Apresentação do PowerPoint - MESONPI

Summary

Introdução à Automação de Sistemas de Medidas

Prof.: Geraldo Cernicchiaro geraldo@cbpf.br

13 a 17 de julho 2015

Resumo

Atualmente, a física experimental envolve o uso de diversos dispositivos, técnicas e transdutores que codificam parâmetros físicos em sinais elétricos. Do laboratório de matéria condensada aos experimentos de altas energias, estão presentes sistemas para monitorar, controlar e/ou manter constantes, diversos destes parâmetros, tais como: temperatura, nível, posição, imagem, etc.

A ciência induz e se transforma em função do

desenvolvimento dos instrumentos científicos, métodos de

medidas e tecnologias. O objetivo deste curso é apresentar

ferramentas, conceitos, circuitos, interfaces, algoritmos e

protocolos que estão envolvidos nos processos para adquirir,

registrar e manipular dados experimentais com ênfase no uso da

automação e de técnicas digitais (PID, FFT, Labview, conversores,

etc).

Sumário

• Introdução

• Eletrônica Básica

• Automação e Controle

• Instrumentos e Dispositivos de medidas

• Integração de Sistemas

Física Básica e Física Aplicada

Cesar Lattes, carro de boi e câmera de Wilson , (Inicio da década de 50).

O Rio Grande - entre Corumbá e Sta Cruz de la Sierra, fronteira Brasil-Bolívia.

Cesar Lattes

Emulsões fotográficas e a descoberta do méson- p

Sincrociclótron de 184 polegadas Universidade de Berkeley (EUA) Laboratório de Chacaltaya,

altitude de 5.200 metros, nos Andes Bolivianos

Summary

• área de 3.000 km²

• 1.600 tanques

• 3,6m de diâmetro e 1,6m de altura

• capacidade 12.000 litros de água

• alto grau de pureza,

• separados por 1500 m

Detector Cherenkov

• no Deserto de El Nihuil , Argentina

WWW – World Wide Web

Eu não

entendo Tim.

Eu posso usar isto para

postar vídeos do meu gato?

March 12, 1989, that Tim Berners-Lee shared a document with his

colleagues at CERN outlining what would become the World Wide Web

CERN -Organisation européenne pour la recherche nucléaire

LHCb MWPC - Detecção de Múons

LHC - Large Hadron Collider

• ALICE

• ATLAS

• CMS

• LHCb

Grupo de Múons

11

Sensores, condicionamento de sinal, interfaces …

Block diagram ELMB

PT100

MWPCs

LHCb Muon Temperature Monitoring

Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA Prozessvisualisierungs- und Steuerungs-System - PVSS OLE for Process Control - OPC

Object Linking and Embedding - OLE

Experiment Control System – ECS

Experiment Control System – ECS

LHCb Muon Temperature Monitoring

Transdutores - Dispositivo capaz de transformar uma forma de energia em outra e possibilitar o controle de um processo ou fenômeno, realizar uma medição, etc.

• Sensores - fornecem informações de entradas em nosso sistema a partir do mundo externo

• Atuadores - que executam ações de saída para o mundo externo

• Dispositivo que converte informação de sistemas não elétricos para sistemas elétricos, ou vice-versa

Conceitos

Automação - (do latim Automatus = mover-se por si ):

é um sistema que emprega processos automáticos que

comandam, e controlam, os mecanismos para seu próprio

funcionamento sem interferência do homem.

Sistema de Medidas

Mensurando Sensor Transdutor Condicionamento

do sinal

Formatação do dado

Transmissão do dado

Armazenamento

Apresentação do dado

Sistema:

• Conjunto de elementos, ou subsistemas, que interagem, e processam, com uma finalidade

- matéria, energia, informação

• Aberto: com troca com o ambiente

• Fechado: sem troca com o ambiente Output

Input

• Domínio Físico e Químico

Domínios não-elétricos

• Posição em escala

• Número

• Corrente

Analógico

Domínios elétricos

• Voltagem

• Carga

• Freqüência

Tempo

• Largura de pulso

• Fase

• Contagem

Digital

• Serial

• Paralelo

Domínio de Dados

Como a informação é codificada

• Indicação direta é obtida no dispositivo do mostrador

• mostrador de ponteiro

• dispositivo mostrador

• registrador gráfico

Valor = Mensurando

Medição por Deflexão ou Indicação

• Transdutores de temperatura

- termistores, termopares, semicondutores.

• Transdutores de posição

• Transdutores de velocidade

• Transdutores de aceleração

• Transdutores de força e pressão

• Transdutores de pressão de fluidos

• Transdutores de luz

- fotoresistências, células fotovoltaicas, fotodiodos, CCDs, etc

• Transdutores Resistivos

• Transdutores Capacitivos

• Transdutores Indutivos

Transdutores

Sistema Internacional de Unidades

Base quantity SI base unit

Name Symbol Name Symbol

length l, x, r, etc. metre m

mass m kilogram kg

time, duration t second s

electric current I, i ampere A

thermodynamic

temperature T kelvin K

amount of

substance n mole mol

luminous intensity I_v candela cd

Derived quantity Name Symbol

Expressed in terms of other SI units

Expressed in terms of SI base units

plane angle radian ^(b) rad 1 ^(b) m/m

solid angle steradian ^(b) sr ^(c) 1 ^(b) m²/m²

frequency hertz ^(d) Hz s^–1

force newton N m kg s^–2

pressure, stress pascal Pa N/m² m^–1 kg s^–2

energy, work, amount of heat joule J N m m² kg s^–2

power, radiant flux watt W J/s m² kg s^–3

electric charge, amount of electricity coulomb C s A

electric potential difference, electromotive force volt V W/A m² kg s^–3 A^–1

capacitance farad F C/V m^–2 kg^–1 s⁴ A²

electric resistance ohm V/A m² kg s^–3 A^–2

electric conductance siemens S A/V m^–2 kg^–1 s³ A²

magnetic flux weber Wb V s m² kg s^–2 A^–1

magnetic flux density tesla T Wb/m² kg s^–2 A^–1

inductance henry H Wb/A m² kg s^–2 A^–2

Celsius temperature degree Celsius ^(e) °C K

luminous flux lumen lm cd sr ^(c) cd

illuminance lux lx lm/m² m^–2 cd

SI - Unidades de medidas derivadas coerentes

Conversão entre os domínios

PT100 Termoresistor

Fenômeno Físico

Função de Transferência do transdutor

Condicionamento do sinal

Função de Transferência do medidor R = Ro [1 + α(T - To)] R_x = V/i

r i

V R_X

+

M_v = A.V + B

Interface

Interface GPIB ou IEEE-488

Formato Comando

Conexões

Sistema de Controle

• Sistema de controle de malha fechada

• Sistema de controle de malha aberta Controle

Atuador Sensor

Physis

Sistema sob controle

Sistema Supervisório: Entrada de Comando

Medida do Parâmetro Físico

Comando de Correção

Magnetometro de Amostra Vibrante

Physical Property Magnetic System - PPMS

Protocolos de medidas elétricas e magnéticas

Antes de tudo

• Por que medir?

• O que queremos medir?

• Quais os métodos disponíveis?

• Qual a tolerância de erro aceitável?

• Como a medida afeta o sinal?

• Como a forma de onda do sinal afeta a medida?

• Qual a banda passante do método de medida?

• Quais as fontes de ruído?

• Quais as fontes de interferência?

• Qual o protocolo de medida?

Algumas Definições

• Medir

• Exprimir o valor de uma grandeza em relação a um padrão (p.e.

comprimento) ou a uma escala de referência (p.e. temperatura)

• Não é colecionar números - é um processo

• Sinal elétrico

• Uma quantidade elétrica detectável tal como tensão, carga ou corrente, ou sua variação, no qual uma informação pode ser codificada.

• Codificar

•Transferir informação de um sistema de para outro.

• Digital

• Representação por meio de uma seqüência de números ou sinais discretos (p.e. bits e bytes) - Enumerar

• Analógico

• Uma grandeza que pode assumir valores contínuos.

• Conversores

• Dispositivo que permite codificar sinais analógicos em digitais e vice- versa (DAC e ADC)

Grandezas Analógicas e Digitais

Analógico Digital

Contínuo Discreto

Codificar

• Samuel F. B. Morse ( 1832 )

• Telégrafo eletromagnético

• Transferir informação de um sistema para outro

• Ampère

C B P F t (s)

Amplitude (V ou A)

• Codificação Digital

Código ASCII

American Standard Code for Information Interchange "Código Padrão Americano para o Intercâmbio de Informação"

Onda Quadrada ou pulso

V

5,0

2,5

0

Duty cycle (%)

inclinação ou taxa de variação ou slew rate (V/ms)

Vmax

Vmin V offset

fase

t(ms)

TTL - Transistor Transistor Logic

Padrão Serial RS 232

Formas de Onda

Onda Quadrada ou Pulsada Onda Triangular

Onda Dente de Serra Onda Senoidal

Amplitude Período

Onda senoidal alternada

Amplitude pico a pico Vpp Amplitude de pico Vp

Período = T

frequência = 1/T

Amplitude RMS

Lei de Ohm

R = r L

V (Volt)

I (Ampère) R (ohm) = V

I

Georg Ohm (1787-1854)

V I R

+

V = R . I

A

• 1° Lei de Ohm (1827)

• Nos materiais ôhmicos, a razão entre a diferença de potencial e a corrente elétrica é constante

• 2° Lei de Ohm

L - comprimento r - resistividade A - área da seção transversal

A

1ª - Lei das correntes ou lei dos Nós

Leis de Kirchhoff

A soma algébrica das quedas de tensão ao longo de uma malha fechada é zero A soma algébrica das intensidades de

corrente que concorrem num nó é nula

G. R. Kirchhoff (1824-1887)

• Regem a associação de componentes num circuito (1845)

1ª - Lei das tensões ou lei das Malhas

Divisores de tensão

V _out = R_{1 *} V_in (R₁ + R₂)

Medida de resistência elétrica

Medição a dois fios

A

R_Shunt

V

r R_X

* 1

* 10

* 100

Funciona para medir valores altos de resistência

Medida de resistência elétrica

Medição a quatro fios

A

R_Shunt

V

r R_X

* 1

* 10

* 100

A medida independe da resistência das ponteiras e dos contatos

Medida de Resistência Elétrica - Ohm

Medida de Tensão - Volt

Medida de Corrente - Ampère

Circuito equivalente

O teorema de Thévenin afirma que, do ponto de vista de um qualquer par de terminais, um circuito linear pode sempre ser substituído por uma fonte de tensão com resistência interna R_Th.

A transformação de fonte indica que uma fonte de tensão com resistência interna não nula pode ser

substituída por uma fonte de corrente com resistência interna não infinita R_Th.

R_Th V_Th

R_Th I_N

Equivalente de Thévenin

Equivalente de Norton

dP = 0 dR

Máxima transferência de energia

P = I ² * R r

V R

e I = V

P = V² * R (R + r)²

(R + r)

é máximo para

dP = dR

=

* d(V² R) (R + r)²

dR

- d (R + r)² dR

* V² R

(R+r)⁴

= 0 (R+r)³

(R+ r)V² - 2RV²

dP = dR

= 0 (R + r)³

( r - R)V²

logo r - R = 0 então R = r como

(R + r)³ V² = 0

= 0

(u/v)’ = (u’.v – u.v’) / v²

Impedancia Elétrica

Resitor

I = V Z

Resistor

Linha de Transmissão

Gerador Senoidal

Z =

√

^{R2 + (X}_L ^{– X}_C ^{) 2}

Capacitores

• Capacitores são elementos elétricos capazes de

armazenar carga elétrica e energia potencial elétrica.

• Unidade Faraday

+ + + +

I = dV dt Q = C*V

C Capacitância medida em Farad F e Constante de proporcionalidade F/m A área das armaduras m²

d distância entre as armaduras m C = e A

d

Indutores

• Um indutor é fundamentalmente um armazenador de energia sob a forma de um campo magnético.

•Unidade Henry. V = L dI

dt

Filtro Passa Baixa:

1 10 2

log

20 A

dB  A

1 10 2

log

10 P

dB  P

6dB

então 3010 . 0 2 log como

. 2

Se A₂  A_{1 10}  

20dB

então 10 1 log como

. 10

Se A₂  A_{1 10}  



^{12 12 2}



^{1/2 f 1/2pRC}

 _in

out V

C R V

Decibel :

C j

Z_C  / ^{ZL j L}

Filtro Passa Alta



^{2 1/( )2}



^{1/2 in}



^{1 (22 )2}



^{1/2 in}

out V

fRC V fRC

C R

V R

p p

 







Atenuação = -20dB / dec ou - 6dB/octave fase @ -3dB = 45 

Função do Tempo: Numero Complexo

cos( ) ^j

o o

V  t  V e ^  a jb

0 2 4 6 8 10 12 -1,5

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

Amplitude

Tempo

0 2 4 6 8 10 12

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

Amplitude

Tempo

Sinal Modulante:

 

^{t E}

 

^t

e_m  _mcos _m

Sinal Modulado:

• Alterar uma característica da onda portadora, proporcionalmente ao sinal modulante

Modulação AM

0 2 4 6 8 10 12

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

Amplitude

Tempo

Sinal da Portadora:

 

^{t E}

 

^t

e_o  _ocos _o

+

• Amplitude Modulada

Modulação em Amplitude

Sinal da Portadora: ^e

_o

  ^{t  E}

_o

^cos   ^

_o

^t Sinal Modulante:

e_m

 

t  E_mcos

 

_mt

     

     

     

     

       

     

_cos[

 

_]

] 2 cos[

cos 2 então

) cos(

2 ) 1 cos(

2 cos 1

cos

:

que

lembrando

cos cos

cos

cos ] cos

1 [

como

cos cos

1

cos ] cos

[

cos ] [

E t m E t

m t

E t

e

B A B

A B

A

t t

mE t

E t

e

t t

m E

t e

E m E

t E t

E E t

e

t t

E E

t e

t t

e E t

e

o m

o o

m o

o o

o m

o o

o

o m

o m o

o m

m o o

o m

m o

o m

o



























































 

 



 











Sinal Modulado:

0 2 4 6 8 10 12 -1,5

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

Amplitude

Tempo

Sinal Modulado:

Espectro de Amplitude:

(Wo-Wm) Wo (Wo+Wm)

Eo

mEo/2 mEo/2

W m = Em/Eo = índice de modulação

Modulação:

0

Detector de Envoltória:

0 2 4 6 8 10 12

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

Amplitude

Tempo

0 2 4 6 8 10 12

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

Amplitude

Tempo

 

^{t E}

 

^t

e_m  _mcos _m Sinal Modulado

0 2 4 6 8 10 12

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

Amplitude

Tempo

Ação do Filtro

R D

C

Vin Vout

Sinal Demodulado Circuito Retificador

Sinal Retificado

Série de Fourier

 

1

( ) .cos( ) .sen( )

2

:

( ) é a função;

é o valor médio de ( );

2

e são os coeficientes da série de Foourier é a velo

o n o n o

n

o

n n

o

f t a a n t b n t

onde f t

a f t

a b

 







  

cida angular da função ( )f t















T

o n

T

o n

T o

dt t n t

T f b

dt t n t

T f a

t f dt

t T f

a

0 0 0

) sen(

) 2 (

) cos(

) 2 (

) ( de médio valor

)

2 (





Enunciado da Série Trigonométrica de Fourier:

• Uma função periódica f(t) pode ser decomposta em um somatória de senos e cossenos equivalentes à função dada

Cálculo dos coeficientes de Série de Fourier:

Análise Espectrográfica

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

^{o =}Fundamental

0 1 2 3

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

3 o = 3 Harmônico

5 ^{o =} 5 Harmônico

0  DC

Análise Espectrográfica

Amplificadores Operacionais

• Alta impedância de entrada (R_i ~10 MW)

• Baixa impedância de saída (R_th ~75 W)

• Alto ganho de Tensão a ( 741 ~ 100000)

• Possibilidade de operar como amplificador diferencial

• Alimentação simétrica

V₁ Entrada não inversora V₂ Entrada inversora

V_o Tensão saida

Alimentação simétrica V_th = a (V1 - V2)

R_o = R_th

Regras de ouro

• Alta impedância de entrada

• Quando conectado em uma configuração de realimentação negativa, o OpAmp irá tentar mudar a tensão de Vout de modo a deixar as tensões de entrada iguais.

1. Nenhuma corrente irá fluir nas entradas.

2. As tensões, ou seja os potenciais em relação ao terra, nas duas entradas serão iguais.

(v_i − v₂) / R₁ = (v₂ − v_o) / R₂ R₂ (v_i − v₂) = R₁ (v₂ − v_o).

v_o = a (v₁ −v₂) = −a v₂ , pois v₁=0.

R₂v_i + R₂v_o/a = −R₁v_o/a − R₁v_o. v_o = R₂ R₁

v_i

−

Operações analógicas

Circuito somador

v_a/R_a + v_b/R_b + v_c/R_c = −v_o/R₂

Circuito diferenciador

v_o = − R₁ C dv_i dt

v_o = - R₂ (v_a/R_a + v_b/R_b + v_c/R_c)

Circuito Integrador

v_o = − v_i RC

dt

0 t

 

^{+ c}

Comparador

• Se abaixo de um determinado valor saída em nível alto alto

• Converte uma informação analógica em uma informação digital

Álgebra de Boole

“NOT”

A F F = A

A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

“OR”

A F F = A+B

B

A F 0 1 1 0

A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

“AND”

A F F = A•B

B

Nome Símbolo Notação

Tabela Verdade

A B S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

A S 0 1 1 0

A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

A B S 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

J K Q 0 0 Qa 0 1 0 1 0 1 1 1 Qa

D Q 0 0 1 1

T Q 0 Qa 1 Qa

Nome E (AND)

OU (OR)

NÃO (NOT)

OU exclusivo (XOR)

NÃO E (NAND)

NÃO OU (NOR)

Flip- Flop JK

Flip- Flop D

Flip- Flop T

Símbolo

Notação S = A . B S = A + B S = A S = (A . B) S = (A + B) - - -

S = A B

Blocos lógicos elementares

X Y S C 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1

Bloco somador

S = X Y

E a saída de "vai um" é a função E:

C = X . Y

Contador

Divisão de freqüência Contador assíncrono básico

E S3 S2 S1 S0

nada 0 0 0 0

1 0 0 0 1

2 0 0 1 0

3 0 0 1 1

4 0 1 0 0

5 0 1 0 1

6 0 1 1 0

7 0 1 1 1

8 1 0 0 0

9 1 0 0 1

10 1 0 1 0

11 1 0 1 1

12 1 1 0 0

S0 S1 S2 S3

clock

S0 S1 S2 S3

A (Va) B (Vb) C (Vc) D (Vd) |Vs| (V)

0 0 0 0 0

0 0 0 1 0,625

0 0 1 0 1,25

0 0 1 1 1,875

0 1 0 0 2,5

0 1 0 1 3,125

0 1 1 0 3,75

0 1 1 1 4,375

1 0 0 0 5

1 0 0 1 5,625

1 0 1 0 6,25

1 0 1 1 6,875

1 1 0 0 7,5

1 1 0 1 8,125

1 1 1 0 8,75

1 1 1 1 9,375

Vs = -Rr [ (Va/R) + (Vb/2R) + (Vc/4R) + (Vd/8R) ]

| Vs | = 0/1 + 0/2 + 0/4 + 5/8 = 0,625 V.

Conversor Digital-Analógico tipo R-2nR

| Vs | = 0/1 + 0/2 + 5/4 + 0/8 = 1,250.

Conversor Analógico Digital - ADC

Conversor tipo rampa digital Conversor tipo paralelo

• Byte; Bit; Palavra

• Código (Binário; BCD; ASCII)

• Hardware; Software;

• Linguagem de Alto Nível; Linguagem Assembly; Linguagem Máquina

• Compilador; Interpretador; Assembler

• CPU - “Central Processing Unit”

• Barramento (Endereço; Dados; Control)

• ALU - Unidade Aritmética e Lógica

• Vírgula fixa; Vírgula flutuante (Mantissa; Base; Expoente)

• Instrução; Programa

• Ciclo de instrução (Busca; Decodificação; Execução)

• Conjunto de instruções

Terminologia Digital

Sistema de Magnetometria SQUID

Gradiômetro

Amp.

Lock-In Modulação

(Feed-Back)

Vout

Corrente de Polarização Pré-amplificador

de baixo ruído

Realimentação

Modelo OSI - (Open Systems Interconnection)

PC

Data Logger

sonda 1

sonda 2

sonda n μC

ATmega 168 Driver RS-232

Driver SDI-12

RS 232

SDI-12

Architecture of

RPCs and Scintillators Setup at CBPF

RPC 8x8

RPC 8x8

PMT

PMT

Oscilloscope MarrocDAQ

PC

USB USB USB

muon

trigger label

Scintillator Scintillator

Experimental Setup

Gas Control

Scintillators RPC

RPC

RPC

Scintillators

RPC Resistive Plate Chambers

Scintillators Data Acquisition

• Lounasmaa, O.V. Experimental Principles and Methods Below 1K. (Academic Press:

London and New York)

• P. Horowitz, W. Hill. The Art of Electronics. (Cambridge University Press.)

• J. J. Brophy. Basic Electronics for Scientists. (McGraw-Hill Kogakusha Ltda.)

• W.P.Press, S. A. Teukolky., W. T. Vetterling, B. P. Flannery. Numerical Recipes on C.

(Cambridge University Press)

• E. Fukushima, S. B.W. Roeder. Experimental Pulse NMR A Nuts and Bolts Approach (Addison-Wesley Publishing Company)

• Simulação eletrônica: Electronics Workbench 5.12

• Web of Science

– http://portal.cbpf.br/index.php?page=Biblioteca.apres

• VOCABULÁRIO INTERNACIONAL DE METROLOGIA: Conceitos Fundamentais e Gerais e Termos Associados

– http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/VIM_2310.pdf

Bibliografia

Para se fazer Física Experimental de fronteira é preciso Instrumentação Científica de fronteira

Pesquisa Instrumentação

Tecnologia

• Objetivos

• Definições

• Modelos

• Dispositivos e ferramentas

• Transdutores

• Sensores

• Atuadores

•Automação de processos

• Algoritmos

• Protocolos

• Interface com usuário

Estrutura de Cursos

1º ano – cursos totalizando 20 créditos.

2º ano – desenvolvimento do projeto e defesa da dissertação. .

• Cursos Obrigatórios (4 créditos):

• Eletrônica Analógica e Digital

• Mecânica Quântica Aplicada

• Sistemas de Medidas e Métodos Experimentais

• Cursos Opcionais (4 créditos) e minicursos (2 créditos):

• Processamento de Sinais e Imagens

• Materiais Magnéticos e suas Aplicações

• Instrumentação Básica em Altas Energias

• Redes de Computadores e Computação de Alto Desempenho

• Técnicas de Detecção

• Outros:

• Da pós-graduação Acadêmica do CBPF

• De outras Instituições reconhecidas (Inmetro).