Universidade Federal do Rio Grande do Norte Departamento de Engenharia de Computação e Automação Sensores e Atuadores

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1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Departamento de Engenharia de Computação e Automação Sensores e Atuadores Heitor Medeiros Florencio

2 Objetivos da aula Caracterizar os principais sensores e atuadores utilizados nos sistemas de automação industrial; Diferenciar a instrumentação industrial e a automação industrial. Tópicos: Classificação de instrumentos; Terminologia da instrumentação industrial; Sensores discretos; Sensores de medição de pressão, vazão, temperatura e nível; Atuadores: motores e válvulas de controle. Heitor Medeiros Florencio 2

3 Aulas anteriores Quais são os elementos que formam um sistema de automação industrial? O que é um sensor? O que define um sensor como discreto e ativo? O que é um atuador? Heitor Medeiros Florencio 3

4 Instrumentação x Automação Instrumentação Industrial: Chão de fábrica A medição é a base do processo experimental Ciência que estuda as técnicas e mecanismos de medição de atuação. Automação Industrial: Estratégias de controle Estratégias de comunicação SCADA Heitor Medeiros Florencio 4

5 Instrumentação Industrial Instrumentação Industrial é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais. Classificação dos instrumentos: Função Tipo do sinal: Pneumático: 3 a 15 PSI (20 a 100 kpa); 6 a 30 PSI; 0,2 a 1,0 kgf/cm². Analógico: 0 a 5V; 1 a 5V; 0 a 10V; 0 a 12V; 0 a 20mA; 4 a 20mA; 10 a 50mA. Digital. Heitor Medeiros Florencio 5

6 Classificação do Instrumento Função do instrumento no processo Indicador Controlador Registrador Conversor Transmissor Atuador Sensor Heitor Medeiros Florencio 6

7 Classificação do Instrumento Instrumentos cegos: Instrumentos que não têm indicação visível do valor da variável medida. Ex: Pressostatos, termostatos, transmissores de variável de pressão. Instrumentos indicadores: Instrumentos que dispõem de indicador e escala graduada, na qual se pode ler o valor da variável medida/controlada. Instrumentos registradores: Instrumentos que registram a variável medida/controlada com um traço contínuo ou através de pontos. Elementos primários: Elementos que estão em contato direto com a variável medida/controlada e fornecem aos sistema de medição uma resposta em função da variação da variável. Heitor Medeiros Florencio 7

8 Classificação do Instrumento Transmissores: Instrumentos que detectam as variações na variável medida/controlada através do respectivo elemento primário e transmitem-na a distância. Conversores: Instrumentos que recebem um sinal padrão e convertem em outro sinal também padrão. Controladores: Instrumentos que comparam o valor da variável medida/controlada com o valor desejado (set point) e exercem uma ação de correção na variável manipulada. Elemento final de controle: Recebem o sinal de correção do controlador e modificam/atuam sobre a variável manipulada. Heitor Medeiros Florencio 8

9 Terminologia Termos que definem as características próprias de medida e controle dos diversos instrumentos. Faixa de medida (Range): Conjunto de valores da variável medida/controlada que estão compreendidos dentro dos limites superior e inferior da capacidade de medição. Range LD301 (Sensor de Pressão): 50 Pa ~ 40 MPa Heitor Medeiros Florencio 9

10 Terminologia Alcance (Span): Diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida (range) do instrumento. Erro: No caso de controladores, é a diferença entre o valor do ponto de ajuste (set point) e o valor medido da variável controlada. Ponto de ajuste (Set Point): Valor no qual o controlador é ajustado para controlar o processo. Heitor Medeiros Florencio 10

11 Terminologia Precisão: É um parâmetro de tolerância de medição do instrumento. Capacidade do instrumento fornecer medidas idênticas ou muito próximas em diversos ensaios realizados sob as mesmas condições. Exatidão: Capacidade do instrumento fornecer medidas idênticas ao valor padrão ou valor verdadeiro em diversos ensaios realizados sob as mesmas condições. Representação de precisão e exatidão: em porcentagem do alcance (span); em porcentagem de leitura; em porcentagem do fundo de escala (máximo valor do range). Heitor Medeiros Florencio 11

12 Precisão x Exatidão Heitor Medeiros Florencio 12

13 Exemplo Dado um sensor de pressão com range de 50 a 250 PSI e valor medido de 100 PSI. Determine o erro de precisão para as seguinte condições: Precisão 2% do fundo de escala: Erro = 0,02 * (250) = 5 PSI Precisão 2% do span: Erro = 0,02 * (250-50) = 4 PSI Precisão 2% do valor medido: Erro = 0.02 * (100) = 2 PSI Heitor Medeiros Florencio 13

14 Terminologia Sensibilidade: Medida da alteração na saída do sensor em decorrência de uma mudança na sua entrada. Também conhecido como ganho. Um sensor tem alta sensibilidade se, para uma pequena variação da variável medida, ele gera uma variação considerável na saída. S = Out In Resolução: Menor incremento no sinal de entrada que pode ser detectado pelo instrumento. Ex.: Resolução de um conversor AD. Heitor Medeiros Florencio 14

15 Terminologia Histerese: Propriedade que evidencia a dependência do valor de saída na história de excursões anteriores. Quantificada pela máxima diferença entre leituras para um mesmo mensurando, quando este é aplicado a partir de um incremento ou decremento do estímulo. Heitor Medeiros Florencio 15

16 Terminologia Zona morta: Intervalo máximo no qual um estímulo pode variar em ambos os sentidos sem produzir variação na resposta de um instrumento de medição. Ex.: Um instrumento com um range entre 20 e 250 PSI possui um zona morta de +-0,1% do alcance. Assim, para variações abaixo desse valor, o instrumento não responderá indicando essa alteração. Heitor Medeiros Florencio 16

17 Instrumentação Heitor Medeiros Florencio 17

18 Sensores e Atuadores Set Point Controlador Atuador Processo Principais variáveis: Posição Proximidade Pressão Vazão Nível Temperatura Sensor Principais elementos de atuação: Motores elétricos Válvulas de controle Heitor Medeiros Florencio 18

19 Sensores Sensores são dispositivos amplamente utilizados na automação industrial que transformam variáveis físicas, como posição, velocidade, temperatura, nível, ph etc., em variáveis convenientes (unidades de engenharia). Se as variáveis de saída do sensor são elétricas, a informação pode ser associada ou à tensão ou à corrente, sendo o segundo caso mais usual, porque implica em um receptor de baixa impedância e, portanto, maior imunidade à captação de ruídos eletromagnéticos. Heitor Medeiros Florencio 19

20 Sensores Sensores Discretos: seu sinal elétrico de saída são do tipo 0-1, on - off, isto é, binárias. São utilizados para detecção de eventos, por exemplo, chegada de um objeto a uma posição, um nível de um fluído a um valor etc. Sensores analógicos, de medição ou transdutores: seu sinal elétrico de saída reproduz a amplitude do seu sinal de entrada. Seu sinal de saída pode ser analógico ou digital. Utilizados em controle dinâmico de processos. Heitor Medeiros Florencio 20

21 Sensores Discretos Contato Mecânico Nestes sensores, uma força entre o sensor e o objeto é necessária para efetuar a detecção do objeto. Estes dispositivos tem o corpo reforçado para suportar as forças mecânicas decorrentes do contato com objetos. Configurações: Chaves de contato elétrico normalmente aberto (NA/NO) ou normalmente fechado (NF/NC); Contatos que após acionados podem ser momentâneos ou permanentes; Dois ou quatro pares de contatos elétricos; Atuação por pressão; Abertura e fechamento lento de contatos. Heitor Medeiros Florencio 21

22 Sensores Discretos Contato Mecânico Exemplos: Chaves eletromecânicas: detecção de um evento mecânico; Chaves de nível; Chaves de temperatura; Chaves de vazão; Chaves de pressão. Heitor Medeiros Florencio 22

23 Sensores Discretos Proximidade Nestes sensores, o objeto é detectado pela proximidade ao sensor. Princípios de funcionamento para sensores discretos sem contato : Indutivo: detecta alterações em um campo eletromagnético; é próprio para objetos metálicos; Capacitivo: detecta alterações em um campo eletrostático; é próprio para objetos isolantes materiais não metálicos; Ultrassônico: usa ondas acústicas e ecos; é próprio para objetos de grandes proporções; Fotoelétrico: detecta variações de luz infravermelha recebida; Magnético - Efeito Hall: detecta alterações de campo magnético; Heitor Medeiros Florencio 23

24 Sensores Discretos Proximidade Indutivo: Gera um campo eletromagnético que penetra no alvo para medição. Sensíveis a materiais metálicos ferrosos (ferro, aço,...) ou não ferrosos (alumínio, cobre,...). Capacitivo: A face sensível do sensor é formada por 2 placas metálicas concêntricas. Detecta materiais condutores e não condutores. Inadequado para ambientes sujos ou com poeira. Heitor Medeiros Florencio 24

25 Conexão de Sensores de Proximidade A ligação dos sensores digitais nos Controladores Industriais e fontes podem ser de dois, três ou quatro fios. Aqueles a dois fios são, por exemplo, do tipo contato seco, ao passo que aqueles com três ou quatro fios são transistorizados PNP ou NPN. Em qualquer caso a corrente poderá fluir para a entrada do Controlador, caracterizando a montagem do tipo sourcing (PNP), ou, então, fluir para o sensor, caracterizando a montagem tipo sinking (NPN). Heitor Medeiros Florencio 25

26 Conexão de Sensores de Proximidade Sensor saída PNP: E Sensor saída NPN: E Heitor Medeiros Florencio 26

27 Sensores de Medição de Pressão Heitor Medeiros Florencio 27

28 Sensores de Pressão Sensores que utilizam os conceitos de pressão (estática, dinâmica, total e diferencial) aliado aos teoremas de Stevin e Pascal para medir a variação de alguma variável. Pressão total Pressão estática Heitor Medeiros Florencio 28

29 Sensores de Pressão: Mecânicos Medição Direta Heitor Medeiros Florencio 29

30 Sensores de Pressão: Elástico Mecânico Heitor Medeiros Florencio 30

31 Sensores de Pressão: Elástico Elétrico Heitor Medeiros Florencio 31

32 Sensores de Pressão: Elástico Elétrico Fita metálica que varia seu comprimento com a pressão. A variação da fita extensiométrica causa uma variação de resistência. Um diafragma de medição se move entre dois diafragmas fixos. Existe um líquido no diafragma móvel que funciona de dielétrico. A variação dos diafragma móvel altera a distância aos diafragmas fixos, alterando a capacitância das placas (diafragmas fixos). Heitor Medeiros Florencio 32

33 Sensores de Medição de Vazão Heitor Medeiros Florencio 33

34 Sensores de Vazão Medidores com elementos deprimogênios: Utilizam a pressão diferencial para calcular a vazão. Reduzem a área de secção em um pequeno comprimento, resultando em um aumento da velocidade do fluxo e uma queda de pressão. Exemplos: Placa de orifício; Tubo de venturi; Medidor tipo bocal; Tubo de Pitot. Heitor Medeiros Florencio 34

35 Sensores de Vazão Medidos lineares: Produzem um sinal de saída diretamente proporcional à vazão, com fator de proporcionalidade constante. Exemplos: Área variável (Rotâmetro); Efeito Coriolis; Ultrassônico; Vortex; Eletromagnético (Efeito Doppler); Turbina. Heitor Medeiros Florencio 35

36 Sensores de Vazão: Placa de Orifício Consiste em uma chapa metálica em formato de disco que apresenta uma pequena abertura por onde o fluido passa. Heitor Medeiros Florencio 36

37 Sensores de Vazão: Placa de Orifício A vazão é calculada pela diferença entre a pressão antes e depois da pequena abertura (veia contraída). Heitor Medeiros Florencio 37

38 Sensores de Vazão: Tubo de Venturi e Tipo Bocal Tubo de Venturi: Mesmo princípio da placa de orifício, porém um cone convergente garante a queda de pressão. Vantagem: Melhor precisão e menor perda. Desvantagem: Maior tamanho. Medidor tipo bocal: Princípio parecido com o tubo de venturi porém não tem o cone divergente. Menor perda (em relação Placa de orifício) e maior perda (em relação a venturi). Heitor Medeiros Florencio 38

39 Sensores de Vazão: Tubo de Pitot Um dispositivo usado para medir vazão (velocidade do fluxo) por meio da diferença entre as pressões dinâmica e estática, também chamada de pressão total. Heitor Medeiros Florencio 39

40 Sensores de Vazão: Alguns medidores lineares Ultrassônico: Os medidores de vazão ultrassônicos por tempo de trânsito utilizam um par de transdutores instalados em posições opostas para medir os tempos percorridos pelos sinais ultrassônicos no meio. Turbina: Um sensor gera um pulso quando identifica uma palheta da turbina. A vazão é calculada de acordo com a quantidade de pulsos por tempo. Heitor Medeiros Florencio 40

41 Sensores de Medição de Temperatura Heitor Medeiros Florencio 41

42 Sensores de Temperatura Medição de Temperatura: Termômetros de efeito mecânico: Termômetros de expansão de líquidos em bulbos de vidro; Termômetros bimetálicos; Termômetros manométricos. Termômetros de resistência elétrica: Termômetros metálicos RTDs; Termistores. Termopares. Pirômetros de radiação Heitor Medeiros Florencio 42

43 Indicadores de Temperatura Indicadores: Indicadores cromáticos: Indica a temperatura através da mudança de cor. Indicadores pirométricos: Indica a temperatura através de deformações de peças. Pirômetros de radiação: Baseia-se no princípio da Pirometria. Medição de altas temperaturas na faixa que os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. Heitor Medeiros Florencio 43

44 Termômetros de efeito mecânico Heitor Medeiros Florencio 44

45 Termômetros de resistência elétrica Heitor Medeiros Florencio 45

46 Termopares Heitor Medeiros Florencio 46

47 Sensores de Medição de Nível Heitor Medeiros Florencio 47

48 Sensores de Nível Medição direta: Visores de vidro; Boia; Trena; Medição indireta: Pressão diferencial; Flutuador; Deslocador; Ultrassônico; Radar; Eletrodos (condutividade); Heitor Medeiros Florencio 48

49 Sensores de Nível: Exemplos Boia Bóia Escala Radar ou Ultrassônico Heitor Medeiros Florencio 49

50 Atuadores: Motores Elétricos Heitor Medeiros Florencio 50

51 Motores Elétricos Um motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica. Partes de um motor: Estator; Rotor; Heitor Medeiros Florencio 51

52 Tipos de Motores Elétricos Motores Elétricos Corrente Contínua Corrente Alternada Corrente Pulsante Monofásico Trifásico Motor de Passo Síncrono Assíncrono (Indução) Síncrono Assíncrono (Indução) Heitor Medeiros Florencio 52

53 Atuadores: Válvulas de Controle Heitor Medeiros Florencio 53

54 Válvulas de Controle Elemento final mais utilizado na indústria: Válvula de controle. Heitor Medeiros Florencio 54

55 Válvulas de Controle Válvula globo: Válvula esfera: Válvula borboleta: Válvula gaveta: Heitor Medeiros Florencio 55

56 Válvulas de Controle Válvula globo: Movimento linear; Movimento perpendicular para longe da sede; Alta perda de carga; Válvula esfera: Movimento rotacional de um esfera com um orifício; Ideal para ON/OFF; Boa ventilação; Válvula borboleta: Movimento rotacional perpendicular ao fluxo; Basta 90% de rotação. Válvula gaveta: Movimento linear; Inserção de uma barreira no sentido do fluxo; Baixa perda de carga; Heitor Medeiros Florencio 56

57 Revisando Quais as diferenças de funcionamento dos sensores de proximidade indutivo e capacitivo? Existe diferença de conexão entre sensores PNP e NPN com o controlador? O que são elementos deprimogênios? Cite sensores de vazão que baseiam-se nesses elementos? Como funciona a medição de temperatura via termopar e via RTD? Qual a relação entre sensores de pressão e sensores de nível? Qual o elemento da válvula de controle que diferencia o funcionamento dos diferentes tipos de válvulas? Heitor Medeiros Florencio 57

58 Referências BEGA, Egídio Alberto; DELMÉE, Gerard J.; COHN, Pedro E.; BULGARELLI, Roberval; KOCH, Ricardo; FINKEL, Vitor S. Instrumentação industrial. 3 ed. Rio de Janeiro: Interciência, BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e Fundamentos de Medidas - Vol ed. Rio de Janeiro: LTC, Heitor Medeiros Florencio 58

59 Referências DE MORAES, Cícero Couto; DE LAURO CASTRUCCI, Plínio. Engenharia de automação industrial. Grupo Gen-LTC, Curso: Projetos de Instrumentação. SHEVAT Engenharia e Treinamento, Notas de aula. Instrumentação Básica I. SENAI, Notas de aula. Heitor Medeiros Florencio 59

60 Dúvidas? Heitor Medeiros Florencio 60

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