AULA 03 - SENSORES E TRANSDUTORES

Prévia do material em texto

Sensores e Transdutores
VITÓRIA - ES
MARÇO DE 2021
Rede de Ensino DOCTUM
Automação da Produção
Prof. Rúben C. Barbosa
Introdução
Instrumentação: é a ciência que estuda, desenvolve e aplica instrumentos de
medição e controle de processos;
Sensor: é um dispositivo que responde a um estímulo físico/químico de maneira
específica e mensurável analogicamente;
Transdutor: é um dispositivo que transforma um tipo de energia em outro,
utilizando para isso um elemento sensor.
https://br.omega.com/guides/PressXducers.html
Introdução
O uso de instrumentos em processos industriais visa a obtenção de um produto
de melhor qualidade com menor custo, menor tempo e com quantidade
reduzida de mão de obra;
◦ Incrementar e controlar a qualidade do produto;
◦ Aumentar a produção e o rendimento;
◦ Obter e fornecer dados seguros da matéria prima e quantidade produzida além de ter em
mãos dados relativos à economia dos processos
Introdução
Em algumas situações a quantidades que queremos medir são grandezas
elétricas;
Por exemplo:
◦ Impulsos nervosos (tensão);
◦ Condutividade da água (resistência);
◦ Fluxos de partículas carregadas (corrente), etc.
Nestes casos as técnicas de medição são relativamente simples, a dificuldade é
especificar qual tipo de eletrodo utilizador e como tratar o sinal adquirido;
Pode-se encontrar impedâncias muito elevadas, ou sinais muito fracos.
Introdução
Comumente um “transdutor” de algum tipo é necessário para converter um
sinal físico em uma grandeza elétrica;
Por exemplo:
◦ Temperatura;
◦ Luminosidade;
◦ Campo magnético;
◦ Tensão ou deformação superficial;
◦ Aceleração;
◦ Intensidade do som;
◦ Etc.
Eletrônica
1947: A invenção do transistor revoluciona a 
eletrônica. 
1958: Surge o primeiro circuito integrado, 
possibilitando a compactação em escala ampla.
1961: O primeiro circuito integrado lógico. 
1965: PDP-8, o primeiro computador digital 
largamente utilizado em controle de processos.
Eletrônica Analógica
A instrumentação baseada na eletrônica analógica ganha força com o advento
dos amplificadores operacionais.
Transmissores Analógicos
Transmissores a 2 fios:
◦ Alimentação (24 Vdc) e comunicação (4 a 20 mA) no mesmo par de fios
Transmissores a 4 fios:
◦ Alimentação (110 Vac): 
Saída digital
Saída 4 a 20 mA
Medição de Temperatura
Termômetros
Dilatação de Líquido
Dilatação de Sólido
Substância
Fusão 
(°C)
Ebulição 
(°C)
Faixa de Uso 
(°C)
Mercúrio -39 +357 -38 a 550
Álcool Etílico -115 +78 -100 a 70
Tolueno -92 +110 -80 a 100
Temperatura - Termopares
Transdutores de temperatura tem um grande número de indicadores de
performance: Faixa de temperatura, precisão, repetibilidade, conformidade para
uma curva universal, tamanho, e preço;
Termopares: é uma junção entre dois metais com características diferentes que
gera uma tensão muito pequena, na ordem de milivolts, com um coeficiente
médio de 50uV/°C;
Utilizando-se diversos pares de ligas metálicas é possível mensurar temperaturas
de -200°C até +2500°C com um acurácia razoável (0,5-2°C);
Características termoelétricas das ligas são bem conhecidas.
Temperatura - Termopares
A figura mostra o circuito clássico do termopar;
Cada par é feito com a soldagem dos dois metais criando uma junção;
É necessário a existência de uma junção de referência;
O circuito do termopar entrega uma tensão dependente da temperatura nas 
duas junções.
Termopares
Temperatura - Termopares
Junções de referência: colocar em
um local com temperatura
conhecida (gelo a 0°C) ou um
circuito externo para
compensação da temperatura
(AD590).
Temperatura - Termopares
Temperatura - Termistores
São dispositivos semicondutores que exibem um coeficiente de resistência
negativo com a temperatura, tipicamente cerca de -4%/°C.
São diponibilizados em todos os tipos de encapsulamentos, desde pequenas
esferas de vidro até sondas blindadas;
São bons para medir temperaturas de -50°C até +300°C;
Deve-se ficar atento a dissipação termica (< 1mW);
Exemplo: NTC 10k;
O próximo slide mostra diversas formas de obtenção de tensão.
Temperatura - Termistores
Temperatura - Termômetros de 
Resistência de Platina
Consistem de uma simples bobina de fio de platina pura, que tem um
coeficiente de temperatura positivo de cerca de 0,4%/°C;
São extremamente estáveis com tempo de conformidade pequeno e exatidão de
cerca de 0,02-0,2°C para um curva padrão;
São indicados para temperaturas entre -200°C até +1000°C.
Temperatura - Termômetros de 
Resistência de Platina
Temperatura – Sensores de Temperatura 
IC
Circuitos impressos de alta exatidão;
Utilizados para mensurar entre -50°C e 
125°C;
Exemplos:
◦ LM35A;
◦ LM34A (°F);
◦ LM335A;
◦ LM334;
◦ AD590.
Temperatura – Outros Medidores
Termômetro de Quartzo: a mudança da frequência ressonante de uma cristal de
quartzo pode ser utilizada para medir a temperatura;
Pirômetros e termógrafos: é um método sem contato de medição de
temperatura, visualiza-se um objeto incandescente e o compara-se com o
filamento no interior do pirômetro, para isso controla-se a corrente no
filamento. Medições de 750°C – 3000°C;
Também podem ser utilizados detectores de raios infravermelhos para construir
pirômetros, medições de -30°C até 5400°C.
Pirômetro e Termográfia
Medição de Intensidade 
de Luz
Intensidade da Luz – Fotodiodos e 
Fototransístores
A junção de um diodo funciona como um detector de luz: luz cria pares de
elétrons, e portanto corrente flui para o circuito externo;
Fotodiodos são encapsulados em materiais transparentes;
São ótimos detectores quando existem um nível alto de luminosidade, porém
fracos em corrente quando em baixos níveis de luminosidade;
O fototransístor tem uma corrente consideravelmente maior que a do
fotodiodo, porém um pouco mais lento.
Intensidade da Luz – Light Dependent
Resistor (LDR)
LDR ou fotoresistência é um componente eletrônico passivo do
tipo resistência variável com o iluminamento;
Tipicamente, a medida que o iluminamento aumenta a
resistência diminui;
É composto por um material semicondutor com elevada
resistência elétrica;
A luz incidida sobre o semicondutor libertam os elétrons para a
banda condutora que irão melhorar sua condutividade e assim
diminuir sua resistência.
Intensidade da Luz – Outros Medidores
Fotomultiplicadores: converte a luz em corrente elétrica. Utilizado para medir
pequenas grandezas em um tempo muito pequeno. É baseado no efeito
fotoelétrico;
Intensidade da Luz – Outros Medidores
CCDs, Intensificadores, SITs, ISITs, e dissecadores de imagem.
Medição de 
Deslocamento
Deslocamento (mudança de posição)
Linear variable differential transformer (LVDT): pode-se construir um
transformador com um núcleo móvel, excitar uma das suas bobinas com AC, e
medir a tensão induzida no segundo conjunto. O secundário tem tap central e
fica no meio simétrico ao primário.
Tensão (alongamento relativo)
Strain gauge: mede alongamento ou flexão sujeitando um arranjo de quatro
resistências de filme fino de metal a deformação. São ligados em forma de ponte
de Wheatstone, e pega-se a diferença de tensão entre seus terminais.
Tensão (alongamento relativo) e 
Deslocamento (mudança de posição)
A- Corte do arranjo de um LVDT;
B- Esquema de um LVDT;
C- saída do LVDT versus o
deslocamento;
D- Arranjo esquemático do Strain
Gauge.
Tensão (alongamento relativo) e 
Deslocamento (mudança de posição)
Transdutores Capacitivos: são muito sensíveis, construídos com duas placas
paralelas espaçadas, ou duas placas e uma suspensa entre elas;
Ângulo: pode ser um LVDT em versão angular, ou como um goniômetro, até
mesmo raios de luz podem ser utilizados;
Interferômetro: medidor altamente preciso de posição, medições são feitas com
raios de laser e espelhos colocados no objeto, a acurácia do método depende do
comprimento de onda da luz;
Ultrassom: velocidade do som no meio é conhecido, quando ocorre a reflexão
do som e este volta o sensor, sabe-se a distância ao objeto.
Medição de Pressão
15 mbar
PressãoPressão é conceituada como força normal por unidade de área, representada
por: psi, bar, atm, Pa, N/m (SI), etc.
Pressão absoluta: entre o ponto em particular e o vácuo;
Pressão manométrica: entre a pressão desconhecida e a atmosfera;
Pressão diferencial: entre duas pressões desconhecidas;
Pressão
Pressão atmosférica: é a pressão exercida pela camada de ar sobre a superfície
terrestre. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente 760 mmHg.
Pressão
PRESSÃO
ATMOSFÉRICA
( REFERÊNCIA )
PRESSÃO
MANOMÉTRICA
( Positiva)
PRESSÃO 
MANOMÉTRICA
(Negativa ou Vácuo)
VÁCUO
ABSOLUTO
PRESSÃO
ABSOLUTA
760 mmHg
0 mmHg
Pressão
Tubo em U (a);
Indicador Campânula (b);
Indicador Diafragma (c);
Indicador Bourdon (d);
Indicador por sílicio (e).
d
e
a
c
b
Pressão e Força
Sensores piezoelétricos: são utilizados para medir pressão, aceleração, tensão
ou força;
Converte as grandezas em um sinal elétrico proporcional a deformação causada
pela força sobre ele;
A corrente interna pode ser calculada pela lei de Ohm em que a tensão é
aproximadamente igual a resistência.
Pressão e Força
Aceleração, Pressão, Força, Velocidade
Acelerômetros: são straing gauges ligados em uma massa conhecida ou um
transdutor capacitivo ligado a uma massa e esses sentem a mudança de posição
da massa;
Pressão: LVDT, strain gauges, transdutores capacitivos e osciladores de quartzo
são utilizados;
Força: LVDT ou strain grauges são utilizados, para maiores precisões quartzo
pode ser utilizado;
Velocidade: transdutores magnéticos, a tensão induzida é proporcional a
velocidade, desta forma a velocidade pode ser obtida a partir da tensão gerada.
Também pode ser medida a partir da variação de posição.
Medição de Vazão
15 m3/h
Vazão
É definida como a quantidade de fluído que passa por um determinado local,
durante um intervalo de tempo;
É aplicado onde se necessita conhecer a quantidade de produtos utilizados para
dosagens, contáveis e também para a verificação do rendimento do processo.
Medidores de Vazão
A partir da medida da perda ou queda de pressão através de uma restrição
colocada em uma tubulação já podemos determinar a vazão;
Para medir a vazão por diferenças de pressões usam-se instalações que se
compõem:
◦ Elemento primário: dispositivo de restrição que produz diferença de pressão;
◦ Elemento secundário: dispositivo que mede a diferença de pressões produzida pela restrição;
◦ Elemento terciário: indicador, registrador e/ou controlador de vazão.
Vazão
Podem ser de três tipos fundamentais:
◦ Indiretos;
◦ Diretos;
◦ Especiais.
Medidores de quantidade: pesagem 
(balanças) ou volumétricos (hidrômetros).
Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4
Entrada Saída
Medição de Vazão – Perda de Carga 
variável
Vazão
Tubo de Pitot: dois tubos, um é colocado de modo a sentir a pressão estática e
cinética do fluido, e o outro apenas a pressão estática;
Tubo de Venturi: medição de vazão em fluido que contenha grande quantidade
de sólido em suspensão e para fluidos altamente viscosos;
Bocal de Vazão: uso semelhando ao tubo de Veturi, porém mais econômico;
Placa de Orifício: elemento mais simples, e de menor custo, é feita uma tomada
de pressão diferencial.
Medição de Nível
Nível
É a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um
sólido;
MEDIÇÃO DIRETA MEDIÇÃO INDIRETA MEDIÇÃO 
DESCONTÍNUA
− Réguas ou Gabaritos;
− Visores de Nível;
− Bóia ou Flutuador;
− Displacer (empuxo);
− Pressão diferencial 
(diafragma);
− Borbulhador;
− Capacitância;
− Ultrassônico;
− Por pesagem;
− Por raio gama;
− Chave de nível 
vibratória 
(diapasão);
− Bóias;
− Eletrodos;
Nível – Medição Direta
500
499
498
497
496
2
1
Régua ou Gabarito Visores de Nível (vidro)Tipo Tubular
Nível – Medição Direta
Plano (Reflex ou Transparente)
Nível – Medição Direta
Boia ou Flutuador
Nível – Medição Indireta
Medição de nível por pressão hidrostática
◦ A medição é baseada no Teorema de Stevin, que relaciona o nível de um reservatório com a
pressão hidrostática gerada pela coluna líquida de produto dentro do reservatório.
◦ 𝑃 = ℎ 𝑑𝑟
P = pressão em mmH2O
h = nível em mm
dr= densidade relativa
do líquido em relação à
água na temperatura ambiente.
Transmissores 
de Nível
v
Medição de Nível por Pressão 
Hidrostática
Medição de Nível por Pressão 
Hidrostática
PL = Patm PL = Patm
PH = h . d + Patm PH = h . d + Patm
PH = 0 . 1,2 + Patm PH = 3000 . 1,2 + Patm
PH = 0 mmH2O + Patm PH = 3600 mmH2O + Patm
∆P = PH – PL ∆P = PH – PL 
∆P = 0 + Patm – Patm = 0 mmH2O ∆P = 3600 + Patm – Patm =3600 mmH2O
Medição de Nível – Radar Onda Guiada
Através de um gerador de radiofrequência localizado no interior do
equipamento, pulsos eletromagnéticos são guiados através de uma sonda em
contato com o processo cujo nível se deseja medir.
As ondas, ao entrarem em um meio com constante dielétrica diferente,
retornam pela sonda devido à mudança da impedância desse meio.
Medição de Nível – Radar Onda Guiada
Medição de Nível - Ultrassom
É uma onda sonora, cuja frequência de oscilação é 
maior que 20 kHz;
O mais utilizados, usam ondas mecânicas de até 50 
kHz, emitidas por cristais osciladores;
Não indicado para ambientes com espumas, bolhas;
vapores e gases; agitação, turbulência; incrustações e
outros obstáculos interno.
Referências
Leitura complementar: SENAI, 2003. Instrumentação Industrial.
Norma: ISA D 5.1, 2008.
Obrigado!