9. Circuitos Eletrônicos de Instrumentação

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9. Circuitos Eletrônicos de Instrumentação

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Circuitos Eletrônicos de Instrumentação 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 1
  2. 2. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Instrumentação CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Introdução odução Sensores e Transdutores 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 2
  3. 3. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores Se so es • Térmicos • Mecânicos • Magnéticos • Químicos • Irradiantes • Elétricos 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 3
  4. 4. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Temperatura CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Elétrico • Termopar – Princípio: efeito termoelétrico p – Faixa: 200 a 1000°C – Necessidade de amplificador tensão em mV amplificador, • Resistência (RTD) • Termistores metal A • Semicondutores T1 metal B 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 4
  5. 5. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termopar e opa Tipos constructivos “ungrounded” “grounded” exposed isolated Protecção da envolvente: ++ +/- -- Rapidez transferência de T +/- + ++ 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 5
  6. 6. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termopar e opa Application Type Names of Materials Range [ºC] Platinum30% Rhodium (+) B 1370-1700 Platinum 6% Rhodium (-) () W5Re Tungsten 5% Rhenium (+) C W26Re Tungsten 26% Rhenium 1650-2315 (-) Chromel (+) E 95-900 Constantan (-) Iron (+) J 95-760 Constantan (-) Chromel ( ) Ch l (+) K 95-1260 Alumel (-) Nicrosil (+) N 650-1260 Nisil (-) Platinum 13% Rhodium (+) R 870-1450 Platinum (-) Platinum 10% Rhodium (+) S 980-1450 Platinum (-) Copper (+) T -200-350 Constantan (-) 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 6
  7. 7. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termopar e opa 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 7
  8. 8. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RTD x Termistor e so l R=ρ S ΔT ΔR Materiais condutores semicondutores RTD Resistance Temperature Detector Termistor Thermal Resistor (THERMally (THERM ll sensitive resISTORS ) iti ISTORS 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 8
  9. 9. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Temperatura CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Elétrico • Termopar • Resistência (RTD) – Princípio: resistência elétrica (metal puro) –F i Faixa: -200 a 850°C (Pl ti ) 200 (Platina) – Necessidade de uma fonte de corrente • Termistores • Semicondutores 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 9
  10. 10. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Resistência CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Ponte de Wheatstone o e ea s o e R1 Vi R3 R2 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 10
  11. 11. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Temperatura CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Elétrico • Termopar • Resistência (RTD) • Termistores – Princípio: resistência elétrica (negativa) – Faixa: -100 a 450°C (ø 0,03 mm) ( , ) – resistência-temperatura e não linear • Semicondutores NTC – Negative Temperature Coeficient g p 2 tipos de Termístor PTC – Positive Temperature Coeficient 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 11
  12. 12. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termistores PTC e s o es C Selecção d PTC: S l de PTC •Conexões •Temperatura de transição (Ts) •Resistência a 25º C (R25) •Área superficial •Tensão máxima (Vmax) Utilizações PTC: ç • Aquecimento • Protecção contra sobrecorrentes TS 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 12
  13. 13. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termistores NTC e s o es C • Curvas não lineares 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 13
  14. 14. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termistores NTC e s o es C • Limitação de corrente – Partida de motores 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 14
  15. 15. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Temperatura CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Elétrico • Termopar • Resistência (RTD) • Termistores • Semicondutores – Princípio: resistência elétrica – Faixa: -55 a 150°C (diodo) –TTransistores podem ser li d como di d i t d ligados diodos (base-coletor curto circuitado) 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 15
  16. 16. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores de Temperatura Se so es e pe a u a Tipo Mín. Máx. ∆T mín. Resposta Vidro -38 600 15 Minutos Físico Bimetálico -70 500 60 Segundos Expansão -90 650 15 Minutos Termopar p -200 1000 36 Segundos g Elétri Resistência -200 850 6 Segundos ico Radiação 600 sem - 0,1 s Ótico 750 sem - 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 16
  17. 17. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores Mecânicos Se so es ecâ cos • Capacitivos – Sensor de pressão p • Piezoelétrico • Indutivos • Extensômetros 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 17
  18. 18. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Capacitivos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA a ações variações Δd ΔS Q C= V I I= 0 S C = ε oε r dQ dV I= =C dt dt d Δε 1 XC = 2π fC 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 18
  19. 19. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Capacitivos Capac os S d C = ε oε r S d S C = 8,854.10 −12 ⋅εr ⋅ d C [pF] 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 d [mm] 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 19
  20. 20. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores Mecânicos Se so es ecâ cos • Capacitivos • Piezoelétrico – Acelerômetro –SSensor de pressão d ã Acelerômetro • Indutivos • Extensômetros 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 20
  21. 21. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Piezoelétrico Piezoe é co e oelétrico oe Cristais de quartzo, Cerâmicas piezoelectricas q p Turmalina, Litio ... Quando determinados materiais se deformam, geram, internamente, cargas elétricas. Se, nos mesmos materiais, forem aplicadas cargas elétricas, estes deformam-se mecanicamente. Tipos de esforço mecânico (segundo o corte dos materiais): As cargas são polarizadas : • Força em uma direção – V positiva • Força na direção contrária – V negativa 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 21
  22. 22. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Piezoelétrico e oe é co •C C Ctot = C piezo + C Vpiezo i 1 RF vo = 1 + 1e + τ – •R R1 t RF R1 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 22
  23. 23. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores Mecânicos Se so es ecâ cos • Piezoelétrico • Indutivos – posição, aceleração, força e pressão • Extensômetros 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 23
  24. 24. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE LVDT Linear Variable CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Diferential Transformer ee a a so e 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 24
  25. 25. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA LVDT Se o secundário for lido por um voltímetro AC, – não se consegue detectar a mudança de 180º de fase (i.e. a leitura é a mesma para qualquer um dos lados) 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 25
  26. 26. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Vp LVDT Vs1 Vs2 Vs1 + Vs2 Vp Vs1 Vs2 Vs1 + Vs2 PROBLEMA ! - como se sabe qual o lado ? 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 26
  27. 27. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA LVDT 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 27
  28. 28. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA LVDT A I1 I2 R R1 C2 2 D B C3 R4 R C 3 Ponte de Wien 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 28
  29. 29. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE LVDT Desmodulador CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA se s e sensível à fase ase + + O sentido da corrente, em R, é sempre o mesmo (c → d) Deixa passar a baixa frequência associada com xi Rejeita a alta frequência associada com a modulação 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 29
  30. 30. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores Mecânicos Se so es ecâ cos • Capacitivos • Piezoelétrico • Indutivos • Extensômetros – Peso, pressão e força 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 30
  31. 31. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Extensômetros e sô e os l R=ρ Alteração de matemática A resistividade dR dl dA d ρ = − + R l A ρ mecânica Alteração de área Alteração de Comprimento - ε p dR dρ = (1 + 2υ ) ⋅ ε + R ρ Número de Poisson 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 31
  32. 32. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Extensômetros e sô e os • Definindo o fator de deformação, G: alteração fraccional de resistência G= alteração fraccional de tensão – Define a sensibilidade do sensor, ou seja: dR R dρ ρ Variação de R, G= = (1 + 2ν ) + devido ao efeito dl l dl l piezoresistivo 1 dR G= Variação de R, ç , ε R devido a variação da área e do comprimento 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 32
  33. 33. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Extensômetros e sô e os essura ~ 0,5 mm G=2 R = 120 Ω 0 10 mm Esforço -> dl = 1 μm ç μ Espe ΔR = G ⋅ ε ⋅ R −6 1.10 ΔR = 2 × −3 ×120 10.10 10 10 ΔR = 0, 024 Ω Extensómetros de folha (metálica) 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 33
  34. 34. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Extensômetros e sô e os 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 34
  35. 35. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Campo CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Magnético ag é co • Bússola – Intensidade do campo entre duas bobinas p – Compensar o campo da Terra – Fonte de alimentação externa • Efeito Hall • Rogowski • Resistores magnéticos 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 35
  36. 36. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Campo CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Magnético ag é co • Bússola • Efeito Hall – Corrente, Posição e Velocidade – A tensão de saída é proporcional ao campo t ã d íd i l magnético • Rogowski • Resistores magnéticos 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 36
  37. 37. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Efeito Hall e o a e e I VH B (f) saturação I ⋅B VH = K H e H (I) saturação Nota: o facto de alguns sensores de Hall se basearem g em Silício, permite que este seja integrado com os restantes circuitos de acondicionamento, no 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas mesmoRiffel Bressan integrado 37
  38. 38. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Efeito Hall e o a Vantagens: • E t d sólido Estado ólid • Rápido ( > 100 kHz) • Vid útil longa (30.109 operações) Vida l (30 10 õ ) • Funciona com AC ou DC • Nã t Não tem partes móveis t ó i • Níveis eletrônicos compatíveis •B f i d t Boa faixa de temperaturas ( –40ºC a +150ºC) t 40ºC 150ºC) 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 38
  39. 39. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Efeito Hall e o a TC’s • Não devem ter o secundário em aberto • Apenas medem AC (Lenz-Faraday) Trafos de efeito Hall • Podem ter o secundário em aberto • Medem AC e DC 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 39
  40. 40. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Campo CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Magnético ag é co • Bússola • Efeito Hall • Rogowski – Corrente AC – Linear • Resistores magnéticos 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 40
  41. 41. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rogowski ogo s ⇒ não há histerese núcleo ≡ ar ⇒ não há saturação dI = M p dt Susceptível a campos magnéticos externos ! 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 41
  42. 42. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Rogowski ogo s 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 42
  43. 43. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores de Co e e Se so es Corrente Shunt x TC´s x Hall x Rogowski TC´ 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 43
  44. 44. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores de Co e e Se so es Corrente Shunt x TC´s x Hall x Rogowski TC´ 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 44
  45. 45. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sensores de Campo CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Magnético ag é co • Resistores magnéticos 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 45
  46. 46. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA (accuracy) NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Precisão Exatidão exactidão precisão Erros Erros aleatórios sistemáticos 11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 46

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