O que é condicionamento de sinal e como você usa um condicionador de sinal em sua aplicação industrial?

O que é um condicionador de sinal?

Em sistema de instrumentação muitas vezes precisamos condicionar o sinal de entrada que é recebido por um sensor ou um circuito. Quando nos deparamos com essa condição utilizamos dispositivo chamado condicionador de sinal, esses dispositivos são projetados para condicionar o sinal tornando próprio para atender o tipo de sinal necessário.

Existem alguns tipos de condicionadores de sinal os mais comuns são aqueles utilizado para filtrar o ruído existente em algumas instalações e a mais comum são os condicionadores que convertem de uma unidade para outra.

Figura 1.  Um condicionador de sinal analógico padrão. Imagem usada cortesia da Phoenix Contact

Na grande maioria das vezes os sinais que necessitam de condicionamento de sinal são analógicos. Pois esses sinais sendo analógicos representam os valores físicos das variáveis de processo, como por exemplo: Pressão, temperatura, nível, vazão e outras variáveis analíticas como PH, Condutividade, Concentração de Oxigênio. Os níveis de sinais emitidos pelos sensores sempre são fracos e pequenos muitas vezes passíveis a ruídos, considerando que os sistemas de aquisição de sinal ( PLC´S ) muitas das vezes estão distantes o sinal recebido pode não ser suficiente.  Além disso, os níveis de ruído também podem afetar esses sinais distorcendo os valores gerados pelos sensores.

Como sabemos o monitoramento das variáveis nas industrias são realizados através de diversos tipos diferente de sensores conforme o tipo de varáveis que queremos monitorar.
Os sensores são instalados diretamente no processo eles através de processo físico, químico ou físico/químico sentem as variações do processo e emitem um sinal proporcional a variação das condições de processo.

Condicionadores de sinais e sistemas de aquisição de dados (DAQ)

Os condicionadores de sinal fazem parte do sistema de processamento de sinal , pois não tem aplicação que possamos utiliza-los de forma independente, sendo assim sua maior aplicabilidade são nos sistemas de aquisição de dados (DAQ). 

A base de uma boa implementação e funcionamento do sistema de aquisição se principia em uma correta e detalhada especificação.

No exemplo acima estamos apresentando um sistema simples de analise de vibração que pode ser feito de forma manual.

Os sistemas de aquisição de dados são usados ​​para processar os sinais de valor físico de entrada, como temperatura e pressão, para realizar o processamento em tempo real. Um sistema DAQ consiste em muitos subsistemas, incluindo condicionadores de sinal. 

Um condicionador de sinal executa muitas funções para um sistema de aquisição podendo ser classificados por diversas categorias com as apresentadas abaixo:

• Amplificação
• Filtração
• Isolamento
• Linearização

Fontes de ruído em sistemas de aquisição de dados

Nos sistemas de aquisição de dados os sinais de ruídos são indesejados porque como os sinais dos coletores e ou sensores são muito fracos muitas vezes podemos nos deparar com sinais de ruídos maiores que os sinais reais coletados, inibindo assim o valor correto a ser coletado

Os cabos que são utilizados nas instalações nas industrias muitas vezes funcionam como uma fonte de ruído para os sistemas de aquisição de dados. Pois esses muitas vezes são instalados próximos de sinais de corrente alternada CA esse tipo de sinal cria em seu entorno um campo magnético. Quando um circuito próximo ou qualquer outro condutor portador de sinal chega perto desse condutor, o campo magnético distorce o sinal original, essa distorção de sinal gera um sinal de ruído em meio ao sinal que estamos fazendo a leitura, mudando assim o sinal original. Esse ruído que é gerado pelo campo magnético é chamado de interferência eletromagnética (EMI). EMI pode transmitir através de condutores, como cabos e qualquer caminho físico. A EMI também pode ser transferida por radiação sem nenhuma direção física. 

As solenoides são fontes de interferência pois essas são construídas basicamente por bobinas que naturalmente geram campos magnéticos esses por sua vez quando recebem corrente elétrica geram uma grande quantidade de interferência aos circuitos montados a sua volta. Consequentemente esse ruído gerado podem interferir nos sistemas de aquisição de dados.

RUIDO DE RADIOFREQUÊNCIA (RFI)

A radiofrequência(RFI) é uma outra forma de interferência que afetam os sistema de aquisição de dados

A radiação eletromagnética (RFI) que um circuito ou condutor emite quando o sinal elétrico muda rapidamente. Motor e VFDs(inversores de frequência) também são considerados fontes de ruído indesejado. Cabos de alimentação,  Motor e VFDs(inversores de frequência)  também são fontes de ruído para componentes eletrônicos e elétricos próximos. 

Figura 3.  Um condicionador de sinal de temperatura. Imagem usada cortesia da WAGO

Os motores freqüentemente ligam e desligam com frequência. Esse padrão de comutação frequente atrai uma onda repentina de corrente, que gera ruído. Os VFDs também são um gerador de ruído significativo, e o EMI é criado no estágio do retificador. O retificador converte a tensão de entrada CA em CC. O processo de retificação cria harmônicos , o que contribui com uma quantidade significativa de ruído.

Outra fonte importante de ruído é o aterramento inadequado. O aterramento é um loop interconectado em um potencial diferente do que a fonte de alimentação dentro de um sistema de circuito. A diferença de potencial é necessária para fazer com que a corrente elétrica flua entre os componentes de um circuito. Se o aterramento não for estabelecido de acordo com a especificação do projeto, as leituras do circuito se tornarão erráticas, causando ruído significativo na saída. 

Corrigindo Problemas de Ruído

Conforme mencionado acima, pode haver muitas fontes de ruído, incluindo os componentes ou sistemas funcionais. Eliminar o ruído é necessário para proteger os dados do usuário. Para tanto, são utilizadas técnicas e componentes especializados. Vejamos algumas maneiras de interromper o ruído.

Cabos resistentes a ruído

O efeito do ruído pode ser reduzido usando cabos resistentes ao ruído, como cabos blindados e pares trançados. 

Em um cabo blindado, os condutores que transportam os sinais são protegidos por uma blindagem padrão, que pode ser trançada, projetados em espiral ou em uma folha metálica revestindo os fios. Essa proteção reduz a possibilidade de acoplamento com as fontes de ruído circundante. Essa proteção deve ser aumentada conforme a intensidade do ruído isto é, quando maio for o ruído maior deve ser a proteção.

Uma outra forma de proteção são os cabos projetados e fabricados em par trançado, onde os fios são entrelaçados uns com outros.  O par trançado cancela o efeito do ruído. Quando o cabo é exposto a ruído, ambas as linhas recebem a mesma quantidade de ruído. 
Devido ao padrão torcido, a direção do ruído em um fio é oposta à do outro fio de um par. A direção oposta cancela o ruído sem afetar o sinal original.

Aterramento Adequado

Os aterramentos inadequados são uma fonte comum de ruído em sistemas de aquisição de dados. O aterramento em um circuito elétrico é uma tensão potencial de referência e, na maioria dos casos, geralmente é de 0 volts. Todos os componentes de um curso são conectados ao mesmo aterramento.

Figura 4.  Um fio de aterramento elétrico conectado a uma barra de cobre de aterramento.

Se o aterramento não for instalado ou um fio se romper do componente da formiga para o aterramento, o ruído encontrará rapidamente seu caminho para o sinal original, passando pelos componentes e fios.

Caminho por onde passam os condutores

A rota do fio é outro fator essencial para eliminar o ruído. Quando selecionado cuidadosamente, pode resultar em baixo ruído e alto rendimento. 

Ao colocar cabos, os cabos de baixa tensão não devem se misturar com linhas que transportam CA e outras fontes de ruído de alta frequência, como motores e VFDs. Isso é feito usando conduítes separados para eles. Esses cabos também são necessários para evitar a sobreposição e o funcionamento paralelo com outros fios.

Seguir as recomendações e considerações dos fabricantes

Ao instalar componentes elétricos ou eletrônicos, os fabricantes fornecem recomendações para o uso e aplicação ideais do componente, bem como fatores para cancelamento de ruído. Essas recomendações informam os usuários sobre a seleção do cabo, a distância do cabo em execução e qualquer componente adicional útil para reduzir os efeitos do ruído. 

Por exemplo, os VFDs podem induzir harmônicos na torção da fonte de alimentação. Os harmônicos através desses cabos de alimentação podem transferir ruído em componentes elétricos / eletrônicos sensíveis em todo o edifício. O fabricante fornece recursos específicos em VFDs para evitar que os harmônicos se espalhem no edifício. Isso é indicado na brochura ou folha de dados do produto relevante.

Os condicionadores de sinal são parte integrante do sistema de aquisição de dados para transferir dados brutos dos sensores para o próximo nível do DAQ sem alterar e perder os valores originais do sensor. Eles executam várias funções e o sistema DAQ não pode ser desenvolvido sem um condicionador de sinal.

O ruído é padrão em todos os sistemas elétricos; mesmo as técnicas mais avançadas não podem evitá-lo completamente. O ruído resulta na perda de dados sensoriais essenciais e pode alterar dados significativos para afetar a saída de um sistema DAQ. Existem técnicas específicas para evitar que o ruído entre no sistema DAQ e torna-se responsável por um sistema DAQ eficiente e bem-sucedido