Sensores Aula 18/03 de 2009

7.0 Sensores de Pressão

7.1 Células de Carga

São estruturas mecânicas, planejadas para receber esforços e deformar-se dentro do regime elástico para que foram planejadas. Embora pequena, essa deformação é suficiente para gerar um sinal de saída linear e compatível com a carga aplicada.

O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da resistência de um extensômetro (stain-gage), quando submetido a uma deformação, ou seja, a célula de carga mede a deformação da peça e traduz em variação ôhmica. Essa variação decorre do estreitamento da seção transversal do extensômetro.

Fig.1 Detalhes construtivos de uma célula de carga

O extensômetro elétrico é utilizado para medir deformações em diferentes estruturas, tais como: pontes, locomotivas, navios, e em instrumentos especiais como transdutores, onde possibilita a medição de pressão, tensão, força, aceleração, etc.

As características dos extensômetros elétricos de resistência podem ser resumidas em:

� Alta precisão de medida; � Baixo custo; � Excelente resposta dinâmica; � Excelente linearidade; � Fácil de instalar; � Pode ser usado imerso na água ou em atmosfera corrosiva com

tratamento adequado; � Possibilidade de se efetuar medidas a distância.

Os metais utilizados na fabricação de strain-gages são ligas de resistividade

elevada Constantan (45% Ni, 55% Cu) ou Nicromo (80% Ni, 20% Cr), que permitem obter resistências padronizadas de 60, 120, 240, 350, 500 e 1kΏ.

Para essa tecnologia existem dois padrões de strain-gages: - NORMAL: Figura (a), mais longo no sentido do eixo para reduzir os efeitos da

deformação transversal. - ALARGADO: Figura (b), para deformações transversais desprezíveis, permite

tensões de excitação maiores, devido a sua maior largura.

Fig.2 Modelos de extensômetro

7.1.1 Principais tipos de células de carga

� Flexão (bending): mede as deformações de tração ou compressão decorrentes do carregamento de viga em balanço. Normalmente utilizada em medições de 0,5 a 200 quilos.

� Cisalhamento (shear beam): mede as deformações geradas por tensões de cisalhamento atuantes. Normalmente de 200 quilos a 50 toneladas.

� Compressão (canister): mede as tensões de compressão geradas pela carga. Esse tipo de célula é utilizada para forças acima de 50 toneladas de intensidade.

7.1.2 Especificações/Características

Os principais critérios que devem ser utilizados na medida de uma célula de carga são:

� Capacidade nominal: a força máxima que leva deve medir (os fatores de segurança – 50% de sobrecarga contra danos de funcionamento e 300% para a ruptura.

� Sensibilidade: quando a célula de carga está carregada, este valor é dado em mV/V aplicado e, normalmente, entre 2 e 3mV/V. Isso significa que uma célula de 30kgf de capacidade nominal e 2mV/V de sensibilidade, com uma tensão de excitação na entrada de 10V, quando sujeita a uma força de 30kgf, apresenta na saída uma variação de tensão de 20mV.

� Precisão: O erro máximo admissível relacionado em divisões da capacidade nominal.

o Baixa Precisão: até 1.000 divisões (ou 0,1% da capacidade nominal);

o Média Precisão: de 3.000 a 5.000 divisões (ou 0,03 a 0,02% da capacidade nominal);

o Alta Precisão: 10.000 divisões (ou 0,01% da capacidade nominal)

� Formato: de acordo com a aplicação, determinamos os formatos requeridos, considerando se a carga é apoiada (células do tipo viga) ou se a carga é sustentada (célula do tipo Z), ou ainda se a carga introduz momentos tensores na célula (célula do tipo single-point).

7.1.3 Aplicações

A mais popular aplicação das células de carga é nas balanças comerciais eletrônicas.

Porém, são utilizadas também no controle de pesagem de tanques e silos, na dosagem de materiais na indústria, detecção de materiais sobre pallets, em balanças de carga rodoviárias, etc.

Utilizam-se comumente em células de carga quatro extensômetros ligados entre si,

segundo a ponte de Wheatstone (inclusive para evitar efeitos da temperatura) o desbalanceamento dela, em virtude da deformação do extensômetro que é proporcional a força que a provoca.

Fig.2 Esquema interno de um extensômetro

7.2 Transdutor de pressão piezoelétrico

Esses transdutores baseiam-se na propriedade piezoelétrica do cristal de quartzo

que, quando deformado elasticamente, gera um potencial elétrico em seus terminais por meio de certo plano cristalográfico.

Fig.3 Sensor piezoelétrico Com esse dispositivo é possível operar num campo de freqüência (range) de

solicitação de 100kHz com linearidade de 1%, porém, com tensão média muito pequena, na ordem de 1mV por kg/cm². Assim, um piezoelétrico é sempre conectado a um amplificador eletrônico.. O campo de pressão de trabalho é compreendido entre 0,1 e 5.000kg/cm³.

Esses transdutores baseiam-se na propriedade do cristal de quartzo, que se deforma elasticamente, produzindo um potencial elétrico em seus terminais através de certo plano cristalográfico.

Os sensores piezoelétricos geralmente superam em estabilidade, linearidade e amplos campos de freqüência de operação.

As aplicações são muitas. Os sensores de pressão piezoelétricos ajudam a testar o comportamento e monitorar a sanidade de unidades acústicas, hidráulicas, pneumáticas, estruturas de fluídos etc. São utilizados no controle de máquinas, carros, aviões, navios, motores de foguete, locomotivas, caldeiras, prensas, injetoras de plástico, etc.

Fig.4 Sensor /transdutor submergível para medições de pressão em águas de efluentes ou esgotos, construído de titâneo.

7.2.1 Especificações

Fig.5 Transmissor de pressão

O sensor da figura acima, é um transmissor de pressão modelo PA9027 fabricado pela IFM, com as seguintes especificações:

� Classe de precisão: ±0,7% � Campo de medição (BAR): 0 até 1 � Sobrecarga de pressão admissível: 10 BAR � Pressão de ruptura: 30 BAR � Tensão de alimentação (VDC): 16 a 30 � Sinal de saída analógica: 0 á 10VDC � Campo de trabalho: -20 a 80°C � Tempo de resposta: 3ms � Tipo de grau de proteção: IP65, III

7.3 Tubos de Bourdon

O tubo de Bourdon consiste em traduzir a pressão do fluído em um deslocamento a fim de fornecer um sinal elétrico proporcional a pressão. O tubo de Bourdon é formado por um tubo metálico de seção transversal elíptica, tendo em uma de suas extremidades em contato com a fonte de pressão.

Pela aplicação de pressão na parte interna, o tubo de Bourdon tende a forma de um tubo de seção circular, e então há uma distensão no sentido longitudinal. Um outro dispositivo sente a deformação e a transforma em um sinal elétrico.

O dispositivo mais comum utilizado como sensor de deformação de elemento de sensor primário, são os potenciômetros, porém podem ser ópticos, magnéticos (LVDT), etc. O sensor primário pode ser tanto o tubo de Bourdon como o diafragma de fole.

Os tubos de Bourdon industriais podem ter diversos tamanhos. Eles podem ser constituídos de uma simples forma da letra C, uma espiral ou ainda de um helicóide, dependendo da pressão a ser medida. As vantagens do tipo helicoidal e do tipo espiral são: obter movimento de maior amplitude, mais força, resposta mais rápida, maior precisão.

Fig.6 Tubo de Bourdon

Fig.7 Outros modelos de tubos de Bourdon 7.4 Sensor de pressão capacitivo

O sistema de medição através de sensores capacitivos é bem menos utilizado. É composto por uma base e um diafragma. Submetendo o sensor a uma certa pressão, o diafragma se contrai e se afasta da base, variando a distância entre ambos e conseqüentemente a capacitância, ou seja, os dois funcionam como as placas de um capacitor variável. A partir dessa variação é possível mediar a pressão submetida quando estabelecida um diferencial. A construção com certos materiais como a cerâmica, pode proporcionar características desejáveis como a elasticidade, estabilidade térmica e alta resistência mecânica.

Fig.8 Sensor de pressão Capacitivo.

8.0 Sensores de Tensão, Corrente e Potência.

8.1 Sensores para medição de corrente CC.

8.1.1 Resistor Shunt.

É uma resistência de baixo valor colocada em paralelo com o circuito do qual se

pretende medir a corrente. Mede-se então a pequena queda de tensão entre os terminais do dispositivo e amplifica-se o sinal. Este sensor pode ser usado tanto para tensões contínuas como alternadas.

Fig.9 Resistor Shunt

8.1.2 Sensor de efeito Hall

O efeito Hall caracteriza-se pelo aparecimento de um campo elétrico transversal em um condutor percorrido por uma corrente elétrica, quando se encontra “mergulhado” em um campo magnético.

Fig.10 Corrente percorrendo um condutor sem presença do campo magnético

Fig.11 Corrente percorrendo um condutor sob atuação de um campo magnético

perpendicular

O efeito do campo magnético provoca o aparecimento de uma diferença de

potencial (ddp) entre os terminais de saída. Essa ddp é o que chamamos de efeito Hall. Para esta tensão gerada pelo efeito Hall, temos a seguinte equação.

θsen×××= BIkVHALL

Sendo k uma constante, definida pela geometria do elemento hall e pela temperatura ambiente, I a corrente que flui através do elemento e B x senΘ o componente do campo magnético perpendicular ao condutor.

8.1.3 Relé térmico – relé de sobrecarga de corrente

Dispositivo de proteção para motores de corrente alternada, e eventualmente para aplicações em corrente contínua, cuja a operação é produzida pelo movimento relativo de elementos mecânicos sob a ação de determinados valores de corrente nos circuitos de entrada.

A lâmina bimetálica é a responsável pelo desarme do relé. Com a circulação de corrente acima da nominal do motor (para a qual o relé está regulado), os bimetais curvam-se porque o bimetal é composto de dois materiais com coeficientes de dilatação diferentes, a curvatura se dá para o lado do material de menor coeficiente.

Fig.12 Bimetal, (alfa = coeficiente de dilatação linear)

Quando a corrente esta circulando na nominal do motor, a curvatura dos bimetais não é suficiente para desarmar o relé.

Fig.13 Relés térmicos

8.2 Corrente CA

Assim como em CC, para sensor de correntes alternadas são utilizados os resistores “Shunt” e relé térmico. Porém o dispositivo mais utilizado é o transformador de corrente – TC.

Os TC´s são transformadores como corrente de saída padronizada entre 0 e 5A

(ou 0 e 1A). Existem modelos para uma grande gama de corrente no primário (50 A, 100 A, 500 A, etc.) e especialmente projetados para utilização em sistemas de controle, em que a saída de 0 a 5 A é aplicada a um transdutor e transformada em uma saída de 4 a 20 mA por exemplo.

Quando o primário de um TC está alimentado, o seu secundário nunca deve

ficar aberto. 8.2.1 Tipos de TC

Conforme a disposição dos enrolamentos e do nícleo, os TC´s podem ser classificados nos seguintes tipos:

8.2.1.1 TC Enrolado: cujo o enrolamento primário, constituído de uma ou

mais espiras, envolve mecanicamente o núcleo do transformador.

Fig.14 Tc tipo enrolado

8.2.1.2 TC Barra: seu primário é constituído por uma barra, montada permanentemente através do núcleo do transformador.

Fig.15 Tc tipo barra

8.2.1.3 TC Janela: seu primário próprio, constituído com uma abertura no

núcleo, por onde passa um condutor do circuito primário, formando uma ou mais espiras.

Fig.16 Tc tipo janela

Fig.17 Tc’s diversos

9.0 Transdutores

É a denominação que recebe um dispositivo completo, que contém o sensor,

usado para transformar uma grandeza qualquer em outra que pode ser utilizada nos dispositivos de controle. Um transdutor pode ser considerado uma interface ás formas de energia do ambiente e o circuito de controle ou eventualmente entre o controle e o atuador.

Os transdutores transformam uma grandeza física (temperatura, pressão, etc.) em um sinal de tensão ou corrente que pode ser facilmente interpretado por um sistema de controle. Portanto, o transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia em outra.

Muitas vezes os termos “sensor” e “transdutor” são usados indistintamente. Neste caso, o transdutor é o instrumento completo, que engloba sensor e todos os circuitos de interface capazes de serem utilizados numa aplicação industrial.

Fig. 18 Transdutores de pressão, vazão e temperatura

10.0 Encoders

O deslocamento é uma das poucas grandezas físicas que podem ser

compreendidas como um valor digital sem uso de um conversor analógico-digital. Encoders são dispositivos que convertem um deslocamento linear ou angular em um trem de pulsos, e ainda podem ser interpretados como um byte.

Há dois tipos de encoders, o incremental e o absoluto. Os encoders incrementais indicam o deslocamento somente em relaão a um ponto inicial de referência. Já os encoders

absolutos medem o deslocamento em relação a um ponto de referência interno do dispositivo. Esse tipo de sensor apresenta o deslocamento em incrementos codificados discretamente.

10.1 Sensor Incremental angular.

Os encoders incrementais angulares podem ser fabricados com base em dois princípios diferentes: com condução elétrica ou por transmissão de luz.

Os encoders baseados na condução elétrica apresentam estrias condutoras depositadas sobre a superfície de um disco isolante acoplado ao equipamento que esta sendo monitorado. As estrias são eletricamente conectadas no verso do disco, sobre o qual é mantido um potencial elétrico. O contato dos pinos nas estrias faz com que o circuito seja ligado, tornando a saída = 0V e quando o pino está nas estrias, a saída fica alta.

Fig.19

Os encoders baseados no princípio da transmissão de luz funcionam basicamente da

mesma forma que os sensores de condução elétrica. Neste caso, furos no disco representam o ekemento condutor. Quando o emissor e o receptor de luz se encontram alinhados com os furos do disco, há mudança do estado de sinal elétrico na saída.

Fig.20

Para flexibilizar ao máximo o uso, os discos de encoders são construídos de tal

forma que as saídas A e B estejam defasadas de 90°. A trilha zero gera um pulso por revolução do disco e tem objetivo de sincronização.

Fig.21 Se o disco tiver N estrias, uma revolução do disco produz N pulsos por todo ciclo de

trabalho (dc), portanto:

T

twdc =

Tw = largura do pulso e T = o período do trem de pulsos.

Portanto a velocidade angular do disco é ω (rpm), a freqüência das saídas A ou B

pode ser calculadas por:

60

Nf

×=ω

O deslocamento R depende do número de pulsos por trilha (N). Portanto, se quisermos um deslocamnto angular de 1°, são necessárias 360 estrias por trilha, ou seja:

NR

360=

A maior desvantagem do encoder incremental de contato elétrico é o desgaste

mecânico que limita o tempo de vida útil. O incremental óptico é formado por um par Led/ fototransistor o que eleva o tempo de vida útil.

Trabalho vazão e nível.