Instrumentação

para Medição

M. Teresa RestivoAula 5

Aula 4

Mensuranda

Sensor/Transdutor

Ativos/passivos

Ativos: termoelétricos, piezoelétricos, …

Passivos: resistivos, capacitivos, indutivos

Resistivos: potenciométricos, extensómetros, RTD’s, NTC’s

Efeito de carga e associado, efeito da temperatura, …M. Teresa Restivo I&M 2014/15

Exemplo 1 - revisão

Um Sistema de medição contém um transdutor, um

amplificador e um Sistema de registo ligados em série e

com sensibilidades:

Stransdutor=0.3 mV/oC; Ganho amplif=2.5 V/mV; Sistema

registo=4.0 mm/V

STotal=???M. Teresa Restivo I&M 2014/15

Transdutor potenciométrico de deslocamento

angular

Transdutor potenciométrico de deslocamento

linear

Efeito de carga num Transdutor de deslocamento

potenciométrico -> altera a falta de linearidade do

transdutor

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Extensómetro de Resistência elétrica

A

dA

l

dld

R

dR

Rl

A

dRR ( )1 2

d

dll

l

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Extensómetro de Resistência elétrica

dRR ( )1 2

d

dll

l

Extensómetro sujeito a deformações (compressão ou tracção) ao efeito da piezo-resistência e variações dimensionais DRe

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Extensómetro de Resistência elétrica

Extensómetros metálicos ou de ligas metálicas

GF: 2 e 4

( 1,6 & 0,4 a 2,4)dll

d

Extensómetros semicondutores

GF: 50 e 70 !?

GFD

D

RR

ll

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Extensómetro de Resistência elétrica

Valores típicos Re : 120 e 350

Tamanhos mto variados: l=0.2 – 100 mm

Formas • 1 grelha - estado de tensão uniaxial com direções dos eixos

principais conhecidas• Rosetas de 2 ou 3 grelhas - estados de tensão biaxial e com

ou sem direções principais bem conhecidas

Efeito da temperatura/extens. autocompensadosM. Teresa Restivo I&M 2014/15

Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Termómetro de Resistência elétrica

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Termómetro de Resistência elétrica

R = R (t), com boa reprodutibilidade

Sensibilidade ?

Linearidade ?

Gama de medição ?

Atmosferas de trabalho?

Custo?

)1( 3

3

2

210t tatataRR

R0- resistência sensor a T= 0oC;Rt, resistência sensor a t C;a1, a2 e a3 constantes do material

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Termómetro de Resistência elétrica

)1(0t tRR

Platina o mais usado

: coeficiente de temperatura da resistência

DIN 43760: = 0,00385 C-1

Valores típicos:Pt10, Pt25, Pt50, Pt100, Pt200, Pt400, Pt500, Pt1000, Pt2000

R R

R

100 0

0100

Se a medição não exigir elevada exatidão

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Termómetro de Resistência elétrica

Erros associados às medições com RTD’s

Corrente de alimentação: efeito auto-aquecimentoCabos de ligaçãoTempos de resposta

Minimização!!! COMO???

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Nível correntes alimentação - efeito de auto-aquecimento

Alimentação Sensor I dissipação potência P = I2R

O efeito dissipação de potência depende de vários fatores:da grandeza da potência libertada;

da superfície de contacto com o meio ambiente;

do coeficiente de transferência de calor com o meio ambiente

Erros associados às medições com RTD’s

Termómetro de Resistência elétrica

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Dados fabricante: Erro de auto-aquecimento (0C/mW)Ar em movimento 1m/s: 0,11Ar em repouso: 0,49

Pt 100

Alimentação 5 mAP = 2,5 mW Erro?

erro = 2,5 x 0,49 = 1,23 ºC

Erros associados às medições com RTD’s (Platina)

Termómetro de Resistência elétrica

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Termómetro de Resistência elétrica - Platina

Efeito dos cabos deligação

10

0 38526

0 1

0

. CC

Tipos deligações

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Termómetro de Resistência elétrica semicondutora

Resistências semicondutoras Termistores

termistores PTC (Positive Temperature Coef.)

termistores NTC (Negative Temperature Coef.)

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Termómetro de Resistência elétrica semicondutora

Forte não linearidade

Grande sensibilidade: 103 a 106 vezes > RTD’s

Baixo custo

Dimensões e formas muito variadas

0

11

0)()( TTT eRTRoueATR

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo resistivo

Termómetro de Resistência elétrica de elemento

metálico vs

elemento semicondutor

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo indutivo

Indutância L de enrolamento toroidal, comprimento l,

seção A, N espirasL

AN

lr

0

2

Qualquer alteração nas variáveis DL;

Variações normalmente muito pequenas!

Para aumentar intrinsecamente a sensibilidade, usam-se montagens diferenciais – PORQUÊ???

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo indutivo

Aplicações correntes baseiam-se em alterações DL por

variações de 0, r, produzidas pelo deslocamento de

um núcleo ferromagnético no interior de uma

indutância (transdutor de deslocamento - TD) ou na

sua vizinhança (detetores de proximidade - DP)TD DP

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo indutivo - LVDT

LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

suplantam as características do tipo de transdutor

indutivo anteriormente referido

A sigla está relacionada com o facto de este

transdutor ter uma composição semelhante à de um

transformadorM. Teresa Restivo I&M 2014/15

Transdutores passivos baseados em sensores do tipo indutivo - LVDT

Dispositivo eletromecânico em que o sinal elétrico de

saída é proporcional ao deslocamento da seu núcleo

ferromagnético (parte móvel)

3 enrolamentos

1 primário alimentado VAC2 secundários dispostos simetricamente ao primário

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo indutivo - LVDT

• secundários ligados em série oposição: as tensões neles induzidas

subtraem-se

• amplitude do sinal AC induzida nos secundários varia

linearmente com a posição do núcleo em torno da posição

central

• sentido do deslocamento é

detetado pela fase

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo indutivo - LVDT

LVDT

visualizando

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo indutivo - LVDT

LVDT visualizando

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo indutivo - LVDT

LVDT visualizando

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo indutivo - LVDT

LVDT visualizando

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo indutivo - LVDT

LVDT visualizando

Movimentação 0Movimentação 1Movimentação 2

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo capacitivo

CA

d

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo capacitivo

CA

d

Na maioria das aplicações

(deslocamento, força, pressão,

aceleração) o parâmetro que se altera é

a distância entre placas uma variação

capacitiva não linear

Melhor gama “linear” e aumento da sensibilidade uso de

unidades diferenciais

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo capacitivo

Indústria química, frequentemente usam

líquidos não condutores (compostos

orgânicos) introduzir no líquido um

cilindro oco e, coaxialmente, um outro

de material condutor!

L a !!!CA

d

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo capacitivo

Câmaras superior e inferior rígidas,

na posição média diafragma flexível

Diferencial DC1 e DC2 são simétricas

dVV

d

A

d

A

012

0

2

2121

1

x

CC

C

CC

CV

xCe

xC

D

D

D

D

Solução diferencial…

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo capacitivo

……..O segredo do Diferencial!!!!

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Transdutores passivos baseados em sensores do tipo capacitivo

Condensador cilíndrico alimentado a AC, integrado em circuito de medição de capacidades

Capacidades parasitas em paralelo com a capacidade do detetor produzem > a capacidade global

Aproximação a um objeto cria capacidades parasitas entre armaduras do condensador e objeto

Qualquer tipo de material!

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