Pesquisa de Sensores.

Introdução:
Sensores são parte de uma grande quantidade de equipamentos eletrônicos
modernos. Encontramos nas aplicações comuns, como aparelhos de uso
doméstico, industrial, médico, embarcado e muitos outros. Neles encontramos
sensores de pressão, temperatura, movimento, etc. Todos estes sensores
possuem especificações que devem ser entendidas por qualquer um que
deseje utilizá-los em um projeto. Neste artigo, abordamos as principais
especificações utilizadas com sensores comuns, assim como a terminologia
que é própria desta categoria de transdutores
Newton C. Braga
Um sensor ou transdutor capacitivo é um condensador que exibe uma variação
do valor nominal da capacidade em função de uma grandeza não elétrica. Uma
vez que um condensador consiste basicamente num conjunto de duas placas
condutoras separadas por um dielétrico, as variações no valor nominal da
capacidade podem ser provocadas por redução da área frente a frente e da
separação entre as placas, ou por variação da constante dielétrica do material.
Os sensores capacitivos permitem medir com grande precisão um grande
número de grandezas físicas, tais como a posição, o deslocamento, a
velocidade e a aceleração linear ou angular de um objeto; a humildade, a
concentração de gases e o nível de líquidos ou sólidos; a força, o torque, a
pressão e a temperatura; mas também detectar a proximidade de objetos, a
presença de água e de pessoas, etc.
Hoje em dia existe uma grande variedade de aplicações que utilizam sensores
capacitivos, de forma discreta ou integrada. Por exemplo, são bastante comuns
os sensores capacitivos de pressão, (caso dos microfones), de aceleração, de
fluxo de gases ou líquidos, de humildade, de compostos químicos como o
monóxido de carbono, dióxido de carbono, azoto, de temperatura, de vácuo, de
nível de líquidos, de força, de deslocamento, etc., uns detectando as variações
na espessura do elétrico, outros na constante elétrica. A detecção da variação
da capacidade é geralmente efetuada através da medição da carga acumulada,
por exemplo através da aplicação de uma tensão constante, ou então
indiretamente através da variação da frequência de oscilação ou da forma de
onda à saída de um circuito, do qual o sensor é parte integrante. Na Figuras 1
apresentam-se os esquemas simplificados de alguns dos sensores capacitivos
mais vulgarmente utilizados.
Em Figura 1.a considera-se o caso de um sensor capacitivo de deslocamento.
Neste sensor os dois elétron dos são fixos e estão separados por uma película
r>1),
que
se pode deslocar lateralmente em conjunto com o objeto cujo movimento se
pretende medir. O deslocamento da película altera a proporção entre as partes
dos elétrodos separadas por ar e pela película de material dielétrico, que se
traduz numa variação linear da constante dielétrica do conjunto e, em
conseqüência, da capacidade do condensador. Na prática existem diversas
variantes deste princípio básico, utilizadas por exemplo na construção de
transdutores em rotores e exatores de motores.
Figura 1 Sensores capacitivos de deslocamento (a), de umidade (b) e de som
(c)
Na Figura 1.b ilustra-se o esquema de princípio de um sensor capacitivo de
umidade (designado sensor higrométrico), o qual basicamente explora a
dependência da constante dielétrica de alguns materiais com o teor de água no
ar ambiente. O dielétrico é neste caso constituído por uma película fina de um
material simultaneamente isolador e higroscópico o qual, dada a natureza
porosa de um dos dielétricos, se encontra em contacto com o ambiente cuja
umidade relativa se pretende medir.
O microfone de eletreto constitui uma das aplicações mais comuns dos
sensores capacitivos de pressão, neste caso particular designados
transdutores de som. Como se ilustra na Figura 1.c, os microfones deste tipo
são basicamente constituídos por um diafragma que vibra em função da
frequência e da amplitude das ondas sonoras incidentes (constituindo um dos
eletrodos do condensador), uma película fina de um material permanentemente
polarizado (de elevada constante dielétrica), e um segundo eletrodos metálico
e fixo. A vibração do diafragma induz uma variação na capacidade do
condensador, que é posteriormente processado e amplificado eletronicamente.
Sensores Fotoelétricos de Água
Uma aplicação crítica com o uso dos sensores fotoelétricos é na detecção de
nível ou fluxo de água, uma vez que a água é transparente. No entanto,
existem soluções interessantes como os sensores da série EZ-10 daSunx, cujo
distribuidor no Brasil é a Metaltex . Estes sensores podem atuar até mesmo
com a penetração em recipientes opacos, detectando a presença de líquido no
seu interior. Neste artigo damos uma breve visão de seu princípio de
funcionamento
Newton C. Braga
A idéia básica dos sensores fotoelétricos capazes de detectar água consiste
em se empregar uma potência de penetração elevada. Desta forma, o feixe de
radiação pode passar inclusive pela parede de recipientes translúcicos como
tanques FPA, embalagens de cosméticos como shampoo, etc. Desta forma,
estes sensores podem detectar a presença de líquidos no interior desses
recipientes. Diversos deles podem ser utilizados para detecção de nível.
A aplicação é semelhante a de outros tipos de sensores fotoelétricos comuns.
Um emissor e um sensor são colocados de modo que a luz do emissor passa
através do meio em que o líquido deve ser detectado. As alterações da
intensidade da luz recebida na presença do líquido permitem detectar a sua
presença. Na figura 1 temos o comportamento do sensor para diversos tipos
de materiais.
Observe que no caso de haver uma atenuação muito grande pelo material,
torna-se difícil detectar as pequenas variações da condução da luz que um
líquido transparente como a água causa. Porém, com os recursos oferecidos
por estes sensores isso é possível, e além disso, a confiabilidade é grande.
Uma série de sensores deste tipo é a EZ-10 da Sunx (representada pela
Metaltex) que possui configurações com transistores NPN e PNP em coletor
aberto. Esses sensores possuem uma faixa de detecção de 5 metros (sem
considerar o container ou canalização). Na figura 2 observamos uma aplicação
típica para detectar o nível de líquido em um reservatório.
Uma outra aplicação interessante é na detecção da separação entre óleo e
água num reservatório ou canalização, conforme mostra a figura 3.
Finalmente, temos na figura 4 uma aplicação em que um sensor deste tipo é
usado para detectar a presença de líquidos dentro de recipientes coloridos,
como garrafas PET, cosméticos, etc. Este tipo de sensor proporciona uma
excelente confiabilidade nesta detecção.
Na figura 5 ilustramos o diagrama interno simplificado, onde observamos o
transistor NPN de saída em coletor aberto com sua conexão a uma carga
externa.
Para a versão com transistor PNP temos o diagrama de conexões e circuito
interno exibido na figura 6.
Outras características importantes dos sensores da série EZ-10 são:
• Elemento emissor: infravermelho;
• Corrente consumida pelo emissor: 25 mA;
• Corrente máxima de coletor dos transistores nas duas versões: 100 mA;
• Tempo de resposta: 12 ms;
• Proteção contra curto-circuito incorporada;
• Especificado para ambientes industriais;
• Pesos das unidades; 45 g (emissor) 50g (sensor);
• Faixa de sensoriamento: 5 m;
• EMC: EN50081-2, EN50082-2, EN60947-5-2;
• Faixa de tensões de alimentação: 12 a 24 V +/- 10%.
Informações completas sobre estes sensores e outros sensores fotoelétricos
distribuidos pela Metaltex podem ser obtidas no seu site .
*Originalmente publicado na revista Saber Eletrônica - Nº432 - Jan/09
Extraído do Portal Saber Eletrônica Online - Todos os direitos reservados www.sabereletronica.com.br
Sensores de Temperatura TC620/621
Na sua linha de produtos, a Microchip disponibiliza os sensores de temperatura
de estado sólido TC620 e TC621. Eles podem ser programados externamente
e interfacear diretamente o equipamento de controle. Confira alguns circuitos
de aplicação para estes componentes!
Newton C. Braga
A diferença entre os sensores TC620 e TC621 é mínima. Enquanto o TC620
possui o sensor interno, o TC621 utiliza um termistor externo. No entanto, o
diagrama de blocos dos dois componentes é semelhante, conforme podemos
ver pela figura 1.
A saída normal é a C em que temos o acionamento no modo de refrigeração,
com o acionamento no nível alto. A saída H, por outro lado, é a opção de
aquecimento, com o acionamento no nível baixo. O leitor poderá obter
informações detalhadas sobre o funcionamento destes componentes no
datasheet DS21429.
No caso do TC620, como ele utiliza um sensor interno para que o próprio
componente não se aqueça com a corrente consumida e de excitação,
alterando assim a medida, ela deve ser limitada a 1 mA.
Já o TC621 pode fornecer ou drenar correntes até 10 mA, e como o sensor é
externo, esta corrente não vai alterar a temperatura do dispositivo, introduzindo erros.
Na figura 2 temos um controle de aquecimento ou refrigeração utilizando um
TC620 e um TC4469, Driver CMOS quádruplo. Para obter a faixa desejada, é
preciso empregar um potenciômetro que forneça uma variação de 22° C (29° C
- 7° C = 22° C). Para obter a resistência de- sejada para o potenciômetro
multiplica-se esta temperatura pela relação resistência versus temperatura:
Um potenciômetro de 20 ou 22 k ohms se ajusta a esta aplicação. O passo
seguinte é calcular cada resistor de programação. O valor mínimo será dado
por:
Considerando-se o valor de 20 k ohms para o potenciômetro temos:
Colocando de volta este valor no cálculo da resistência verificamos que a
máxima variação de temperatura é maior do que a faixa desejada:
Para programar uma histerese para o termostato, o resistor que fixa o limite
baixo deve ser menor em valor que o resistor que fixa o limite alto. Uma relação
de resistência x temperatura de 782 ohms/ °C para temperaturas abaixo de 70°
C serve de padrão para o cálculo da histerese. Para uma histerese de 5° C
temos que a diferença de resistências deve ser:
Subtraindo 3,91 k ohms de 96,5 k ohms, obtemos o valor do resistor que fixa o
limite inferior do ajuste.
Podem então ser utilizados os valores mais próximos dos calculados com
tolerância de 1%:
Com a ajuda do potenciômetro pode-se, então, ajustar dentro da faixa desejada
de temperaturas a ação do circuito.
A etapa de potência conta com um quádr uplo driver CMOS que pode fornecer
até 300 mA de corrente para acionamento direto de relés ou outros dispositivos
de potência. Os TC620/621, por outro lado, podem operar com tensões de
alimentação de 4,5 V a 18 Vdc.
Termostato de 24 VAC
O circuito que apresentamos a seguir foi projetado para operar com uma fonte
de alimentação de 24 Vac obtida do secundário de um transformador ligado à
rede de energia. Este circuito excita relés de 24 V para o controle de potência.
Neste circuito, os relés de 24 VAC são excitados por TriACs. Esta configuração
visa minimizar os custos do projeto. Com a utilização de uma chave adicional,
pode-se ter uma linha de 5 fios para o controle doméstico de sistemas de
ventilação.
Neste circuito, o princípio de operação é o mesmo do anterior, observando que
os mesmos resistores para fixar o limite superior e inferior da faixa de atuação
são utilizados. A regulagem da tensão de 15 V que alimenta o circuito é feita
por um diodo zener, e a redução da tensão por um resistor de 750 ohms. A
etapa de potência é a mesma do circuito anterior com um driver CMOS
TC4469. O circuito é mostrado na figura 3.
Controlador para Aquecimento Solar de Piscina
O circuito proposto utiliza como sensor um NTC com uma resistência nominal
de 100 k ohms a 25° C. No entanto, a disponibilidade de uma saída
complementar no TC621 possibilita o uso de um PTC. Evidentemente, com
novos cálculos, pode-se empregar termistores com outras características.
A finalidade deste circuito é detectar quando o sol está aquecendo os painéis
solares e então acionar a bomba que faz a circulação da água. Quando o
tempo se torna encoberto, a temperatura do sensor baixa e com isso a bomba
é desligada, parando a circulação da água.
A histerese do circuito nesta aplicação é alistada em 20° F. Essa histerese é
importante para que a bomba não fique ligando e desligando de modo
intermitente no limiar da temperatura ajustada. Na figura 4 temos o circuito
proposto.
Conclusão
Os sensores de temperatura utilizados nos projetos apresentados têm uma
grande versatilidade, podendo ter sua gama de aplicações bastante estendida.
O que vimos neste artigo são apenas algumas das possíveis aplicações.
Sugerimos que o leitor consulte a literatura disponível no site da Microchip para
obter mais informações.
*Originalmente publicado na revista Saber Eletrônica - Nº433 - Fev/09
Extraído do Portal Saber Eletrônica Online - Todos os direitos reservados www.sabereletronica.com.br