Universidade Federal do Amazonas Faculdade de Tecnologi Tecnologiaa Metrologia e Instrumentação
Elementos Sensores
Kenny Vinente dos Santos
1. Introdução •
Estrutura de um sistema de medição
•
Quatro blocos básicos: •
Elemento sensor
•
Elemento condicionador de sinal
•
Elemento processamento sinal
•
Elemento visualização dos dados
1. Introdução •
Elemento sensor : está em contato com o processo e entrega uma saída que depende da variável a ser medida
•
Termoacoplador f.e.m. (mV) dependendo da temperatura
•
Strain gauge
•
Placas de orifício
resistência
dependendo da tensão mecânica
pressão
dependendo da taxa de fluxo
1. Introdução •
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•
•
Elemento condicionador de sinal : converte a saída do sensor em uma outra forma mais “agradável” para o sistema, normalmente um sinal de tensão ou corrente d.c. ou sinal de frequência.
Ponte de deflexão converte variação de impedância em variação de tensão Amplificador converte milivolts em volts Oscilador converte variação de impedância em uma tensão com frequência variável
1. Introdução •
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Elemento processamento de sinal: converte a saída do elemento condicionador e converte em uma forma mais apresentável (em termos de processamento e visualização).
Conversor analógico-digital converte uma tensão em uma forma digital para processamento em computador Computador calcula o valor medido da variável a partir dos dados digitais recebidos
1. Introdução •
Elemento visualização dos dados : apresenta os valores medidos de uma forma que é facilmente interpretada pelo usuário.
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Indicador simples de ponteiro em uma escala
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Display alfanumérico
•
Unidade de display visual
2. Exemplo de sistemas de medidas
3. Simbologia de diagrama em blocos •
Diagrama em blocos são úteis para entender as propriedades dos sistemas
4. Elementos sensores •
Elementos sensores resistivos •
Potenciômetro para medida de deslocamento linear e angular
4. Elementos sensores •
•
Equações para o potenciômetro linear
=
=
•
: resistência total do potenciômetro =
•
: resistência fracional =
•
: deslocalmento fracional = /
•
•
=
A tensão de circuito aberto para o potenciômetro com deslocamento linear é:
ℎ = = /
tensão
proporcional ao deslocamento
4. Elementos sensores •
Equações para o potenciômetro angular
•
ℎ = = θ/θ
•
•
= θ/θ Tensão proporcional ao deslocamento angular
4. Elementos sensores •
A escolha do potenciômetro para uma aplicação envolve 4 parâmetros: •
•
•
•
Deslocamento máximo , θ : depende do range (alcance) do deslocamento da variável medida, em geral, 0 a 5 cm, 0 a 300° Tensão de alimentação : definido pela faixa de saída necessária, em geral, 0 a 5 V = 5 dc Resistência : para uma carga , escolher suficientemente pequeno comparado com Potência nominal : tem que ser maior que a potência atual / produzido em
4. Elementos sensores •
Resistores metálicos e sensores semicondutores para medição de temperatura •
A resistência da maioria dos metais aumenta linearmente com a temperatura no intervalo -100 a 800 ℃
•
= 0 1 + + + 3 + ⋯ Ω
•
0 : resistência a 0℃
•
, , : coeficientes de temperatura da resistência
4. Elementos sensores •
Resistores metálicos e sensores semicondutores para medição de temperatura •
Aplicações industriais: platina
4. Elementos sensores •
Resistores metálicos e sensores semicondutores para medição de temperatura •
Elementos com resistência variável a temperatura construídos com material semicondutor são chamados termistores
•
: resistência a uma temperatura kelvin
•
, : constantes do termistor
•
−
=
ou =
•
: resistência a uma temperatura kelvin. Usualmente = 25℃ = 298
4. Elementos sensores •
Resistores metálicos e sensores semicondutores para medição de temperatura
4. Elementos sensores •
Strain gauges (extensômetro) •
Módulo de elasticidade (, ) [
]
•
, =
•
: tensão aplicada ()
•
: deformação elastica do corpo (sem dimensão)
4. Elementos sensores •
Strain gauges
•
Um strain gauge é um metal semicondutor cuja resistência varia de acordo com a tensão
4. Elementos sensores •
Strain gauges
•
=
•
A variação de resistência ∆ será:
•
∆ =
•
Em geral
•
∆ =
∆ +
∆ −
∆ +
∆ +
∆
∆
4. Elementos sensores •
Strain gauges •
•
•
Dividindo por = ∆
=
∆
−
A relação
∆
∆
+
∆
é a deformação longitudinal do elemento. A área de
seção transversal é = •
•
∆
=
∆
+
∆
= 2
é a deformação transversal do elemento
4. Elementos sensores •
Strain gauges •
•
•
Combinando os resultados obtidos ∆
= − 2 − +
∆
∆
= 1 + 2 +
∆
•
Definindo o fator gauge (G)
•
=
•
∆
∆/
=
4. Elementos sensores •
Sensor de gás resistivo •
0 = −0 NO +
4. Elementos sensores •
Sensores capacitivos •
Sensor de deslocamento
•
Sensor de deslocamento de área
•
Sensor de pressão
•
Sensor de nível
4. Elementos sensores •
Idéia dos sensores •
•
Conhecer a natureza do elemento (conjunto de equações físicas) Relacionar uma variável desta equação com a resposta do elemento
4. Elementos sensores •
Trabalho (7) •
•
•
Pesquisar alguns sensores (05) e detalhar a sua concepção, aplicação e funcionamento. Apresentar com equações a explicação dos sensores. Especificar qual transdução o elemento realiza. Alguns possíveis sensores: Sensores capacitivos, sensores indutivos, sensores eletromagnéticos, sensores termoelétricos, sensores elásticos, sensores piezoelétricos, sensores eletroquímicos, sensores de efeito Hall, sensores ópticos, sensores de pressão, sensores de fluxo, sensores de força, torque, pressão, tensão, sensores de movimento e vibração, sensor de radiação nuclear, sensor de poluição do ar.
