Controle e Automação

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Controle e Automação

Natal Ulisses Matta

Leandro dos Santos

(2)

Sumário

SENSORES INDUSTRIAIS ... 5

DEFINIÇÃO DE SENSOR ... 5

DEFINIÇÃO DE TRANSDUTOR ... 5

CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES ... 7

SAÍDAS NPN E PNP ... 7

CARACTERÍSTICAS DOS SENSORES ... 8

HISTERESE ... 8

CAMPO DE MEDIDA (RANGE) ... 9

ALCANCE (SPAN) ... 9

PRECISÃO (ACCURACY) ... 10

Porcentagem do alcance ... 10

Porcentagem do valor medido ... 10

Direto do valor medido ... 11

Porcentagem do valor máximo do campo de medida ... 11

ZONA MORTA (DEAD BAND OU DEAD ZONE) ... 12

SENSIBILIDADE(SENSIBILITY) ... 12 EXPERIMENTO ... 13 HISTERESE ... 13 Medidas de temperatura: ... 15 Termopares ... 15 Efeito Seebeck ... 15 EXPERIMENTO ... 16

Prática com termopar ... 16

Tipos de termopar mais usados ... 18

Tipo J, K, T (materiais diferentes) ... 18

Como Fazer a correção da temperatura da junta de referência? ... 18

EXPERIMENTO ... 19

EXERCÍCIOS COM USO DA TABELA DE TERMOPARES ... 19

RTD-Resistance Temperature Detector ... 20

NTC-Negative Temperature Coefficient ... 20

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PRESSÃO ... 20

Pressostato ... 21

Tubo de Bourdon com LVDT ... 21

Manômetro tipo tubo de Bourdon C ... 22

Medição de Nível... 23 Medição de Vazão ... 25 Medição Direta ... 26 Rotâmetro ... 26 O princípio de Bernoulli ... 27 Tubo de Venturi... 27 Tubo de Pitot ... 27 MEDIÇÃO DE FORÇA ... 27 Célula de carga ... 28

Circuito de uma célula de carga em ponte completa ... 29

EXPERIMENTO ... 30

PONTE DE WHEATSTONE ... 30

MEDIÇÃO DE PROXIMIDADE E PRESENÇA ... 33

Sensor Indutivo ... 33

Sensor capacitivo ... 34

Efeito Hall ... 34

EXPERIMENTO ... 35

SENSOR DE EFEITO HALL ... 35

Sensores ópticos... 36

... 36

... 37

MEDIÇÃO DE POSIÇÃO E VELOCIDADE ... 39

LVDT ... 39 Encoder ... 39 Encoder Absoluto ... 40 PROGRAMAÇÃO EM LADDER ... 41 Operação do CLP ... 42 CLP MITSUBISHI ... 43 PROGRAMAÇÃO EM LADDER ... 43 INICIANDO UM PROGRAMA ... 44

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Escrevendo o Programa ... 47 Finalizando o Programa ... 49 Salvando ... 50 Opção de simulação ... 50 Transferindo o programa ... 51 Opção de simulação ... 53 Recurso Temporizador ... 54 Recurso Contador ... 54 Set e Reset ... 55

Entradas Sensíveis a Bordas ... 56

Registradores e operações matemáticas ... 57

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5

SENSORES INDUSTRIAIS

DEFINIÇÃO DE SENSOR

Segundo Daniel Thomazini e Pedro Urbano Braga de Albuquerque no livro Sensores Industriais Fundamentos e Aplicações:

“Termo empregado para designar dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente que pode ser luminosa, térmica, cinética, relacionando informações sobre uma grandeza que precisa ser medida, como: temperatura, pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição, etc. Conforme indica a figura 1.1.”

Fonte:livro Sensores Industriais Fundamentos e Aplicações

DEFINIÇÃO DE TRANSDUTOR

• Pela definição dos mesmos autores:

• “É a denominação que recebe um dispositivo completo, que contém o sensor, usado para transformar uma grandeza qualquer em outra que pode ser utilizada nos dispositivos de controle. Um transdutor pode ser considerado uma interface às formas de energia do ambiente e o circuito de controle ou eventualmente entre o controle e o atuador.

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• Os transdutores transformam uma grandeza física (temperatura, pressão, etc.) em um sinal de tensão ou corrente que pode ser facilmente interpretado por um sistema de controle.

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

Já na apostila do curso de Instrumentação Básica Via Rápida Emprego UFIEC – UNIDADE DE FORMAÇÃO INICIAL E EDUCAÇÃO CONTINUADA, Profº Engº Noel Rodrigues Machado temos as seguintes definições:

• Sensor: Dispositivo primário associado a linha de processo, o qual capta a perturbação do fluxo, e gera em consequência um sinal correspondente “ próprio” elétrico, pneumático, ótico, etc. Tendo este sinal função direta com a grandeza a ser controlada.

• Transdutor: Dispositivo que converte o sinal padrão (grandeza física) gerado pelo sensor e enviado pelo transmissor, de uma grandeza física para um sinal elétrico (corrente ou tensão) ou pneumático. O sinal de saída pode ainda ser ajustado pelo transdutor para uma leitura ou para adequá-lo ao range de funcionamento do controlador. (transformação de uma unidade em outra, etc.). Podemos resumir da seguinte forma:

• Sensor: Dispositivo que transforma a informação de uma grandeza física em um sinal elétrico

• Transdutor: Dispositivo que engloba um sensor e fornece um sinal pronto para o sistema de controle

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CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES

 Pelo tipo de saída

 Digital (binário)  Analógico

SAÍDAS NPN E PNP

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PNP

CARACTERÍSTICAS DOS SENSORES

HISTERESE

• Característica exclusiva dos sensores digitais(liga-desliga). Pode ser definida como a diferença no valor da variável de entrada entre o ponto de ligar e o de desligar

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CAMPO DE MEDIDA (RANGE)

• É o conjunto de valores da variável medida que estão entre o valor superior e inferior da capacidade de medida do sensor

• Exemplo: sensor de temperatura para medição entre 20°C e 120°C - range = 20-120°C

ALCANCE (SPAN)

• É a diferença algébrica entre os valores superior e inferior do campo de medida do instrumento

• Exemplo: sensor de temperatura para medição entre 20°C e 120°C - span de 100°C

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PRECISÃO (ACCURACY)

• É a tolerância de medida e define os limites de erro quando o sensor está dentro de suas condições normais de operação

• Há várias maneiras de expressar a precisão: • Porcentagem do alcance

• Porcentagem do valor medido • Direto do valor medido

• Porcentagem do valor máximo do campo de medida

Porcentagem do alcance

Ex: manômetro com as seguintes características: valor mínimo: 2bar

Valor máximo: 10bar

Precisão: 5% do alcance (span)

Valor medido: 7 bar valor real: 7bar +- 5% (10-2)bar valor real: 7bar +- (5 x 8)/100 bar

valor real: 7 bar +- 0,4bar

Porcentagem do valor medido

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Precisão: 5% do valor medido

Valor medido: 7 bar valor real: 7bar +- 5% 7bar

valor real: 7bar +-(5 x 7)/100 bar valor real: 7 bar +- 0,35bar

Direto do valor medido

Valor máximo: 10bar Precisão: 0,5bar

Valor medido: 7 bar

valor real: 7 bar +- 0,5bar

Porcentagem do valor máximo do campo de medida

Valor máximo: 10bar

Precisão: 5% do valor máximo do campo de medida Valor medido: 7 bar valor real: 7bar +- 5% 10bar

valor real: 7bar +-(5 x 10)/100 bar valor real: 7 bar +- 0,5bar

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ZONA MORTA (DEAD BAND OU DEAD ZONE)

• Define a variação da entrada que não provoca variação na saída.

• Ou o menor valor de variação na entrada para provocar alguma variação na saída do sensor.

• Normalmente dada em porcentagem do alcance.

SENSIBILIDADE(SENSIBILITY)

• Relação entre o incremento do sinal de saída e o incremento do valor da variável medida correspondente

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EXPERIMENTO

HISTERESE

1 - Objetivo:

Observar o comportamento de sensores e atuadores que trabalham com histerese. Primeira parte – Sensor – chave magnética ou reed

Procedimento:

1-Montar o circuito da figura

2-Aproximar lentamente o ímã da chave magnética até que o LED acenda 3-Medir a distância entre o ímã e a chave

4-Repetir a medição por 5 vezes e calcular a distância média

5-Partindo de um ponto em que o LED esteja aceso, afastar o ímã até que o LED apague 6-Repetir a medição por 5 vezes e calcular a distância média

D acesa (mm) D apaga (mm)

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7-Calcular a histerese da chave magnética que é a diferença entre a distância para ligar e para desligar

Histerese: = __________________________mm Segunda parte – Atuador – Relé

1-Montar o circuito

2-Partindo de 0V, subir lentamente a tensão na bobina do relé até que o LED acenda 3-Anotar a tensão necessária para que o relé atue

4-Repetir a medição por 5 vezes e calcular a tensão média

5-Partindo de 12V, descer lentamente a tensão na bobina do relé até que o LED apague

6-Repetir a medição por 5 vezes e calcular a tensão média.

V acesa (V) V apaga (V)

V acender média:_______________V V apagar média ________________V

7-Calcular a histerese do relé que é a diferença entre a tensão necessária para ligar e para desligar

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Histerese: = __________________________V

Medidas de temperatura:

Termopares

Efeito Seebeck

Quando 2 fios metálicos A e B de metais diferentes são unidos em 2 pontos 1 e 2 e as pontas ou juntas são submetidas a temperaturas diferentes, circula uma corrente pelo circuito formado pelos fios e essa corrente é proporcional à diferença de temperatura entre as juntas.

Colocando-se um milivoltímeto no lugar de uma das juntas

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EXPERIMENTO

Prática com termopar

1 - Objetivo:

Verificar o funcionamento dos termopares de forma qualitativa sem preocupação com valores

2 – Parte Prática:

2.1 - Conectar um termopar conforme a figura

2.2 - Aquecer a junta M usando um ferro de solda e verificar a medida no miliamperímetro

2.3 - Aquecer as duas pontas simultaneamente e verificar a medida no miliamperímetro

2.4 - Sendo a Junta M a usada como medição, o que aconteceria com a corrente se a junta R estiver a 0°C e acima de 0°C? Em qual caso a corrente seria maior?

2.5 - As tabelas de referência de termopares são baseadas em temperatura de junta de referência a 0°C. Que correção deve ser feita quando a temperatura da junta de referência estiver acima desse valor?

2.6 - Pesquisar tabelas de termopar e responder às seguintes questões:

1. 2.

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a) No que consiste um termopar?

b) Qual o nome da junção que vai ao processo? c) Qual o nome da junção que vai ao instrumento?

3 – Comentários

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Tipos de termopar mais usados

Tipo J, K, T (materiais diferentes)

Para cada tipo de termopar há uma tabela informando a tensão em mV gerada na junta de medição quando a junta Fria está a 0 graus Celsius

Como Fazer a correção da temperatura da junta de referência?

• Medir a temperatura na junta de referência usando outro tipo de sensor

• Verificar na tabela, o valor da tensão referente à temperatura da junta de referência.

• Adicionar essa tensão à tensão medida da junta de medição • Voltar à tabela e determinar a temperatura da junta de medição

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EXPERIMENTO

EXERCÍCIOS COM USO DA TABELA DE TERMOPARES

Objetivo- Estudar o comportamento dos Termopares

1. No que consiste um termopar?

2. Qual o nome da junção que vai ao processo? 3. Qual o nome da junção que vai ao instrumento?

4. Qual o valor que foi determinado para junção de referência, para podermos construir a tabela mV X T ?

Determine os valores pedidos dos esquemas abaixo adotando que os termopares são tipo K: 5. 6. 7. 8. 9. 10. Respostas: 5- 15,343mV 6- -4,954mV 7- 77°C 8- -23°C 9- 75°C 10- 75°C

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RTD-Resistance Temperature Detector

Baseia-se em um fio de metal, normalmente platina e a medição da temperatura é feita medindo-se a resistência do elemento. Precisos, lineares e.... caros

NTC-Negative Temperature Coefficient

A resistência cai com o aumento da temperatura. São sensíveis mas não são lineares, necessitando de circuitos linearizadores.

NTC

São componentes cujo valor da resistência varia com a variação da temperatura a que são submetidos.

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Pressostato

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Medição de Vazão

• Vazão (Q):

• Quantidade de fluido através de uma secção por unidade de tempo • Q = V x A V = velocidade do fluido A = área da secção

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Medição Direta

(27)

O princípio de Bernoulli

Onde a velocidade de um fluido é maior, a pressão é menor."

Tubo de Venturi

Tubo de Pitot

MEDIÇÃO DE FORÇA

O extensômetro ou strain gauge é um sensor que é colocado na superfície de uma peça, responsável por medir a deformação diante da aplicação de um carregamento. Essa

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técnica é muito utilizada para a verificação dos níveis de tensão atuante diante da condição de operação de um equipamento ou máquina.

http://ensus.com.br/extensometria-strain-gauge-o-que-e-quando-utilizar/

Célula de carga

Estrutura mecânica que ao receber um esforço, deforma-se dentro de uma faixa estabelecida e gera uma saída proporcional em resistência elétrica.

2ª Lei de Ohm: R = ρ(L/A) Ponte de Wheatstone

(29)

Circuito de uma célula de carga em ponte completa

(30)

EXPERIMENTO

PONTE DE WHEATSTONE

1-Objetivo:

Estudar o uso da Ponte de Wheatstone em circuitos de medição com

resistência variável

2-Introdução teórica

–

A ponte de Wheatstone é composta por 4 resistores ligados conforme a figura,

alimentados por uma fonte e onde se mede a tensão entre os 2 braços da

ponte

I1 =

𝐸 (𝑅1 + 𝑅2)⁄

I2= E/(R4+R3)

𝑈𝐴 = 𝐼1𝑅2𝑈𝐵 = 𝐼2𝑅3

Então

𝑈𝐴 = 𝐸𝑅 2 (𝑅1 + 𝑅2)⁄

𝑈𝐵 = 𝐸𝑅 3 (𝑅3 + 𝑅4)⁄

Lembrando:

UA e UB são em relação ao

negativo da fonte

Para UAB = 0V, UA = UB ou seja:

𝐸𝑅2 𝑅1+𝑅2= 𝐸𝑅3 𝑅3+𝑅4

ou

𝑅2 𝑅1+𝑅2= 𝑅3 𝑅3+𝑅4

multiplicando em X:

𝑅2𝑅3 + 𝑅2𝑅4 = 𝑅1𝑅3 + 𝑅2𝑅3

simplificando:

𝑅2𝑅4 = 𝑅1𝑅3

ou

𝑅 1 𝑅⁄ 2 = 𝑅 4 𝑅⁄ 3

Essa é a condição de equilíbrio da ponte

(31)

𝑈𝐴𝐵 = ( 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2−

𝑅3 𝑅3 + 𝑅4) 𝐸

Dessa forma podemos medir resistências através da medição de UAB

3- Parte Prática

–

Material necessário

1 Fonte de alimentação 1 Década resistiva

1 multímetro

1 Protoboard

3 Resistores de 1kΩ

4 Cabos agulha

3.1 -Procedimento

a-

Monte o circuito da ponte, usando um dos braços a década resistiva

ajustada para 1kΩ

b-

Meça a tensão UAB

UAB = _________V

c-

Ajuste a década para obter a mínima tensão UAB. Nessa condição, a

ponte está em equilíbrio.

d-

Meça UA e UB

UA = _V UB = _V

e-

Varie o valor da década resistiva aumentando e diminuindo o valor

da resistência medindo UAB e preenchendo a tabela

R

década

(Ω)

UAB (V)

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4- Comentários

5- Conclusões

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MEDIÇÃO DE PROXIMIDADE E PRESENÇA

Sensor Indutivo

• Sensor Indutivo

• O oscilador está sintonizado em uma frequência alta;

• Quando um objeto metálico é aproximado, as correntes de Foucault induzidas nele absorvem parte da energia diminuindo a oscilação.

• O circuito de trigger detecta essa alteração e, na saída o sinal digital é alterado • Sensor Indutivo

• Apenas sensível a alvos metálicos • Confiável

• Insensível ao pó

• Insensível a luz externa

(34)

Sensor capacitivo

• Sensor capacitivo

• A aproximação de um objeto aumenta a capacitância do capacitor de referência • Detecta materiais não metálicos

Efeito Hall

U = (RH/d) I B

RH=coeficiente Hall do material d= espessura do material

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EXPERIMENTO

SENSOR DE EFEITO HALL

Objetivo: Observar o comportamento de sensores Hall com saída analógica Procedimento:

1-Montar o circuito da figura

49E Pinagem

Pinagem 741 Visto de cima

2-Com o voltímetro na escala 20VDC e 2VDC, ajustar a tensão de saída para 0V usando o potenciômetro

3-Aproximar o ímã do sensor Hall e verificar a variação da tensão na saída do circuito 4-Inverter o ímã na direção N-S e repetir o item 3

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Sensores ópticos

LDR – Light dependente resistor

• Sua resistência diminui com a incidência de luz

• Não é polarizado

• Grande variação na resistência em função da iluminação

Fotodiodos

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Interruptor óptico ou de barreira

De barreira Tritec

Reflexão difusa WEG

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Reflexão Tecoma

Com fibra óptica Abraf

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MEDIÇÃO DE POSIÇÃO E VELOCIDADE

LVDT

Linear Variable Differential Transformer • Transformador Diferencial Variável Linear

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CLP MITSUBISHI

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Salvando

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Recurso Temporizador

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