Sinais analógicos e digitais

Instrumentação é um campo de estudo e trabalho centrado na medição e controle de processos físicos. Esses processos físicos incluem pressão, temperatura, taxa de fluxo e consistência química. Um instrumento é um dispositivo que mede e / ou atua no controle de qualquer tipo de processo físico. Devido ao fato de que as grandezas elétricas de tensão e corrente são fáceis de medir, manipular e transmitir a longas distâncias, elas são amplamente utilizadas para representar essas variáveis ​​físicas e transmitir as informações para locais remotos.

Um sinal é qualquer tipo de quantidade física que transmite informações. A fala audível é certamente uma espécie de sinal, pois transmite os pensamentos (informações) de uma pessoa para outra por meio do som físico. Os gestos com as mãos também são sinais, transmitindo informações por meio da luz.

Este texto é outro tipo de sinal, interpretado por sua mente treinada em inglês como informação sobre circuitos elétricos. Neste capítulo, a palavra sinal será usado principalmente em referência a uma quantidade elétrica de voltagem ou corrente que é usada para representar ou significar alguma outra quantidade física.

Analógico vs. Digital

Um analógico sinal é um tipo de sinal que é continuamente variável, em oposição a ter um número limitado de etapas ao longo de seu alcance (chamado de digital ) Um exemplo bem conhecido de analógico vs. digital é o de relógios:analógico sendo o tipo com ponteiros que giram lentamente em torno de uma escala circular e digital sendo o tipo com exibição de número decimal ou um "ponteiro de segunda mão" que treme em vez de suavemente gira.

O relógio analógico não tem limite físico para a precisão com que pode exibir a hora, pois seus “ponteiros” se movem de maneira suave e sem pausas. O relógio digital, por outro lado, não pode transmitir nenhuma unidade de tempo menor do que o que seu display permite. O tipo de relógio com um “ponteiro de segundos” que salta em intervalos de 1 segundo é um dispositivo digital com uma resolução mínima de um segundo.

Os sinais analógicos e digitais encontram aplicação na eletrônica moderna, e as distinções entre essas duas formas básicas de informação serão abordadas com muito mais detalhes posteriormente neste livro. Por enquanto, limitarei o escopo desta discussão aos sinais analógicos, uma vez que os sistemas que os utilizam tendem a ser de projeto mais simples.

Para uma visão geral mais básica deste assunto, veja este tutorial em vídeo sobre eletrônica analógica e digital.

Com muitas grandezas físicas, especialmente elétricas, a variabilidade analógica é fácil de encontrar. Se tal quantidade física for usada como meio de sinal, ela será capaz de representar variações de informação com resolução quase ilimitada.

Sistema de Instrumentação Industrial

Nos primórdios da instrumentação industrial, o ar comprimido era usado como meio de sinalização para transmitir informações de instrumentos de medição a dispositivos indicadores e controladores localizados remotamente. A quantidade de pressão do ar correspondia à magnitude de qualquer variável que estava sendo medida. Ar limpo e seco a aproximadamente 20 libras por polegada quadrada (PSI) foi fornecido de um compressor de ar através de uma tubulação para o instrumento de medição e foi então regulado por aquele instrumento de acordo com a quantidade sendo medida para produzir um sinal de saída correspondente.

Por exemplo, um dispositivo "transmissor" de nível pneumático (sinal de ar) configurado para medir a altura da água (a "variável de processo") em um tanque de armazenamento produziria uma pressão de ar baixa quando o tanque estava vazio, uma pressão média quando o tanque estava parcialmente cheio e com alta pressão quando o tanque estava completamente cheio.



O “indicador de nível de água” (LI) nada mais é do que um medidor de pressão que mede a pressão do ar na linha de sinal pneumática. Esta pressão do ar, sendo um sinal , é, por sua vez, uma representação do nível de água no tanque. Qualquer variação de nível no tanque pode ser representada por uma variação apropriada na pressão do sinal pneumático.

Além de certos limites práticos impostos pela mecânica dos dispositivos de pressão de ar, este sinal pneumático é infinitamente variável, capaz de representar qualquer grau de mudança no nível da água e é, portanto, analógico no verdadeiro sentido da palavra.

Por mais bruto que possa parecer, esse tipo de sistema de sinalização pneumática formou a espinha dorsal de muitos sistemas de medição e controle industriais em todo o mundo e ainda é usado hoje devido à sua simplicidade, segurança e confiabilidade. Os sinais de pressão do ar são facilmente transmitidos através de tubos baratos, facilmente medidos (com medidores de pressão mecânicos) e são facilmente manipulados por dispositivos mecânicos usando foles, diafragmas, válvulas e outros dispositivos pneumáticos. Os sinais de pressão do ar não são úteis apenas para medição processos físicos, mas para controle eles também.

Com um pistão ou diafragma grande o suficiente, um pequeno sinal de pressão de ar pode ser usado para gerar uma grande força mecânica, que pode ser usada para mover uma válvula ou outro dispositivo de controle. Sistemas completos de controle automático foram feitos usando a pressão do ar como meio de sinal. Eles são simples, confiáveis ​​e relativamente fáceis de entender. No entanto, os limites práticos para a precisão do sinal de pressão do ar podem ser muito restritivos em alguns casos, especialmente quando o ar comprimido não está limpo e seco e quando existe a possibilidade de vazamentos na tubulação.

Com o advento dos amplificadores eletrônicos de estado sólido e outros avanços tecnológicos, as grandezas elétricas de voltagem e corrente tornaram-se práticas para uso como meio de sinalização de instrumentos analógicos. Em vez de usar sinais de pressão pneumática para transmitir informações sobre a plenitude de um tanque de armazenamento de água, os sinais elétricos poderiam transmitir essas mesmas informações por fios finos (em vez de tubos) e não exigir o suporte de equipamentos caros como compressores de ar para operar:



Os sinais eletrônicos analógicos ainda são os principais tipos de sinais usados ​​no mundo da instrumentação hoje (janeiro de 2001), mas estão dando lugar aos modos digitais de comunicação em muitas aplicações (mais sobre esse assunto adiante). Apesar das mudanças na tecnologia, é sempre bom ter um entendimento completo dos princípios fundamentais, para que as informações a seguir nunca se tornem realmente obsoletas.

Live Zero

Um conceito importante aplicado em muitos sistemas de sinal de instrumentação analógica é o de “zero vivo”, uma forma padrão de dimensionar um sinal de forma que uma indicação de 0 por cento possa ser discriminada do status de um sistema “morto”. Tome o sistema de sinal pneumático como exemplo:se a faixa de pressão do sinal para o transmissor e o indicador foi projetada para ser de 0 a 12 PSI, com 0 PSI representando 0 por cento da medição do processo e 12 PSI representando 100 por cento, um sinal recebido de 0 por cento poderia ser uma leitura legítima de medição de 0 por cento ou isso pode significar que o sistema estava com defeito (compressor de ar parado, tubulação quebrada, transmissor com defeito, etc.). Com o ponto 0 por cento representado por 0 PSI, não haveria maneira fácil de distinguir um do outro.

Se, no entanto, tivéssemos que dimensionar os instrumentos (transmissor e indicador) para usar uma escala de 3 a 15 PSI, com 3 PSI representando 0 por cento e 15 PSI representando 100 por cento, qualquer tipo de mau funcionamento resultando em pressão de ar zero no o indicador geraria uma leitura de -25 por cento (0 PSI), que é claramente um valor com defeito. A pessoa olhando para o indicador seria então capaz de dizer imediatamente que algo estava errado.

Nem todos os padrões de sinal foram configurados com linhas de base live zero, mas os padrões de sinais mais robustos (3-15 PSI, 4-20 mA) foram, e por um bom motivo.

REVER:

• Um sinal é qualquer tipo de quantidade detectável usada para comunicar informações.
• Um analógico sinal é um sinal que pode ser continuamente ou infinitamente variado para representar qualquer pequena quantidade de mudança.
• Pneumático , ou pressão do ar, sinais já foram comuns em sistemas de sinal de instrumentação industrial. Estes foram amplamente substituídos por sinais elétricos analógicos, como voltagem e corrente.
• Um live zero refere-se a uma escala de sinal analógico usando uma quantidade diferente de zero para representar 0 por cento da medição do mundo real para que qualquer mau funcionamento do sistema, resultando em um estado de "repouso" natural de pressão de sinal zero, tensão ou corrente possa ser imediatamente reconhecido.