Sensores para rob

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Sensores para robótica

• Guilherme Augusto Silva Pereira
• Outubro de 2000

2
Percepção
Percepção
Robótica
Ação
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Eletrônica Básica
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Eletrônica Básica

• Resistor
• Resistores Variáveis
• Potenciômetro
• LDR
• Strain-Gage.

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Eletrônica Básica

• Indutor
• Capacitor

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Eletrônica Básica
Série
Paralelo

• Associações
• Resistores
• Indutores
• Capacitores

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Eletrônica Básica

• Diodo

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Eletrônica Básica

• Transistor
• Amplificador Operacional

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Eletrônica Básica

• Amplificador Inversor

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Eletrônica Básica

• Leis de Kirchhoff
• A soma das correntes que entram em um nó é igual
  a soma das correntes que saem deste nó.

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Eletrônica Básica

• Leis de Kirchhoff
• A soma das tensões ao longo de qualquer percurso
  fechado é zero.

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Análise em Freqüência
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Representação dos Sinais

• Representação por série de Fourier

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Representação dos Sinais
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Filtros
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Filtros
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Filtros
x

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Filtros
G(w)
x
1
w
wo
3wo
5wo
7wo

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Amostragem
f(t)
t(s)
20
Amostragem
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Amostragem

• Teorema da amostragem Se a transformada de
  Fourier de uma função é nula para wgt2?f rad/s,
  esta função é unicamente determinada por suas
  amostras obtidas em intervalos regulares menores
  que 1/(2f )s.
• Corolário A freqüência de amostragem deve ser
  maior que duas vezes a maior freqüência do sinal.

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Amostragem

• Aliasing

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Caracterização dos Sensores
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Classificação dos Sensores

• Passivos x Ativos
• Ex.
• Chaves
• Resistores Variáveis
• Célula Fotoelétrica
• Cristal Piezoelétrico.

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Classificação dos Sensores

• Analógicos x Digitais
• Ex.
• Chaves
• Potenciômetro
• Encoder.
• Absolutos x Incrementais
• Ex.
• Potenciômetro
• Servo como sensor.

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Especificação do Desempenho

• Exatidão x Precisão

bias
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Características Estáticas

• Linearidade
• Sensibilidade
• Range
• Histerese

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Características Estáticas

• Resolução
• Limiar

Res2 rad
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Características Dinâmicas

• Dinâmica

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Características Dinâmicas

• Atraso ou tempo morto

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Tipos de Sensores
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Funções dos Sensores

• Cinemáticos
• posição
• orientação
• velocidade
• aceleração
• proximidade
• Dinâmicos
• conjugado
• força
• tato

• Imagens
• ccd - analógico
• ccd - digital

• Outros
• presença
• som
• luz
• temperatura
• tensão e corrente

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Sensores de posição

• Posição linear
• Posição angular
• De passagem indicam que foi atingida uma posição
  no movimento, os detetores de fim-de-curso e
  contadores
• De posição indicam a posição atual de uma peça,
  usados em medição e posicionamento.

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Posição chaves fim-de-curso

• Interruptores que são acionados pelo objeto
  monitorado. Ex. Nas gavetas de toca-discos laser
  e videocassetes há chaves fim-de-curso que
  indicam que a gaveta está fechada, ou há fita.
• Também usados com motores para limitar
  movimento, como no caso de um plotter ou
  impressora, ou abertura / fechamento de um
  registro.

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Sensores fim-de-curso magnético

• Campo magnético num condutor distribui cargas
  positivas de um lado e negativas do lado oposto
  da borda do condutor.
• Semicondutor efeito é mais pronunciado. Surge
  pequena tensão nas bordas do material (Efeito
  Hall).
• Base do sensor magnético Hall sensores em
  circuito integrado na forma de um transistor.

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Sensores fim-de-curso magnético

• Pode ser usado como sensor de posição se usado
  junto a um pequeno imã, colocado no objeto.
  Quando se aproxima, o sensor atua, saturando o
  transistor Hall, fazendo a tensão entre coletor e
  emissor próxima de 0V.

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Posição com interruptor de lâminas

• Usando um interruptor acionado por imã.

Imã
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Posição com sensores ópticos

• Por reflexão detecta a posição pela luz que
  retorna a um fotosensor (fotodiodo ou f.
  transistor, LDR ), emitida por um LED ou lâmpada
  e refletida pela peça.
• Por interrupção a luz emitida é captada por um
  fotosensor alinhado, que percebe a presença da
  peça quando esta intercepta o feixe. (light
  dependent resistor)
• Usado para contagem de peças em linha de
  produção e aplicações de fim-de-curso.

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Posição e orientação potenciômetro.

• Tensão nos extremos de potenciômetro linear
  tensão entre o extremo inferior e o centro (eixo)
  é proporcional à posição linear (potenciômetro
  deslizante) ou angular (rotativo).
• Em controle, potenciômetros especiais, de alta
  linearidade e dimensões adequadas, de fio
  metálico em geral, com menor desgaste.

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Sensores de posição e orientação

• Potenciômetro
• Revolução
• Linear
• Vantagens
• barato
• simples
• absoluto
• robusto.

• Desvantagens
• pouco exato
• baixa resolução
• impõe carga ao sistema.

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Posição por sensor capacitivo

• A capacitância depende da área das placas A, da
  constante dielétrica do meio, K, e da distância
  entre as placas, d
• C K A / d
• Variação na capacitância convertida em desvio na
  freqüência de um oscilador, ou em desvio de
  tensão numa ponte de dois capacitores e dois
  resistores

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Posição por indutância

• Indutância depende do número de espiras, da
  largura do enrolamento, do comprimento do
  enrolamento e da permeabilidade do núcleo.
• L m N2 A / l
• Mede-se indutância mútua, ou coeficiente de
  acoplamento entre 2 enrolamentos num
  transformador. Uma bobina se move em direção à
  outra, aumentando o acoplamento e o sinal na
  outra.

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Posição por sensores óticos.

• Por transmissão de luz
• Encoders determinam a posição através de um disco
  ou trilho marcado.
• Relativos (incremental) posição demarcada por
  contagem de pulsos acumulados.
• Absolutos um código digital gravado no disco ou
  trilho é lido por um conjunto de sensores ópticos
  (fonte de luz e sensor).

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Posição por sensores de luz

• A fonte de luz é geralmente o LED, e o sensor um
  fotodiodo ou fototransistor.
• São muito precisos e práticos em sistemas
  digitais (encoder absoluto), e usam-se em robôs,
  máquinas-ferramenta, CNC e outros.

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Posição por sensores de luz

• Encoders
• incremental
• absoluto
• Vantagens
• alta resolução
• sem contatos mecânicos
• alta repetibilidade.

• Desvantagens
• frágil
• necessita de circuitos para contar os pulsos
• caro.

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Posição absoluta
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Encoder magnético
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Encoder ótico
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(No Transcript)
50
(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Entendendo melhor
1 1
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0 0
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1 1
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0
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Sensores de posição e orientação

• LVDT (Linear Variable Differencial Transformers)
• Vantagens
• alta resolução
• boa sensibilidade.

• Desvantagens
• necessita de freqüente calibração
• caro
• condicionamento do sinal é caro.

60
(No Transcript)
61
Sensores de posição e orientação

• Bússola
• Vantagens
• absoluto
• digital

• Desvantagens
• apresenta problemas em ambientes internos
• pouco preciso.

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Sensores de posição e orientação

• GPS e (GPS diferencial)
• Vantagens
• absoluto

• Desvantagens
• caro
• pouco preciso
• militar - 22 metros precisão horizontal e 27.7
  metros precisão vertical
• civil - 100 metros e 156 metros.

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Sensor de velocidade -Tacogerador

• Pequeno gerador elétrico de CC, com campo
  fornecido por imã.
• Tensão gerada, pela Lei de Faraday é proporcional
  à velocidade com que o fluxo magnético é cortado
  pelo enrolamento do rotor.
• Transdutor mecânico elétrico linear.

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Tacogerador

• V K n
• K é uma constante que depende do campo do imã,
  do número de espiras e pólos e das dimensões do
  rotor n é a rotação do eixo (por minuto, rpm, ou
  segundo, rps).
• A polaridade da tensão gerada depende do sentido
  de rotação

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Tacogerador

• Tacômetro
• Vantagens
• robusto
• analógico
• Desvantagens
• manutenção cara
• pesado
• produz muito ruído.

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Velocidade Interruptor de Lâminas

• reed-switch duas lâminas de ferro próx., com
  pequeno envoltório de vidro.
• Ao se aproximar um imã ou solenóide as duas
  lâminas se encostam, fechando os contatos
  externos.
• Imã na periferia de uma roda fecha os contatos a
  cada volta, gerando pulsações numa freqüência
  proporcional à rotação da roda.

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Outras aplicações do Interruptor de lâminas

• Além de seu uso como sensor de velocidade, é
  encontrado em alarmes, indicando porta ou janela
  fechada (um imã é instalado nesta, e o
  reeds-witch no batente), e em sensores de
  fim-de-curso, em máquinas industriais, gavetas de
  toca-discos CD e videocassete, etc.

68
Sensores de velocidade
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Sensores de velocidade

• Encoders
• Usando FVC
• ruído pequeno
• atraso de tempo
• transformação de digital para analógico.

• Usando software
• fácil de construir em computadores digitais
• atraso de tempo
• muito ruidoso.

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Sensores de velocidade

• Giroscópios ou girômetros.

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Sensores Ópticos de velocidade

• Empregam foto-diodos ou foto-transistor e uma
  fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois
  tipos básicos.
• As vantagens destes sensores são o menor tamanho
  e custo, a maior durabilidade e a leitura à
  distância. É usado em sistemas de controle e
  tacômetros portáteis.

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Sensor de reflexão

• Um feixe luminoso atinge um disco com um furo ou
  marca de cor contrastante, que gira. O sensor
  recebe o feixe refletido, mas na passagem do furo
  a reflexão é interrompida (ou no caso de marca de
  cor clara a reflexão é maior), e é gerado um
  pulso pelo sensor.

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Sensor de interrupção de luz

• Usa um disco com furo. Fonte de luz e o sensor
  ficam em lados opostos. Na passagem pelo furo, o
  feixe atinge o sensor, gerando um pulso.
• A freqüência destes pulsos é igual à velocidade,
  em rps.

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Sensores de Aceleração

• Acelerômetros
• muito ruidoso
• úteis para medição de derrapagem.

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Sensores de Proximidade

• Óticos
• Simples
• Barato
• muito bom detetor de presença (on-off)
• Não é robusto com respeito à iluminação ambiente
• Calibração depende da textura.

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Sensores de Proximidade

• Ultra-som
• Aplicação de pulsos de 40 a 60kHz por 1 msec.
• Precisão de 1 do valor máximo.
• Ângulo de 30 graus que causa reflexões
  indesejadas.

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Sensores de Proximidade

• Capacitivos
• Resistivos

• Indutivos

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Conjugado e Força

• Strain-Gages

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(No Transcript)
80
Tato

• Requerem contato físico entre o sensor e o
  objeto.
• Podem ser construídos com chaves ou com
  dispositivos mais elaborados.

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(No Transcript)
82
(No Transcript)
83
(No Transcript)
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Sensores de temperatura

• O diodo comum de silício, polarizado diretamente
  com corrente de 1mA, tem queda de tensão próxima
  de 0.62V, a 25oC. Esta tensão cai aproximadamente
  2mV para cada ºC de aumento na temperatura, e
  pode ser estimada pela equação
• Vd A - BT
• A e B variam um pouco conforme o diodo. Esta
  equação é de uma reta, e vale até uns 125 ºC,
  limite para o silício.

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Curva térmica do diodo

• O diodo é encontrado em controles e termômetros
  de baixo custo e razoável precisão, até uns 100
  ºC.

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Temperatura usando termopar

• Quando dois metais encostados são submetidos a
  uma temperatura, surge nos extremos deles uma
  tensão proporcional à temperatura. Este é o
  efeito Seebeck.
• VKT
• K é uma constante para cada par de metais, que é
  utilizável até seu limite térmico.

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Temperatura e tensão

• Metal T. Máx Const. K
• Cobre-constantán 375ºC 0.1mV/ ºC
• Ferro-constantán 750ºC 0.0514mV/ ºC

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Aplicações

• O custo dos termopares é elevado, e são
  empregados em aplicações profissionais, onde se
  requer alta confiabilidade e precisão.

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Temperatura c/ sensores Integrados

• Há circuitos integrados sensores de temperatura,
  como o LM 335, da National.
• Oferecem alta precisão, por conterem circuitos
  linearizados. Operam de 0 a 100ºC
  aproximadamente.

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Sensores de Luz

• Além de seu uso em fotometria (incluindo
  analisadores de radiações e químicos), é a parte
  de sistemas de controle de luminosidade, como os
  relés fotoelétricos de iluminação pública e
  sensores indireto de outras grandezas, como
  velocidade e posição (fim de curso).

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Luz LDR

• O LDR (light dependent resistor) tem sua
  resistência diminuída ao ser iluminado.
• Composto de material semicondutor, o sulfeto de
  cádmio, CdS.
• A energia luminosa desloca elétrons da camada de
  valência para a de condução (mais longe do
  núcleo), aumentando o número destes, diminuindo a
  resistência.
• A resistência varia de alguns Mw, no escuro, até
  centenas de W, com luz solar direta.

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Aplicações

• Os usos mais comuns do LDR são em relés
  fotoelétricos, fotômetros e alarmes. Sua
  desvantagem está na lentidão de resposta, que
  limita sua operação.

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Foto-diodo

• Diodo semicondutor com junção exposta à luz.
• Energia luminosa desloca elétrons para a banda de
  condução, reduzindo a barreira de potencial
  pelo aumento do número de elétrons, que podem
  circular se aplicada polarização reversa.
• Corrente nos foto-diodos é da ordem de dezenas de
  mA com alta luminosidade, e a resposta é
  rápida.
• Há foto-diodos para todas as faixas de
  comprimentos de onda, do infravermelho ao
  ultravioleta, dependendo do material.

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Foto diodo
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Aplicações do foto-diodo

• É usado como sensor em controle remoto, em
  sistemas de fibra óptica, leitoras de código de
  barras, scanner (digitalizador de imagens, para
  computador), canetas ópticas (que permitem
  escrever na tela do computador), toca-discos CD,
  fotômetros e como sensor indireto de posição e
  velocidade.

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Foto-transistor

• É um transistor cuja junção coletor-base fica
  exposta à luz e atua como um foto-diodo. O
  transistor amplifica a corrente, e fornece alguns
  mA com alta luminosidade. Sua velocidade é menor
  que a do foto-diodo.
• Suas aplicações são as do foto-diodo, exceto
  sistemas de fibra-óptica, pela operação em alta
  freqüência.

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Foto-transistor
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Células foto-voltaicas

• Convertem energia luminosa em elétrica.
• Diodo iluminado intensamente na junção pode
  reverter a barreira de potencial em fonte de
  elétrons, produzindo energia.
• Eficiência é baixa devido a pouca transparência
  da junção (somente as camadas superficiais são
  iluminadas), apenas alguns .

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Células foto-voltaicas

• Seu uso principal está nos painéis solares.
• Outro dispositivo é a foto-célula de selênio (um
  semicondutor), de operação similar. Usa-se em
  medidores de luminosidade e aparelhos de análise
  química (como fotocolorímetros).

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Sensores de Vazão

• Servem para medir o fluxo de líquidos em
  tubulações.

101
Sensor de turbina (vazão)

• Se instalarmos uma turbina ou roda dentada numa
  tubulação, o fluxo fará esta girar, convertendo a
  vazão em velocidade, que pode ser medida como já
  visto.

102
Vazão por diferença de pressão

• Quando uma tubulação se estrangula, pela redução
  do diâmetro, há uma queda de pressão, e a
  velocidade do fluído aumenta. Medindo-se a
  diferença de pressão através do desnível numa
  coluna de mercúrio, pode-se calcular a vazão.
• Este processo é usado em medidores de vazão em
  processos industriais, não automáticos.

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Vazão usando sensor térmico

• Um gás ou líquido fluindo sobre um corpo
  aquecido, retira calor deste, reduzindo a
  temperatura de forma proporcional à velocidade do
  fluído.
• Com um sensor de temperatura, como um NTC,
  aquecido a uma temperatura maior que a do fluído,
  pode-se avaliar a vazão pela variação da
  resistência.

104
Vazão usando sensor térmico

• Compensar variações na temperatura do fluído
  usando um sensor em Ponte de Wheatstone
  diferencial.
• 2 NTCs em contato com o fluído, um deles
  protegido do fluxo numa cavidade, faz a
  compensação de temperatura.
• Diferença de tensão indica a vazão.

105
Vazão usando sensor térmico

• Este sensor em ponte também é usado para medir
  diferenças de temperatura.