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Sensores

Baseado no Livro: Engenharia de Automao Industrial Ccero Couto de Moraes e Plnio de Lauro Castrucci Editora LTC, Rio de Janeiro, 2001.

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Sensores Segue descrio dos principais dispositivos sensores

de variveis mecnicas (posio, velocidade, etc). Em processos qumicos, trmicos, etc., h muitos

outros tipos de sensores (pH, temperatura, composio qumica, cor, etc.);

Grande parte dos sensores so elementos de campo que agem como coletores de dados analgicos e digitais;

Transdutores: so dispositivos que transmitem sinais sob uma forma de energia de um sistema para outro sistema, nesse segundo caso sob a forma eltrica.

Sensores: so dispositivos que podem conter um ou mais transdutores e cujo sinal de sada pode ser um simples contato, uma chave ou um nmero binrio.

Categorias de sensores e transdutores: o Trmicos o ticos o Magnticos o Eletromecnicos

1 - Chaves Chaves Manipuladas pelo operador do Processo:

o A botoeira ou chave push-button uma das formas mais simples usadas no controle de

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entradas, para iniciar ou interromper o funcionamento de equipamentos.

o As chaves de p so usadas quando o operador necessita das mos para exercer outra atividade enquanto opera o equipamento.

Chaves-Limite ou de Fim de Curso

o As chaves-limite de fim de curso so usadas para detectar a posio de objetos ou materiais. Os transportadores, portas, elevadores, vlvulas etc. usam as chaves-limite de fim de curso para fornecer informaes sobre a posio fsica do equipamento. A chave-limite de fim de curso, assim como sensores de proximidade, a serem vistos posteriormente, tm mecanismo de acionamento que estabelece ou interrompe um contato eltrico. No caso das chaves, os mecanismos de acionamento esto disponveis, e os mais comuns so a alavanca rolante e a alavanca de forquilha.

o As chaves seletoras incorporam uma operao ou um mecanismo de chaveamento que apresenta vrias posies.

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Chaves de Nvel

o As chaves de nvel tm a funo de monitorar o nvel de lquido em um reservatrio. So usadas normalmente em tanques, depsitos e, medida que se altera o nvel do lquido, o dispositivo de flutuao se desloca, abrindo ou fechando um contato eltrico.

Chaves de Fluxo

o Uma chave de fluxo utilizada para detectar vazo de um fluido tal como ar, gua, leo ou gs. O rotor se movimenta com a vazo do fluido ativando um contato eltrico que, com o mesmo objetivo das chaves analisadas anteriormente, ser utilizado como entrada do controlador programvel.

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Chaves de Presso o As chaves de presso so utilizadas para

detectar o nvel de presso de um fluido em um recipiente. Normalmente, so utilizadas para informar ao sistema de controle ou ao operador a ocorrncia de uma condio de presso excessiva.

o As chaves de presso usam um fole que aciona contatos eltricos, garantindo abertura e fechamento dos mesmos. Quando a presso no fole ultrapassa a tenso predeterminada da mola, a chave ativada.

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Chaves de temperatura

o As chaves de temperatura so normalmente do tipo bimetlico e bulbo/capilar; usam contatos de chaveamento, ao passo que as chaves termopares usam sadas de estado slido. Em qualquer aplicao, quando a temperatura do processo ultrapassa um valor especificado, os contatos se movimentam, passando a informao ao controlador programvel.

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2 - Transdutores de posio Os transdutores de posio fornecem um sinal de tenso em relao a um deslocamento ao longo de uma linha ou rotao em relao a um eixo. Potencimetros resistivos

o Consistem em um elemento resistivo com um contato mvel. O contato mvel pode ser de translao, rotao, ou uma combinao dos dois. O elemento resistivo excitado com tenso CA

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ou CC e a sada , idealmente, uma funo linear do deslocamento de entrada.

Sensor de posio com mltiplos resistores

o Outro meio de medir posio consiste em uma seqncia de resistores em paralelo que so sucessivamente removidos do circuito variando-se a tenso de sada.

o Conforme os resistores so sucessivamente removidos do circuito, h variao da tenso de sada.

Transformadores diferenciais

o So conhecidos como LVDT (linear variable differential transformer). A excitao de tais dispositivos fornecida pelo enrolamento denominado primrio. Os dois enrolamentos secundrios so induzidos com uma tenso senoidal de mesma freqncia que a tenso de excitao. A amplitude varia com a posio do objeto. Quando os enrolamentos secundrios so conectados em srie, a tenso de sada nula na condio de o mbolo se encontrar no centro, simtrico em relao aos dois secundrios.

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o A movimentao do objeto causa maior indutncia mtua entre o primrio e um dos secundrios, o que faz a amplitude da tenso de sada tornar-se funo linear da posio.

Potencimetros sncronos e indutivos

o Sncronos so muito usados para a medio de ngulos de componentes de servomecanismos, onde se compara a posio real com a desejada. Dois tipos de sincronizadores so usados, o control transmitter e o control transformer. A sada a tenso de erro, uma tenso CA de mesma freqncia que a tenso de excitao e amplitude proporcional diferena entre o ngulo de entrada e o ngulo obtido. Quando o erro zerado, o sistema permanece em repouso.

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o Nos potencimetros de induo, existe uma bobina no rotor e uma no estator. A bobina primria (rotor) excitada com uma corrente alternada. Isso induz uma tenso na bobina (estator). A amplitude da tenso de sada varia com a mtua indutncia entre os dois enrolamentos, e isso varia com o ngulo de rotao.

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Pickups de Indutncia e Relutncia Variveis

o Os transdutores de indutncia varivel so parecidos com os LVDTs. No entanto, existem dois enrolamentos presentes que formam duas pernas de uma ponte que excitada com uma corrente alternada. Com o objeto na posio central, a indutncia dos dois enrolamentos igual, a ponte est balanceada e a sada zero. Um movimento no objeto causa uma mudana na relutncia das peas magnticas para cada enrolamento, aumentando o acoplamento magntico de um e diminuindo o do outro. A mudana na relutncia causa uma mudana proporcional na indutncia para cada enrolamento. A ponte fica desbalanceada, e aparece uma tenso na sada.

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Pickups Capacitivos

o Movimentos de translao ou rotao podem ser medidos atravs da variao da capacitncia de um capacitor. A mudana na capacitncia pode ser convertida em sinal eltrico por meio de um circuito em ponte alimentado por uma fonte de corrente alternada.

Detectores fotoeltricos

Uma fonte de luz, um objeto opaco e um detector podem ser combinados para produzir um sensor de deslocamento. Um feixe de luz paralelo gerado usando-se uma fonte pontual de luz e lente. O tamanho e a forma do feixe de luz

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so estabelecidos atravs da abertura do retculo. O objeto cuja posio se deseja medir interrompe o feixe e controla a iluminao na lente e nas reas sensveis do sensor.

Sistema de rastreamento tico (optical tracker

system) o Optical trackers medem a movimentao de um

objeto monitorando a descontinuidade luminosa produzida pelo objeto. A descontinuidade normalmente causada por uma marca no objeto. Uma fonte de luz produz a iluminao com intensidade constante no tempo.

o A descontinuidade da luz produzida pela marca detectada no fotocatodo. Eltrons so emitidos pelo fotocatodo na proporo da intensidade de luz que est incidindo sobre ele. Esses eltrons so acelerados em direo placa por causa da diferena de potencial que existe entre o catodo e a placa de abertura. Enrolamentos vertical e horizontal controlam a posio do local onde os eltrons chegam placa. Eltrons que passam atravs da abertura produzem uma corrente proporcional intensidade de luz no fotocatodo,

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no correspondente ponto da abertura. Essa corrente amplificada pelo tubo antes de ser sentida pelo anodo. A corrente de sada que flui amplificada e transmitida para a unidade de controle.

3 Transdutores Digitais Os transdutores digitais podem medir tanto posio linear quanto posio angular. Os transdutores digitais de posio angular (encoders) funcionam da mesma maneira que os encoders lineares.

Transdutores de Velocidade

o Os transdutores de velocidade angular e linear so baseados principalmente no princpio da induo eletromagntica. Existem, no entanto, vrias formas de se medir a velocidade linear e

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angular. Os dois primeiros transdutores apresentados so baseados no princpio citado.

Transdutor indutivo de velocidade linear o Nesse tipo de transdutor, um campo magntico

associado velocidade a ser medida move-se em relao a um condutor fixo.

o O TVL equivalente a um gerador de corrente conectado em srie com uma indutncia e uma resistncia.

Transdutor indutivo de velocidade angular

o Nesse tipo de transdutor, um condutor mvel associado velocidade a ser medida move-se em relao a um campo magntico fixo.

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Transdutor de velocidade a partir da derivada da

posio o Esse tipo de transdutor feito ligando-se a sada

de qualquer transdutor de posio entrada de um circuito diferenciador, para se obter uma tenso proporcional velocidade. A desvantagem desse processo que a diferenciao acentua os rudos de alta freqncia presentes no sinal resultante de sada.

Transdutor de velocidade angular (tipo centrfugo)

o O movimento angular produz deslocamento das esferas pressionando o rolamento axial que, atravs da mola, produz um movimento da haste. Como a fora centrfuga varia com o quadrado da velocidade angular w, o deslocamento no ir variar linearmente com a velocidade angular.

o As escalas indicadoras desses transdutores no so lineares.

Laser Doppler system

o O princpio de operao baseado na medio da interferncia. O feixe de luz de sinal focado na superfcie mvel por um espelho controlado por computador. A luz refletida recombinada com o feixe de luz de referncia. O tamanho do

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caminho do feixe de luz varia com a movimentao da superfcie refletora. A intensidade de luz modulada do claro para o escuro, atravs da soma ou cancelamento dos dois feixes de luz.

o A direo de movimentao determinada atravs de dois detectores: o detector senoidal e o detector cossenoidal. Usando-se modulao de freqncia e esquema de deteco, uma tenso de sada fornece o mdulo e a direo do movimento.

Transdutores magnticos e fotoeltricos

o Os dentes da engrenagem, ao passarem prximo ao pickup magntico, produzem um pulso eltrico nos terminais da bobina associada a ele. Esses pulsos so contados, e o resultado aparece no display.

Transdutor estroboscpico

o A velocidade angular pode ser medida usando-se lmpadas estroboscpicas que piscam a uma taxa com freqncia ajustvel constante. A luz direcionada para o objeto rotativo. A freqncia com que as lmpadas piscam sintonizada at que o objeto parea estar parado. Nesse instante, a freqncia da lmpada e do objeto a mesma.

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Tacogerador CC

o Um gerador CC produz uma tenso de sada proporcional velocidade angular.

Tacogerador CA

o Um motor de induo CA de duas fases pode ser usado como um tacmetro, excitando-se uma das fases com sua tenso CA normal e tomando-se a tenso da outra fase como sada.

Tacmetro de corrente induzida

o A rotao do m induz uma tenso na carcaa que o circunda, produzindo na carcaa corrente induzida. Essas correntes induzidas interagem com o campo magntico do rotor, produzindo um torque proporcional velocidade do m. Isso causa um deslocamento angular na carcaa, proporcional velocidade do m.

4 Sensores de Proximidade, Presena, Passagem e Fim de Curso Sensores de Proximidade O sensor de proximidade um componente de comando eletrnico que se diferencia basicamente de uma chave

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mecnica de fim de curso pelo fato de operar eletronicamente, por aproximao, ou seja, sem contato fsico. O sensor de proximidade eletrnico opera sem rudos ou impactos. Ele tambm insensvel a vibraes, no apresenta contatos incertos e tem um ponto de acionamento constante. Existem oito tipos bsicos de sensores de proximidade, que sero abordados e explicados a seguir. Sensores indutivos

o O funcionamento dos sensores indutivos baseado no conceito fsico de induo, ou seja, variao de campo magntico. Ele composto das seguintes partes: oscilador, bobina e amplificador. O oscilador gera, em conjunto com uma bobina com ferrite, um campo magntico alternado de alta freqncia, que emerge na superfcie externa, formando uma regio ativa. Com a introduo, nesse campo, de um corpo de material de conduo eltrica (por exemplo, metal), ser provocada uma tenso indutiva indesejada. A corrente parasita retira a energia do circuito oscilante L-C (bobina condensador).

o A carga do circuito oscilante do oscilador provoca uma reduo da amplitude de oscilao. A reduo de amplitude transformada em um sinal

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eltrico atravs de um circuito eletrnico. Dessa forma, ocorre uma comutao do sensor de proximidade.

o Caso se retire o material de conduo eltrica do campo alternado, a amplitude de oscilao aumenta novamente e, atravs do sistema eletrnico, o sensor volta sua posio original. O oscilador no est atenuado.

Sensores capacitivos

o O sensor capacitivo composto basicamente de dois eletrodos e de um circuito oscilante.

o O sensor de proximidade capacitivo trabalha com um circuito R-C (resistor condensador), no qual se manipula a capacidade. Para conseguir isso, os eletrodos de um condensador so separados. Um eletrodo se encontra no sensor embaixo da superfcie ativa. O outro eletrodo um meio de acionamento que tem contato com a terra ou com a massa, enquanto o meio de acionamento manipula o dieltrico.

o Quando esse meio de acionamento se aproxima da superfcie ativa, a capacidade cresce at o ponto de sintonizao com o resistor em circuito oscilante, iniciando-se assim a oscilao.

o A retirada do oscilador provoca a interrupo da oscilao novamente. A oscilao ou a interrupo

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causa, atravs de um circuito eletrnico, um estado de chaveamento do sensor de proximidade.

Sensores fotoeltricos ou ticos

o So sensores que emitem um feixe de luz e reagem presena de objetos que se posicionam sua frente. Possuem um emissor de impulsos rpidos de uma luz vermelha ou infravermelha e de um receptor.

o Possuem como grande vantagem a capacidade de detectar objetos desde distncias bastante grandes (at 10 metros) a outros a apenas 1 mm, conforme o tipo construtivo. No existe contato com o material ou objeto a detectar, ou seja, eles no se desgastam com o uso. Escolhidos adequadamente, detectam qualquer tipo de material.

o Os principais tipos construtivos, para diversas aplicaes e caractersticas tcnicas, so: Sensor tico de reflexo difusa ou sensor

difuso O receptor reage ao sinal luminoso

refletido pela superfcie do objeto a detectar. Nesse caso, a distncia de deteco depende das qualidades

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reflexivas da sua superfcie. O emissor e o receptor esto numa mesma pea.

Sensor tico de barreira O receptor e o emissor so montados

separadamente. O objeto a ser detectado interrompe o feixe de luz enviado ao receptor, produzindo-se ou desligando-se o sinal eltrico na sada do sensor. Esse tipo de sensor alcana distncias de at 10 metros.

Sensor tico de retro-reflexo ou sensor retro-reflexivo O emissor e o receptor esto montados

juntos. O feixe de luz emitido refletido de volta ao receptor por uma superfcie refletora enquanto no houver nenhum objeto interposto. Uma vez interrompida a reflexo pela presena do objeto a detectar, fecha-se ou abre-se um contato eltrico.

Sensores com fibra tica Os sensores com fibra tica contm um

equipamento bsico e um acessrio de fio de luz. O equipamento bsico inclui um emissor de luz, um circuito eletrnico de avaliao e um amplificador. O acessrio inclui um fio

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para luz de fibra de vidro protegido com fina capa metlica com comprimentos de 50 ou 100 cm.

O funcionamento similar ao sensor fotoeltrico, e as maneiras de utilizao so as mesmas. Podem detectar objetos pequenos com grande sensibilidade.

Sensores magnticos

o So constitudos basicamente de duas lminas de contato eltrico no interior de uma ampola preenchida com gs inerte. Essas lminas unem-se quando colocadas na presena de um campo magntico (contato tipo Reed). Normalmente so instalados nas paredes externas do cilindro, cujo mbolo provido de um anel magntico.

o Com a aproximao do anel magntico, fecha-se o contato que vai produzir uma corrente de sada.

Sensores magntico-pneumticos

o Uma vlvula pneumtica chaveada atravs de um im permanente, gerando um sinal de sada.

Sensores ultra-snicos

o O princpio operacional baseado na emisso e na reflexo de ondas acsticas entre um objeto e o

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receptor. O tempo de viagem do som medido e avaliado.

o Pode ser dividido em trs mdulos: ultra-som transdutor, unidade de evoluo e sada. A sua principal vantagem que vrios materiais podem ser detectados. No entanto, a deteco independente da forma, da cor e do material.

Sensores pneumticos

o O princpio de funcionamento dos tipos de sensores pneumticos o mesmo: a obstruo do jato de ar por meio de um objeto a ser detectado conduz a uma variao de presso no canal de controle.

5 Sensores de Presena Os sensores de proximidade que possuem uma

distncia de acionamento grande podem ser usados como sensores de presena. So eles: sensores ticos (com ou sem fibra tica) e os ultra-snicos.

Existem tambm sensores de presena que so empregados na Engenharia Civil, no controle de iluminao. So eles, mais comumente: Infravermelho (PIR Passive Infrared) e Ultra-som. Apesar de estarem baseados no mesmo conceito fsico dos dois

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mencionados anteriormente, o princpio de funcionamento diferente.

Os infravermelhos detectam o calor de um corpo em movimento, que passa atravs do seu campo de ao, acendendo automaticamente as luzes. Quando esse campo de ao fica desocupado por um certo tempo (previamente determinado), o sensor automaticamente apaga as luzes. J o sensor Ultra-snico emite ondas sonoras de baixa freqncia que, com qualquer movimentao no ambiente, acionam a iluminao ligada ao sensor. Com a ausncia de movimento, o sensor de presena, em tempo previamente determinado, automaticamente apaga as luzes.

Sensores de fim de curso

o Os sensores de proximidade podem ser usados como sensores de fim de curso. Nesse tipo de aplicao dos sensores de fim de curso, no se exige contato entre a pea e o sensor. Alm desses sensores de fim de curso, existem aqueles que necessitam de contato entre o objeto e o sensor. Basicamente, existem dois tipos de sensores dessa categoria: Eletromecnicos

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Um contato eltrico estabelecido ou interrompido quando uma fora externa atua sobre o acionador. Esse tipo de sensor pode chavear no mximo 10 milhes de ciclos aproximadamente. O tempo de chaveamento de aproximadamente 1 a 15 ms.

Mecnico-Pneumticos Nesse tipo de sensor, um circuito

pneumtico diretamente afetado por meio do efeito mecnico de aproximao de um objeto. Em relao s chaves eletromecnicas, esse sensor tem a vantagem de no possuir contato eltrico.

6 Sensores de Temperatura Termmetros de lquido-em-vidro

Os Termmetros de Lquido-em-vidro tem sido usados na cincia, na medicina, na metereologia e na indstria por quase 300 anos. Eles se baseiam no fato de que a maioria dos fludos se expandem quando aquecidos. O fludo encerrado em um bulbo de vidro selado e sua expanso medida usando-se uma escala gravada na haste do termmetro.

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O fludo mais largamente utilizado o mercrio, que opera na faixa de -38 a 356C, embora a introduo de um gs na montagem pode ampliar sua faixa at 600C ou alm. Outros fludos incluem lcool etlico, tolueno e pentano que podem ser usados at -200 C.

Sensor de temperatura a estado slido

So sensores de baixo custo, alta estabilidade, resposta rpida, utilizados para compensao de temperatura em circuitos eletrnicos e como sensores de temperatura.

Termopares

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Se dois fios metlicos de composio distinta so soldados nas respectivas extremidades e uma das junes mantida a temperatura superior outra, circular corrente eltrica entre estas junes. Trata-se de um efeito termoeltrico bem conhecido da Fsica. Para diferentes combinaes de metais e diferentes temperaturas, a diferena de potencial entre estas junes ser tambm diferente. Este o princpio em que se baseia a operao dos termopares.

A seleo de metais para os termopares normalmente feita com base nas condies de aplicao. Ligas metlicas relativamente baratas (com base em Fe, Ni, Cr, etc.) podem ser usadas a temperaturas moderadas (at cerca de 1000C), mas para temperaturas muito superiores (1500-1700C) so necessrios termopares base de ligas ricas em platina.

Os termopares mais comuns so: Tipo Liga Faixa de temperatura

J Ferro-constantan 0 - 760 C K Cromel-Alumel 0 - 1250 C T Cobre-constantan Temp. negativa -370 C E Cromel-Constantan 0 870 C S Pt-PtRh 10% 0 1450 C R Pt-PtRh 13% 0 1450 C

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B PtRh 6% - PtRh 30%

0 1700 C

Termoresistncias Os sensores de temperatura fabricados com bulbos de resistncia, denominados termoresistncias, apresentam a maior preciso nas medies de temperaturas industriais dentre os sensores. Por esse motivo, suas aplicaes expandem-se a todos os segmentos. O princpio de medio a relao da resistncia eltrica medida com a variao da temperatura. Esta relao o coeficiente da temperatura da platina pura, sendo 0,385 Ohm/K conforme norma IEC 751 (DIN 43760). Os dados da IEC so vlidos para valores de resistncia nominal de 100 Ohms a 0 C, e esta norma define classes de tolerncias A e B em uma faixa de 200 C a +850 C.

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Infravermelho sem contato Basicamente, radiao trmica ou transmisso de calor por radiao, a taxa de emisso de energia de um dado material, dada sua temperatura. A radiao trmica est relacionada com a energia liberada de oscilaes ou transies dos eltrons, tomos, ons, ou molculas mantidos pela energia interna do material. Toda forma de matria com temperatura acima do zero absoluto emite energia trmica. Em gases ou outros materiais transparentes (materiais com absoro interna desprezvel) , a energia trmica se irradia atravs de seu volume. Para materiais com alta absoro interna, como os metais, apenas algumas centenas de camadas atmicas mais externas efetivamente contribuem para a emisso de energia trmica. Para esses materiais, a emisso de energia trmica um fenmeno superficial. Em 1900 , Max Planck estabeleceu sua teoria de radiao quntica . A lei de Planck matematicamente descreve a quantidade de energia emitida por um material em uma dada temperatura T para cada comprimento de onda . A Fig. 1 ilustra a distribuio

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espectral da radiao emitida por um corpo negro ( radiador perfeito ) em diferentes temperaturas , calculados usando-se a lei de Planck.

Radiao Caracterstica Em Corpo Negro

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1500C 1000C 542C260C

20C

Relao entre Temperatura e Energia

Emita

ncia

rad

iant

e re

lativ

a

Comprimento de Onda (microns)

102

101

1

10-1

10-2

10-3

10-40

Termmetros Infravermelhos ( tambm conhecidos como Pirmetros de radiao ) so calibrados para medir a temperatura de um corpo negro. Entretanto nenhum objeto real emite a mesma quantidade de energia que um corpo negro emite mesma temperatura no mesmo comprimento de onda. O fator emissividade definido como a razo entre a energia emitida por um material e a energia emitida por um corpo negro na mesma temperatura no mesmo comprimento de onda. Emissividade a energia infravermelha emitida por um objeto. Emissividade pode ser um valor de 0 (e metida

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por um espelho) at 1.0 (corpo negro). Mais orgnico, revestido, ou oxidado. Superfcies podem ter valores de emissividade prximos do 0.95. O sistema tico de um sensor infravermelho coleta a energia infravermelha de um objeto medido e focaliza dentro do detector.

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