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8/18/2019 ATPS Cristiano -pronto- hoje-.pdf

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Etapa 1:

Passo 1:

Existem inúmeros tipos de sensores disponíveis no mercado, cada um deles com suas

características particulares, mas todos eles têm suas vantagens e desvantagens e cabe ao

engenheiro dimensiona-lo e selecionar qual destes tipos se encaixa melhor em seu projeto.

Abaixo iremos citar alguns destes sensores e suas características.

Sensores Mecânicos

Denominamos sensores mecânicos aqueles que sensoriam movimentos, posições ou presençausando recursos mecânicos como, por exemplo, chaves fim-de-curso. Esses sensores, como o

nome sugere, são interruptores ou mesmo chaves comutadoras que atuam sobre um circuito

no modo liga/desliga quando uma ação mecânica acontece no seu elemento atuador.

É possível usar esses sensores de diversas formas, como para detectar a abertura ou

fechamento de uma porta, a presença de um objeto em um determinado local, ou ainda

quando uma parte mecânica de uma máquina está numa certa posição, como indicado na

figura abaixo.

Sensores tipo Reed-Switch

Esses sensores podem ser usados para detectar a posição de uma peça ou de uma parte de um

mecanismo pela posição de um pequeno ímã que é preso a ela. Poderíamos classificar esses

sensores também como sensores magnéticos, uma vez que eles atuam com a ação de um

campo, mas como são interruptores acionados por campos, será melhor separá-los em umaoutra categoria, dentro de uma classificação de atuação mais simples.


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Como mostra a figura abaixo temos representado o principio de funcionamento deste sensor.

Na figura vemos algumas aplicações desse tipo de sensor que se caracteriza pela sua

velocidade de ação limitada e também pela pequena capacidade de corrente que os tiposcomuns apresentam.

Outra aplicação é mostrada na figura, onde usamos o sensor para produzir pulsos tacométricos

que permitem controlar a velocidade de um motor ou registrá-la em um display.

http://www.sabereletronica.com.br/files/image/SE405_Sensores_Fig05.jpg


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Sensores Fotoelétricos

Os sensores mecânicos têm por principal desvantagem o fato de terem peças móveis sujeitas a

quebra e desgaste, além da inércia natural que limita sua velocidade de ação. Outro problemaestá no repique que pode falsear o sinal enviado quando são acionados.

Por outro lado, sensores que trabalham com a luz são muito mais rápidos, não apresentando

praticamente inércia e não têm peças móveis que quebram ou desgastam. Os sensores

fotoelétricos podem ser de diversos tipos, sendo empregados numa infinidade de aplicações

na indústria e em outros campos.

O tipo mais simples de sensor consiste em um elemento foto-sensível que tem a luz incidente

interceptada quando a parte móvel de uma dispositiva passa diante dele, veja a figura abaixo.

Foto-resistores (LDRs)

LDR (Resistor Dependente de Luz) ou simplesmente foto- resistor, é usado como sensor deluz para varias aplicações. Os LDRs possuem uma superfície de Sulfeto de Cádmio (CdS) que

tem sua resistência elétrica dependente da quantidade de luz incidente.


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A curva característica desses sensores nos mostra que a resistência cai enormemente à medida

que a intensidade da luz incidente aumenta. exibimos um exemplo de curva de resposta de umLDR comum.

A grande vantagem no uso dos LDRs como sensores fotoelétricos está no fato de que eles

podem trabalhar com correntes relativamente elevadas, sendo muito sensíveis, o que

simplifica o projeto de seus circuitos. No entanto, a desvantagem está na sua velocidade de

resposta.

Nas aplicações industriais, sensores com base em LDRs apresentam um encapsulamento que

vai depender justamente de sua aplicação. Assim, os desenvolvedores de equipamentos que

fazem uso desses sensores podem encontrar nos catálogos das grandes empresas de sensores

uma infinidade de variações de formatos para esses componentes, já destinados à aplicações

específicas.


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Fotocélulas

As Fotocélulas ou Células Fotoelétricas são dispositivos que geram uma pequena tensão

elétrica quando são iluminados. As fotocélulas podem ser usadas para gerar energia elétrica a partir da luz solar, ou também como sensores, em diversos tipos de aplicações.

Diferentemente dos LDRs, as fotocélulas são sensíveis e rápidas, podendo ser utilizadas numa

faixa de aplicações mais ampla do que os próprios LDRs. Sua curva característica é vistas

na figura abaixo, o que nos mostra que elas podem inclusive operar com boa sensibilidade na

região infravermelha do espectro.

Fotodiodos

Os fotodiodos operam segundo o princípio de que fótons incidindo numa junção

semicondutora liberam portadores de cargas. Esses portadores tanto pode fazer com que

apareça uma tensão entre os terminais do diodo quanto também afetar sua resistência à passagem da corrente.

Os fotodiodos não são muito sensíveis, exigindo bons circuitos de amplificação mas, em

compensação, são extremamente rápidos podendo detectar pulsos de luz em taxas que chegam

a dezenas ou mesmo centenas de megahertz.



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Fototransistores

Os fototransistores operam segundo o mesmo princípio dos fotodiodos: liberação de cargas

nas junções com a incidência de luz. A diferença está no fato de que os fototransistores podem

amplificar as correntes que são geradas nesse processo.

Os transistores têm a mesma curva de resposta dos fotodiodos e fotocélulas podendo ser

usados nas mesmas aplicações, se bem que sejam um pouco mais lentos.

Os fototransistores podem ser tanto usados no modo fotodiodo em que o terminal de base

permanece desligado, quanto no modo fototransistor em que a base é polarizada ou paraaumentar a sensibilidade ou para aumentar a velocidade.

Fotodisparadores

Existem ainda dispositivos semicondutores à base de silício que podem ser usados como

sensores fotossensíveis. Na figura apresentamos alguns desses sensores.


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Podemos ter opto DIACs, opto-TRIACs e até opto-SCRs, de acordo com a mesma figura. Noentanto, esses componentes são usados apenas em casos mais raros.

No caso mais simples ele opera do modo direto, ou refletivo com uma fonte de luz comum,

detectando a interrupção da luz ou ainda a reflexão ou passagem do objeto por zonas escuras.

Isso faz com que pulsos elétricos sejam gerados para o processamento de um circuito.

Encoders Ópticos

Os encoders ópticos podem ser lineares ou rotatórios e ainda incrementais ou absolutos. O

tipo básico rotatório incremental consiste em um disco com faixas claras e escuras que tanto

pode operar no modo refletivo quanto por transparência usando uma chave óptica, conforme a

figura.

http://www.sabereletronica.com.br/files/image/SE405_Sensores_Fig18.jpghttp://www.sabereletronica.com.br/files/image/SE405_Sensores_Fig17.jpg


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O número de faixas vai determinar a resolução do encoder e, portanto, a precisão na

determinação da posição do objeto que está sendo sensoriado.

Sensores de Imagem

Uma outra categoria de sensores que opera com luz e semicondutores sensíveis a ela é a dos

sensores de imagem. Podemos dizer que se trata de um sensor que, na realidade, é formado

por uma matriz de uma boa quantidade de sensores fotoelétricos individuais. Nessa categoriaincluímos os sensores CCD (Charged Coupled Devices), que são usados no sensoriamento de

imagens em micro-câmeras e mesmo em câmeras de vídeo convencionais, conforme mostra

a figura.

Acoplados a circuitos inteligentes, ou seja, microcontroladores e microprocessadores, esses

sensores possibilitam a análise do formato, cor e outras características de um objeto,



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favorecendo assim um controle de uma linha de montagem com a separação de produtos que

tenham determinadas características.

Sensores Ópticos de Medida

Uma outra categoria de sensores ópticos importante e que faz uso em alguns dos mesmos

dispositivos semicondutores que vimos até agora é a que é empregada na medida de

grandezas ópticas como luminância, contraste e cor.

Esses sensores podem ser usados, por exemplo, para determinar a composição da luz emitida

por uma fonte, ou ainda sua intensidade como em luxômetros, fotômetros, e outros

instrumentos semelhantes de uso na indústria, pesquisa, aplicações médicas, etc.



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Sensores Térmicos

Da mesma maneira que no caso dos sensores fotoelétricos existem diversos tipos de sensores

que podem atuar sobre um circuito em função da variação da temperatura do meio em que seencontram.

Temos basicamente os seguintes tipos de sensores térmicos que são usados na maioria das

aplicações eletrônicas comuns:

- Bimetais

- Pares termoelétricos

- NTCs e PTCs

- Sensores semicondutores

- Sensores piroelétricos

Bimetais

Esse sensor consiste em duas lâminas feitas de metais que possuem coeficientes de dilatação

diferentes. As lâminas são presas juntas de tal modo que, ao se aquecerem, o conjunto verga

na direção da lâmina de menor coeficiente.


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Pares Termoelétricos

Pela sua capacidade de operar com temperaturas muito altas, linearidade e precisão são os

sensores mais utilizados no sensoriamento de temperaturas muito altas, que podem chegar acentenas de graus, como em fornos, por exemplo.

Principio de funcionamento:

Quando dois metais formam uma junção e um deles está numa temperatura diferente do outro,

aparece entre eles uma tensão proporcional à diferença de temperatura. Dessa forma, pode-se

usar essa tensão para sensoriar a temperatura de um local, tanto atuando sobre um circuito de

controle quanto sobre um circuito de medida.

Os pares termoelétricos são utilizados nos casos em que se deseja monitorar temperaturas

muito altas.

NTCs e PTCs

NTC significa Negative Temperatura Coefficient enquanto PTC representa Positive

Temperature Coefficient . São resistores cuja resistência diminui (NTC) ou aumenta (PTC)

quando a temperatura aumenta.

Na figura a abaixo vemos o aspecto e o símbolo desses dispositivos que podem ser usados

como sensores de temperatura, bem como sua curva característica.



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Operando numa faixa temperaturas que vai de valores negativos até aproximadamente 125

graus, esses dispositivos são utilizados como sensores em uma grande quantidade de

aplicações, dada a facilidade com que podemos trabalhar com eles e inclusive seu baixo custo.

Circuitos simples podem ser elaborados com esses dispositivos, uma vez que as variações de

resistência obtidas podem ser facilmente usadas para acionar comparadores de tensão. NTCs

termométricos, por outro lado, podem ser usados na medida precisa de temperatura, sendo por

isso encontrado em termômetros eletrônicos.

Sensores Semicondutores

Baseados no fato de que um aumento de temperatura libera maior quantidade de portadores de

carga numa junção semicondutora, podemos usar qualquer dispositivo dotado de junções

como um sensor de temperatura com linearidade relativamente boa numa ampla faixa detemperaturas.

Em razão disso, a possibilidade mais comumente adotada é a de se usar um diodo comum

polarizado no sentido inverso, veja a figura abaixo.



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A corrente de fuga do diodo depende da temperatura e isso pode ser usado para acionar os

mais diversos tipos de dispositivos em aplicações em que se deseja um controle em função da

temperatura.

Diodos especiais podem ser otimizados para apresentar uma curva linear dentro de uma faixa

de temperaturas na qual ele pode ser usado para a medida dessa grandeza.

Uma aplicação importante desse tipo de sensor está na sua integração na própria pastilha dos

microprocessadores de modo que eles possam sensoriar a temperatura disparando um circuito

de proteção externa, cortando a alimentação ou ainda acelerando uma ventoinha em caso de

sobreaquecimento.

Sensores Piroelétricos

Esses sensores podem ser encontrados em alarmes de incêndio e de presença, como os que

abrem automaticamente as portas de shoppings na presença de pessoas.

Na figura abaixo mostramos um exemplo de sensor desse tipo que apresenta variações usadas

em aplicações de todos os tipos.



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Nesse sensor existe uma substância que se polariza na presença de radiação infravermelha,

gerando assim uma tensão que pode ser amplificada e empregada para efeitos de controle.

Desse modo, o calor do corpo de uma pessoa é suficiente para produzir uma emissão

infravermelha detectável por esse tipo de sensor. Para aumentar sua sensibilidade e dirigir as

ondas de infravermelho diretamente para o sensor, são usadas lentes especiais denominadasLentes de Fresnel, que têm o padrão exibido na figura abaixo.



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Sensores de Presença

Na realidade, os tipos mais usados com essa finalidade são os sensores de temperatura

piroelétricos que vimos no item anterior. Esses sensores detectam as pessoas pelo calor de seucorpo, podendo ser usados também em outras aplicações, como sensores de incêndio, desde

que filtros apropriados sejam agregados.

O que acontece nesse caso é que a emissão de calor pelo corpo de uma pessoa é suficiente

para acionar o sensor, que é sensível à radiação infravermelha.

Sensores Ultra-sônicos

Esse é um tipo de sensor bastante útil na detecção de objetos a uma certa distância, desde que

estes não sejam muito pequenos, e capazes de refletir esse tipo de radiação.

Na figura abaixo, temos um exemplo de um par sensor desse tipo que pode ser usado

inclusive para se medir distâncias, em diversas aplicações práticas importantes.

O princípio de funcionamento desse sensor é o seguinte: um transdutor emite ondas ultra-

sônicas em freqüência normalmente em torno de 42 kHz. O resultado é um comprimento de

onda da ordem de alguns centímetros, o que permite detectar objetos relativamente pequenos.

O princípio de funcionamento desse sensor é o seguinte: um transdutor emite ondas ultra-

sônicas em freqüência normalmente em torno de 42 kHz. O resultado é um comprimento de

onda da ordem de alguns centímetros, o que permite detectar objetos relativamente pequenos.



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Os exemplares mais comuns de sensores desse tipo são os que utilizam uma lâmina

ressonante de modo que eles funcionam tanto como transdutores emissores quantomicrofones, mas sendo capazes de selecionar por ressonância, uma estreita faixa de

freqüências, normalmente em torno de 42 kHz.

O outro tipo de sensor/emissor é o que faz uso de cerâmicas piezoelétricas. Observe que,

enquanto o primeiro é indutivo de baixa ou média impedância o segundo tem características

capacitivas de alta impedância.

Esses sensores são bons para detectar a presença de objetos a curtas distâncias sendo por isso

usados em aplicações onde outros meios mais sujeitos a interferências não funcionam bem.

Isso acontece porque os ultra-sons, diferentemente de luz e sinais elétricos não são afetados

por interferências elétricas ou mesmo luz ambiente.



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PASSO 02:

Efeito piezo Elétrico

A palavra vem do grego e significa “eletricidade por pressão” (piezo significa pressão em

grego). Consta que Pierre Curie não foi um aluno muito aplicado em seus primeiros estudos.

Isso não impediu, porém, de alcançar a universidade, nem de se tornar, com menos de 20

anos, professor assistente no laboratório de Física da Universidade Sorbonne, em Paris. Em

1880, em pesquisas realizadas com seu irmão Jacques Curie, constatou que uma corrente

elétrica surgia em certos cristais quando submetidos a pressões. Deram a esse fenômeno o

nome de efeito piezelétrico. Também verificaram que as faces desses cristais vibravam aoserem submetidas brevemente a uma diferença de potencial. Tais comportamentos

permitiriam, mais tarde, a utilização desses materiais em microfones e toca-discos. Uma das

condições básicas para que um cristal seja piezelétrico é que ele não possua centro de

simetria, uma vez que essa propriedade física tem sua origem justamente na anisotropia do

cristal, ou seja, no fato da resposta do material a um estímulo externo não ser a mesma em

todas as direções. Ao ser tensionado, um material piezelétrico passará a apresentar uma

polarização elétrica ou uma mudança de polarização se o material tiver uma polarizaçãoespontânea não nula.

Materiais piezolétrico

Cristais de Quartzo.

Oxido de Zinco

PZT (Titanato Zirconato de Chumbo)

Entre outros

Quartzo é o mineral piezoelétrico (vibra ao receber excitação elétrica, as formas de vibração

estão relacionadas com a forma de corte que é feito no cristal) mais importante para indústria

eletrônica moderna. A placa de quartzo adequadamente orientada é utilizada como o padrão

de frequência de oscilações. A ressonância mecânica dessas placas pode ser ajustada em uma

frequência desejada, sendo muito estável devido à propriedade elástica quase perfeita do

quartzo e, é transformada em oscilações eletrônicas através do piezo eletricidade. O produto


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mais popular é o relógio de quartzo. Para computadores, este é uma peça fundamental e

indispensável como gerador “clock”.

O óxido de zinco se cristaliza em três formas: wurtzita hexagonal, “zincblende” cúbico, e osal de rocha, raramente observado. A estrutura wurtzita é mais estável em condições

ambiente e, portanto, mais comum. A forma zincblende pode ser estabilizada pelo

crescimento de ZnO sobre substratos, com uma estrutura de treliça cúbica, que resultam em

piezeletricidade do ZnO hexagonal. Em ambos os casos, os centros de zinco e óxido são

tetraédricos. A estrutura de sal de rocha (tipo NaCl) é observada apenas em pressões

relativamente altas de cerca de 10 GPa. A ligação em ZnO é largamente iônica, o que

explica a seu forte piezeletricidade. Devido às ligações polares Zn-S, os níveis de zinco e

oxigênio suportam cargas elétricas (positivas e negativas, respectivamente). Portanto, para

manter a neutralidade elétrica, tais níveis são reconstruídos em nível atômico, na maioria dos

materiais relativos, mas não no ZnO - as suas superfícies são atomicamente planas, estáveis

e não apresentam nenhuma reconstrução. Esta anomalia do ZnO não está totalmente

esclarecida.

PZT (Titanato Zirconato de Chumbo) atualmente a maioria dos materiais ferroelétricos, comelevadas propriedades físicas, possuem em sua composição o elemento chumbo. A família do

PZT (titanato zirconato de chumbo) tem sido de extrema importância para as mais diversas

aplicações tecnológicas. Entretanto, mesmo com suas excelentes propriedades, o PZT vem

recebendo restrições globais devido à toxicidade do chumbo. Na Europa, já está em vigor a

norma RoHs (Restriction of the use of certain hazardous substances) que proíbe a produção e

entrada de produtos eletrônicos que contenham na sua composição chumbo, cádmio, mercúrio

entre outros elementos químicos nocivos. Portanto, é consenso a necessidade de sedesenvolver um material substituto que possa competir com as propriedades únicas do PZT.

Neste contexto, materiais com gradiente de composição funcional, functionally graded

materials - FGM, materiais que exibem um gradiente composicional progressivo, mudando de

um lado a outro da amostra se apresentam com uma importante possibilidade para obtenção

de altas constantes dielétricas e ótimas propriedades piezelétricas, podendo assim substituir o

PZT. Neste plano de trabalho, nos propomos a preparar e estudar materiais ferroelétricos dos

sistemas Ba1-xCaxTiO3 (BCT), (Ba1-xSrx) TiO3 (BST) e Ba (ZrxTi1-x) O3 (BZT),

incluindo suas combinações, preparados para que apresentem gradiente de composição

funcional. (AU).


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Efeito indutivo ou de indução elétrica

Conhecemos da Química Geral a tabela de eletronegatividade dos elementos de Linus Pauling

e seu significado físico e químico. Em consequência das diferentes eletronegatividades dosdiversos átomos, o par de elétrons de uma ligação sigma não fica equidistante dos dois átomos

envolvidos na ligação, sendo a nuvem eletrônica atraída pelo elemento mais eletronegativo,

ficando, logicamente, esse átomo mais eletronegativo, com uma maior densidade eletrônica.

O átomo do qual o par eletrônico se afastou ficará deficiente em elétrons. O acréscimo de

elétrons sobre o átomo mais eletronegativo é representado por -, e a deficiência de elétrons

sobre o átomo menos eletronegativo é representada por +.A esse efeito de deslocamento de

elétrons, em virtude das diferentes eletronegatividades dos átomos envolvidos na ligação,

denominou-se efeito indutivo estático, que corresponde, na realidade, a uma polarização

permanente de uma ligação simples ( ligação sigma)Os efeitos indutivos são, também,

representados por uma seta, partindo do átomo menos eletronegativo para o átomo mais

eletronegativo. O efeito indutivo estático se propaga através da cadeia de átomos de carbono,

diminuindo rapidamente, com o aumento do número de átomos de carbono.

Experimentalmente, só se faz sentir até o quarto átomo de carbono de uma cadeia linear. As

ligações simples apresentam, ainda, o efeito indutivo dinâmico que corresponde a uma

polarização transitória da ligação em virtude da presença de agentes externos, como, por

exemplo, um campo elétrico provocado pela aproximação de um íon. As características

fundamentais do efeito indutivo são o deslocamento dos dupletes eletrônicos tem lugar sobre

a mesma linha de valência, continuando, cada duplete, a pertencer ao mesmo octeto o efeito

diminui, progressivamente, a partir do átomo ou grupo de átomo que o produz. Isso se

compreende facilmente, se tomarmos como exemplo o cloreto de etila: o deslocamento do

duplete da ligação C-Cl para o lado do cloro, é compensado com a aproximação dos três

dupletes das ligações C-H do grupo metila. Cada um desses deslocamentos, até C1 do par C2-

C1, compensar-se-á pela pequena aproximação dos dupletes H-C2 para esse carbono. A

influência de um grupo sobre o outro, devido ao efeito indutivo, será tanto maior, quanto

menor for a distância entre eles. Isso é comprovado pelas propriedades físicas de várias

moléculas.

Efeito Hall

Este fenômeno foi observado primeiramente por Edwin H. Hall em 1879 ao realizar uma

experiência para medir diretamente o sinal e a densidade de portadores de carga em um


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condutor. O efeito Hall desempenha um papel importante na compreensão da condução

elétrica nos metais e semicondutores. Durante seus estudos de doutorado, Edwin Hall buscava

entender qual a influência de um campo magnético externo sob um fio condutor. Ele queria

entender se a força devido a este campo externo atuaria sobre os portadores de corrente

elétrica ou sobre o fio como um todo. Hall acreditava que essa força magnética atuaria sobre

os portadores de carga fazendo com que a corrente se deslocasse para uma determinada região

do fio, e, portanto, a resistência do fio iria aumentar. Apesar de não observar tal aumento na

resistência do fio em seus experimentos, Hall sabia que de alguma forma a corrente elétrica

era alterada sem que a resistência fosse modificada. Ele propôs a presença de um estado de

stress em uma determinada região do condutor, devido ao acúmulo de portadores de carga,

que originaria uma diferença de potencial transversal mais tarde conhecida como tensão de Hall. A força magnética sobre as cargas provoca uma corrente perpendicular a direção de

propagação da corrente inicial. Isto promoverá o aparecimento de uma região com

concentração de cargas positivas e a outra de cargas negativa, como mostra a Fig. 1, criando

um campo elétrico perpendicular ao campo magnético B. Esta corrente cessará quando o

balanço de cargas, positivas e negativas crie uma força elétrica que anule a força magnética

sobre as cargas. Quando um fio condutor, percorrido por uma corrente elétrica, é colocado na

presença de um campo magnético as cargas deste condutor sofrerão uma força. Na figura 1que as cargas positivas se deslocam para a direita sob a ação de uma força magnética agindo

de baixo para cima. Note que se a partícula tem carga negativa e se move no mesmo sentido

ela será defletida para baixo.

Os efeitos existentes são:

Efeito Hall em semicondutores

Efeito Hall QuânticoEfeito Hall com Spin

Efeito Hall Quântico com Spin

https://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAnciahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAnciahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAnciahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAncia


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Efeito Hall Anômalo

Efeito Hall em gases ionizados

Efeito Capacitivo

É a grandeza escalar determinada pela quantidade de energia elétrica que pode ser

acumulada em si por uma determinada tensão e pela quantidade de corrente alternada que

atravessa um capacitor numa determinada frequência. Sua unidade é dada em farad.

Quanto maior a carga elétrica (Q) acumulada maior a Energia potencial elétrica (Epe).

Tradicionalmente representa-se um capacitor por duas linhas perpendiculares ao sistema

elétrico e com a letra C, simbolizando duas placas metálicas separadas por um dielétrico.Portanto a capacitância corresponde à relação entre a quantidade de carga acumulada pelo

corpo e o potencial elétrico que o corpo assume em consequência disso. O dispositivo mais

usual para armazenar energia é o capacitor ou condensador. A capacitância depende da

relação entre a diferença de potencial (ou tensão elétrica) existente entre as placas do

capacitor e a carga elétrica nele armazenada. É calculada de acordo com a seguinte fórmula:

https://pt.wikipedia.org/wiki/Tens%C3%A3o_el%C3%A9tricahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitorhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAnciahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Faradhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Potencial_el%C3%A9tricohttps://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitorhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Condensadorhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Diferen%C3%A7a_de_potencialhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9tricahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Capacitor.gifhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Capacit_ncia.pnghttps://pt.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9tricahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Diferen%C3%A7a_de_potencialhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Condensadorhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitorhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Potencial_el%C3%A9tricohttps://pt.wikipedia.org/wiki/Faradhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAnciahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitorhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Tens%C3%A3o_el%C3%A9trica


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Onde:

é a capacitância, expressa em farads. Como esta unidade é relativamente grande,

geralmente são utilizados os seus submúltiplos, como o microfarad, o nanofarad ouo picofarad.

é a carga elétrica armazenada, medida em coulombs;

é a diferença de potencial (ou tensão elétrica), medida em volts.

ETAPA 2

PASSO 01:

Medição de força

Partindo do princípio que pressão pode ser transformada em força, se a deixarmos atuar em

uma área conhecida, os métodos básicos de medição de força e pressão são relativamente os

mesmos, exceto em regiões de alto vácuo, onde há a necessidade de implementação de

métodos especiais. É apresentado as definições de força e suas medições por meio de

balanças, de deformação, por meio de sinais elétricos, extensômetros e células de carga.

Posteriormente é apresentada a medição de torque por meio de taquímetros especificando os

diversos tipos destes existentes no mercado atual. Em seguida é mostrada utilização de

métodos de medição de torque em motores utilizando dinamômetros, transdutores de torque,

freios de Prony e hidráulico.

Há quatro principais formas de se realizar a medição de força e torque:

Medição de forças por balanças

A maneira mais simples de se medir uma força é compará-la com uma força conhecida,

gerada por uma massa conhecida. Isto, por exemplo, pode ser feito utilizando uma balança de

pivot centra ou em uma balança com massa deslizante.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Faradhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Microfaradhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Picofaradhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Coulombhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Diferen%C3%A7a_de_potencialhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Volthttps://pt.wikipedia.org/wiki/Volthttps://pt.wikipedia.org/wiki/Diferen%C3%A7a_de_potencialhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Coulombhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Picofaradhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Microfaradhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Farad


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Figura - Balança de Pivot Central

Figura - Balança de Massa Deslizante

Células de Carga

A célula de carga é um dispositivo eletromecânico que usa o extensômetro para medir

deformação, e com isso, tensão e força. Atualmente as células de carga de extensômetrotornaram-se de uso disseminado com sua adoção em balanças comerciais. As células de carga

são atualmente os dispositivos de força mais utilizados. A célula de carga que domina o

mercado é a célula de carga de extensômetros. Porém, também existem células de carga de

carbono e as células de carga de fluidos. Em uma célula de carbono, a compressão do carbono

altera sua condutividade elétrica e então altera a tensão. Em uma célula de fluido, a

compressão exercida sobre o fluido é medida no manômetro e utilizada para calcular a força.


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Figura - Células de Carga

Medição de Força por Deformação ou Deflexão

Através deste método de medição, utilizamos a elasticidade dos materiais e o uso de molas.

Dessa forma, conseguimos medir a sua pressão de acordo com a deformação que o material

adquirir e pela sua elasticidade.

Figura - Dinamômetros de mola

Medição de força através de sinais elétricos


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Transformador Diferencial Variável Linear um dispositivo utilizado para medir força é o

transformador diferencial variável linear (TDVL ou LCDT). O TDVL é constituído por uma

série de indutores construídos em um cilindro oco, dentro no qual se desloca um cilindro

sólido interno e produz um sinal elétrico proporcional à sua posição. Ele é utilizado em vários

dispositivos mecânicos que necessitem converter uma posição em um sinal elétrico.

Figura - Esquema de um TDVL

Os extensômetros são atualmente os dispositivos de medição de força mais utilizados. Ele

uma pequena superfície metálica que é colada no corpo do material que se deformará. A

deformação do extensômetro é medida por variação da sua resistência elétrica. Quando um

material é deformado a sua resistência elétrica será alterada, a fração de mudança na

resistência que será proporcional à fração de mudança no comprimento do material. Há

muitas aplicações para extensômetros, são muito utilizados principalmente para construir

células de carga e torquímetros para medição de torque e força de compressão.

Figura - Extensômetro para construção de torquímetro e células de carga de compressão.

Medição com Torquímetro


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Torquímetro é uma ferramenta também conhecida por chave dinamométrica, usada para

medir o torque. O torquímetro tem um dispositivo dinamométrico que possibilita medir a

força de torque que permita o máximo de aperto sem o risco de danificar o material. Existem

vários tipos de dispositivos de medição de torque, desde modelos exclusivamente mecânicos

até modernos aparelhos com display eletrônico e uma precisão muito boa. Torquímetro tipo

flexão: Este torquímetro possui um elemento sensor na haste que se baseia em sua flexão.

Figura - Torquímetro

Figura - Torquímetro digital portátil

Medição de Pressão

Pressão absoluta: é medida com relação ao vácuo perfeito, ou seja, é a diferença da pressão

em um determinado ponto de medição pela pressão do vácuo (zero absoluto). Normalmente


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quando se indica esta grandeza usa-se a notação ABS. Ex.: A pressão absoluta que a

atmosfera exerce ao nível do mar é de 760mmHg.

Pressão diferencial: é a diferença de pressão medida entre dois pontos. Quando qualquer ponto diferente do vácuo ou atmosfera é tomado como referência diz-se medir pressão

diferencial. Por exemplo, a pressão diferencial encontrada numa placa de orifício.

Pressão manométrica: é medida em relação à pressão do ambiente, ou seja, em relação a

atmosfera. Ou seja, é a diferença entre a pressão absoluta medida em um ponto qualquer e a

pressão atmosférica. É sempre importante registrar na notação que a medição é relativa.

Exemplo: 10Kgf/cm2 Pressão Relativa a pressão manométrica é dada pela diferença entre a

absoluta e a atmosférica.

Princípios Básicos da Medição de Pressão

Vejamos o conceito de Pressão Estática. Tomemos como base a figura 10, onde temos um

recipiente com um líquido onde este exerce uma pressão em um determinado ponto

proporcional ao peso do líquido e à distância do ponto à superfície (o princípio de

Arquimedes: um corpo submerso em um líquido fica sujeito a uma força, conhecida por

empuxo, igual ao peso do líquido deslocado. Por exemplo, baseado neste princípio, pode

determinar o nível, onde se usa um flutuador que sofre o empuxo do nível de um líquido,

transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque. O medidor

deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido, cujo nível está sendo medido,

pois o empuxo varia com a densidade).

A pressão estática P é definida como sendo a razão entre força F, aplicada perpendicularmente

a uma superfície de área A: P = F/A [N/ m2]


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Figura - Pressão em um ponto P submerso.

Figura - Pressão em corpo submerso.

Dado um paralelepípedo, conforme a figura 11, onde temos a área de um lado A e

comprimento L, a pressão em sua face superior e em sua face inferior são dadas

respectivamente por PD = hρg e PU = (h + L) ρg. A pressão resultante sobre o mesmo é igual a

PU - PD = Lρg. A pressão que exerce uma força perpendicular à superfície do fluído é a

chamada pressão estática. O princípio de Pascal diz que qualquer aumento de pressão no

líquido será transmitido igualmente a todos os pontos do líquido. Esse princípio é usado nos

sistemas hidráulicos (por ex, no freio dos carros) e pode ser ilustrado pela figura 12. Em

outras palavras: As forças aplicadas têm intensidades proporcionais às áreas respectivas. Vale

ainda citar a Lei de Stevin (1548 - 1620): Em um fluido homogêneo e incompressível em

equilíbrio sob a ação da gravidade, a pressão cresce linearmente com a profundidade; a

diferença de pressão entre dois pontos é igual ao produto do peso específico do fluido pela

diferença de nível entre os pontos considerados.

Figura – A pressão é perpendicular àsuperfície e as forças aplicadas têm intensidades proporcionais às áreas respectivas.


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Equipamentos Industriais para Medição de Pressão

Na indústria, dentre os diversos equipamentos usados para medir pressão podemos destacar

dois deles: o manômetro e o transmissor de pressão. O manômetro é usado para leituras locais

da pressão, possuindo normalmente uma conexão com o processo e um display (quando

eletrônico) ou ponteiro (quando mecânico) para que se possa ler a pressão localmente.

Normalmente são dispositivos de baixo custo e são usados quando a pressão não precisa ser

transmitida para um sistema de controle e não se precisa exatidão. Por exemplo, pressões

estáticas, pressões de bomba, etc. Existem também modelos diferenciais, vacuômetros,

sanitários, etc.

Figura – Manômetro com tubo bourdon

Transmissores de pressão

Hoje nos processos e controles industriais, somos testemunhas dos avanços tecnológicos como advento dos microprocessadores e componentes eletrônicos, da tecnologia Fieldbus, o uso

da Internet, etc., tudo facilitando as operações, garantindo otimização e performance dos

processos e segurança operacional. Este avanço permite hoje que transmissores de pressão,

assim como os de outras variáveis, possam ser projetados para garantir alto desempenho em

medições que até então utilizam somente a tecnologia analógica. Os transmissores usados até

então (analógicos) eram projetados com componentes discretos, susceptíveis a drifits devido à

temperatura, condições ambientais e de processo, com ajustes constantes através de potenciômetros e chaves. Com o advento da tecnologia digital, a simplicidade de uso também


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foi algo que se ganhou.Os transmissores de pressão são amplamente utilizados nos processos

e aplicações com inúmeras funcionalidades e recursos. A grande maioria dos processos

industrias envolvem medições de pressão, lembrando ainda, que pressão é uma grandeza

básica para a medição e controle de vazão, nível e densidade, etc.

Figura – Transmissor de pressão há prova de explosão.

Barômetro

É um instrumento científico utilizado em meteorologia para medir a pressão

atmosférica.Existem dois tipos de uso corrente: os barômetros de mercúrio e os barômetros

aneroides (metálicos).Inventado por Evangelista Torricelli em 1643, o barômetro de mercúrio

é composto por um tubo de vidro com uma das extremidades fechadas, uma base e mercúrio.

Primeiramente, ele encheu o tubo de vidro com mercúrio e o tampou com o dedo. Emseguida, inverteu-o e mergulhou-o na base que também continha mercúrio.A coluna de

mercúrio descia até estabilizar em 760 milímetros (ao nível do mar). Tal fato deve-se à

equiparação entre o peso da coluna de mercúrio dentro do tubo e o peso da coluna de ar

aplicados na base que contém mercúrio. Esse peso exercido sobre a base de mercúrio pelo ar é

a pressão atmosférica, a qual influencia diretamente na altura da coluna de mercúrio. Quanto

maior a pressão atmosférica, mais comprida fica a coluna de mercúrio. Em 1648, Blaise

Pascal comprovou essa dependência ao fazer o experimento a 1478 metros de altitude, de

modo que a coluna do mercúrio caía a 8,6 centímetros.Já o barômetro aneroide é menos

preciso, porém mais compacto. Consiste em uma câmara parcialmente evacuada que

comprime e expande com o aumento e diminuição da pressão, respectivamente. Essas

alterações são transmitidas a um ponteiro já calibrado à determinadas condições e unidades de

medida. Tal barômetro é comumente utilizado em barógrafos, os quais gravam continuamente

as variações de pressão.A pressão atmosférica pode ser calculada multiplicando a altura da

coluna de mercúrio pela densidade do mercúrio e pela aceleração da gravidade. Contudo, a

altura da coluna de mercúrio também é considerada uma unidade de medida para a pressão

atmosférica.Ao nível do mar, a pressão atmosférica é de cerca de 15 libras por polegada

https://pt.wikipedia.org/wiki/Instrumento_de_medidahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Press%C3%A3o_atmosf%C3%A9ricahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Press%C3%A3o_atmosf%C3%A9ricahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Merc%C3%BArio_(elemento_qu%C3%ADmico)https://pt.wikipedia.org/wiki/Aneroidehttps://pt.wikipedia.org/wiki/Evangelista_Torricellihttps://pt.wikipedia.org/wiki/Mil%C3%ADmetrohttps://pt.wikipedia.org/wiki/Press%C3%A3o_atmosf%C3%A9ricahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Gravidadehttps://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%ADvel_do_marhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Libra_(massa)#For.C3.A7a_e_massahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Polegadahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Polegadahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Libra_(massa)#For.C3.A7a_e_massahttps://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%ADvel_do_marhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Gravidadehttps://pt.wikipedia.org/wiki/Press%C3%A3o_atmosf%C3%A9ricahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Mil%C3%ADmetrohttps://pt.wikipedia.org/wiki/Evangelista_Torricellihttps://pt.wikipedia.org/wiki/Aneroidehttps://pt.wikipedia.org/wiki/Merc%C3%BArio_(elemento_qu%C3%ADmico)https://pt.wikipedia.org/wiki/Press%C3%A3o_atmosf%C3%A9ricahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Press%C3%A3o_atmosf%C3%A9ricahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Instrumento_de_medida


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quadrada, 29,9 polegadas de mercúrio ou 760 milímetros de mercúrio (760 mmHg). Isto é

equivalente a 1013,25 milibares ou 101325 Pa.Através do avanço tecnológico, atualmente,

podem-se encontrar barômetros acoplados a relógios digitais esportivos a um custo razoável.

Figura - barómetro de mercúrio.

Figura - barômetro aneroide.

Vazão

Vazão é o volume de determinado fluido que passa por uma determinada seção de um

conduto livre ou forçado, por uma unidade de tempo. Ou seja, vazão é a rapidez com a qual

um volume escoa. Vazão corresponde à taxa de escoamento, ou seja, a quantidade de material

transportado através de uma tubulação, por unidade de tempo.

Vazão Volumétrica – É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de

certa secção em um intervalo de tempo considerado. As unidades volumétricas mais comuns

são: m3/s, m3/h, l/h, l/min, GPM (galões por minuto), Nm3/h (normal metro cúbico por hora),

SCFH (normal pé cúbico por hora), entre outras.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Mil%C3%ADmetro_de_merc%C3%BAriohttps://pt.wikipedia.org/wiki/Milibarhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Pascal_(unidade)https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:SGI_barometro_olosferico_altimetrico.jpghttps://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:MercuryBarometer.svghttps://pt.wikipedia.org/wiki/Pascal_(unidade)https://pt.wikipedia.org/wiki/Milibarhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Mil%C3%ADmetro_de_merc%C3%BArio


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Q =

V = Volume

T = tempo

Q = vazão volumétrica

Vazão mássica – É definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que escoa

através de certa secção em um intervalo de tempo considerado. As unidades de vazão mássica

mais utilizadas são: kg/s, kg/h, t/h, lb/h.

Q =

M = massa

T = tempo

Qm = vazão mássica

Para medição de vazão se faz necessário rever alguns conceitos relativos a fluidos, pois os

mesmos influenciam na vazão de modo geral, que são calor especifico, viscosidade e o

Número de Reynolds

Calor especifico: há dois calores específicos distintos: o calor específico sob volume

constante e o calor específico sob pressão constante . O calor específico a pressão

constante é geralmente um pouco maior do que o calor específico a volume constante, sendo a

afirmação verdadeira para materiais com coeficientes de dilatação volumétrico positivos. Em

virtude do aumento de volume associado à dilatação térmica, parte da energia fornecida na

forma de calor é usada para realizar trabalho contra o ambiente a pressão constante e não para

aumentar a temperatura em si; o aumento de temperatura experimentado para um sistema à

pressão constante é pois menor do que aquele que seria experimentado pelo mesmo sistema

imposto o volume constante uma vez mantida a mesma transferência de energia na forma de

calor. No caso do calor específico a volume constante, toda a energia recebida na forma de

calor é utilizada para elevar a temperatura do sistema, o que faz com que - em virtude de

https://pt.wikipedia.org/wiki/Dilata%C3%A7%C3%A3o_t%C3%A9rmicahttps://pt.wikipedia.org/wiki/Dilata%C3%A7%C3%A3o_t%C3%A9rmica


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sua definição - seja um pouco menor. A diferença entre os dois é particularmente importante

em gases; em sólidos e líquidos sujeitos a pequenas variações de volume frente às variações

de temperatura, os valores dos dois na maioria das vezes se confundem por aproximação. Em

análise teórica e de precisão, contudo, é importante a diferenciação dos dois.Materiais com

dilatação anômala, como a água entre 0ºC e 4ºC, não obedecem à regra anterior; nestes casos

o calor específico a volume constante é então um pouco maior do que o calor específico a

pressão constante.

Formula do calor especifico

c =

c = calor especifico de uma substância

C = capacidade térmica de um corpo

m = massa do corpo

Viscosidade = A viscosidade de um fluido é basicamente uma medida de quanto ela gruda. A

água é um fluido com pequena viscosidade. Coisas como shampoo ou xaropes possuem

densidades maiores. A viscosidade também depende da temperatura. O óleo de um motor, por

exemplo, é muito menos viscoso a temperaturas mais altas do que quando o motor está frio.

Para fluidos que se movem através de tubos, a viscosidade leva a uma força resistiva. Esta

resistência pode ser imaginada como uma força de atrito agindo entre as partes de um fluido

que estão se movendo a velocidades diferentes. O fluido muito perto das paredes do tubo, por

exemplo, se move muito mais lentamente do que o fluido no centro do mesmo. O fluido em

um tubo sofre forças de atrito. Existe atrito com as paredes do tubo, e com o próprio fluido,

convertendo parte da energia cinética em calor. As forças de atrito que impedem as diferentes

camadas do fluido de escorregar entre si são chamadas de viscosidade. A viscosidade é uma

medida da resistência de movimento do fluido. Podemos medir a viscosidade de um fluido

medindo as forças de arraste entre duas placas.

Os tipos básicos de medidores de viscosidade são

1 Medidor rotacional: o torque requerido para girar um disco ou um cilindro e a força

requerida para mover uma placa são função da viscosidade. São medidores apropriados parafluidos não newtonianos. Exemplos: viscosímetro de Couettee o de Brookfield


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2. Medidor do fluxo através de uma restrição: inclui viscosímetro que mede o tempo para um

fluido passar através de um orifício ou de um tubo capilar, e a queda de pressão através do

capilar em vazão constante. Exemplo: viscosímetro de Ostwald, de Poiseuillee o de Ford.

3. Medidor da vazão em torno de obstruções: inclui a medição da queda vertical de uma esfera

(medidor de GlenCreston) ou o rolamento de uma esfera num plano inclinado (medidor

deHoeppler) ou a subida de uma bolha de ar. A velocidade da queda da esfera ou da subida da

bolha é função da viscosidade do fluido.

Número de Reynolds = vamos considerar novamente o movimento de um fluido através de

um tubo cilíndrico num referencial fixo no tubo. Quando o fluido se desloca com velocidade

de módulo relativamente pequeno, o escoamento é lamelar. Assim, o fluido se divide emcamadas cilíndricas coaxiais, que se movem com velocidades de módulos diferentes. A

camada mais externa, chamada de camada limite, adere à parede do tubo e tem velocidade

nula no referencial considerado. A camada central tem velocidade de módulo máximo.

Quando o módulo da velocidade do fluido excede certo valor crítico, o regime de escoamento

passa de lamelar para turbulento, exceto nas proximidades imediatas da parede do tubo, onde

a antiga estrutura de camadas permanece. Onde o escoamento é turbulento, o movimento do

fluido é altamente irregular, caracterizado por vórtices locais e um grande aumento naresistência ao escoamento.

O regime de escoamento, se lamelar ou turbulento, é determinado pela seguinte quantidade

adimensional, chamada de número de Reynolds:

D = diâmetro do tubo

= densidade

= coeficiente de viscosidade

Vm = módulo da velocidade média de escoamento do fluido

Conforme o valor do número de Reynolds o escoamento de um fluido pode ser lamelar ou

turbulento.

NR < 2 000 lamelar


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NR > 3 000 turbulentos

Se o número de Reynolds está entre 2 000 e 3 000, o escoamento é instável, podendo mudar

de um regime para outro.

Figura - Escoamento lamelar e turbulento.

Passo 02:

MEDIÇÕES DE DESLOCAMENTO, POSIÇÃO, VELOCIDADE E ACELERAÇÃO.

Sensor pode ser definido como sendo um transdutor que altera a sua característica físicainterna devido a um fenômeno físico externo — presença ou não de luz, som, gás, campo

elétrico, campo magnético etc.

Transdutor é todo dispositivo que recebe uma resposta de saída, da mesma espécie ou

diferente, a qual reproduz certas características do sinal de entrada a partir de uma relação

definida.

Posição e velocidade: potenciômetros, LVDT, encoders, absolutos e relativos e

tacogeradores.

Vibração e aceleração: acelerômetros.

Critérios para utilização de sensores

Sinal analógico: é aquele que assume um determinado valor compreendido dentro de uma

escala. Entre alguns exemplos podemos citar: o valor da pressão indicado em um manômetro,


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o valor da tensão indicado em um voltímetro, o valor da temperatura indicado em um

termômetro.

Sinal digital: é aquele que pode assumir um número finito de valores em uma determinada

escala. Entre alguns exemplos podemos citar: um relógio digital e um contador.

Sinal binário: é um sinal digital que pode assumir somente dois valores na escala: 0 ou 1.

Os sensores de deslocamento pertencem à família dos sensores de movimento amplamente

usados em aplicações industriais, automotivas, médicas e militares. Os sensores de

deslocamento, conforme o nome sugere, são usados para monitorar o movimento de uma

máquina ou outros dispositivos.

Existem diversas formas de se fazer isso e em consequência existem diversas tecnologias que

levam em conta a precisão da medida ou detecção do objeto em movimento, a sua velocidadee o tipo de objeto cujo movimento deve ser monitorado.

Existem vários tipos de sensores de deslocamento, os quais recebem as denominações

específicas dadas a seguir:

Potenciométrico - onde o objeto monitorado se comporta como o cursor de um potenciômetro.

Capacitivos - o deslocamento do objeto faz com que as armaduras de um capacitor se

aproximem e se afastem. A leitura da capacitância dá a posição do objeto.Transformador Diferencial Linear Variável ou LVDT (Linear Variable Differential

Transformer) onde o objeto cuja posição é monitorada movimenta o núcleo de um

transformador de três enrolamentos.

Codificado - onde o objeto se movimenta sobre uma superfície marcada com códigos e um

transdutor lê esses códigos indicando sua posição.

Além desses, existem outros mas para efeito de introdução ao assunto com algumas

informações importantes nos deteremos apenas neles.Vamos analisar em pormenores cada um de modo que o leitor possa perceber onde eles são

usados com mais vantagens além de outras características que possam ser importantes numa

aplicação específica.

Potenciômetro de precisão e suas principais características

• fornecem um sinal analógico para controle.

• fornecem uma informação de posição absoluta.

• apresentam baixo custo.


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• podem apresentar alterações de temperatura e variação no uso.

• não podem ser utilizados em ambientes com umidade ou poeira.

Transformadores rotativos

São transdutores que operam obedecendo o mesmo princípio de atuação dos

transformadores lineares, com características de funcionamento semelhantes,

em que apenas a variável de entrada é um deslocamento angular.

• principal utilização: sistemas em que se tenha necessidade de medição de

pequenos deslocamentos angulares, tais como lemes de direção em navios

e aviões, válvulas hidráulicas e radares em que a rotação do eixo da antena élimitada.

• principal vantagem sobre os potenciômetros de precisão: não existência

de atritos ou ruídos elétricos provocados pelo cursor do potenciômetro.

Encoders ópticos

São sensores digitais comumente utilizados para fornecer a realimentação

de posição em atuadores.

• São compostos por discos de vidro ou plástico que giram entre uma fonte

de luz (LED) e um par de fotodetectores. Assim, o disco é codificado com

setores alternados de transparência e opacidade, gerando pulsos de luz

e escuridão quando na rotação do disco.

• podem ser classificados como incrementais e absolutos.

Tacômetros

Conhecidos como tacogeradores

• convertem rotação mecânica de um eixo em tensão elétrica, ou seja, é um gerador com

tensão de saída proporcional à velocidade angular da entrada.

• podem ser utilizados como detector de erro a partir da comparação da tensão gerada com

uma tensão de referência.


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Esses dispositivos operam como um elemento diferenciador, pois a sua saída (tensão

elétrica) é igual à derivada no tempo da entrada (variação angular). Normalmente são

utilizados nas seguintes aplicações:

a) elemento de controle e/ou medida de velocidade angular;

b) diferenciador ou integrador;

c) elemento estabilizador de posição, numa realimentação denominada tacométrica.

Com o baixo custo atual dos encoders incrementais, que fornecem informações digitais, os

sensores tacométricos são cada vez menos utilizados em aplicações industriais, sendo

indicados ainda:

a) devido à facilidade de serem utilizados diretamente em malha de controle analógicautilizando amplificadores operacionais (baixo custo);

b) pelo fato de poderem ser incorporados diretamente no eixo do motor, obedecendo ao

mesmo príncipio de funcionamento de um motor girando em reverso.

Sensores para medida de aceleração

Acelerômetros Piezoelétricos são os transdutores mais largamente usados para converter aaceleração do movimento vibratório em um sinal elétrico proporcional, para propósito de

medição, monitoramento e controle. Porém, estes acelerômetros não permitem medidas de

estado constante, como a força da gravidade de terra, ou transientes muito lentos, como

aceleração ou frenagem de automóvel.

Graças a sua ampla faixa dinâmica (alcance de aceleração) podem ser empregados para medir

vibração senoidal, randômica ou transitória, como em choques e impactos passageiros. Alémdisso, possuem alta sensibilidade e ampla faixa de freqüências (0,1 a 10.000 Hz). Existem

modelos adequados para utilização em aplicações de baixíssimas freqüências, como em testes

sísmicos, ou até em freqüências muito elevadas, como em estudos de engrenagens e plalhetas

de turbina.

Considerando que acelerômetros piezoelétricos são dispositivos estáticos essencialmente

sólidos, eles são muito duráveis e resistentes ao abuso. Não há partes móveis, o que lhe

confere grande resistência e uma característica de operação confiável e repetitiva em

ambientes extremos.


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Peso e dimensões reduzidas facilitam o seu emprego em análise modal e testes de estruturas,

assim como em medições de choques experimentados por produtos empacotados durante o

transporte, para a determinação da eficácia de embalagens.

Em suma, as características do acelerômetros piezoelétricos os tem transformado no

transdutor padrão para a maioria das aplicações industriais de medidas de vibrações e

choques.

A variável de aceleração normalmente é medida pela força exercida por uma massa sísmica

mediante:

• distorção do cristal piezo (pressão);

• movimento de uma viga;

• deformação de uma massa;

• acelerômetros para a medida de vibração.

Princípio de Funcionamento de Acelerômetros Piezoelétricos

Acelerômetros Piezoelétricos são compostos por uma massa sísmica fixada sobre um cristalde quartzo ou de material piezoelétrico cerâmico sinterizado que, por sua vez, é fixado à base

do sensor, como indicado na Figura.

Bem abaixo de sua freqüência natural, essa montagem obedece aproximadamente a lei de

Newton, F = m.a, e a força transmitida pelo cristal é a necessária para que a massa sísmica

acompanhe a aceleração da base.

Uma tensão aplicada à estrutura de um cristal piezoelétrico produz uma acumulação oposta de

partículas carregadas nas faces do cristal. A carga elétrica assim gerada é proporcional à

tensão aplicada e, portanto, à força transmitida pelo cristal e à aceleração da base.

Quanto maior for a massa sísmica, maior será a tensão aplicada e, consequentemente, maior

será o sinal de saída, porém, menor será a freqüência natural e a faixa de freqüências com

sensibilidade constante.


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Figura - Princípio do Acelerômetro

Eletrodos coletam e transmitem a carga para um condicionador eletrônico de sinais, que gera

um sinal de tensão proporcional à carga e mais adequado para exibição, registro, análise e

controle.

Para que não haja perda de carga na transmissão, os cabos de conexão entre sensor e

condicionador devem ter baixa capacitância. Por essa razão, alterações de capacitância dos

cabos, devido à mau contato ou deformações, podem provocar perdas de sensibilidade. Além

disso, vibrações elevadas nos cabos podem provocar oscilações de capacitância, gerando

ruído elevado (efeito triboelétrico).

Para contornar essas severas limitações, nos acelerômetros modernos, denominados

transdutores ICP (Integrated Circuit Piezoeletric), os sinais de carga são transformados em

sinais de tensão elétrica através de microamplificadores eletrônicos, embutidos no próprio

sensor, dispensando assim o uso de condicionadores externos e cabos especiais e eliminando

as limitações acima expostas.

Sensores de orientação e posicionamento

a) velocidade longitudinal;

b) rotação em torno de um eixo longitudinal (roll) – eixo x;

c) rotação em torno de um eixo de arfagem ( pitch) – eixo y;

d) rotação em torno de um eixo de guinada ( yaw) – eixo z.

Sistema de controle de um avião


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Sensores Relutivos e Eletromagnéticos

O fenómeno da indução eletromagnética, e em particular da indução mútua entre bobinas, é

amplamente utilizado para implementar sensores ou transdutores de grandezas não-eléctricas

em grandezas eléctricas. Fabricam-se transdutores deste tipo que medem o deslocamento, a

posição, a velocidade, a aceleração, a força, o torque, a pressão, entre outras grandezas, uns

designados relutivos e outros eletromagnéticos. Como se verá adiante, a diferença entre estas

duas classes de transdutores reside mais na forma como o fluxo magnético é desenvolvido,

cuja variação uma ou várias bobinas acopladas devem detectar sob a forma de uma forçaeletromotriz induzida, e menos no fenómeno subjacente ao seu funcionamento.

Os sensores ditos relutivos associam a variação na grandeza não-eléctrica a uma variação nos

coeficientes de indução mútua entre uma bobina primária e um ou vários enrolamentos

secundários. A bobina primária é excitada com uma corrente eléctrica sinusoidal (a qual

desenvolve um fluxo magnético sinusoidal no núcleo), sendo a grandeza não-eléctrica

detectada através da medição da variação na amplitude, ou da diferença entre as forçaseletromotrizes induzidas nas bobinas que constituem o secundário.


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Na figura apresenta-se o esquema simplificado de um dos transdutores relutivos mais comuns

- designado LVDT, do inglês Linear Variable Differential Transformer. Um LVDT é

basicamente um transformador com ponto médio (também designado diferencial; ver Figura

13.12 no ponto 13.3.2 deste capítulo). A principal diferença reside no facto de o núcleo

magnético ser móvel e se encontrar fixo ao objeto cujo deslocamento se pretende medir. Neste

sensor, a variação da posição do núcleo altera os coeficientes de indução mútua entre os

enrolamentos primário e secundário, tendo como consequência a alteração da diferença entre

as forças eletromotrizes induzidas nos dois enrolamentos secundários. Este transdutor

caracteriza-se por uma relativa linearidade entre a diferença de potencial medida na saída e o

deslocamento operado sobre o núcleo magnético. Esta classe de transdutores, com algumasvariantes, é utilizada quer na medição do deslocamento, da velocidade e da aceleração de

objetos, quer na medição da força exercida.

Tal como os relutivos, os transdutores eletromagnéticos associam a variação numa grandeza

não-eléctrica a uma variação na força eletromotriz induzida aos terminais de uma ou mais

bobinas. No entanto, e ao contrário daqueles, os sensores eletromagnéticos não são excitados por qualquer corrente eléctrica, limitando-se a detectar as variações no fluxo magnético

desenvolvido por exemplo por um íman.

Na figura indica-se o exemplo de um sensor de velocidade de tipo eletromagnético, designado

transdutor linear de velocidade. Este dispositivo consiste basicamente numa bobina cujo

núcleo é um íman móvel, responsável pelo fluxo magnético que atravessa as espiras da bobina

fixa. Ao movimento do íman encontra-se associada uma variação no fluxo magnético totalque atravessa as espiras da bobina, sendo assim induzida uma força eletromotriz aos terminais


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respectivos. A diferença de potencial é tanto mais elevada quanto maior for o ritmo de

variação do fluxo magnético, portanto crescente com a velocidade de deslocamento do íman.

SENSORES DE VELOCIDADE (PICKUPS DE VELOCIDADE)

Um sensor típico de velocidade (Sísmico) é mostrado esquematicamente na Figura. Dentro do

corpo do sensor, há uma bobina enrolada em uma massa suspensa por uma mola e envolvida

por um ímã permanente fixo à carcaça.

O sistema de suspensão é projetado para apresentar uma baixíssima frequência natural, a fimde que a bobina permaneça estacionária em frequências acima de 8 ?10 Hz. Dessa forma o

sensor de velocidade é um transdutor absoluto, que mede a velocidade da vibração do ponto

ao qual é fixado, com relação a um ponto fixo no espaço.

Um meio amortecedor, tipicamente um óleo sintético, é geralmente adicionado para exercer

um amortecimento crítico na frequência natural do sistema massa? Mola e estender sua

resposta plana abaixo de 10 Hz.


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Figura - Sensor de Velocidade (Sísmico)

Quando o sensor de velocidade é conectado a uma superfície vibratória, o movimento relativo

entre o ímã fixo à superfície vibratória e a bobina estacionária faz com que as linhas de fluxo

magnético do ímã permanente "cortem" a bobina, induzindo nela uma voltagem proporcional

à velocidade de vibração.

Assim, um sensor de velocidade é um aparelho autogerador que produz um sinal de baixa

impedância que pode ser usado diretamente com equipamentos de análise ou monitoramento,

sem qualquer condicionamento adicional de sinal.

A curva de resposta de sensibilidade versus frequência de um sensor de velocidade é limitada

em baixas frequências pela primeira frequência natural criticamente amortecida (ver Figura

6). A altas frequências, sua, resposta é limitada pela quantidade de movimento necessária para

vencer a inércia do sistema bem como pela presença de frequências naturais de ordem

superior. Na prática, um sensor de velocidade típico é limitado a frequências entre

aproximadamente 10 a 2.000 Hz.

Devido ao fluido de amortecimento, um sensor de velocidade pode ser limitado a operar

dentro de uma faixa relativamente estreita, de temperatura. Existem, no entanto, unidades

especiais, dotadas de amortecimento elétrico, capazes de operar em temperaturas superiores a

180 °C.

Figura - Sensibilidade Típica de Sensores de Velocidade


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Esse tipo de sensor deve ser carregado com um valor específico de resistência a fim de

satisfazer suas características de projeto. Se utilizado com um instrumento, como um

osciloscópio, diferente daquele para o qual ele foi projetado, pode haver necessidade de se

empregar um resistor shunt para prover a impedância de saída adequada para se obter o

amortecimento necessário.

Por dispensar cabos especiais ou condicionamento de sinal sofisticado. o sensor de velocidade

tem mantido uma posição favorecida em aplicações onde não se requer resposta em altas

frequências, como em equipamentos portáteis de baixo custo e em balanceados.O sensor de velocidade é um aparelho eletromecânico com partes móveis que podem se

danificar com certa facilidade. Consequentemente, tem sido gradualmente evitado em

aplicações onde se requer resistência a ambientes hostis. Além disso, possui peso e dimensões

elevadas e faixa de frequência limitada, quando comparado com sensores de aceleração.

Nesta etapa foi citado somente alguns tipos de sensores transdutores de medição posto que há

uma gama de sensores de medição. Contudo mostrou-se a importância dos sensores na cadeiade medição. Nenhum deles é utilizado para o mesmo fim, cada transdutor é utilizado para um

conjunto de máquinas e aplicações diferentes. Podemos apontar o princípio de funcionamento,

a grandeza medida, ou seja o deslocamento, aceleração e velocidade, a gama de frequências e

o tipo de aplicação pretendida. O transdutor mais utilizado é o acelerómetro, pois este abarca

um maior campo de aplicações, enquanto os outros tipos de sensores utilizam-se para

aplicações mais específicas.

Passo 03:

MEDIÇÕES DE VIBRAÇÃO

Para a captação de vibrações, são utilizados sensores a que se dá o nome de transdutores de

vibração mecânica. Existem vários tipos de sensores, sendo o acelerómetro o mais utilizado


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devido à sua enorme versatilidade, enquanto outros sensores se resumem a aplicações muito

específicas

O sensor de deslocamento aplica-se no caso de ser uma instalação permanente, enquanto o

sensor de velocidade é de aplicação mais restrita devido ao seu peso e fragilidade de

componentes internos. Apesar de só possibilitar a recolha de frequências entre 10 e 1000 Hz,

apresenta como grande vantagem o facto de ser autogerador, o que permite enviar o sinal

elétrico a grandes distâncias por cabo, permitindo trabalhar a altas temperaturas.

Antes de se efetuar qualquer análise, a vibração tem de ser convertida num sinal elétrico,

sendo essa tarefa desempenhada pelos transdutores. Estes convertem uma forma de energia(sinal vibratório mecânico existente na superfície da máquina), noutra forma de energia,

normalmente em sinais elétricos caraterísticos da vibração do equipamento, cuja forma de

onda está relacionada com o movimento mecânico. A relação entre a forma de onda mecânica

e a forma da onda elétrica, depende do tipo de transdutor utilizado na transformação de sinal e

no tipo de tratamento dado a esse sinal pelo aparelho analisador. A complexidade da

instrumentação de medida e as técnicas de análise podem variar substancialmente, mas em

todos os casos, o transdutor de vibrações é o ponto mais crítico na cadeia de medição, porquesem um sinal rigoroso os resultados da analises não serão fiáveis.

Os transdutores são colocados em diversos pontos da máquina, para recolhas nas direções

radial e axial, podem ser utilizados de várias formas, através de base ponteira, base magnética,

base roscada ou colada para um controle permanente.

Na prática, os sinais de vibração consistem geralmente de inúmeras frequências, que ocorremsimultaneamente. De imediato, não se pode observá-las analisando as respostas de amplitude

com relação ao tempo na tela de um osciloscópio, nem determinar quantos componentes de

vibração há e onde eles ocorrem.

Com a utilização da técnica de análise de frequência, pode ser construído um espectrograma

de frequência, ou seja, um histograma que relaciona a amplitude (ou nível) do sinal com a sua

respectiva frequência.


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Quando analisamos as vibrações de um sistema, normalmente encontramos um grande

número de frequências periódicas, as quais estão diretamente relacionadas aos movimentos

das diversas peças do sistema. Portanto, através da análise de frequência podemos descobrir a

causa da vibração indesejada.

Medição e acelerômetros

A amplitude da vibração pode ser quantificada de diversas maneiras, tais como: nível picoa-

pico, nível de pico, nível médio e o nível quadrático médio ou valor eficaz (ou RMS – Root

Mean Square). A figura 2 apresenta as diversas formas de se quantificar as vibrações.

Figura - Representação da intensidade da vibração. Fonte: Fernandes, 2000.

O valor pico-a-pico indica a máxima amplitude da onda senoidal e é usado, por exemplo,

onde o deslocamento vibratório da máquina é parte crítica na tensão máxima de elementos de

máquina. O valor de pico é particularmente usado na indicação de níveis de impacto de curta

duração. O valor médio é usado quando se quer se levar em consideração um valor da

quantidade física da amplitude em um determinado tempo. O valor RMS é a mais importante

medida da amplitude porque ele mostra a média da energia contida no movimento vibratório -

mostra o potencial destrutivo da vibração (Fernandes, 2000), (Marques, 2007).


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O princípio de funcionamento do transdutor de aceleração, baseia-se nos cristais

piezoeléctricos, que depois de sujeitos à compressão, geram um pequeno sinal elétrico

proporcional à aceleração.

Quando se encontra em funcionamento, o transdutor acompanha a vibração transmitida pelo

equipamento em estudo, a massa no interior do transdutor tende a manter-se estacionária no

espaço. Um transdutor sensível à aceleração denomina-se por acelerómetro, e este é fixado

numa superfície em movimento, onde haverá um deslocamento provocado pela força motriz F

que dá origem ao movimento. Esta força é igual ao produto da aceleração com a massa

sísmica.

O tamanho do acelerómetro (massa, sísmica.), vai influenciar a gama de frequências utilizável

e a sua sensibilidade. Regra geral, quanto maior for o acelerómetro, maior a sua sensibilidade

e menor a gama de frequência máxima utilizável.

O intervalo de frequência em que os acelerómetros trabalham situa-se abaixo da sua primeira

frequência natural. A sua sensibilidade é medida em milivolts por unidade de aceleração “g” e

é aproximadamente constante até 1/5 da frequência de ressonância. Por esse motivo, é

aconselhável o uso do acelerómetro até este limite superior de frequência.

A variedade de sensores de vibração oferecidos é grande, pois um sensor de vibração tem

muitas características diferentes que podem variar, incluindo a medição de fatores

relacionados, como resposta de frequência, sensibilidade e precisão. Características físicas,

como classificação de temperatura, tamanho e orientação dos conectores, também devem ser

consideradas.

REFERÊNCIAS

http://pt.slideshare.net

http://professorpetry.com.br/Ensino/Repositorio/Docencia_UFSC/Materiais_EEL_7051/ 7_Materiais_Piezoeletricos.pdf

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atps cristiano -pronto- hoje-.pdf

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