4. Sensores Ativos - Eletrônica e automação! .... a utilização de materiais semicondutores introduz

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  • SENAI CFPOC/POUSO ALEGRE

    1 Prof.: Anderson Dias de Oliveira CLP

    4. Sensores Ativos Como j foi dito anteriormente, os sensores ativos comportam-se como

    geradores. Estes produzem um sinal eltrico a partir do fenmeno fsico sem requererem fontes externas de alimentao. Contudo, nem sempre a energia que produzem suficiente para, por si s, excitar o elemento da cadeia de medida que se segue. Assim, frequentemente, os sensores ativos necessitam, tal como os passivos, de fontes de energia auxiliares.

    Uma particularidade deste tipo de sensor a possibilidade de possurem dois regimes de funcionamento; por exemplo, o efeito que rege o seu funcionamento normalmente reversvel. Assim, alguns dos tipos de dispositivos que sero abordados nesta seco podero ser usados tanto na vertente de sensoriamento como de atuao.

    Nesta seco sero objeto de estudo alguns dos tipos mais comuns de sensores ativos tanto na perspectiva da sua aplicao como do seu princpio fsico.

    4.1. Sensores Eletromagnticos Para sensores baseados neste princpio, a variao de uma determinada

    varivel fsica reflete-se numa variao do campo magntico sem que seja implicada, de uma forma direta, qualquer variao da indutncia do sensor [1].

    A maior parte dos sensores eletromagnticos existentes baseia-se sobre a lei de Faraday; por exemplo, quando se verifica um movimento relativo entre um condutor e um campo magntico surge uma f.e.m. no condutor. Para o caso de um indutor de n espiras, a f.e.m. induzida dada por:

    Onde se refere ao fluxo magntico que atravessa a bobina. Este fluxo pode ser

    intrinsecamente varivel como aquele que produzido; por exemplo, devido a uma corrente varivel no tempo. De forma alternativa, a posio do circuito pode ser varivel em relao a um fluxo magntico constante.

    4.1.1. Resolvers e Synchros Um resolver um tipo de transformador eltrico giratrio usado para medir

    graus de rotao. Relativamente sua arquitetura, um resolver semelhante a um motor eltrico possuindo, tal como ele, um estator (parte fixa) e um rotor que pode girar livremente no interior do primeiro. Estes dispositivos so sensores de posio angular eletro-mecnicos que, atravs de princpios eletromagnticos, fornecem um sinal eltrico que funo da sua posio rotrica (o contrrio tambm vlido). Mais concretamente convertem a posio de um eixo numa diferena de fase de uma tenso alternada em relao a outra tomada como referncia.

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    4.1.2. Sensores Eletromagnticos de Fluxo (vazo) Para o caso de um condutor retilneo de comprimento l deslocando-se a uma

    velocidade v transversal ente a um campo magntico B, a tenso induzida nesse condutor dada, em mdulo, por [1]:

    esta expresso mantm-se independentemente do tipo de material que

    compe o condutor servindo de base a um grande nmero de sensores eletromagnticos como, por exemplo, microfones, acelermetros e sensores de velocidade linear [1].

    tambm neste princpio que se baseia o medidor de vazo eletromagntico usado para quantificar a velocidade mdia (vazo) de um fludo condutor. O seu princpio de funcionamento resulta da aplicao directa de (5.9) em que o comprimento l substitudo pelo dimetro d do condutor por onde circula o fludo. A sua filosofia de funcionamento ilustrada na figura seguinte.

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    Um fluido desloca-se ao longo de um tubo no metlico e no magntico (de forma a no haver distores do campo magntico) com uma velocidade v no interior de um campo magntico B criado por duas bobinas externas. Do movimento do lquido perpendicularmente ao campo magntico gerado resulta uma fora eletromotriz induzida detectada por dois eletrodos colocados transversalmente em relao ao campo magntico e direo do movimento do lquido.

    Para este tipo de sensor, o campo magntico deve ser constante podendo ser gerado tanto por uma corrente contnua como alternada. Normalmente uma corrente alternada utilizada de forma a minimizar problemas eletroqumicos nos eletrodos e interferncias termoeltricas [1]. A figura a seguir mostra um possvel aspecto de um sensor comercial desta natureza.

    Existem diversos tipos de sensores de fluxo para lquidos apoiados nos mais

    variados princpios fsicos. No entanto, este mtodo em particular permite medir, de uma forma no invasiva, o fluxo de um lquido no necessitando portanto de qualquer contato direto com a quantidade a medir. Assim sendo, este tipo de dispositivos pode ser aplicado (sempre que as condies de funcionamento se reunam) para medir, por exemplo, lquidos corrosivos ou com matria slida em suspenso.

    4.1.4. Sensores de Efeito Hall Estes dispositivos sensores tm por base, no a lei da induo de Faraday,

    mas um outro efeito eletromagntico descoberto em 1879 pelo cientista E. H. Hall. Hall verificou que submetendo um condutor simultaneamente a uma corrente eltrica e a um campo magntico perpendicular direo do fluxo dessa corrente, desenvolvia-se uma tenso no condutor perpendicular a ambas as grandezas. Este fenmeno ocorre devido ao desvio da trajetria das cargas eltricas provocada pela fora de Laplace. Assim criam-se distribuies assimtricas de cargas nas superfcies laterais do condutor dando origem a uma diferena de potencial. Esta ocorrncia ilustrada pela figura que se segue.

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    Apesar do efeito Hall se verificar em qualquer material condutor, este fenmeno

    bastante mais intenso nos semicondutores. Alm da sua maior sensibilidade ao efeito, a utilizao de materiais semicondutores introduz a vantagem suplementar de ser possvel a integrao, numa mesma pastilha de silcio, do sensor e respectivo circuito de condicionamento de sinal. Desta forma, os sensores de efeito Hall aparecem normalmente sob a forma de circuito integrado com encapsulamento de trs terminais como mostrado na figura 5.8.

    4.2. Sensores Termoeltricos Os sensores termoeltricos tm por princpio de funcionamento dois

    fenmenos trmicos que se verificam sobre condutores. So eles o efeito Thomson e o efeito Seebeck.

    O efeito Thomson refere-se fora electromotriz que se observa num condutor sujeito a um gradiente de temperatura; por exemplo, uma temperatura no homognea ao longo de um condutor origina uma f.e.m. J o efeito Seebeck diz respeito ao fenmeno eltrico (f.e.m) que se verifica quando se mantm as duas junes de um circuito fechado, formado por dois condutores de diferentes metais, a temperaturas distintas. Este ltimo efeito reversvel e possui algumas aplicaes no domnio da atuao (efeito Peltier).

    Uma das aplicaes mais comuns deste ltimo fenmeno trmico em sensores de temperatura designados por termopares. Conceitualmente estes dispositivos so constitudos

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    apenas por dois metais (ou ligas metlicas) distintos ligados por uma unio de soldadura (figura 5.10).

    Segundo Seebeck, se dois metais (ou ligas metlicas) diferentes A e B so unidos, uma diferena de potencial ocorre atravs da juno de A com B cuja amplitude depende quer do tipo de metais utilizados quer da magnitude da diferena entre a temperatura da juno (T1) e a temperatura da juno de referncia (T2).

    Assim, quando a juno de medida aquecida ou arrefecida relativamente a

    uma segunda juno de referncia, a f.e.m. produzida pode ser caracterizada pela seguinte equao :

    Onde 1 e 2 so constantes e dependem dos materiais usados para a

    construo do termopar. Verifica-se assim uma relao no-linear entre a f.e.m produzida e a temperatura das junes. Por este motivo, a medio da temperatura atravs destes dispositivos efetuada com base em curvas ou tabelas de calibrao fornecidas pelos fabricantes. Para um determinado par especfico de junes, estas tabelas so determinadas com preciso para um conjunto vasto de temperaturas em relao a uma temperatura de referncia de 0C. A tabela a seguir apresenta alguns dos pares de junes mais comuns para a concepo de termopares.

    Adicionalmente apresentam-se tambm as respectivas referncias comerciais e algumas caractersticas metrolgicas [3].

    Os termopares so estruturas frgeis devendo portanto ser protegidos por um invlucro que os proteja de deformaes mecnicas e qumicas. Assim, e em termos de concepo, o termopar primeiro colocado no interior de um isolador eltrico (normalmente um material cermico) de forma a evitar qualquer contato eltrico com o processo a medir. Posteriormente o conjunto envolto num encapsulamento que lhe fornece robustez mecnica e boa conduo trmica (em regra utiliza-se o ao inoxidvel) [1] [2]. A figura 5.11 mostra o aspecto exterior de um termopar usado em processos industriais.

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    Nota: Constantan, Cromel, Alumel, Nirosil e Nisil so nomes comerciais de ligas metlicas.

    4.3. Sensores Piezoeltricos Os sensores piezoeltricos, como o seu prprio nome indica, tm por princpio

    fsico de funcionamento um efeito que se verifica em d