deformação nula, temperatura de referência, etc.) através de

uma tensão de saída nula (desequilíbrio nulo

possibilidade de permitir a compensação de grandezas de influência(por exemplo, o efeito da temperatura)

Pontes de Medição



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Melhor medição de pequenas variações

do(s) elemento(s) sensor(es)

Também

A análise feita mostrou a melhoria na resolução aliada a outras

melhorias inerentes - maior exatidão da medição, menor exigência no

equipamento, menor sensibilidade a flutuações da alimentação,

“anulamento” de offset

De seguida o estudo das características de funcionamento de pontes

de medição trará justificação para as restantes afirmações

Pontes de Medição



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A ponte de medição mede indiretamente uma

propriedade de um elemento do tipo resistivo,indutivo ou capacitivo

O resultado da medição traduz-se na variaçãodo sinal de saída DV : desequilíbrio da ponte .

Pontes de Medição



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Na situação de equilíbrio DV = 0

Segmentos de circuito entre dois nós

consecutivos: braços (da ponte).

braços adjacentes ou consecutivos têmum nó comum

braços opostosOs elementos sensores serão integrados em braços da ponte,podendo ser os restantes braços completados com impedânciasfixas.

Pontes de Medição



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Medição do valor de um dos seus elementos usandoum método de medição estático.

Medição da variação de um ou mais dos seuselementos usando um método de medição dinâmico

0

0= 0

Pontes de Medição



Modos de Funcionamento

http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_7/Mzero.mpg

http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_7/MDiferencial.avi




http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_7/Mzero.mpg

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Z Z

14 Z 2

Z3

0= 0

0

Pontes de Medição

Modos de Funcionamento



~

~

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Função de Transferência

Forte não linearidade

Um elemento resistivo a variar

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

-1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00

V / V 0

R/R

Função de transferência de uma ponte de medição

Wheatstone Bridge Transfer Function

Pontes de Medição

Sensibilidade da

ponte não constante



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Linearidade?

Sensibilidade daponte?

Só um elemento varia

Pontes de Medição



Função de Transferência

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Linearidade/Sensibilidade

y = 0.0025x

-0,003

-0,002

-0,001

0,000

0,001

0,002

0,003

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5

V / V 0 c a l c u l a d o

R/R (%)

Característica da ponte de medição para variações R/R (%) noin tervalo [- 1 , + 1

Todos os elementos iguais, um só varia

Pontes de Medição



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A linearidade da ponte de medição para variações (DR/R) 1% , é inferior ouigual a 0,13 %. A sensibilidade média é 0,25 (V0/R).

No caso estudado

R( ) D R( ) D R/R D V/V0cal D V/V0rl (D V/V0cal-D V/V0rl)/( gama(D V/V0cal))*100 %120 1,2 0,010 0,00249 0,00250 -0,12

120 0,96 0,008 0,00199 0,00200 -0,08

120 0,72 0,006 0,00150 0,00150 -0,04

120 0,48 0,004 0,00100 0,00100 -0,02

120 0,24 0,002 0,00050 0,00050 0,00

120 -0,24 -0,002 -0,00050 -0,00050 -0,01

120 -0,48 -0,004 -0,00100 -0,00100 -0,02

120 -0,72 -0,006 -0,00150 -0,00150 -0,05

120 -0,96 -0,008 -0,00201 -0,00200 -0,08

120 -1,2 -0,010 -0,00251 -0,00250 -0,13

V/V0 rl - valor obtido por regressão linear

Pontes de Medição



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Analisou-se a ponte de medição quando apenas 1 elemento sofrevariações.

No caso geral todos os elementos podem

variar: R 1, R 2, R 3 e R 4 sofrem variações DR 1,

DR 2, DR 3 e DR 4.

Pontes de Medição



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A função V /V 0 não é uma função linear das variaçõesdos seus elementos resistivos. A sensibilidade daponte não será, portanto, constante.

Pontes de Medição



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A manipulação algébrica da equação anterior, conduz a:

Pontes de Medição



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Se todos os elementos sofrerem variações muito pequenas, odesequilíbrio da ponte pode ser aproximado por:

elementos integrados em braços adjacentes contribuem com sinaisopostos e os elementos integrados em braços opostos contribuemcom o mesmo sinal.

Pontes de Medição



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Case 1: apenas R1 varia

A função de transferência não é uma função linear; a sensibilidadenão apresenta um valor constante.

SE

R 1=R 2=R 3=R 4=R

Pontes de Medição



Casos Particulares

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Case 2: apenas R1 varia; R1=R2=R3=R4=R e R1sofre muitopequenas variações

A função de transferência é uma função linear;a sensibilidade apresenta um valor constante

D D

V R

R V

0 4

D

D

V

R R

V0

4

Pontes de Medição



Casos Particulares

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Case 2 : variam dois elementos, R 1 e R 4; R 1 = -

R 4 eR 1=R 2=R 3=R 4=R

A função de transferência é uma função linear; a sensibilidade apresenta

um valor constante.

DD

V R

R V

0 2

D

D

V

R R

V0

2

E, para pequenas ou grandes variações de R!

e duplo da situação anterior!

Pontes de Medição



Casos Particulares

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Caso 3*: variam dois elementos, R1 e R2; R1 = -

R2

and R1=R2=R3=R4=R

A função de transferência é uma função não linear; a sensibi-

lidade não apresenta um valor constante

D D

V R

R V

02

Se as variações forem muito pequenas (da ordem de 1%)

DD

DV

R

R R

V0 24

Pontes de Medição



Casos Particulares

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A função de transferência é uma função linear; a sensibilidade apresentaum valor constante

DD

V R

R V

0

D

D

V

R R

V

0

Para qualquer ordem de valores de

variação dos elementos !

Pontes de Medição

Caso 4: todos os elementos

R1=-

R2=

R3 =-

R4



Casos Particulares

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