CON2 CONTROLADORES INDUSTRIAIS Versão: 1.03 INDICE

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1 INDICE 1. Sensores Binários 1.1. Sensor de Proximidade Indutivo 1.2. Sensor de proximidade Capacitivo 1.3. Sensores Ópticos 1.4. Sensores Ultrassônicos 2. Atuadores Binários 2.1. Relés 2.2. Contatores 2.3. Solenoides 3. Sensores Lineares 3.1. Sensores Passivos Sensores Resistivos Potenciômetros Extensiômetros RTD s Termistores Resistências Dependentes da Luz(LDR) Sensores Capacitivos Capacitor de superfície variável Capacitor de distancia variável Capacitor de dielétrico variável Sensores Indutivos Sensor de entreferro variável Transformador diferencial linear 3.2. Sensores Ativos Sensores Eletromagnéticos Resolvers e Syncros Sensores eletromagnéticos de vazão Tacômetros geradores Sensores de efeito Hall Sensores Termelétricos Sensores Piezelétricos Piroelétricos Fotovoltaicos Fotodiodoo Fototransístor Optoacopladores 4. Atuadores Lineares 4.1. Eletromecânicos Motores AC Motores DC Servos-motores e Motores de Passo 4.2. Hidráulicos e Pneumáticos Bombas e Compressores Página 1

2 Válvulas Página 2

3 1. SENSORES BINÁRIOS (Lógicos) Os sensores são transdutores eletrônicos que geram um sinal de saída quando um objeto é introduzido em seu campo de atuação. Os sensores surgiram para auxiliar nas automatizações de máquinas e equipamentos, substituindo as chaves de acionamento mecânico dando maior versatilidade e durabilidade às aplicações. Tipos de Sensores Indutivos Capacitivos Ópticos Ultrassônicos 4.1. SENSORES DE PROXIMIDADE INDUTIVOS Os sensores de proximidade indutivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a aproximação de peças, componentes, elementos de máquinas, etc., em substituição as tradicionais chaves fim de curso. A detecção ocorre sem que hajaa o contato físico entre o acionador e o sensor, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos. Os sensores Indutivos são sensores de proximidade, ou seja, geram um sinal de saída quando um objeto metálico (aço, alumínio, cobre, latão, etc.) entra na sua área de detecção, vindo de qualquer direção, sem que seja necessário o contato físico Princípio de Funcionamento Figura 1 - Sensor de proximidade indutivo A bobina faz parte de um circuito oscilador que em condição normal (desacionada) gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do campo, este por correntes de superfície (Foucault) absorve a energia do campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador. A variação de amplitude deste sinal é convertida em uma variação contínua que comparada com um valor padrão, passa a atuar no estágio de saída Face Sensora É a superfície onde emerge o campo eletromagnético Distância Sensora (S) É à distância em que se aproximando o acionador da face sensora, o sensor muda o estado da saída. Página 3

4 Distância de Acionamento À distância de acionamento é função do tamanho da bobina. Assim, não podemos especificar a distância sensora e o tamanho do sensor simultaneamente Distância Sensora Nominal (Sn) É à distância sensora teórica, a qual utiliza um alvo padrão como acionador e não considera as variações causadas pela industrialização temperatura de operação e tensão de alimentação. É o valor em que os sensores de proximidade são especificados. Como utiliza o alvo padrão metálico, a distância sensora nominal informa também a máxima distância que o sensor pode operar Distância Sensora Real Valor influenciado pela industrialização, especificado em temperatura ambiente (20 C) e tensão nominal, desvio de 10% Distância Sensora Efetiva Valor influenciado pela temp. de operação, possui um desvio máximo de 10% sobre a distância sensora real Distância Sensora Operacional (Sa) É à distância em que seguramente pode-se operar, considerando-se e tensão de todas as variações de industrialização, temperatura alimentação Alvo Padrão (Norma DIN 50010) É um acionador normalizado utilizado para calibrar a distância sensora nominal durante o processo de fabricação do sensor. Consiste de uma chapa de aço de um mm de espessura, formato quadrado. 0 lado deste quadrado é igual ao diâmetro do circulo da face sensora ou 3 vezes a distância sensora nominal quando o resultado for maior que o anterior Material do Acionador À distância sensora operacional varia ainda com o tipo de metal, ou seja, é especificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator de redução. Material Fator Aço (St37) 1 Latão 0, ,5 Cobre 0,25...0,45 Alumínio 0,35...0,50 Aço inoxidável 0, Histerese É a diferença entre o ponto de acionamento (quando o alvo metálico aproxima- o alvo afasta-se do se da face sensora) e o ponto de desacionamento (quando sensor). Este valor é importante, pois garante uma diferença entre o ponto de acionamento e desacionamento, evitando que em uma possível vibração do sensor ou acionador, a saída oscile. Página 4

5 Figura 2 - Histerese em sensores Embutido (blindado) Este tipo de sensor tem o campo eletromagnético emergindo apenas na face sensora e permite que seja montado em uma superfície metálica Não embutido (não blindado) Neste tipo o campo eletromagnético emerge também na superfície lateral da face sensora, sensível a presença de metal ao seu redor. Figura 3 - Sensores embutido (direita) e não embutido (esquerda) Frequência de Comutação A frequência de comutação é o máximo número de acionamentos por segundo (Hz). Figura 4 - Frequência de comutação Aplicações Os sensores indutivos substituem com muitas vantagens as chaves fim de curso. Abaixo se visualiza algumas das aplicações. Posição por cames Controle de rotação e sentido Página 5

6 Controle por transfer Controle de posição Controle do número de peças Posição de comportas Figura 5 - Algumas das aplicações dos sensores indutivos Vantagens Funcionam em condições ambientais extremas. Acionamento sem contato físico. Saída em estado sólido. (PNP ou NPN). Alta durabilidade quando bem aplicado SENSORES DE PROXIMIDADE CAPACITIVOS Os sensores de proximidade capacitivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a presença ou aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, líquidos, madeiras, papéis, metais, etc. Os sensores Capacitivos são semelhantes aos Indutivos, porém sua diferença básica é exatamente no princípio de funcionamento, o qual se baseia na mudança da capacitância da placa detectora localizada na região denominada face sensível do sensor. Estes sensores podem detectar praticamente qualquer tipo de material, por exemplo, metais, madeira, plásticos, vidros, granulados, pós-minerais tipo cimento, talco, etc. Os líquidos de maneira geral são ótimos acionadores para os sensores capacitivos Principio de Funcionamento O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor. O capacitor é formado por duas placas metálicas, carregadas com cargas elétricas opostas, montadas na face sensora, de forma a projetar o campo elétrico para fora do sensor, formando desta forma um capacitor que possui como dielétrico o ar. Figura 6 - Princípio de funcionamento Quando um material aproxima-se da face sensora, ou seja, do campo elétrico o dielétrico do meio se altera, alterando também o dielétrico do capacitor frontal do sensor. Como o oscilador do sensor é controlado pelo capacitor frontal, quando aproximamos um material a capacitância também se altera, provocando uma mudança no circuito oscilador. Esta variação é convertida em um sinal contínuo que comparado com um valor padrão passa a atuar no estágio de saída. Página 6

7 Figura 7- Diagramaa em blocos dos elementos do sensor Face sensora É a superfície onde emerge o campo elétrico. É importante notar que os modelos não embutidos, com região sensora lateral, são sensíveis aos materiais a sua volta. Figura 8 - Face sensora do embutido e do não embutido Distância Sensora Nominal (Sn) É à distância sensora teórica a qual utiliza um alvo padrão como acionador e não considera as variações causadas pela industrialização, temperatura, de operação e tensão de alimentação. É a distância em que os sensores são especificados Alvo Padrão À distância sensora nos capacitivos são especificados para o acionador metálico de aço SAE 1020, quadrado, com lado igual a três vezes a distância sensora para os modelos não embutidos (na grande maioria) e em alguns poucos casos de sensores capacitivos embutidos utiliza-se o lado do quadrado igual ao diâmetro do sensor Distância Sensora Efetiva (Su) Valor influenciado pela industrialização e considera as variações causadas pela temperatura de operação Distância Sensora Operacional (Sa) É a distância que observamos na prática, sendo considerados os fatores de industrialização (81% de Sn) e um fator que é proporcional ao dielétrico do material a ser detectado, pois o sensor capacitivo reduz sua distância quanto menor o dielétrico do acionador. Sa = 0,81 x Sn x F(εr) Página 7

8 Material a ser Detectado A tabela abaixo indica o dielétrico dos principais materiais, paraa efeito de comparação; sendo indicado sempre um teste prático para determinação da distância sensora efetiva para o acionador utilizado. Deve-se, no entanto considerar que em caso de materiais orgânicos deve-see considerar a que a distância de detecção está fortemente influenciada pela presença de água. Material ar, vácuo óleo, papel, petróleo, poliuretano, parafina,silicone, teflon araldite, baquelite, quartzo, madeiras vidro, papel grosso, borracha, porcelana mármore, pedras, madeiras pesadas álcool água εr 1 2 a 3 3 a 4 4 a 5 6 a Ajuste de sensibilidade O ajuste de sensibilidade presta-se principalmente para diminuir a influência do acionamento lateral no sensor, diminuindo-se a distância sensora. Permite ainda que se detecte alguns materiais dentro de outros, como por exemplo: líquido dentro de garrafas ou reservatórios com visores de vidro, pós dentro de embalagens, ou fluidos em canos ou mangueiras plásticas. Figura 9 Ajuste de sensibilidade Deve se tomar em conta de que existe a possibilidade de que se o detector está regulado de maneira muito sensível, que este seja influenciado por uma modificação do meio (temperatura, umidades, ou poluição) Aplicações Pode-se destacar que os sensores capacitivos são mais versáteis do que os indutivos, porem podemos ressaltar que são mais sensível a perturbações externas o que torna mais atraente usar os sensores indutivos se existem metais a serem detectados. Página 8

9 Controle de nível Detecção de ruptura de fio Sinalização de corte de papel Controle de nível de garrafas Controle de tensão em esteira Contador e controle de nível Figura 10 - Aplicações de sensores capacitivos Vantagens Detectam praticamente todos os tipos de materiais. Acionamento sem contato físico. Saída em estado sólido. Alta durabilidade quando bem aplicado SENSORES ÓTICOS Os sensores fotoelétricos, também conhecidos por sensores ópticos, manipulam a luz de forma a detectar a presença do acionador, que na maioria das aplicações é o próprio produto Princípio de Funcionamento Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha (invisível ao ser humano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado. Os fotoelétricos são compostos por dois circuitos básicos: um responsável pela emissão do feixe de luz, denominado transmissor e outro responsável pela recepção do feixe de luz, denominado receptor. Os Sensores Ópticos funcionam pelo princípio de emissão e recepção de feixes de luz modulada e são divididos em 3 princípios distintos: Sistema por Óticas Alinhadas (ou Barreira), Difusão e Sistema Reflexivo. Figura 11 - Princípio de funcionamento dos sensores fotoelétricos Página 9

10 O transmissor envia o feixe de luz através de um fotodiodo, que emite flashes, com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor confunda a luz emitida pelo transmissor com a iluminação ambiente. O receptor é composto por um foto transistor sensível à luz, que em conjunto com um filtro sintonizado na mesma frequência de pulsação dos flashes do transmissor, faz com que o receptor compreenda somente a luz vinda do transmissor Sistema por Barreira O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper o feixe de luz. Figura 12 - Sistema por barreira Distância Sensora Nominal (Sn) À distância sensora nominal (Sn) para o sistema por barreira é especificada como sendo a máxima distância entre o transmissor e o receptor, o que não impede o conjunto de operar com distâncias menores Dimensões Mínimas do Objeto Quando um objeto possui dimensões menores que as mínimas recomendadas, o feixe de luz contorna o objeto e atinge o receptor, que não acusa o acionamento. Nestes casos devem-se utilizar sensores com distância sensora menor e conseqüentemente permitem a detecção de objetos menores. Figura 13 - Dimensão insuficiente para ser detectada Sistema por Difusão Óptica (Foto sensor) Neste sistema o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade. Sendo que o acionamentoo da saída ocorre quando a objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor. Página 10

11 Figura 14 - Sistema por difusão Sistema por Difusão Óptica Convergente Neste princípio o sensor tem seu funcionamento análogo ao princípio Difuso, diferenciando-se por possuir um ponto focal, sendo, portanto muito mais preciso. Figura 15 - Sistema por difusão convergente Sistema por Difusão Óptica Campo Fixo ( fixed-field ) Semelhante ao princípio convergente, por possuir também um único ponto focal, diferencia-se por executar a função de supressão ao plano de fundo. Figura 16 - Sistema por difusão campo fixo Distância Sensora Nominal (Sn) À distância sensora nominal no sistema por difusão é a máxima distância entre o sensor e o alvo padrão Alvo Padrão O alvo padrão no caso dos sensores por difusão é uma folha de papel fotográfico branco com índice de refletividade de 90%, com dimensões especificadas para cada modelo de sensor. Utilizado durante a industrialização para calibração da distância sensora nominal (Sn) Distância Sensora Efetiva (Su) Página 11

12 Valor influenciado pela industrialização e considera as variações causadas pela temperatura de operação Distância Sensora Operacional (Sa) Para os modelos tipo foto sensor existem vários fatores que influenciam o valor da distância sensora operacional (Sa), explicados pelas leis de reflexão de luz da física. Sa = 0,81. Sn. FC (cor, material, rugosidade, outros) Abaixo apresentamos duas tabelas que exemplificam os fatores de redução em função da cor e do material do objeto a ser detectado. Cor Branco Amarelo Verde Vermelho Azul claro Violeta Preto FC Material 0,95 a 1 Metal polido 0,90 a 0,95 Metal usinado 0,80 a 0,90 Papeis 0,70 a 0,80 Madeira 0,60 a 0,70 Borracha 0,50 a 0,60 Papelão 0,20 a 0,50 Pano FC 1,20 a 1,80 0,95 a 1,00 0,95 a 1,00 0,70 a 0,80 0,40 a 0,70 0,50 a 0,60 0,50 a 0,60 Nota: Em casos onde há a necessidade da determinação exata do fator de redução deve-se fazer um teste prático, pois outros fatores podem influenciar a distância sensora, tais como: rugosidade, tonalidade, cor, dimensões, etc. Lembramos também que os fatores são acumulativos, como por exemplo: papelão (0,5) preto (0,5) gera um fator de 0, Zona Morta É a área próxima ao sensor, onde não é possível a detecção do objeto, pois nesta região não existe um ângulo de reflexão da luz que chegue ao receptor. A zona morta normalmente é dada por: 10 a 20% de Sn. Figura 17 - Zona morta onde não há detecção Sistema Reflexivo Este sistema apresenta o transmissor e o receptor em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho prismático, e o acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper este feixe. Página 12

13 Figura 18 - Sistema refletivo Distância Sensora Nominal (Sn) À distância sensora nominal (Sn) para o sistema refletivo é especificada como sendo a máxima distância entre o sensor e o espelho prismático, sendo possível montá-los com distância menor. Disponíveis para até 10m Espelho Prismático O espelho permite que o feixe de luz refletido para o receptor seja paralelo ao feixe transmitido pelo transmissor, devido às superfícies inclinadas a 45º o que não acontece quando a luz é refletida diretamente por um objeto, onde a luz se espalha em vários ângulos. À distância sensora para os modelos refletivos é função do tamanho (área de reflexão) e o tipo de espelho prismático utilizados. Figura 19 - Funcionamento do espelho prismático Detecção de Transparentes A detecção de objetos transparentes, tais como: garrafas de vidro, vidros planos, etc. podem ser detectados com a angulação do feixe em relação ao objeto, ou através de potenciômetros de ajuste de sensibilidade, mas sempre se aconselha um teste prático. A detecção de garrafas plásticas tipo PET, requerem sensores especiais para esta finalidade. Figura 20 - Detecção de transparentes Página 13

14 Detecção de Objetos Brilhantes Quando o sistema refletivo for utilizado na detecção de objetos brilhantes ou com superfícies polidas, tais como: engradados plásticos paraa vasilhames, etiquetas brilhantes, etc.., cuidados especiais devem ser tomados, pois o objeto neste caso pode refletir o feixe de luz. Atuando assim, como se fosse o espelho prismático, ocasionando a não interrupção do feixe, confundindo o receptor que não aciona a saída, ocasionando uma falha de detecção, para se prevenir aconselha-se utilizar um dos métodos: Montagem Angular Consiste em montar o sistema sensor espelho de forma que o feixe de luz forme um ângulo de 10O a 30O em relação ao eixo perpendicularr ao objeto. Figura 21 - Opção para detecção de objetos brilhantes Filtro Polarizado Existem sensores com filtros polarizados incorporados, que dispensam o procedimento anterior. Estes filtros mecânicos servem para orientar a luz emitida, permitindo apenas a passagem desta luz na recepção, que é diferente da luz refletida pelo objeto, que se espalha em todas as direções. Figura 22 - Polarização do feixe de luz Imunidade à Iluminação Ambiente Normalmente, os sensores ópticos possuem imunidade à iluminação ambiente, pois operam em frequências diferentes. Mas podem ser afetados por uma fonte muito intensa (exatamente como acontece com as rádios FM), como por exemplo, uma lâmpada incandescente de 60W a 15cm do sensor, ou um raio solar incidindo diretamente sobre as lentes. Página 14

15 Figura 23 - Espectro de iluminação Meio de Propagação Entende-se como meio de propagação, o meio onde a luz do sensor deverá percorrer. A atmosfera em alguns casos pode estar poluída com partículas em suspensão, dificultando a passagem da luz. A tabela abaixo apresenta os fatores de atmosfera que devem ser acrescidos no cálculo da distância sensora operacional Sa. Condições Ar puro, podendo ter umidade sem condensação Fumaça e fibras em suspensão, com alguma condensação Fumaça pesada, muito pó em suspensão e alta condensação Fatm 1 0,4 a 0,6 0 a 0, Acessórios para sensores ópticos Uma das grandes vantagens de se trabalhar com sensores ópticos é que eles são muito mais flexíveis do que os outros sensores. Abaixo temos uma lista de alguns acessórios que podem ajudar a solucionar vários problemas de aplicação: Espelhos prismáticos ultra reflexivos. Fibras ópticas em diversos diâmetros. Fibras ópticas para alta temperatura. Temporização. Ajuste remoto e inteligente Vantagens Detectam todos os tipos de materiais. Acionamento sem contato físico. Modelos com saída em estado sólido, relé ou analógica. Maior durabilidade quando bem aplicado. Trabalha em grandes distâncias (Mais de 200 metros) Página 15

16 1.4. SENSORES ULTRASSÔNICOS Sensores Ultrassônicos humano. Os objetos a interpretam. emitem ondas de som com frequência acima serem detectados refletem estas ondas e os da audível pelo ouvido sensores às recebem e Com estes sensores podemos detectar com facilidade objetos transparentes de plástico, vidros ou superfícies liquida, diferente dos sensores fotoelétricos que dependem da opacidade ou refletividade do material Princípio de Funcionamento O emissor envia impulsos ultra-sônicos sobre o objeto a analisado. As ondas sonoras voltam ao detector depois de certo tempo, proporcional à distância. O tempo de resposta é então dependente da velocidade do som e tambémm da distância do objeto. Os detectores ultra-sônicos podem detectar líquidos, sólidos e granulados. Figura 24 - princípio de funcionamento do sensor ultra-sônico Aplicações Medição de espessura de chapas Detecção de frascos de vidros Medição de espessura de chapas Detecção de frascos de vidros Página 16

17 Figura 25 - Aplicação do sensor ultra-sônico Vantagens Detectam todos os tipos de materiais. Acionamento sem contato físico. Modelos com Saída em estado sólido, relé ou analógica. Possui circuito inteligente 1.5. QUAL O MELHOR SENSOR? Determinando a aplicação, Observar: Qual o material a ser detectado? Qual à distância do alvo ao sensor? Qual o princípio ativo do sensor que melhor se adapta a identificar o alvo? Existe algum obstáculo que possa interferir na resposta do sensor? Qual a freqüência de acionamento do sensor? Quais as condições ambientais ao qual o sensor será submetido? 1.6. CUIDADOS BÁSICOS COM OS SENSORES Nunca: Utilize lâmpadas incandescentes como carga ou teste. O filamento quando frio apresenta um alto consumo de corrente, causando a queima do sensor. Manuseie o sensor estando o circuito energizado. Qualquer descuido (curto - circuito), poderá ser fatal para o sensor e para você. Acione um motor diretamente com o sensor, use dispositivos apropriados como, por exemplo: Relês, Chaves - Contatoras, etc. Observar: Sempre a Tensão ( AC/DC) de alimentação, sua polaridade (PNP / NPN ), respeitar a capacidade de Corrente do sensor e sua Temperatura de trabalho. A existência de peças e ou partes móveis que possam atingir e danificar a face do sensor e ou seu cabo. A incidência de água, óleo, sujeira produtos químicos e ou elementos que possam danificar ou interferir em seu funcionamento PARA A ESCOLHA APROPRIADA DE SENSORES, A SEGUINTE TERMINILOGIA É ADOTADA: a. Faixa de medida (RANGE): conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro dos limites inferiores e superior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Se Expressa determinando os valores extremos; b. Alcance (SPAN): é a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida de 100ºC a 250ºC, possui um alcance de 150ºC. c. Erro: é a diferença entre o valor medido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, Página 17

18 estável, chamaremos de "erro estático" que será positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento que poderá estar indicando a mais ou a menos. Quando tivermos a variável se alterando, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor, onde o valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença é chamada de "erro dinâmico". d. Precisão: define-se como sendo o maior valor de erro estático que um instrumento pode ter ao longo de sua faixa de trabalho. Pode ser expressa de diversas maneiras como: porcentagem do alcance, unidade da variável e porcentagem do valor medido. e. Zona morta: é a não alteração na indicação ou no sinal de saídaa de um instrumento ou em valores absolutos da faixa de medida do mesmo, apesar de ter ocorrido uma sensível variação da variável. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida entre 0ºC a 200ºC possui uma zona morta de ±0,1% do alcance, ou seja, ±0,2ºC. Portanto, para variações inferiores a este valor, o instrumento não apresentará alteração da medida. f. Sensibilidade (linearity): é a razão entre a variação do valor medido ou transmitido para um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser expressa em unidades de medida de saída e de entrada. Por exemplo, um termômetro de vidro com faixa de medida de 0ºC a 500ºC possui uma escala de leitura de 50cm, portanto, a sua sensibilidade é de 0,1cm/ºC. g. Histerese: é a diferença máxima apresentada por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente. h. Repetibilidade: é a máxima diferença entre diversas medida de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Se Expressa em porcentagem do alcance. i. Resolução: é a menor variação que se pode detectar. A resolução está relacionada com o número de "bit" do instrumento: quanto maior o número de "bit" melhor a resolução. O cálculo da resolução de um instrumento é dado pelo quociente da faixa de medida por dois (2) elevado ao número de "bit" do mesmo. Por exemplo, para um transdutor linear de 100 mm e 12 bit, tem-se uma resolução de 0, 024 mm. 2. ATUADORES BINÁRIOS (Lógicos) O conceito de sensores introduzido no capitulo anterior pode ser extrapolado de forma a englobar, na mesma perspectiva, a noção de atuador. Assim, tal como um sensor, um atuador é também um dispositivo conversor de energia. Contudo, e ao contrario do primeiro, um atuador converte energia elétrica em energia não elétrica. Praticamente todas as grandezas físicas podem ser alvo de atuação, o que se reflete no elevado numero e diversidade de atuadores existentes. Assim, e tal como aconteceu para o caso dos sensores, existe a necessidade de se limitar o estudo a apenas alguns desses dispositivos. Decorrente desse fato, somente serão abordados nessa apostila, os atuadores capazes de converter um sinal elétrico, em uma ação mecânica. Página 18

19 2.1. RELÉS Os relés são comutadores eletromecânicos que permitem o controle de cargas de potencia a partir de sinais de comando de baixa potencia. Esses dispositivos proporcionam uma ação binária (ligado / desligado) em resposta a um determinado sinal de controle. No que se refere a sua concepção construtiva, este dispositivo é composto por uma bobina (formada por varias camadas de espiras enroladas a volta de um núcleo magnético) e por uma armadura metálica móvel responsável pela abertura de fechamento dos contatos de saída. A figura 1 a seguir mostra o esquema básico do relé: Assim, quando uma corrente elétrica percorre a bobina, dois pólos magnéticos surgem nos extremos do núcleo, atraindo a armadura para junto de si. O movimento da armadura resulta no fechamento do contato elétrico entre os pontos 3 e 4. Na ausência do campo eletro magnético, a mola faz a armadura retornar ao seu pontoo de repouso, abrindo o contato elétrico. Normalmente os reles são dotados de diversos conjuntos de contatos como mostra a figura 6 a seguir: Página 19

20 É possível tambémm encontrar reles com contatos complementares ou reversíveis, onde o acionamento da armadura simultaneamente abre um contato e fecha outro. A figura 3 a seguir ilustra essa ação: Fig 3 Relé com contatos reversíveis Normalmente a relação entre a potencia do sinal de controle necessária a comutação dos contatos é inferior varias vezes ao sinal controlado. Por exemplo, é comum encontrar reles com capacidade de corrente para os contatos de 8 a 10 Amperes e cuja corrente de bobina não passa de 50 ma (mili-ampere). A nível comercial, esses dispositivos são fabricados nas mais variadas formas e tamanhos, para as mais variadas correntes e tensões de trabalho. São também produzidos para utilização direta em painéis (com a utilização de soquetes) ou para placas de circuito impresso (PCI s) CONTATORES Tal como o relé, o contator eletromagnético é um dispositivo eletromecânico de fechamento de contatos. Esses dispositivos também possuem uma bobina, um núcleo e uma armadura. Além das diferenças estruturais, distinguem-se dos relés pela capacidade de controle de altas potencias. Assim, os relés são normalmente limitados ao controle de cargas até 1KW (Kilo-Watt), enquanto que os contatores podem controlar potencias de centenas de KW. A figura 4 a seguir mostra o esquema baixo dessee dispositivo. Fig 4. Esquema simplificado de contator eletromagnético Página 20

21 Nesse dispositivo a bobina esta enrolada em torno da haste central de um núcleo em formato de M. Solidários com a armadura móvel encontram-se os contatos elétricos que comutarão potencias elevadas. Quando uma tensão é aplicada a bobina, um campo magnético é gerado atraindo a armadura. No processo de atração entre armadura móvel e armadura da bobina, os contatos mudam de estado, fechando ou abrindo os circuitos. Quando a corrente da bobina é interrompida, a armadura móvel recupera sua posição inicial pela ação das molas de retorno. Existe ainda um dispositivo anti-arco-voltaico utilizado na comutação de grandes potencias. Trata-se de um dispositivo que se interpõe aos contatos elétricos durante a abertura dos mesmos, extinguindo qualquer faíscamento devido a interrupção brusca da passagem da corrente elétrica pelos contatos. Também são fabricados nas mais diversas formas e tamanhos, com capacidades variadas de tensão e corrente. Obviamente por se tratar de um dispositivo para altas potencias, não possui versão para PCI s VÁLVULA SOLENÓIDE A válvula solenóide é composta por duas partes básicas: o corpoo e a bobina solenóide. A bobina consiste de um fio enrolado ao redor de uma superfície cilíndrica. Quando a corrente elétrica circula através do fio, gera uma força eletromagnética no centro da bobina solenóide, que aciona o êmbolo, abrindo ou fechando a válvula. O corpo da válvula contém um dispositivo que permite a passagem ou não do fluido, quando a haste é acionada pela força eletromagnética da bobina. O pino é puxado para o centro da bobina por esta força, permitindo assim a passagem do fluido. Quando a bobina é desenergizada o processo contrário ocorre, pois o peso do pino em conjunto com a força da mola instalada na parte superior da válvula faz com que volte a bloquear a passagem do fluxo através da válvula. Página 21

22 A válvula solenoide pode ser dividida em Ação Direta ou Ação Indireta (operada por piloto). O tipo de aplicação determina a utilização de cada uma delas. A válvula de ação direta é utilizada para baixas capacidades e pequenos tamanhos de orifício de passagem. O sistema operado por piloto é utilizado em válvulas de grande porte, pois elimina a necessidade de bobinas e pinos maiores. Válvula Solenóide com piloto (fechada) Válvula Solenóidee com piloto (aberta) 3. SENSORES LINEARES Um sensor será aqui definido como sendo um dispositivo que quando submetido à ação de uma grandeza fisica não eletrica, apresenta uma caracteristica de natureza elétrica em seus terminais de saida (ex: tensão, corrente ou impedancia). Assim sendo, um sensor é classificado como Ativo se seus terminais de saída se comportam como um Gerador em resposta à variação da propriedade medida e Passivo se em seus terminais há uma variação de impedância Sensores Passivos Sensoress Resistivos A variação da resistência elétrica pode ocorrer, entre outras formas, através de variação da geometria ou variação da temperatura a que o material esta sujeito. Assim sendo, um vasto leque de características físicas são passiveis de serem mensuradas recorrendo-se a sensores resistivos Potenciômetros A forma mais simples de um sensor resistivo é o potenciômetro. Este é composto por um elemento resistivo R sobre o qual se desloca, de forma linear ou angular, um contato elétrico móvel designado de cursor. Página 22

23 O elemento resistivo pode ser bobinado ou pista condutora. Os potenciômetros bobinados são constituídos por um fio (ex: cromo-niquel), enrolado sobre um núcleo isolante. Nesse tipo de potenciômetro, o cursor, no processo de movimentação de uma espira para outra, faz variar a tensão de saída de uma forma descontinua (saltos) resultando numa baixa resolução do sensor. Por outro lado, os potenciômetros de pista condutora são compostos normalmente por filme de carbono, possuindo teoricamente uma resolução infinita. Os potenciômetros a filme de carbono possuem coeficiente de temperatura mais elevado que os bobinados, o que se traduz em maiores influencias na exatidão do sensor quando submetidos à variação de temperatura. Notar que essa variação de temperatura tanto pode ter causas ambientais como por efeito joule devido a passagem da corrente elétrica. (a) Deslocamento Linear (b) Deslocamento Angular (c) Esquema Elétrico Extensiômetros (Strain gages) Um extensiômetro é um elemento sensor como base num condutor ou semicondutor cuja resistência varia em função da deformação a que for submetido. No caso particular de um condutor de comprimento (L), seção Página 2

24 reta (λ) e resistividade (ρ), se este for submetido a uma tração F, longitudinal que provoque uma variação de comprimento ΔL então sua resistência ira variar de R + ΔR De fato, a variação da grandeza L, leva à variação de outras duas grandezas, a seção transversal e a resistividade (ρ) (essa ultima chamada de efeito piezo resistivo). Efeito de uma força axial na deformação de um condutor cilíndrico Assim, é possível a partir do diferencial da resistência medida, quantificar o valor da tensão de deformação F que a originou. Os extensiômetros a fio são produzidos a base de ligas de níquel (ex: Constantan). Aspecto de um extensiômetro comercial RTD (Resistive Temperature Detector) Um detector de temperatura resistivo é um sensor baseado na variação da resistência elétrica de um condutor com a temperatura. Comercialmente, estes tipos de sensores existem sobre diversas formas e para diversas gamas de medida (figura 15). No que se refere à sua concepção, este dispositivo compreende geralmente um condutor de metal, protegido por um encapsulamento. O tipo de metal utilizado é, em geral, a platina podendo, no entanto ser empregue na sua fabricação outro tipo de metais como, por exemplo, o cobre, o níquel ou o tungstênio. Página 3

25 Fig. 15. Exemplo de um RTD comercial: PT100. Entre outras, as principais vantagens deste tipo de sensores relativamente a outros dispositivos de medição de temperatura são: Elevada sensibilidade Elevada repetibilidade e exatidão (da ordem dos ±0.01%) Comportamento aproximadamente linear em torno de um dado ponto de funcionamento. Genericamente, e para qualquer metal, a variação da sua resistência com a temperatura pode ser representada por uma expressão da forma: R(T) = Ro (1+ αδt) Onde (Ro) se refere à resistência do material a uma temperatura de referência e (ΔT) diz respeito ao incremento da temperatura relativamente à essa mesma temperatura. A constante (α) depende do tipo de metal ou liga metálica. No entanto comoo a resistência da maior parte dos metais aumenta, numa gama limitada de temperatura, de uma forma aproximadamente linear a relação anterior é válida: Onde (α) é uma constante positiva designada por coeficiente de temperatura (aproximadamente para a platina). Os valores de resistência (Ro) são muito variados podendo ir das dezenas de (Ω) até às dezenas de (KΩ) sendo o seu condicionamento de sinal realizado normalmente com base numa ponte de Wheatstone. Em termos de comportamento dinâmico, o detector de temperatura resistivo possui uma resposta do tipo passa baixa de primeira ordem devido à sua capacidade térmica intrínseca. Tempos de resposta típicos deste tipo de dispositivos situam-se em torno dos 0.5 a 5 segundos devido à sua inércia térmica (aumentada devido ao encapsulamento). É ainda de salientar que, para estes sensores, o fenômeno de variação da resistência é devido tanto a alterações da resistividadee do material face à temperatura como a variações da geometria do material face à mesma entidade (fenômenos de dilatação e contração dos materiais). Na concepção de um sistema de medida com base num detector de temperatura resistivo deve ter-se o cuidado de evitar o auto aquecimento do dispositivo sensor devido ao circuito de medida. Assim, e de modo a evitar os efeitos de aquecimento por efeito de Joule, a corrente através destes dispositivos deve ser, em geral, muito menor que 20mA. Adicionalmente deve ser dada atenção a possíveis deformações mecânicas infligidas ao sensor, pois este efeito traduz-se, em ultima análise, em erros de medida Termistores (PTC e NTC) Ao contrario dos RTD s, os termistores são baseados em semicondutores. É encontrado tanto com coeficientes de temperatura negativo (NTC) Página 4

26 como coeficientes de temperatura positivo (PTC) e aplicados em geral numa faixa de temperatura entre -60 C e +150 C com uma precisão de 0.1%. Apesar da baixa precisão e falta de repetibilidade, esses sensores possuem uma elevada sensibilidade térmica, o que lhes permitem detectar variações de temperatura da ordem de 10-3 C. Sua resistência pode variar de algumas centenas de W até dezenas de MW. Essa elevada resistividade possibilita construir unidades menores com consequente menor inércia e, portanto, tempos de resposta bem menores que os RTD. No entanto, possui uma curva característica Resistência X Temperatura altamente não linear e não conseguem alcançar a estabilidade em longo prazo como os sensores de platina. Fig. 16. Resistência NTC isolada a PVC. A não linearidade desses sensores pode ser corrigida com a utilização de outro resistor em paralelo com o sensor. Essa técnica garante que a componente não linear da equação de variação de temperatura seja diminuída tanto quanto menor for a razão R/R p. No entanto, a sensibilidade também é afetada por essa linearização, devendo o projetista cuidar da linearidade não esquecendo a principal característica dos termistores, que é a sensibilidade. Abaixo um gráfico expõe essas influencias: Fig. 18. Relação entre linearidade e sensibilidade para diversos valores de Rp. Página 5

27 Os transdutores para esses sensores são naturalmente, elementos ativos que permitam a linearização da resposta à temperatura, como a ponte de Weatstone e o Amplificador Operacional. Atualmente a característica da não linearidade pode ser corrigida com o emprego de linearização via processamento digital e softwares adequados Resistências Dependentes da Luz (LDR Light-dependent resistor) As resistências dependentes da luz ou LDR são dispositivos semicondutores cuja resistência elétrica pode ser alterada através da incidência de radiação eletromagnética com comprimento de onda cujo espectro pode compreender tanto a luz visível como radiação ultravioleta ou infravermelha. A maior sensibilidade do dispositivo a um ou outro intervalo espectral de radiação depende, de entree outros fatores, do tipo de material que compõe o sensor. Assim, para os LDR's mais comuns constituídos à base de sulfeto de cádmio (CdS) a sua resposta espectral situa-se entre os 300nm e 1μm. Comercialmente, estes dispositivos aparecem sobre diversos aspectos, estando disponíveis para diferentes sensibilidades espectrais. Uma possível aparência para um LDR comercial é aquela que se mostra na figura seguinte. Fig. 19. Aspecto de um LDR comercial. O fenômeno físico que explica o funcionamento deste tipo de sensor é a fotocondução. A fotocondução refere-se ao fenômeno observado de que, qualquer material sujeito à influência da luz origina a libertação interna de cargas elétricas na matéria. Correlacionado com o aumento de cargas livres no material está o aumento da condutividade elétrica. A condutividade de um material depende do número de portadores na banda de condução. Na maior parte dos semicondutores, à temperatura ambiente, os portadores estão na camada de valência, comportando-se desta forma como isolantes elétricos. Contudo, e de forma contrária aos isolantes, nos semicondutores as bandas de valência e condução estão muito próximas sendo portanto necessária menor energia para elevar elétrons da camada de valência para a camada de condução. Essa energia pode ser fornecida por fontes de energia como, por exemplo, o calor, uma tensão elétrica ou por radiação óptica. Apesar do baixo custo e dos inúmeros campos onde estes sensores encontram aplicação (ex. regulação automática do diafragma para câmaras fotográficas), a sua não-linearidade, sensibilidade térmica, elevado tempo de resposta e largura de banda reduzida tornam o seu raio de ação limitado. Página 6

28 Sensores Capacitivos No que se refere à sua estrutura, um capacitor elétrico consiste em dois condutores elétricos separados por um material isolador (dielétrico). A relação entre a carga Q e a diferença de potencial V entre eles está relacionada por intermédioio da capacitância da seguinte forma C = Q V. Os sensores do tipo capacitivo podem ser aplicados na medição direta de deslocamentos (lineares ou angulares), proximidade e nível de líquidos. Indiretamente, e recorrendo a qualquer elemento primário, a utilidade destes dispositivos é expandida estando nestas condições aptos a medir quaisquer fenômenos passíveis de serem convertidos em deslocamentos como por exemplo pressão, binário e força. Em algumas aplicações, esta classe de sensores surge como uma alternativa eficaz relativamente a sensores do tipo resistivo devido tanto à sua elevada resolução como à sua estabilidade e imunidade à temperatura. Estes dispositivos podem tomar diversas formas sendo, no entanto mais comuns com uma configuração planar (figura 20) ou cilíndrica. Matematicamente, e desprezando os efeitos devido às extremidades das armaduras, a capacidade de um condensador de placas paralelas é dada pela seguinte expressão: C = ε A/d Onde A representa a área efetiva das placas, d a distância entre elas e ε a permissividade do meio dielétrico. Fig. 20. Condensador de placas paralelas. Atendendo à expressão anterior, verifica-se que a capacidade depende quer da geometria dos condutores quer do tipo de material dielétrico. Assim, qualquer processo capaz de produzir variações em qualquer uma das três variáveis independentes pode ser mensurado a partir da apreciação da variação da capacitância. Assim, e atendendo aos três graus de liberdade da função capacitância, podem ser definidas três classes de sensores capacitivos: sensores capacitivos de superfície variável, de distância variável ou de constante dielétrica variável Capacitor de superfície variável Trata-se de condensadores (planos ou cilíndricos) em que uma das armaduras é móvel e sofre um deslocamento linear ou angular relativamente à outra fixa. Neste processo, a área efetiva das placas do condensador é modificada traduzindo-se, em última análise, numa alteração na capacidade do dispositivo. Página 7

29 Se um condensador de superfície variável com capacidade C = A/d sofrer uma variação infinitesimal na sua área efetiva provocada por um deslocamento dx da sua placa móvel, a variação da capacidade resultante é: dcx Assim, verifica-se uma relação linear entre a variação da capacidade e a variação da área entre as placas do condensador. Se a relação entre a variação da área e a variação do deslocamento também for linear então a capacidade do condensador é diretamentee proporcional ao deslocamento. Para o caso particular de um deslocamento angular entre as placas como se mostra na figura 21, a área efetiva entre armaduras é função do ângulo α sendo dada por 2A() = r 2 onde α é o ângulo, em radianos, formado pela parte comum entre as placas. Fig21 Sensor capacitivo de deslocamento angular Devido à relação linear entre o deslocamento angular e a área, a capacidade também será uma função linear desse deslocamento. Assim, 2 Para sistemas de medida baseados não na capacidade, mas sim na impedância do condensador (domínio da frequência), a relação entre deslocamento e impedância num condensador de placas móveis é não linear. De fato se a impedância de um condensador é então a relação acima toma a seguinte forma: 2 Que é claramente não linear como se mostra pela figura que se segue. Página 8

30 Fig. 22. Impedância de um condensador de área variável. Uma forma de compensar este efeito é utilizando um segundo condensador em montagem diferencial como se mostra na figura 23. Para este caso, a placa móvel P1 é deslocada entre as duas armaduras fixas P2 e P3 constituindo assim dois condensadores independentes C1 e C2, cujas capacidades variam em sentidos contrários ao deslocamento, i.e. se a armadura P1 se deslocar no sentido horário a partir da posição de equilíbrio, a capacidade diminui para o condensador C1 e aumenta para C2. Fig. 23. Montagem diferencial de um condensador de área variável. Considera-se como posição de equilíbrio aquela que é tomada como origem dos deslocamentos. Normalmente nessa posição a armaduraa móvel está colocada simetricamente relativamente às duas armaduras fixas, por exemplo: Assim, paraa um deslocamento de radianos no sentido horário relativamente ao ponto de equilíbrio, a capacidade dos dois condensadores variam de acordo com a seguinte lei: 2 2 Página 9

31 Se ambos os condensadores forem associados na forma de divisor de tensão como se mostra na figura subsequente, Fig. 24. Estratégia de combinação do condensador diferencial. Então:! # " " "! # $1 ' # & Verifica-se assim que a relação entrada/saída é uma função linear do deslocamento Capacitor de distancia variável Nesta estratégia, o sensor é baseado numa variação da distância entre placas sendo uma fixa e a outra solidária com o processo a medir como ilustra a figura 25. Fig. 25. Sensor capacitivo de distância entre placas variável. Se considerarmos que, no processo de movimentação da placa P1 da posição d para uma posiçãoo d+x relativamente à placa fixa P2, a área efetiva e a permissividade se mantêm constante então uma variação infinitesimal do deslocamento reflete-se numa variação da capacidade do condensador da seguinte forma: 1 Para este caso, a relação entre a variação da capacidade e a variação do deslocamento entre as placas do condensador é uma relação não linear. No entanto, e ao contrário do caso anterior, a impedância é agora uma função linear do deslocamento como se mostra através da expressão que se segue: Página 10

32 A não linearidade da variação da capacidade relativamente à variação do deslocamento pode ser contornada, tal como aconteceu para a estratégia de sensorizaçãoo por variação de área, recorrendo a uma montagem diferencial como se mostra na figura seguinte. Fig. 26. Montagem diferencial de um sensor capacitivo de distância variável. Este sensor possui três placas formando com o par de placas {P1,P2} um condensador e com {P1,P3} outro condensador. O deslocamento move a placa central entre as duas placas. Quando P1 está a meia distância entre P2 e P3 (posição de equilíbrio) as capacidade C1 e C2 respectivas a cada par de placas é igual. Numa situação de desequilíbrio, por exemplo, de P1 é deslocado de x na direção de P3, as capacidades C1 e C2 passam a ser: Quando uma tensão V é aplicada entre P2 e P3 como mostrado na figura 27, a tensão diferencial nas placas é: ( ) # # que significa que a tensão de saída é proporcional ao deslocamento relativo das placas. Comparando as estratégias de medição de deslocamentos recorrendo tanto à variação de deslocamento como à variação da distância entre placas verifica-se que esta última possui uma sensibilidade muito maior relativamente à primeira. Fig. 27. Estratégia de combinação do condensador diferencial. Página 11

33 Contudo, a variação da distância apenas pode ser aplicada para medir deslocamentos muito pequenos (da ordem dos mm) enquanto que recorrendo à variação da área consegue-se quantificar deslocamentos da ordem de centímetros Capacitor de dielétrico variável Após a análise do comportamento da capacitância de um condensador face a variações quer da sua área efetiva quer da distância entre placas resta verificar para que tipo de aplicações pode a variação da constante dielétrica do condensador ser usada na medição de processos. Métodos de medida baseados na variação de ε possuem a vantagem de não exigir, em determinadas circunstâncias, qualquer contacto físico entre o processo a medir e o sensor, por exemplo, a detecção de falhas de fabricação em fios têxteis. Variações desta grandeza podem ser usadas diretamente na monitoração de diversos processos físicos como é o caso da medida da umidade (onde o dielétrico é constituído por óxido de alumínio ou poliamida) ou da medida do nível em líquidos Sensores Indutivos No que se refere à sua concepção, um indutor não é mais do que um enrolamento condutor, com ou sem núcleo, em que a passagem de uma corrente elétrica variável no tempo produz um campo magnético também ele variável no tempo (o contrário também é válido pela lei da indução de Faraday). Associadoo a este tipo de dispositivos aparece o conceito de relutância. A relutância pode ser imaginada como um análogo em circuitos magnéticos a resistência elétrica em circuitos elétricos. Num indutor, ou bobina, com forma helicoidal composta por n espiras como mostrado na figura 28, o coeficiente de autoindução * está relacionado com a relutância + da seguinte forma: *, + Para uma bobina cujo diâmetro da secção transversal é relutância é dada por: / Onde μ se refere à permeabilidade magnética do núcleo no interior do indutor (para o ar) ). Desta forma, a expressão acima pode ser reescrita como: *-/,. φ e comprimento é l, a Página 12

34 Fig. 28. Indutor Helicoidal. Que, para o caso particular de um núcleo cilíndrico toma a seguinte forma: *-0,. Assim, e de forma coerente com o estudo que se fez, dizer que uma determinada grandeza física capaz de modificar qualquer uma das variáveis independentes da equação acima pode, em princípio, ser mensurada por sensores indutivos. Deste modo variações da permeabilidade magnética ou da geometria do dispositivo podem ser traduzidas em variações da autoindutância da bobina. No universo dos sensores indutivos, podem-se estabelecer dois grandes grupos: aqueles que utilizam apenas um indutor e aqueles que utilizam dois ou mais. Tanto para um como para outro, o seu campo de aplicação está praticamente circunscrito à medida de deslocamentos ou de qualquer outro parâmetro físico que possa, através de um elemento primário, transformar uma forma de energia diferente em deslocamento. Esse sensoriamento é feito primordialmente com base na variação de - ou... Aqueles que modificam. são chamados de sensores indutivos de entreferro variável e os restantes que modificam - são designados por sensores de núcleo móvel. Relativamente ao primeiro grupo, a grandeza de excitação que, como já foi dito é normalmente um deslocamento, provoca uma variação da autoindução * da bobina. Já para o segundo grupo que compreende um arranjo com mais do que um indutor, a entrada provoca uma variação na indução mútua M. A indução mutua é uma propriedade que está associada a duas ou mais bobinas que se encontram fisicamente próximas e resulta da presença de um fluxo magnético comum. As variações do coeficiente de autoindução ou de indução mútua em função do deslocamento do núcleo possuem, em geral, uma linearidade medíocre. Contudo, a linearidade pode ser melhorada consideravelmente associando duas bobinas em oposição onde os coeficientes Μ ou * variam em sentidos contrários para um mesmo deslocamento montagem diferencial (mesmo principio utilizado na linearização dos sensores capacitivos). Uma montagem diferencial é também menos afetada pelos campos magnéticos parasitas devido à inerente rejeição de sinais em modo comum da montagem. No que se refere à adaptação deste tipo de dispositivoss ao circuito de medida, este se faz colocando o sensor indutivo num circuito alimentado por uma fonte de tensão senoidal com uma determinada frequência. Página 13

35 Por razões que se justificam pelas perdas magnéticas e pelas correntes de Foucault e também para minimizar a influência de capacitâncias parasitas na prática, a frequência de trabalho é limitada a algumas dezenas de khz. A tensão 6 resulta da modulação em amplitude da tensão de alimentação: # 2 sin, pelo deslocamento, resultando em: sin8 A aplicação de sensores de indutância variável em processos de medição está condicionada a diversas limitações entre as quais, campos magnéticos parasitas que afetam o valor da indução. Assim, para minimizar este efeito, é usual dotar estes dispositivoss de isolamento magnético de modo a assegurarr que qualquer variação da saída é devida apenas ao fenômeno que esta sendo medido. Apesar de existir uma grande diversidade de sensores indutivos, neste texto restringe-see o estudo a dois dispositivos distintos, o sensor de entreferro variável e o transformador diferencial linear Sensor de Entreferro Variável Trata-se de um sensor composto por uma bobina e uma armadura ferromagnética móvel comoo se mostra na figura 29, podendo servir para a medição de pequenas distâncias. Fig. 29. Princípio de funcionamento de um sensor de entreferro variável. Considerando que as secções da bobina e do entreferro são idênticas, a autoindutância da bobina é dada pela seguinte expressão: * - /,. Onde - é a permeabilidade magnética do ar e. é a extensão longitudinal do entreferro. Assim, um deslocamento infinitesimal da amadura implica em uma variação do entreferro igual a. 2. Desta forma, o incremento relativo na autoindutância devido ao deslocamento da armadura toma seguinte forma, * * 2. 2 Página 14

36 Considerando. 92 que significaria que essa relação só é valida para deslocamentos muito pequenos (da ordem de mm), implica: * * Transformador diferencial linear O transformador diferencial linear (LVDT Linear Variable Diferential Transformer) é um dos sensores indutivos mais comuns para a medida de deslocamentos lineares sendo conhecido pela sua sensibilidade, resolução e repetibilidade. Um possível aspecto exterior de um LVDT comercial é ilustrado na figura 30. Fig. 30. Aspecto de um LVDT comercial. Em termos de construção, um LVDT possui três enrolamentos independentes espaçadas ao longo de um tubo isolador: um primário e dois secundários idênticos colocados simetricamente em torno do primário (fig. 31). Adicionalmente, um núcleo de material ferromagnético (liga de ferro e níquel) movimenta-se ao longo do tubo central com atrito desprezível. O princípio de funcionamento deste tipo de sensores assenta na variação da indutância mútua que se verifica entre um enrolamento primário e cada um dos dois enrolamentos secundários quando o núcleo se move no seu interior por ação de um deslocamento. Assim, o movimento do núcleo está solidário com o movimento do processo que se pretende medir, sendo a ligação entre ambos realizada através de uma haste não ferromagnética. Fig. 31. Estrutura interna de um LVDT. Página 15

37 Se o enrolamento primário for excitado com uma corrente alternada senoidal observa-se uma alteração do campo magnético no núcleo. Esse fluxo magnético variável será responsável por induzir f.e.m s nos secundários cujas amplitudes dependem do acoplamento magnético entre eles e o primário. Devido à natureza do núcleo, o acoplamento magnético entre primário e secundários vai depender da posição que este último ocupa relativamente a cada um dos secundários. Um esquema simplificado, negligenciando as capacitâncias parasitas e indutâncias de fugas, é mostrado na figura que se segue: Fig. 32. Modeloo simplificado de um LVDT. Normalmente os secundários são ligados em série e em oposição de fase pelo que a tensão de saída é a diferença entre as tensões e. Quando o enrolamento primário é excitado por uma tensão alternada e considerando que a resistência de carga é infinita e as resistências dos indutores são nulas tem se que: Onde : e : se refere aos coeficientes de indutância mútua entre o primário e <# cada um dos secundários. Como * " = 2 a tensão de saída possui a seguinte expressão matemática: : ; : ; <= >= : : * # 2 Considerando que o núcleo se situa numa posição equidistante entre o primário e os secundários então os coeficientes de indutância mútua : e : são iguais implicando idênticas tensões induzidas nos secundários fazendo com que, em última análise, a tensão de saída seja nula (na prática, e devido, por exemplo, a desequilíbrios entre os secundários, observa-se uma tensão de saída residual que, em geral, não ultrapassa 1% do valor de fim de escala). Em face de um deslocamento do núcleo, as indutâncias mútuas : e : variam em função da posição x do núcleo relativamente à posição central. Verifica-se, no entanto que a variação de : ou : em função do deslocamento é uma função não Página 16

38 linear. No entanto, a sua diferença varia linearmentee com x podendo ser aproximadaa pela seguinte equação: : : Onde α é uma constante de proporcionalidade. Desta forma, a tensão de saída é proporcional ao deslocamento como se pode ver a partir da função de transferência ilustrada na figura 33 e pela expressão que se segue: *? # Fig. 33. Função de transferência ideal de um LVDT. Da função de transferência conclui-se que a amplitude do sinal de saída aumenta quando o deslocamento do núcleo aumenta. Mais ainda, verifica-se que, tanto para um deslocamento feito no sentido positivo como negativo relativamente à posição de equilíbrio, a amplitude do sinal de saída é o mesmo. Para distinguir os sentidos do deslocamento é necessário considerar a fase do sinal de saída relativamente ao sinal de entrada. Assim, no sentido negativo do deslocamento, o sinal de saída apresenta um defasamento de π radianos. Nota: se x<0 então: A B # # /*? E FG C Desta forma, os sistemas de condicionamento devem combinar informação tanto da magnitude como da fase de forma a ser conhecido, não só a dimensão do deslocamento, mas também o sentido em que este está sendo efetuado. Tipicamentee o sinal de excitação do primário é um sinal senoidal com amplitude entre 0.5 e 10 v (eficazes) e frequências que podem ir dos 50Hz aos 20KHz. Observação: A frequência do sinal de excitação depende da dinâmica do processo a medir. Por quê? Relativamente à gama de medidas, existem no mercado LVDT s para monitoramento de deslocamentos de ±100μm até ±25cmm com linearidade em torno de ±0.25% e resoluções superiores a 0.1%. A principal vantagem do LVDT sobre outros tipos de sensores de deslocamento é o seu elevado grau de robustez. Este fato é devido à sua própria concepção, pois não Página 17

39 existe contacto físico entre o elemento móvel e as partes restantes do sensor. O núcleo apresenta baixa inércia não apresentando desgaste nem folgas (tempo médio entree falhas da ordem dos 300 anos). Adicionalmente estes sensores oferecem independência entre o circuito de excitação e o circuito de medida (isolamento galvânico) podendo ser concebidos para operarem em ambientes hostis (prova d água, corrosão, radioatividade, etc.) Sensores Ativos Como já foi dito no início do capítulo, os sensores ativos comportam-se como geradores. Estes produzem um sinal elétrico a partir do fenômeno físico sem requererem fontes externas de alimentação. Contudo, nem sempre a energia que produzem é suficiente para, por si só, excitar o elemento da cadeia de medida que se segue (transdutor). Assim, frequentemente, os sensores ativos necessitam, tal como os passivos, de fontes de energia auxiliares. Uma particularidade deste tipo de sensores é a possibilidade de possuírem dois regimes de funcionamento, ou seja,. os efeitos que regem o seu funcionamento é normalmente reversível. Assim, alguns dos tipos de dispositivos que serão abordados nesta seção poderão ser usados tanto na sensorização como de atuação. De fato esta relação tornar- de sensores ativos se à mais evidentee no segundo capítulo. Nesta seção serão objeto de estudo alguns dos tipos mais comuns tanto na perspectiva da sua aplicação como do seu princípio físico Sensoress Eletromagnéticos Para sensores baseados neste princípio, a variação de uma determinada quantidade física reflete-se numa variação do campo magnético sem que seja implicada, de uma forma direta, qualquer variação da indutância do sensor. A maior parte dos sensores electromagnéticos existentes assenta sobre a lei de Faraday, isto é, quando se verifica um movimento relativo entre um condutor e um campo magnético surge uma f.e.m. no condutor. Para o caso de um indutor de n espiras, a f.e.m. induzida é dada por: E, H Onde H se refere ao fluxo magnético que atravessa a bobina. Este fluxo pode ser intrinsecamente variável como aquele que é produzido, por exemplo, devido a uma corrente variável no tempo. Alternativamente, a posição do circuito pode ser variável relativamente a um fluxo magnético constante. Ambas as estratégias serão empregues como princípio de funcionamento para alguns dos sensoress que se seguem Resolvers e Synchros Relativamente à sua arquitetura, um resolver é semelhante a um motor elétrico possuindo, tal como este último, um estator e um rotor que pode girar livremente no interior do primeiro. Estes dispositivos são sensores de posição angular eletro mecânicos que, através de princípios Página 18

40 electromagnéticos, fornecem um sinal elétrico que é função da sua posição rotórica (o contrário também é válido). Mais concretamente convertem a posição de um eixo numa diferença de fase de uma tensão alternada em relação a outra tomada como referência. Internamente, um resolver é composto por dois enrolamentos estatóricos G desfasados mecanicamente de radianos excitados por tensões alternadas senoidais, também elas, desfasadas eletricamente de radianos. O diagrama da figura 34 pretende ilustrar a filosofia subjacente à forma de operação destes sensores. G Fig 34 - Diagrama elétrico equivalente de um resolver. Quando o enrolamento do rotor faz um ângulo θ com um dos enrolamentos do estator, a tensão induzida nele por este último é: sinωtcosθ e, consequentemente, a tensão induzida no rotor devido ao outro enrolamento possui a seguinte expressão: cosωtcoso π 2 θqcosωtsinθ A tensão de saída do rotor devido à influência de ambas as tensões induzidas é dada pela soma de com, isto é: sinωtθ Analisando esta última expressão verifica-se que a tensão de saída vem afetada de uma diferença de fase relativamente ao estator de referência que é igual ao ângulo mecânico que o rotor faz com esse estator. Decorrente desta última conclusão, estes dispositivos podem ser aplicados em processos onde haja a necessidade de monitorizar a posição angular de um eixo. A detecção de movimentos de translação também é possível recorrendo a Página 19

41 sensoress que possuem o mesmo princípio mas que empregam enrolamentos planos. De fato, a topologia referida anteriormente não é única existindo dispositivos compostos por mais do que dois enrolamentos estatóricos e, possivelmente, por mais do que um enrolamento rotórico. Os synchros obedecem ao mesmo princípio de funcionamento dos resolvers diferindo destes últimos pelo fato de incluírem um terceiro enrolamento estatórico. Nestes dispositivos os três enrolamentos estatóricos estão dispostos geometricamente de forma a que o ângulo que fazem entre si seja de G T radianos (120⁰). Um diagrama elétrico típico de um synchro é ilustrados na figura 35. Quando o enrolamento do rotor faz um ângulo θ com o enrolamento de referência do estator, a tensão induzida nele por este último é: sinωtcosθ Cada um dos restantes enrolamentos induz uma tensão e no rotor iguais a: sinωt 2π 3 cos(2π 3 θ) sinωt 4π 3 cos(4π 3 θ) A tensão de saída do rotor devido à influência de todas as tensões parciais induzidas é dada como: 3 2 cosωtθ Mais uma vez, a tensão de saída vem afetada de uma diferença de fase relativamente à tensão aplicada ao estator de referência que é idêntica (a menos d ) ao ângulo entre o rotor e o correspondente enrolamento de G estatórico. Devido ao facto dos synchros possuírem três enrolamentos estatóricos são de construção mais complexa e, deste modo, mais caros. No entanto com este Página 20

42 enrolamento extra, os synchros podem ser usados em processos onde seja necessária uma precisão adicional. Tal comoo os LVDT s, tanto os resolvers como os synchross são sensores robustos, com erosão mecânica desprezível sendo objeto de aplicação em vários domínios principalmente na aeronáutica. Grande parte destes dispositivos são projetados para operarem com tensões alternadas com amplitudes entre 2 e 40V (rms) e frequências de trabalho entre 400Hz e 10kHz. Entre outras, podem ainda ser apontadas como vantagens as suas pequenas dimensões, baixo consumo, assim como resoluções e precisões elevadas (para sensoress angulares de posição, a precisão é superior a 4 minutos) Sensores Eletromagnéticos de Vazão Para o caso de um condutor retilíneo de comprimentoo. deslocando-se a uma velocidade U transversalmente a um campo magnético V, a tensão induzida nesse condutor é dada, em módulo, por: E V...U Esta expressão mantém-se independentemente do tipo de material que compõe o condutor servindo de base a um grande número de sensores electromagnéticos como, por exemplo, microfones, acelerômetros e sensores de velocidade linear. É também neste princípio que se baseia o medidor de vazão eletromagnético usado para quantificar a velocidade média de um fluído condutor. O seu princípio de funcionamento resulta da aplicação direta da equação acima onde. é o diâmetro do tubo por onde circula a vazão. A sua filosofia de funcionamento é ilustrada através da seguinte figura: Fig. 36. Princípio de funcionamento de um sensor electromagnético de vazão. Um fluido desloca-se ao longo de um tubo não metálico e não magnético (de forma a não haver distorções do campo magnético) com uma velocidade U no interior de um campo magnético V criado por duas bobinas externas. Do movimento do líquido perpendicularmente ao campo magnético gerado resulta Página 21

43 uma força electromotriz induzida detectada por dois eletrodos colocados transversalmente em relação ao campo magnético e à direção do movimento do líquido. Para estee tipo de sensor, o campo magnético deve ser constante podendo ser gerado tanto por uma corrente contínua como alternada. Normalmente uma correntee alternada é utilizada para minimizar problemas eletroquímicos nos eletrodos e interferências termelétricas. Na figura que se segue mostra-se um o aspecto de sensores comerciais desta natureza. Fig. 37. Sensores de vazão eletromagnéticos. Existem diversos tipos de sensores de fluxo para líquidos baseados nos mais variados princípios físicos. No entanto, este método em particular permite medir, de uma forma não invasiva, o fluxo de um líquido não necessitando, portantoo de qualquer contato direto com a quantidade a medir. Assim sendo, este tipo de dispositivos pode ser aplicado (sempree que as condições de funcionamento permitam) para medir, por exemplo, líquidos corrosivos ou com matéria sólida em suspensão Tacômetros Geradores Um tacômetro gerador é similar, no seu princípio de funcionamento, a um gerador de energia elétrica. Mecanicamente, este dispositivo é constituído por um enrolamento rotor que gira em torno de um campo magnético gerado por um imã permanente como se mostra na figura 38. Devido ao movimento relativo do enrolamento rotor face ao campo magnético, uma f.e.m. é induzida nele cuja amplitude ou frequência pode ser usada comoo medida da velocidade angular. Página 22

44 Fig. 38. Tacômetro Gerador A não linearidade deste tipo de sensores é tipicamente da ordem de ± 0.15% do fim de escala e o sensores possuem uma gama de medida de aproximadamente rpm Sensores de Efeito Hall Estes dispositivos sensores têm por base, não a lei da indução de Faraday, mas um outro efeito eletromagnético descoberto em 1879 pelo cientista E.H. Hall. Hall verificou que submetendo um condutor simultaneamente a uma corrente elétrica e a um campo magnético perpendicular à direção do fluxo dessa corrente, desenvolvia-se uma tensão no condutor perpendicular a ambas as grandezas. Este fenômeno ocorre devido ao desvio da trajetória das cargas elétricas provocada pela força de Laplace. Assim criam-se distribuições assimétricas de cargas nas superfícies laterais do condutor dando origem a uma diferença de potencial. Esta ocorrência é ilustrada pela figura que se segue: Fig. 39. Princípio físico do sensor de efeito Hall. A tensão de Hall é função da densidade de corrente, da intensidade do campo magnético e das propriedades do condutor (densidadee de carga e mobilidade dos portadores). Adicionalmente, na prática, a tensão de Hall depende também da temperatura e da pressão a que o dispositivo está sujeito. Uma equação empírica que descreve a interação do campo magnético V, corrente Y e tensão de Hall X é: X.Y.V.ZE,[ Onde é uma constante de proporcionalidade que depende da geometria, da temperatura ambiente e da deformação mecânica do elemento. A variável [ refere-see ao ângulo que a corrente faz com o campo magnético. Assim, se a correntee for mantida constante, a tensão de Hall será diretamente proporcional à intensidade de campo magnético. Note-se ainda que, e ao contrário, por exemplo, dos sensores indutivos, a tensão é proporcional ao campo magnético e não à sua razão de variação. Assim, campos magnéticos invariantes no tempo podem ser empregues. Apesar do efeito Hall se verificar em qualquer material condutor, este fenômeno é bastante mais intenso em semicondutores. Além da sua maior sensibilidade ao Página 23

45 efeito, a utilização de materiais semicondutores introduz a vantagem suplementar de ser possível a integração, numa mesma pastilha de silício, do sensor e respectivo circuito de condicionamento de sinal. Desta forma, os sensoress de efeito Hall aparecem normalmente sob a forma de circuito integrado com encapsulamento de três terminais como se mostra na figura 40. Fig. 40. Aspecto de um sensor de efeito Hall. Estes componentes incluem, internamente, o gerador de tensão de Hall, um estabilizador de tensão e um circuito analógico de processamento de sinal como se mostra no diagrama de blocos da figura 41. O objetivoo do estabilizador é o de fornecerr uma tensão estável a todos os circuitos internos do integrado especialmente ao sensor (porquê?). Fig. 41. Diagrama de blocos simplificado de um IC de efeito Hall. É de notar que a tensão de Hall gerada é um sinal com uma amplitude muito baixa, da ordem dos 20 ou 30μV para um campo magnético de 1 Gauss. Desta forma, um sinal com esta magnitude requer, a jusante, um condicionamento de sinal que possua elevada impedância de entrada e imunidade ao ruído. Assim sendo, o processamento de sinal possui, numa primeira etapa, um amplificador diferencial sensível apenas à tensão de Hall. A etapa de processamento seguinte dependee do tipo de integrado, isto é, um determinado sensor pode ser desenhado para fornecer uma saída contínua ou discreta na amplitude. No que se referee ao seu campo de aplicação, o efeito Hall pode ser usado para a medida de campos magnéticos (por exemplo, na medição, com isolamento galvânico, de correntes contínuas ou alternadas), mas a sua operação mais comum é como sensor de movimento onde um sensor de efeito Hall fixo está sujeito ao campo magnético de um pequeno ímã ligado à parte em movimento do processo que se pretende monitorizar. As vantagens da utilização destes tipos de sensores são, entre outras, a sua robustez, repetibilidade e o fato de poder ser uma forma de sensoriamento não invasivo Sensoress Termelétricos Os sensores termoelétricos têm por princípio de funcionamento dois fenômenos térmicos que se verificam sobre condutores. São eles o efeito Thomson e o efeito Seebeck. O efeito Thomson refere-se à força eletromotriz que se observa num condutor sujeito a um gradiente de temperatura, isto é, uma temperatura não homogênea ao longo de um condutor origina uma f.e.m. Já o efeito Seebeck diz respeito ao fenômeno elétrico (f.e.m) que se verifica quando se mantém as duas junções de um circuito fechado, formado por dois condutores de diferentes metais, a temperaturas distintas. Este último efeito é reversível e possui algumas aplicações no domínio da atuação (efeito Peltier). Página 24

46 Uma das aplicações mais comuns deste último fenômeno térmico é em sensores de temperatura designados por termopares. Conceitualmente estes dispositivos são constituídos apenas por dois metais (ou ligas metálicas) distintos ligados por uma união por solda (figura 42). Segundo Seebeck, se dois metais (ou ligas metálicas) diferentes A e B são unidos, uma diferença de potencial ocorre através da junção de A com B cuja amplitude dependee quer do tipo de metais utilizados quer da magnitude da diferença entre a temperatura da junção (T1) e a temperatura da junção de referência (T2). Fig. 42. Princípio de funcionamento de um Termopar. Assim, quando a junção de medida é aquecida ou arrefecida (resfriada) relativamente a uma segunda junção de referência, a f.e.m. produzida pode ser caracterizada pela seguinte equação: EΔ ] ] ] ] Onde e são constantes e dependem dos materiais usados para a construção do termopar. Verifica-se assim uma relação não-linear entre a f.e.m produzida e a temperatura das junções. Por este motivo, a medição da temperatura através destes dispositivos é efetuada com base em curvas ou tabelas de calibração fornecidas pelos fabricantes. Para um determinado par específico de junções, estas tabelas são determinadas com precisão para um conjunto vasto de temperaturas relativamente a uma temperatura de referência de 0ºC. A tabela que se segue apresenta alguns dos pares de junções mais comuns para a construção de termopares. Adicionalmente apresentam-se também as respectivas referências comerciais e algumas características metrológicas. Os termopares são estruturas frágeis devendo, portantoo ser protegidos por um invólucro que os proteja de deformações mecânicas e químicas. Assim, e em termos de construção, o termopar é primeiro colocado no interior de um isolador elétrico (normalmente um material cerâmico) para evitar qualquer contato elétrico com o processo a medir. Posteriormente o conjunto é envolto num encapsulamento que lhe forneça robustez mecânica e boa condução térmica (em regra utiliza-se o aço inoxidável). A figura 43 mostra o aspecto exterior de um termopar usado em processos industriais. Ref Material Temp( -/ B Platina 30%-Ródio / Platina 6%-Ródio 0 a E J K N Cromel/Constantan Ferro/Constantan Cromel/Alumel Nirosil/Nisil -200 a a a a Página 25

47 R S T Platina / Platina 13%-Ródio 0 a 1400 Platina / Platina 10%-Ródio 0 a 1400 Cobre/Constantan -200 a 400 Tab Pares de junções mais comuns em termopares Nota: Constantan, Cromel, Alumel, Nirosil e Nisil são nomes comerciais de ligas metálicas. Como já foi dito anteriormente, a utilização de um termopar como sensor de temperatura requer que uma das junções seja mantida a uma temperatura constante, fixa e conhecida. Numa primeira análise, esta restrição é uma limitação importante ao uso destes dispositivos, pois qualquer incerteza na temperatura da junção de referência se reflete em incerteza no valor da temperatura medida. Mais ainda, a manutenção de uma temperatura de referência estável pode ser uma tarefa difícil e dispendiosa. Fig. 43. Um possível aspecto exterior de um Termopar comercial. Os fabricantes deste tipo de sensores fornecem tabelas com as tensões obtidas por um determinado termopar como função da temperatura na junção de medida quando a junção de referência é mantida a 0º ºC. Uma das formas de manter a junção de referência a essa temperatura consiste em imergi-la numa solução de gelo e água (figura 44). Esta solução apesar de simples e fácil de implementar, não é de todo conveniente visto que, por exemplo num ambiente industrial, a manutenção da mistura de água e gelo constitui uma impossibilidade. Fig. 44. Manutenção da junção de referência a 0ºC por imersão em gelo fundido. Outra solução consiste em manter, através de sistemas artificiais de controle da temperatura, a junção de referência do termopar a uma temperatura estável, frequentemente diferente de zero graus centígrados, sem necessidade de intervenções humanas. Alternativamente, se a gama de variação da temperatura ambiente é menor do que a resolução requerida é possível deixar a segunda junção exposta à temperatura ambiente. Todavia, para qualquer estratégia de medição em que a junção de referência esteja submetida a uma temperatura diferente de 0ºC, as tabelas fornecidas pelos fabricantes não podem ser usadas diretamente na leiturao da temperatura a partir da f.e.m. observada. Assim, um fator de correçãoo deve ser aplicado com Página 26