SensoresUFSM

(1)

ESP1033 Automação Industrial 2008 Prof.: Geomar

Sumário

INTRODUÇÃO 1) SENSORES DE POSIÇÃO 2) SENSORES DE VELOCIDADE 3) SENSORES DE PRESENÇA 4) SENSORES DE CARGA 5) SENSORES DE PRESSÃO 6) SENSORES DE TEMPERATURA 7) SENSORES DE VAZÃO

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Introdução

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Dispositivos de Entrada

• Realizam o interfaceamento entre o sistema

físico e o sistema de controle eletrônico,

levando informações do processo para o

controlador.

• Podem ser classificados em:

- Sensores

- Transdutores: * Direto

* Indireto

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Dispositivos de Entrada

• Sensores: dispositivos projetados para detectarem

algum evento no processo e emitirem um sinal de

resposta a este evento.

Ex.: sensor de proximidade – ativa um sinal em

resposta à presença de um objeto em seu campo de

visualização.

• Transdutores: dispositivos que convertem uma

grandeza física em outra.

Foco: transdutores elétricos: convertem grandeza

física (temperatura, pressão, etc.) em sinal elétrico

(normalmente em tensão).

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Dispositivos de Entrada

• Transdutores:

* tipo direto – convertem a grandeza fisica em sinal

elétrico diretamente. Ex.: termopares (convertem

temperatura em tensão)

* tipo indireto – modificam algum parâmetro

interno (p. ex., resistência) de forma proporcional à

grandeza física.

Ex.: termoresistências. Deve-se inserí-las em num

divisor resistivo e medir a tensão sobre a

termoresistência.

• Limitações dos sensores e transdutores: alcance

limitado a poucas dezenas de metros.

(6)

Dispositivos de Entrada

• Transmissor:

dispositivo que recebe o sinal de um transdutor ou

sensor e envia a distâncias maiores, modulando este

sinal sobre outro de referência (4-20 mA, 0-5V,

etc.) de forma proporcional ao sinal do sensor ou

transdutor

Transdutor

Sinal Modulado Referência (4-20 mA)

(7)

Parâmetros Fundamentais dos Sensores

• Distância Sensora (Sn): distância perpendicular da

face sensora até o ponto onde o sensor atua.

• Histerese: diferença entre a distância onde o sensor

é ativado quando o objeto se aproxima dele e a

distância na qual o sensor é desativado quando o

objeto se afasta dele. Normalmente dado na forma

percentual.

Objeto a ser Detectado Sensor Sensor Ativado Desativado

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Parâmetros Fundamentais dos Sensores

• Zona Cega: região dentro da distância sensora, que por questões tecnológicas ou de montagem, o sensor não consegue detectar o objeto.

• Zona de sensibilidade: região da zona detectável, onde o dispositivo é efetivamente sensibilizado.

Zona de Sensibilidade Zona Cega Objeto a ser Detectado Sensor Sensor

• Repetibilidade (em %): pequena variação na distância sensora quando se procede duas ou mais tentativas de detecção. Não confundir com histerese.

• Frequência de operação (Hz): n. máx. de comutações por segundo que um sensor consegue realizar.

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Parâmetros Fundamentais dos Sensores

• Corrente de consumo: valor da corrente necessária ao funcionamento do sensor;

• Corrente de carga: é a máx. corrente possível na saída do sensor;

• Corrente de Pico: é o máx. valor de corrente consumido pelo sensor no momento da ativação;

• Tensão de Ripple: máx. oscilação da tensão CC de alimentação permitida;

• Tempo de estabilização: tempo que se deve aguardar logo após a energização do sensor, para que as leituras sejam confiáveis;

• Proteção Intrínseca ou IP: Grau de proteção à penetração de sólidos e líquidos. 2 dígitos (sólidos-líquidos). Ex. IP66.

(10)

Parâmetros Fundamentais dos Sensores

• Versão de Montagem: refere-se a forma como o

sensor deve ser montado e as distâncias que devem

ser respeitadas para assegurar o bom funcionamento

do sensor.

Metal Metal D2 D2 Metal Sensor 1 Sensor 2 D1 Metal Sensor 1 Sensor 2 D1 D3

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Parâmetros Fundamentais dos Transdutores

• Linearidade: parâmetro de grande importância.

Normalmente os transdutores são lineares em certas faixas de operação. Em caso contrário, aplica-se técnicas de

linearização. Ex.: transdutores de temperatura do tipo NTC (exponenciais) com auxílio de amplificadores logarítmicos são linearizados.

• Região de Atuação: Faixa de valores da grandeza que se deseja converter onde o dispositivo efetivamente deve

trabalhar. Normalmente relacionada com a região linear do transdutor, porém, deve-se considerar outros limitantes

como integridade física do material, detalhes construtivos, entre outros.

• Fator de Proporcionalidade: relaciona a grandeza elétrica com a grandeza física. Ex.: transdutor com 1mV/o_C

(12)

Parâmetros Fundamentais dos Transdutores

• Precisão e Exatidão: parâmetros relacionados ao

erro de conversão de uma grandeza.

Influenciados por vários fatores como condições

ambientais, posicionamento, presença de ruído

elétrico, e outros.

Fator de Proporc. = 2mV/o_C 100 Tensão(mV) 50 Temperatura(o_C)

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Técnicas de Blindagem

• Visam eliminar ou reduzir o ruído elétrico e interferências eletromagnéticas gerados por dispositivos eletroeletrônicos, equipamentos e processos no ambiente industrial.

• Estudo feito na área de Compatibilidade eletromagnética. • Recomendações clássicas:

• Separar eletrodutos de circuitos de força dos de sensoriamento;

• Em bandejas metálicas, manter distância entre os circuitos citados;

• Evitar o cruzamento de fios de transdutores com fios de força, fazê-lo perpendicularmente (evitar indução

eletromag.)

• Usar eletrodutos metálicos em ambientes de forte

inteferência eletromag. para abrigar fios de sensores e transdutores;

(14)

Técnicas de Blindagem

• Usar cabos blindados em casos mais graves (aterrar na origem);

• Aterrar as pontas dos fios não utilizados;

• Usar sempre o mesmo fio terra para interligar um conjunto de equipamentos, evitando danos devidos à ddp.

• Ex.:

Analog voltage source + -IN1 REF1 SHLD Analog Input A Shield is a metal sheath that

surrounds the wires

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Transdutores mais usados na Indústria

• Transdutores variam conforme:

a grandeza que medem, a classe de precisão;

e a região de operação.

• Conforme o tipo de grandeza medida, classificam-se em: • Transdutores de temperatura;

• Transdutores fotoelétricos;

• Transdutores de posição (Servomecanismos);

• Transdutores de tensão mecânica ou Extensômetros; • Transdutores de pressão;

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Sensores mais usados na Indústria

• Transdutores convertem uma grandeza física em

outra.

• Transdutores possuem resposta contínua.

• Sensores apenas “sentem” a ocorrência de um

evento e reagem à ele enviando um sinal ao

controle do processo.

• Sensores possuem resposta discreta.

• Principais tipos de sensores usados na indústria:

• Sensores de Nível;

• Sensores de Pressão;

• Sensores de Posição;

• Sensores de Presença;

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Transdutores de POSIÇÃO

Reportam a posição física de um objeto com respeito a um ponto de referência.

A Informação pode ser linear ou angular.

1.1) Potenciômetro: Converte o deslocamento linear ou angular em variação de resistência.

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Transdutores de POSIÇÃO

Potenciômetros de áudio (não-lineares) e de posição (lineares). Potenciômetros de uma volta e multivoltas.

Trabalham como um divisor de tensão.

Ex.: Potenciometro como um sensor de posição

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Transdutores de POSIÇÃO

O erro de carregamento é a diferença entre a tensão de saída com a carga e sem a carga.

Erro de carregamento = VNL – VL

VNL: tensão de saída sem carga VL: tensão de saída com carga

(a) Pot is unloaded, (b) 100-k& resistance (c) Developing no error causes. loading error equivalent circuit;

(20)

Transdutores de POSIÇÃO

Uso de redutores para o caso em que o movimento angular total corresponde a uma fração muito pequena da

revolução total do potenciômetro.

When motor shaft is restricted to 90°, the 3:1 gear pass turns the pot through 270°.

(21)

Transdutores de POSIÇÃO

Erro de linearidade em função da construção física imperfeita.

Definido em termos da resistência ou da posição angular.

Erro de linearidade= ∆R x 100 / Rtot ∆R: máx. erro de resistência Rtot : resistência total

Erro de linearidade= ∆θ x 100 / θtot ∆θ : máx. erro angular

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ESP1033

Automação Industrial

2008

Prof.:

Geomar A resolução de um potenciômetro é o menor incremento da_{variável medida que pode ser detectado.}

Resolução%= menor incremento na resistência x 100 resistência total

Problema evidenciado em potenciômetros de fios enrolados.

O movimento do potenciômetro pode causar pequenos transientes de tensão indesejados. Solução: um filtro passa-baixas, implementado por um capacitor em paralelo com a saída do potenciômetro.

Transdutores de POSIÇÃO

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ESP1033

2008

Prof.:

Geomar Ex.: Um braço robô gira 120

o _{ao todo e utiliza um}

potenciômetro como sensor de posição. O controlador baseia-se num sistema digital de 8 bits de entrada e

necessita conhecer a posição real do braço dentro de uma faixa de 0,5o_.

(a) Hardware setup (b) Sensor circuit

Transdutores de POSIÇÃO

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Transdutores de POSIÇÃO

1.2) Encoders Óticos Rotativos: Produz diretamente uma saída digital, eliminando a necessidade de um conversor analógico-digital.

(25)

Transdutores de POSIÇÃO

Encoder Absoluto A saída é diretamente digital. Sempre fornece a posição absoluta.

Não há contato físico para a detecção. Preço alto em função da precisão.

O mau alinhamento das fotocélulas pode causar erros de leitura.

(26)

Transdutores de POSIÇÃO

Uma solução comum é o uso de um disco estampado em Código Gray, em lugar do código binário padrão.

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Transdutores de POSIÇÃO

Uma solução comum é o uso de um disco estampado em Código Gray, em lugar do código binário padrão.

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Transdutores de POSIÇÃO

Baseado no Código Gray, pode-se empregar um padrão chamado Código Cinza Excessivo que desloca a tabela original de Grey. Deve passar por um codificador BCD.

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Transdutores de POSIÇÃO

Encoders Óticos Incrementais possuem apenas uma trilha com dentes igualmente espaçados.

A posição é determinada pela contagem do número de dentes que passam na frente de um fotosensor, onde cada dente representa um ângulo conhecido.

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Transdutores de POSIÇÃO

Um fotosensor apenas não permite determinar o sentido de rotação do disco.

(31)

Transdutores de POSIÇÃO

Régua Ótica – segue o princípio do encoder incremental. Traduz movimentos lineares. Possui uma placa com

divisões que faz a função do disco no encoder.

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Transdutores de POSIÇÃO

Resolver – mais robustos que os encoders (sensíveis à vibração e temperatura, devido a natureza de sua construção e funcionamento).

Similar a um pequeno motor, com 2 enrolamentos no estator (perpendiculares entre si) e 1 no rotor alimentado em C.A. numa frequência W.

A tensão induzida no estator depende de cos(θ) e sen(θ) e a posição é determinada calculando-se o seno e o arco-cosseno. Problema de manutenção do rotor (escovas e anéis) é resolvido com um dispositivo “brushless” ou Sensor Hall.

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1.3) Transformador Diferencial Linear Variável - Linear

Variable Differential Transformer (LVDT)

Construção: núcleo móvel, ferromagnético + 3 bobinas fixas

Transdutores de POSIÇÃO

Bobina do primário recebe tensão em alta frequência. Bobinas secundárias ligadas de forma subtrativa.

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1.3) Transformador Diferencial Linear Variável - Linear

Variable Differential Transformer (LVDT)

Funcionamento:

Alta resolução e pequenos

deslocamentos. Saída padrão: uma voltagem C.A. com amplitude proporcional ao deslocamento linear.

Transdutores de POSIÇÃO

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1.3) Transformador Diferencial Linear Variável - (LVDT) Tensão de saída possui comportamento linear em função do deslocamento.

Transdutores de POSIÇÃO

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1.3) Transformador Diferencial Linear Variável - (LVDT)

Aplicações: devido à característica muito linear com a

distância, usa-se em posicionadores de precisão tais como: - CNCs;

- Robôs industriais;

- Fresadoras (no posicionamento da mesa); - Controle e sensoriamento de válvulas.

Distâncias mais usuais:

- Desde frações de “mm” até dezenas de “cm”.

Transdutores de POSIÇÃO

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1.3) Transformador Diferencial Linear Variável - (LVDT) Outras Aplicações: (em outras quantidades físicas)

- Deflexão de vigas, fios ou anéis: células de carga, transdutores de força ou de pressão;

- Deslocamento: extensômetros, transdutores de temperatura (dilatação);

- Variação de espessura em peças: medidas de espessura e perfil, classificação de produtos por tamanho;

- Nível de fluído: medida de nível e fluxo de fluído, sensoriamento de posição em cilindros hidráulicos; - Velocidade e aceleração: controle de suspensão automotiva.

Transdutores de POSIÇÃO

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1.3) Transformador Diferencial Linear Variável - (LVDT) Vantagens:

- Custo baixo;

- Solidez e robustez; - durabilidade;

- Alta razão entre sinal e ruído e baixa impedância de saída; - Histerese desprezível;

- Resolução infinitesimal, somente limitada pelos dispositivos amplificadores e medidores de tensão utilizados na saída;

- Pequeno tempo de resposta, limitado à inércia do núcleo; - baixo risco de dano ao LVDT caso a medida exceda os seus parâmetros de trabalho.

Transdutores de POSIÇÃO

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1.3) Transformador Diferencial Linear Variável - (LVDT) Desvantagens:

- Núcleo deve estar em contato com a superfície a ser medida; - Medidas dinâmicas ficam limitadas a 1 décimo da

frequência de ressonância do LVDT.

Transdutores de POSIÇÃO

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Transdutores de POSIÇÃO

1.3) Linear Variable Differential Transformers (LVDT) Circuito de Aplicação: Conexão do LVDT a um circuito com saída em C.C.

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SENSORES DE VELOCIDADE

ANGULAR

São dispositivos que fornecem uma saída proporcional a uma velocidade angular.

Aplicações:

- Leitores de CD-ROM, DVD Players - Bombas centrífugas

- Transportadores

- Medidores de fluxo de líquidos - Máquinas operatrizes

- Robótica

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SENSORES DE VELOCIDADE

ANGULAR

Formas de medição da velocidade angular. a) Velocidade a partir de sensores de posição

Obter a velocidade a partir de duas amostras consecutivas do transdutor de posição.

∆θ: deslocamento angular ∆t : passo no tempo

θ1, θ2 : amostras consecutivas de posição angular

t1, t2 : instantes de amostragem 2 1 2 1 Velocidade t t t θ θ θ − ∆ = = ∆ −

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SENSORES DE VELOCIDADE

ANGULAR

No caso de sensores óticos rotativos, pode-se determinar a velocidade a partir do conhecimento do tempo que se leva para cada dente no disco passar.

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SENSORES DE VELOCIDADE

ANGULAR

A idéia é contar os ciclos de um relógio de alta velocidade para a duração de um período de passagem de um dente.

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SENSORES DE VELOCIDADE

ANGULAR

b.1) Tacômetros óticos: dispositivos que permitem determinar a velocidade de um eixo em rpm.

O período da forma de onda de saída é inversamente proporcional à rpm do eixo.

O sistema formado por apenas um fotodetetor e uma fonte de luz não percebe a posição ou a direção. Solução: similar ao encoder incremental: usar 2 conjuntos fotosensores.

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SENSORES DE VELOCIDADE

ANGULAR

b.2) Tacômetros com rotores dentados: consiste em um sensor estacionário e um disco metálico e dentado.

Dois tipos de sensores: sensores de relutância variável e sensores por efeito Hall.

Sensor gera um pulso para cada passagem do dente sobre ele.

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SENSORES DE VELOCIDADE

ANGULAR

b.3) Tacômetros C.C.: é essencialmente um gerador de C.C. que produz uma voltagem de saída em C.C. proporcional à velocidade do eixo.

A polaridade da saída é determinada pela direção de rotação. O encapsulamento de tacômetros C.C. típicos permite a

montagem direta (piggiback) sobre um motor.

A informação da tensão de saída versus o rpm é normalmente fornecida em gráficos.

Exemplo: para o modelo CK20 – linearidade de 0,2%

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SENSORES DE VELOCIDADE

ANGULAR

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SENSORES DE VELOCIDADE

ANGULAR

b.3) Tacômetros C.C.: Exemplo de aplicação.

Motor C.C. com tacômetro CK20-A (saída de 3V/Krpm)

acoplado diretamente ao eixo possui uma caixa de redução de 100:1. Aciona uma máquina-ferramenta com velocidade

máxima de 60o_/s.

Qual é a saída do taco, para 60o_/s?

Qual é a resolução do sistema (LSB) para um ADC de 8 bits?

(50)

SENSORES DE PROXIMIDADE

Simplesmente informam ao controlador se uma parte móvel está em um dado lugar.

São úteis no controle de eventos discretos.

Classificam-se pela natureza do princípio de funcionamento: •Sensor Indutivo;

•Sensor Capacitivo; •Sensor Ultrassônico; •Sensor Fotoelétrico.

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Sensor Indutivo: executa comutação eletrônica quando um objeto metálico entra no seu campo eletromagnético.

Aplicações: máquinas-ferramentas, máquinas operatrizes, de embalagens, têxteis, correias transportadoras e na indústria automobilística para resolver problemas gerais de automação. Construção: 4 blocos

Funcionamento: baseado na variação da permeabilidade magnética do meio.

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SENSORES DE PROXIMIDADE

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SENSORES DE PROXIMIDADE

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SENSORES DE PROXIMIDADE

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Sensor Indutivo – Frequência de comutação: Método de ensaio conforme a norma IEC

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Sensor Indutivo – Influência de condutores próximos:

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Sensor Indutivo – Blindagem: 2 tipos

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SENSORES DE PROXIMIDADE

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SENSORES DE PROXIMIDADE

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SENSORES DE PROXIMIDADE

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SENSORES DE PROXIMIDADE

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Sensor Capacitivo – Atua na presença de materiais orgânicos, plásticos, vidro, líquido, além de metais.

Aplicação: em detectores de nível em tanques, contagem de garrafas (cheias ou vazias), contagem de embalagens

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Sensor Capacitivo

Construção: semelhante ao sensor indutivo, com 4 blocos.

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Sensor Capacitivo – 2 tipos.

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Sensor Capacitivo – Montagens.

Sensor Blindado Sensor Não Blindado Em montagem rente

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SENSORES DE PROXIMIDADE

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Chaves Limite: é uma chave mecânica push-button montada de forma a ser atuada quando uma parte mecânica ou

alavanca chega ao final de um trajeto desejado. Aplicação: em portões de garagem, etc.

Problemas comuns:

- Sendo mecânicas podem se desgastar.

- Requerem uma certa quantidade de força física para atuarem.

Alternativa: usar sensores de proximidade magnéticos ou óticos.

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Sensores óticos de proximidade: também chamado

interruptor, utiliza uma fonte de luz e um fotosensor que

são montados de tal forma que um objeto é detectado quando corta o caminho da luz.

(a) Counting cans on a conveyor belt (b) Detecting ”read only“hole in a floppy disk

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Principais tipos de fotodetetores usados: foto-resistores, foto-diodos, foto-transistores e células fotovoltaicas.

(a) Foto-resistor (b) Fotodiodo

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Algumas aplicações utilizam um sensor ótico de proximidade denominado slotted coupler ou optointerrupter.

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Aplicações: em situações onde a fonte de luz, o objeto a ser detectado e o detector não possam estar próximos um do

outro. Ex.: sistemas de alarme, etc.

Problemas: em algumas aplicações industriais pode ser difícil manter as lentes destes sistemas livres de sujeiras.

(73)

SENSORES DE PROXIMIDADE

Sensores de proximidade por efeito Hall:

Efeito Hall: Quando um fio condutor, percorrido por uma corrente

elétrica, é colocado na presença de um campo magnético as cargas deste condutor sofrerão um força.

A força magnética sobre as cargas provoca uma corrente perpendicular a direção de propagação da corrente inicial.

Isto promoverá o aparecimento de uma região com concentração de cargas positivas e a outra de cargas negativas, criando um campo elétrico

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SENSORES DE PROXIMIDADE

Efeito Hall:

Esta corrente cessará quando o balanço de cargas, positivas e negativas crie uma força elétrica que anule a força magnética sobre as cargas. Isto é, A diferença de potencial entre as partes superior e inferior do condutor é dada por

Onde, i é a corrente no condutor, A é área seccional e n é o número de carga por unidade de volume.

(75)

SENSORES DE PROXIMIDADE

Efeito Hall: alguns materiais como o cobre, germânio e índio, produzem uma tensão na presença de um campo magnético.

(76)

SENSORES DE PROXIMIDADE

Funcionamento: Quando varia-se o campo magnético, pelo movimento de um magneto ou pela alteração do caminho do campo magnético, a tensão gerada varia proporcionalmente. A relação final é dada por:

Onde:

V_H : tensão do efeito Hall

K : constante dependente do material I : corrente propiciada por fonte externa B : densidade de fluxo magnético

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SENSORES DE PROXIMIDADE

A saída V_H do sensor é variável com a distância e para se obter uma ação de chaveamento, deve-se passá-la por um detetor de limiar.

Uma chave completa por efeito Hall pode ser adquirida na forma de um CI. Exemplo: Allegro A1211.

(78)

SENSORES DE PROXIMIDADE

Allegro A1211:

(79)

SENSORES DE PROXIMIDADE

Allegro A1211:

(80)

SENSORES DE PROXIMIDADE

Aplicações: em teclados de computador, em sensores de proximidade em máquinas, em tacômetros de rotor dentado (visto anteriormente), etc.

(81)

SENSORES DE PROXIMIDADE

Aplicações:

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SENSORES DE CARGA

Sensores de carga medem força mecânica.

Na maioria dos casos, o sensor mede a pequena deformação causada pela força.

Uma vez que a quantidade de deslocamento por tração (esticamento) ou compressão (esmagamento) é

determinada, a força correspondente é calculada pelos parâmetros mecânicos do material.

A razão da força pela deformação é uma constante para cada material, como definido pela lei de Hooke:

F = KX

K : constante de mola do material F : força aplicada

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SENSORES DE CARGA

1) Strain Gauges a Fio (Bounded-Wire Strain Gauges) Um strain gauge a fio pode ser usado para medir uma grande faixa de forças, de 10 lb a várias toneladas.

Consiste num fino fio (0,001poleg) disposto em zigue-zague algumas vezes e cimentado em um fino substrato.

(84)

SENSORES DE CARGA

Atualmente utilizam-se técnicas de circuito impresso para criar o padrão de fio.

A “strain gauge” (célula) deve ser seguramente fixado à superfície de um objeto para detectar deformações.

A célula deve ser orientada de tal forma que a parte

longitudinal do fio em zigue-zague fique alinhada na mesma direção da deformação esperada.

Se o objeto é posto sob tensão, a célula vai ser esticada e os fios alongados.

(85)

SENSORES DE CARGA

Ambas as ações fazem com que a resistência total do fio cresça, como ilustrado pela equação básica da resistência elétrica:

R : resistência elétrica de um certo comprimento de fio (a 20o_C)

ρ : resistividade (uma constante dependente do material) L : comprimento do fio

A : área da seção transversal do fio

A mudança na resistência em um strain gauge de fio é pequena, apenas unidades percentuais do valor nominal,

possivelmente menos que um Ohm e é usada para calcular o alongamento do objeto.

(86)

SENSORES DE CARGA

Medir tais resistências requer um circuito em ponte. A ponte também permite cancelar variações devidas à

temperatura pela conexão de um gauge de compensação (dummy) como um dos resistores da ponte.

O gauge de compensação é fixado fisicamente próximo do gauge ativo para estar submetido à mesma temperatura, sendo orientado perpendicularmente para que a força aplicada não alongue seus fios.

(87)

SENSORES DE CARGA

A tensão ao longo da ponte é expressa por:

Hipóteses para aproximação:

Todos os resistores na ponte possuem o mesmo valor nominal R quando a ponte está equilibrada;

Quando o gauge é alongado a sua resistência R_G aumenta para (R + ∆R); considera-se que 2∆R é muito menor que 4R.

(88)

SENSORES DE CARGA

A relação entre o alongamento e a resistência é calculada pelo uso do fator gauge FG (gauge factor GF):

:alongamento do objeto por unidade de comprimento, denominada strain,

: fator gauge, uma constante fornecida pelo fabricante,

Uma última equação relaciona o strain ao stress em um objeto.

(89)

SENSORES DE CARGA

Stress : força por área de seção transversal, ρ

O stress e o strain são relacionados pelo módulo de Young (módulo de elasticidade):

E : módulo de Young (uma constante para cada material)

(90)

SENSORES DE CARGA

Exemplo de Aplicação:

Um “strain gauge” e um circuito em ponte são usados para medir a força de tensionamento em uma barra de ferro. A barra possui uma área de seção transversal de 13 cm2_{. O}

“strain gauge” tem uma resistência nominal de 120 Ω e um fator FG de 2. A ponte é alimentada com 10 V. Quando a barra está sem carga, a ponte é balanceada para que a saída seja 0 V. Então uma força é aplicada à barra, e a saída de tensão da ponte passa para 0,0005 V. Encontre a força na barra.

(91)

SENSORES DE CARGA

2) Sensores de força a semicondutor

Sensores que utilizam o efeito piezorresistivo do silício. As unidades modificam a resistência quando uma força é aplicada e são de 25 a 100 vezes mais sensíveis que o strain

gauge a fio.

Um strain gauge a semicondutor é simplesmente uma fita de silício que é fixada à estrutura.

Quando a estrutura é esticada, o silício é elongado, e a resistência entre as suas extremidades aumenta (de forma não linear).

(92)

SENSORES DE CARGA

3) Sensores para forças pequenas

Aplicação: braços robôs manuseando objetos sensíveis, etc

Strain gauges montados num substrato elástico, como a

borracha, podem medir forças pequenas.

Outra solução é montar um sensor de força com uma mola e um potenciômetro linear.

(93)

SENSORES DE CARGA

Exemplo de aplicação:

Construir um sensor de força com as seguintes características: Faixa de trabalho: 0 a 30 lb.

Deformação: 0,5 polegadas (máxima) Saída: 0,1 V por lb.

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SENSORES DE CARGA

Outro sensor para forças bem pequenas é um sensor tátil feito de espuma condutora (espuma de borracha saturada com

pequenas partículas de carbono).

Funcionamento: ao ser pressionada a espuma, a resistência varia proporcionalmente (em uma dada faixa) à força

(diminuindo).

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SENSORES DE PRESSÃO

Pressão: É a força por unidade de área que um material exerce sobre o outro.

Unidades comuns: psi (lb/pol2_{) e Pa (N/m}2_).

Sensores de pressão são compostos por duas partes:

1a_{.) Conversão de pressão numa força ou deslocamento.}

2a_{.) Conversão de força ou deslocamento em sinal elétrico.}

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SENSORES DE PRESSÃO

• Tipos de medida de pressão:

• Pressão Gauge - diferença entre a pressão de interesse e a pressão ambiente. (é a medição mais simples)

(ao nível do mar: pressão ambiente = atmosf. = 101,3 kPa)

• Pressão diferencial - diferença de pressão entre dois pontos distintos no circuito, onde nenhum deles está na pressão atmosférica necessariamente.

• Pressão absoluta - medida por um sensor de pressão

diferencial com um dos lados em 0 psi (próximo ao vácuo total).

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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.

(a) ”Unbend“ type (b) ”Untwist“ type

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

(98)

Fole (Bellow)

Foles de metal convertem pressão em um movimento linear. Medidor de pressão diferencial: fole dentro de recipiente

(canister).

(a) Single-pressure type (b) Differential-pressure type

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

(99)

Sensores de pressão a semicondutor

Utilizam a propriedade piezoelétrica do silício. Pressão ⇒ resistência elétrica ⇒ tensão.

Vantagem: não possuem partes móveis.

Valores Comerciais: Pressões nas faixas de 0 a 1,5 psi e 0 a 5000 psi.

(100)

ESP1033

2008

Prof.:

Geomar Exemplo: Sensor comercial ST2000 da Sym Inc.

Sensores de pressão a semicondutor

Pode ser utilizado para medir pressão de fluidos e gases. Possui amplificador interno. Saída: em tensão proporcional à pressão absoluta.

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TRANSDUTORES DE TEMPERATURA

Definição de temperatura – é a medida do nível de energia térmica considerado pela vibração das moléculas de um material.

Sólidos – átomos ou moléculas fortemente ligados uns com os outros, sendo incapazes de afastarem-se de suas posições de equilíbrio.

Líquidos – ao adicionar energia térmica, as ligações das

moléculas quebram-se e se movem ao longo do material. Gases – o aumento na energia térmica intensifica a velocidade

(102)

SENSORES DE TEMPERATURA

Fornecem uma saída proporcional à temperatura.

Coeficiente de temperatura: positivo (maior parte) ou negativo

Principais tipos: Bimetálicos

Termopares ou Termoacopladores (thermocouples) Termo-resistências (RTDs)

Termistores

(103)

SENSORES DE TEMPERATURA

Sensores de temperatura bimetálicos

• Consiste de uma fita bimetálica enrolada em espiral onde 2 metais possuem diferentes coeficientes de expansão térmica.

A bimetallic thermal sensor controlling a mercury switch (shown in “cold” state). Utilizados para controle ON-OFF. (termostatos)

Fechamento de contato por mercúrio.

Vantagem: não requer condicionamento de sinal.

(104)

SENSORES DE TEMPERATURA

Termopares ou termoacopladores

Efeito Seebeck: uma FEM proporcional à temperatura pode ser produzida por um circuito composto por duas junções formadas por metais distintos.

Funcionamento: a junção submetida ao calor, fornece uma tensão proporcional à temperatura.

A tensão medida será: V = K*(T2 – T1)

Onde, K é um fator de proporcionalidade

(105)

ESP1033

2008

Prof.:

Geomar Termopares ou termoacopladores

• Construção prática: dois fios metálicos, compostos por duas ligas metálicas, normalmente heterogêneas, unidas por um ponto de junção apenas.

• Mede-se a tensão sobre a junção fria que fica conectada ao equipamento. É o padrão industrial.

• Internamente, o equipamento de medição usa diodo ou outro componente qualquer para fornecer a temperatura da junção fria.

(106)

SENSORES DE TEMPERATURA

• Exemplo de uso de um RTD como referência:

• Em laboratórios de calibração a configuração mais

comum é a de duas juntas (maior precisão). A junta fria é solidamente conectada à fonte de 0o_{C (garrafa térmica de}

(107)

ESP1033

2008

Prof.:

Geomar Termopares ou termoacopladores

• Cuidados no uso:

- o cabo nunca deve sofrer “extensão”, pois introduz erro de leitura devido ao deslocamento da junta fria do eqpto. - Quando for necessário, usar materiais iguais ao do

termopar ou cabos especiais e fazer uma operação de compensação. Exemplo:

(108)

SENSORES DE TEMPERATURA

Termopares ou termoacopladores • Fontes de erros de medição:

- Carregamento do circuito do termopar; - Precisão na leitura;

- Ruído e resposta dinâmica; - Erro de Inserção.

(109)

SENSORES DE TEMPERATURA

- Erro de Inserção (inerente aos sensores de temperatura) resultante do aquecimento ou resfriamento da junção e é classificado em 3 tipos:

a) erro de condução (transferência de calor para o

ambiente através do contato do termopar com o corpo monitorado)

b) erro de recuperação (em gases movimentando a altas velocidades ocorre a sua estagnação próximo ao probe de medida)

(110)

SENSORES DE TEMPERATURA

Problemas: a tensão obtida em função da temperatura é bem baixa (da ordem de mV) e suscetível ao ruído.

Vantagens: ampla faixa de temperaturas mantendo a linearidade e bastante robustos.

Aplicações: largamente empregados na indústria para a medição e controle de temperatura.

Exemplo: termopar de uma liga ferro-constantan fornece 35 µV/o_C.

(111)

SENSORES DE TEMPERATURA

Termopares ou termoacopladores Características de tensão

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ESP1033

2008

Prof.:

Geomar Termopares comerciais são disponíveis para diversas faixas

de temperatura e valores de sensibilidade.

A Thermocouple outputs for different wire types (referenced at 32°F).

(113)

SENSORES DE TEMPERATURA

(114)

Termopares

Junção quente: ponta de prova (probe). Junção fria: referência de temperatura.

Vnet = Vhot – Vcold, conhecido Vcold, então: Vhot = Vnet + constante

(a) Basic principle

Tipo J

(b) Thermocouple connected to copper wires

(115)

Termopares

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 Vcold fica então constante e conhecida.

Modernamente não é mais necessário o banho de gelo,

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

(116)

Termopares

• Outra alternativa para se compensar numericamente o efeito da temperatura da junção fria, consulta-se numa tabela a tensão correspondente Vcold à temperatura

ambiente e somando a Vnet, obtendo-se diretamente Vhot. • 3a. Alternativa: usar um diodo sensível à temp. ambiente

A diode being used to compensate for cold-junction voltage.

A junção fria e o diodo são mantidos à mesma temperatura por um bloco

(117)

Termo-resistências ou RTDs

Sensor de temperatura baseado no fato de que os metais aumentam sua resistência elétrica com o aumento de temperatura. (RTD = Resistance Temperature Detector) Metal mais usado: platina. Outros: Ni, Cu, Fe, Mo (ligas) Encapsulamento: em FIO ou FILME (barras de cerâmica). Coeficiente de temperatura positivo, para a platina 0,0039 Ω/ Ω/o_C.

A resistance temperature detector (RTD).

(118)

Termo-resistências ou RTDs

PT 100: resistência de platina de 100 Ω a 0o_{C e coeficiente de}

temperatura de 0,39 Ω/o_C.

Vantagens: Muito preciso e estável.

Desvantagens: Baixa sensibilidade; Resposta lenta às variações bruscas de temperatura; e Alto custo. Princípio de funcionamento:

Variação da resist. elétrica com a temp. de um fio metálico: R(t) =R_o(1+a.t+b.t2_+c.t3₎

Onde: Ro – Resistência a 0o_C

(119)

Termo-resistências ou RTDs

Costuma-se especificar RTDs pelo coeficiente médio (alfa) de temperatura na faixa de 0 a 100o_{C. Assim,}

Alfa = (R₁₀₀– R₀) / (100 R₀) em 1 /o_C

(120)

Termistores

Dispositivos de dois terminais que variam a resistência com a temperatura

Materiais semicondutores baseados em óxidos de metais (Mn, Ni, Cu, Fe, Ti).

Não lineares: não são obtidas leituras precisas de temperatura Aplicações: para indicações de mudança de temperatura como

indicação de superaquecimento. Alta sensibilidade.

Larga faixa de valores de resistência de poucos Ohms até 1MΩ.

(121)

Termistores

Classificação: de acordo com a variação da resistência:

NTC – resistência diminui com o aumento da temperatura. PTC – resistência aumenta com o aumento da temperatura. NTC: mais usual na medição e controle de temperatura.

Pouco usados em processos industriais.

Relação Resistência x Temperatura dada pela equação de Steinhart & Hart:

T = 1 / (a + b ln R + c ln R3₎

Coeficientes a, b e c são característicos de cada modelo e informados pelos fabricantes.

(122)

Termistores

Exemplo de dispositivo: 44004 fabricado pela YSI

Problemas: baixas temperaturas. Não linear.

Aplicação típica dos NTCs: proteção de circuitos de potência PTCs: limitação de uso dentro de uma faixa de temperatura mais restrita que a dos NTCs.

Aplicação típica dos PTCs: proteção por sobrecarga por corrente excessiva de componentes eletrônicos.

(123)

Termistores

(a) Thermistor temperature vs. resistance curve (b) Interface circuit

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

(124)

Sensores de Temperatura em CIs

Exemplo comum: séries LM34 e LM35.

LM35: Vout = 10mV/oC.

Montagens para temperaturas positivas e negativas. LM135: saída em Kelvin.

(125)

Sensores de Temperatura em CIs

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ESP1033

2008

Prof.:

Geomar Folha de dados: séries LM34 e LM35.

(127)

ESP1033

2008

Prof.:

Geomar Exemplo comum: séries LM-34 e LM-35.

(128)

ESP1033

2008

Prof.:

Geomar AD7414 (Analog Devices): 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.

(129)

TRANSDUTORES de VAZÃO

Importância comercial da medição de vazão:

Ex.: Gasoduto Bolívia-Brasil

transporta até 30 milhões de metros cúbicos por dia de gás natural

Estimando-se um custo de venda de U$ 0,50 por metro

cúbico, um erro sistemático de apenas 1% em um medidor de vazão está associado a uma quantia de cerca de

(130)

TRANSDUTORES 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.

A vazão de sólidos não é abordada neste estudo.

A quantidade total movimentada é medida em unidades de volume (litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidades de mssa (g, Kg, toneladas, libras).

A vazão instantânea é dada por uma das unidades acima,

dividida por uma unidade de tempo. Ex.: litros/min, m3/h, galões/min. Para os gases e vapores: kg/h ou m3/h

(131)

TRANSDUTORES de VAZÃO

Quando se mede vazão em unidades de volume deve-se

especificar as “condições base”. Ex:

Para líquidos – condição de operação: 0oC, 20oC, etc. Para gases – comum indicar em Nm3 /h (metros cúbicos

normais por hora, ou seja a temperatura de 0oC e a

pressão atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos standard por minuto, com T = 60oF e 14,696 PSIA de pressão atmosf)

Tipos de Medidores de vazão:

- 1. Medidores de Quantidade, - 2. Medidores Volumétricos.

(132)

TRANSDUTORES de VAZÃO

1. Medidores de Quantidade – são aqueles que a qualquer instante permitem saber que quantidade de fluxo passou mas não a vazão do fluxo que está passando. Ex.: bombas de gasolina, hidrômetros, balanças industriais, etc.

Tipos:

a) Medidores de Quantidade por Pesagem – utilizados para a medição de sólidos (balanças industriais)

b) Medidores de Quantidade Volumétrica – são aqueles em que o fluído ao passar pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação. São os

elementos primários de bombas de gasolina e hidrômetros. Ex.: disco nutante, tipo pistão rotativo oscilante, tipo pistão alternativo, tipo pás, engrenagem, etc.

(133)

TRANSDUTORES de VAZÃO

1b) Medidores de Quantidade Volumétrica – são, na realidade, motores movidos pela passagem de fluido. O número de rotações do motor está associado à vazão do fluido.

Alguns tipos de medidores de vazão de deslocamento positivo: • Medidor de disco Nutante

• Medidor de Palhetas • Medidor de Lóbulos

(134)

TRANSDUTORES de VAZÃO

• Medidor de disco Nutante

muito utilizado na medição do consumo doméstico de água. A exatidão típica esperada para um medidor deste tipo é da ordem de 1 a 2%.

(135)

TRANSDUTORES de VAZÃO

• Medidor de Palhetas

(136)

TRANSDUTORES de VAZÃO

• Medidor de Lóbulos

(137)

TRANSDUTORES de VAZÃO

2. Medidores Volumétricos

são aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. Tipos principais:

a) Sensores de vazão baseados na pressão - A pressão de um fluído em movimento é proporcional à vazão.

b) Sensores de vazão de turbinas - A velocidade de rotação da hélice é proporcional à velocidade de escoamento do

fluído.

c) Medidores de vazão magnéticos – O campo elétrico gerado por um fluido condutor movendo-se dentro de um campo magnético é proporcional à sua velocidade.

(138)

TRANSDUTORES de VAZÃO

a) Sensores de vazão baseados na pressão diferencial

A pressão diferencial pode ser produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma que o fluxo passe através deles.

Função: aumentar a velocidade do fluído diminuindo a área de seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. Mede-se vazão a partir desta queda de pressão. Vantagem: aplicam-se numa grande variedade de medições,

envolvendo a maioria dos gases e líquidos, incluindo fluídos com sólidos em suspensão, fluídos viscosos, em faixas de temperatura e pressão bem amplas.

(139)

TRANSDUTORES de VAZÃO

a) Sensores de vazão baseados na pressão diferencial PLACA DE ORIFÍCIO

É o sensor de vazão mais simples.

Perda de carga de 40 a 80% da Pressão Diferencial Gerada. VANTAGENS

• Instalação fácil • Econômica Baixa • Construção simples

(140)

TRANSDUTORES de VAZÃO

É o sensor de vazão mais simples.

Perda de carga de 40 a 80% da Pressão Diferencial Gerada. DESVANTAGENS

• Alta perda de carga • Baixa Rangeabilidade

(141)

TRANSDUTORES de VAZÃO

A pressão de um fluido em movimento é proporcional à vazão.

Onde,

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) g: aceleração da gravidade (384in/s2)

(142)

TRANSDUTORES de VAZÃO

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

(143)

TRANSDUTORES de VAZÃO

Tubo de Venturi - Um venturi é uma restrição gradual num tubo que faz com que a velocidade do fluido cresça na área constrita e a pressão estática diminua temporariamente.

O sensor por venturi tende a manter a vazão laminar.

Tanto a placa de orifício como o tubo venturi ocasionam

quedas de pressão no tubo por onde escoa o fluido. O venturi produz um diferencial menor para mesma vazão e diâmetro.

(144)

TRANSDUTORES de VAZÃO

a) Sensores de vazão baseados na pressão diferencial Tubo de Venturi

Vantagem: recuperação de pressão bastante eficiente. Aplicações: recomendado quando se deseja um maior

restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão.

(145)

TRANSDUTORES de VAZÃO

a) Sensores de vazão baseados na pressão diferencial Tubo de Venturi - Exemplo de aplicação:

(146)

TRANSDUTORES de VAZÃO

Tubo de 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.

(147)

TRANSDUTORES de VAZÃO

Tubo de Pitot

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.

(148)

TRANSDUTORES de VAZÃO

b) Sensores de vazão de turbinas (tipo spin ou flowmeters) Empregam uma hélice (paddle wheel ou propeller) instalado

na direção da vazão.

Para turbinas construídas com pequenas perdas mecânicas, a relação entre vazão e rotação é aproximadamente linear. A vazão é obtida a partir da contagem da rotação que pode ser

feita facilmente por um sensor magnético e um imã

colocado na ponta de uma das pás da turbina ou usando um sensor de efeito Hall.