Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira Faculdade UnB Gama
Os sensores e instrumentos de medição Compostos por elementos funcionais; Algums elementos podem ou não estar presentes em determinado sensor ou instrumento de medição; Elementos funcionais: hardware ou software;
Elementos funcionais: Elemento sensor primário; Elemento de conversão de variável; Elemento de transmissão de variável; Elemento de apresentação de dados; Elemento de armazenamento de dados; Elemento de apresentação de resultados;
Interface Elemento de armazenamento de dados Interface Planta Elemento primário sensor Elemento de conversão de variável Elemento de manipulação de variável Elemento de transmissão de dados Elemento de apresentação de dados Observador Sistema de controle Elementos funcionais de um sensor ou instrumento de medição
Elemento sensor primário: Primeiro elemento funcional de um sensor; Recebe energia do meio e produz uma saída; Saída obtida associada ao mensurável; Retira energia do meio; Projetados para minimizar a retirada de energia;
Grandeza física Elemento primário sensor Sinal elétrico / mecânico
Elemento de conversão de variável: Converte o sinal gerado pelo elemento sensor primário; Converte a grandeza física em outra grandeza; Nem todos os sensores ou instrumentos de medição possuem este elemento funcional;
q i Elemento de conversão de variável q o
Elemento de manipulação de variável: Manipula a grandeza medida ou convertida; Não provoca mudança na natureza física da variável; Modifica a amplitude ou a fase do sinal de entrada; Comumente presente em sensores ou instrumentos;
q i Elemento de manipulação de variável q o q Kq o i
Elemento de transmissão de dados: Transmite os dados oriundos do processo de medição; Utilizado quando o sensor está distante do sistema de aquisição de dados; Muito comum em instrumentos de medição;
q i Elemento de transmissão de dados Sinal codificado
Elemento de armazenamento de dados: Armazena os dados oriundos do resultado da medição; Nem sempre está presente em sensores ou instrumentos de medição; Elemento de apresentação de dados: Unidade que apresenta os dados da medição; Normalmente presente em sistema de medição; Raramente presente em sensores;
Termômetro de pressão Célula de carga
Termômetro de pressão Elementos funcionais: Bulbo: elemento sensor primário / elemento conversor de variável; Tubo capilar: elemento de transmissão de variável; Tubo de Bordon: elemento conversor de variável; Haste de conexão e mecanismo: Elemento manipulador de variável; Ponteiro e indicador: elemento de apresentação dos dados;
Elementos funcionais: Strain gauge: elemento sensor primário; Ponte de weatstone: elemento de conversão de variável; Cabos: elemento de transmissão de variável; Célula de carga
Sensores ativos e sensores passivos: Passivos: energia produzida na saída e totalmente fornecida pelo mensurável; Ativo: Possui uma fonte de energia auxiliar que fornece parte da energia de transformação;
Modo de operação de um sensor: Analógico: sinal contínuo na saída do sensor; Digital: sinal discreto na saída do sensor Sinal analógico Sinal digital
Modos de operação analógico: Grandeza física é convertida na forma de sinal analógico; Valor instantâneo da grandeza medida pode ser obtida diretamente do sinal; Necessita de um conversor A/D para que o resultado da medição seja posteriormente processado;
Sensores com modo de operação analógico: Sensor de relutância variável; Termopar; Termo-resistência; Strain gage; Dentre outros;
Modo de operação digital: A saída do sensor é dada na forma digital; Mensurável codificado em um número binário; Em geral, podem ser conectados diretamente ao sistema de processamento;
Sensores com modo de operação digital: Encoder; Tacógrafo digital; Sensor de efeito hall; Dentre outros;
Sensor de velocidade na roda (V ws )
Entrada e saída de um sensor: Desejável relação linear entre entrada e saída; Nem sempre é possível obter esta relação linear; Ainda que possível, outras entradas podem afetar o processo de medição;
Possíveis entradas de um sensor: Entrada desejada; Entrada interferente; Entrada modificante;
Entrada desejada: Entrada que, de fato, se deseja medir; Constitui o valor verdadeiro do mensurável; Grandeza física de interesse; Deve ser alvo dos sensores;
Entrada interferente: Entrada que o sensor é não intencionalmente sensível; Afeta o resultado da medição; Entrada modificante: Causa uma alteração na relação entrada saída para as entradas desejada e interferente; Altera o processo de medição;
Entrada interferente Fi Entrada modificadora Fm,i + Saida Fm,d + Entrada desejada Fd Tipos de entrada de um sensor
Possíveis entradas em um sensor
Correção de entradas indesejadas: Atenua o efeito das entradas interferentes e modificantes; Reduzem os efeitos dessas entradas para assim melhorar o processo de leitura do mensurável; Em geral, podem ser estimadas após a execução do procedimento de calibração do sensor;
Principais métodos para correção de entradas: Insensibilidade as entradas indesejadas; Realimentação de alto ganho; Método de filtragem de sinal; Método de compensação por entrada oposta;
Insensibilidade a entradas indesejadas: Tornar o sensor imune a entradas indesejadas; Relacionado ao material e aspectos de projeto; Na pratica é muito difícil eliminar completamente as influências de entradas indesejadas; Deve ser combinada com outros métodos;
Realimentação de alto ganho: Aplica-se os princípios de sistemas de controle para atenuar os efeitos das entradas indesejadas; Sinal de feedback é utilizado ação de correção e/ou compensação; Exemplo: medir o deslocamento linear de uma mola conectado a um eixo de um motor;
i M1 i M2 F M,D 1 F M,D 2 Tensão K MO Torque K SP Deslocamento e i x o Circuito em malha aberta
i M3 i M1 i M2 F M,D 3 F M,D 1 F M,D 2 e i + K AM K MO K SP - e o x o K FB F M,D 4 i M4 Circuito em malha fechada
i SP MO o e K K x ) ( o SP MO AM o i x K K K e e ) )( ( o SP MO AM o FB i x K K K x K e ) )( ( i FB SP MO AM SP MO AM o e K K K K K K K x 1 i FB o e K x 1
Método de filtragem: Aplica-se os princípios da filtragem de sinais para atenuar a ação de entradas indesejadas; O filtro pode ser aplicado diretamente nas entradas indesejadas ou na saída do sensor; Método eficaz para reduzir os efeitos de carregamento em um sensor;
Entrada interferente Filtro Zero Fi Entrada modificante Filtro Fm,i + Saida Zero Fm,d + Entrada desejada Fd Filtragem aplicada na entrada
Entrada interferente Fi Filtro Entrada modificadora Fm,i + Zero + + Fm,d + Filtro Zero + Entrada desejada Fd Filtragem aplicada na saída
Método de entrada oposta: Aplica-se ao sensor um sinal que anula o efeito das entradas indesejadas; O objetivo é compensar o efeito das entradas indesejadas; Desse modo é possível anular o efeito das mesmas na saída do sensor;
Entrada interferente inevitada i I1 F I1 O I1 + Entrada interferente provocada i I2 F I2 O I2 - O I1 -O I2 Essencialmente zero + Saida Entrada desejada i D F D - Método da entrada oposta