Na cadeia de aquisição, uma filtragem das perturbações é normalmente assegurada por um filtro anti retorno em que a banda passante é limitada a um mínimo restrito imposto pelo espectro útil.
O problema aqui examinado refere-se às perturbações conduzidas pelo aparelho pelas suas diversas ligações aos dispositivos externos:
linhas de entrada-saída como as ligações aos sensores, aos motores, ou a um controlador;
linhas da rede de distribuição ligadas à alimentação.
Estas perturbações devem ser eliminadas mesmo à entrada do aparelho, de modo a evitar que, para diversas ligações, estas não sejam injectadas na cadeia de medição, onde a sua amplitude é importante, pois provocam certos fenómenos de não linearidades perturbadoras do sinal.
3.2.1.1. Tipos de filtros
A filtragem das perturbações no espectro estendido torna necessária a introdução de filtros passa-baixo, introduzidos de modo a que as frequências úteis estejam na banda passante e as frequências perturbadoras na banda atenuada.
Um filtro é um dispositivo bidireccional: pode ser utilizado para limitar a penetração das perturbações externas ao aparelho, ou para evitar a propagação de perturbações para fora do aparelho que as gera.
Os filtros são normalmente realizados à base de indutâncias e condensadores, separados ou associados em estruturas em L, T ou Π (figura 3.2). Quando as linhas a filtrar são percorridas por correntes muito fracas, as indutâncias podem ser substituídas por resistências.
Figura 3.2 – Estruturas de filtros passa baixo passivos: a) em L; b) em T, c) em Π.
Quando a perturbação possui uma a frequência fp perfeitamente determinada (50 Hz por exemplo), a sua redução pode ser obtida por meio de um filtro que rejeite a frequência fp (figura 3.3). É importante de notar neste caso a atenuação suportada pelo filtro e que fp não afecta o sinal útil.
Figura 3.3 – Filtros de rejeição: a) célula de rejeição; b) célula de rejeição de banda regulável; c) resposta em frequência [1].
A eficácia de um filtro a uma frequência f é especificada pela sua atenuação de inserção A(f), onde:
[3.8]
V1(f) representa a amplitude da tensão aos terminais de uma carga de 50 [Ω], na ausência de filtro, a fonte de frequência f tem uma impedância interna de 50 [Ω]; V2(f) representa a
amplitude da tensão aos bornes da mesma carga na presença do filtro, em que as outras condições operacionais se mantêm inalteradas. Os valores de A(f) aquando da utilização de um filtro estão normalmente compreendidos entre 60 db (103) e 80 db (104).
3.2.1.2. Escolha dos componentes
Tendo em conta a importante extensão possível do espectro de perturbações, é necessário ter em consideração na escolha dos componentes do filtro os elementos perturbadores que condicionam o funcionamento nas altas-frequências.
Condensadores
O esquema equivalente de um condensador comporta, em particular, uma indutância parasita
Lp que depende da introdução de “armaduras” e que é tão mais importante quanto maiores forem as suas ligações. Esta indutância de 5 a 150 [nH] é determinada com a capacitância C, e com a frequência de ressonância do condensador fo)c que é igual a . É também importante limitar os comprimentos das ligações dos condensadores de filtragem de modo a manter as propriedades dos filtros satisfatórias nas altas frequências. Os condensadores “cruzados”, que são os elementos de filtragem na passagem de linhas de entrada-saída através de blindagem protectora de um aparelho, são caracterizados por uma indutância parasita mínima, uma frequência de ressonância própria superior a 1 [MHz].
Os condensadores de três pólos comportam duas ligações para uma das armaduras. Essas duas ligações fazem parte da linha a filtrar e apresentam duas vantagens: a indutância parasita da ligação linha-armadura é minimizada pois há contacto directo entre a linha e a armadura; e a indutância dessa ligação constitui com C um filtro em T melhorando a eficácia da filtragem.
Indutâncias
O esquema equivalente de uma bobine de indutância mostra, em paralelo, uma capacitância parasita Cp que determina, juntamente com a indutância L, a frequência de ressonância da bobine além da qual a impedância da bobine deve ser capacitiva; um exemplo da ordem de grandeza é L=1 [mH], fo)L=1 [MHz].
Por outro lado, as bobines de indutância podem ser o sinal de forças electromotrizes parasitas induzidas pelos campos exteriores, ou serem a fonte de perturbações pela sua própria radiação. É por isto que o filtro deve ser introduzido no interior de uma blindagem.
3.2.1.3. Montagem dos filtros
Filtragem das linhas do sinal
Aquando da transmissão de um sinal diferencial vão-se distinguir três condutores: as duas linhas do sinal e o condutor de massa. Neste caso, a perturbação aparece:
em modo comum, a diferença de potencial que lhe corresponde é idêntica entre todos os fios do sinal e a massa;
e (ou) em modo diferencial, quando uma diferença de potencial parasita aparece entre as duas linhas do sinal.
A redução da perturbação em modo comum é normalmente assegurada pela taxa de rejeição do amplificador; uma atenuação suplementar por um filtro passa-baixo é obtido introduzindo o filtro entre qualquer linha do sinal e a massa. Tendo em conta a grande impedância de entrada do amplificador e os fracos valores de corrente que percorrem a linha, a indutância de filtragem pode ser substituída por uma resistência sem que isso resulte numa alteração do sinal (figura 3.4 a).
A perturbação em modo diferencial – provocada pelo desequilíbrio das impedâncias das linhas – pode ser reduzida por um filtro RC inserido entre as duas linhas de sinal, na entrada do amplificador (figura 3.4 b).
Figura 3.4 – Filtragem na entrada de um amplificador de instrumentação: a) filtragem de modo comum; b) filtragem de modo diferencial [1].
Filtragem das linhas da rede de distribuição
A rede de distribuição de energia eléctrica em sistemas monofásicos possui três linhas: uma fase, o neutro e a terra. Essas linhas são o suporte de propagação de perturbações de espectro muito estendido, podendo passar os 100 [MHz], e que são produzidas em particular pelos equipamentos ligados à rede. Essas perturbações podem aparecer:
em modo comum quando a mesma diferença de potencial perturbadora é aplicada por um lado entre a fase e a terra, e por outro lado entre o neutro e a terra;
em modo diferencial quando a diferença de potencial devido à perturbação é aplicada entre a fase e o neutro.
A redução destas perturbações efectua-se através de células de filtragem inseridas entre os condutores e elas sujeitos:
fase e terra, neutro e terra para o modo comum (figura 3.5 a); fase e neutro para o modo diferencial (figura 3.5 b).
Figura 3.5 – Filtragem da tensão do sector: a) filtro de modo comum; b) filtro de modo diferencial; c) filtro combinado de modo comum e de modo diferencial utilizando uma bobine de fluxo.
As bobines de fluxo permitem uma combinação destes dois tipos de filtro num mesmo aparelho (figura 3.5 c). O elemento da base é um núcleo de ferrite sobre o qual são bobinados dois enrolamentos idênticos, mas deve-se ter atenção que:
percorridos por uma corrente parasita de modo comum, os fluxos produzidos por esse enrolamento são somados, determinando um valor de indutância considerável ([mH]); percorridos por uma corrente parasita de modo diferencial, os fluxos subtraem-se, a
indutância resultante é fraca ([μH]) evitando uma atenuação da corrente normal, a atenuação da perturbação resultante da acção da indutância residual e do condensador.