TM247 - Sistemas de Medição. Prof. Alessandro Marques

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1 TM247 - Sistemas de Medição Prof. Alessandro Marques amarques@ufpr.br

2 Circuitos e medições elétricas

3 Elementos elétricos Resistividade e resistência elétrica Em um material homogêneo de comprimento L e área transversal constante A, a seguinte equação é dada: V ab I.ρ L A I.R

4 Elementos elétricos V ab I.ρ L A I.R V ab é a diferença de potencial aplicada entre as seções a e b [V] I é a corrente elétrica que atravessa o condutor [A] Resistência elétrica R = f (resistividade, comprimento, área) R ρ L A

5 Resistividade dos metais Para os metais a variação de resistividade com a temperatura, dentro de uma determinada faixa de temperatura, pode ser aproximada pela equação linear: = 0 [ ( T - T 0 ) ] onde e 0 são as resistividades do material nas temperaturas T e T 0 respectivamente, e 0 é o coeficiente de temperatura da resistividade do material. Resistividade e coeficiente de temperatura de alguns metais Material 0 x 10-8 [.m] (T 0 = 20 o C) 0 x 10-3 [K -1 ] Prata 1,47 3,8 Cobre 1,72 3,9 Constantan (60 Cu, 40 Ni) 49 0,002

6 Exemplo: Determine a variação percentual de resistência elétrica de um condutor de cobre qualquer, quando a temperatura aumenta de 20 o C para 40 o C, desprezando as variações dimensionais do condutor. R / R 0 (%) = / 0 (%) = ( - 0 ) / 0 (%) R / R 0 (%) = 100 x 0 x ( T - T 0 ) = 100 x 3,9 x 10-3 x 20 = 7,8 %

7 Transdutores Resistivos Fornecem uma resistência em resposta ao estímulo: Potenciômetros Posição do cursor Extensômetros Deformação linear Termorresistores Temperatura Fotocondutores Intensidade Luminosa

8 Transdutores Potenciométricos (Resistores variáveis) Fornecem uma resistência em resposta a posição do cursor Posição do cursor POTENCIÔMETRO Resistência

9 Transdutores Potenciométricos Função de Transferência Teórica: A resistência é diretamente proporcional ao comprimento do condutor R x ρ l x A ρ kl A R x kr para 0 k 1

10 Transdutores Potenciométricos Potenciômetros Rotativos: Respondem a posição angular do cursor

11 Transdutores Potenciométricos Potenciômetros Lineares: Respondem a posição linear do cursor

12 Transdutores Potenciométricos Tipos de Potenciômetros: Fio O contato desliza sobre um enrolamento de fio de Níquel- Cromo O fio tende a se danificar, mal contato, variações com a temperatura Cerâmico O contato desliza sobre uma trilha de cerâmica resistiva Melhor do que os potenciômetros de fio Filme Plástico Alta resolução Alta durabilidade e baixa sensibilidade a temperatura

13 Transdutores Potenciométricos

14 Transdutores Potenciométricos

15 Outros transdutores resistivos: LDR (Light Dependent Resistor) A parte sensível à luz, no LDR, é uma trilha ondulada feita de sulfeto de cádmio. A energia luminosa inerente ao feixe de luz que atinge essa trilha, provoca uma liberação de portadores de carga elétrica além do normal, nesse material. Essa quantidade extra de portadores faz com que a resistência do elemento diminua drasticamente conforme o nível de iluminação aumenta.

16 Outros transdutores resistivos: Termistores Um semicondutor sensível à temperatura é chamado de termistor. Na maioria dos tipos comuns de termistores a resistência diminui à medida que a temperatura aumenta. Eles são denominados termistores de coeficiente negativo de temperatura e indicados como NTC.

17 Outros transdutores resistivos: RTD (termorresistências) Os RTD (Resistence Temperature Detectors) são dispositivos construídos de fio enrolado e de uma película fina, que trabalham pelo princípio físico do coeficiente de temperatura da resistência elétrica dos metais. São quase lineares sobre uma larga escala de temperatura, e podem ser feitos pequenos o bastante para ter tempos de resposta de uma fração de segundo.

18 RTD O metal mais utilizado na construção de termo-resistências é a Platina, sendo encapsulados em bulbos cerâmicos ou de vidro. Os modelos mais utilizados atualmente são: Pt- 25,5 Ω, Pt-100 Ω, Pt-120 Ω, Pt-130 Ω e Pt-500 Ω, sendo que na indústria o mais conhecido e utilizado é o Pt-100 Ω (a 0 C). Uma liga composta de cobre e níquel também é utilizada na construção de detectores de temperatura por variação de resistência elétrica (RTD).

19 Transdutores capacitivos Dispositivo elétrico que tem por função armazenar cargas elétricas e, como consequência, energia potencial elétrica. É um componente constituído por dois condutores separados por um isolante: os condutores são chamados armaduras (ou placas) do capacitor e o isolante é o dielétrico do capacitor. O dielétrico pode ser um isolante qualquer como o vidro, a parafina, o papel e muitas vezes é o próprio ar.

20 Transdutores capacitivos Fornecem uma alteração da capacitância em resposta ao estímulo Alteração da distância, área ou dielétrico das placas CAPACITOR Capacitância

21 Transdutores capacitivos Implementação mais comum Placas Paralelas C r A d

22 Transdutores capacitivos Tipos: Variação da Distância de Placas Posição da placa Variação da Área Efetivas de Placas Paralelas Posição da placa Variação da Permissividade elétrica Posição do Dielétrico Alteração do Dielétrico

23 Transdutores capacitivos A capacitância para capacitores de placas paralelas, com área de superfície A, espaçamento l, é calculada pela equação: C K 0 onde K é o coeficiente dielétrico do material entre placas e 0 é uma constante obtida da lei de Coulomb: 0 = 1 / 4 k = 8,85 x [C 2 /Nm 2 ] K = Constante de Coulomb Constante dielétrica para alguns materiais Material A Vácuo 1 Ar (1 atm) 1,00059 Ar (100 atm) 1,054 Baquelite 5,5 l K

24 Fatores que influenciam na capacitância A área das armaduras, por exemplo, influi na capacitância, que é tanto maior quanto maior for o valor desta área. A espessura do dielétrico é um outro fator que influi na capacitância. Verifica-se que quanto menor for a distância d entre as armaduras maior será a capacitância C do componente.

25 Transdutores capacitivos Aplicações Sensores de Proximidade (metálicos e não metálicos) Transdutores de Pressão Transdutores de Fluxo Transdutores de Nível de Líquido Transdutores de Deslocamento Transdutores de Aceleração Transdutores de Posição Angular ou Linear Transdutores de Espessura

26 Transdutores capacitivos Aplicações sensor de pressão Este tipo de sensor resume-se na deformação, diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida por um circuito eletrônico.

27 Transdutores capacitivos Aplicações transdutores de pressão

28 Transdutores capacitivos Aplicações sensores de proximidade É ligado a um oscilador de radiofrequência que detecta alterações em um capacitor formado pelo objeto externo (segundo polo) e o ar (dielétrico)

29 Transdutores capacitivos Face sensora de um detector capacitivo

30 Transdutores capacitivos Comportamento nas etapas internas do sensor capacitivo na presença de um objeto Operam gerando um campo eletrostático e detectando mudanças nesse campo causadas quando um alvo se aproxima da face ativa.

31 Transdutores capacitivos Aplicações sensores de proximidade

32 Transdutores capacitivos Aplicações sensores de proximidade TOUCH - PAD

33 Transdutores capacitivos Aplicações transdutores de nível Alteração da Posição do Dielétrico

34 Transdutores capacitivos Aplicação: Transdutores de Aceleração Alteração da Distância entre Placas

35 Transdutores indutivos Fornecem uma alteração da Indutância ou do acoplamento magnético entre bobinas de um transformador em resposta ao estímulo Alteração da relutância magnética INDUTOR OU TRANSFORMADOR Indutância ou Acoplamento Magnético

36 Transdutores indutivos Lei de Faraday A lei de Faraday ou lei da indução eletromagnética, é uma lei da física que quantifica a indução eletromagnética, que é o efeito da produção de corrente elétrica em um circuito colocado sob efeito de um campo magnético variável ou por um circuito em movimento em um campo magnético constante. É a base do funcionamento dos alternadores, dínamos e transformadores.

37 Transdutores indutivos Aplicações O sensor indutivo, também conhecido como sensor de proximidade, é capaz de detectar a presença de um objeto metálico quando este estiver a uma determinada distância da sua face (distância sensora). Seu princípio de funcionamento, é baseado na geração de um campo eletromagnético de alta freqüência, que é desenvolvido por uma bobina instalada na face sensora.

38 Aplicações Radares Transdutores indutivos Os sensores funcionam em conjunto, criando um campo eletromagnético. Como os veículos são compostos por elementos ferromagnéticos, os sensores são afetados por eles.

39 Transdutores indutivos Aplicação - Sensor de Proximidade - Linear Indutor de Relutância Variável

40 Transdutores indutivos Aplicação - Sensor de Proximidade On / Off Indutor de Relutância Variável

41 Transdutores indutivos LVDT Os LVDT (linear variable differential transformer) são sensores para medição de deslocamento linear. O funcionamento desse sensor é baseado em três bobinas e um núcleo cilíndrico de material ferromagnético de alta permeabilidade. Ele dá como saída um sinal linear, proporcional ao deslocamento do núcleo, que está fixado ou em contato com o que se deseja medir.

42 Transdutores indutivos LVDT A bobina central é chamada de primária e as demais são chamadas de secundárias. O núcleo é preso no objeto cujo deslocamento deseja-se medir e a movimentação dele em relação às bobinas é o que permite esta medição.

43 Transdutores indutivos LVDT A amplitude da tensão de saída é proporcional a distância movida pelo núcleo (até o seu limite de curso), sendo por isso a denominação "linear" para o sensor. Assim, a fase da tensão indica a direção do deslocamento.

44 Transdutores indutivos Aplicação - LVDT

45 Transdutores indutivos Aplicação - LVDT Controle de qualidade na fabricação de garrafas - inspecionando alturas e diâmetros

46 Transdutores indutivos Aplicação - LVDT Sensor de movimento do braço do operador de robôs ou sensor de posição das diversas partes móveis do braço do robô.

47 Ponte de Wheatstone A ponte de Wheatstone é um circuito elétrico usado como medidor de resistências elétricas. Foi inventado por Samuel Hunter Christie em 1833, porém foi Charles Wheatstone quem ficou famoso com o invento, tendo-o descrito dez anos mais tarde. O circuito é composto por: uma fonte de tensão, um galvanômetro e uma rede de quatro resistores, sendo três destes conhecidos. Para determinar a resistência do resistor desconhecido os outros três são ajustados e balanceados até que a corrente elétrica no galvanômetro caia a zero.

48 Ponte de Wheatstone Para calcular o valor da resistência elétrica (dado em OHMs) do resistor desconhecido (Rx) basta fazer a relação de proporcionalidade. Como os três resistores encontram-se associados em paralelo, pode-se fazer a relação: R1. R3 = Rx. R2 Se já houver três valores de resistência conhecidos então fica fácil determinar o oculto.

49 LDR Ponte de Wheatstone Aplicação

50 Ponte de Wheatstone Aplicação Extensômetria HB M

51 Bibliografia: DOEBELIN, E., Measurement Systems - Application and Design, Ed. McGraw Hill 4 th Edition, BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J.; Instrumentação e fundamentos de medidas, volume 1 e 2, HOLMAN, J. P.; Experimental Methods for Engineers; McGraw. McGraw Hill, Inc Notas de Aula do Prof Marcos Campos Slides Prof. Valner Brusamarello - UFRGS