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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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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???
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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.)
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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…
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
Transdutores passivos baseados em sensores do tipo capacitivo
……..O segredo do Diferencial!!!!
M. Teresa Restivo I&M 2014/15
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!
M. Teresa Restivo I&M 2014/15