Consideremos como substituto à aplicação anterior (questão 5), um sensor de vazão de deslocamento positivo que mede vazões de até 100 l / min, com saída analógica no padrão 4-20 mA.
Considerando que a nossa planta possua vazão máxima de 50 l / min, projete um sistema de condicionamento do sinal para leitura através de microcontrolador Arduíno ATMEGA328, objetivando máxima resolução de medida.
OBS: o circuito deve conter, etapa de conversão corrente/tensão, etapa de amplificação de tensão, filtro anti-aliasing com frequência de corte de 500 Hz , e etapa de proteção de sobretensão da entrada analógica do Arduíno.

Passo 1

O enunciado pede projetar o condicionamento de sinal para um sensor de vazão que entrega ,420,mA representando 0100,L/min, mas a planta trabalha só até 50,L/min. Em consequência, na prática o sensor varia de 4 a 12,mA. Queremos converter esse sinal em 05,V para entrar no ADC do ATmega 328 ( 10 bits), com máxima resolução, e incluir etapa C/V, amplificação e deslocamento de nível, filtro anti-aliasing com fc=500,Hz e proteção contra sobretensão.

Passo 2

Determinar a curva desejada: como 4,mA deve virar 0,V e 12,mA deve virar 5,V, a relação desejada é
Vout = k,(I - 4,mA),
com I em mA e Vout em volts, e devemos ter
k,(12 - 4)=5Longrightarrow k=58=0,625;VmA

Passo 3

Converter corrente em tensão com um shunt: escolhemos
Rshunt = 250;Omega,
assim
Vshunt=Rshunt;I Longrightarrow I=4ldots12,mA ;mapsto; Vshunt=1ldots3,V

Passo 4

Fazer amplificação e deslocamento (etapa diferencia
addor/amplificador): usamos um amplificador diferencial cuja equação é
Vout = R2R1l(Vshunt - Vrefr)
Escolhemos R2/R1=2,5 e uma referência Vref=1,V. Assim, para
Vshunt=1ldots3,V Longrightarrow Vout =2,5,(Vshunt -1) =0ldots5,V
Exemplo de valores: R1=10,kOmega, R2=25,kOmega; gerar Vref=1,V com divisor 4,k/1,k e buffer.

Passo 5

Filtro anti-aliasing de primeira ordem com fc=500,Hz. A fórmula é
fc=12pi Rf Cfapprox500,Hz
Escolhendo Cf=100,nF, dá
Rf=12picdot500cdot100times10^-9approx3,18,kOmega

Passo 6

Proteção contra sobretensão na entrada do ADC: colocar em série Rs=1,kOmega e em seguida diodos de proteção que direcionem correntes para o trilho de 5,V e para o terra se Vin ultrapassar ligeiramente esses limites. Alternativamente, usar um zener de 6,2,V após Rs.

Resposta

  • Shunt Rshunt=250,Omega.
  • Amplificador diferencial com R1=10,k, R2=25,k e referência Vref=1,V (bufferizado).
  • Filtro RC passivo: Rf=3,18,k, Cf=100,nF ( fcapprox500,Hz).
  • Proteção: série Rs=1,k + diodos de clamp aos trilhos ou zener de 6,2,V.

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