Baixe Sensores de Temperatura: Caracterização e Compreensão e outras Esquemas em PDF para Redes de Sensores Sem Fios, somente na Docsity!
AUTOR: PROF. Marcus Valério Rocha Garcia
- Disciplina : AUTOMAÇÃO
- INTRODUÇÃO Ã SENSORES INDUSTRIAIS
- PROJETO INTEGRADOR
- SENSOR DE TEMPERATURA DE MONITORAMENTO E DE CONTROLE DISCRETO
- SENSOR DE TEMPERATURA DE CONTROLE PROPORCIONAL
- SENSOR DE NÍVEL
- SENSOR DE PRESSÃO
- SENSOR DE FORÇA E TORQUE
- SENSOR DE PRESENÇA...................................................................................................
- VAZÃO E VISCOSIDADE
- TIPOS DE INTERFACE PARA COMPUTADOR
- CONTROLE AUTOMATICO DE PROCESSO
- ANALISADORES
- CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS SE MEDIÇÃO
- SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO
- MODULAÇÃO ANALÓGICA E DIGITAL
- FIELD BUS
CAPÍTULO 01
1) INTRODUÇÃO Ã SENSORES INDUSTRIAIS
RESUMO
Definição de sensores, transdutores, transmissor, amplificador e repetidor; Cuidados com instalação de sensores; Classificação dos sensores;
VOCÊ SABIA...
Os tubarões são os animais mais capacitados sensorialmente, tem uma capacidade fantástica de perceber estímulos de todos os tipos, é capaz de perceber uma gota de sangue em um milhão e meio de gotas de água a uma distância de 30 metros. O olfato é fantástico, e a sua audição e a linha unilateral estão relacionadas e funcionam como radares para perceber vibrações na água. São dotados de sensores elétricos e por isso são capazes de perceber a sua presa pelos impulsos elétricos, que todo corpo possui em volta de si, e os tubarões são capazes de percebê-lo. A sua visão no escuro chega a ser melhor que a de um gato. http://www.geocities.com/maquaticos/curiosotub.htm
1.1) Sensor: É um dispositivo que recebe um sinal - estímulo - e responde através de um sinal
elétrico. Entende-se como estímulo a quantidade, propriedade ou condição que é detectada e
convertida em sinal elétrico.
1.2) Transdutor: É um dispositivo que transforma um tipo de energia noutro tipo de energia.
O termo sensor não deve ser confundido com transdutor. Este último converte um tipo de
energia noutro, enquanto que o primeiro converte qualquer tipo de energia em energia elétrica. (Um
alto falante, por exemplo, é um transdutor, mas não é um sensor!)
Contudo, um sensor pode integrar na sua constituição um transdutor.
1.3) Segurança e Integridade do Sinal
Transmissor: Gera um sinal padrão para ser transmitido
Amplificador: Aplica um ganho no sinal
Repetidor: Amplifica e recupera sinal fraco com distorções
1.4) Cuidado com a instalação de sensores
2.3) DEFINIÇÃO DOS COMPONENTES
Leds IR
Funciona da mesma forma que o LED comum, porém emite uma luz infravermelha (invisível). O funcionamento de um led recptor consiste basicamente : quando ele recebe um sinal infravermelho ele permite que a corrente o atrvesse.
Fototransistores
O fototransistor é mais um dispositivo que funciona baseado no fenômeno da fotocondutividade. Ele pode, ao mesmo tempo, detectar a incidência deluz e fornecer um ganho dentro de um único componente. Como o transistor convencional, o fototransistor é uma combinação de dois diodos de junção, porém, associado ao efeito transistor aparece o efeito fotoelétrico. Em geral, possui apenas dois terminais acessíveis, o coletor e o emissor, sendo a base incluída apenas para eventual polarização ou controle elétrico.
Transistor NPN
O NPN recebe uma tensão no coletor e uma corrente de base na base muito baixa, e conforme essa corrente varia, varia igualmente a corrente que passa entre o coletor e o emissor. Quando atinge a corrente de base de saturação o transistor conduz em sua capacidade máxima! O ganho obtido entre corrente de base e corrente de emissor pode variar entre transistores diferentes, e pode ser calculado dividindo a corrente de emissor máxima e a corrente de base máxima.
Transistor Darlington
A configuração Darlington é uma delas e caracteriza-se pela sua simplicidade. Consiste na ligação direta de dois transistores de forma a que o resultado seja equivalente a um único transistor de grande ganho.
Diodo Retificador
Sua característica principal é a regulação de tensão: na polarisação reversa, mantem as tensõe em seus terminais constante, compensando a variação da tensão aplicada com a vriação da corrente. Este comportamento se deve ao fato de que o diodo é fabricado para funcionar na região de ruptura onde um diodo retificador não funciona.
Resistor
O escoamento de cargas através de um material encontra oposição de uma força semelhante, em muitos aspectos, ao atrito mecânico. Esta oposição, resulta das colisões entre elétrons e átomos do material, que converte energia elétrica em calor, é chamada de resistência do material. Uma outra forma de descrever o princípio de funcionamento de um resistor é enunciando a lei de ohm: a tensão aplicada em um resistor, pela corrente que por ele flui é igual a resistência deste dispositivo.
Capacitor Eletrolítico
Os Capacitores Eletrolíticos de alumínio, entre os diversos tipos de capacitores disponíveis, são extremamente importantes nos circuitos eletrônicos, principalmente porque apresentam valores elevados de capacitância em volume reduzido.
Capacitor Poliéster
Um capacitor ou condensador é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica. Para a identificação dos valores do capacitor de poliéster é usado um conjunto de 7 faixas coloridas (conforme tabela), embora seja um método em desuso pelos fabricantes, no qual cada faixa representará respectivamente:primeiro algarismo,segundo algarismo, algarismo multiplicador, tolerância e tensão.O valor é obtido em pF.
2.4) FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO
Os LEDS D1 e D2 são emissores de infravermelho e Q1 e Q2 são foto transistores. D1 compõem um sensor com Q1. Quando Q1 recebe o sinal de D1, refletido pela cor branca, este entra em condução levando Q ao corte (corrente Ic = 0). Assim Q5 é polarizado de maneira direta pelo resistor R5 e passa a conduzir fazendo o motor funcionar. Isto também vale para D2, Q2, Q4, R7 e Q6. Quando D1 e Q1 são posicionados sobre a cor preta, não existe mais a reflexão dos raios infravermelhos de D1 e Q2 é levado ao corte. Quando isso acontece, Q3 passa a conduzir, polarizado por R1 levando Q5 ao corte, então o motor para de girar. Os diodos D3 e D4 protegem os transistores Q5 e Q6 contra correntes reversas provocadas pelo motor. Os capacitores C1 e C2 são filtros para o circuito. A alimentação é feita através de quatro pilhas pequenas. A chave S1 liga e desliga o robô.
Portanto CALOR : energia em trânsito que é transferida por meio da fronteira de um sistema termodinâmico em virtude de uma diferença de temperatura.
SISTEMA TERMODINÂMICO : quantidade de matéria de massa e identidade fixas para as quais nosso estudo é dirigido. Tudo o mais externo do sistema é chamado de vizinhança ou exterior.
FRONTEIRA DE UM SISTEMA : interface que delimita o espaço denominado sistema, separando-o da vizinhança. As figuras a seguir nos permitem visualizar um Sistema Termodinâmico formado por um recipiente contendo gás á uma temperatura inicial de 20ºC , e que após ser aquecido foi á 120ºC.
PIROMETRIA : Medição de altas temperaturas.
CRIOMETRIA : Medição de baixas temperaturas.
TERMOMETRIA :Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria, como a Criometria que seriam casos particulares de medição.
3.1.2) Modos de transferência da Energia Térmica
3.1.2.1) Condução : A condução é um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa , dentro de um sólido , líquido , ou gasoso , ou entre meios diferentes em contato físico direto.
3.1.2.2) Radiação : é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa , quando estão separados no espaço , ainda que exista vácuo entre eles.
3.1.2.3) Convecção : é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor , armazenamento de energia e movimento da mistura. A convecção é mais importante como mecanismo de transferência de energia (calor) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás. Ex: panela no fogo antes do momento da fervura , aquecedor solar.
3.1.3) Escalas de Temperatura
3.1.3.1) Escala Fahrenheit : Criada em 1714, convencionou-se 0°F ponto em que a temperatura medida era a mais baixa conhecida , a temperatura de fusão de uma mistura de partes iguais de cloreto de sódio (NaCl, vulgarmente conhecido por sal de cozinha), cloreto de amônio (NH4Cl) e gelo fundente (gelo picado e água pura). Como ponto fixo superior, escolheu a temperatura normal do corpo humano (provavelmente a sua própria ou de sua esposa ) Para facilitar a leitura, dividiu o espaço entre o ponto inferior e superior em cem partes iguais, atribuindo os valores de 0ºF e 100ºF , aos pontos fixos inferior e superior, respectivamente. Diz-se, lendariamente, que Fahrenheit escolheu como ponto inferior a temperatura do dia mais frio de 1727, na Islândia; além disso, o ponto fixo superior teria sido medido numa pessoa febril, pois a temperatura de uma pessoa sadia normal é de 98,6 ºF.
3.1.3.2) Escala Celsius : Nasceu centígrada por definição, já que havia cem graus entre os pontos de gelo e vapor de água, tendo sido tomado arbitrariamente como referencia o valor zero para o gelo e cem para o vapor. Seu criador foi Anders Celsius.
Esta escala lê-se em graus Celsius - e, não, como alguns teimam, erradamente, em graus centígrados, por o intervalo entre os pontos fixos ser dividido em cem divisões iguais. (Observe-se que, seguindo o mesmo raciocínio, a escala Fahrenheit também deveria ser referida por graus centígrados - o intervalo entre os seus pontos fixos também se subdivide em cem divisões iguais!!)
3.1.3.3) Escala Kelvin: Criado por Willian Thomson que em 1832, descobriu que a descompressão dos gases provoca esfriamento e cria a escala de temperaturas absolutas. O valor da temperatura em graus Kelvin é igual ao grau Celsius mais 273,16.
3.1.3.4) Escala Rankine: A escala Rankine possui o mesmo zero da escala Kelvin, porem sua divisão é idêntica a da escala Fahrenheit.
Escala de Temperatura Celsius Kelvin Fahrenheit Rankine
Unidade (símbolo) grau Celsius (°C) kelvin (K ) grau Fahrenheit (°F) grau Rankine (°R)
Temperatura de ebulição da água 100 °C 373,15 K 212 °F 671,67 °R
Temperatura de fusão do gelo 0 °C 273,15 K 32 °F 491,67 °R
Número de divisões da escala entre os dois pontos anteriores
100 100 180 180
Zero absoluto – 273,15 °C^ 0 K^ – 459,67 °F^ 0 °R
3.1.4.2) Termômetros á pressão de gás: seu funcionamento baseia-se na Lei de Gay-Lussac, com a variação da temperatura do gás o seu volume altera-se tendo assim uma variação da pressão interna do termômetro. Os gases que podem ser utilizados nesses termômetros são o hélio, hidrogênio, dióxido de carbono, e o mais utilizado nitrogênio. O bulbo é preenchido com gás a alta pressão, onde o volume é constante. Conforme a variação de temperatura o gás sofre expansão ou contração térmica, variando a pressão que expandirá ou contrairá o tudo de Bourdon (sensor volumétrico), movendo assim o ponteiro que indicará a temperatura. O limite inferior de temperatura deve-se à própria temperatura crítica do gás e a superior provém do recipiente apresentar maior permeabilidade ao gás.
3.1.4.3) Termômetros á pressão de Vapor: seu funcionamento é baseado na “Lei de Dalton”. “A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume”. Para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro, portanto ocorre uma variação na pressão dentro do capilar. Tipos de gases: Cloreto de Metila, Bulano, Éter, Etílico, Tulueno, Dióxido de Enxofre, Prepano. Com a variação de temperatura o gás sofre uma expansão ou contração térmica resultando assim em uma variação da pressão.
3.1.4.4) Termômetros á dilatação de sólidos: o par bimetálico é enrolado em forma de espiral ou hélice, o que aumenta a sensibilidade. Sua extremidade superior é fixa a um eixo o qual possui na ponta um ponteiro que girará sobre uma escala de temperatura. Seu funcionamento é baseado no fenômeno da flexão térmica, que ocorre sempre que se justapõem duas laminas metálicas de materiais diferentes fixando-as uma a outra. A flexão dar-se-á para o lado do metal com o menor coeficiente de dilatação.
Invar são ligas à base de Ni (Níquel) e Fe (Ferro), que apresentam a propriedade de um baixo coeficiente de dilatação térmica
3.2) SENSOR DE TEMPERATURA PARA CONTROLE DE PROCESSOS DISCRETOS
3.2.1) Termostatos: A função do termostato é impedir que a temperatura de determinado sistema varie além de certos limites preestabelecidos. Um mecanismo desse tipo é composto, fundamentalmente, por dois elementos: um indica a variação térmica sofrida pelo sistema e é chamado elemento sensor; o outro controla essa variação e corrige os desvios de temperatura, mantendo-a dentro do intervalo desejado. Termostatos controlam a temperatura dos refrigeradores, ferros elétricos, ar condicionado e muitos outros equipamentos. Exemplo de elemento sensor são as tiras bimetálicas, constituídas por metais diferentes, rigidamente ligados e de diferentes coeficientes de expansão térmica. Assim, quando um bimetal é submetido a uma variação de temperatura, será forçado a curvar-se, pois os metais não se dilatam igualmente. Esse encurvamento pode ser usado para estabelecer ou interromper um circuito elétrico, que põe em movimento o sistema de correção.
- Níquel : medição de -60ºC a 180ºC
- Platina : medição de -248ºC a 962ºC, é o metal mais utilizado na construção de termômetros de resistência , pela sua faixa de utilização , boa linearidade e melhor resistência a oxidação.
4.1.1) Termômetros de Resistência de Platina Padrão (TRPP) : Esta configuração é adotada nos termômetros que são utilizados como padrão de interpolação na Escala Internacional de temperatura de 1990 (ITS90) , suas principais características construtivas são : a) O elemento sensor é feito de Platina com pureza melhor que 99,999% b) Sua montagem é feita de modo que a Platina não fique submetida a tensões c) São utilizados materiais de alta pureza e inércia química , tais como quartzo na fabricação do tubo e mica na confecção do suporte do sensor de Platina
4.1.2) Termômetro de resistência de Platina Industrial (TRPI) : As diversas configurações de montagem deste tipo de termômetro visam adequá-lo à grande variedade de possibilidades de utilização em uma planta industrial , na qual haverá desde condições simples de operação até as mais agressivas. As TRPP tem Ro = 25,5Ω , já as TRPI tem Ro = 100Ω , isto devido a TRPI utilizar Platina com teor de pureza menor , da ordem de 99,99% , devido a contaminação prévia feita com o objetivo de reduzir contaminações posteriores durante a sua utilização
4.1.3) Termoresistências Pt-100 : As termoresistências Pt-100 são as mais utilizadas industrialmente.
Vantagens : a) Possui maior precisão dentro da faixa de medição (-270ºC à 660ºC) do que outros tipos de sensor. b) Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação c) Dispensa o uso de fios e cabos de extensão e compensação para ligação, sendo necessário somente fios de cobre comuns. d) Tem características de estabilidade e repetibilidade melhores do que os termopares.
Desvantagens : a) São mais caras do que os sensores utilizados nesta mesma faixa. b) Deterioram-se com mais facilidade, caso haja se ultrapasse a temperatura máxima de utilização. c) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação. d) Possui um tempo de resposta mais alto que os termopares.
HISTERESES: forma de energia residual resultante de todo fenômeno físico não reversível. É comum na maioria dos metais e demais substâncias.
Bulbo Histerese típica (% do Span)
Cerâmico 0,
Filme fino 0,
Vidro 0,
4.1.4) Ligação de um Termoresistor : Para circuitos de medição com termômetros de resistência sempre se faz necessária um fonte de tensão, normalmente de 6V. Utilizam-se as pontes de Wheatstone para transformar as variações de resistência em variações de tensão. As resistências dos cabos ( RL1 e RL2), podem causar interferência no valor real da resistência do termoresistor, desta maneira, existem vários tipos de montagens que podem ser realizadas, buscando minimizar esse efeito: (a) dois fios, (b) três fios e (c) quatro fios.
4.3.2) Termistores : existem duas variedades básicas de termistores:
- Os de coeficiente positivo de temperatura (PTC)
- Os de coeficiente negativo de temperatura (NTC)
4.2) TERMISTORES
4.2.1) Termistor PTC : é um resistor semicondutor sensível à temperatura. Seu valor de resistência aumenta rapidamente quando uma determinada temperatura é ultrapassada. Exemplos de utilização: fusíveis, chave interruptora, aquecedores, sensores de nível e outros.
4.2.2) Termistor NTC : São termistores de coeficiente negativo de temperatura (NTC), ou seja, a resistência diminui com o aumento da temperatura. O tipo NTC é mais usual na medição e controle de temperatura. O termistor NTC é um dos sensores de temperatura que dão a maior variação da saída por variação de temperatura, mas a relação não é linear. Baixa temperatura máxima, outro fator que limita o uso industrial. Uma aplicação típica de termistores é na proteção de circuitos de potência.
Circuito equivalente, Rv é a resistência interna do voltímetro. RT é a resistência dos fios do termopar acrescido dos fios que levam o sinal ao instrumento. Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par termoelétrico em função da temperatura, obtém-se, em geral, uma relação do tipo mostrado no gráfico da figura 5. A curva mostrada no gráfico é denominada de curva de calibração do par termoelétrico. A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente, não é linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como se o fosse (veja a reta 1).
Curva de calibração de um par termoelétrico
A partir do gráfico pode-se definir uma grandeza denominada de potência termoelétrica do termopar,
dada por: P = dε/dT ou para um intervalo de temperatura: P = ∆ε/∆T A potência termoelétrica representa a sensibilidade de resposta (∆e) do par termoelétrico com a variação de temperatura (∆T).
Termopares Comerciais
Na maioria dos casos, sobretudo em aplicações industriais, o instrumento de medida e o termopar necessitam estar relativamente afastados. Desta forma, os terminais do termopar poderão ser conectados a uma espécie de cabeçote, e, a partir deste cabeçote são adaptados fios de compensação (praticamente com as mesmas características dos fios do termopar, porém mais baratos) até o instrumento.
Termopar com fios de compensação
Na montagem apresentada na figura acima, o sinal lido no instrumento é proporcional a (T 1 - T 3 ), já que os fios de compensação possuem as mesmas características do termopar (é como se existisse um único termopar). Note que, se os fios fossem de cobre (fios comuns) o sinal lido pelo instrumento seria proporcional a (T 1 - T 2 ).
4.3.1) Associação Série de Termopares : dois ou mais termopares podem ser associados em série simples , é usada quando se pretende obter a soma das F.E.M. individuais.
4.3.3) Associação Paralela de Termopares : ligando dois ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento , o valor registrado por este corresponderá à média das mV geradas nos diversos termopares. Aplicação : Inserir os termopares para medir a temperatura média ao longo de uma barra de aço
4.3.4) O Efeito Peltier: em 1834, Jean Peltier, mostrou, através de experimentos, que quando se passa uma pequena corrente elétrica através da junção de dois fios diferentes, em uma direção, a junção se resfria, e assim absorve calor de sua vizinhança. Quando a direção de corrente é invertida, a junção se aquece. E assim libera calor para a vizinhança.
Quando se introduz um gerador em um circuito formado por um par termoelétrico com ambas extremidades unidas e à mesma temperatura inicial, ao circular uma corrente elétrica "I" pelo circuito, observa-se que em uma das junções ocorre um resfriamento T, enquanto na outra junção ocorre um aquecimento de mesmo valor. Ao se inverter o sentido da corrente elétrica inverte-se também o efeito de aquecimento e resfriamento nas junções. O efeito Peltier pode ser descrito como uma espécie de "bomba de calor", que "sulga" calor de um dos lados, e o dissipa do lado oposto. Isto significa que temos um lado frio e um lado quente. O lado frio, é o que sulga o calor, que naturalmente é o que ficará e contato com o processador, enquanto o lado quente em geral é fixado a um cooler convencional, que ajuda a dissipar o calor gerado, evitando que o peltier se superaqueça. Como o peltier deve cobrir toda a área de contato do processador, existem peltiers de vários tamanhos.
4.4) MEDIÇÃO DE TEMPERATURA SEM CONTATO
4.4.1) Método da Radiação: Um grande problema é a aplicação de termômetros de contato na medição de temperaturas de corpos em movimento. O sensor de temperatura deve ler a mesma temperatura do corpo que está sendo medido. Ao desejarmos determinar as variações de temperatura na superfície de um objeto, um aparelho não conectado pode rapidamente passar por toda a superfície. Para resolver-se este tipo de problema, foram desenvolvidos os Sensores de Radiação, mais comumente denominados “PIRÔMETROS”. Principais famílias de Pirômetros:
- Pirômetro de Radiação
- Pirômetro Óptico
4.4.1.1) Pirômetros de Radiação: Os sensores de temperatura de radiação operam com radiação eletromagnética cujo comprimento de onda esteja na faixa visível e no infravermelho que vai de 0,3 a 0,72 μ. Um corpo negro ideal é aquele que absorve (em todas temperaturas) toda a radiação que incide nele e sua potência absortiva será 1, independentemente da direção da radiação. Na prática, a maioria dos corpos não se comporta dessa maneira e possuem, conseqüêntemente, uma potência absortiva menor do que 1. Um corpo negro ideal também se comporta como um irradiador ideal. Assim, um corpo negro ideal emite mais energia do que um corpo comum. Essa “Potência Emissiva” pode ser chamada “Emissividade” e no caso do corpo negro, vale 1. As emissividades não são propriedades simples dos materiais tal como a densidade, porém, depende da dimensão do corpo, forma, aspereza da superfície, etc.... Esta dependência de outras grandezas leva à incerteza nos valores numéricos das emissividades, que são um dos principais problemas nas medidas de temperaturas por radiação.
