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Circuitos para Telemetria (TEL159)

Transmitir informações como temperatura, intensidade de luz, velocidade de vento, PH, pressão, nível de um líquido ou, seja Iá o que for à distância, sem usar meios materiais, é um problema de telemetria. Se o leitor é um pesquisador científico, ou mesmo um técnico avançado, pode ter ocorrido situações em que um sistema simples, porém eficiente, de telemetria se fizesse necessário. Até mesmo para os setores não ligados à eletrônica a possibilidade de se transmitir, com poucos recursos, informações obtidas a partir de transdutores é muito atraente e importante. Como fazer isso é o assunto deste artigo em que damos diversos circuitos práticos de funcionamento comprovado e ainda de baixo custo.

Obs. Este artigo é de 1997. Existem soluções mais atuais e de melhor desempenho.

 

A própria palavra “telemetria” diz tudo sobre sua finalidade (tele = distância e metria = medir). Medir coisas à distância, eis a finalidade da telemetria, que através de recursos eletrônicos nos permite transmitir informações numéricas à distância, sem a necessidade de um meio material, se possível.

Existem diversas ocasiões em que um sistema de telemetria pode ser útil.

Podemos dar como exemplo um caso de pesquisa científica em que se necessita tomar periodicamente a medida de temperatura de um local de difícil acesso ou então monitorar o nível de água num pluviômetro (medidor do nível de chuva).

Em lugar do pesquisador ter que se deslocar até o local em intervalos regulares, automaticamente um dispositivo telemétrico “transmite", por ondas de rádio ou feixe de luz modulado, as informações desejadas, que são anotadas numa estação receptora. (Figura1)

 

Figura 1 – Princípio de funcionamento
Figura 1 – Princípio de funcionamento

 

Recentemente, em visita ao Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo, tomamos contato com pesquisadores que, com frequência, têm problemas de trabalho em que equipamentos telemétricos seriam de grande ajuda.

Um caso seria a medida de temperatura e salinidade em diversos locais de uma baía, feitas estas medidas por meio de sensores colocados em boias.

Na prática, pesquisadores seriam obrigados a deslocar-se de boia em boia em intervalos regulares para anotar as grandezas desejadas, com um trabalho bastante desagradável se considerarmos a eventual presença de frio e chuva! (Figura 2)

 

   Figura 2 – sensores em boias
Figura 2 – sensores em boias

 

A solução telemétrica seria a instalação de um transmissor que, automaticamente em intervalos regulares, pudesse transmitir as informações desejadas a partir dos sensores, sendo estas recebidas numa confortável sala do laboratório, ou ainda no barco base ancorado em posição apropriada. (Figura 3.)

 

Figura 3 – Usando o sistema
Figura 3 – Usando o sistema

 

 

Citamos estes exemplos, pois a elaboração de um sistema telemétrico, onde o alcance necessário às vezes não supere 1 ou 2 quilômetros, tem soluções relativamente simples com resultados bastante confiáveis.

A ideia básica de um sistema telemétrico simples.

Os sensores usados para medida de temperatura, pressão, intensidade de luz etc. podem tanto ser do tipo resistivo, como gerar uma pequena tensão.

Dentre os sensores resistivos podemos citar os NTC (temperatura), os LDRS (luz), e dentre os que fornecem uma tensão as fotocélulas, os anemômetros (pequenos dínamos).

O problema principal que temos é enviar, por meio de um sinal de rádio ou luz, informações sobre o valor da resistência ou tensão apresentada pelo sensor num determinado instante, para que possamos converter este valor em termos da grandeza desejada (temperatura, pressão, velocidade, nível etc.).

Um sistema de telemetria eficiente deve ser feito de tal forma que não haja possibilidade decorrerem variações de comportamento dos circuitos que reflitam nos valores transmitidos.

Se usarmos a tensão de um foto-sensor, por exemplo, para controlar a intensidade do sinal emitido, havendo pois uma relação entre ambos que possa ser medida, não teremos um sistema confiável. A intensidade do sinal pode variar em função da distância do transmissor e do próprio estado da bateria que o alimenta, isso sem se falar numa eventual sintonia deficiente do receptor. (figura 4)

 

Figura 4 – Variações do sinal
Figura 4 – Variações do sinal

 

 

Uma maneira de se evitar esse tipo de problema é a utilização de uma grandeza na transmissão que não seja afetada nem pela distância existente entre o transmissor e o receptor, nem pelas características dos circuitos utilizados.

Podemos fazer isso com a conversão do valor da grandeza medida em uma frequência, ou seja, usamos na saída do transdutor (analógico), um conversor analógico/digital. (figura 5)

 

Figura 5 – Um conversor A/D
Figura 5 – Um conversor A/D

 

A recuperação da informação é feita por meio de um conversor digital/analógico, ou então lida diretamente num frequencímetro, com a conversão de valores por tabelas.

Na figura 6 damos a disposição simplificada para a transmissão de temperaturas.

 

Figura 6 – Um transmissor de temperatura
Figura 6 – Um transmissor de temperatura

 

O sensor, um NTC, controla a frequência de um oscilador (Conversor analógico/digital) linear. A frequência que está diretamente na dependência da temperatura modula o sinal de um pequeno transmissor.

O sinal é captado por um receptor convencional extraindo-se somente a informação referente à frequência da modulação.

Esta informação pode ser lida diretamente num frequencímetro ou, então, integrada e lida num medidor analógico.

Uma vez feita a sintonia correta do receptor, interferências comuns à distância, ou mesmo variações de tensão nos circuitos, não influirão na leitura.

Ê claro que, por medida de segurança, o transmissor pode alternadamente emitir o sinal do sensor e de um resistor padrão que sirva para ajustar a escaIa no receptor. (figura 7)

 

Figura 7 – Blocos de um sistema
Figura 7 – Blocos de um sistema

 

O interessante desse sistema simples é que pequenos transmissores para a faixa de 11 metros, ou ainda FM/VHF, podem ser usados em conjunto com rádios comuns na transmissão de dados em distâncias entre 50 e 2.000 metros (ou mais em mar aberto!).

Para a utilização prática, bastará então “calibrar" em laboratório o sistema, elaborando-se uma tabela de correspondência entre a frequência emitida e a grandeza fornecida pelo transdutor.

Mas, passemos à parte prática. Como fazer um sistema simples e útil de transmissão de informações a distância?

 

Circuitos Práticos

A ideia básica é converter a informação de um transdutor qualquer em frequência e depois, no receptor, converter a frequência novamente em informação.

Em princípio, o transmissor pode ser de qualquer tipo e o receptor de qualquer tipo que receba os sinais do transmissor.

Podemos usar um pequeno transmissor d FM/VHF e um rádio comum de FM ou modificado para VHF em distâncias de até 1 quilômetro.

Podemos usar um transmissor portátil, ou mesmo do tipo para carro, para a faixa de 11 metros (PX), e como receptor, um rádio da mesma faixa, caso em que o alcance será estendido a distâncias que só dependem das condições de propagação e geográficas dos dois aparelhos.

Começamos então por dar os conversores e os circuitos de recepção.

 

1. Conversor A/D com Unijunção

para Sensores Resistivos o circuito apresentado na figura 8 pode emitir sinais na faixa de 50 Hz a 4 kHz aproximadamente, conforme a resistência do sensor varie na faixa de 1k a 1M.

 

   Figura 8 – Conversor A/D unijunção
Figura 8 – Conversor A/D unijunção

 

 

Podemos usar como sensor um LDR para medir a intensidade de luz incidente, ou indiretamente, como por exemplo na medida de mudança de tonalidade, de substâncias químicas, de transparência, ou na detecção até de raios X. Podemos usar um NTC para medir a temperatura ou qualquer outro sensor.

Neste ponto, damos algumas sugestões sobre uso de sensores, especificamente o utilíssimo LDR.

Na figura 9 damos três tipos de aplicações para pesquisa, em que o LDR se converte em elemento básico de transdutores capazes de detectar variações de diversas grandezas.

 

   Figura 9 – Aplicações para o LDR como sensor
Figura 9 – Aplicações para o LDR como sensor

 

No primeiro caso, o LDR atua como sensor de tonalidade de um elemento impregnado com substância química. A variação da tonalidade resulta na mudança da reflexão de luz, caso em que podemos detectar a distância variações de PH, presença de certas substâncias, poluição etc.

No segundo caso, o LDR é usado para detectar variações da transparência de uma solução. A ocorrência de certas reações e a velocidade em que isso acontece pode ser medida em termos da variação da frequência transmitida pela ação do LDR no circuito.

Finalmente, temos um curioso sensor de raios X que utiliza um mostrador (botão) luminoso de interruptor (que contém sais fosforescentes) e um LDR.

Montado o LDR contra o material fosforescente, e ambos colocados numa câmara escura (embrulhados em folha de alumínio isolada), o LDR detecta qualquer pequena emissão de luz do material, que ocorre quando raios X o atingem (os raios X atravessam o alumínio), o que não ocorre com a luz ou outras radiações,

Um interessante dosímetro de raios X pode ser feito com este tipo de sensor.

Mudando o valor de C1 pode-se modificar a faixa de atuação do conversor conforme as características do sensor usado.

Neste circuito, a estabilidade de frequência em função da tensão de alimentação é excelente. Uma variação de 10% na tensão de alimentação provoca uma variação de frequência de apenas 1%, mas se mesmo isso for muito, aconselhamos utilizar fonte estabilizada.

Na figura 10 mostramos o uso do 7806 e do 7812 na obtenção de uma tensão estabilizada de 6 ou 12V a partir de pilhas ou bateria. O 7806 e o 7812 permitem uma corrente máxima de1A de saída.

 

Figura 10 – Estabilizando a tensão
Figura 10 – Estabilizando a tensão

 

 

2. Conversor A/D com Unijunção

Para Sensores por Tensão O circuito mostrado na figura 11 utiliza um transistor 2N2646 e, além disso um BC548.

 

Figura 11 – Circuito para sensor de tensão
Figura 11 – Circuito para sensor de tensão

 

A faixa de frequências situa-se entre 500 Hz e aproximadamente 4.000 Hz, conforme a tensão de entrada varia entre 0,6 V e o valor máximo determinado por R1.

Para tensões até 10 V de entrada o resistor R1 pode ficar entre 100 k e 220 k. Para tensões até 1OOV o resistor pode ficar entre 1 M e 2M2.

Veja que, à medida que a tensão de entrada aumenta, o transistor juntamente com R2 formam um divisor que reduz a tensão de carga de C1 com uma redução da frequência.

Neste caso, a frequência de saída aumenta quando a tensão diminui, o que deve ser levado em conta.

Se a tensão de saída do transdutor for inferior a 1V, deve ser empregado um circuito amplificador.

Na figura 12 damos um interessante circuito para transdutor capacitivo.

 

Figura 12 – Circuito para transdutor capacitivo
Figura 12 – Circuito para transdutor capacitivo

 

A frequência de saída deste circuito depende da capacitância apresentada pelo sensor.

Uma possível aplicação para este circuito é como sensor de posição (direção de vento ou corrente de água), ou ainda como balança eletrônicaOde precisão. (figura 13)

 

Figura 13 – Balança eletrônica
Figura 13 – Balança eletrônica

 

E importante observar a polaridade do sinal de entrada para que o circuito opere corretamente.

 

3. Conversor A/D regulável com Unijunção

O circuito apresentado na figura 14 utiliza um unijunção e um transistor PNP de uso geral BC558, possuindo dois ajustes.

 

Figura 14 – Conversor A/D ajustável
Figura 14 – Conversor A/D ajustável

 

O primeiro ajuste é do ponto de funcionamento, ou seja, da tensão em que começa a haver atuação do sistema (P1= 100 k). O segundo é dos limites de frequência, dado pelo potenciômetro de10 k.

A faixa de frequências deste circuito é praticamente a mesma dos anteriores, podendo C1 ser alterado conforme as necessidades.

Experiências mostram que, para transmissão de dados via um canal comum de rádio, a frequência máxima não deve superar os 5 kHz em AM e eventualmente os 10 kHz em FM/VHF.

 

4. Duplo Transmissor de Dados com 555

Na figura 15 temos um interessante circuito de transmissor de dados para transdutores resistivos (NTC, LDR etc.) que faz uso de dois integrados 555.

 

Figura 15 – Duplo transmissor de dados
Figura 15 – Duplo transmissor de dados

 

Podemos dizer que se trata de um sistema “multiplex"' simples com dois canais de informações disponíveis.

Seu funcionamento pode ser analisado da seguinte maneira: o primeiro integrado 555 dá o ritmo de alternância dos dados transmitidos, com durações distintas para que, através delas, se saiba qual dos transdutores está sendo ativado em cada instante.

Assim, temos um relé que liga alternadamente a entrada e um resistor padrão de 22 k.

Quando a entrada é conectada a frequência do segundo oscilador 555 é determinada pela resistência do sensor. Quando a resistência padrão é conectada, a frequência é fixa, servindo para ajuste do receptor.

E claro que, em lugar desta resistência padrão, podemos ligar um segundo sensor resistivo.

Na figura 16 damos uma sugestão de placa de circuito impresso para esta montagem.

 

Figura 16 – Placa para a montagem
Figura 16 – Placa para a montagem

 

A saída deve ser ligada á entrada de microfone ou modulação do transmissor utilizado.

A alimentação pode ser feita com bateria de 6V ou fonte regulada, também a partir de bateria, se o uso for móvel.

Podemos intercalar entre a alimentação e este circuito (ou qualquer dos anteriores) um timer para ligar e desligar o sistema em intervalos regulares.

Para isso temos o seguinte timer:

 

5. Timer 555

O circuito é apresentado na figura 17.

 

Figura 17 – Timer 555
Figura 17 – Timer 555

 

Ele utiliza um único 555 na comutação de um relé.

Os tempos de acionamento e intervalo são diferentes, dados pelo resistor de carga ajustável P1 + R11 e o resistor de descarga (R2).

Para um capacitor de 100 µF e os demais componentes, como mostra o circuito, temos um intervalo mínimo entre emissões de 22 segundos e um intervalo máximo de 90 segundos.

A duração de cada emissão é de 6,9 segundos aproximadamente.

Podemos aumentar C1 para até 470 µF e, para uma emissão mais longa, aumentar R2 para 220 k, por exemplo.

Com este procedimento, temos economia de energia, pois o transmissor e demais elementos do sistema não ficam permanentemente ligados.

 

6. O Receptor

Como fazer a leitura de uma grandeza transmitida? Partindo de um receptor comum para áudio, temos de “trabalhar" o sinal recebido de modo a poder aplicá-lo a um sistema de leitura, se não tivermos a possibilidade de ligar tudo à entrada de um frequencímetro.(figura 18).

 

Figura 18 – Circuito receptor
Figura 18 – Circuito receptor

 

A entrada deste circuito pode ser obtida diretamente da saída de fone de um receptor (FM/VHF ou outro).

Os impulsos de áudio são aplicados a um multivibrador monoestável com o 555, que os transforma em pulsos de duração constante. A duração destes pulsos é dada pelo ajuste de P1em função de R4 e C3.

Podemos então integrar estes pulsos na rede formada por R5/R6 e C6/C6, de modo a obter na saída uma tensão proporcional à frequência.

O limite de frequência (máximo) é dado justamente pelo tempo de duração de cada pulso.

fmax = 1/t

Onde: t = 1,1 x R x C – constante do monoestável 555

fmax = frequência máxima em hertz medida.

A alimentação pode ser feita com uma tensão de 6 ou 9V, preferivelmente estabilizada.

Na saída deste circuito podemos ligar tanto um multímetro digital como analógico.

Na figura 19 temos uma placa de circuito impresso para este receptor.

 

Figura 19 – Placa para o receptor
Figura 19 – Placa para o receptor

 

 

7. Transmissor l

Uma ideia de transmissor simples, que pode transmitir informações de um sensor a uma distância de até 100 metros, é dada na figura 20.

 

Figura 20 – Transmissor I
Figura 20 – Transmissor I

 

Este transmissor opera na faixa de FM ou VHF com antena telescópica, o que permite a utilização de receptores portáteis comuns.

Em campo aberto, com uma alimentação de 12 V, o alcance pode chegar a 500 metros ou mais.

A modulação é em frequência e pode vir de qualquer dos circuitos que apresentamos.

A bobina L1 é formada por 4 ou 5 espiras de fio esmaltado grosso (22 ou 20) em diâmetro de 1cm sem núcleo. Para VHF a bobina se reduz a 2 ou 3 espiras do mesmo fio em mesma forma.

A antena por ser ligada ao coletor do transistor ou, para maior estabilidade, em uma tomada entre 1/3 e 1/2 da bobina.

 

8. Transmissor ll

Temos finalmente um transmissor mais potente que, em campo aberto, na faixa de FM ou VHF, pode chegar até 1 quilômetro. (figura 21)

 

Figura 21 – Transmissor potente
Figura 21 – Transmissor potente

 

O transistor oscilador é um BF494, mas um 2N2222 é utilizado na amplificação deste sinal, com uma alimentação de 12 V.

Deve ser usado um 2N2222 "metálico" com um pequeno dissipador, ou então o 2N2218.

O reator de 100 mH não é crítico. Na sua falta pode-se enrolar, num pequeno bastão de ferrite de 2 ou 3mm, umas 50 ou 60 voltas de fio esmaltado 28, com os mesmos efeitos.

 

Um Sistema Completo

Na figura 22 temos,em blocos, um sistema completo bastante interessante que pode ser usado em pesquisa de campo.

 

Figura 22 – Sistema completo
Figura 22 – Sistema completo

 

No sistema emissor temos os circuitos A/ D ligados aos sensores

Podemos usar o sistema duplo (dois sensores) para sensores resistivos.

Estes sistemas são ligados a um pequeno transmissor, que pode ser o I ou II conforme o alcance e o timer.

Em intervalos regulares é então transmitida a informação sobre os dois sensores.

O receptor é um rádio comum de FM sintonizado em ponto livre da faixa, para o qual está ajustado o transmissor.

Na saída do receptor temos o circuito integrador e um multímetro digital ICEL IK-2000 na escala de 20 volts.

Previamente, faz-se a elaboração de tabelas de leituras para os sensores de modo a termos a conversão das grandezas lidas nas grandezas desejadas.

Aperfeiçoamentos no sistema são perfeitamente possíveis. Como ideia 5ugerimos a utilização de 4017 com um "clock" lento que permita a leitura em ciclos de até 10 sensores.

Os dados modularão o transmissor e serão recebidos a distância de forma simples. Um dos 10 canais pode ser uma frequência fixa que sirva de padrão e marcação do início do ciclo.

 

Sistemas lnfravermelhos

Para curtas distâncias (até 20 ou 30 metros), a transmissão de informações de um sensor pode ser feita por meio de raios infravermelhos.

Na figura 23 temos um transmissor muito simples cuja frequência de modulação da radiação infravermelha é função da resistência do transdutor resistivo usado.

 

Figura 23 – Transmissor infravermelho
Figura 23 – Transmissor infravermelho

 

Como temos um ciclo ativo muito pequeno em relação ao intervalo médio dos pulsos, podemos ter uma corrente de pico elevada no foto-emissor infravermelho, o que lhe garante uma boa potência e, com isso, um bom alcance.

O receptor pode ser mostrado na figura 24 em que ligamos diretamente um foto-transistor na entrada de um 555 monoestável.

 

Figura 24 – O receptor
Figura 24 – O receptor

 

O mesmo circuito pode ser usado em conjunto com um amplificador de áudio, conforme mostra a figura 25.

 

Figura 25 – Etapa de áudio
Figura 25 – Etapa de áudio

 

Para um melhor desempenho, devem ser empregados dispositivos auxiliares ópticos para concentrar a luz emitida numa direção, e também para reunir maior quantidade possível de radiação captada sobre o sensor.

Recomendamos o uso de lentes convergentes para esta finalidade.

O foto-emissor pode ser de qualquer tipo infravermelho e o receptor um foto-transistor comum, já que a maioria tem sensibilidade para esta faixa em grau suficiente para permitir uma Operação satisfatória.

 

Observação: na época em que este artigo foi escrito não existiam os microcontroladores e nem as aplicações com acesso à internet. Hoje, as mesmas ideias podem ser aplicadas à transmissão de dados de sensores pela internet ou usando redes Wi-Fi com muito mais facilidade, precisão e desempenho. O artigo vale pela sua didática e eventualmente para projetos experimentais.

 

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