LIGUE PARA GENTE

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Em instrumentação, um fator essencial para se obter integridade de leitura de sinais é a ligação correta entre terras de diferentes equipamentos e circuitos. A ligação entre terras é necessária para se criar uma referencia de tensão entre os diferentes circuitos e também fornecer caminho para a circulação de corrente.

Em um painel elétrico, por exemplo, das mais diversas aplicações, é comum que se tenha vários equipamentos interconectados. Alguns destes equipamentos podem ter alimentação em corrente continua(por exemplo 24Vcc) e muitas vezes pode ser que o terra (GND) desta alimentação tenha que estar em comum com o GND de sinal dos diferentes equipamentos de medição que estão operando dentro do painel.

Neste artigo será abordado especificamente detalhes em relação a ligação de diferentes terras de circuitos de corrente continua. Usaremos como referência a alimentação interna de um painel elétricos genérico. Mas o raciocínio pode ser extendido para qualquer sistema com alimentação em CC.

Os circuitos de alimentação em CC, como os utilizados frequentemente para alimentar equipamentos em painéis elétricos, podem com frequência fornecer correntes elevadas. Mesmo que não se tenha um equipamento específico que consuma alta potência, a soma dos consumos individuais de vários equipamentos de baixo consumo, pode levar a um consumo elevado de potência na fonte. Além disso, hoje em dia é extremamente comum a utilização de fontes chaveadas para alimentarem os circuitos internos dos equipamentos. Estas fontes chaveadas podem gerar componentes de alta frequência na corrente dos cabos de alimentação do painel elétrico.

Correntes elevadas e componentes de alta frequencia em condutores podem causar, ao longo do seu caminho, desde o terminal +V até o GND da fonte CC, quedas de tensão indesejadas. Estas quedas de tensão podem ser ainda maiores se os cabos e fios dos circuitos estiverem mal dimensionados e/ou se as conexões destes circuitos estiverem ruins (danificados, oxidados, mal apertados, etc)

Vamos utilizar como exemplo o circuito genérico abaixo. Neste exemplo temos diversos equipamentos sendo alimentados e diversos sinais analógicos sendo enviados para um equipamento de leitura, que poderia ser um CLP, por exemplo.

Da maneira, como os terras de alimentação e o terras de sinal analógicos estão interligados, em uma primeira análise poderia se chegar a conclusão que está tudo certo. E de certa forma está, eletricamente falando. E também estão certos se forem apenas uma representação para um esquema elétrico.

Mas se na prática, na montagem real deste circuito, os equipamentos estiverem distribuídos desta forma, há uma boa chance de ocorrer erros de leitura dos sinais analógicos, pois pode haver quedas de tensão significativas ao longo do caminho do terra. Este problema poderá ocorrer também nos cabos de +V, mas no terra acaba sendo mais grave para esta questão de erros de leitura. Esse tipo de problema as vezes é esquecido mas pode ser relevante. O resultado deste tipo de montagem pode gerar um simples erro de leitura, como pode causar sinais de leitura instáveis ou ainda a seguinte situação: as vezes a leitura está certa, então começa a marcar errado, e depois de um tempo volta marcar certo novamente. Este tipo de problema pode ser causado quando um determinado equipamento começa a consumir mais potência (ligou uma carga), depois volta a consumir menos potência (desligou a carga).  

Na tentativa de se solucionar qualquer um dos problemas acima mencionados, normalmente se procura por algum equipamento defeituoso realizando testes e mais testes. Entretanto, como o problema não é com algum equipamento em específico, chega-se na conclusão que está tudo correto, embora o problema esteja presente.

Para que este problema seja evitado, basta haver um cuidado no modo que os terras de potência (alimentação, acionamento de cargas, etc) e sinal serão interligados. Nos esquemas abaixo são mostrados dois modos para que o problema seja evitado. Nestas conexões, quedas de tensão ao longo do caminho de terra não afetariam os valores dos sinais analógicas nas entradas do equipamento que recebe estes sinais, pois seus GNDs estão “fixos” ao potencial do terminal GND da fonte CC (MODO DE LIGAÇÃO 1), ou “fixos” a um mesmo potencial ao longo do caminho de terra, e desta forma não haverá flutuações nas leituras (MODO DE LIGAÇÃO 2). O MODO DE LIGAÇÃO 1 normalmente é o mais recomendado, mas o MODO DE LIGAÇÃO 2, por uma questão de facilidade de montagem, pode muitas vezes garantir um bom resultado. É importante observar que os equipamentos que fornecem os sinais analógicos, necessitam ter circuitos internos de saída de sinal, alimentação e leitura isolados ente si, para que realmente não se tenha outro caminho para a corrente de terra percorrer. Se não houver esta isolação, pode até mesmo ocorrer dano em algum destes equipamentos.  Este procedimento é semelhante ao cuidado que normalmente se tem, em circuitos eletrônicos, em se separar GNDs de circuitos analógicos de GNDs de circuitos digitais. O chaveamento dos circuitos digitais pode interferir nos sinais analógicos, sendo assim estes dois GNDs devem ficar separados eletricamente e se encontrar em um único ponto, preferencialmente o mais próximo possível do circuito da fonte.

Antes de ler este tópico, é importante analisar o conteúdo do post anterior Transdutor com saída analógica padronizada DC Proporcional.

Como já foi exposto no post anterior, nas aplicações modernas, é comum encontrarmos equipamentos como CLPs, Controladores, Indicadores, etc que possuem entradas e saídas analógicas do tipo 0-5V, 0-10V, 0-20mA, 4-20mA, ±5V, ±10V, ±20mA e outras variantes. Estas saídas são geralmente sinais DC (sinais contínuos) proporcionais as amplitudes das grandezas medidas.

Outro tipo de saída analógica padronizada existente, é a do tipo conhecida como Medida Instantânea (MI), que ao contrário da DC Proporcional, possui a capacidade de reproduzir o formato de onda do sinal medido. Na Figura1, pode-se observar a representação de quatro saídas do tipo 0-10V Medida Instantânea reproduzindo respectivamente quatro sinais com formatos de onda distintos.

 

Para uma melhor compreensão das diferenças entre as saídas do tipo DC Proporcional e Medida Instantânea, seguem os exemplos abaixo:

Exemplo 1: O transdutor a ser utilizado possui faixa de medida de (0 – 100)A AC e a saída é do tipo (0 – 10)V DC Proporcional RMS.

O transdutor para este caso precisa ser especificado para uma faixa de medida baseado no valor eficaz (RMS). Neste caso, (0 – 100)Arms

Exemplo 2: O transdutor a ser utilizado possui faixa de medida de (0 – 100)Ap e o sinal de saída é do tipo (0 – 10)V Medida Instantânea.

O transdutor para este caso precisa ser especificado para uma faixa de medida baseado no valor de pico da onda. Neste caso, (0 – 100)Ap

É importante observar que no Exemplo1 a corrente RMS é 100A e a de pico é (100A.√2) 141,42Ap. Já no Exemplo2 a corrente de pico é 100Ap e a RMS acaba sendo (100A/√2) 70,71Arms.

Conforme visto nas figuras 2, para o caso de uma saída (0-10)V DC Proporcional RMS, tem-se um sinal contínuo proporcional a amplitude RMS. Quando a corrente está com uma amplitude de 0Arms, tem-se na saída 0V e para uma corrente de 100Arms, respectivamente 10V (os sinais de saída são sempre não oscilantes; são sinais do tipo DC puro). Já no modelo com saída (0-10)V Medida Instantânea, para uma corrente de 0Ap, tem-se um sinal de 5V, sem oscilação pois a corrente na entrada do transdutor não está variando neste momento, e com 100Ap, visualiza-se uma saída oscilante em torno de um valor médio de 5V, onde o vale da onda está localizado em 0V e o pico em 10V. Dessa forma, conforme a Figura3, o sinal de saída do tipo medida instantânea reproduz o formato de onda aplicado no transdutor.

Vale ressaltar, que não somente os transdutores com medida instantânea possuem esta característica de saída. As mesmas também são encontradas em TCs (Transformadores de corrente que medem somente sinais AC), TPs (Transformadores de potencial que medem somente sinais AC), Sensores hall com saída analógica (medem sinais AC e DC) e outros.

O nível de fidelidade do sinal reproduzido neste tipo de saída, vai depender das características do equipamento de medição utilizado. Entretanto, os dois parâmetros de primordial importância são a faixa de frequência e o tempo de resposta.

– Tempo de resposta: Tempo necessário para o sinal de saída do equipamento de medição elevar a sua amplitude de 10% do valor final de saída para 90% desse mesmo valor final.

– Faixa de frequência (Hz): Faixa que compreende desde a menor frequência até a maior frequência do sinal a ser medido pelo equipamento de medição.

Utilizando-se agora, como exemplo, um transdutor de corrente da Linha MI, modelo 150C420AMI-E4VDC com medida direta (Os mesmos possuem uma janela para passagem do condutor da corrente a ser medido integrado no próprio encapsulamento padrão DIN de fixação em fundo de painel).

 

Características do modelo:
Faixa de medida: ±150Ap
Faixa de frequência: (0 – 2)kHz
Tipo de saída: (4 – 20)mA medida instantânea
Total isolamento galvânico
Alimentação auxiliar: (17 – 30)Vdc

 

Os transdutores da Linha MI podem reproduzir em sua saída praticamente qualquer formato de onda, desde que a corrente limite de 2kHz não seja ultrapassada.

São ideais para aplicações onde é necessária a visualização do formato de onda e podem trabalhar em conjunto com placas de aquisição ou equipamentos específicos preparados para este tipo de saída. Obs: A maioria dos PLCs, Controladores e Indicadores trabalham somente com sinais DC proporcionais.

 

Nas aplicações modernas, é comum encontrarmos equipamentos como CLPs, Controladores, Indicadores, etc que possuem entradas e saídas analógicas do tipo 0-5V, 0-10V, 0-20mA, 4-20mA, ±5V, ±10V, ±20mA e outras variantes. Estes sinais, salvo em alguns equipamentos específicos, são sinais DC (sinais contínuos) proporcionais as amplitudes das grandezas medidas.

A forma como estes sinais de saída são criados variam conforme o tipo de equipamento; entretanto, de forma geral, os transdutores ou sensores podem ser caracterizados conforme a figura abaixo.

 

Independente do tipo de grandeza (corrente, tensão, frequência, potência, etc) que o transdutor está medindo, o mesmo terá que tratar (condicionar) no condicionador de entrada a grandeza recebida para que ele possa, em um segundo momento, manipular, calcular e gerar no condicionador de saída um sinal analógico proporcional DC que represente a amplitude da grandeza medida. Na grande maioria das aplicações, é importante também que não haja uma conexão elétrica entra a entrada do transdutor e a saída do mesmo, isto é conseguido através da utilização de um circuito isolador entre o condicionador de entrada e o de saída. Salvo algumas exceções, a grande maioria dos transdutores também gera um isolamento entre a alimentação auxiliar e os outros circuitos do transdutor, através da fonte de alimentação interna.

De forma geral, o sinal de saída do transdutor pode ser criado no condicionador de saída de forma analógica, através da utilização de circuitos eletrônicos específicos e filtros, ou de forma digital, através de CIs dedicados digitais ou microcontroladores (baseados em softwares) em conjunto com circuitos eletrônicos auxiliares. Os transdutores que utilizam microcontroladores ou CIs dedicados, com tecnologia digital, são denominados transdutores digitais e os que não utilizam os mesmos, são considerados analógicos. Os dois tipos de transdutores possuem algumas características distintas que os tornam mais ou menos aptos para a utilização em determinadas aplicações.

Abaixo, para exemplificação, visualizamos os sinais de entrada e de saída de um transdutor (Linha VLF) para medidas de tensão AC senoidal. O sinal de entrada (Figura 2) possui uma amplitude de 220Vac rms e a saída é do tipo padronizada 0-10V DC proporcional RMS. A figura 3 representa um sinal de saída 0-10V idealizado; entretanto, na realidade, o sinal de saída de um transdutor possui características mais próximas ao do sinal da figura ilustrativa 4. Observação: Na figura 4, o tempo de resposta e o ripple foram ilustrados de forma exagerada para facilitar a compreensão. Nos transdutores da Secon estes parâmetros possuem amplitudes muito baixas e devem somente ser considerados em aplicações específicas.

Principais características dos transdutores com saída padronizada:

– Tipo de saída: As saídas padronizadas 0-5V, 0-10V, 0-20mA, 4-20mA, ±5V, ±10V, ±20mV e variantes, podem ser do tipo DC proporcional ou instantânea.

– Saída padronizada DC proporcional: O sinal de saída é um sinal DC puro (ou quase puro) proporcional a amplitude da grandeza medida. Ideal para a utilização com CLPs, controladores, indicadores universais, etc. O sinal de saída exemplificado acima é desse caso.

– Saída instantânea: Ao contrário do tipo anterior, o sinal de saída não é um DC puro (ou quase puro) e o mesmo acompanha a oscilação do sinal da grandeza medida. Dessa forma, tem-se a reprodução do formato de onda do sinal da grandeza (ver figuras 5 e 6). Ideal para aplicações específicas onde é necessária a visualização do formato de onda. As características desse tipo de saída serão comentadas de forma mais detalhada em postagens futuras.

 

– Tempo de resposta: Tempo necessário para o sinal de saída do transdutor elevar a sua amplitude de 10% do valor final de saída para 90% desse mesmo valor final. Ver figura 4.

– Resolução: Característica encontrada em transdutores digitais e não presente nos analógicos. É o menor valor de uma grandeza que pode ser convertida e depende diretamente da quantidade de bits de entrada e de saída dos ADs/DAs encontrados internamente nos microcontroladores e CIs dedicados digitais. Devido ao avanço da tecnologia, atualmente as resoluções dos transdutores digitais produzem intervalos de valores muito baixos e salvo em algumas aplicações específicas, podem ser desconsiderados. Ver figuras 7, 8 e 9.

 

Conforme visto na figura 9, em transdutores digitais nem todos os valores são possíveis dentro de uma faixa de medida. Pode-se dizer que os valores são quantizados.

– Ripple: É um componente de sinal alternada (ondulação) que se sobrepões ao sinal DC de uma saída padronizada DC proporcional. O ripple é uma característica mais observada em transdutores analógicos e desde que não seja muito elevado, salvo algumas aplicações específicas, pode ser desconsiderado. Este componente pode ser totalmente eliminado através da utilização de filtros aplicados no condicionador de saída; entretanto, a aplicação desses filtros pode deixar o transdutor analógico com tempos de resposta maiores. Observação: Em alguns tipos de transdutores, a diminuição do tempo de resposta dos transdutores, pode aumentar a amplitude do ripple.

– Erro de medida: De acordo com o Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM), erro é a diferença entre o valor medido de uma grandeza e um valor de referência (considerado correto). Na Secon, este valor de referência é oriundo de equipamentos calibrados em laboratórios com rastreabilidade ao INMETRO. Normalmente nas especificações dos transdutores, é informado o erro total máximo, que é a soma de todos os erros envolvidos na medida (erro de offset, erro de ganho, erro de linearidade, drift térmico, etc). Em outras palavras, o erro total máximo nos informa qual é o maior erro possível presente na medida a uma temperatura limite especificada para o transdutor. Na maioria das aplicações, o erro de medida será menor do que o erro total máximo.

A Secon está fornecendo um total de 700 detectores de tensão do modelo 1KVR2.4KV-220VAC para a Schneider Electric. Os mesmos serão empregados no monitoramento das redes aéreas de tração da CPTM (Companhia Paulista de Trens Metropolitanos).