Sensores

Sensores - Parte 2

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.}

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/m}2_).

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).

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.

Fole (Bellow)

Foles de metal para transformar pressão em um movimento linear.

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

Mais sensíveis que o tubo de Bourdon nas pressões de 0 a 30 psi.

Sensores de pressão a semicondutor

Utilizam a propriedade piezoelétrica do silício. Pressão - resistência elétrica - voltagem.

Não há partes móveis.

Sensor comercial ST2000 da Sym Inc.

Pode ser utilizado para medir pressão de fluidos e gases. Possui amplificador interno.

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/o_C.

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.

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.

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

Exemplo 6.14

Um forno é suposto estar mantido a 1000o_{F por um sistema}

de controle, mas você suspeita que a temperatura está bem mais fria. Você dispõe de um termopar tipo J e um

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 //o_C.

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 .

. 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 .

,

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

LM-35: Vout = 10mV/oC.

Montagens para temperaturas positivas e negativas. LM-135: saída em Kelvin.

Analog Devices AD7414: sistema completo de monitoramento digital de temperatura.

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.

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



d  P2−P1

Q: vazão (in3₎

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)

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.

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.

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.

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.

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).

Detetores de nível contínuos

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.