SENSORES Características Prof. José Américo Moura Juazeiro Jul 28,2015

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1 SENSORES Características Prof. José Américo Moura Juazeiro Jul 28,2015 Prof. José Américo Moura Eng. Elétrica 1 Nível : 1, 2 e 3 1

2 Nível : 1 A interface entre o controle do processo (NIVEL II) e o mundo físico é feita por: Sensores dispositivo de entrada. Atuadores dispositivo de saída. Nível 1 SENSOR é um dispositivo que converte uma grandeza física, presente em um processo, em um sinal elétrico ou qualquer outra forma de interesse. ATUADOR é um dispositivo que converte um sinal elétrico em uma grandeza física de interesse no processo. 2

3 Nível 1: sensores SENSOR é um dispositivo que converte uma grandeza física, presente em um processo, em um sinal elétrico ou qualquer outra forma de interesse. Nível 1: sensores 3

4 Nível 1: sensores Nível 1 Existe uma grande variedade de especificações distintas para estes dipositivos (atuadores/sensores) de modo a não existir, na maioriadas vezes, um consenso na sua padronização. Consequência: O projetista vai encontrar uma grande variedade de especificações e interpretações dos parâmetros de desempenho. 4

5 Nível 1 É importante compreender o papel da FOLHA DE DADOS (DATA SHEET) destes componentes na hora de lidar com esta variabilidade. O DATA SHEET é um documento de marketing. evidencia os atributos positivos e enfatiza potenciais aplicações. pode omitir comentários sobre características negativas. em muitos casos o dispositivo foi desenvolvido para uma aplicação e consumidor específico. potenciais novos usuários precisam reconhecer isto : muitas das folhas de dados faltam informações para aplicações em casos particulares. Nível 1: Características dos sensores 1. função de transferência mostra as relação funcional entre a grandeza física de entrada e o sinal de saída. geralmente representanda por um gráfico mostrando saída x entrada. para sensores com aplicações especiais (caros), estes são calibrados individualmente e a função de transferência aprece como certificado de calibração. 5

6 Nível 1: Características dos sensores 1. função de transferência Nível 1: Características dos sensores 1. função de transferência 6

7 Nível 1: Características dos sensores 2. sensibilidade é também definida em termos da relação entre o sinal de saída e a grandeza física de entrada. é geralmente a resposta do sensor para pequenos sinais. é expressa como a derivada da função de transferência com relação à entrada (sinal físico). Unidades típicas: volts/kelvin, millivolts/kilopascal, mv/g. e,t.c.. Ex: Um termômetro tem alta sensibilidade se uma pequena variação na temperatuta resulta em uma grande mudança na tensão de saída. Nível 1: Características dos sensores 3. Alcance (span) é a faixa do sinal físico de entrada que pode ser convertido no sinal elétrico de saída. sinais de entrada for a desta faixa podem não ser precisos. é a diferença entre o mínimo e o máximo da faixa. Unidades típicas: Kelvin, Pascal, Newton. Volt e.t.c 7

8 Nível 1: Características dos sensores 4. Precisão (accuracy) é o maior erro esperado qdo se faz uma medida (erro absoluto). algumas vezes é expresso como erro relativo. Unidades típicas: Kelvin, Pascal, Newton. Volt e.t.c % FE (% FS ou % FSO) % do span % do VL. e.t.c ABSOLUTA RELATIVA Nível 1: Características dos sensores 5. Histerese (hysteresis) alguns sensores apresentam duas saídas para uma mesma entrada. Em geral isto ocorre em processos cíclicos. A diferença entre estas duas medidadas é o que chamamos de histerese. algumas vezes é expresso como erro absoluto (unidade da grandeza medida) ou erro relativo (% FSO). 8

9 Nível 1: Características dos sensores 6. coeficiente de temperatura a sensibilidade depende da temperatura e é em geral especificada em %/Tempetarura (< 0.025%/C), ou através de curvas. Nível 1: Características dos sensores 6. coeficiente de temperatura 9

10 Nível 1: Características dos sensores 6. linearidade (linearity) é a diferença entre a resposta atual do dispositivo e a melhor reta que se ajusta a curva dentro da faixa de trabalho especificada. em geral é especificado em < % FSO. Nível 1: Características dos sensores 7. ruído (noise) 8. largura de banda(bandwidth) 10

11 Nível 1: Características dos sensores 1. função de transferência 2. sensibilidade 3. Alcance (span) 4. Precisão (accuracy) 5. Histerese (hysteresis) 6. coeficiente de temperatura 7. linearidade (linearity) 8. ruído (noise) 9. largura de banda(bandwidth) Nível 1: Características dos sensores Além das características já citadas, uma tem um papel importante na escolha do sensor: TIPO DE SAÍDA. Analógica Digital ou binário.( sensores discretos ) de contato mecânico de proximidade ( sem contato mecânico) 11

12 Nível 1: Características dos sensores TIPO DE SAÍDA. Analógica o transdutor possui uma saída contínua, isto é, o sinal de saída acompanha o sinal de entrada de acordo com sua função de transferência. Nível 1: Características dos sensores TIPO DE SAÍDA. Digital ou binária a saída do dispositivo é discreta, isto é, só assume valores lógicos 0 ou 1. 12

13 Nível 1: Características dos sensores TIPO DE SAÍDA. Nível 1: Características dos sensores TIPO DE SAÍDA. A carga nunca deve ser conectada do lado da linha no switch. 13

14 Nível 1: Características dos sensores TIPO DE SAÍDA. Além dos limit switches, temos: chaves operadas manualmente chaves de nível Nível 1: Características dos sensores TIPO DE SAÍDA. Além dos limit switches, temos: chaves de pressão chaves de temperatura 14

15 Nível 1: Eletrônica dos sensores A eletrônica que acompanha o sensor tem um papel importante no seu desempenho global. Se projetada de maneira apropriada nos permite extrair boas informações de sinal ruidoso. Nível 1: Eletrônica dos sensores Muitos dos sensores não produzem uma tensão que possa ser usada nas entradas de conversão AD. Para utilizá-los devemos polarizá-los ( bias ) e o sinal de saída amplificado. 15

16 Nível 1: Eletrônica dos sensores sensores resistivos Nível 1: Eletrônica dos sensores sensores resistivos 16

17 Nível 1: Eletrônica dos sensores Limitações dos sensores. resistência dos terminais (lead resistence). sol.: técnica das 4 pontas (fios). impedância de saída (output impedance). Nível 1: Eletrônica dos sensores Limitações dos sensores. 17

18 Nível 1: Eletrônica dos sensores sensores capacitivos Nível 1: Eletrônica dos sensores sensores capacitivos tensão alternada C é relativamente pequeno (~100pF). correntes parasitas. amplificador próximo. 18

19 Nível 1: Eletrônica dos sensores Limitações dos sensores. capacitâncias parasitas. 1. Minimizar a distância do sensor ao restante do circuito. Nível 1: Eletrônica dos sensores sensores indutivos X L =2πfL técnicas mais elaboradas de fabricação. são em geral 3D. 19

20 Nível 1: Eletrônica dos sensores FILTROS têm basicamente a função de separar o sinal desejado em uma medida do ruído. passa baixa (low pass). passa alta (high pass). passa faixa (band pass). Nível 1: Eletrônica dos sensores filtro passa baixa 20

21 Nível 1: Eletrônica dos sensores filtro passa alta (HP) Nível 1: Eletrônica dos sensores filtro passa faixa (BP) 21

22 Nível 1: Eletrônica dos sensores Amplificadores operacionais regras de ouro 1. Nenhuma corrente flui através da entradas (E+ e E-). 2. Quando em realimentação negativa, a saída será tal que as tensões das duas entradas sejam iguais. Nível 1: Eletrônica dos sensores Amplificadores operacionais seguidor de tensão (G=1) 22

23 Nível 1: Eletrônica dos sensores Amplificadores operacionais amplificador inversor. Nível 1: Eletrônica dos sensores Amplificadores operacionais amplificador não-inversor. 23

24 Nível 1: Aplicações dos sensores São inúmeros os tipos e aplicações dos sensores. Variando desde os mais simples, de uso corriqueiro, até os de uso mais complexos em ambientes sensíveis e hostis. Nível 1: Aplicações dos sensores Entre os mais utilizados temos: 1. posição e deslocamento 2. Presença 3. Temperatura 4. Pressão 5. Corrente, tensão e potência 6. ópticos 24

25 Nível 1: Aplicações dos sensores Entre os mais utilizados temos: 7. velocidade 8. aceleração 9. nível 10. vazão 11. umidade 12. gases 13. ph 14. e.t.c posição coordenadas de um objeto em relação a determinado sistema de referência. deslocamento movimento de uma posição para outra por uma distância ou ângulo específico. proximidade distância crítica sinalizada por uma saída tipo on/off. 25

26 Aplicações Aplicações 26

27 Tecnologias utilizadas: 1. resistivos 2. Indutivos 3. capacitivos 4. eletromecânicos 5. piezoelétricos 6. ultrasônicos 7. encoders óptico 8. e.t.c RESISTIVOS são geralmente chamados de POTENCIÔMETROS ou POTs. estão disponíveis numa grande variedade com aplicações específicas. medidas de posição requerem potenciômetros de precisão. Evite trimmers, reostatos, atenuadores, controle de volume, etc. 27

28 RESISTIVOS RESISTIVOS para medirmos um delocamento/posição o pot é, em geral, montado numa configuração de divisor de tensão. A saída do circuito é uma tensão analógica pronta para o uso ou para digitalização. A calibração prévia permite converter a tensão de saída em unidades de deslocamento. 28

29 RESISTIVOS RESISTIVOS 29

30 RESISTIVOS RESISTIVOS 30

31 RESISTIVOS INDUTIVOS são amplamente utilizados na indústria. são robustos e compactos. sofrem pouco a influência do meio (ex. umidade, poeira, e.t.c) em comparação com o capacitivo. 31

32 INDUTITIVO aplicações típicas Ideal para detecção sem contato de objetos metálicos. São usados em setores onde componentes metálicos têm papel importante. Ex.: a) indústria de motores. b) Engenharia mecânica c) Indústria robótica. d) Sistemas transportadores e) e.t.c INDUTIVOS como funciona também conhecidos como sensores de corrente parasitas. usam um campo eletromagnético que penetra no alvo. 32

33 INDUTIVOS como funciona INDUTIVOS como funciona 33

34 INDUTIVOS como funciona INDUTIVOS como funciona 34

35 INDUTIVOS como funciona INDUTIVOS - alvos Sensores indutivos são sensíveis ao material do alvo. Existem basicamente dois tipos de alvos: a) ferrosos (magnéticos) : ferro e aços. b) não-ferrosos (não-magnéticos): alumínio, cobre, latão, zinco e outros. 35

36 INDUTIVOS - alvos Alguns sensores funcionam com os dois tipos de alvos.!! Para uma bom desempenho o sensor deve ser calibrado para o material do alvo. INDUTIVO aplicações típicas 36

37 INDUTIVO aplicações típicas Automação Industrial 37

38 CAPACITIVOS são amplamente utilizados na indústria e em aplicações científicas Podem também ser utilizados na detecção de humidade e misturas. CAPACITIVOS detectam materiais condutores e não condutores, nas formas: sólida, pó ou líquida. Ex.: cerâmicas, plásticos, madeira, óleo, água, papelão e papel.!! O SENSOR opera quando o material está a uma distância específica do material. 38

39 CAPACITIVOS como funciona A face sensível do dispositivo é formada por duas placas metálicas concêntricas formando um capacitor aberto. CAPACITIVOS como funciona 39

40 CAPACITIVO aplicações típicas controle de nível em containers de plástico ou vidro. monitoração de nível em embalagens transparentes. rompimento de fio ou fita de sinalização. contagem de vasilhames ou itens de qualquer espécie. CAPACITIVO aplicações típicas 40

41 CAPACITIVO especificações 41

42 CAPACITIVO x INDUTIVO Nível 1: Eletrônica dos sensores FIM 42