instrumentação elemento sensor

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Instrumentaça ̃o Industrial
Prof. M.Sc. Moisés Pereira Bastos
Conteúdo da Aula Anterior - Aula 04
 Instrumentos de Medição
 Aplicações da Medição
 Sistemas de Medição
Conteúdo da Aula 05
 Elemento Sensor
 Sensores Mecânicos 
 Sensores Eletrônicos
Elemento Sensor
 O elemento sensor é o componente do instrumento que 
converte a variável física de entrada para outra forma 
mais usável. 
 A grandeza física da entrada geralmente é diferente 
grandeza da saída.
Elemento Sensor
 Exemplos de sensores são:
 1. o tubo bourdon que se deforma elasticamente quando 
submetido a uma pressão,
 2. o strain gauge que varia a resistência elétrica em função 
da pressão exercida sobre ele;
 3. o sensor bimetal que varia o formato em função da 
variação da temperatura medida,
 4. o termopar que gera uma militensão em função da 
diferença de temperatura entre dois pontos;
Elemento Sensor
 Se há mais de um elemento sensor no sistema, o 
elemento em contato com o processo é chamado de 
elemento sensor primário, os outros, de elementos 
sensores secundários.
Terminologia
 De um modo geral, transdutor é o elemento, dispositivo 
ou instrumento que recebe a informação na forma de 
uma quantidade e a converte para informação nesta 
mesma forma ou outra diferente.
 Aplicando este definição, são transdutores: elemento 
sensor, transmissor, transdutor corrente para pneumático 
(i/p) e pneumático para corrente (p/i), conversor 
eletrônico analógico para digital (A/D) e conversor digital 
para analógico (D/A).
Terminologia
 Segunda a norma ISA 37.1 (1982) a terminologia 
recomendada é a seguinte:
 1. elemento sensor ou elemento transdutor para o 
dispositivo onde a entrada e a saída são ambas não-
padronizadas e de naturezas iguais ou diferentes.
 2. transmissor para o instrumento onde a entrada é não-
padronizada e a saída é padronizada e de naturezas iguais 
ou diferentes.
 3. transdutor para o instrumento onde a entrada e a 
saída são ambas padronizadas e de naturezas diferentes.
Princípios de Transdução
 Dependendo da natureza do sinal de saída, os sensores 
podem ser classificados como:
1. mecânicos
2. eletrônicos
Princípios de Transdução
 Praticamente, toda variável de processo pode ser medida 
eletronicamente e nem toda variável pode ser medida
mecanicamente. 
 O pH, por exemplo, só pode ser medido por meio 
elétrico.
Princípios de Transdução
 As principais vantagens do sinal eletrônico sobre o 
mecânico são:
 não há efeitos de inércia e atrito,
 a amplificação é mais fácil de ser obtida
 a indicação e o registro à distância são mais fáceis.
Exemplo
Sensores Mecânicos
 O elemento sensor mecânico recebe na entrada a 
variável de processo e gera na saída uma grandeza 
mecânica, como movimento, força ou deslocamento, 
proporcional à variável medida.
Sensores Mecânicos
 O elemento sensor mecânico não necessita de nenhuma 
fonte de alimentação externa para funcionar; ele é 
acionado pela própria energia do processo ao qual está 
ligado.
 Exemplos de elementos sensores mecânicos:
 Espiral, para a medição de pressão;
 Enchimento termal, para temperatura;
 Placa de orifício, para a vazão
Sensores Eletrônicos
 O elemento sensor eletrônico recebe na entrada a 
variável de processo e gera na saída uma grandeza 
elétrica, como tensão, corrente elétrica, variação de 
resistência, capacitância ou indutância, proporcional a esta 
variável.
 Há elementos sensores eletrônicos ativos e passivos.
Sensores Eletrônicos
 Os elementos ativos geram uma tensão ou uma corrente 
na saída, sem necessidade de alimentação externa. 
Exemplos:
 1. cristal piezelétrico para a pressão
 2. termopar para a temperatura
 3. eletrodos para a medição de pH.
 Os circuitos que condicionam estes sinais necessitam de 
alimentação externa.
Sensores Eletrônicos
 Os elementos passivos necessitam de uma polarização 
elétrica externa para poder medir uma grandeza elétrica 
passiva para medir a variável de processo. 
 As grandezas elétricas variáveis são: a resistência, a 
capacitância e a indutância.
Sensores Eletrônicos
 Exemplo de elementos sensores passivos eletrônicos:
 1. resistência detectora de temperatura
 2. célula de carga (strain gauge) para a medição de pressão 
e de nível,
 3. bobina detectora para a transdução do sinal de 
corrente para o sinal padrão pneumático.
Sensores Eletrônicos
 Os elementos sensores eletrônicos podem ser dos 
seguintes tipos:
 1. capacitivo
 2. indutivo
 3. piezoelétrico
 4. potenciométrico
 5 strain gauge
 6. fotocondutivo
 7. fotovoltáico
 8. termelétrico
 9. ionizante
Sensor Capacitivo
 O sensor capacitivo converte a variável de processo 
medida em uma variação da capacitância elétrica. 
 Um capacitor consiste de duas placas condutoras de área 
A separadas por um dielétrico (ε) por uma distância d.
 Capacitor é um componente que armazena energia num 
campo elétrico.
Sensor Capacitivo
 Assim, a variação de capacitância pode ser causada:
 pelo movimento de um dos eletrodos (placas), alterando 
a distância d
 pela variação da área das placas
 pela variação do dielétrico entre as duas placas fixas.
Sensor Capacitivo
 Atualmente, a maioria dos transmissores eletrônicos usa 
cápsulas capacitivas para a medição de pressão 
manométrica, absoluta ou diferencial.
Sensor Capacitivo
 Sensor capacitivo de toque simples
 Os sensores capacitivos de toque são baseados na 
capacidade eléctrica do corpo humano. Quando, por 
exemplo, um dedo se aproxima do sensor, cria uma 
capacidade para a terra com um valor entre 30 pF e 100 
pF. 
 Este efeito pode ser utilizado para construir um 
interruptor por toque.
Sensor Indutivo
 O sensor indutivo converte a variável de processo 
medida em uma variação da auto-indutância elétrica de 
uma bobina. 
 As variações da indutância podem ser causadas pelo 
movimento de um núcleo ferromagnético dentro da 
bobina ou pelas variações de fluxo introduzidas 
externamente na bobina com núcleo fixo.
Sensor Indutivo
Sensor piezoelétrico
 O sensor piezoelétrico converte uma variável de 
processo medida em uma variação de carga eletrostática 
(Q) ou tensão (E) gerada por certos materiais quando 
mecanicamente estressados. 
 O stress é tipicamente de forças de compressão ou 
tração ou por forças de entortamento exercida no cristal 
diretamente por um elemento sensor ou por um elo 
mecânico ligado ao elemento sensor.
Sensor piezoelétrico
 Sensor piezoelétrico torna motores elétricos mais 
suaves e com melhor rendimento
 “O sensor capta a oscilação de torque com uma precisão 
muito elevada, permitindo que o sinal seja utilizado em 
um sistema de controle de feedback para minimizar a 
variação”
Sensor piezoelétrico
Sensor potenciométrico
 O sensor potenciométrico converte a variável de 
processo medida em uma variação de relação de 
voltagens pela variação da posição de um contato móvel 
(wiper) em um elemento resistivo, através do qual é 
aplicada uma excitação. 
 A relação dada pela posição do elemento móvel é 
basicamente uma relação de resistências.
Sensor potenciométrico
 São sensores usados para a medida direta, o teste e a 
monitoração de deslocamentos mecânicos. 
Sensor Strain gauge
 O sensor strain gauge converte a variável de processo 
medida em uma variação de resistência em dois ou 
quatro braços da ponte de Wheatstone. 
 Este princípio de transdução é uma versão especial da 
transdução resistiva, porém, ela envolve dois ou quatro 
sensores strain gauges resistivos ligados em uma ponte de 
Wheatstone polarizada, de modo que a saída é uma 
variação de voltagem.
Sensor Strain gauge
 Muito utilizado em balanças digitais
Sensor Fotocondutivo
 O sensor fotocondutivo converte a variável de processo 
medida em uma variação de resistência elétrica (ou 
condutância) de um material semicondutor devido à 
variação da quantidade de luz incidente neste material.
Sensor Fotovoltáico
 O sensorfotovoltáico converte a variável de processo 
medida em uma variação de tensão elétrica de um 
material semicondutor devido à variação da quantidade 
de luz incidente em junções de certos materiais 
semicondutores.
Sensor Fotovoltáico
Sensor Termoelétrico
 O sensor termoelétrico converte a variável de processo 
medida em uma variação de força eletromotriz gerada 
pela diferença de temperatura entre duas junções de dois 
materiais diferentes.
Sensor iônico
 O sensor iônico converte a variável de processo medida 
em uma variação da corrente de ionização existente 
entre dois eletrodos.
Sensor iônico
 Sensor iônico de fumaça com sistema autônomo 
de aviso