Aula V Medição de Variáveis Mecânicas

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1 Aula V Medição de Variáveis Mecânicas Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Disciplina: Instrumentação e Automação Industrial I(ENGF99) Professor: Eduardo

2 Sensores Discretos Sensores discretos são caracterizados por apresentarem apenas dois tipos de saída: Ligado; Desligado. Os sensores são ditos discretos (ou digitais) pois os valores zero (0) e um (1) podem ser atribuídos respectivamente aos estados desligado e ligado. Os sensores de proximidade são os sensores discretos mais utilizados e indicam a presença ou ausência de objetos. Os principais tipos de sensores de proximidade são: Chavesdefimdecurso; Capacitivos; Indutivos; Óticos; Ultrassonicos. 2

3 Sensores Classes de Proteção O código de proteção (IP) é padronizado internacionalmente deve ser considerado na especificação do sensor de acordo com o local de instalação. 3

4 Sensores Discretos Chaves de Fim de Curso Chave eletro-mecânica que muda de estado quando acionada: Utilizada para indicar o final de um deslocamento. Ativada por contato mecânico entre o objeto e a chave. 4

5 Sensores Discretos Chaves de Fim de Curso Pode ser normalmente aberta(na) ou normalmente fechada(nf). 5

6 Sensores Discretos Chaves de Fim de Curso Exemplosdechavesdefimdecurso: 6

7 Sensores Discretos Chaves de Fim de Curso Exemplos de aplicação: Desligamento do motor de uma esteira quando o objeto transportado chega no ponto de coleta. Ligamento de uma bomba quando uma bóia atinge o nível mínimo permitido para o tanque. Caso a chave esteja ligada em série com as cargas a serem acionadas, que tipo de chave(na ou NF) deveriam ser utilizadas nos problemas anteriores? Alimentação Vc Chave Carga a ser acionada 7

8 Sensores Indutivos Um sinal elétrico senoidal é gerado por um oscilador e alimenta um circuito indutivo. O indutor transforma o sinal elétrico em um campo magnético, que é irradiado pela face sensora. A presença de um objeto metálico nas proximidades da face sensora altera o campo magnético. Com a aproximação do objeto metálico são geradas correntes induzidas contrárias às oscilações, diminuindo o níveldosinaldesaída. 8

9 Sensores Indutivos Variação do sinal de saída com a aproximação do objeto metálico: Quanto mais próximo o objeto, menos a amplitude da saída. 9

10 Sensores Indutivos A distância sensora útil é influenciada por características de construção e industrialização, e pelas condições de operação(temperatura, umidade). Na instalação de mais de um sensor indutivo, manter uma distância mínima para evitar interferência dos campos magnéticos dos diferentes sensores. 10

11 Sensores Capacitivos Os sensores de proximidade capacitivos são dispositivos capazes de detectar a presença de objetos plásticos, líquidos, orgânicos e também os metálicos detectados pelos sensores indutivos. Eles funcionam gerando um campo eletrostático criado por um oscilador controlado por capacitor, e detectando mudanças neste campo causadas por um alvoqueseaproximadafaceativa. Face Ativa Quando o objeto a ser detectado se aproxima da face sensora ele aumenta a capacitância do circuito, fazendo com que o sensor comute seu estado, de aberto para fechado e vice-versa. 11

12 Sensores Capacitivos Quanto maior o tamanho e a constante dielétrica de um alvo, maior é o aumento da capacitância. Quanto menor for a distância entre a ponta de compensação e o alvo, também maior será a capacitância. Os sensores blindados são mais indicados para a detecção de materiais de constantes dielétricas baixas (difíceis de detectar), devido a seu campo eletrostático altamente concentrado. Entretanto, isto também os torna mais suscetíveis a comutação falsa devido à acumulação de sujeira ou umidade na face ativa do detector. 12

13 Sensores Ópticos - Elementos Eletro-ópticos Antes de conhecermos os sensores ópticos propriamente ditos, vamos entender o funcionamento dos elementos eletro-ópticos: LED (Diodo Emissor de Luz): emite luz quando submetido a uma tensão elétrica. LDR (Ou foto-resistor): componente cuja resistência elétrica varia com a incidência de luz, apresenta resposta lenta. Exemplo de aplicação: acendimento automático de lâmpadas. 13

14 Sensores Ópticos - Elementos Eletro-ópticos Foto-diodo: Diodo semi-condutor cuja junção está exposta à luz. A energia luminosa desloca elétrons reduzindo a barreira de potencial levando o dispositivo à condução quando polarizados reversamente. Usado como sensor em controle remoto, leitores de código de barras, scanner, toca CD, etc. 14

15 Sensores Ópticos - Elementos Eletro-ópticos Foto-diodo: 15

16 Sensores Ópticos O sinal de luz transmitido é modulado em uma certa freqüência fc, e no receptor é acoplado um filtro que somente considera sinais com a mesma freqüência, evitando interferência de outras fontes luminosas. 16

17 Sensores Ópticos Funcionamento de um sensor óptico: 17

18 Sensores Ópticos Terminologia utilizada em sensores ópticos: 18

19 Sensores Ópticos por Retro-reflexão Emissor e receptor estão montados no mesmo corpo. Se o sinal refletido é interrompido, o sensor muda de estado. Objetos transparentes, refletores ou brilhantes podem não ser detectados 19

20 Sensores Ópticos por Transmissão (tipo barreira de luz) Emissor e receptor estão montados em dispositivos separados. Apresençadeumobjetoentreabarreiradeluzprovocaoacionamentodosensor. Objetos transparentes podem não ser detectados. 20

21 Sensores Ópticos por Reflexão Difusa Emissor e receptor estão montados no mesmo corpo. A luz do emissor, quando refletida pelo objeto, ativa o sensor. 21

22 Sensores Infra-vermelhos Funcionamento semelhante aos sensores ópticos, porém com aplicação em alarmes e automação predial. O sensor infravermelho passivo é apenas um receptor de infravermelho, e conseguecaptarocalorhumanoaumadistanciaentre15e25m. Sensor infra-vermelho ativo: 22

23 Sensores Infra-vermelhos Sensor infra-vermelho passivo: 23

24 Sensores Ultra-sonicos Os sensores ultra-sônicos têm alcance maior que os ópticos (podendo chegar a 15m). São menos sujeitos a interferência externa que os sensores ópticos. 24

25 Aplicações de sensores ultra-sônicos: a) Medidas de diâmetro; b) Detecção de objetos; c) Presença de pessoas; d) Medição de densidade. Sensores Ultra-sonicos 25

26 Exercícios de Fixação 1. Compare os sensores indutivos, capacitivos, ópticos e ultra-sonicos quanto aos materiais a serem detectados, acoplamento ao objeto, princípio de funcionamento. 2. Por que os sensores ópticos estão mais sujeitos a interferências que os sensores ultra-sônicos? 3. Considerando um sensor óptico típico, explique o funcionamento dos seguintes blocos: oscilador, préamplificador, analisador de freqüência, discriminador. 4. Considerando as duas classes de sensores ópticos mostrados nas especificações em anexo, escolha aquele que melhor atende às especificações a seguir: a. Alcance 5m, tempo de resposta menor que 3ms, deve detectar objetos translúcidos de 10mm de diâmetro, operação NF, proteção contra penetração de pó e jatos dágua fortes. b. Operação imerso em água sob determinadas condições de pressão e temperatura, distância sensora de 15m, objeto a ser detectado é opaco, freqüência de chaveamento 40Hz. c. Operação imerso em água sob determinadas condições de pressão e temperatura, distância sensora de 5m e objeto translúcido a ser detectado. 5. Desenhe as conexões utilizadas para instalação em CLP dos sensores escolhidos na questão 4, considerando que os mesmos vão comandar uma carga genérica Zc. 6. Sabendo que uma onda de ultra-som se desloca com velocidade de aproximadamente 340,3m/s, e que um sensor foi instalado a 1m de distância de uma esteira, qual o intervalo de tempo que o sinal leva para retornar ao transmissor quando a. A esteira está vazia b. Háumobjetode30cmdealturasobreaesteira. 26

27 27

28 28

29 Instalação de Sensores Na instalação, deve-se levar em conta fatores particulares dos diferentes tipos de sensores e locais de instalação. São características que devem ser analisadas por exemplo: Distância efetiva de ativação; Material a ser detectado; Alinhamento dos sensores; Interferência. As conexões elétricas dos sensores também precisam ser escolhidas a partir das especificações de projeto. 29

30 Distância efetiva de acionamento: Instalação de Sensores Uma das especificações dos sensores discretos é a distância nominal de acionamento. A depender das condições de instalação e das características físicas (cor, textura, material, tamanho, etc.) do objeto a ser detectado a distância efetiva de acionamento pode ser diferente da nominal. 30

31 Distância efetiva de acionamento: Instalação de Sensores Características que influenciam a distância nominal de acionamento a depender dotipodesensor: Indutivo: tipo de material metálico, interferência; Os sensores indutivos sofrem interferência de outros sensores instalados nas proximidades. Capacitivo: constante dielétrica do material, sujeira; Materiais com constante dielétrica mais alta (mais isolantes) são mais facilmente detectados. Óptico: cor, opacidade, refletividade, transparência, sujeira, dimensões do objeto. Os sensores ópticos (especialmente os do tipo barreira precisam ser alinhados durante a instalação 31

32 Conexõeselétricasde3a4fios: Instalação de Sensores Nossensoresde3fiosexisteapenasumapossibilidadedecontato(NAouNF). Em sensores a 4 fios existem os dois tipos de contatos, que podem ser selecionados a partir dos terminais de conexão. 32

33 Conexões elétricas Instalação de Sensores Há um padrão de cores normalmente utilizado para as conexões elétricas dos sensores: Alimentação positiva(+): marrom ou vermelho Alimentação negativa(- ou GND): azul Contato NA: preto Contato NF: branco 33

34 Sensores NPN e PNP: Instalação de Sensores A depender do tipo do sensor (NPN ou PNP) as cargas devem ser conectadas de forma diferente. Sensores PNP têm em seu estágio de saída um transistor PNP, e a carga deve ser conectada entre os terminais NA ou NF e negativo. O sensor NPN tem em seu estágio de saída um transistor NPN, e a carga deve ser conectada entre os terminais NA ou NF e positivo. 34

35 Instalação de Sensores Exemplos de sensores em uso: Que tipo de sensor é esse? Capacitivo ou indutivo? 35

36 Instalação de Sensores Exemplos de sensores em uso: Capacitivo! 36

37 ConexãoaoCLPdeumsensora4fios: Instalação de Sensores 37

38 ConexãoaoCLPdeumsensora4fios: Instalação de Sensores 38

39 Acionamento de Cargas AC Os sensores e controladores discretos (ou digitais) não são capazes de prover tensão de saída alternada(ac), mas apenas um sinal de corrente contínua de baixa potência. Para fazer o acionamento de cargas de corrente alternada é preciso usar dispositivos auxiliares que façam a conexão do sinal de saída discreto com uma fonte de tensão alternada. Um destes dispositivos é o Relé eletromecânico: Nos terminais da bobina são conectados o sinal de comando dos sensores ou controladores. Nos terminais dos contatos e no terminal comum são conectados a fonte de tensão AC. A existência de tensão nos terminais da bobina gera um campo magnético que movimenta a armadura mudando a posição dos contatos mecânicos. 39

40 Exercícios de Fixação 1. Quais os fatores que influenciam a distância efetiva de ativação de sensores de presença? 2. Quais os cuidados que devemos ter na instalação de sensores capacitivos, indutivos e ópticos? 3. Indique as conexões elétricas que devem ser feitas nos bornes do CLP (considere um S7 200 da Siemens) e os tipos de sensores que podem ser utilizados para o seguinte sistema de controle. a. Umalâmpadadeveseracionadaapartirdaidentificaçãodapresençadeuma peça plástica. OBS:façadoistiposdeligaçõesumaparasensoresPNPeoutraparaNPN. 40

41 Medição Dimensional Um dos instrumentos mais utilizados para medição dimensional é o paquímetro: Paquímetro analógico: Paquímetro Digital: 41

42 Medição Dimensional Medição dimensional utilizando visão computacional: atualmente é possível realizar medição dimensional de modo automático utilizando técnicas de processamento digital de imagem (também chamadas de técnicas de visão computacional). 42

43 Medição de Deslocamento / Velocidade A medição de velocidade em geral é realizada por sensores que, na prática, medem deslocamento. A velocidade é calculada dividindo-se o deslocamento pelo tempo: = / Exemplos de medidores de deslocamento: Relógio Comparador: 43

44 Medição de Deslocamento / Velocidade Potenciômetro: é um resistor variável que pode ser acoplado ao elemento a ser monitorado. A variação na posição implica numa variação na resistência que pode ser medida a partir de um circuito elétrico. 44

45 Medição de Deslocamento / Velocidade LVDT (Linear Variable Differencial Transformer): funciona de modo análogo ao potenciômetro, uma tensão elétrica proporcional ao deslocamento é gerada. A principal vantagem é a maior durabilidade, pois há um menor atrito mecânico. 45

46 Medição de Deslocamento / Velocidade Encoder: dispositivo utilizado para medir deslocamento e velocidade a partir da contagem de pulsos digitais. Estrutura interna: Sinais produzidos: 46

47 Medição de Deslocamento / Velocidade Tipos de Encoder: EncoderIncremental aposiçãoéobtidaemapartirdacontagemdepulsosapartir do pulso inicial. No caso de uma queda de energia do sistema, a informação da posição atual é perdida e o sistema deve retornar à posição de referência para o reinício da contagem Encoder Absoluto há uma codificação mais sofisticada na estrutura do sinal gerado (existem mais pulsos, não apenas oaebdoencoderincremental), que permitem a localização a partir de qualquer posição inicial. 47

48 Medição de Deslocamento / Velocidade Tipos de Encoder: Encoder Linear Encoder Angular 48

49 Medição de Deformação Um corpo quando sujeito a forças de tração ou compressão sofre uma deformação que pode ser calculada por: = A deformação pode também ser expressa em função da tensão aplicada (S) e do módulo de elasticidade do material(e): = Sendo S = F/A (F- força aplicada e A área da seção transversal do material). Atualmente, o sensor mais utilizado para medição de deformação é o strain-gage (ou extensômetro). O extensômetro é um resistor cuja resistência elétrica varia se ele for deformado. 49

50 Medição de Deformação Diagrama de um extensômetro: O extensômetro é colado ao objeto: 50

51 Medição de Deformação 51

52 Medição de Deformação Exemplos de aplicações de extensômetros: 52

53 Medição de Deformação Exemplos de aplicações de extensômetros: 53

54 Medição de Força 54

55 Medição de Força A estimação da Força aplicada sobre um material pode ser realizada a partir da medição da deformação. 55

56 Medição de Vibração A medição de vibração é importante para a caracterização de diversos fenômenos físicos. Uma aplicação importante no ambiente industrial é o monitoramento de equipamentos elétricos e eletromecânicos. Entre os principais sensores de vibração pode-se destacar: os proxímetros, os sensores sísmicos de velocidade e os acelerômetros. Proxímetros - são sensores de deslocamento que medem a distância entre o dispositivo e uma superfície condutora. A proximidade entre o transdutor e a superfície causa interferência no campo magnético, gerando uma variação na saída. Como a saída do proxímetro é uma função não-linear da distância entre a ponta de prova e a superfície condutora, é necessário o uso de um circuito linearizador. Funcionam apenas em baixas frequências. 56

57 Medição de Vibração Sensores Sísmicos de Velocidade - compostos de uma massa magnética presa a uma mola e envolta por um enrolamento de fio, com todo esse conjunto imerso em óleo. O movimento da massa gera um campo eletromagnético e consequentemente diferença de potencial nos terminais do enrolamento. Apresentam grandes dimensões se comparados aos acelerômetros piezo-elétricos. São sensíveis a efeitos de eixos transversos: montado verticalmente, também é afetado por um movimento horizontal. Sua resposta em frequência vai até 2000Hz. Acelerômetros - utilizam uma massa fixada a um cristal piezo-elétrico. Quando o dispositivo vibra, uma carga proporcional à força aplicada no cristal é gerada, como a massa permanece sempre constante, tem-se uma corrente proporcional a aceleração. Só capta vibração numa direção. Caso seja necessário, o sinal pode ser integrado uma vez para obter-se a velocidade e duas para o deslocamento. Apresentam dimensões reduzidas e baixas correntes de polarização, os cabos de conexão podem ter até 50m, sem gerar atenuações consideráveis no sinal. Alguns modelos apresentam resposta em frequência linear de 5Hz até 20kHz, sendo o tipo de sensor de vibração mais utilizado por sua praticidade e resposta em frequência. 57

58 Medição de Vibração Em medições de vibração, deve-se ter muito cuidado com a fixação do sensor de forma a mantê-lo bem fixado na estrutura ou objeto a ser monitorado. Com uma fixação incorreta pode-se perder informação, principalmente as componentes de alta frequência. Exemplo de Especificações de um acelerômetro: 58

59 Medição de Vibração Exemplo de um procedimento de medição de vibração num equipamento elétrico (transformador): 59

60 Exercícios de Fixação

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