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Sensores - Parte 2

SUMÁRIO

1) SENSORES DE PRESSÃO

2) SENSORES DE TEMPERATURA

3) SENSORES DE VAZÃO

4) SENSORES DE NÍVEL LÍQUIDO

REFERÊNCIA

KILIAN, Christopher. Modern Control Technology:Components & Systems, Capítulo 6. Delmar, 2a Ed., 2004.

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1) SENSORES DE PRESSÃO

Pressão: força por unidade de área que um material exercesobre o outro.

Unidades comuns: psi (lb/in2) e Pa (N/m2).

Sensores de pressão são compostos por duas partes:

Conversão de pressão numa força ou deslocamento.

Conversão de força ou deslocamento em sinal elétrico.

Medidas de pressão feitas para gases e líquidos.

Tipos de medida de pressão:

Gauge pressure - diferença entre a pressão deinteresse e a presão ambiente

Pressão diferencial - diferença de pressão entre doispontos distintos no circuito

Pressão absoluta - medida por um sensor de pressãodiferencial com um dos lados em 0 psi(aproximadamente vácuo).

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Tubo de Bourdon

O movimento é proporcional à pressão aplicada.

O deslocamento pode ser linear ou angular.

Um sensor de posição, como um LVDT, transforma odeslocamento num sinal elétrico.

Disponível para pressões de 30 a 100.000 psi.

Uso típico: medida de pressão gauge de vapor d'água eágua.

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Fole (Bellow)

Foles de metal para transformar pressão em ummovimento linear.

Medidor de pressão diferencial: fole dentro de recipiente(canister).

Mais sensíveis que o tubo de Bourdon nas pressões de 0 a30 psi.

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Sensores de pressão a semicondutor

Utilizam a propriedade piezoelétrica do silício.

Pressão - resistência elétrica - voltagem.

Não há partes móveis.

Pressões nas faixas de 0-1,5 psi a 0-5000 psi.

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Sensor comercial ST2000 da Sym Inc.

Pode ser utilizado para medir pressão de fluidos e gases.

Possui amplificador interno.

Saída: voltagem proporcional à tensão absoluta.

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2) SENSORES DE TEMPERATURA

Fornecem uma saída proporcional à temperatura.

Sensores de temperatura bimetálicos

Utilizados para controle ON-OFF.

Fechamento de contato por mercúrio.

Termopares

Efeito Seebeck: uma voltagem proporcional à temperaturapode ser produzida por um circuito composto por doismetais distintos.

Exemplo: termopar de ferro-constantan, uma liga (alloy),fornece 0,35V/oC.

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Junção quente: ponta de prova (probe).

Junção fria: referência de temperatura.

Vnet = Vhot - Vcold

Na prática: termopares conectados a cabos de cobre - trêsjunções se formam.

Junções com os cabos de cobre devem ser mantidas àmesma temperatura (bloco isotérmico).

Também utilizam-se cabos de compensação.

Originalmente junção fria imersa em um banho de gelo(ice-water bath).

Vcold fica então constante e conhecida.

Modernamente não é mais necessário o banho de gelo,

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utilizam-se, por exemplo, um sistema de acondicionamentode temperatura para a junção fria.

Pode-se compensar numericamente o efeito datemperatura da junção fria, consultando numa tabela atensão correspondente Vcold à temperatura ambiente esomando a Vnet, obtendo-se diretamente Vhot.

Pode-se também usar um diodo sensível à temperatura.

A junção fria e o diodo são mantidos à mesma temperaturapor um bloco isotérmico.

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Termopares comerciais são disponíveis para diversas faixasde temperatura e valores de sensibilidade.

Exemplo 6.14

Um forno é suposto estar mantido a 1000oF por um sistemade controle, mas você suspeita que a temperatura estábem mais fria. Você dispõe de um termopar tipo J e um

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voltímetro. Descreva como usar o equipamento paraverificar a temperatura do forno.

Resistance Temperature Detector (RTD)

Sensor de temperatura baseado no fato de que os metaisaumentam sua resistência elétrica com o aumento detemperatura.

Metal mais usado: platina.

Encapsulamento em barras de cerâmica.

Coeficiente de temperatura positivo, para a platina 0,0039//oC.

PT 100: resistência de 100 a 0oC e coeficiente de , /temperatura de 0 39 o .C

.Muito preciso e estável

Baixa sensibilidade e resposta lenta a variações bruscas de.temperatura

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.Alto custo

Termistores

Dispositivos de dois terminais que variam a resistência com a.temperatura

.Materiais semicondutores baseados em óxidos

: .Não lineares não são obtidas leituras precisas de temperatura

- , Utilizam se para indicações de mudança de temperatura como .indicação de superaquecimento

.Alta sensibilidade

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, Larga faixa de valores de resistência de poucos Ohms até.1M

, Maiores resistências para maiores temperaturas pois aumenta .a sensibilidade e protege de sobrecorrente

Sensores de temperatura em circuitos integrados

Exemplo comum: séries LM-34 e LM-35.

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LM-35: Vout = 10mV/oC.

Montagens para temperaturas positivas e negativas.

LM-135: saída em Kelvin.

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Analog Devices AD7414: sistema completo demonitoramento digital de temperatura.

Analog Devices TMP1: termostato em um só chip. Trêsresistores fornecem os limites superior e inferior datemperatura. A saída pode comandar diretamente reléspara acionar aquecedores e refrigeradores.

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3) SENSORES DE VAZÃO

Sensores de vazão medem a quantidade de material fluidopassando por um ponto a um certo tempo.

Usualmente o material, gás ou líquido, está fluindo em umtubo ou um canal aberto.

Não se trata da vazão de sólidos neste documento.

Sensores de vazão baseados na pressão

A pressão de um fluido em movimento é proporcional àvazão.

O sensor de vazão mais simples é a placa de orifício.

Q=CA2gd

P2−P1

Q: vazão (in3)C: coeficiente de descarga (aprox. 0,63 para a água se odiâmetro do orifício for ao menos metade do diâmetro dotubo)A: área do orifício (in2)d: densidade do fluido (lb/in2)P2 - P1: diferença de pressões (psi)g: aceleração da gravidade (384in/s2)

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Equação aproximada: vazão real depende de efeitos develocidade, da razão das áreas A1/A2 e da condição dasuperfície do tubo.

Outro sensor de vazão baseado na pressão utiliza-se de umventuri para criar a diferença de pressão.

Um venturi é uma restrição gradual num tubo que faz comque a velocidade do fluido cresça na área constrita.

O sensor por venturi tende a manter a vazão laminar.

Ambas a placa de orifício e o tubo venturi ocasionamquedas de pressão no tubo por onde escoa o fluido.

O tubo pitot é um sensor de vazão baseado na pressão quecausa um mínimo de restrição ao escoamento.

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O tubo pitot é um pequeno tubo aberto que encara defrente a vazão.

Composto por dois tubos:

O primeiro fica de frente para a vazão e mede a ditapressão de impacto.

O segundo abre-se perpendicularmente à vazão, medindo adita pressão estática.

A pressão de impacto é sempre maior que a pressãoestática e a diferença entre elas é proporcional àvelocidade, conseqüentemente à vazão.

O tubo pitot é usualmente empregado em aeronaves eindicadores de velocidade marítima.

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Sensores de vazão por turbinas

Sensores de vazão por turbinas, também conhecidas portipo spin ou flowmeters, empregam uma hélice (paddlewheel ou propeller) instalado na direção da vazão.

A velocidade de rotação da hélice é proporcional àvelocidade de escoamento do fluido.

O movimento da hélice é captado por um sensor de efeitoHall.

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O sensor de efeito Hall fornece um pulso a cada rotação dahélice.

Medidores de vazão magnéticos

O fluido em movimento age como um condutor emmovimento em um gerador.

Uma seção não condutora do tubo é colocada sob umcampo magnético.

Produz-se então uma tensão proporcional à velocidade dofluido, detectada por eletrodos aos lados do tubo.

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4) SENSORES DE NÍVEL LÍQUIDO

Os sensores de nível líquido medem a altura de um líquidodentro de um vaso.

Podem ser discretos ou contínuos.

Detetores de nível discretos

Detectam quando um líquido encontra-se em uma certaalgura.

Tecnologias mais empregadas:

Bóia com chave de nível.

Fotocélulas.

Sondas com eletrodos que detectam a resistência (paralíquidos levemente saturados).

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Detetores de nível contínuos

Fornecem um sinal proporcional ao nível líquido.

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Tecnologias de medida:

Bóia ligada a um sensor de posição (usado no odômetrodos carros).

Medida de pressão ao fundo do vaso: proporcional ao nível:

P=d H

Monitoração do peso do líquido por células de carga.

Eletrodos verticais imersos: a saída é uma resitência oucapacitância proporcional ao nível líquido.

Sensores de ultrasom.

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