UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Circuitos Eletrônicos de InstrumentaçãoCircuitos Eletrônicos de InstrumentaçãoCircuitos Eletrônicos de InstrumentaçãoCircuitos Eletrônicos de Instrumentação
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InstrumentaçãoInstrumentaçãoIntroduçãoIntroduçãooduçãoodução
Sensorese
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eTransdutores
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA SensoresSensoresSe so esSe so es
• Térmicos• MecânicosMecânicos• Magnéticos• Químicos• Irradiantes• Irradiantes• Elétricos
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Sensores de TemperaturaSensores de TemperaturaElétricoElétricoElétricoElétrico
• Termopar– Princípio: efeito termoelétricop– Faixa: 200 a 1000°C
Necessidade de amplificador tensão em mV– Necessidade de amplificador, tensão em mV• Resistência (RTD)• Termistores• Semicondutores
metal A• Semicondutores
metal B
T1
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA TermoparTermopare opae opa
Tipos constructivos
“ungrounded”isolated
“grounded” exposedisolated
Protecção da envolvente: ++ +/- --Rapidez transferência de T +/- + ++
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ApplicationType Names of Materials
Application Range
[ºC]
B Platinum30% Rhodium (+) Platinum 6% Rhodium (-) 1370-1700( )
CW5Re Tungsten 5% Rhenium (+) W26Re Tungsten 26% Rhenium
(-) 1650-2315
Chromel (+)E Chromel (+) Constantan (-) 95-900
J Iron (+) Constantan (-) 95-760
Ch l ( )K Chromel (+) Alumel (-) 95-1260
N Nicrosil (+) Nisil (-) 650-1260
R Platinum 13% Rhodium (+) Platinum (-) 870-1450
S Platinum 10% Rhodium (+) Platinum (-) 980-1450
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T Copper (+) Constantan (-) -200-350
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RTD x RTD x TermistorTermistore s oe s o
ΔT ΔRSlR ρ=
Materiais
condutores semicondutores
RTDRTDResistance Temperature Detector
(THERM ll iti ISTORS )
TermistorThermal Resistor
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(THERMally sensitive resISTORS )
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Sensores de TemperaturaSensores de TemperaturaElétricoElétricoElétricoElétrico
• Termopar• Resistência (RTD)Resistência (RTD)
– Princípio: resistência elétrica (metal puro)F i 200 850°C (Pl ti )– Faixa: -200 a 850°C (Platina)
– Necessidade de uma fonte de corrente• Termistores• Semicondutores• Semicondutores
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ResistênciaResistênciaPonte de Ponte de WheatstoneWheatstoneo e deo e de ea s o eea s o e
R1
R2R3
Vi
R2R3
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Sensores de TemperaturaSensores de TemperaturaElétricoElétricoElétricoElétrico
• Termopar• Resistência (RTD)Resistência (RTD)• Termistores
– Princípio: resistência elétrica (negativa)– Faixa: -100 a 450°C (ø 0,03 mm)( , )– resistência-temperatura e não linear
• Semicondutores• SemicondutoresNTC – Negative Temperature Coeficient
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g p2 tipos de Termístor
PTC – Positive Temperature Coeficient
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA TermistoresTermistores PTCPTCe s o ese s o es CC
S l d PTCSelecção de PTC:
•Conexões
•Temperatura de transição (Ts)
•Resistência a 25º C (R25)
•Área superficial
•Tensão máxima (Vmax)
Utilizações PTC:ç
• Aquecimento
• Protecção contra sobrecorrentes
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Protecção contra sobrecorrentes
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• Curvas não lineares
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA TermistoresTermistores NTCNTCe s o ese s o es CC
• Limitação de corrente– Partida de motores
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Sensores de TemperaturaSensores de TemperaturaElétricoElétricoElétricoElétrico
• Termopar• Resistência (RTD)Resistência (RTD)• Termistores• Semicondutores
– Princípio: resistência elétricaPrincípio: resistência elétrica– Faixa: -55 a 150°C (diodo)
T i t d li d di d– Transistores podem ser ligados como diodos (base-coletor curto circuitado)
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores de TemperaturaSensores de TemperaturaSe so es de e pe a u aSe so es de e pe a u a
Tipo Mín. Máx. ∆T mín. Resposta
Vidro -38 600 15 MinutosFísico Bimetálico -70 500 60 Segundos
Expansão -90 650 15 Minutos
Termopar -200 1000 36 Segundos
Elétri
p g
Resistência -200 850 6 Segundos
ico Radiação 600 sem - 0,1 s
Ótico 750 sem -
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores MecânicosSensores MecânicosSe so es ecâ cosSe so es ecâ cos
• Capacitivos– Sensor de pressãop
• Piezoelétrico• Indutivos• ExtensômetrosExtensômetros
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CapacitivosCapacitivosvariaçõesvariaçõesa açõesa ações
Δd
QC =ΔS
Sε ε=
CV
dQ dVI C= = C
II = 0
o r dε ε=
1
I Cdt dt
X
= =
Δε
C
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2CXfCπ
=
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA CapacitivosCapacitivosCapac osCapac os
o rSCd
ε ε=d
S
128,854.10 rSCd
ε−= ⋅ ⋅
25
30
35
C [p
F]
15
20
25
0
5
10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
d [mm]
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• Capacitivos• PiezoelétricoPiezoelétrico
– AcelerômetroS d ã– Sensor de pressão
• IndutivosAcelerômetro
• Extensômetros
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA PiezoPiezoelétricoelétricoe oe oe é coe é co
Cristais de quartzo, Cerâmicas piezoelectricas
Quando determinados materiais se deformam, geram, internamente, cargas
q pTurmalina, Litio ...
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 :
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• Força em uma direção – V positiva• Força na direção contrária – V negativa
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA PiezoelétricoPiezoelétricoe oe é coe oe é co
• C CCC piezotot +=C
V i
+ 1 RF+1
e1
Vpiezo
–
R1RF
• R 1
1R
v Fo +=
τ t
e1
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores MecânicosSensores MecânicosSe so es ecâ cosSe so es ecâ cos
• Piezoelétrico• IndutivosIndutivos
– posição, aceleração, força e pressão• Extensômetros
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LVDT Linear LVDT Linear VariableVariableDiferentialDiferential TransformerTransformere e ae e a a s o ea s o e
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA LVDTLVDT
Se o secundário for lido por um voltímetro AC,
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– não se consegue detectar a mudança de 180º de fase (i.e. a leitura é a mesma para qualquer um dos lados)
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VpVs1 + Vs2
Vs2Vs1
Vp
Vs2
Vs1
Vp
Vs1 + Vs2
11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 26PROBLEMA ! - como se sabe qual o lado ?
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA LVDTLVDT
R1
AI1 I2R
2C2
R4
B
C
D
C3
R3
22
Ponte de Wien
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LVDT LVDT DesmoduladorDesmoduladorsensível à fasesensível à fasese s e à asese s e à ase
+
++
O sentido da corrente, em R,é sempre o mesmo (c → d)é sempre o mesmo (c → d)
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Deixa passar a baixa frequência associada com xiRejeita a alta frequência associada com a modulação
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• Capacitivos• PiezoelétricoPiezoelétrico• Indutivos• Extensômetros
– Peso, pressão e forçaPeso, pressão e força
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ExtensômetrosExtensômetrose sô e ose sô e os
llRA
ρ= Alteração deresistividadematemática
dR dl dA dR l A
ρρ
= − +
Alteração demecânica
Alteração deComprimento - ε
área
p
(1 2 )dR dR
ρυ ερ
= + ⋅ +
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R ρNúmero de Poisson
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ExtensômetrosExtensômetrose sô e ose sô e os
• Definindo o fator de deformação, G:alteração fraccional de resistênciaG alteração fraccional de resistência
alteração fraccional de tensãoG =
– Define a sensibilidade do sensor, ou seja:
( ) 1 2dR R dGdl l dl l
ρ ρν= = + +Variação de R,devido ao efeitopiezoresistivo
Variação de R,1 dRG
R=
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ç ,devido a variação da áreae do comprimento
Rε
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ExtensômetrosExtensômetrose sô e ose sô e os
10
G = 2R = 120 Ω
0,5
mm
10 mm
Esforço -> dl = 1 μm essu
ra ~
0
ç μ
R G RεΔ = ⋅ ⋅
Esp
e
6
3
1.102 12010 10
R−
−Δ = × ×10.10
0,024 RΔ = Ω
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Extensómetros de folha (metálica)
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ExtensômetrosExtensômetrose sô e ose sô e os
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Sensores de Campo Sensores de Campo MagnéticoMagnéticoag é coag é co
• Bússola– Intensidade do campo entre duas bobinasp– Compensar o campo da Terra
Fonte de alimentação externa– Fonte de alimentação externa• Efeito Hall• Rogowski• Resistores magnéticos• Resistores magnéticos
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Sensores de Campo Sensores de Campo MagnéticoMagnéticoag é coag é co
• Bússola• Efeito HallEfeito Hall
– Corrente, Posição e VelocidadeA t ã d íd é i l– A tensão de saída é proporcional ao campo magnético
• Rogowski• Resistores• Resistores
magnéticos
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Efeito HallEfeito Halle o ae o a
ee
I e
HV
BI
B(f)
saturação
eBIKV HH
⋅=H(I)
saturação
Nota: o facto de alguns sensores de Hall se basearem
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gem Silício, permite que este seja integrado com os restantes circuitos de acondicionamento, no mesmo integrado
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Vantagens:E t d ólid• Estado sólido
• Rápido ( > 100 kHz)Vid útil l (30 109 õ )• Vida útil longa (30.109 operações)
• Funciona com AC ou DCNã t t ó i• Não tem partes móveis
• Níveis eletrônicos compatíveis B f i d t t ( 40ºC 150ºC)• Boa faixa de temperaturas ( –40ºC a +150ºC)
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Efeito HallEfeito Halle o ae o a
TC’s• Não devem ter o secundário em aberto• Não devem ter o secundário em aberto• Apenas medem AC (Lenz-Faraday)
Trafos de efeito Hall• Podem ter o secundário em aberto• Podem ter o secundário em aberto• Medem AC e DC
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Sensores de Campo Sensores de Campo MagnéticoMagnéticoag é coag é co
• Bússola• Efeito HallEfeito Hall• Rogowski
– Corrente AC– Linear
• Resistores magnéticos
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RogowskiRogowskiogo sogo s
⇒ não há histerese⇒ não há histerese⇒ não há saturaçãonúcleo ≡ ar
dtdI
M p=
Susceptível a camposSusceptível a campos magnéticos externos !
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RogowskiRogowskiogo sogo s
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores de CorrenteSensores de CorrenteSe so es de Co e eSe so es de Co e e
Shunt x Shunt x TCTC´́s x Hall x s x Hall x RogowskiRogowski
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Sensores de CorrenteSensores de CorrenteSe so es de Co e eSe so es de Co e e
Shunt x Shunt x TCTC´́s x Hall x s x Hall x RogowskiRogowski
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Sensores de Campo Sensores de Campo MagnéticoMagnéticoag é coag é co
• Resistores magnéticos
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Precisão Exatidão
(accuracy)
Precisão Exatidão
exactidãoexactidão
precisão
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Errosaleatórios
Errossistemáticos
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