Os instrumentos de medição podem ser vistos como um conjunto de subsistemas, em que cada um deles exerce uma função específica. Entre os principais blocos funcionais temos: elemento primário (ou princípio de medição), condicionador, conversor, transmissor de dados e indicador. A descrição de um instrumento em termos dessas funções é chamada de descrição funcional. É importante ressaltar que não existe uma maneira-padrão de fazer a descrição funcional de um instrumento, o que significa que o o tipo, o número e a ordem dos blocos podem variar de caso para caso. Considerando isso, faça a descrição funcional dos seguintes instrumentos de medição:
(c) RTD
(c) RTD
Passo 1
O enunciado pede a descrição funcional (em termos dos blocos: elemento primário, condicionador, conversor, transmissor de dados e indicador) de um RTD. Informação relevante que temos do enunciado: a descrição funcional deve explicitar os blocos que compõem o instrumento, lembrando que não existe um padrão único — tipo, número e ordem dos blocos podem variar. Portanto, preciso listar os blocos aplicáveis a um RTD e explicar o papel de cada um, com detalhes suficientes para você entender e aplicar na prova.
Passo 2
O que é o elemento primário de um RTD e como ele funciona (aula rápida).
Um RTD (Resistance Temperature Detector) é um sensor cuja resistência elétrica varia com a temperatura. Para um RTD de platina (o mais comum) podemos usar a aproximação linear simples:
Um RTD (Resistance Temperature Detector) é um sensor cuja resistência elétrica varia com a temperatura. Para um RTD de platina (o mais comum) podemos usar a aproximação linear simples:
onde:
-
é a resistência à temperatura (em ); -
é a resistência à temperatura de referência (normalmente para um Pt ); -
é o coeficiente de temperatura (para Pt típico ).
Exemplo concreto: para um Ptem ,
Isso já te dá a ideia essencial: medir temperatura = medir resistência.
Passo 3
Como medimos essa resistência na prática — princípio físico e fórmula usada (mini-aula).
A maneira prática é excitar o RTD com uma corrente elétrica conhecida e medir a tensão que aparece nele, aplicando a Lei de Ohm:
A maneira prática é excitar o RTD com uma corrente elétrica conhecida e medir a tensão que aparece nele, aplicando a Lei de Ohm:
Aqui
é a corrente de excitação (em ampères) e
é a tensão medida (em volts). Assim, conhecendo
e medindo
, obtém-se
e, via a fórmula do passo anterior, pode-se obter
. Exemplo numérico: com
e
, temos
.
Passo 4
Condicionador: papel, opções e problemas práticos (foco didático).
O condicionador prepara o sinal do RTD para medição precisa. Suas funções típicas:
O condicionador prepara o sinal do RTD para medição precisa. Suas funções típicas:
- prover a corrente de excitação
estável (fonte de corrente constante); - implementar arranjos de medição como ponte de Wheatstone, amplificador diferencial ou medição Kelvin;
- amplificar a tensão sensível e filtrar ruído.
Configurações elétricas importantes (e por que importam):
- dois fios: a resistência dos fios
soma ao RTD; a resistência medida é . Isso gera erro. - três fios: usado para compensar resistência dos fios quando os três condutores têm resistência parecida (muito usado em instalações industriais). Em uma ponte devidamente balanceada, a contribuição dos fios cancela aproximadamente.
- quatro fios (Kelvin): excitação por dois fios e medição de tensão por outros dois; assim a tensão medida não inclui queda de tensão nos fios de excitação — é a forma mais precisa para laboratório.
Exemplo com equações:
- dois fios, excitação
: . - quatro fios: medir
diretamente em bornes do RTD e calcular , sem termos extras de fio.
Passo 5
Conversor: transformar tensão/resistência em temperatura e lidar com linearização (aula prática).
Depois do condicionamento obtemos uma tensão proporcional a
. O conversor geralmente é um conversor analógico-digital (ADC) que digitaliza
. Para transformar essa leitura em
usamos a relação inversa da característica elétrica do RTD. Com a aproximação linear:
Depois do condicionamento obtemos uma tensão
Exemplo: se medimos
, com
e
,
Observação importante: para maior precisão (especialmente abaixo de
ou para alta exatidão), usa-se a equação de Callendar–Van Dusen (polinomial) em vez da aproximação linear; mas em muitas provas e aplicações industriais a linearização acima é suficiente. O conversor também pode aplicar compensação e linearização por software (look-up table ou cálculo direto).
Passo 6
Transmissor de dados: função e mapeamento para sinais industriais.
O transmissor pega a temperatura digital/analógica do conversor e gera um sinal apropriado para transmissão à distância, tipicamente:
O transmissor pega a temperatura digital/analógica do conversor e gera um sinal apropriado para transmissão à distância, tipicamente:
- corrente
(padrão em automação): usa-se uma escala, por exemplo de a . A lei de conversão linear é
Exemplo: para
,
, e
, obtemos
.
- sinais digitais (HART, Modbus, Fieldbus): transmitem temperatura digitalmente e permitem diagnóstico.
O transmissor frequentemente contém a eletrônica de condicionamento, conversão e microcontrolador que faz linearização e saída em
ou protocolo digital; em outros arranjos essa funcionalidade fica em painel/controlador.
Passo 7
Indicador: papel, exemplos e onde aparece.
O indicador mostra a temperatura para o operador ou fornece a entrada para um sistema de controle (PLC, DCS). Pode ser:
O indicador mostra a temperatura para o operador ou fornece a entrada para um sistema de controle (PLC, DCS). Pode ser:
- visor local no transmissor (display integrado);
- painel digital que recebe
e exibe ; - leitura em supervisório via sinal digital.
O indicador normalmente só recebe o valor já linearizado e calibrado; não realiza medição direta do RTD (salvo em instrumentos portáteis).
Passo 8
Resumo da ordem típica dos blocos e variações práticas (para decorar e aplicar na prova).
Ordem típica (implementação industrial comum):
elemento primário (RTD) → condicionador (excitação + ponte/amp) → conversor (ADC + linearização) → transmissor (4–20 mA / digital) → indicador (display/PLC).
Variações:
Ordem típica (implementação industrial comum):
elemento primário (RTD) → condicionador (excitação + ponte/amp) → conversor (ADC + linearização) → transmissor (4–20 mA / digital) → indicador (display/PLC).
Variações:
- muitas cabeças de sensor têm condicionador + transmissor integrados (RTD cabeado com saída
); aí a ordem física se compacta. - instrumentos portáteis podem medir RTD diretamente e mostrar
sem transmissor.
Lembre-se: dois-fios, três-fios e quatro-fios mudam apenas detalhes do condicionador/método de medição.
Passo 9
Questões práticas que costumam cair em prova e dicas rápidas (motivação e truques):
- sensibilidade: para Pt
, a variação é aproximadamente . Ou seja, um grau corresponde a . Isso te ajuda a avaliar resolução necessária do ADC. - escolha de
: corrente menor reduz autoaquecimento do sensor; típico entre e dependendo do compromisso entre sinal/ruído e aquecimento. - se a prova perguntar erro por resistência dos fios, lembra das fórmulas do passo 4; para eliminar erro use medição 4-fios ou compense com 3-fios.
- na hora da prova, desenhe o fluxo: RTD → fonte de corrente → medidor de tensão/ponte → ADC → linearização → saída/indicador. Isso costuma ganhar pontos rápidos.
Resposta
Elemento primário: RTD (sensor resistivo cuja resistência varia com temperatura; ex.: Pt
com
e
).
Condicionador: fonte de corrente de excitação ( ), ponte ou amplificador diferencial, filtros; inclui esquemas de dois/ três/ quatro fios para lidar com resistência de cabo e ruído.
Conversor: circuito de aquisição (ADC) que mede tensão proporcional a e aplica linearização/calibração para obter
(usando
ou equação de Callendar–Van Dusen para maior precisão).
Transmissor de dados: eletrônica que converte em sinal industrial (por exemplo
com
, ou protocolos digitais como HART/Modbus) e fornece diagnóstico/isolamento.
Indicador: display local, painel ou sistema SCADA/PLC que recebe o sinal transmitido e exibe/usa a temperatura para controle.
Condicionador: fonte de corrente de excitação (
Conversor: circuito de aquisição (ADC) que mede tensão proporcional a
Transmissor de dados: eletrônica que converte
Indicador: display local, painel ou sistema SCADA/PLC que recebe o sinal transmitido e exibe/usa a temperatura para controle.