Cinco dicas para redução de ruído nas medições (INS171)

Publicamos este artigo em 2009. Trata-se de assunto bastante atual e de grande importância para todos que trabalham com instrumentação eletrônica.

Este artigo foi publicado originalmente pela National Instruments (www.ni.com) sendo de grande utilidade para todos que trabalham com instrumentação.

Garantir medidas exatas geralmente significa ir além das especificações de um datasheet. Entender uma aplicação no contexto do seu ambiente elétrico também é importante para assegurar o sucesso, particularmente em ambientes ruidosos ou industriais. Loops de terra, tensões elevadas em modo comum e radiação eletromagnética são exemplos de ruídos que podem afetar um sinal.

Existem muitas técnicas para reduzir o ruído num sistema de medição, que inclui blindagem adequada, cabeamento e terminação. Além desses cuidados comuns, você pode fazer mais para garantir uma melhor imunidade a ruído. As cinco técnicas a seguir servem como um guia para alcançar resultados mais exatos nas medições.

 

Rejeição de Tensão DC em Modo Comum

Realizar medições mais exatas normalmente começa com leituras diferenciais. Um dispositivo ideal de medições diferenciais lê apenas a diferença de potencial entre os terminais positivo e negativo do(s) seu(s) amplificador (es) de instrumentação. Dispositivos práticos, entretanto, são limitados na habilidade de rejeitar tensões em modo comum. Tensão em modo comum é a tensão comum a ambos os terminais, positivo e negativo, do amplificador de instrumentação. Na figura 1, 5V é comum para ambos os terminais, AI+ e AI-, e o dispositivo ideal lê os 5V que resultam da diferença entre os dois terminais.

 

Um amplificador de instrumentação ideal rejeita completamente tensões em modo comum
Um amplificador de instrumentação ideal rejeita completamente tensões em modo comum

 

A tensão de trabalho máxima de um dispositivo de aquisição de dados (DAQ) refere-se ao sinal de tensão somado à tensão em modo comum e especifica o maior potencial que pode existir entre uma entrada e o terra. A tensão de trabalho máxima para a maioria dos dispositivos DAQ é a mesma que a faixa de entrada do amplificador de instrumentação. Por exemplo, dispositivos DAQ Série M de baixo custo como a NI 6220 tem uma tensão de trabalho máxima de 11V; nenhum sinal de entrada pode ultrapassar 11V sem causar dano ao amplificador.

A isolação pode aumentar drasticamente a tensão de trabalho máxima de um dispositivo DAQ. No contexto de um sistema de medição, "isolação" significa separação física e elétrica de duas partes de um circuito. Um isolador passa dados de uma parte do circuito para a outra sem conduzir eletricidade. Como a corrente não pode fluir através da barreira de isolação, você pode mudar o nível de referência do dispositivo DAQ para um nível diferente do terra. Isso desacopla a especificação de tensão máxima de trabalho da faixa de entrada do amplificador. Na Figura 2, por exemplo, o terra de referência do amplificador de instrumentação é eletricamente isolado do terra geral.

 

 

Enquanto a faixa de entrada é a mesma que na Figura 1, a tensão de trabalho foi estendida para 60V, rejeitando 55V da tensão de modo comum. A tensão de trabalho máxima é, agora, definida pela isolação do circuito, ao invés da faixa de entrada do amplificador.O teste de célula de combustível é um exemplo de aplicação que requer rejeição de altas tensões DC em modo comum. Cada célula individualmente pode gerar aproximadamente 1V, mas uma pilha de células pode produzir vários quilovolts ou mais. Para medir com exatidão a tensão de uma única célula de 1V, o dispositivo de medição deve estar preparado para rejeitar a alta tensão em modo comum gerada pelo restante da pilha.

 

Rejeição de Tensão AC em Modo Comum

Raramente tensões em modo comum consistem apenas de um nível DC. A Maior parte das fontes de tensão em modo comum contém componentes AC somadas ao nível DC. O ruído é inevitavelmente acoplado ao sinal medido por meio do ambiente eletromagnético ao redor. Isto é particularmente problemático para sinais analógicos de nível baixo passando pelo amplificador de instrumentação do dispositivo DAQ.

As fontes de ruído AC podem ser em geral classificadas pelos seus mecanismos de acoplamento - capacitivo, indutivo ou radiado. Acoplamentos capacitivos resultam de uma variação temporal de campos elétricos, como aquelas criadas por aproximação de relés ou outros sinais de medição. Ruídos de acoplamento indutivo ou magnético resultam de uma variação temporal de campos magnéticos, como aquelas criadas por aproximação de maquinário ou motores. Se a fonte de campo eletromagnético está longe do circuito de medição, como a iluminação fluorescente, o acoplamento dos campos magnético e elétrico é considerado eletromagnético combinado ou acoplamento radiado. Em todos os casos, uma tensão em modo comum variável no tempo é acoplada ao sinal de interesse, na maior parte dos casos na faixa de 50-60 Hz (frequência da rede elétrica).

Um circuito de medição ideal tem um caminho perfeitamente balanceado para ambos os terminais, positivo e negativo, do amplificador de instrumentação. Tal sistema rejeitaria completamente qualquer ruído com acoplamento AC. Um dispositivo pratico, entretanto, especifica o grau de tensão em modo comum que ele pode rejeitar com uma relação de rejeição de modo comum (CMRR). A CMRR é a razão entre ganho do sinal medido e o ganho do modo comum aplicado ao amplificador, como mostra a seguinte equação:

 

 

Escolher um dispositivo DAQ com uma CMRR melhor sobre uma faixa de frequência mais larga pode fazer uma diferença significativa na imunidade a ruído do seu sistema. A Figura 3, por exemplo, mostra a CMRR para um dispositivo de baixo custo Série M comparada com a de um dispositivo industrial Série M.

 

 A NI 6230 possui uma CMRR muito maior que a NI 6220.
A NI 6230 possui uma CMRR muito maior que a NI 6220.

 

Em 60Hz, os dispositivos industriais Série M NI6230 tem 20dB a mais de CMRR que os dispositivos de baixo custo Série M 6220. Isso é equivalente a uma atenuação 10 vezes melhor de ruídos em 60Hz.

Qualquer aplicação deve se beneficiar ao rejeitar ruídos de 60Hz. Entretanto, máquinas rotativas ou motores de alta rotação requerem imunidade a ruído em altas frequências. Em 1kHz, dispositivos NI 6230 rejeitam ruído 100 vezes melhor que dispositivos NI 6220, fazendo deles ideais em aplicações industriais.

 

Quebre os Loops de Terra

Loops de terra são indiscutivelmente a fonte de ruído mais comum em sistemas de aquisição de dados. Aterramento adequado é essencial para medições precisas, porém é um conceito que frequentemente não é assimilado. Um loop de terra se forma quando dois terminais conectados em um circuito estão em potenciais de terra diferentes. Essa diferença causa um fluxo de corrente na interconexão, o que pode causar erros de nível. Para complicar ainda mais, o potencial de tensão entre o terra da fonte de sinal e o terra do dispositivo DAQ geralmente não é um nível DC. Isso resulta em um sinal que apresenta componentes da frequência da alimentação da rede nas leituras. Considere a aplicação simples de termopar na Figura 4.

 

 Uma medição diferencial de termopar com uma fonte de sinal aterrada pode criar um loop de terra.
Uma medição diferencial de termopar com uma fonte de sinal aterrada pode criar um loop de terra.

 

Neste caso, uma medição de temperatura teoricamente simples se torna complexa pelo fato do dispositivo sob teste (DUT) estar em um potencial de terra diferente do dispositivo DAQ. Mesmo com ambos os dispositivos compartilhando o mesmo terra, a diferença de potencial pode ser 200 mV ou mais se os circuitos de distribuição de alimentação não estiverem adequadamente conectados. A diferença aparece como uma tensão em modo comum com uma componente AC no resultado da medição.

Lembre-se que isolação é um meio de separar eletricamente o terra da fonte de sinal do terra de referência do amplificador de instrumentação (veja a Figura 5).

 

 Isolação elimina loops de terra separando o terra do terra de referência do amplificador.
Isolação elimina loops de terra separando o terra do terra de referência do amplificador.

 

Como a corrente não pode fluir pela barreira de isolação, o terra de referência do amplificador pode estar em um potencial maior ou menor que o da Terra. Você não pode criar um loop de terra em um circuito desse. Usar um dispositivo de medição isolado evita a necessidade de aterrar adequadamente um sistema de medição, garantindo resultados mais precisos.

 

Use Loops de Corrente de 4-20 mA

Cabos com comprimento longo e a presença de ruído em ambientes industriais, ou eletricamente carregados, podem fazer com que a medição precisa de tensão se torne difícil. Por isso, transdutores industriais que medem pressão, fluxo, proximidade e outros geralmente emitem sinais de corrente ao invés de tensão. Um loop de corrente de 4-20 mA é um método comum de um sensor enviar informação por longas distancias em muitas aplicações de monitoramento de processo, como mostra a Figura 6.

 

 Um amplificador de instrumentação usa um resistor shunt para converter sinais de corrente em tensão.
Um amplificador de instrumentação usa um resistor shunt para converter sinais de corrente em tensão.

 

Cada um desses loops de corrente contém três componentes - um sensor, uma fonte de alimentação e um ou mais dispositivos DAQ. O sinal de corrente do sensor está tipicamente entre 4 e 20 mA, com 4 mA representando o mínimo de sinal e 20 mA representando o máximo. Esse esquema de transmissão tem a vantagem de usar 0 mA para indicar um circuito aberto ou uma conexão ruim. Fontes de alimentação estão tipicamente na faixa de 24 a 30 VDC, dependendo do total de queda de tensão ao longo do circuito. Finalmente, o dispositivo DAQ usa um resistor shunt de alta precisão entre as pontas do amplificador de instrumentação para converter o sinal de corrente em uma medição de tensão. Como toda corrente que flui de uma ponta da fonte de alimentação deve retornar para a outra, sinais em loop de corrente são imunes à maioria das fontes de ruído elétrico e quedas de tensão ao longo de cabos com grande extensão. Além disso, os fios que fornecem alimentação para o sensor também levam o sinal de medição, simplificando muito o cabeamento.

Uma barreira de isolação como aquela mostrada na Figura 6 fornece dois grandes benefícios em aplicações em loop de corrente. Primeiro, como a tensão da fonte de alimentação tipicamente excede o nível máximo de entrada da maior parte dos amplificadores de instrumentação, a isolação é essencial para alterar o nível do terra do amplificador em relação ao terra para uma tensão aceitável. Segundo, loops de corrente operam com o princípio que a corrente nunca sai do circuito. Portanto, isolar o loop de corrente de qualquer caminho para terra previne a degradação do sinal. Dispositivos como os dispositivos DAQ industriais da Série M NI 6238 e NI 6239 fornecem um resistor de shunt incorporado e até 60 VDC de isolação do terra para aplicações com loops de corrente de 4-20 mA.

 

Use Lógica Digital em 24 V

O ruído de medição não está limitado a sinais analógicos. Lógicas digitais também podem ser afetadas por um ambiente elétrico ruidoso, possivelmente indicando valores ligado/desligado falsos ou disparos (trigger) acidentais. Existem diversos níveis de tensão e famílias lógicas associados com E/S digitais, alguns mais resistentes à ruído que outros. A Lógica Transistor-Transistor (TTL) é de longe a família mais comum, alimentando desde microprocessadores a LEDs. Mesmo sendo largamente disponível, o TTL nem sempre é a melhor alternativa para as aplicações digitais.

Para aplicações industriais, o TTL tem a desvantagem intrínseca de apresentar margens de ruído pequenas. Com níveis lógico-alto e lógico-baixo de 2,0 V e 0,8 V, respectivamente, existe uma pequena janela para erro. Por exemplo, a margem de ruído para uma entrada TTL em nível lógico-baixo é 0,3 V (a diferença entre 0,8 V, o nível lógico-baixo TTL máximo de entrada, e 0,5 V, o nível lógico-baixo TTL máximo de saída). Qualquer ruído acoplado ao sinal digital maior que 0,3V pode levar a tensão para a região indefinida entre 0,8 V e 2,0 V. Nela, o comportamento da entrada digital é incerto e pode produzir valores incorretos (Figura 7).

 

 Lógica 24V tem melhores margens de ruído que TTL.
Lógica 24V tem melhores margens de ruído que TTL.

 

A lógica de 24V, por outro lado, oferece margens de ruído maiores e melhor imunidade geral a ruído. Como a maioria dos sensores, atuadores e lógicas de controle já operam com fontes de alimentação de 24 V, é conveniente usar níveis lógicos digitais correspondentes. Com um nível lógico-baixo de entrada de 4 V e um nível lógico-alto de entrada de 11 V, os sinais digitais são menos suscetíveis ao ruído.

A maioria dos dispositivos de medição com E/S digital em 24 V oferece características adicionais de redução de ruído. Por exemplo, os dispositivos National Instruments industriais Série M têm filtros de entrada programáveis para debounce de entradas com relés. Com um fechamento mecânico do relé, existe um pequeno período de tempo (da ordem de milissegundos) no qual as superfícies de contato vibram (bounce) uma contra a outra. Sem filtragem, a entrada lógica pode ler isso como uma seqüência de sinais ligado/desligado. Estes dispositivos também oferecem isolação, um fator importante a considerar se partes do sistema geral são alimentadas com fontes diferentes.

 

Conclusão

Existem muitos fatores a considerar quando tentamos reduzir o ruído em um sistema de medição. Além de blindagem, cabeamento e terminações adequadas, fazer uma consideração cuidadosa de tensões em modo comum, aterramento e fontes de ruído próximas, é essencial para resultados precisos. Contudo, entender o ambiente elétrico do seu sistema nem sempre é simples. A isolação é um meio fácil de adicionar outra camada de confiança às suas medições, não importando o sinal ou a aplicação.

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