Instrumentação Inteligente – Transdutores (Parte 03)

On 21 de setembro de 2016 by Anderson Luís Cavalcanti Sales

Nesse post será exposto uma visão mais detalhada dos transdutores autogeradores, sensores com base em matrizes e biossensores.
Veja, também, os post’s anteriores relativos a esse assunto (parte 1 e parte 2).

Transdutores radioativos

São transdutores com um padrão de absorção ou profundidade de penetração dos raios radioativos liberados (α, β, 𝛄 e radiações de nêutrons) em um meio por radioisótopos (ex. 60Co, 137Cs, 192Ir).

Características básicas dos raios radiativos

RAIO Prop. Ar Prop. Tecido
α ≈ 11cm ≈ 0,1mm – facilmente absorvida por uma folha de papel de carta ou uma folha de alumínio com 0,006cm de espessura
β ≈ 10 m ≈ 10 – 12 mm – apresenta menor massa que o raio α
– pode ser interrompido por uma camada de alumínio de 5-6mm ou uma folha de chumbo de 1mm
𝛄 – tem o maior poder de penetração (vários cm de chumbo)

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  • A unidade de radioatividade ou intensidade de radiação é Curie (C).
  • O coeficiente de absorção varia conforme alguns dos parâmetros do meio (densidade, compacidade, teor de umidade, impurezas presente)

Propriedade radioativa: Meia-Vida

Um radioisótopo começa um processo de desintegração contínua a partir da sua ativação podendo variar de dias, meses ou anos.

Meia-Vida é conhecido como o tempo de desintegração que a fonte radioativa gasta para se chegar a metade de sua intensidade, onde uma constante (𝝀 – constante de decaimento) é dada como parâmetro para seu cálculo.

Propriedade radioativa: Meia-Distância

Essa propriedade é dependente do nível de energia da fonte e do material do meio a que ela se propaga.

A espessura do suporte que permite que apenas metade do valor de intensidade da fonte penetre no meio é chamada de Meia-Distância. Com isso pode-se selecionar uma fonte tendo como base a espessura do meio.

Exemplos de detectores de radiação

Contador de Geiger-Muller

O contador é constituído de um tubo chamado tubo de Geiger-Müller e de um sistema de amplificação e de registro do sinal. O tubo é constituído por uma câmara metálica cilíndrica com um fino fio metálico em seu eixo, entre os quais é aplicada uma diferença de potencial. A câmara é preenchida por um gás a baixa pressão. Dessa forma, quando a radiação ionizante penetra no tubo, o gás é ionizado e os elétrons liberados vão em direção ao fio metálico devido ao campo aplicado. Esse sinal elétrico é amplificado, registrado e traduzido em uma indicação visual (agulha, lâmpada) ou sonora (clique).

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A seguir um circuito que implementa o contador Geiger-Muller – GM com uma interface simples e adaptativa.

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Contador de Geiger-Muller – Sparkfun

A seguir um vídeo com uma aplicação – Contador de Geiger-Muller da sparkfun.

Câmara de Ionização (curiômetros)

É um detector de partículas ionizadas que detecta a passagem de uma partícula medindo a carga total dos elétrons (íons) produzidos quando da ionização do meio gasoso pela partícula. São geralmente usadas na medicina nuclear para determinar a exata atividade do tratamento terapêutico.

As câmaras de ionização medem as cargas depositadas pela partícula carregada ao atravessar o meio ionizado (gás, líquido ou sólido).

A tensão aplicada é suficiente para atrair os íons primários produzidos gerando uma corrente mensurável.

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A seguir um vídeo com uma aplicação – Câmara de Ionização.

Sensores a Semicondutor

Os semicondutores podem ser usados em dois níveis, como material ou como dispositivo. Apresentam facilidade de fabricação quanto a sua microusinagem na produção em massa com baixo custo e apresentam uma integração de um chip único de processamento de sinal juntamente com o sensor (smart – microssensor).

Sensores Térmicos

Um sensor térmico a semicondutor apresenta um diodo de junção p-n sensível à temperatura da ordem de -2mV/ºC para diodos de silício. Existe uma dependência em relação à sua linearidade, notada na tensão base do emissor (V_{BE})

V_{BE} = \frac{KT}{q}ln\frac{I_{c}}{BT^{3}}+V_{q0}

Dados que:

  • Constante de Boltzmann (K) = 1,3807 \times 10^{-23}J/K
  • Tensão de banda (V_{q0}) = 1,12V a 300k (silicio)
  • Constante dependente do nível de dopagem e geometria (B)
  • Temperatura absoluta (T)
  • Carga de um elétron (q)
  • Corrente no coletor (I_{c})

\therefore v_{d} = v_{BE1} - v_{BE2} = \frac{KT}{q}ln\frac{I_{C1}}{BT^{3}} + V_{q0} - \frac{KT}{q}ln\frac{I_{C2}}{BT^{3}} + V_{q0}

v_{d} = \frac{KT}{q}ln\frac{I_{C1}}{I_{C2}}

Isso quer dizer que a dependência de temperatura está relacionada à corrente do coletor. Esta é a razão pela qual um único transistor não é ideal para ser usado como um sensor de temperatura. A recomendação é de se utilizar, portanto, dois transistores idênticos (circuito abaixo) com correntes de coletor diferentes, mas densisdades de corrente do emissor constantes.

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Sensores com base em Matrizes

Diferentemente dos sensores discutidos até então, os sensores com base em matrizes são capazes de derivar métricas estatísticas, características de sinal e os padrões que qualquer humano ou animal senciente podem fazer.

Nariz eletrônico

É um exemplo de técnica que imita os sistema olfativo humano, onde uma matriz de centenas de neurônios receptores olfativos do nariz recebem e produzem um padrão de sinal que é transmitido para o cérebro. Este reconhece o padrão do sinal em vez de suas magnitudes individuais.

O nariz eletrônico composto por uma matriz de sensores de gás, cada um com diferentes sensibilidades a diferentes moléculas odorantes. O sinal gerado é alimentado a um computador para discriminar a classe com a ajuda de um software inteligente com uma rede neural artificial ou lógica nebulosa.

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Vídeo de exemplo de detector de gás

Biossensores

Combinam um processo de reconhecimento molecular a um microssensor físico-químico resultando em uma identidade de um evento molecular.

Vantagens advindas do advento da tecnologia de micro/nanofabricação estão diretamente ligadas ao menor custo, redução de tamanho, sensibilidade, fabricação por lote, menor consumo de energia, capacidade de lidar com menor volume de amostra, entre outros.

Vídeo – “O que é nanotecnologia?”

Essa série se baseia principalmente na referência 01 bibliografia abaixo.

REFERÊNCIAS

  1. Instrumentação Inteligente – Princípios e Aplicações (Manabendra Bhuyan)
  2. http://alunosonline.uol.com.br/quimica/como-funciona-contador-geiger-muller.html
  3. https://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A2mara_de_ioniza%C3%A7%C3%A3o

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