Os instrumentos de medida, apesar de poderem apresentar configurações muito variáveis, possuem elementos comuns, que permitem a transformação de um sinal eléctrico proveniente de um transdutor, num outro, com as características necessárias para que possa ser percepcionado pelo experimentador. Uma etapa amplificadora, uma etapa conversora e uma unidade de apresentação dos resultados, são os elementos básicos de um equipamento de medida. Estes módulos, se bem que sejam os usados na maioria da instrumentação, podem variar em número, como por exemplo, no caso em que o processo de conversão produz uma informação a ser enviada a um elemento de aquisição de dados, no caso em que não se torna necessário a utilização de um processo de conversão do sinal obtido no módulo de amplificação, ou mesmo nos casos em que a etapa amplificadora é evitada. No entanto, estas situações, são cada vez menos frequentes, e são encontradas em instrumentos de concepção muito particular.
O elemento de amplificação do sinal analítico, fornecido por um transdutor, é um elemento fundamental num instrumento de medida. Das suas características de funcionamento depende, tanto a qualidade desse sinal, como, em muitos casos, o correcto funcionamento do próprio transdutor.
A grande evolução, em termos de circuitos amplificadores, foi introduzida com o aparecimento dos circuitos integrados (Cl) e, principalmente, com os designados amplificadores operacionais (AO). Estes circuitos, uma vez que possuem características de funcionamento muito estáveis, grande imunidade ao ruído, serem disponíveis comercialmente e serem de baixo custo, tornaram-se, rapidamente, um elemento constante nos módulos de amplificação. Outras características, que lhe foram sendo introduzidas, aumentaram ainda mais a sua utilização, nomeadamente a inclusão de transístores de efeito de campo (FET), com elevada impedância de entrada, e a utilização de tecnologias, que permitem elevada velocidade de funcionamento e baixo consumo, que os tornaram ainda mais atractivos. A facilidade de modulação de resposta, ou seja, de alteração da função de transferência, de forma a adequá-la às necessidades específicas da montagem, é facilmente executável por associação externa de elementos passivos, o
que os torna muito versáteis e de simples instalação. Além disso, permitem também executar diversas operações básicas, como diferenciação, integração, entre outras, o que aumenta mais ainda a sua aplicabilidade. Em alternativa, o recurso a outros dispositivos amplificadores, p.e. a válvulas termoiónicas, constitui ainda uma possibilidade.
Após amplificação, toma-se normalmente necessário a utilização de um elemento conversor, que permite que o sinal obtido no módulo de amplificação, adquira as características necessárias a poder ser utilizado no módulo de leitura. O processo de conversão pode ser muito diverso, desde a simples conversão do sinal, num outro, com características idênticas mas de amplitude diferente, até à conversão digital. Esta transformação do sinal é responsável, em muitos instrumentos de medida, por uma parte significativa da electrónica neles utilizada, e constitui um processo crucial, na transferência de sinal, para o módulo de leitura.
No sentido da opção por soluções, que visam a simplificação da instrumentação, a conversão analógica/digital, é correntemente utilizada. No entanto, nem sempre o sinal amplificado, pode ser directamente utilizado pelo circuito conversor analógico/ digital (A/D), obrigando à utilização, de conversores adicionais, em função do tipo de sinal disponível. A inclusão, nesta etapa, de circuitos osciladores, rectificadores, descriminadores, diferenciadores, é usualmente uma constante nos instrumentos actuais. Ocorrem porém situações em que, teoricamente, o sinal proveniente do elemento amplificador pode ser directamente transferido para o módulo de leitura, sem necessidade da etapa de conversão. Porém, dada a tendência actual da utilização de visores numéricos na apresentação dos valores da medida, a presença deste elemento tem-se tornado uma constante.
Os elementos de medida têm sofrido uma evolução bastante nítida, decorrente das novas possibilidade que novos materiais e a electrónica têm vindo a permitir. Se a utilização de um microamperímetro como módulo de leitura foi, durante muito tempo, o mais utilizado, a sua utilização tem vindo a diminuir, à medida que outras soluções foram sendo encontradas. Uma vez que os erros cometidos pelo observador na apreciação de um valor, são correntes, quando se utilizam este tipo de módulos, e dada a maior facilidade de leitura de dados apresentados, numericamente, a utilização de visualizadores
numéricos, tanto baseados em diodos emissores de luz como em matrizes de cristais líquidos, tem vindo a ser utilizados na maioria da aparelhagem.
Mais recentemente, com a divulgação dos microprocessadores, a utilização de écrans, tanto baseados na utilização de tubos de raios catódicos, matriz de díodos e de cristais líquidos, tem sido amplamente divulgada. Da sua utilização, resultou uma melhoria nos processos de apresentação de dados, uma vez que, além da apresentação numérica, estes dispositivos vieram permitir o recurso à apresentação gráfica.
Uma outra estratégia, e que mais adiante se referirá com mais detalhe, é a associação de microcomputadores aos instrumentos de medida. Esta associação, uma vez que pode ser executada de forma simples, tem cativado os experimentadores de tal forma que, é usualmente, uma alternativa proposta pelos fabricantes. Em termos do instrumento de medida propriamente dito, este, apenas requer a inclusão do elemento de amplificação e de conversão, sendo uma delas analógica/digital, podendo mesmo ser evitado o elemento de leitura. Como resultado, obtêm-se módulos mais simples e baratos e, na maior parte das vezes, mais robustos e fiáveis.
1.3.2. Actuadores
No que se refere a actuadores, os módulos essenciais são constituídos por uma unidade de controlo, uma unidade de potencia e uma unidade de actuação.
Os módulos de controlo podem ser tão diversos, como um simples botão de accionamento manual, ou até um computador. Em qualquer dos casos, este módulo inicia o processo e termina-o, podendo ainda incluir operações adicionais como sejam, por exemplo, a indicação do sentido de actuação, alternância ou não do actuador e ainda sofrer retrocontrolo a partir de módulos sensores associados. Tal sucede, por exemplo, no caso em que um aumento da corrente de retorno do actuador ultrapassa determinado limite, e, simplesmente, o módulo de controlo interrompe a operação.
que a electrónica tem evoluído. Se, inicialmente, o processo de controlo era totalmente dependente do operador, cada vez mais o controlo automático é uma constante. Actualmente, é prática corrente, a utilização de microprocessadores geridos por programa interno, sendo usual a utilização de microcomputadores.
Se o módulo de controlo comanda a actuação a partir de sinais eléctricos, e sendo estes de pequenas intensidades, torna-se necessário a incorporação de módulos de potência. As correntes nele originadas serão as aplicadas no módulo actuador. A constituição deste módulo pode ser baseada, simplesmente, na utilização de transístores controlados a partir dos sinais que lhe chegam d o módulo de controlo, até à inclusão de circuitos d e disparo de elementos electrónicos para elevadas correntes, como p o r exemplo, SCR (Silicon Controlled Rectifier) ou TRIAC (TRIode A C ) .
O módulo actuador pode ter a configuração mais diversa, mas, genericamente, possui motores e / o u electroímanes. Os motores utilizados podem, p o r sua vez, ser de vários tipos, desde os motores de corrente contínua síncronos, até motores alternos assíncronos, passando pelos passo-a-passo de elevado número de inductores e com elevada precisão de movimento.
É evidente que a complexidade do módulo de potência a utilizar depende d o tipo de actuador utilizado, que, por sua vez, deve ser seleccionado consoante a tarefa que deve realizar. Assim, se na actuação de um electroíman, apenas se t o r n a necessário um único elemento, como por exemplo, um transistor ou um "relay", no caso de um motor passo-a-passo torna-se necessário a inclusão de controladores próprios integrados que executem o sincronismo de rotação do motor, além d o sentido de rotação, gerindo ainda a comunicação de dados com o módulo de comando.
Alguns aspectos devem ser considerados na escolha d o tipo de actuadores a utilizar. Entre eles refira-se a potência que devem possuir para a realização de determinada tarefa. Este factor é preponderante, na opção, p o r determinado actuador. Por exemplo, para potências elevadas a utilização de motores alternos o u passo-a-passo, passa a estar comprometida e, a opção por motores contínuos, passa a ser a alternativa, aumentando, no entanto, a complexidade do circuito de potencia e controlo, apesar da redução d o preço d o próprio actuador.
uma vez que, sendo o seu controlo numérico, torna-se simples de implementar a partir de microcomputadores. No entanto, em montagens que exijam elevado rigor de actuação e elevadas potências, a opção por motores contínuos, se bem que mais complexa e de custo mais elevado, pode constituir uma possibilidade.
1.3.3. Os computadores
Os microprocessadores vieram provocar enormes alterações, tanto em termos de controlo, como no respeitante ao tratamento de informação, o que permitiu melhorar características de funcionamento da instrumentação, tornando-a mais atractiva e de simples utilização.
O desenvolvimento de microcomputadores, principalmente a partir dos anos 80, e o estabelecimento de arquitecturas padronizadas, veio permitir que o desenvolvimento de "software" dedicado aos mais diversos fins, fosse feito de forma a ser utilizado por grandes grupos de utilizadores. Estes factores foram responsáveis pela sua grande divulgação, passando estes equipamentos a ser uma presença constante em todos os ambientes de trabalho, nomeadmente nos laboratórios.
À medida que os microcomputadores foram evoluindo, a utilização de microprocessadores no controlo e aquisição de dados, em equipamentos analíticos, começa a ser substituída pela utilização de microcomputadores, que passam a ser associados a instrumentação usual, de que resultou a redução dos custos de instalação, a rentabilização e o aumento da operacionalidade dos equipamentos.
O êxito dos microcomputadores, nos laboratórios, é devido a vários factores, entre os quais, a inclusão em arquitecturas padronizadas de portas de comunicação e o aparecimento, no mercado, de circuitos, destinados a serem associados a microcomputadores, que realizem conversões analógico/digitais e digitais/analógicas. Estes foram decisivos para que a associação de microcomputadores a instrumentos de laboratório, pudesse ser feita de forma simples e por pessoal com pouco treino.
Uma vez que os microcomputadores são baratos, fiáveis e resistentes às condições de trabalho dos laboratórios, permitem controlar sequência de operações em função de algoritmos pre-programados, fazer aquisição e tratamento de dados e apresentar, de forma totalmente autónoma, os resultados obtidos no processo analítico, cativaram, de imediato, a atenção de todos os laboratórios e são actualmente considerados instrumentos de laboratório, a par de todo o restante equipamento classicamente considerado como tal.
Possuindo os microcomputadores grande capacidade e velocidade de cálculo e podendo estes ser interligados com diferentes módulos actuadores e transdutores, tornaram-se, rapidamente, alvo de atenção, em termos de automatização e de automação. A acrescentar a esta situação, existe ainda a possibilidade de execução de multitarefas em tempo praticamente real, o que permite elaborar sistemas interactivos de análise e controlo, ao mesmo tempo que possibilitam a interacção com o experimentador.