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SENSORES Conceitos Fundamentais

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Academic year: 2021

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SENSORES – Conceitos Fundamentais

Variáveis: fenômenos físicos que se chama simplesmente de variáveis, por exemplo: temperatura, pressão, intensidade luminosa, etc. Cada sistema de medição pode ser compreendido em termos do que se faz, por exemplo: indicar a temperatura ou totalizar a vazão ou registrar a pressão de um sistema qualquer.

Atuadores: dispositivos que convertem energia elétrica, hidráulica ou pneumática em potência mecânica. Modificam uma variável controlada. Recebem um sinal proveniente do controlador e agem sobre o sistema controlado. Ex. válvulas (pneumáticas, hidráulicas); relés; cilindros (pneumáticos, hidráulicos); motores; solenoides, etc.

Sensores: dispositivo projetado para detectar algum evento no processo e emitir um sinal de resposta a este evento. Os sensores “sentem” a ocorrência de um evento. Resposta discreta. Um sensor nem sempre tem as características elétricas necessárias para ser utilizado em um sistema de controle. Normalmente, o sinal de saída deve ser manipulado antes da sua leitura no sistema de controle e isso, geralmente, é realizado com um circuito de interface para produção de um sinal que possa ser lido pelo controlador.

Transdutores: dispositivo que converte uma forma de energia em outra. Convertem energia elétrica num deslocamento mecânico. Converte uma grandeza física não elétrica (som, temperatura, velocidade, luz) numa outra grandeza. Possuem resposta contínua. Converte uma grandeza qualquer em outra que pode ser utilizada nos dispositivos de controle. Pode ser considerado como uma interface às formas de energia do ambiente e do circuito de controle.

Muitas vezes os termos sensor e transdutor são utilizados indistintamente. Neste caso, o transdutor é o instrumento completo que engloba o sensor e todos os circuitos de interfase capazes de serem utilizados numa aplicação industrial.

Limitação dos sensores e transdutores: Alcance limitado a poucas dezenas de metros.

Transmissores: dispositivos que recebem o sinal do transdutor ou sensor e envia a distâncias maiores, modulando esse sinal sobre outro de referência (4-20 mA, 0-5V, etc) de forma proporcional ao sinal do sensor ou transdutor.

SENSORES – Conceitos Fundamentais

  www.ivanilzafelizardo.com // iva@ivanilzafelizardo.com  MATERIAL DIDÁTICO – APOSTILA  (coletânea de informações retiradas de diversas bibliografias)    Profa. Ivanilza Felizardo, Dra  Prof. Alexandre Queiroz Bracarense, PhD 

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SENSORES – Conceitos Fundamentais

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(coletânea de informações retiradas de diversas bibliografias) 

Sensores analógicos (sensores absolutos): pode assumir qualquer valor no seu sinal de saída ao longo do tempo, desde que esteja dentro da sua faixa de operação. Baseiam-se em sinais analógicos que, mesmo limitados entre dois valores de tensão, podem assumir infinitos valores de tensão intermediários. Isso significa que, pelo menos teoricamente, para cada nível da condição medida, haverá um nível de tensão correspondente.

Sensores digitais (sensores discretos): pode assumir apenas dois valores no seu sinal de saída ao longo do tempo, que podem ser interpretados como zero ou 1. Baseiam-se em níveis de tensão bem definidos, podendo ser descritos como alto (high) ou baixo (low), ou simplesmente 1 e 0. Esses sensores utilizam lógica binária, que é a base do funcionamento dos sistemas digitais. Ao contrário de um sensor analógico, onde os valores possíveis são teoricamente infinitos, um sensor digital poderá apenas alternar entre certos estados bem definidos, não sendo possível haver um valor intermediário entre eles. São extremamente utilizados na detecção de passagem de objetos, encoders na determinação de distância ou velocidade.

Zona detectável: distância perpendicular da fase sensora até o ponto onde o sensor deixa de atuar (distância sensora + histerese).

Distância Sensora: distância perpendicular da face sensora até o ponto onde o sensor atua. Histerese: diferença entre a distância onde o sensor é ativado quando o objeto se aproxima dele e a distância na qual o sensor é desativado quando o objeto se afasta dele. Distância entre o ponto de ativação e desativação. Normalmente dado na forma percentual. Refere-se à zona morta obtida sob a diferença entre as curvas de resposta na subida e descida de escada.

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(coletânea de informações retiradas de diversas bibliografias) 

Zona Cega: região dentro da distância sensora, que por questões tecnológicas ou de montagem, o sensor não consegue detectar o objeto.

Zona de sensibilidade: região da zona detectável, onde o dispositivo é efetivamente sensibilizado.

Linearidade: aplica-se a sensores analógicos. É a curva obtida plotando os valores medidos. Busca-se respostas proporcionais às entradas, se o comportamento do sensor for ideal, o gráfico obtido é uma reta, indicando que o sensor é linear. Caso contrário, mostra a não-linearidade do sensor.

Sensibilidade: também pode ser definido como ganho que é a razão entre o sinal de saída e de entrada para um dado transdutor. Está ligada à relação entre uma variação na grandeza em questão e a variação na medida fornecida pelo instrumento. Um sensor muito sensível é aquele que fornece uma variação na saída para uma pequena variação da grandeza medida.

Velocidade de resposta: trata-se da velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança o valor real do processo. Em sistemas realimentados, o ideal é que o sensor utilizado tenha uma resposta instantânea, pois uma resposta lenta pode prejudicar muito a eficiência do sistema de controle e até impedir que o sistema funcione a contento.

Faixa de atuação: intervalo de valores da grandeza em que pode ser utilizado o sensor, sem causar destruição ou a imprecisão na leitura.

Resolução: menor incremento de entrada o qual gera uma saída perceptível e repetitiva, quantificando-se como porcentagem do fundo de escala.

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(coletânea de informações retiradas de diversas bibliografias)  Acurácia (exatidão) x Precisão x Repetibilidade:

Peça de 10,010 + 0,02 medidas por diferentes instrumentos (10 leituras cada)

Instrumento A Instrumento B Instrumento C Instrumento D

Média 10,016 10,013 10,010 10,010 Desvio Padrão 0,001 0,003 0,004 0,001 Erro 0,006 0,003 0,000 0,000; Não exato Preciso Não exato Não Preciso Exato Não Preciso Exato Preciso

Acurácia (exatidão): termo que define se a medida coincide ou não com o valor de referência. Quanto menor o erro entre medidas (a realizada e a de referência), maior a acurácia do transdutor.

Precisão: termo que define o quão próximo encontram-se entre si os resultados de uma medida. Pode ser definido em relação ao grau de repetibilidade do valor medido do transdutor. Pode ser referido como sendo o erro relativo máximo que o dispositivo pode apresentar. Quanto menor o desvio padrão entre medidas, maior a precisão e repetibilidade do transdutor

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(coletânea de informações retiradas de diversas bibliografias) 

Classificação dos transdutores em função do princípio elétrico envolvidos no seu funcionamento: passivos ou auto-generativos.

Transdutores passivos: necessita de uma fonte de excitação externa e a sua saída é a medida de uma variação de uma grandeza de um componente elétrico, tal como uma resistência ou capacidade. Exemplos: resistivos; capacitivos; transformador diferencial linear variável; indutivos; conversores de sinal.

Transdutores auto-generativos: não necessita de qualquer fonte de alimentação externa, produzindo eles próprios um sinal analógico de corrente ou tensão, quando estimulado por alguma forma de energia. Exemplos: piezoelétricos; auto-transformadores; fotoelétricos (fotoemissivos, fotocondutores e células solares).

Resistivos: provoca alterações na resistência elétrica quando sujeito ao estímulo.

Transdutores resistivos de posição – potenciômetros – variável física sob medida – deslocamento – provoca variação da resistência elétrica quando sujeito a algum tipo de deslocamento.

Transdutores resistivos de pressão – extensiômetros – variável física sob medida – pressão – provoca variação da resistência elétrica quando sujeito a algum tipo de pressão.

Transdutores capacitivos – produz um campo eletrostático – armazena energia em um campo elétrico – campo formado por cargas em repouso – é característica de todo capacitor o aumento de sua capacitância quando se coloca algum objeto entre seus eletrodos.

Transdutores indutivos – produz um campo eletromagnético – armazena energia em um campo magnético – campo formado por cargas em movimento – exemplos – tacômetros;

transformadores diferenciais variáveis lineares. Podem ser passivos ou auto-generativos.

Tacômetro: é indutivo auto generativo, utiliza o princípio básico do gerador elétrico, que quando existe um movimento relativo entre um condutor e o campo magnético induz neste uma tensão. Converte diretamente a velocidade ou aceleração num sinal elétrico, assim, o objeto cuja velocidade angular se pretenda conhecer é diretamente acoplado ao rotor de um gerador de corrente contínua, que roda em torno dos polos de uma armadura de um magneto permanente (estator).

Transformador diferencial linear variável (LVDT): é indutivo passivo, necessita de uma fonte de excitação externa. A ação do transdutor consiste principalmente em modular a excitação do sinal. O LVDT consiste basicamente num enrolamento primário (onde se aplica a excitação) e dois enrolamentos secundários (onde se tira o sinal de saída), que envolvem um tubo oco, posicionados de tal modo que o enrolamento primário é rodeado pelos enrolamentos secundários, em oposição de fase. No tubo oco é colocado um material ferromagnético, movível, tal que quando o núcleo se encontra centrado, os polos estarão em oposição de fase,

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as f.e.m geradas em cada um dos enrolamentos do secundário são iguais e não existe qualquer tensão de saída. Se o núcleo se desloca para um dos lados, a tensão gerada no enrolamento do secundário mais próximo é superior à do outro enrolamento, sendo a diferença, diretamente proporcional à distancia percorrida pelo núcleo, que se pressupõe variar linearmente.

LVDT converte variação da tensão em deslocamento. Similar ao potenciômetro. Vantagem do LVDT sobre o potenciômetro: ausência de contato físico ente as partes móveis e estacionárias do circuito. Desvantagem: tempo de resposta mais lento.

Transdutores piezoelétricos: o efeito piezoeléctrico foi descoberto em 1880 pelos irmão Curie na França e consiste na transformação de tensão mecânica num sinal eléctrico (acumulação de cargas à superfície de um cristal) ou vice-versa. A aplicação de uma tensão mecânica (pressão) ao longo do eixo de um cristal de quartzo provoca o aparecimento de cargas eléctricas na direcção dos outros eixos.

Transdutores de temperatura

Os transdutores de temperatura são dispositivos que permitem ler temperaturas desde a criogenia (temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto) à fusão, incluindo a fusão nuclear. A forma de seleção do tipo de transdutor mais conveniente para cada aplicação é também condicionada pelo tipo de ambiente onde este irá ser aplicado. Em termos gerais, existem 3 grandes tipos de transdutores de temperatura: resistivos, termopares e termistores. Resistivos: são feitos de fio ou chapa de material cuja resistência varia com a temperatura. Termopares: consiste na união de dois metais dissimilares que produzem uma tensão muito pequena em resposta a uma dada temperatura.

Termistores: são resistências cujo valor é dependente da temperatura.

Nos transdutores de temperatura, a tensão de saída é proporcional a variação da temperatura e é lida e convertida em unidades de temperatura pelo medidor apropriado, depois de devidamente compensado.

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  SENSORES – Conceitos Fundamentais www.ivanilzafelizardo.com // iva@ivanilzafelizardo.com  MATERIAL DIDÁTICO – APOSTILA  (coletânea de informações retiradas de diversas bibliografias)  Transdutores Fotoelétricos

Aa radiação luminosa é convertida diretamente num sinal elétrico, proporcional à intensidade do fluxo luminoso utilizado. Os materiais mais adequados para essa aplicação são os semicondutores. Não necessita de qualquer excitação externa e existem três tipos:

Fotoemissivos: a radiação ao incidir num cátodo provoca a emissão de elétrons dessa superfície (sinal elétrico).

Fotocondutivos: a radiação luminosa provoca uma alteração da resistência elétrica, traduzindo-se por uma variação do potencial ou corrente debitada por um dado circuito de excitação (foto-transístores, foto-resistência).

Fotocélulas: a radiação luminosa ao incidir numa junção do tipo diodo gera uma tensão de saída proporcional à essa a radiação luminosa.

Sensores internos ou proprioceptivos: sensores situados nas juntas - robôs primeira geração. Fornecem valores de posição e velocidade das juntas em função do tempo à unidade de controle do robô. Exemplos: codificados ópticos (encoders) do tipo incremental ou absoluto, resolvers, potenciômetros, tacômetros etc

Sensores externos ou exteroceptivos: sensores externos ao robôs - robôs de segunda geração. Fornecem informações sobre o meio. Possibilita um controle em malha fechada do processo. Exemplos: sensores de segurança para proteção humana (cortinas de luz, ultra-som, barreiras mecânicas, dispositivos sensíveis a pressão ect.), sensores de contato, ópticos, indutivos, capacitivos, de efeito Hall, ultra-sônicos e laser.

Sensores de contato: mantém contato com o objeto que deve ser detectado. São de fácil construção e relativamente baratos; Exemplos: interruptores ou fins de curso.

Sensores de não contato: não “exige” o contato com o objeto a detectar. Permitem grande flexibilidade de instalação, localização e operação.

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Principais sensores utilizados industrialmente: de proximidade (mecânicos, ópticos, indutivos e capacitivos); de posição e velocidade (potenciômetros, LVDT, enconders absolutos e relativos e tacogeradores) de força e pressão; de temperatura (termopares); de vibração e

aceleração.

Sensores de Proximação

Mecânico Óptico Indutivo Capacitivo

Muito utilizado para contagem, detecção de parada, segurança, presença ou não de objetos.

De contato Sem contato Sem contato Sem contato

on / off aberto / fechado

Luz / Ultrasônico Cortina de luz Detector de colisão

Detecta metais Detecta não-metais

Fim de curso Presença ou ausência Porta aberta ou fechada Contagem Controle de nível de líquido Presença / passagem Mudança no campo magnético Mudança locais de capacitância (no campo elétrico)

Encoder: dispositivo eletromecânico que conta ou reproduz pulsos elétricos a partir do movimento rotacional de seu eixo. Transdutor de posição angular. Gera um pulso para um determinado incremento de rotação do eixo (encoder rotativo), ou um pulso para uma determinada distância linear percorrida (encoder linear). Embora seja mais utilizado no controle de posição, também é utilizado para medir velocidade, uma vez que medindo a distância total percorrida (através da contagem dos pulsos na saída do encoder) e o tempo necessário para esta distância ser percorrida, consegue-se calcular a velocidade. Há vários tipos em uso: magnético, contato, resistivo e óptico (esse é o mais preciso). Os ópticos operam por meio de um disco com ranhuras ou aberturas transparentes, que se move entre uma fonte de luz (seja visível ou infravermelha) e um detector. Este disco é acoplado mecanicamente em um eixo. À medida que o eixo começa a girar o disco passa entre a fonte e o detector, fazendo com que o feixe de luz seja interrompido quando encontra uma parte fechada e seja novamente liberado quando passar por uma abertura transparente, gerando assim uma onda pulsante. A fonte de luz pode ser um Diodo Emissor de Luz (LED), um diodo infravermelho ou uma pequena lâmpada incandescente. Já o detector normalmente é um fototransistor ou mais comumente um diodo fotovoltaico. Esse sistema simples composto por apenas um LED provê um único sinal de saída, o que é indesejável, uma vez que o sinal de saída tem um offset que é dependente da temperatura fazendo com que o sinal fique difícil de ser usado. Na prática, dois fotodiodos são usados, organizados para produzir sinais com 180° de diferença de fase para cada canal, as duas saídas dos diodos são subtraídas para cancelar o offset. Esta saída quase senoidal pode ser usada direta sem processamento, porém mais frequentemente esta saída passa por um circuito eletrônico onde é amplificada ou usada para produzir uma onda quadrada.

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(coletânea de informações retiradas de diversas bibliografias) 

Consequentemente, os encoders industriais podem ter como saída, uma onda senoidal ou uma onda quadrada e normalmente até três canais de saída. Podem ser utilizados em conjunto com contadores, tacômetros, controladores lógicos programáveis ou conversores de freqüência para sinais analógicos. Fornecem medidas e controles precisos em velocidades de rotação, velocidades lineares, posicionamentos angulares, volumes ou vazões de produtos líquidos, etc. Podem ser do tipo incremental e absoluto. Extremamente precisos (dispositivo de feedback).

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Andrade, H.P. Sensor de Velocidade. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. 2008. Azevedo, L.F. Introdução à Medição de Vazão. Notas de Aula do Curso: Métodos Experimentais para Engenharia Mecânica, PUC-Rio.

Cary, H.B., Arc Welding Automation. New York, Marcel Dekker, 1995. Catálogo Allen Bradley, http://www.ab.com/catalogs

Kilian, C.,T. Modern Control Technology: Components and Sistems, 2nd edition, Delmar Thomson Learning, USA, 2000.

Patsko, L.F. Tutorial Aplicações, Funcionamento e Utilização de Sensores. Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica. 2006

Pires, J.N., Automação Industrial. Editora ETEP – Edições Técnicas e Profissionais, Coimbra, Portugal, 2002.

Reis, R. Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores. http://www.ebah.com.br/. Acesso 06/2013.

Romano, V.F., Robótica Industrial: Aplicação na Indústria de manufatura e de Processos. Editora Edgard Blucher Ltda, Senai, Manet: Manufacturing Automation Network, São Paulo, 2002.

Rosário, J.M., Princípio de Mecatrônica, Editora Prentice Hall, São Paulo, 2005.

Saber Eletrônica. São Paulo, Editora Saber. 2006

Souza, G. T. Controle de Automação Industrial. Apostila. ETE Pedro Ferreira Alves, São Paulo, 2004.

Thomazini, D., Albuquerque, P.U.B. Sensores Industriais – Fundamentos e Aplicações. 5ª Ed. São Paulo: Érica, 2005.

Welding Handbook, Welding Science & Technology. AWS: American Welding Society, Ninth Edition, Vol. 1, USA, 2001.

Wendling, P. Sensores. Universidade Estadual Paulista. Versão 2.0. 2010. http://vinicius.brasil.vilabol.uol.com.br/eletronica/ele_index.htm

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