AULA 4_Sensores e Transdutores

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SENSORES E TRANSDUTORES AULA 4 Curso: Eng. de Controle e Automação

SENSORES DE DEFORMAÇÃO

DEFINIÇÃO

• São sensores que se deformam devido a uma tensão mecânica (tração ou compressão) aplicada sobre eles. • São usados como elemento sensor em equipamentos que medem pressão, força, tensão mecânica. – Logo, podem ser denominados por sensores de pressão, deformação, de força, de tensão mecânica, etc.

DEFINIÇÃO • Estes sensores são elementos que convertem a pressão aplicada em sinais elétricos. • Pode-se relacionar a pressão como uma força aplicada numa área determinada. Quando uma força é aplicada a um corpo, este corpo deformase. Esta deformação normalmente encontra-se na faixa de micrometros, o que torna bastante difícil à medição de tais deformações utilizando-se instrumentos medida de comprimento convencionais.

SENSORES STRAIN GAUGES

Sensores de deformação

SENSORES STRAIN GAUGES

• Também é conhecido como strain gage, fita extensiométrica, ou extensômetro elétrico, ou extensômetro ou sensor piezoresistivo. • A extensometria é uma técnica utilizada para a análise de tensões e deformações em estruturas.

SENSORES STRAIN GAUGES

• Strain Gauge – Definição: – O strain gauge é um resistor elétrico que muda sua resistência quando sofre deformação. – O strain gauge varia sua resistência elétrica quando submetido à uma pressão, alterando suas dimensões.

SENSORES STRAIN GAUGES • O sensor consiste em um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base. • Ao inserirmos uma pressão no material aonde está fixado o sensor strain gauge, sua lâmina sofre uma deformação proveniente desta força aplicada. Esta deformação altera o comprimento do fio fixado na lâmina, provocando mudança em sua resistência.

SENSORES STRAIN GAUGES

• Medições de tensão mecânica envolvem tipicamente variações muito pequenas na resistência. Para medir mudanças tão pequenas na resistência, os strain gauges são quase sempre usados em uma configuração de ponte (ponte de Wheatstone) com uma fonte de tensão de excitação.

SENSORES STRAIN GAUGES • A ponte genérica de Wheatstone consiste em quatro braços resistivos com uma tensão de excitação, Vs, que é aplicada sobre a ponte. • Quando todos os quatro braços resistivos correspondem com valores idênticos, VO será 0V. • VO será diferente de zero e varia quando qualquer um dos braços resistivos estiver desbalanceado.

SENSORES STRAIN GAUGES

• Configurações de quarto, meia ou ponte completa são empregadas com diferentes níveis de exatidão e facilidade de instalação.

SENSORES STRAIN GAUGES

SENSORES STRAIN GAUGES

SENSORES STRAIN GAUGES

• A célula de carga utiliza um elemento sensor do tipo strain gauge.

SENSORES PIEZOELÉTRICOS

Sensores de deformação

SENSORES PIEZOELÉTRICO • A medição de pressão utilizando este tipo de sensor se baseia no fato dos cristais do sensor, ao sofrerem uma deformação elástica, produzem internamente um potencial elétrico causando um fluxo de carga elétrica em um circuito externo. • A quantidade elétrica produzida é proporcional a pressão aplicada, sendo então uma relação linear, o que facilita sua utilização.

SENSORES PIEZOELÉTRICO

• A carga gerada tem valor muito baixo, necessitando de um circuito de amplificação e condicionamento do sinal. • São indicados para medir pressões que variam rapidamente, ou seja, para medições dinâmicas.

SENSORES PIEZOELÉTRICO • Os sensores piezoelétricos são geralmente constituídos materiais do tipo cristais (como o quartzo e fosfato de gálio), que possuem a capacidade de gerar uma tensão elétrica quando submetidos a um esforço mecânico. • Isso ocorre porque, quando o cristal está em repouso, todas as cargas elétricas positivas e negativas estão simetricamente distribuídas, de modo que a carga total fique neutra. Quando uma força é exercida sobre o cristal, essa simetria é desfeita e a distribuição irregular das cargas faz surgir uma tensão.

SENSORES PIEZOELÉTRICO

• Como já mencionado, já que a tensão gerada é muito pequena, o dispositivo normalmente é conectada à um amplificador para tratamento posterior.

SENSORES PIEZOELÉTRICO

• A piezoeletricidade é então uma maneira de converter-se energia mecânica em energia elétrica, ou vice-versa.

SENSORES DE VELOCIDADE

DEFINIÇÃO

• Pode-se dizer que os instrumentos que medem a velocidade utilizam dois métodos para isso. Ou medem a número do pulsos, ou medem a tensão gerado pelo sensor. • Como dispositivos de velocidade há os tacogeradores e os tacômetros.

TACÔMETROS

Sensores de velocidade

TACÔMETROS • Tacômetros são instrumentos de medição do número de rotações de uma máquina. São dispositivos que indicam a velocidade de rotação em sinais digitais em RPM. • São instrumentos que detectam a rotação do eixo com algum tipo de técnica (sensor fotoelétrico, sensor indutivo, etc) que envia o sinal para um dispositivo mostrador em RPM (display). Logo, são instrumentos que possuem o conjunto detector + display.

TACÔMETROS • Tacômetros elétricos - Tacômetro indutivo – Uma roda com dentes é presa ao eixo rotativo. Quando os dentes da roda se movem à frente do magneto é produzida uma variação no fluxo magnético através da bobina, e isso resulta na indução de uma fem dentro da bobina. – Cada dente que passa na frente do magneto resulta em um pulso de voltagem na bobina. A frequência desses pulsos – isto é, o numero de pulsos produzidos por segundo – está relacionada à velocidade angular.

TACÔMETROS • Tacômetros elétricos Tacômetro fotoelétrico – Um disco com uma fenda é associado ao eixo e, quando este gira, o feixe de luz é “cortado”. Isso faz a célula fotoelétrica detectar pulsos de luz, estando a frequência na qual recebe os pulsos relacionada à velocidade angular do eixo. – O sistema de medição tem assim um sensor, conectado através de um condicionador de sinais, o formador de pulsos, a um mostrador digital.

TACÔMETROS •

Tacômetros elétricos - Tacômetro eletromecânico

TACOGERADORES

• Tacogerador – Um tacogerador (ou dínamo taquimétrico ou gerador taquimétrico) é um sensor analógico de velocidade, utilizado em controle e automação quando se deseja medir a velocidade de rotação de um motor, por exemplo.

TACOGERADORES • O tacogerador nada mais é do que um gerador DC de ímã permanente acoplado mecanicamente no eixo em que se deseja medir a velocidade. • O tacogerador fornece um sinal de tensão contínua correspondente ao valor real da velocidade da máquina elétrica a qual ele está acoplado. • Quanto maior a velocidade, maior a tensão nos terminais deste.

TACOGERADORES • Tacogerador – É baseado no principio do motor de corrente continua com escovas que funcionam como gerador. – É um pequeno gerador de eletricidade em que, quanto mais rápido a bobina é girada, maior a força eletromotriz nela induzida.

TACOGERADORES • Tacogerador – O tacogerador possui ímãs permanentes no estator, com a função de produzir um campo magnético. No rotor bobinado é gerada uma tensão contínua de amplitude proporcional à rotação e de polaridade que depende do sentido de giro.

SENSORES DE ACELERAÇÃO

ACELERÔMETROS

Sensores de aceleração

ACELERÔMETROS

• Os acelerômetros (sensores de aceleração) são dispositivos que podem medir a força de aceleração causada pela força da gravidade ou por algum movimento. • Eles captam variações de aceleração e as transformam em um sinal elétrico.

ACELERÔMETROS

• Existem diversos métodos para a construção de um acelerômetro. Um tipo de acelerômetro utiliza os mesmos materiais piezoelétricos que podem ser utilizados nos sensores de vibração. Eles contêm alguns cristais microscópicos que são comprimidos por forças de aceleração, o que gera uma certa voltagem.

ACELERÔMETROS • Outro método muito comum para a construção de acelerômetros e monitorar variações de capacitância. • Nesses modelos, são colocadas três placas, formando dois capacitores, sendo que uma dessas placas é móvel. • Conforme a aceleração, a distancia entre as placas varia, o que altera a capacitância do conjunto. Um pequeno modulo de processamento monitora constantemente esses capacitores, de modo a extrair a aceleração através da diferença entre esses capacitores.

ACELERÔMETROS

ACELERÔMETROS • Respostas do acelerômetro de acordo com a aceleração sofrida. Quando ele está parado, a saída do eixo X mantém-se na tensão de repouso. Ao sofrer uma aceleração no sentido positivo do eixo, a tensão sobe. Ao sofrer uma aceleração no sentido negativo, a tensão cai. Quando a aceleração ocorre perpendicular ao eixo, ela não é detectada.

ACELERÔMETROS

• Ao invés de posicionar diversos dinamômetros (instrumento que medem força) em lugares diferentes do objeto, um único acelerômetro é capaz de calcular qualquer força exercida sobre ele, como choque, vibração, movimentos angulares e retilíneos.

ACELERÔMETROS • Aplicações: – Proteger dados no HD. O sistema é responsável por detectar quando um notebook está caindo e fazer com que as cabeças de gravação travem em posição, evitando que dados sejam perdidos no eventual impacto com o chão. – Jogos que necessitam do giro da smartphone ou tablet. O acelerômetro "sente" o ângulo com a horizontal e informa esse valor a um programa que faz parte do sistema operacional do aparelho. Com essa informação, o programa ajusta a orientação do que é mostrado na tela.

ACELERÔMETROS • Aplicações: – Câmeras digitais modernas usam os sinais do acelerômetro para evitar fotos borradas tiradas por fotógrafos amadores trêmulos. O sensor verifica se há alguma vibração antes de tirar a foto e só "bate a foto" quando acha que a câmera está suficientemente estável. – Os airbags de carros também usam acelerômetros para serem acionados no caso de um impacto forte e repentino. – Industria. Acelerômetros são utilizados em larga escala pela indústria automobilística para a medição de vibrações e choques mecânicos.

SENSORES DE TEMPERATURA

CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES DE TEMPERATURA • Classificação dos Sensores de Temperatura: – Termistores – PTC – NTC

– Termopares – Termorresistências – Par bimetálico – Sensores eletrônicos (circuitos integrados) – Pirômetros

TERMISTORES

Sensores de Temperatura

TERMISTORES

• Os termistores são dispositivos semicondutores que apresentam uma variação de sua resistência em função da variação de temperatura. • Essa variação pode ser positiva (aumento da resistência com aumento da temperatura) ou negativa (diminuição da resistência em função da temperatura).

TERMISTORES

TERMISTORES

• Os termistores podem ser classificados da seguinte forma: – NTC (Negative Temperature Coefficient) e – PTC (Positive Temperature Coefficient).

TERMISTORES

• O PTC tem um aumento na sua resistência conforme o aumento da temperatura, e o NTC tem uma queda no valor da sua resistência com o aumento da temperatura. • Sendo assim, como os resistores, estes componentes não são polarizados e não requerem o cuidado com a polarização ao serem ligados.

TERMISTORES

• NTC (Negative Temperature Coefficient) – Os sensores do tipo PT-100 têm uma variação linear e crescente (em determinada região da sua curva característica) da resistência em relação à temperatura. – Os termistores NTC, mais utilizados para medição de temperatura, por outro lado, têm um comportamento bastante não-linear e oposto, ou seja, diminuem a resistência com o aumento da temperatura.

TERMISTORES

• NTC (Negative Temperature Coefficient) – Curva característica de resistência de um NTC em função da temperatura.

TERMISTORES • NTC (Negative Temperature Coefficient) – Curva característica do NTC  nota-se que não é linear.

TERMISTORES

• NTC (Negative Temperature Coefficient) – Aplicações típicas: • Eletroeletrônicos; • Circuito de proteção elétrica (curto-circuito); • Automotivo;

TERMISTORES • NTC (Negative Temperature Coefficient) – Como o NTC não possui um comportamento linear da resistência com a variação da temperatura, é necessário autilização de algum circuito que ajuste a curva exponencial para uma aproximação linear. Alguns exemplos de modelo de circuito que fazem a aproximação são: Ponte de Wheatstone e Amplificador operacional.

TERMISTORES

• PTC (Positive Temperature Coefficient) – Semelhante ao NTC, mas a sua variação de resistência é proporcional à variação de temperatura em uma determinada faixa, ou seja, se a temperatura aumenta, a resistência também aumenta.

TERMISTORES

TERMISTORES • APLICAÇÃO DO PTC – Devido às características de grande elevação da resistência com a temperatura, os termistores PTC são usados na proteção térmica de circuitos eletrônicos. – A figura apresenta um circuito eletrônico que emprega um termistor PTC como dispositivo limitador de corrente com a elevação de temperatura.

TERMISTORES

TERMISTORES

• Com bainha

TERMISTORES

• Com proteção para não derreter os fios.

Termopares Sensores de Temperatura

TERMOPARES • Termopar (termômetro à par termoelétrico, “thermocouples”) é um elemento de medida de temperatura composto por dois materiais diferentes conectados um ao outro.

TERMOPARES • Define-se como termopar o conjunto de dois fios de metais ou ligas metálicas diferentes, unidos em uma das extremidades. • O ponto de união dos fios é denominado junta de medida ou junta quente. A outra extremidade é chamada junta de referência ou junta fria. • Quando submetemos as juntas a diferentes temperaturas, há uma geração de tensão (Força Eletromotriz ou FEM), facilmente detectável por um voltímetro ligado à junta de referência. Verifica-se que quanto maior for a diferença de temperatura, maior será a FEM gerada (Efeito Seebeck).

TERMOPARES

• Com base neste fenômeno, é feita a medição da temperatura, desde que já se conheça a temperatura da junta de referência e a correlação FEM versus temperatura. É norma considerar-se a temperatura da junta de referência igual a 0°C, de modo que a FEM gerada corresponde sempre à temperatura medida.

TERMOPARES

TERMOPARES

• Há três fenômenos que podem ocorrer quando se juntam dois metais diferentes : – o efeito Seebeck, – o efeito Peltier, – o efeito Thompson.

TERMOPARES • Efeito Seebeck • Em 1821, T.J Seebeck descobriu que: – Ao se conectar dois metais diferentes, tem-se um circuito tal que, se as junções "a" e "b" forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e T2, surgirá uma tensão termoelétrica e uma corrente elétrica "i“ que circulará pelo chamado "par termoelétrico" ou "termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido um voltímetro para medir a tensão.

TERMOPARES

• Efeito Seebeck – A intensidade da corrente elétrica é determinada pela natureza dos dois metais utilizados, e pela diferença de temperatura entre as duas junções.

TERMOPARES • Efeito Peltier • Em 1834, Peltier descobriu que: – Dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura se , mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar e as temperaturas da junção variam. – Esta variação adicional de temperatura é o efeito Peltier.

TERMOPARES • Efeito Peltier – Libertação (absorção) de calor numa percorrida por uma corrente eléctrica.

junção

– O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto. A junta que ficava quente com um sentido da corrente, se tornará fria se invertermos a corrente.

TERMOPARES • Efeito Thomson • Em 1851, Thomson conclui que:

– Se colocarmos as extremidades de um condutor homogêneo a temperaturas diferentes, uma força eletromotriz aparecerá entre estas duas extremidades, sendo esta chamada de F.E.M Thomson. – Consiste no fato de que um gradiente de temperatura num metal sempre se faz acompanhar por um pequeno gradiente de potencial elétrico.

TERMOPARES

• Efeito Thomson – A extremidade mais quente faz com que os elétrons dessa região tenham maior energia cinética do que os elétrons do lado mais frio, gerando assim, uma diferença de potencial elétrico entre as extremidades do condutor na ordem de alguns milivolts (mV).

TERMOPARES • Leis do Circuito Termoelétrico a) Lei do Circuito Homogêneo • A F.E.M. gerada por um termopar depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas entre as duas junções; ou seja, a tensão gerada independe do gradiente de temperatura ao longo dos fios.

TERMOPARES

• Leis do Circuito Termoelétrico b) Lei dos Metais Intermediários • A F.E.M. gerada por um par termoelétrico não será alterada se inserirmos em qualquer ponto do circuito, um metal genérico diferente dos que compõem o sensor, desde que as novas junções formadas sejam mantidas na mesma temperatura.

TERMOPARES

• Leis do Circuito Termoelétrico c) Lei das Temperaturas Intermediárias • A F.E.M. gerada em um circuito termoelétrico com suas junções sobre temperaturas T1 e T3 será a mesma se dividirmos o circuito em dois. Sendo assim, a F.E.M. do circuito será igual a soma algébrica da F.E.M. gerada com as junções sobre T1 e T2 com a F.E.M. do mesmo circuito com as junções às temperaturas de T2 e T3.

• Uma consequência desta lei é o uso dos cabos compensados, que tendo as mesmas características termoelétricas do termopar, podem ser introduzidos no circuito sem causar erros no sinal gerado.

TERMOPARES • União da Junção de Medição – A junção de medição (junta quente) de um termopar pode ser obtida por qualquer método que dê a solidez necessária e um bom contato elétrico entre os dois fios, sem contudo alterar as características termoelétricas dos mesmos. Sendo assim, eles podem ser torcidos antes da solda (junção torcida), ou simplesmente serem encostados um no outro para ser soldado depois (junção de topo). – Entre as diferentes maneiras de se realizar um bom contato elétrico na junção de medição do termopar, a solda é a mais utilizada, porque assegura uma ligação perfeita dos fios por fusões dos metais do termopar.

TERMOPARES

TERMOPARES • Curva característica dos tipos de termopares: –

Possuir uma relação aproximadamente linear entre a variação de temperatura e a FEM gerada.

TERMOPARES

TERMOPARES

TERMOPARES

TERMOPARES

TERMOPARES

TERMOPARES

TERMOPARES

• Os termopares são classificados em três grandes categorias: – Básicos - São os mais usados na indústria, tendo preços mais acessíveis e precisão compatíveis com a maioria dos processos. – Nobres - São utilizados em processos com temperaturas superiores a 1.200°C ou quando é requerida alta precisão. – Especiais - São utilizados em laboratório.

TERMOPARES • Termopares básicos

TERMOPARES • Termopares nobres

TERMOPARES