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 exerce
sobre 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 de
interesse e a presão ambiente
Pressão diferencial - diferença de pressão entre dois
pontos distintos no circuito
Pressão absoluta - medida por um sensor de pressão
diferencial
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 o
deslocamento num sinal elétrico.
Disponível para pressões de 30 a 100.000 psi.
Uso típico: medida de pressão gauge de vapor d'água e
água.
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Fole (Bellow)
Foles de metal
movimento linear.
para
transformar
pressão
em
um
Medidor de pressão diferencial: fole dentro de recipiente
(canister).
Mais sensíveis que o tubo de Bourdon nas pressões de 0 a
30 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 temperatura
pode ser produzida por um circuito composto por dois
metais distintos.
Exemplo: termopar de ferro-constantan, uma liga (alloy),
fornece 0,35V/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 - três
junções se formam.
Junções com os cabos de cobre devem ser mantidas à
mesma 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 acondicionamento
de temperatura para a junção fria.
Pode-se
compensar
numericamente
o
efeito
da
temperatura da junção fria, consultando numa tabela a
tensão correspondente Vcold à temperatura ambiente e
somando 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 temperatura
por um bloco isotérmico.
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Termopares comerciais são disponíveis para diversas faixas
de temperatura e valores de sensibilidade.
Exemplo 6.14
Um forno é suposto estar mantido a 1000oF por um sistema
de controle, mas você suspeita que a temperatura está
bem mais fria. Você dispõe de um termopar tipo J e um
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voltímetro. Descreva como usar o equipamento para
verificar a temperatura do forno.
Resistance Temperature Detector (RTD)
Sensor de temperatura baseado no fato de que os metais
aumentam sua resistência elétrica com o aumento de
temperatura.
Metal mais usado: platina.
Encapsulamento em barras de cerâmica.
Coeficiente de temperatura positivo, para a platina 0,0039
//oC.
PT 100: resistência de 100
temperatura de 0,39 /oC.
a
0oC
e
coeficiente de
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
monitoramento digital de temperatura.
completo
de
Analog Devices TMP1: termostato em um só chip. Três
resistores fornecem os limites superior e inferior da
temperatura. A saída pode comandar diretamente relés
para acionar aquecedores e refrigeradores.
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3) SENSORES DE VAZÃO
Sensores de vazão medem a quantidade de material fluido
passando por um ponto a um certo tempo.
Usualmente o material, gás ou líquido, está fluindo em um
tubo 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 à
vazão.
O sensor de vazão mais simples é a placa de orifício.
Q=CA
3

2g
 P 2−P 1 
d
Q: vazão (in )
C: coeficiente de descarga (aprox. 0,63 para a água se o
diâmetro do orifício for ao menos metade do diâmetro do
tubo)
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 de
velocidade, da razão das áreas A1/A2 e da condição da
superfície do tubo.
Outro sensor de vazão baseado na pressão utiliza-se de um
venturi para criar a diferença de pressão.
Um venturi é uma restrição gradual num tubo que faz com
que 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 ocasionam
quedas de pressão no tubo por onde escoa o fluido.
O tubo pitot é um sensor de vazão baseado na pressão que
causa um mínimo de restrição ao escoamento.
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O tubo pitot é um pequeno tubo aberto que encara de
frente a vazão.
Composto por dois tubos:
O primeiro fica de frente para a vazão e mede a dita
pressão de impacto.
O segundo abre-se perpendicularmente à vazão, medindo a
dita pressão estática.
A pressão de impacto é sempre maior que a pressão
estática e a diferença entre elas é proporcional à
velocidade, conseqüentemente à vazão.
O tubo pitot é usualmente empregado em aeronaves e
indicadores de velocidade marítima.
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Sensores de vazão por turbinas
Sensores de vazão por turbinas, também conhecidas por
tipo spin ou flowmeters, empregam uma hélice (paddle
wheel ou propeller) instalado na direção da vazão.
A velocidade de rotação da hélice é proporcional à
velocidade de escoamento do fluido.
O movimento da hélice é captado por um sensor de efeito
Hall.
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O sensor de efeito Hall fornece um pulso a cada rotação da
hélice.
Medidores de vazão magnéticos
O fluido em movimento age como um condutor em
movimento em um gerador.
Uma seção não condutora do tubo é colocada sob um
campo magnético.
Produz-se então uma tensão proporcional à velocidade do
fluido, 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 líquido
dentro de um vaso.
Podem ser discretos ou contínuos.
Detetores de nível discretos
Detectam quando um líquido encontra-se em uma certa
algura.
Tecnologias mais empregadas:
Bóia com chave de nível.
Fotocélulas.
Sondas com eletrodos que detectam a resistência (para
líquidos 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 odômetro
dos 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 ou
capacitância proporcional ao nível líquido.
Sensores de ultrasom.
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