GRUPO III DAIANA CRISTINA RIBEIRO RENAN FRANCIS PAES RICARDO NOGUEIRA DOS SANTOS YEN CHUAN CHEN SENSORES INDUSTRIAIS EM MECATRÔNICA.

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1 GRUPO III DAIANA CRISTINA RIBEIRO RENAN FRANCIS PAES RICARDO NOGUEIRA DOS SANTOS YEN CHUAN CHEN SENSORES INDUSTRIAIS EM MECATRÔNICA. Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Mecatrônica do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais com quesito ao rendimento parcial na disciplina de Contexto Social e Profissional do Engenheiro Mecatrônico. Divinópolis CEFET-MG

2 Sumário 1. RESUMO INTRODUÇÃO SENSORES DE PRESENÇA SENSORES DE POSIÇÃO SENSORES ÓPTICOS SENSORES DE VELOCIDADE SENSORES DE ACELERAÇÃO SENSORES DE PRESSÃO SENEORES DE VAZÃO SENSORES DE TEMPERATURA SENSORES DE UMIDADE SENSORES DE PH CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

3 1. RESUMO O trabalho realizado teve como objetivo descrever o desempenho dos principais sensores usados na indústria, e suas características como: faixa de operação, erro, precisão, sensibilidade, tempo de resposta e linearidade. Além de avaliar os sensores usados na medição de pressão, vazão, nível, velocidade, temperatura, ph, posição e aceleração. 2. INTRODUÇÃO Sensores são dispositivos sensíveis a alguma forma de energia, relacionando-a à informações sobre uma grandeza que precisa ser medida. Um sensor nem sempre tem as características necessárias para ser usado em um sistema de controle. Por isso geralmente é usado um transdutor, elemento que contém o sensor e alguns circuitos de interfaces, que transforma o sinal recebido em um sinal de tensão ou corrente, que é interpretado pelo controlador.. FIGURA 1- Formas de energia de um sensor. 2.1 Sensores analógicos: Este tipo de sensor tem uma saída contínua para qualquer valor ao longo da sua faixa de operação, sendo esta saída proporcional à entrada. São usados para grandezas físicas que podem assumir qualquer valor como: pressão, temperatura, velocidade, vazão. 2.2 Sensores digitais: Este tipo pode assumir apenas dois valores no seu sinal de saída, 0 e 1, indicando se uma grandeza atingiu ou não um valor predeterminado. Como não existem grandezas 4

4 que assumam só esses valores, eles são mostrados ao sistema de controle após serem convertidos pelo transdutor. Um exemplo desse sensor é o termostato. É possível converter um sinal analógico em digital e vice-versa por meio de conversores analógicos-digitais. Quando a conversão é feita, parte do sinal pode ser perdida ou pode haver distorções na grandeza realmente medida. FIGURA 2: Exemplo de digitalização e linearização de sinais. 2.3 Características importantes: Na escolha de um sensor há certos fatores que devem ser considerados, por exemplo, a natureza da medida, facilidade de manutenção, vida útil e características como: Sensibilidade: razão entre o sinal de saída e de entrada. Exatidão: capacidade de dar respostas próximas a um valor verdadeiro. Precisão: é o erro máximo relativo, que o dispositivo pode apresentar. Linearidade: é a curva obtida plotando valores medidos, por sensores analógicos, em comparação a um padrão, se os valores obtidos formarem, num gráfico, uma reta, o sensor é dito ideal. Alcance: faixa de operação, todos os valores de entrada que se obtêm saída, de um sensor. Estabilidade: capacidade de fornecer uma mesma saída para uma mesma entrada, se o sensor tem baixa estabilidade, a atuação do controlador que usa esse sinal pode ser prejudicada. Tempo morto: faixa de entradas para quais não há saída. Histerese: erro que ocorre quando, para um mesmo valor de entrada há diferentes valores de saída, devido aos valores da primeira estarem crescendo ou decrescendo. Resolução: menor variação de entrada que produz uma variação na saída. Impedância: resistência á passagem de corrente alternada. 5

5 Tempo de resposta: tempo passado após uma entrada constante, até o instante em que o transdutor fornece uma saída correspondente à uma percentagem especificada. 3. SENSORES DE PRESENÇA 3.1 Sensores Ópticos São componentes eletrônicos de sinalização e comando que executam detecção de qualquer material sem que haja contato mecânico entre eles. O princípio de funcionamento do sensor óptico baseia-se na existência de um emissor e um receptor. A luz gerada elo emissor deve atingir o receptor com intensidade suficiente para fazer com que o sensor comute sua saída.. FIGURA 3: Princípio de funcionamento. O sinal de luz gerado pelo emissor do sensor óptico é modulado numa determinada frequência, ou seja, o emissor gera um sinal com certo número de lampejos por segundo. O receptor do sinal do sensor é acoplado a um filtro que somente considera sinais com a mesma frequência do emissor. Essa característica é empregada no sensor óptico para minimizar os efeitos de possíveis interferências causadas por fontes luminosas que não emissor Sensor óptico por transmissão Este sensor é conhecido também por: sensor óptico de detecção por barreira de luz. O emissor e o receptor montados em dispositivos separados. Ao serem alinhados, os dois componentes criam entre si uma barreira de luz. A presença de um objeto interrompe essa barreira fazendo com que o sensor seja ativado Sensor óptico por reflexão difusa 6

6 Neste temos o emissor e o receptor montados no mesmo dispositivo. A luz emitida pelo emissor cria uma região ativa cuja presença de um objeto faz com que a luz seja refletida de forma difusa, de volta ao receptor, ativando o sensor. A distância de acionamento, deste sensor, depende das dimensões do objeto a ser detectado, do acabamento da superfície e de sua cor Janela de luz Funciona de forma similar ao sensor óptico por transmissão. A principal diferença é que ela monitora uma região bem maior que aquele sensor. Esses dispositivos são utilizados principalmente em sistemas de segurança de máquinas de indústrias metalúrgicas em que os operários podem sofrer graves ferimentos em função da movimentação das máquinas. 4. SENSORES DE POSIÇÃO 4.1 Sensores de proximidade indutivos Este sensor consiste de uma bobina em torno de um núcleo. Quando a extremidade do núcleo se aproxima de um objeto metálico, sua indutância varia. Essa variação pode ser monitorada pelo seu efeito sobre um circuito ressonante, e é usada para acionar uma chave. Ele pode se usado apenas para a detecção de objetos metálicos sendo melhor com metais ferrosos. 4.2 Sensores de proximidade capacitivos Os sensores capacitivos são projetados para operar gerando um campo eletrostático e detectando mudanças nesse campo que acontecem quando um alvo se aproxima da face ativa. As partes internas do sensor consistem em uma ponta capacitiva, um oscilador, um retificador de sinal, um circuito de filtragem e um circuito de saída. Na ausência de um alvo, o oscilador está inativado. Quando o alvo se aproxima, ele aumenta a capacitância do circuito com a ponta de compensação. Quando a capacitância atinge um valor determinado, o oscilador é ativado, o que ativa o circuito de saída e faz cm que ele comute seu estado (fechado para aberto ou vice-versa). A capacitância do circuito com a ponta de compensação é determinada pelo tamanho do alvo, sua constante dielétrica e distância até a ponta. Quanto maior o tamanho e a constante dielétrica de um alvo mais ele aumenta a capacitância. Quanto menor a distancia entre a ponta e o alvo maior a capacitância. 7

7 Estes sensores são indicados para detectar materiais metálicos e não metálicos. Sendo empregados para controle de nível em silos, contagem de caixas em linha de produção, conferir presença de líquidos em frascos dentre outros. 4.3 Sensores de proximidade magnéticos Eles se baseiam no uso de campos magnéticos e convertem esse campo em um sinal elétrico. Esses sensores podem se: eletrônicos e a ampola Reed. Sensores de proximidade magnéticos são baseados no uso de um Reed Switch e um imã permanente. O imã pode ser parte do objeto a ser detectado ou do dispositivo do sensor. O dispositivo é projetado de modo que a presença do objeto na região do sensor ative a chave, enviando um sinal para o controle. Os sensores eletrônicos de proximidade magnéticos se baseiam no efeito Hall. Os sensores Hall são dispositivos semicondutores cujo comportamento elétrico pode ser influenciado por um campo magnético. 4.4 Sensor de deslocamento linear (LVDT) Um transformador linear diferencial variável, também conhecido como LVDT (Linear Variable Differential transformer), é um sensor para medida de deslocamento linear. Isso significa que ele produz uma saída elétrica proporcional ao deslocamento linear de um núcleo. O LVDT consiste de um núcleo magnético que se move no interior de um cilindro. A carcaça do cilindro contém um núcleo primário, que pode se mover em função de um sinal de frequência (tensão elétrica), e dois cilindros secundários que detectam a frequência na tensão com uma magnitude igual ao deslocamento, tornando esse tipo de sensor muito preciso. A figura abaixo este transformador. FIGURA 4: LVDT. Este sensor pode ser empregado em diversas situações, tais como: medições de deslocamento e níveis de fluidos; deflexão de vigas, fios ou anéis, dentre outros. 4.5 Sensor potenciométrico Um potenciômetro consiste em um elemento de resistência com um contato deslizante que pode ser movimentado ao logo do comprimento deste elemento. Estes 8

8 dispositivos podem ser usados em deslocamento linear ou rotativo, sendo o deslocamento convertido em diferença de potência. As principais características de um potenciômetro são: fornecem sinal analógico para controle; apresentam baixo custo; fornecem uma informação de posição absoluta dentre outras. A figura abaixo ilustra o esquema interno de um potenciômetro. FIGURA 5: Potenciômetro rotativo. 4.6 Encoders Um encoder é um dispositivo que fornece uma saída digital como resultado de um deslocamento linear ou angular. Os encoder de posição podem ser agrupados em duas categorias: encoders incrementais que detectam variações na rotação a partir de uma posição dada, e encoders absolutos que fornece a posição angular real. Os encoders são compostos por um disco de vidro ou plástico que giram entre uma fonte de luz (LED) e um par de fotodetectores. Assim, o disco é codificado com setores alternados de transparência e opacidade, gerando pulsos de luz (nível lógico ALTO) e escuridão (nível lógico BAIXO) na rotação do disco. Estes dispositivos são usados: em controle numérico máquinas operatrizes, impressoras, plotters X-Y, Controle de posições de disco de computador, servomecanismos, displays digitais, controle de posições remotas, controle de posições de radar, etc. 5. SENSORES ÓPTICOS 5.1 Fotodiodo É um diodo semicondutor em que a junção está exposta à luz. A energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons, que podem circular se aplicada polarização reversa. A corrente nos fotodiodos é da ordem de dezenas de ma com alta luminosidade, e a resposta é rápida. Há fotodiodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material. 9

9 O fotodiodo é usado como sensor em controle remoto, em sistemas de fibra óptica, leitoras de código de barras, scanner (digitalizador de imagens, para computador), canetas ópticas (que permitem escrever na tela do computador), toca-discos CD, fotômetros e como sensor indireto de posição e velocidade. A figura na seguir está o símbolo de um fotodiodo e este sensor: FIGURA 6: Princípio de funcionamento de um fotodiodo. 5.2 Fototransistor É um transistor cuja junção coletor-base fica exposta à luz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns ma com alta luminosidade. Sua velocidade é menor que a do fotodiodo. Suas aplicações são as mesmas do fotodiodo, exceto em sistemas de fibra-óptica, que operam em alta frequência. A figura abaixo ilustra o símbolo de um fototransistor e um circuito correspondente deste sensor: FIGURA 7: Princípio de funcionamento de um fototransistor. 6. SENSORES DE VELOCIDADE São usados em leitores de dvd, bombas centrífugas e máquinas automáticas de soldagem. 6.1 Tacogerador É baseado no princípio do motor de corrente contínua com escovas que funcionam como gerador. O campo magnético é obtido por meio de um ímã, cujos polos estão nas faces. Uma única espira girando é influenciada por um fluxo variável de acordo com a relação: Φ=Φ 0 * cos(ωt) (1) 10

10 A tensão nos terminais da espira é proporcional á velocidade angular. O tacogerador é constituído de um magneto permanente e um rotor, no qual estão enroladas N espiras espaçadas por um ângulo de 2π\N, as N espiras são conectadas a um coletor á lâminas e através de duas escovas se obtém a tensão reduzida. A tensão de saída depende da temperatura, pois é afetada pela resistência do induzido e campo magnético produzido pelo ímã. A constante taquimétrica (kt) exprime a relação entre a tensão de saída e a velocidade de rotação, pode ser interpretada também como a sensibilidade: kt=e\ω Devido á não homogeneidade do campo magnético e á comutação do coletor, a tensão de saída do tacogerador não é perfeitamente contínua. 6.2 Tacômetro de indução É um estator que apresenta dois enrolamentos dispostos à 90 0 um do outro, e um rotor no tipo que está em curto-circuito. Um dos enrolamentos é percorrido por uma tensão alternada e o sistema comporta-se como transformador em curto-circuito, quando o motor está parado, o eixo de saída faz 90 0 com o fluxo, logo não é gerada tensão de saída. Se o motor for colocado em rotação será gerado um f.e.m. de mesma tensão de alimentação e com amplitude que função da velocidade de rotação do motor. 6.3 Bobina pick-up É um sensor de saída em frequência, constituído de um rotor dentado de material ferromagnético e um ímã permanente, que é envolvido por uma bobina. Quando o dente do rotor passa pelas extremidades, as linhas de fluxo desse magneto desviam-se, produzindo um f.e.m. na bobina. Um pulso de saída é gerado a cada revolução do eixo. Com o aumento da velocidade, há consequente aumento de pulsos por unidade de tempo, pode ser mostrado por um frequencímetro. 6.4 Fotoacoplador É um dispositivo que permite o que um objeto interrompa a transmissão de luz emitida por um LED. O circuito do acoplador é formado por um diodo emissor de luz na entrada e um fotossensor na saída. No geral um fotoacoplador apresenta um disco que está conectado ao eixo de um motor que gira parcialmente dentro de uma cavidade do fotoacoplador. Essa configuração pode ser usada para gerar uma tensão que é proporcional à velocidade do motor em um sistema de controle de velocidade de loop fechado. 11

11 No disco há n furos distribuídos regularmente em intervalos de forma angular na sua periferia. Quando o disco gira, a luz do LED passa pelos furos do disco e é interrompida pela parte sólida do disco. Por esta razão, o fotoacoplador gera um pulso na saída cujo período do ciclo depende do tamanho do espaçamento dos furos e cuja frequência depende da velocidade do motor ω. Se o disco tem n furos, o fotoacoplador deve gerar n pulsos para cada revolução do disco. Seja a velocidade do morto ω rpm ou ω/60 rps, a frequência dos pulsos pode ser expressa por: f=(n*ω)/60 (2) Esse tipo de sensor é um transdutor digital, fornecendo uma saída em forma de pulsos, variável com a velocidade, que são contados ou aplicados a um conversor frequência-para-tensão, cuja saída será uma tensão DC proporcional à frequência de pulsos. O transdutor fotoelétrico a reflexão, no lugar de usar um transmissor e um receptor separados, usa-os em um único encapsulamento e no lugar do disco furo emprega-se um disco com traços que refletem e outro opacos. Encontrando um a superfície refletora, a luz transmitida é refletida no receptor. 7. SENSORES DE ACELERAÇÃO Os sensores de aceleração fornecem um sinal elétrico proporcional à aceleração do sistema, converte energia mecânica associada ao movimento na forma elétrica. Os acelerômetros são usados como instrumentos para monitorar as mudanças na velocidade devido ao choque, vibração ou impacto. São usados em medição de vibração de ângulo de lança de guindastes e em estudos de furos de sondagem. 7.1 Acelerômetro de deslocamento Esse tipo de componente fornece uma tensão elétrica de saída proporcional á aceleração, com a integração da saída tem-se uma tensão proporcional á velocidade em uma nova integração dá uma saída proporciona ao deslocamento. Os acelerômetros mecânicos medem a força de inércia sobre uma massa, já que a aceleração é proporcional a essa força. O instrumento é fixo ao objeto cuja aceleração se quer medir. A cápsula é aplicada e presa a um corpo que se desloca segundo o eixo X. Ela é composta de uma massa acoplada à um elemento elástico e outro amortecedor. Não havendo movimento segundo o eixo Y, velocidade uniforme, a massa está em repouso na posição X 1, quando o instrumento é submetido a uma aceleração a, a massa m é submetida 12

12 a uma força = -m*a, a que se opõe a força elástica de restauração da mola, a massa m se desloca e a força de inércia é contrabalanceada pela mola. Para evitar oscilações, o sistema massa-mola é mergulhado em um líquido tal que a massa alcança a posição de equilíbrio com movimento aperiódico crítico. A coordenada X 1 mede o deslocamento da capsula, e X 2 mede o deslocamento resultante da massa m em relação a X 1 (Fig. 8.8). Outros tipos de acelerômetros usam uma lamina de quartzo piezoelétrico no lugar da mola, as deformações provocadas na lamina causam a variação polarização dielétrica que é registrada. Esse tipo de sensor é selado contra contaminação do ambiente oferecendo sinal de saída altamente sensível com ampla largura de banda de medição. X= a(m/k) (3) Em que X é o deslocamento e K a constante da mola. 7.2 Acelerômetros de deformação Convertem a aceleração numa variação de resistência devido à deformação de um strain-gage. Um exemplo está na figura (pág. 89). Onde são usados dois strain-gage não mostrados. A massa sísmica está sobre ambos os lados das molas. Quando a aceleração é de baixo para cima, a mola superior se move para cima, gerando uma tensão mecânica no strain-gage superior que aumenta e diminui no inferior. Tal sistema é sensível à aceleração do eixo de deslocamento. Para se ter amortecimento do sistema ele é imerso em um liquido viscosos (pág.90). Quanto maior a massa sísmica maior será a força exercida nos strain-gage sendo maior a sensibilidade. O tipo de acelerômetro mostrado na figura usa quatro strain-gage; dois no topo e dois na superfície inferior, como a aceleração decrescente é conhecida, os strain-gage 2 e 3 no topo são sujeitas a tensão mecânica, assim como o suporte da mola é deslocado para baixo e suas resistência aumentam devido ao estiramento do fio elétrico do gage. Ao mesmo tempo os strain-gage 1 e 4 são comprimidos suas resistências diminuem porque a compressão faz com que o diâmetro do fio elétrico do strain-gage diminua. 7.3 Acelerômetros a balanço de força Apresentam um anel de reação de alto ganho que, por meio de uma força f fará equilíbrio à força que age sobre a massa móvel. Como na figura 6.8; a corrente de saída do amplificador proporcional e relação da massa da sua posição de repouso, medido do transdutor diferencial t, alimenta a força f que tende a reconduzir a massa à posição inicial. A corrente, que fornece uma queda de tensão na resistência r, é proporcional à aceleração. 13

13 A força f é um dispositivo eletromagnético apto a gerar uma força, o imã gera um campo magnético que se fecha através dos elementos metálicos entre os quais se progride a força. Quando a bobina é percorrida por uma corrente continua, a interação do fluxo do magneto e do produzido pela bobina gera uma força proporcional a corrente, dada por: F=k * I (4) Sendo k a sensibilidade da força f. A precisão do acelerômetro a balanço de força é confiado à propriedade da precisão de f, pela presença do amplificador de alto ganho na linha direta do sistema. 8. SENSORES PRESÃO 8.1 Cédulas de carga São estruturas mecânicas planejadas para receber algum tipo de deformação. Embora se essa força for pequena é o suficiente para gerar um sinal de saída. O funcionamento dessas cédulas de carga se baseia na resistência ôhmica de um extensômetro (strain-gage), que quando submetido a uma deformação gera uma variação da resistência ôhmica. Ele registra esse fenômeno como sendo uma grandeza elétrica. É usado para medir deformações em diferentes estruturas como: pontes, navios, máquinas, etc. É muito utilizado na indústria devido a sua alta precisão, baixo custo, excelente resposta dinâmica, fácil de instalar. Ao usar uma cédula de carga deve-se ficar atento com as especificações/características como: capacidade nominal, precisão, ambiente de trabalho. Além do mais a temperatura gera deformações em corpos sólidos, as quais poderiam ser confundidas com a provocada pela ação de força. Há então necessidade de compensar os efeitos de temperatura ela introdução no circuito de Wheatstone de resistências especiais. A mais popular aplicação das cédulas de carga é nas balanças comerciais eletrônicas. Outra aplicação frequente é na pesagem de tanques, silos e em balanças rodoviárias. 8.2 Transdutor de pressão piezoelétrico Esses transdutores baseiam-se na propriedade piezoelétrica do cristal de quartzo que, quando deformado elasticamente, gera um potencial elétrico em seus terminais por meio de certo plano cristalográfico. A tensão gerada é muito pequena, por isso o elemento 14

14 piezoelétrico é sempre conectado a um amplificador eletrônico. O campo de pressão de trabalho é compreendido entre 0,1 e 5.000kg/cm 3. Esses sensores respondem à pressão pulsante e transitória, porém não podem medir pressões estáticas por mais de alguns segundos, exceto sobre controle cuidadoso, temperaturas constantes e condições de laboratório. Suas aplicações são muitas. Os sensores de pressão piezoelétricos ajudam a testar o comportamento e monitorar a sanidade de unidades acústicas, hidráulicas, pneumáticas, estrutura de fluidos e processos associados. 8.3 Tubos de Bourdon O tubo de Bourdon consiste em traduzir a pressão do fluido em um deslocamento a fim de fornecer um sinal elétrico proporcional à pressão. Pela aplicação de pressão na parte interna, o tubo de Boudon tende a tomar a forma de um tubo de seção circular, e então há uma distensão no sentido longitudinal. Um outro dispositivo sente a deformação e a transforma em sinal elétrico. O tubo de Bourdon é o mais empregado de todos. Eles podem ser constituídos de uma simples forma da letra C, uma espiral ou ainda de uma helicoide, dependendo da pressão a ser medida. 9. SENSORES DE VAZÃO Vazão representa a quantidade de líquidos, gases ou vapores, que passa em um determinado ponto, durante um certo período de tempo. Esse controle visa: acompanhar e controlar a proporção dos materiais introduzidos em determinado processo industrial, determinar e controlar a quantidade de produtos elaborados no processo, etc. Os medidores de vazão são na verdade indiretos, pois medem outro tipo de grandeza que é transformada por um transdutor, em vazão. Em relação ao fluido as variáveis de influencia são: pressão, temperatura, densidade, viscosidade, umidade e impurezas. 9.1 Pressão diferencial Os medidores de vazão por pressão diferencial são os mais amplamente usados, devido à simplicidade, seu custo e sua facilitação de manutenção. È colocado um obstáculo, denominado elemento primário, introduzido em uma tubulação na qual escoa o fluido, causa 15

15 uma queda de pressão que varia com a vazão, a densidade e a viscosidade. Mantendo os dois últimos constantes, é possível calcular a vazão. 9.2 Placa de orifício Consiste em um disco fino que apresenta um orifício cuja posição e dimensões variam com as condições de trabalho. A placa causa uma queda de pressão de montante à jusante. Essa pressão atinge o mínimo e tende a recuperar a pressão anterior exceto pela perda de carga permanente. Esse fato é a característica de maior desvantagem das placas de orifício, visto que devido ao seu alto valor, em alguns casos, pode se tornar impraticável sua utilização. As principais vantagens a placa de orifício são a facilidade de uso, instalação e a substituição, e seu baixo custo. 9.3 Tubo de pitot Esse dispositivo possibilita medição direta da diferença entre pressão dinâmica e estática, bem como a velocidade de fluxo e, consequentemente, vazão. 9.4 Rotâmetros São constituídos de uma seção de tubo colocado verticalmente na tubulação, cuja extremidade maior é dirigida para cima, e de um corpo flutuador (boia), também chamado peão, que se move verticalmente no tubo cônico. O fluido passa através do tubo de base para o topo. Qualquer movimento na vazão movimenta o flutuador para a parte superior do tubo e uma diminuição causa uma queda a nível mais baixo. Cada posição do flutuador corresponde a um valor determinado de vazão e somente um. 9.5 Turbina São usados somente nos casos em que o fluido seja um liquido. Eles são constituídos de um gerador a imã permanente colocado em rotação pelo liquido, que atua sobre as plaquetas. O rotor induz tensão alternada com frequência variável nos terminais de uma bobina colocada externamente ao invólucro da tubulação, que é material magnético. A frequência é proporcional à velocidade media do liquido, e consequentemente proporcional à vazão. 9.6 Acoplamento magnético Esse tipo de sensor utiliza ponteiro ou outra engrenagem do relógio de um hidrômetro multijato ou WOLTMANN para se adaptar um pequeno imã permanente. O imã 16

16 passa próximo a uma ampola que fecha o contato mandando um pulso para o circuito de controle. O numero de pulso é proporcional à vazão. FIGURA 8: hidrômetro magnético. 9.7 Ultrassônicos Os medidores de vazão ultrassônicos são instrumentos que operam a partir de transdutores colocados externamente à tubulação, não sendo necessária a introdução de nenhum sensor e contato com o fluxo e dispensando o seccionamento e parada das linhas. Possuem dois princípios de medição: o efeito Doppler (para fluidos com sólidos) e o tempo de transito (para fluidos limpos e hidrocarbonetos). 9.8 Medidor de vazão Vortex Quando há uma passagem de fluidos através de obstáculo, tal como um cilindro, turbilhões são criados em ambos os lados do obstáculo, e fluem percorrendo o tubo. Esses redemoinhos podem ser detectados pelos sensores ultrassônicos instalados no tubo. 9.9 Engrenagens ovais Suas engrenagens ovais são equipamentos tipicamente utilizados para operações com líquidos viscosos, em que é frequente a dificuldade de aplicar outros tipos de medidores. O elemento de medição é formato pelo par de engrenagens ovais que são movimentadas pelo fluido a ser medido. Ou seja, o diferencial de pressão através do medidor de vazão provoca forças em um par de engrenagens ovais, forçando-as a girar. As engrenagens ovais têm alta confiabilidade, longa vida de trabalho, fácil manutenção, gera baixa perda de carga, portanto, é muito vantajosa. Pode ser usado em qualquer tipo de indústria, principalmente nas áreas petrolífera, química, petroquímica, etc Sensores de nível 17

17 Os sensores de nível são utilizados para medição de líquido ou grãos sólidos, contidos em reservatórios, silos, tanques abertos ou pressurizados na indústria Flutuadores Os sensores de nível, baseados nos princípios da flutuação do filósofo Arquimedes, embora de tecnologia remota permanecem como dispositivos de escolha para muitas aplicações. O flutuador sobe à medida que o nível do fluido sobe. O movimento do flutuador, que varia para cada fabricante, é traduzido para uma ação de controle. Em algumas aplicações são usadas conexões mecânicas que convertem o movimento de subida e descida do flutuador numa abertura/fechamento de um contato Medição de nível de capacitiva O principio usa a mudança da capacitância, que é causada pela variação do nível do material entre a sonda de medição e a parede do reservatório. Se mergulharmos num recipiente uma barra condutora isolada, formará uma capacitância entre ela e o recipiente. Essa capacitância é uma função do nível da substancia medida. Vantagens: fácil instalação, baixo custo, livre de manutenção. Seu campo de aplicação é bastante abrangente Detecção de nível vibratório O sensor é composto por uma haste piezoelétrica que vibra. Assim que o produto entra em contato com a haste vibratória, a vibração é amortecida e aciona um relé de saída Medição de nível laser Coloca-se um laser num dos lados do recipiente de modo que o raio atinja a superfície do liquido em ângulo, sendo então refletido para um detector. Variações na posição do nível modificam a direção do raio refletido e altera o ponto que atinge o sensor, correspondendo a nova posição a um sinal de nível, obtido pelos circuitos eletrônicos de detecção Radioativos Compostos por uma fonte de material radioativo e um detector de radiação, que são instalados diametralmente opostos na parede do silo ou tanque. As partículas emitidas pela 18

18 fonte radioativa atravessam as paredes do silo, o material contido nele e sensibilizam o detector. Com a subida do nível o material se coloca entre a fonte e o detector, interferindo na trajetória das partículas. O material do silo absorve então parte da energia, fazendo com que a intensidade da radiação percebida pelo detector diminua proporcionalmente às variações de nível Ultrassônicos Baseado no principio da reflexão das ondas sonoras. Quando uma onda sonora atravessa um meio capaz de absorver som e incide em outro meio com uma barreira, somente uma pequena porção é absorvida e a maior parte da onda é refletida pela barreira. A reflexão das ondas é um eco. As superfícies refletoras das ondas sonoras são chamadas de meio vivo e as que não podem refletir meio morto. O tempo decorrido entre o instante em que o sinal é emitido e o instante em que o sinal é refletido é uma referencia para a posição de nível. 10. SENSOR DE TEMPERATURA Existem vários tipos de sensores de temperatura, neste trabalho iremos citar e explicar as suas funções dos mais utilizados nas indústrias Termistores (Thermally Sensitive Resistor) São resistores semicondutores eletrônicos e extremamente sensíveis às pequenas mudanças de temperaturas, cuja resistência elétrica variam com a mesma. São utilizados para detecção automática, medição e controle de energia física nas indústrias. A relação entre resistência e temperatura é dada pela Equação de Steinhart & Hart: T = 1/{a+(b*ln)+(c*lnR³)}, onde T é a temperatura, a, b e c são coeficientes que dependem do material usado e R é o valor da resistência. Existem dois tipos básicos de termistores: os de PTC-Positive Temperature Coefficient (Coeficiente Positivo de Temperatura) e os de NTC-Negative Temperature Coefficient(Coeficiente Negativa de Temperatura). Os Pécs são resistores em que a sua resistência aumenta com a temperatura, ou seja, como o próprio nome indica, apresenta um coeficiente térmica positivo. Porém esse coeficiente só é positivo quando estiver dentro de um faixa de temperatura, ao ultrapassá-lo ele fica negativo ou nulo. E os NTC s são elementos cuja a resistência diminui com o 19

19 aumento da temperatura, por isso seu coeficiente de temperatura é negativo. Os NTC s são utilizadas em várias áreas, como Física, Projetos Elétricos, Regulação de temperaturas, entre outros Termopares Um termopar funciona medindo a diferença de potencial causada por fios diferentes, calculado pela fórmula: V = (SA - SB)*(T2 - T1), sendo SA e SB os coeficientes de Seebeck dos metais envolvidos e T1 e T2 as temperaturas das duas junções. Quando vários termopares são logados em série, o efeito ésomado, e esse dispositivo é chamado de termopiles. Existem oito tipos de termoelemento mais comuns nos dias de hoje: S,R,B,J,K,N,T e E(seus características então detalhados em anexo). Porém, nos anos seguintes, muitas combinações de elementos termoelé tricos foram estudadas, uma delas é a combinação de tungstênio, rênio. Há alguns termopares com isolação mineral, que é constituído de um ou dois pares de fios isolados da bainha metálica por um pó isolante de óxido de magnésio altamente compactado. Por ter esta constituição, os termoelementos ficam totalmente isolados do meio, resultando maior estabilidade da força eletromotriz e maior vida útil. O erro de um termopar é dado pelo o máximo desvio que ele apresenta em relação a um padrão que é adotado como absoluto e pode ser expresso em graus Celsius ou em porcentagem da temperatura medida. Os termopares cobrem uma faixa de temperatura bem elevada, vai do -200 a 2.300ºC aproximadamente, com uma precisão e repetibilidade aceitável, tudo isso a um custo menor do que os outros tipos de sensores de temperatura Termorresistência É um dispositivo com filamento bastante delgado de um metal como platina ou níquel, cuja resistência varia com a temperatura. Os mais utilizados são: Pt-100, Pt-1000 de filamento platina e Ni-100, Ni-1000 do níquel. O Pt-100 é a que melhor apresenta a grande maioria das aplicações na indústria devido a sua grande estabilidade e precisão. Na montagem convencional com bainha preenchida, tem-se o sensor montado em um tubo metálico com uma extremidade fechada, todos os espaços preenchidos com óxido de magnésio, que protege contra choque mecânico e uma boa troca térmica, e a outra extremidade selada com epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar. Nesse tipo 20

20 de montagem, ele não apresenta muita resistência mecânica, nem dispõe condições para efetuar curvas, bem como ter diâmetro externo e comprimento limitados. Na montagem com isolação mineral, o diâmetro pode ser reduzido, o comprimento não é limitado, velocidade da resposta é rápida e permite maior flexibilidade, fazendo dobras ou curvas. 11. SENSOR DE UMIDADE Umidade é a água na forma de vapor. A Umidade absoluta é a quantidade real da água que o ar contém, e é expresso em gramas por metro cúbico de ar(g/m³). Geralmente o conteúdo de umidade do ar é expresso em umidade relativa, que é o quociente entre a quantidade de umidade presente a uma determinada temperatura e a máxima quantidade de vapor de água que o ar pode conter nessa temperatura. 21

21 A tabela a seguir mostra os métodos para medição de umidade: Parâmetro Descrição Aplicações típicas Temperatura de bulbo úmido(ºc) Umidade relativa UR (0-100%) Ponto de Orvalho congelamento (ºC) Temperatura mínima alcançada por um termômetro umedecido em um fluxo de ar A relação da pressão do H2O(g) efetivo para a pressão do vapor de saturação, à temperatura do bulbo seco. A temperatura à qual o ar deve ser resfriado para alcançar a saturação. Quando a temperatura é inferior a 0ºC, chama-se ponto de congelamento. Secadores de alta temperatura, condicionamento de ar, meteorologia, câmaras de ensaio. Supervisão de salas se condicionamento, câmaras de ensaio, embalagens de produtos farmacêuticos e gêneros alimentícios. Tratamento térmico, atmosferas de recozimento, controle de secadores, controle de ar de instrumentos, medições meteoro- lógicas / ambientais. Relação de volume ou massa Partes por milhão(ppm) por volume é a relação da pressão parcial do vapor da água para a pressão parcial do gás portador quando seco. Ppm por peso é idêntico ao anterior, mas a relação muda de acordo com o peso molecular do gás portador. Usado principalmente para garantir a baixa umidade de gases de processamento industrial, tais como: ar, nitrogênio, oxigênio, hidrogênio, etc. g/kg Peso de H2O(g)/Kg de ar Ensaio de motores, túnel aero- dinâmico, câmaras de vapor, etc. 12. SENSOR DE ph O ph é a medida de acidez ou alcalinidade de uma solução definido por: ph = -log[h + ], sendo [H + ] a concentração de íons H +. Quanto menor o ph (<7) maior o acidez, quanto maior o ph (>7) maior a alcalinidade. 22

22 A medida de ph é feita por dois eletrodos: o glass electrode (eletrodo de vidro) e o reference electrode (eletrodo de referência). Uma combinação particular de vidros produz uma superfície sensível a ph. O potência desenvolvido é dado por: V = R + 0,059pH, sendo R uma constante que depende da escolha do eletrodo de referência. Devido à isolação do vidro, a impedância do eletrodo é da ordem de Ω a Ω, trazendo corrente da ordem de A(ampér). Os primeiros medidores de ph eram classificados como: de leitura direta ou medidores do tipo potenciométrico. No primeiro tipo, a fem. da pilha que continha o eletrodo de vidro era imposta sobre uma resistência elevada e a corrente que fluía na resistência era ampliada e aplicadas obre um medidor de bobina móvel sensível. A f.e.m. da pilha é calibrada em mv(milivolts) e a escala em unidades de ph. E no segundo, era empregado um circuito potencio- métrico em conjunção com um amplificador eletrônico e um mili-amperímetro para detectar o ponto de equilíbrio. O potenciômetro foi equi- librado contra uma pilha-padrão contida no instrumento e, então, a f.e.m. da pilha contida no eletrodo de vidro foi aplicada ao potenciômetro e atingiu-se um ponto de equilíbrio no modo usual por ajuste primeiramente de controle grosso (passo a passo), e depois pelo controle fino (potenciômetro). Os controles são calibrados em milivolts e também em unidades de ph. Atualmente, utiliza-se medidores de ph de leitura direta, porém na maioria dos medidores do tipo moderno é usado o voltímetro digital com escala que permite a leitura direta do ph. 13. CONCLUSÃO Logo o presente trabalho nos possibilitou conhecer os diversos tipos de sensores disponíveis no mercado e suas aplicações nos mais variados segmentos de indústria. E perceber que sensores são peças fundamentais no controle e automatização dos processos industriais, bem como na sua otimização. 23

23 14.0 BIBLIOGRAFIA ROSÁRIO, João Maurício. Princípios de mecatrônica. São Paulo: Editora Prentice Hall,2005. BOLTON, William. Mecatrônica: um abordagem multidisciplinar.4 ed. São Paulo: Editora Bookman, 2004 pág THOMAZINE, Daniel; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores Industriais. 2 ed. São Paulo: Editora Érica,