Transdutores capacitivos e indutivos. Prof. Valner Brusamarello

Transcrição

1 Transdutores capacitivos e indutivos Prof. Vaner Brusamareo

2 Transdutores apacitivos Fornecem uma ateração da capacitância em resposta ao estímuo Ateração da distância, área ou dieétrico das pacas apacitor apacitância

3 Transdutores apacitivos Impementações mais comuns Pacas Paraeas iíndros oncêntricos ε r εo A d d Pacas Paraeas A ε r iíndros oncêntricos πε r εo r n r r r

4 Transdutores apacitivos Tipos Variação da Distância de Pacas Posição da paca Variação da Área Efetivas de Pacas Paraeas Posição da paca Variação da Permissividade Posição do Dieétrico Ateração do Dieétrico

5 Transdutores apacitivos Ateração da Distância das Pacas Função de Transferência Pacas Paraeas d A d ε ε r o A d d ε ε r o d d A 0 ε ε A r o d

6 Transdutores apacitivos Ateração da Distância das Pacas Variáveis Expúrias Ateração do dieétrico Desocamentos panares de uma paca em reação a outra Mudança do paraeismo entre as pacas Acopamento dos condutores por detrás das pacas

7 Transdutores apacitivos Ateração da Distância das Pacas Função de Transferência Pacas Paraeas d d A d ε r εo ε ε r o A d A d d Minimiza a Infuência: ateração do dieétrico diatação térmica das pacas d d

8 Transdutores apacitivos Ateração da Distância das Pacas apacitor Diferencia Função de d Transferência d A d A εrεo d d A ε ε r o d d d d Pacas Paraeas Minimiza a Infuência: ateração do dieétrico diatação térmica das pacas

9 Transdutores apacitivos Ateração da Área Efetiva de Pacas Paraeas Função de Transferência fixas apacitor de referência d d ε r εo A d A móve A Ae ε ε r o A A d A A Minimiza a Infuência: ateração do dieétrico diatação térmica das pacas

10 Transdutores apacitivos Ateração da Área Efetiva de Pacas Paraeas Função de Transferência apacitor de referência L πε r εo r n r L L r r Minimiza a Infuência: ateração do dieétrico diatação térmica das pacas πε r ε o L r n r L

11 Transdutores apacitivos Ateração da Área Efetiva de Pacas Paraeas apacitor Diferencia Função de Transferência fixas móve A A A ε ε r o A A d d d A A Pacas Paraeas Minimiza a Infuência: ateração do dieétrico diatação térmica das pacas ε ε r o A A d A A

12 Transdutores apacitivos Ateração da Área Efetiva de Pacas Paraeas apacitor Diferencia Função de Transferência d Pacas Paraeas A A A A A Minimiza a Infuência: ateração do dieétrico diatação térmica das pacas ε ε r ε ε r o o A A d A A d A A

13 Transdutores apacitivos Ateração da Área Efetiva de Pacas Paraeas apacitor Diferencia Função de Transferência L L L L r r Minimiza a Infuência: ateração do dieétrico diatação térmica das pacas L πε r εo r n r L πε r εo r n r L

14 Transdutores apacitivos Variação da Permissividade Mudança de posição do dieétrico Função de Transferência d Pacas Paraeas A ε εr o A εr εo d A A d εo r r εr d ( ε A ( ε ) A) Aterações na composição química do dieétrico ateram o sina de saída

15 Transdutores apacitivos d Variação da Permissividade Mudança do dieétrico Função de Transferência Pacas Paraeas A ( ε ε ) r r r ε o A d ε ε r

16 Transdutores apacitivos Apicações Sensores de Proximidade Transdutores de Pressão Transdutores de Fuxo Transdutores de Níve de Líquido Transdutores de Desocamento Transdutores de Aceeração Transdutores de Posição Anguar ou Linear Transdutores de Espessura odificadores apacitivos

17 Transdutores apacitivos Apicações Sensores de Proximidade Ateração do Dieétrico

18 Transdutores apacitivos Apicações Transdutores de Proximidade

19 Transdutores apacitivos Apicações Transdutores de Proximidade (touch pad) A posição do dedo é detectada na inha e couna que apresentarem o maior acopamento capacitivo. A aproximação do dedo aumenta a constante dieétrica

20 Transdutores apacitivos Apicações Transdutores de Pressão Mudança na distância entre pacas capacitor diferencia

21 Sensores de Pressão Microfabricados em Si apacitivo s

22 Transdutores apacitivos Apicações Transdutores de Pressão

23 Equação de Bernoui Descreve reação entre veocidade, pressão e atura

24 Restrição em tubuação

25 Tubo de Pitot O Tubo de Pitot é um instrumento utiizado para a medição de veocidades de escoamentos tanto internos quanto externos, para íquidos ou gases. Pressão Estática é a pressão rea ou a pressão termodinâmica que atua no fuido. Pode também ser definida como a pressão acusada por um sensor que acompanha o fuido, com a mesma veocidade deste. É medida através do uso de um pequeno orifício executado na parede da tubuação ou de outra superfície ainhada com o escoamento, tendose o cuidado de que esta medição atere o mínimo possíve o movimento do fuido. Pressão Dinâmica é a pressão decorrente da transformação da energia cinética do fuido em pressão, através de uma desaceeração isoentrópica do mesmo. Pressão Tota, de Impacto ou de Estagnação é a soma da pressão estática com a pressão dinâmica. A sua medição é feita através de uma tomada de pressão votada contra o escoamento e ainhada com as inhas de corrente, de forma a receber o impacto do fuido. Figura Leituras de pressões estática, tota e dinâmica.

26 Tubo de Pitot Utiizandose a Equação de Bernoui, temse que as energias potenciais dos pontos e são idênticas e não necessitam ser consideradas. Assim, temse do ado esquerdo da equação (), respectivamente, a energia cinética e a energia de pressão ou trabaho de escoamento do ponto. Do ado direito temse os mesmos termos reativos ao ponto. omo a veocidade no ponto, v, é nua, temse do ado direito apenas o termo reativo à pressão, no caso, à pressão tota ou de estagnação. Esta pressão é igua a pressão estática no ponto, adicionada àenergia cinética do escoamento no ponto, equação (). Nestas equações ρ é a massa específicado fuido em escoamento. Para a montagem da Figura 3 ou da própria Figura (c), a veocidade obtida através da Equação de Bernoui será dada pea Equação (3). sendo que ρf e ρm são as massas específicas do fuido em escoamento e do íquido manométrico, respectivamente, g é a aceeração gravitaciona e h a atura ida no manômetro.

27 Fuxímetros comuns por pressão diferencia: orifício O orifício é um método barato, mas tem aguns probemas por introduzir perda de energia devido as turbuências geradas pea mudança brusca da geometria.

28 Venturi e Boca O Tubo de Venturi possui uma geometria um pouco mais compexa, mas os resutados ficam mais próximos do esperado que o orifício O boca tem características dos primeiros métodos. É mais simpes que o tubo de Venturi mas possui uma curvatura que diminui consideravemente as turbuências.

29 Transdutores apacitivos Apicações Transdutores de Fuxo Transdutores de Pressão Diferencia (Equação de Bernoui) Paca de Orifícios P d a P v b β β b 4 ρ Da 4 P a pressão ata P b pressão baixa ρ densidade do íquido

30 Transdutores apacitivos Apicações Transdutores de Fuxo Transdutores de Pressão Diferencia (Equação de Bernoui) Tubo de Venturi Tubo de Pitot P d a P v b β β b 4 ρ Da 4 P a P v b ρ

31 P P Transdutores apacitivos Apicações P V ρ g P P A P Transdutores de Níve Transdutores de Pressão Diferencia A hρ g P pressão inferior P pressão superior P Peso do íquido V Voume do íquido ρ densidade do íquido g aceeração da gravidade

32 Transdutores apacitivos Apicações Transdutores de Níve Ateração da Posição do Dieétrico πε o L h r n r h πε r εo r n r h L r r h r n πεol r πε o ( ε ) r

33 Transdutores apacitivos Apicações Transdutores de Níve Ateração da Posição do Dieétrico Podem se tornar inexatos e/ou imprecisos no caso do íquido ser contaminado por agum agente que atere sua constante dieétrica

34 Método capacitivo Níve A variação do níve do materia entre duas pacas condutoras faz com que a capacitância varie. No caso de pacas paraeas: ε i d A onde é a permissividade do isoante (refete a habiidade para armazenar cargas) em e a distância de separação entre as pacas do capacitor. A permissividade para um isoante é dada por: ε ε ε i o r A Figura ao ado iustra um tanque e o capacitor ciíndrico equivaente, no qua o níve está sendo medido pea variação da capacitância. Podese observar um eetrodo de diâmetro, um isoante de diâmetro e um tanque de diâmetro. Desta forma a capacitância do sistema pode ser definida por: πε 0L d d 3 n n ε d ε d

35 Método capacitivo

36 Transdutores apacitivos Apicações Transdutores de Aceeração Ateração da Distância entre Pacas a F m k d m Aceeração

37 Transdutores apacitivos ondicionamento Não são estáveis com a temperatura, pois R varia de forma diferente de.

38 Transdutores apacitivos ondicionamento V 5/5V 40kHz R vo v o V

39 Transdutores apacitivos ondicionamento V 5/5V G R k 40kHz G demoduador síncrono 3 uf vo v o k

40 Transdutores apacitivos ondicionamento U U3 V 5/5V 40kHz R vo v o k V

41 Transdutores Indutivos Fornecem uma ateração da Indutância ou do Acopamento Magnético entre bobinas de um transformador em resposta ao estímuo Ateração da reutância magnética Indutor ou Transformador Indutância ou Acopamento Magnético

42 Transdutores Indutivos Tipos Indutor de Reutância Variáve Indutor Diferencia Variáve Transformador Diferencia Variáve (LVDT) Linear Rotativo Inductosin Linear Rotativo Resover

43 Transdutores Indutivos Indutor de Reutância Variáve Função de Transferência (aproximada) A N L µ A N A N L L L µ µ Desconsiderando a interação magnética de L com L A N L µ A N L µ L

44 Transdutores Indutivos Indutor de Reutância Variáve Função de Transferência (aproximada) T T N N N N N N T T Se as espiras estiverem uniformemente espaçadas k N k N T T e A N L µ A N N L T T µ A k L T T µ A k L T µ A k L T µ L A k A k T T µ µ T ( ) ( ) T T T A N L µ µ µ µ Fator de ocupação Lmin T / T / Lmax

45 Transdutores Indutivos Indutor de Reutância Variáve Apicação Sensor de Proximidade

46 Transdutores Indutivos Indutor de Reutância Variáve Apicação Sensor de Proximidade Linear Medindo de Espessura Medindo de Excentricidade Separando Peças Metáicas com Formas Diferentes

47 Transdutores Indutivos Indutor de Reutância Variáve Apicação Sensor de Proximidade Linear Determinando a Defexão de uma Serra Sensor de posição Linear

48 Transdutores Indutivos Indutor de Reutância Variáve Apicação Sensor de Proximidade On/Off Detectando a Presença de Tampas Metáicas Detectando a Presença de Materiais Metáicos na Esteira ontando Tubos Metáicos

49 Transdutores Indutivos Indutor de Reutância Variáve Apicação Sensor de Proximidade On/Off Detector de Posição de Engrenagens Detector de Posição de Eevador Detector de Fim de urso de Aavanca

50 Transdutores Indutivos Indutor diferencia Função de Transferência T T T L L T o L α L T L L α L L µ µ µ µ α onde: T o L α L

51 Transdutores Indutivos Indutor diferencia Apicações Transdutor de Pressão Transdutor de Aceeração

52 Transdutores Indutivos Indutor diferencia ondicionamento Demoduador Vo R7 R6 U3 R5 Zero R4 R3 Ganho R R U U T L L 5kHz V Vx L L L L L j L j L j j L j L j Vg Vg L Vg Vx ω ω ω ω ω ω

53 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Princípio de Funcionamento E s E p E s T T T Es Es k Ns Np Ep

54 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Princípio de Funcionamento Ed Es Es

55 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Princípio de Funcionamento

56 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Estrutura

57 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Função de Transferência Es E p i 0 φ s kφp Ns Es k Np E Ep N dφ Es k Ns Np Lp di 0 k Ns Ns ( Enaçadas ) T T Ns Ns T T Ns M k 0 Np Lp A Indutância Mútua M0 é inearmente proporciona ao desocamento

58 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Função de Transferência (aproximada) EdE s E s E s E p E s Ns Es k Np Ep T Se as espiras estiverem uniformemente espaçadas k T T Ed Ns Es Np ( k) Ep Se Ns Ns Ns então: Es Es (aproximada) Ns Ep Np T

59 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Função de Transferência Ep i 0 P M 0 M0 M 0 M 0 S M S M i Es i Es M 0 k Ns Np Lp M0 é inearmente α M k Np Ns Ls 0 dependem de M0 não é inearmente α

60 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Função de Transferência di0 di di M di Ep Rpi Lp M M M Ep Rpi Lp M M Eg Ep Rp i Ed di i Es di Es Ls di Rs i Es M M M Ls di 0 0 di di 0 Es Rs i Ls M 0 i di0 di 0 Lp dim 0 M di di 0 Es Rs Rs i Ls M M 0 i Es

61 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Função de Transferência Rp di M 0 di M 0 Ls M 0 di0 di M Rs i Es Ed i i Es Es Eg Ep i 0 Lp Ls M 0 di0 di M Rs i Es Ep di0 Rpi0 Lp di ( M M ) 0 0 Ed 0 ( Rs Rs ) i ( Ls Ls M M ) ( M M ) 0 0 Se i 0 temse di /0 Ep Rpi 0 Lp di 0 Ed di di ( ) 0 M 0 M 0 di

62 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Função de Transferência Eg Ep Rp M i 0 0 di M 0 Ns M 0 k Np di Lp Lp Ns Ls Ls M ( k) Lp M k 0 T Np 0 M di0 0 di0 di M di M T / Ed Rs Rs i Es i Edmax Es i i 0 Ep Ed Se NsNsNs Ns di0 Lp Np Rpi Edmin 0 ( M M ) 0 0 T 0 di0 Lp T / Ed di di0 Lp ( Ep Rpi ) 0 Ep Rpi Ns Np T 0

63 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Função de Transferência Eg Ep Rp di M 0 i 0 di M 0 Lp Ls Ls di M 0 0 M 0 di0 di M di M Rs i Rs i Es Es Ed ( Ep Rpi ) 0 i i 0 Ns Ns Ns Ns Np T Ed Ns Np Ep ωlp tg Rp Rp ( ωlp) ωlp T

64 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) ondicionamento Retificador Síncrono

65 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) ondicionamento Retificador Não Síncrono

66 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) ondicionamento Retificador Síncrono Ata imunidade a Ruído Sensibiidade a variação da fase do sina moduado Baixa sensibiidade a variação da freqüência e ampitude do sina de excitação com uso de ampificador ratiométrico Retificador Não Síncrono Baixa imunidade a ruído Não é sensíve a variação da fase do sina moduado Baixa sensibiidade a variação da freqüência e ampitude do sina de excitação com uso de ampificador ratiométrico

67 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) ondicionamento Retificador de Precisão Transdutor Síncrono

68 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) ondicionamento

72 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) ondicionamento AD698 (Simpificado)

73 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) ondicionamento AD598 (Simpificado)

74 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Acondicionamento

75 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Apicações Transdutor de Aceeração Transdutor de Desocamento

76 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Apicações ontroe de quaidade na fabricação de garrafas inspecionando aturas e diâmetros

77 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Apicações Sensor de movimento do braço do operador de robôs ou sensor de posição das diversas partes móveis do braço do robô.

78 Transdutores Indutivos Transformador Diferencia Linear Variáve (LVDT) Apicações Detector de presença de notas de dinheiro entre os roos de transporte.