9. circuitos eletrônicos de instrumentação

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

11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 1


InstrumentaçãoInstrumentaçãoIntroduçãoIntroduçãooduçãoodução

Sensorese


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



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


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 +/- + ++



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


T Copper (+) Constantan (-) -200-350

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


(THERMally sensitive resISTORS )



• 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



ResistênciaResistênciaPonte de Ponte de WheatstoneWheatstoneo e deo e de ea s o eea s o e

R1

R2R3

Vi

R2R3




• 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


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

11/08/2009 18:14 Prof. Douglas Bressan Riffel 12TS

Protecção contra sobrecorrentes

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA TermistoresTermistores NTCNTCe s o ese s o es CC

• Curvas não lineares


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




• 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)


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 -


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



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


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


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

d [mm]


• Capacitivos• PiezoelétricoPiezoelétrico

– AcelerômetroS d ã– Sensor de pressão

• IndutivosAcelerômetro

• Extensômetros


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 :


• 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



• Piezoelétrico• IndutivosIndutivos

– posição, aceleração, força e pressão• Extensômetros



LVDT Linear LVDT Linear VariableVariableDiferentialDiferential TransformerTransformere e ae e a a s o ea s o e


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA LVDTLVDT

Se o secundário for lido por um voltímetro AC,


– não se consegue detectar a mudança de 180º de fase (i.e. a leitura é a mesma para qualquer um dos lados)


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 ?


R1

AI1 I2R

2C2

R4

B

C

D

C3

R3

22

Ponte de Wien



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)


Deixa passar a baixa frequência associada com xiRejeita a alta frequência associada com a modulação


• Capacitivos• PiezoelétricoPiezoelétrico• Indutivos• Extensômetros

– Peso, pressão e forçaPeso, pressão e força


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

= + ⋅ +


R ρNúmero de Poisson


• 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=


ç ,devido a variação da áreae do comprimento

Rε


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


Extensómetros de folha (metálica)


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




• 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


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


gem Silício, permite que este seja integrado com os restantes circuitos de acondicionamento, no mesmo integrado


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)



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




• Bússola• Efeito HallEfeito Hall• Rogowski

– Corrente AC– Linear

• Resistores magnéticos


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 !


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RogowskiRogowskiogo sogo s


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




• Resistores magnéticos


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Precisão Exatidão

(accuracy)

Precisão Exatidão

exactidãoexactidão

precisão


Errosaleatórios

Errossistemáticos

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