c Copyright 2013 por Exsto Tecnologia Ltda. Todos os direitos reservados Desenvolvido e produzido com orgulho no Brasil

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2 .. XC201 - Sensores Industriais Revisão Principais Autores Descrição da Versão Término A Jaqueline Barbosa Magalhães Versão Inicial 19/04/2011 B Mágno Alves Martins da Mota Versão Final 15/01/2013 c Copyright 2013 por Exsto Tecnologia Ltda. Todos os direitos reservados Desenvolvido e produzido com orgulho no Brasil. Exsto Tecnologia Ltda Rua Juca Castelo, Centro Santa Rita do Sapucaí - MG CEP:

3 Sumário Lista de Figuras 10 1 Introdução 11 2 Apresentação do produto Observação Objetivo deste documento 13 4 Orientação Pedagógica 14 Apostila Teórica 16 5 Introdução aos Sensores Atuadores Sensores Tipos de sinais de saída Analógicos Sinais discretos Sinais digitais Transdutores Transmissores Controladores de Processos Características dos Sensores Industriais Sensibilidade Repetibilidade Exatidão Precisão Linearidade Alcance (range) Estabilidade Velocidade de resposta Freqüência de Comutação Distância de Comutação (S) Distância Normal de Comutação (SN) Distância de Comutação de Trabalho (AS) Distância de Comutação de Operação Zona Morta Tempo Morto Resolução Histerese

4 6.15 Carga do Instrumento Consumo de Corrente Corrente de Fuga Tipos de Saídas para Sensores Digitais NPN PNP CA a dois fios Corrente contínua Namur Tipos de Saídas para Sensores Analógicos 27 9 PWM Conversão Freqüência-Tensão Sensores de Contato Físico (mecânicos) Sensores tipo Reed-Switch Sensores Indutivos Sensor Indutivo Analógico Sensores Capacitivos Sensor Capacitivo Analógico Sensores Ópticos Sensor Óptico por Retro-Reflexão Sensor Óptico por Transmissão (Barreira) Sensor Óptico por Reflexão Difusa LDR Fibras Ópticas Sensores de Cor Encoders Encoder Incremental Encoder Incremental com Condução Elétrica Encoder Incremental por Transmissão de Luz Encoder Absoluto Encoder Linear Encoder Linear Magnético Encoder Linear por Transmissão de Luz Sensores de Temperatura Termistores PTC NTC PT Par Bimetálico Termopares Termopar tipo T Termopar tipo J Termopar tipo E Termopar tipo K Termopar tipo S - R

5 Termopar tipo B Termopar tipo N Sensor de Pressão Sensor de Pressão Absoluta Sensor Gauge Pressostato Sensor de Umidade e Temperatura do Ar Termo-Higrômetro Sensores de Vazão Placa de Orifício Tubo de Venturi Tubo de Pilot Sensores de vazão por turbinas Medidores de vazão magnéticos Engrenagens Ovais Sensores de Nível Bóia Magnética Características: Aplicações: Bóia Lateral Características: Aplicações: Bóia Pêra Características: Aplicações: Condutivo Características: Aplicações: Transmissor de Nível Hidrostático Características: Aplicações: Transmissor de Nível Ultra-sônico Características: Aplicações: Transmissor de Nível Pendular (Yo-Yo) Características: Aplicações: Indicador de Nível Régua Externa Características: Aplicações: Chave de Nível Pá Rotativa Características: Aplicações: Transmissor de Nível Capacitivo Características: Aplicações:

6 22 Sensor de Gás Sensores Eletroquímicos Sensores Infravermelhos Referências Bibliográficas 83 Caderno de Experiências Aula Objetivos: Referências: Introdução: Questionário: Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Prática 1 - PWM Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Prática 2 - Multimedidor Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Prática 3 - Conversor A/D e Comparador Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário:

7 30 Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Questionário: Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Prática 4 - Encoders Aula Objetivos: Referências: Introdução: Questionário: Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Prática 5 - Sensores de Temperatura Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Prática 6 - Sensor de Umidade / Temperatura

8 37 Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Aula Objetivos: Referências: Material Necessário: Introdução: Questionário: Conteúdo do Kit: Observação Conteúdo do CD em pastas Instalação do Hardware Instalação do Software - AMK 120 Transdutor de Temperatura Hardware Pressure Sensor Universal Indicator Power Supply / Security Button Communication Interface Photoeletric and Digital Sensors Temperature Sensors Analog Sensors

9 Lista de Figuras 4.1 Tabela de Sensores Industriais Variação de uma grandeza física de um sensor analógico Sinais de um Encoder Diagrama de bloco genérico de um transdutor Formas de resposta não-linear (esquerda) e linear (direita) Simbologia Sensor NPN Simbologia Sensor PNP Simbologia Sensor Dois Fios Simbologia Sensor Namur Circuito ilustrativo para PWM Sinais de saídas do PWM Circuito conversor F/V analógico Circuito conversor F/V digital Funcionamento das Chaves Chaves Fim-de-Curso Esquemáticos das ligações Pull-Up e Pull-Down Reed-Switch Funcionamento da chave magnética Reed-Switch usado como sensor de posição de pistões (1 - imã permanente localizado na haste do pistão) Reed-Switch usado como sensor de velocidade em eixos rotativos Diagrama de um Sensor Indutivo Diagrama de um Sensor Capacitivo Detecção por Retro-Reflexão Detecção por Barreira Detecção por Reflexão Difusa Gráfico LDR Disco e gráfico do Encoder Incremental Encoder Incremental com Condução Elétrica Encoder Incremental por Transmissão de Luz Disco e gráfico do Encoder Absoluto Tabela de valores Encoder Linear Magnético Encoder Linear por Transmissão de Luz

10 17.1 Curva característica do PTC Curva característica do NTC Tabela de valores do PT Termostato com disco de par bimetálico Termopar de junção simples Sensores de Pressão Atmosférica Sensor de Pressão Diferencial Gráfico de comparação entre o Sensor de Pressão Absoluta e o Sensor Gauge Sistema de funcionamento do Pressostato Sistema de funcionamento do Pressostato Termo-higrômetro digital Funcionamento da Placa de Orifício Funcionamento do Tubo de Venturi Funcionamento do Tubo de Pilot Funcionamento do Sensor de Vazão por Turbina Funcionamento do Sensor de Vazão por Turbina Bóia Magnética Bóia Lateral Bóia Pêra Sensor de Nível Condutivo Sensor de Nível Hidrostático Sensor de Nível Ultra-sônico Sensor de Nível Pendular Sensor de Nível Régua Externa Sensor de Nível Pá Rotativa Sensor de Nível Pá Rotativa Esquema de um Sensor de Gás Eletroquímico Esquema do mecanismo de redução e oxidação Membrana hidrofóbica Membrana hidrofóbica Distribuição em arvore do conteúdo do CD Layout do módulo Sensor de Pressão Layout do módulo Indicador Universal Layout do módulo Power Supply/Security Button Layout do módulo Interface de Comunicação Layout do módulo Sensores Digitais Layout do módulo Encoders / Sensores de Temperatura Layout do módulo Sensores Analógicos

11 Capítulo 1 Introdução Este material didático tem como função guiar o aluno durante todo o seu aprendizado em sistemas de Controle e Automação na área de Sensores. Temos o propósito de explorar os conceitos abordados e imediatamente prover a integração do aluno com o prazer da prática, tornado seu aprendizado mais interessante e consistente. Todo o conteúdo aqui é abordado de forma a fomentar a vontade do aluno e aplicar o conhecimento de forma imediata, permitindo que ele possa criar seus próprios circuitos a partir dos conhecimentos adquiridos. O conteúdo deste caderno se divide em: Uma introdução aos Sensores, o estudo de Sensores de Temperatura, Óticos, Indutivos, Capacitivos, Encoders, além de demais sensores específicos. 11

12 Capítulo 2 Apresentação do produto O Kit Educacional XC201 é um ambiente de desenvolvimento que visa facilitar o aprendizado e o desenvolvimento de aplicações voltadas ao estudo de Sistemas de Controle e Automação voltada a Sensores Industriais. As diversas aplicações estão dispostas de forma didática, com indicações na serigrafia dos Painéis. Estão disponíveis diversos pontos de medida (teste points) e ligações que permitem a visualização dos sinais de maior relevância e a mobilidade para diversas ligações para diferentes experiências. As principais características do kit XC201 são: Bastidor em Alumínio Perfilado XC201; Modulo Pressure Sensor; Modulo Universal Indicator; Módulo Power Supply /Security Button; Módulo Comunication Interface; Módulo Photoeletric and Digital Sensors; Módulo Encoders e Temperature Módulo Analog Sensors CD com os manuais dos componentes dos módulos, esquemas elétricos e software necessário para o uso dos mesmos.; Cabo tripolar; Documentação (Apostila, Caderno de Experiências e Manual) Observação A lista de Módulos a cima corresponde a todos os módulos disponíveis para o produto. Então verifique o Checklist do produto para verificar quais compõem a sua compra. 12

13 Capítulo 3 Objetivo deste documento Este documento é divido em três unidades, com os seguintes conteúdos: Apostila: apresenta a conceituação teórica sobre o assunto do kit. Caderno de Experiências: traz a orientação para realização das experiências práticas. Manual de Operação e Manutenção: reúne as informações necessárias para instalação e configuração do kit, além de trazer esquemas elétricos e outras informações importantes para manutenção. Documentos adicionais como guias de software e manuais de componentes estão também contidos no CD ou DVD que acompanha o kit. Esse conteúdo será discutido oportunamente na seção Manual. 13

14 Capítulo 4 Orientação Pedagógica O material didático (apostila e caderno de experiências) tem como função guiar o aluno durante todo o seu aprendizado em Sensores Industriais utilizando o kit XC201. A apostila trás os conteúdos teóricos sobre sensores. Ela é organizada em capítulos, de forma que possa ser dividida conforme o plano de aula e carga horária do curso. Temos o propósito de explorar os conceitos abordados e imediatamente prover a integração do aluno com o prazer da prática, tornando seu aprendizado mais interessante e consistente. Todo o conteúdo aqui é abordado de forma a fomentar a vontade do aluno e aplicar o conhecimento de forma imediata, permitindo que ele possa criar seus próprios circuitos a partir dos conhecimentos adquiridos. a: O curso, em especial as experiências práticas, foram pensadas com o objetivo de levar o aluno Entender a importância do estudo dos Sensores Industriais; Compreender o funcionamento, a utilização e as características dos Sensores; Aprender a identificar, testar e utilizar os Sensores Industriais. Abaixo é apresentada uma proposição de divisão de aulas teóricas. Para cada aula destas existe uma aula prática na seção Caderno de Experiências (para alguns conteúdos conceituais a aula prática é na verdade um questionário sobre o assunto abordado). Recomendamos que na última aula do módulo avançado fosse proposto um projeto envolvendo diversos conceitos estudados ao longo do curso. 14

15 Figura 4.1: Tabela de Sensores Industriais 15

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17 Capítulo 5 Introdução aos Sensores No estudo da automação em sistemas industriais, comerciais, automobilísticos, domésticos, etc., é preciso determinar as condições (ou variáveis) do sistema. É necessário obter os valores das variáveis físicas do ambiente a ser monitorado, e este é o trabalho dos sensores e suas aplicações na automatização. Inicialmente é preciso mostrar a diferenciação entre alguns elementos presentes em uma automação de qualquer natureza. Os principais elementos que atuam sobre a automação industrial são os sensores e atuadores, pois eles verificam e interferem no ambiente. Portanto para melhor compreender os sistemas onde os sensores industriais são utilizados é preciso primeiro conhecer as termologias e os elementos utilizados nestes sistemas. 5.1 Atuadores Os sistemas de automação industrial precisam executar movimentos mecânicos e controlar mecanicamente o fluxo de fluidos em equipamentos para isso utilizam atuadores que é de extrema importância na execução de uma tarefa, portanto é necessário que o mesmo seja adequadamente projetado e adaptado as condições do seu meio e área de trabalho. Os Atuadores são dispositivos que modificam uma variável controlada. Recebem um sinal proveniente do controlador e agem sobre o sistema controlado. Geralmente trabalham com potência elevada. Exemplos de alguns atuadores: Válvulas (pneumáticas, hidráulicas) Relés (estáticos, eletromecânicos) Cilindros (pneumáticos, hidráulicos) Motores (step-motor, syncro, servomotor) Solenóides 5.2 Sensores Termo empregado para designar dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente que pode ser luminosa, térmica, cinética, relacionando informações sobre uma grandeza que precisa ser medida (temperatura, pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição, etc.) a um sinal de saída. 17

18 5.3 Tipos de sinais de saída Analógicos Esse tipo de sensor pode assumir qualquer valor no sinal de saída ao longo do tempo, desde que esteja dentro da sua faixa de operação. Algumas das grandezas físicas que podem assumir qualquer valor ao longo do tempo são: pressão, temperatura, velocidade, umidade, vazão, força, ângulo, distância, torque, luminosidade. Essas variáveis são mensuradas por elementos sensíveis com circuitos eletrônicos não digitais. Figura 5.1: Variação de uma grandeza física de um sensor analógico Sinais discretos São sinais que só assumem dois estados: verdadeiro ou falso, aberto ou fechado. Esses sinais são provenientes de sensores tipo chaves de campo (chave de nível, de pressão, de temperatura, fim de curso) Sinais digitais Esse tipo de sensor pode assumir apenas dois valores no seu sinal de saída ao longo do tempo, que podem ser interpretados como zero ou um. Não existem naturalmente grandezas físicas que assumam esses valores, mas eles são assim mostrados ao sistema de controle após serem convertidos pelo circuito eletrônico do transdutor. É utilizado, por exemplo, em detecção de passagem de objetos, encoders na determinação de distância ou velocidade, etc. 18

19 Figura 5.2: Sinais de um Encoder 5.4 Transdutores É a denominação que recebe um dispositivo completo, que contém o sensor, usado para transformar uma grandeza qualquer em outra que pode ser utilizada nos dispositivos de controle ou seja. Um transdutor pode ser considerado uma interface ás formas de energia do ambiente e o circuito de controle ou eventualmente entre o controle e o atuador. Se um sensor é um elemento que recebe e responde a um estímulo, convertendo um tipo de energia em outro, um transdutor, por sua vez, é um dispositivo que converte um tipo de energia em um sinal elétrico. Ou seja, os transdutores transformam uma grandeza física (temperatura, pressão, etc.) em um sinal de tensão ou corrente que pode ser facilmente interpretado por um sinal de controle. Muitas vezes os termos sensor e transdutor são usados indistintamentes. Neste caso, o transdutor é o instrumento completo que engloba sensor e todos os circuitos de interface capazes de serem utilizados numa aplicação industrial. Figura 5.3: Diagrama de bloco genérico de um transdutor. 5.5 Transmissores Dispositivos que preparam o sinal de transdutores para utilização a distância, fazendo certas adequações aos sinais as quais se chamam padrões de transmissões de sinais. Um exemplo bastante conhecido é o Loop 4 a 20mA, um padrão de transmissão de sinais em corrente. 19

20 O termo transmissor é utilizado também para dispositivos que integram um sensor,transdutor e transmissor no mesmo dispositivo. Os padrões mais utilizados para transmissão de sinais analógicos são: 3 a 15 PSI; 4 a 20mA; 0 a 20mA e 0 a 10V. Para transmissão de sinais digitais utilizam-se protocolos de comunicação para redes industriais (fieldbus). Os protocolos de comunicação abertos mais conhecidos para comunicação entre controladores lógicos programáveis e outros dispositivos são: Modbus, PROFBUS-DP, Fieldbus Foudation, CAN, LonWorks, Interbus-S e Industrial Ethernet. Os padrões de comunicação serial mais tilizados na camada física desses protocolos são: RS-232, RS-422 e principalmente o RS-485. Existem protocolos de comunicação industriais proprietários que são também muito utilizados, como, por exemplo, os protocolos da ALLEN-BRADLEY : ControlNET, DH+, Remote I/O e DeviceNet (utilizados também em transmissores e atuadores). 5.6 Controladores de Processos Controlar um processo significa atuar sobre ele, ou sobre as condições a que o processo está sujeito. Na automação industrial, controladores de processo são equipamentos responsáveis pelo controle de processo industrial ou parte dele através de algoritmos de controle específicos, tais como PID, lógica fuzzy ou redes neurais. Podem ser ainda equipamentos programáveis capazes de realizar diversos tipos de algoritmos lógicos e matemáticos. Em grande parte das configurações, um controlador é responsável por uma única malha de controle. Por exemplo, uma malha de controle de temperatura é composta de um medidor de temperatura, um controlador e um aquecedor. Neste caso, os controladores são chamados de controladores de malha. Esses instrumentos são dedicados em sua função e podem enviar dados diversos para outros dispositivos ou outras malhas no processo. Entre outros, podemos encontrar em diversos tipos de plantas industriais, controladores de temperatura (pirômetros), vazão, pressão, nível, posicionamento, etc. Em outros casos, o mesmo equipamento pode ser responsável por diversas malhas simultaneamente. Em geral isso é feito por Controladores Lógicos Programáveis, SDCDs ou equipamentos semelhantes. Os controladores de processo mais antigos eram pneumáticos. Após a popularização do transistor na década de 50, a maioria desses instrumentos passou a utilizar eletrônica analógica com amplificadores operacionais. Após a década de 80, a maioria dos controladores passou a utilizar microprocessadores. A comunicação entre os controladores e demais componentes de sistemas de controle evoluiu de maneira semelhante, passando de sinais e comandos pneumáticos para transmissão através de corrente e tensão e posteriormente evoluíram para a utilização de redes, sendo que já existem inclusive instrumentos e controladores com comunicação wireless. 20

21 Capítulo 6 Características dos Sensores Industriais Existem uma série de características relacionadas aos sensores que devem ser levadas em consideração na hora da seleção do instrumento mais indicado para uma dada aplicação. 6.1 Sensibilidade Sensibilidade ou ganho é a razão entre o sinal de saída e de entrada para um dado sensor ou transdutor. No caso de sensores analógicos, a sensibilidade está ligada à relação entre uma variação na grandeza física em questão e a variação na medida elétrica fornecida pelo instrumento, ou seja, um sensor muito sensível é aquele que fornece uma variação na saída para uma pequena variação da grandeza medida. 6.2 Repetibilidade Repetibilidade para é a medida da capacidade de um instrumento repetir a mesma saída (medida) para um dado valor, quando a mesma entrada precisa é aplicada várias vezes. Ou então o percentual de desvio da distância de comutação entre dois acionamentos consecutivos. Para obter a repetibilidade, às vezes são necessárias múltiplas leituras. 6.3 Exatidão É a Diferença absoluta entre o valor do sinal de saída entregue pelo sensor e o valor do sinal ideal que o sensor deveria fornecer para esse determinado valor de grandeza física. Significa o quanto o sensor é capaz de indicar um valor próximo do valor real. A exatidão é representada em termos da inexatidão do sensor, por exemplo: 2 Obs.: Não há sentido em se falar de exatidão de um instrumento isoladamente. Consiste então no erro da medida realizada por um transdutor em relação a um medidor padrão. 6.4 Precisão É a medida da consistência do sensor e indica seu grau de repetibilidade, isto é qual a capacidade do sensor em indicar o mesmo valor, estando nas mesmas condições de operação, em um 21

22 dado período de tempo. Em geral, os instrumentos são especificados em termos de sua exatidão e não da sua precisão. A especificação informa o valor da exatidão em termos de percentagem em torno do valor exato (para mais ou para menos), isto é, informa o desvio que o instrumento pode proporcionar. Por exemplo, um sensor de nível com exatidão de 10 cm, pode ter sua medida na faixa de mais ou menos 10 cm em torno do valor real, isto é pode variar de 10 cm para mais ou para menos. Neste caso, uma indicação de nível de 3 m pode significar qualquer nível entre 2,9 e 3,1 m. Ao contrário, precisão não é indicada pelo fabricante e está sempre na mesma direção, isto é o desvio será sempre para mais ou para menos. Um instrumento preciso pode informar o valor errado, mas ele é consistente com essa informação. Logo o desvio provocado por um dispositivo preciso pode ser removido. Ou seja, maior valor de erro que um instrumento possa ter ao longo de sua faixa de medição. 6.5 Linearidade Esse conceito se aplica a sensores analógicos. É o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física, obtém-se variações iguais do sinal entregue. Quanto maior, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores mais usados são os mais lineares, conferindo maior precisão ao sistema de controle e. Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas, em que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais que corrigem o sinal. Figura 6.1: Formas de resposta não-linear (esquerda) e linear (direita). 6.6 Alcance (range) Define-se como faixa ou range a todos os níveis de amplitude da grandeza física medida nos quais se supõe que o sensor pode operar dentro da precisão especificada. Assim, como exemplo, um sensor de pressão pode ser fabricado para operar de 60 mmhg até 300 mmhg. A amplitude dessa escala é definida como faixa. 6.7 Estabilidade Está relacionada com a flutuação da saída do sensor. Se a flutuação for muito alta, ou seja, se o sensor possuir uma baixa estabilidade, a atuação do controlador que utiliza esse sinal pode ser prejudicada. 22

23 6.8 Velocidade de resposta Trata-se da velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança o valor real do processo. Em sistemas realimentado o ideal é que o sensor utilizado tenha uma resposta instantânea, pois uma resposta lenda pode prejudicar muito a eficiência do sistema de controle e até impedir que o sistema funcione a contento. 6.9 Freqüência de Comutação É o número máximo de acionamentos por segundo que um sensor pode responder, sem alterações ou falhas de pulsos, para a maioria dos sensores de aproximação este valor situa-se em torno de 1KHz Distância de Comutação (S) É a distância registrada quando ocorre uma comutação aproximando-se o atuador padrão paralelamente à face sensível do sensor Distância Normal de Comutação (SN) É a distância de comutação determinada em condição normais de temperatura e tensão, utilizando o atuador padrão Distância de Comutação de Trabalho (AS) É a distância entre o elemento a ser detectado e a face sensível do sensor, que irá assegurar um acionamento seguro, levando-se em consideração os desvios de temperatura e tensão, bem como vibrações mecânicas que poderiam alterar o posicionamento do elemento a ser detectado. Esta distância deve ser no máximo 85% da distância normal de comutação (SN) Distância de Comutação de Operação Além de levar em consideração a distância de comutação de trabalho (AS), devemos observar em que aplicações normais na indústria não é utilizado o atuador padrão na comutação do sensor, sendo assim, devemos considerar o tipo de material de que é feito o elemento a ser detectado, o que acarretará num valor menor na distancia de atuação do sensor Zona Morta É a faixa onde o sensor não consegue responder. Ela define o valor necessário de variação do processo (da variável em medição) para que o medidor comece a percebê-lo. 23

24 6.12 Tempo Morto É o tempo necessário para que o sensor comece a responder a alterações na variável medida (entrada) Resolução É menor mudança na entrada do sensor que irá resultar em uma mudança na saída do mesmo. A resolução dá uma indicação de quão pequena uma variação na entrada de energia pode ser percebida por um sensor Histerese É a diferença, em porcentagem, entre o ponto de comutação e o ponto de descomutação da saída. Quando o alvo está se distanciando da face ativa do sensor ele precisa se afastar mais do que a distância de comutação para desacionar a saída do sensor. Sem histerese suficiente, a saída do sensor de proximidade irá rebotear (comutar e descomutar continuamente) quando há vibração significativa do alvo (ou mesmo do sensor). Exemplo: Se o sensor entregar um determinado valor de saída para um estímulo crescente do sinal de entrada ao passar pelo valor X1, e outro valor diferente na saída para um estímulo decrescente do sinal de entrada ao passar pelo mesmo valor X1, então nesse caso se diz que há uma histerese no sensor Carga do Instrumento Um instrumento de medida (elemento primário) sempre extrai alguma energia do meio onde encontra-se instalado realizando suas medições. Sem isto seria impossível realizar a medição. Mas a grandeza medida é sempre perturbada pelo meio ou pelo ato da medição, o que torna uma medida perfeita, teoricamente, impossível de ser alcançada. Portanto, bons instrumentos devem ser projetados para minimizar este efeito. Este efeito de carga do instrumento está associado à sua rigidez ou impedância de entrada Consumo de Corrente A corrente consumida pelo sensor de proximidade quando a saída do dispositivo está desativada Corrente de Fuga Corrente que flui através da saída quando ela está na condição desligada ou não energizada. Esta corrente é necessária para alimentar a parte eletrônica do sensor. 24

25 Capítulo 7 Tipos de Saídas para Sensores Digitais 7.1 NPN O estágio da saída é composto por um transistor NPN, fazendo o chaveamento do pólo negativo da carga. Figura 7.1: Simbologia Sensor NPN 7.2 PNP O estágio da saída é composto por um transistor PNP, fazendo o chaveamento do pólo positivo da carga. Figura 7.2: Simbologia Sensor PNP 25

26 7.3 CA a dois fios O sensor possui apenas dois fios que são ligados em série com a carga. Figura 7.3: Simbologia Sensor Dois Fios 7.4 Corrente contínua Namur Utilizado em atmosferas potencialmente explosivas, onde é adotada o sistema de segurança Intrínseca, não possuem em sua saída o estágio de amplificador incorporado, transmitindo apenas um sinal de corrente de que deve ser amplificado. Figura 7.4: Simbologia Sensor Namur 26

27 Capítulo 8 Tipos de Saídas para Sensores Analógicos Entradas e saídas lógicas são aquelas que possuem apenas dois resultados, 0 e 1. Sendo o resultado 0 = 0V e o resultado 1 = 24V. As Entradas e Saídas Analógicas podem variar passo a passo dentro de seu gradiente de variação. Por exemplo: digamos que o Laboratório tenha um sensor analógico 0 a 10V. Este sensor poderá variar sua tensão entre 0V e 10V assumindo valores tais como: 1,5V, 4V, 8V. Existem hoje em dia inúmeros tipos de sensores analógicos, com saídas lineares ou não, as quais podem variar dentre uma gama de infinitos valores. Porém estes valores nem sempre podem ser interpretados corretamente pelos controladores de processo, por isso foram convencionados alguns valores padrões para entradas e saídas analógicas na área de automação industrial. Estes valores são: 0-10V; 4-20mA; V; 0-20mA. Sendo que os dois primeiros são os mais utilizados. Controladores que trabalham com variáveis analógicas têm conversores analógico-digitais (A/D) intrínsecos aos seus sistemas. Atualmente no mercado os conversores de 15 bits são os mais populares. Dentre as principais medidas feitas de forma analógica na automação estão temperatura, vazão, nível e pressão. 27

28 Capítulo 9 PWM A sigla PWM é a abreviação de Pulse Width Modulation que significa modulação por largura de pulso. Para se entender como funciona esta tecnologia de controle de potência, vamos iniciar com o seguinte circuito, que ilustra o funcionamento através de um interruptor que tem sua ação determinada por um circuito de controle, como mostra a figura a seguir. Figura 9.1: Circuito ilustrativo para PWM. No circuito ilustrativo, quando o interruptor está aberto não há passagem de corrente para a carga, por conseqüência a potência é zero. Quando o interruptor é fechado, a carga recebe a tensão total, e por conseqüência a potência máxima. Este princípio de abertura e fechamento de interruptor é justamente o que acontece no PWM. Para controlar a potência na carga, basta fazer com que o interruptor fique alternando entre fechado e aberto. Para que tenhamos metade da potência aplicada na carga, basta fazermos com que os tempos de pulso sejam iguais a seus intervalos. É claro que não é possível usar um interruptor para se obter um circuito com PWM, pois não conseguiríamos pressioná-lo na velocidade necessária. Porém sua implementação com o auxilio de um microcontrolador é extremamente simples. Um controle PWM permite, por exemplo, variar a velocidade de um motor DC através de pulsos. O tempo deste pulso determinará a velocidade do motor. Quanto maior for a duração de T1 e menor a duração de T2, maior será a velocidade. Quanto menor a duração de T1 e maior a duração de T2, menor será a velocidade. Vale salientar que os pulsos têm sempre o valor máximo da tensão aplicada (menos as quedas no circuito), proporcionando assim alto torque, mesmo em baixas velocidades. O que garante partidas suaves mesmo quando há uma carga maior sobre os motores. Veja a figura a seguir. 28

29 Figura 9.2: Sinais de saídas do PWM. Sendo assim, vemos que este método de controle é o ideal para aplicações de motores CC para a tração de pequenos robôs, braços mecânicos, esteiras e outros tipos de automatismos. 29

30 Capítulo 10 Conversão Freqüência-Tensão Os Conversores Freqüência Tensão são largamente utilizados em circuitos decodificadores de sinais modulados em freqüência para recuperação de sinais digitais e de sinais analógicos, como por exemplo em circuitos de tacômetro e encoders para medida de rotação de motores elétricos. Há basicamente duas formas básicas de se converter freqüência em tensão, forma analógica e forma Digital. Uma das técnicas mais comum na conversão Freqüência Tensão de maneira analógica é a que utiliza a integração de pulsos. Esta técnica consiste de um circuito monoestável (circuito que gera pulsos de tensão com duração precisa e a mesma freqüência do sinal de entrada), uma corrente de referência (Io), uma chave analógica (S) e um filtro passa-baixas (R1C1). Figura 10.1: Circuito conversor F/V analógico. 30

31 Já para conversores digitais, são encontrados alguns circuitos integrados próprios para esta função. O mais utilizados deles é o TC940. Figura 10.2: Circuito conversor F/V digital. 31

32 Capítulo 11 Sensores de Contato Físico (mecânicos) São sensores que necessitam estar em contato com a grandeza a ser monitorada. produzir um sinal de medida. além de Existem sensores de contato para vários níveis de sofisticação. Desde sensores simples como chaves (que são usadas para identificar a presença ou ausência de um objeto), até sensores complexos como pele artificial contendo centenas de elementos sensitivos que transmitem informações sobre orientação, dimensão, pressão exercida, e assim por diante. Por exemplo: chaves fim de curso, chave bóia, etc. Tais sensores não são muito confiáveis, uma vez que estão sujeitos a desgastes mecânicos, forças de atração e reação, oxidação, etc. As chaves digitais são os sensores digitais mais simples. O seu funcionamento é puramente digital, pois indicam se estão pressionadas ou não. Por exemplo, uma chave pode ser utilizada para informar que um objeto já finalizou o seu trajeto e o motor que o movimenta pode ser desligado. Uma chave encontra-se fechada quando permite a passagem de uma corrente elétrica. Quando abrimos a chave, impedimos que a corrente elétrica continue a fluir através da chave. Figura 11.1: Funcionamento das Chaves As chaves mais utilizadas para sensoriamento industrial são as chaves de fim-de-curso. São chaves que possuem uma haste longa e podem ser acionadas sem a necessidade de se fazer muita forca, o que facilita o seu uso como sensor de posição. Um detalhe importante que deve ser observado nas chaves é a presença ou não de trava. Uma chave com trava e aquela que, quando pressionada, permanece fechada ou aberta ate que seja pressionada novamente. Um exemplo de chave com trava são as chaves Liga/Desliga comuns. Já as chaves sem trava possuem um estado normal de operação (fechado ou aberto). Quando pressionadas, elas mudam de estado, mas ao soltá-las, elas voltam ao seu estado normal. 32

33 Figura 11.2: Chaves Fim-de-Curso Ao utilizar uma chave como sensor digital, ela deverá alternar entre os dois níveis de tensão, Alto (1) e Baixo (0). O estado alto será uma tensão de 5 V, compatível com a maioria dos circuitos digitais, enquanto que o nível Baixo será o 0 V. Podemos ligar a chave de duas formas: com resistor de pull-up ou com resistor de pull-down. Figura 11.3: Esquemáticos das ligações Pull-Up e Pull-Down 33

34 Capítulo 12 Sensores tipo Reed-Switch Figura 12.1: Reed-Switch Uma chave magnética, também conhecida como reed switch, nada mais é do que uma chave digital ou um interruptor, composto de uma cápsula de vidro e de duas lâminas de um material ferromagnético(ligas de níquel e ferro). As duas lâminas são colocadas muito próximas, sem que haja contato entre elas, com uma extremidade afixada no vidro e mergulhadas num gás inerte, para não sofrerem oxidação ou deformação mecânica (para durarem mais). Só que acionada por um imã.tratam-se de dois contatos de metal que no estado normal se mantém em aberto. Porém, na presença de um campo magnético, os contatos se fecham, podendo conduzir a corrente elétrica. Os contatos estão dentro de uma cápsula de vidro, se mantendo isolados da corrosão atmosférica. Estes sensores podem ser utilizados para detectar a posição de uma peça ou de uma parte de um Figura 12.2: Funcionamento da chave magnética. mecanismo pela posição de um pequeno ímã que é preso a ela. Pode-se classificar estes sensores também como sensores magnéticos, uma vez que eles atuam com a ação de um campo. O exemplo mais comum de aplicação de chaves magnéticas e em sistemas de alarme. Esses componentes são posicionados em batentes de portas e janelas. Um imã e colocado na porta de modo que quando ela esta fechada, a chave também esteja. Porém, se a porta for aberta, o imã conseqüentemente se afastara da chave, que se abrira. Se o alarme estiver acionado, então ele será disparado. 34

35 Este tipo de sensor que tanto pode ser utilizado para detectar a simples aproximação de uma peça quanto gerar pulsos de controle a cada passagem de uma peça móvel. Figura 12.3: Reed-Switch usado como sensor de posição de pistões (1 - imã permanente localizado na haste do pistão) Figura 12.4: Reed-Switch usado como sensor de velocidade em eixos rotativos. 35

36 Capítulo 13 Sensores Indutivos Os sensores de proximidade indutivos são amplamente utilizados nos dias de hoje. Muitas das aplicações onde eram empregadas chaves fim-de-curso passaram a optar pelos sensores indutivos devido a sua detecção sem contato e alta vida útil. Os sensores indutivos funcionam gerando um campo eletromagnético à sua frente. Eles consistem de uma bobina sobre um núcleo de ferrite, um oscilador, um circuito de disparo de sinais de comando e um circuito de saída. Quando um objeto-alvo metálico ferroso ou não-ferroso penetra no campo, a perda de energia ocasionada pelas correntes de fuga no objeto resulta numa amplitude de oscilação menor. O circuito de disparo então reconhece esta mudança específica de amplitude e, dependendo da magnitude da mudança, gera um sinal de comando para o circuito de saída (dispositivo de estado sólido). Num indutor, a indutância depende do número de espiras, da largura do enrolamento, ou área da espira, do comprimento do enrolamento e da permeabilidade do núcleo. L = m N2 A / l Nos sensores práticos, altera-se, em geral, a permeabilidade do núcleo, deslizando um núcleo ferromagnético para dentro ou fora do enrolamento, ou aproximando uma parte do enrolamento móvel de outra fixa. Figura 13.1: Diagrama de um Sensor Indutivo 36

37 13.1 Sensor Indutivo Analógico Sua função é detectar metais situados dentro de sua escala de trabalho, e especificar a distância para o objeto por meio de um sinal de tensão proporcional de V. Mesmo em ambientes caracterizados por extrema contaminação. A maioria dos sensores indutivos disponíveis no mercado é para a detecção de presença ou ausência, mas também se pode encontrar modelos que possuem uma saída analógica proporcional à distância do objeto à face sensora. 37

38 Capítulo 14 Sensores Capacitivos Os sensores de proximidade capacitivos são dispositivos capazes de detectar a presença de objetos plásticos, líquidos, orgânicos e também os metálicos detectados pelos sensores indutivos. Eles funcionam gerando um campo eletrostático criado por um oscilador controlado por capacitor, com capacidade de armazenar essa energia e detectando mudanças neste campo causadas por um alvo que se aproxima da face ativa. A capacitância depende da área das placas A, da constante dielétrica do meio, K, e da distância entre as placas, d: C = K A / d Nos sensores Capacitivos, uma placa do capacitor é representada pela própria face do sensor, a outra pelo objeto que se aproxima. Internamente possuem osciladores que variam suas freqüências de acordo com o valor deste capacitor, formado pelas placas descritas, um circuito detecta a variação desta freqüência e aciona a saída do sensor a partir de certo valor, ou seja, quando um material, com certa densidade, se aproxima da face sensora a saída é acionada. Estes sensores são, normalmente, usados na detecção de nível de líquidos, ou sólidos, muitas vezes sem o contato direto do material, somente por aproximação, ou, até mesmo, instalados por fora do recipiente, com sua sensibilidade ajustada para detectar somente o material desejado, ignorando a parede deste recipiente. À distância sensora está relacionada com o diâmetro do sensor, ou seja, a área da placa interna. Figura 14.1: Diagrama de um Sensor Capacitivo 38

39 14.1 Sensor Capacitivo Analógico A capacitância do circuito com a ponta de compensação é determinada pelo tamanho do alvo, sua constante dielétrica e a distância até a ponta. Quanto maior o tamanho e a constante dielétrica de um alvo, mais este aumenta a capacitância. Quanto menor for a distância entre a ponta de compensação e o alvo, também maior será a capacitância. Baseado nesse conceito, existem Sensores Capacitivos com saída analógica, mas este tipo de sensor não é muito utilizado nas indústrias. 39

40 Capítulo 15 Sensores Ópticos São componentes eletrônicos de sinalização e comando que detectam qualquer tipo de material sem que haja contato mecânico entre eles. O principio de funcionamento do sensor óptico baseia-se na existência de um emissor e um receptor. A luz gerada pelo emissor deve atingir o receptor com intensidade suficiente para fazer com que o sensor comute sua saída. O sinal de luz gerado pelo emissor do sensor óptico é modulado numa determinada freqüência, ou seja, o emissor gera um sinal com um certo número de lampejos por segundo. O receptor do sinal do sensor é acoplado a um filtro que somente considera sinais com a mesma freqüência do emissor. Esta característica é empregada no sensor óptico para minimizar os efeitos de possíveis interferências causadas por outras fontes luminosas que não o emissor Sensor Óptico por Retro-Reflexão Nesse tipo de sensor o emissor e o receptor estão montados no mesmo corpo. Um feixe de luz é estabelecido entre o emissor e o receptor por intermédio do refletor (Espelho Prismático). O sensor é ativado quando o objeto interrompe o feixe de luz. O objeto detectado pode deixar passar uma baixa intensidade luminosa desde que o limiar de detecção seja atingido. Ele também pode refletir a luz de maneira direta ou difusa, desde que esta não seja detectada pelo receptor do sensor com intensidade suficiente para acioná-lo. Por esta razão, objetos muito transparentes, claros ou brilhantes podem eventualmente não ser detectados por esse tipo de sensor. O sensor de retro-reflexão possui distancia de acionamento totalmente dependentes das características do refletor, sendo portanto as condições desse acessório, tais como: limpeza, dimensão, instalação e características construtivas vitais para o perfeito acionamento do conjunto. Uma falha no emissor deste tipo de sensor faz com que o mesmo interprete como se o objeto estivesse presente Sensor Óptico por Transmissão (Barreira) O sensor óptico de detecção por barreira de luz, ou transmissivo, possui o emissor e o receptor montados em dispositivos separados. Estes dois componentes ao serem alinhados, criam entre si uma barreira de luz. A presença de um objeto interrompendo esta barreira faz com que o sensor seja ativado. 40

41 Figura 15.1: Detecção por Retro-Reflexão Figura 15.2: Detecção por Barreira 15.3 Sensor Óptico por Reflexão Difusa O sensor óptico de detecção por reflexão difusa possui o emissor e o receptor montados no mesmo dispositivo. A luz enviada 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. Devido ao principio de funcionamento deste sensor, objetos totalmente foscos, podem eventualmente não ser detectados. Figura 15.3: Detecção por Reflexão Difusa 41

42 15.4 LDR O LDR, Light Dependent Resistor, que traduzindo significa Resistor Dependente de Luz ou simplesmente fotoresistor. É usado como sensor de luz numa infinidade de aplicações. Quando a luz incide em determinadas substâncias cujas suas resistências são alteradas devido a quantidade de luz que recebem, ocorre a liberação de portadores de carga que ajudam a condução da corrente elétrica. Os LDRs não são componentes polarizados, o que quer dizer que a corrente pode circular num sentido ou noutro. As variações da resistência com a luz são iguais em qualquer sentido. Enquanto o feixe de luz estiver incidindo, o LDR oferece umaresistência muito baixa. Quando este feixe é cortado, sua resistência aumenta. A aplicação mais conhecida do LDR e, sem duvida, na iluminação publica, onde ele e utilizado para que, de acordo com a claridade do ambiente, sejam acionadas ou desligadas as lâmpadas automaticamente, sem que haja a necessidade de alguém para controlá-las. Os LDRs são também utilizados em câmeras para medir o nível de luz do ambiente, permitindo assim o controle do tempo de exposição para a captura de uma boa imagem. Figura 15.4: Gráfico LDR 15.5 Fibras Ópticas A fibra óptica é um fio de vidro transparente e muito fino, tendo diâmetro aproximadamente de 0,5mm, semelhante a um fio de cabelo. Ele possui estrutura cilíndrica e é dividido em duas partes: núcleo e casca, onde o núcleo é a região central e a casca é a região que envolve o núcleo. São acessórios de grande utilidade para a aplicação em conjunto com alguns modelos de sensores ópticos. Sua função é fazer a transmissão do sinal luminoso do emissor ao local onde deseja-se executar a detecção do objeto. Os cabos de fibra óptica reproduzem os efeitos dos sensores por reflexão-difusa, retro-reflexão ou barreira de luz. Por tanto um Sensor Óptico com fibra óptica é na verdade um conjunto de um amplificador que é composto pelo transmissor e receptor de luz e onde é acoplado as fibras para transmissão 42

43 dessa luz até o local de aplicação. Devido à tolerância de componentes, raio de luz, curvaturas das fibras, e da qualidade da interface óptica, poderão ocorrer diferenças significativas nas distâncias de detecção Sensores de Cor Os sensores de cor mais utilizados na indústria funcionam pelo método especial das três cores. Eles emitem luz (vermelha, azul, verde) sobre os objetos a serem inspecionados, calculam as coordenadas de cromaticidade da radiação refletida e compara-as com os valores de referência dos três estímulos previamente armazenados e detecta a cor de objetos a uma distância pré-determinada. Se os valores dos três estímulos estiverem dentro da faixa de tolerância determinada, é ativada uma saída de chaveamento. O sensor pode perceber as cores de objetos muito brilhantes como sendo acromáticas na luz incidente. Este problema pode ser resolvido inclinando-se o sensor. Outro tipo de sensor de cor é aquele em que se utilizam incidência de cores. Por exemplo, em um sensor de cor verde, este utiliza a incidência de luz para a detecção de sua cor. Ou seja, quando um objeto da cor verde for colocado em sua face sensora, ele irá sensibilizar mais o sensor do que um objeto da cor vermelha colocado a mesma distância. 43

44 Capítulo 16 Encoders Os Encoders são dispositivos projetados para fornecer a posição (angular ou linear) de um eixo, ferramenta, etc. Conta ou reproduz pulsos elétricos a partir do movimento rotacional de seu eixo, definido também como um transdutor de posição angular. São divididos em duas grandes categorias: Incremental (também chamado de Relativo) e Absoluto. Os encoders podem ser utilizados em impressoras, plotters, controle de posicionamento de uma antena de radar, etc Encoder Incremental São discos perfurados ou com ranhuras ou estrias metálicas, distribuídas igualmente pela circunferência de um disco, normalmente dividindo-o em 2,4,36,180,360,720, 1000,1024, 1800, 3000, n, partes iguais e uma perfuração de referência chamada de Zero do encoder. Gera um certo número de impulsos por revolução. O número de um impulso representa medida da distância básica movida (angular ou linear), um circuito eletrônico deverá contar o número de pulsos para determinar a distância total percorrida. A vantagem do Encoder Relativo é a sua construção simples e compacta e a sua desvantagem é a de quando energizado, o sistema de controle que o lê, deve girar o eixo até a posição de referência, e a partir daí ele sabe a posição, daí o seu nome Relativo, pois a posição é contada a partir da referência. 44

45 Figura 16.1: Disco e gráfico do Encoder Incremental Encoder Incremental com Condução Elétrica O encoder relativo do tipo de contato possui estrias metálicas (condutores elétrico) que estão dispostas estrategicamente ao longo de duas pistas (A e B) da superfície (feita de material nãocondutor). Estas estrias estão ligadas eletricamente à parte de traz do disco que é mantido a um potencial terra. Por sua vez, em contato com este disco estão três pinos (um por cada pista) carregados eletricamente. Através deste contato e da conseqüente rotação do disco é transmitida uma linha de pulsos. A posição é demarcada por contagem de pulsos transmitidos, acumulados ao longo do tempo. A maior desvantagem do encoder incremetal de contato é desgaste mecânico dos contatos metálicos, que limita a vida útil do sensor. Figura 16.2: Encoder Incremental com Condução Elétrica 45

46 Encoder Incremental por Transmissão de Luz Os encoders baseados no princípio da transmissão de luz funcionam basicamente da mesma forma que os sensores de condução elétrica. Neste caso, furos no disco representam o elemento condutor. Quando o emissor e o receptor de luz se encontram alinhados com os furos do disco, há a mudança do estado do sinal na saída. Figura 16.3: Encoder Incremental por Transmissão de Luz 16.2 Encoder Absoluto A demarcação do disco ou trilho deste tipo de encoder é feita por pintura num disco plástico transparente, que pode ser feito através de técnicas foto litográficas, permitindo grande precisão e dimensões micrométricas. A principal diferença dos encoders Absolutos é que o disco é codificado já em binário, variando entre 8, 10, 12, 16 bits. O sistema binário é codificado em vários códigos, sendo o código Gray um dos mais utilizados. Conseqüentemente este código possui a desvantagem de ser incompatível com a maioria dos sistemas de computador, que requerem um conversor de código Gray. Não necessita de referência ou Zero, pois o sistema lê a posição diretamente em binário. Possuem normalmente 2 fios a mais que a quantidade de bits, por exemplo um Encoder Absoluto de 10 bits possui 12 fios. A vantagem é que não necessita de referência, pois o sistema sabe a posição imediatamente após a sua energização e tem como desvantagem seu preço e tamanho. Estão associados a esse disco n LEDs e n fototransistores. A leitura será efetuada através da rotação do disco com a conseqüente leitura dos fototransistores pela luz dos LEDs que é emitido. Variando de sistema para sistema, a leitura dos fototransistores será 1 ou 0 dependendo da intensidade do feixe de luz, ou seja, luz fraca ou nula para os casos da parte escura do disco (1) ou luz forte (0). Assim irá ser gerado um código binário que permite saber o ângulo a que pertence a rotação do disco. O encoder absoluto possui um importante diferencial em relação ao encoder incremental: a posição do encoder incremental é dada por pulsos a partir do pulso zero, enquanto a posição do encoder absoluto é determinada pela leitura de um código e este é único para cada posição do seu curso; conseqüentemente os encoders absolutos não perdem a real posição no caso de uma eventual queda da tensão de alimentação. 46

47 Figura 16.4: Disco e gráfico do Encoder Absoluto 16.3 Encoder Linear Encoders podem ser ainda lineares, sendo que estes consistem de réguas (escalas) de aço inoxidável, de variados tamanhos com exatidão de 5 m e 1 m, montadas em um perfil de alumínio com borrachas de vedação para proteger as cabeças sensoras Encoder Linear Magnético O encoder linear mais utilizado é o magnético. Um sensor magnético é guiado através de uma fita magnética sem entrar em contato com esta. Conta-se então os transientes de polaridade na faixa magnética e interpola-se com valores intermediários. O sistema não é afetado por pó, ou umidade e é resistente a muitos líquidos e lubrificantes. A montagem é fácil - a faixa magnética apenas tem que ser colada em lugar. Não há nenhuma necessidade de calibração. 47

48 Figura 16.5: Tabela de valores Figura 16.6: Encoder Linear Magnético Encoder Linear por Transmissão de Luz São muito mais precisos e apresentam uma vida útil praticamente infinita se alguns cuidados elementares forem tomados em relação à sua utilização. O princípio de funcionamento consiste na colocação de emissores e receptores de luz na parte móvel de uma régua graduada, fixa à base do movimento ou vice-versa, que permite a passagem ou a reflexão apenas de feixes seletivos de luz emitidos. Estes serão detectados pelos receptores e indicarão a posição da parte móvel em relação à fixa. 48

49 Figura 16.7: Encoder Linear por Transmissão de Luz 49

50 Capítulo 17 Sensores de Temperatura A temperatura é sem dúvida uma das variáveis mais importantes nos processos industriais, pois uma variação dessa grandeza no processo afeta diretamente o seu comportamento, provocando, por exemplo, um ritmo maior ou menor na produção, uma mudança na qualidade do produto, um maior ou menor consumo de energia e, por conseguinte, um maior ou menor custo de produção. Para medir a temperatura de caldeiras, fornos industriais, estufas, autoclaves, geladeiras, freezers etc., faz-se necessária à utilização de transdutores de temperatura. Medidas de temperatura podem ser feitas utilizando-se diodos, transistores, sensores, ou até mesmo CIs (circuitos integrados) específicos. A escolha do transdutor mais adequado deve obedecer a algumas diretrizes, como o tempo de resposta e intervalo de temperatura de operação. Tendo em vista estes fatores, é escolhido o sensor de temperatura para cada tipo de aplicação (equipamento ou processo). Suas principais características e vantagens são: Compartimentos cobertos ou fechados e nos quais a leitura é local, apresenta erros de até Termistores Os Termistores são resistores termicamente sensíveis, O termo vem da junção das palavras temperatura e resistor. Cuja as características exibem grandes mudanças na resistência com uma pequena mudança da temperatura do corpo, devido à alteração na concentração de portadores de carga. Esta mudança da resistência com a temperatura pode resultar em um coeficiente negativo ou positivo da resistência. O Termistor é m dos sensores de temperatura que fornecem a maior variação da saída por variação de temperatura, porém essa relação não é linear. São muito usados para controlar e/ou alterar a temperatura em dispositivos eletro-eletrônicos, como alarmes, termômetros, circuitos eletrônicos de compensação térmica, dissipadores de calor, etc. Porém este tipo de sensor não é muito utilizado em processos industriais, provavelmente pela falta de padronização entre os fabricantes. 50

51 PTC O PTC tem como sua peculiaridade possuir um ponto de transição, somente a partir de uma determinada temperatura exibirá uma variação ôhmica com a variação da temperatura. São resistores que apresentam um coeficiente térmico positivo, isto é, sua resistência aumenta com a temperatura. Figura 17.1: Curva característica do PTC NTC O NTC é mais utilizado do que o PTC, devido a maior facilidade de ser manufaturado, não possui um comportamento linear da resistência com a variação da temperatura. São elementos cuja resistência decresce com o aumento da temperatura, portanto seu coeficiente de temperatura é negativo. Figura 17.2: Curva característica do NTC 51

52 XC201 - Sensores Industriais 17.2 PT100 As termoresiste ncias sa o sensores de temperatura muito utilizados na indu stria, pois ale m de o tima precisa o, possuem uma larga faixa de trabalho e ainda permitem ligac o es a longa dista ncia. A temoresiste ncia de platina e a mais usada industrialmente devido sua grande estabilidade e precisa o. Essa termoresiste ncia tem como caracterı stica uma resiste ncia de 100? a 0o C, por esse motivo, convencionou-se chama -la de PT100. A variac a o da resiste ncia com a temperatura e chamada de coeficiente de temperatura e e especificada como a me dia da variac a o entre 0 e 100 C. Este coeficiente e de 0,385 por C, conforme a norma IEC Figura 17.3: Tabela de valores do PT100 52

53 Um auto-aquecimento é causado pela corrente que passa pela resistência, oriunda do instrumento de leitura, e pode levar a erros que comprometam a medição. Para isso deve-se limitar a corrente de excitação do sensor a valores da ordem de 1 a 2mA. Há três tipos de montagens das Termoresistências: a dois fios, a três fios e a quatro fios. Montagem a dois fios: esta montagem fornece uma ligação para cada terminal do bulbo. É satisfatória em locais onde comprimento do sensor ao instrumento indicador não ultrapasse 3,0m para fios de bitola 20 AWG. Se o comprimento for maior que o recomendado, haverá um erro de leitura ocasionado pela soma da resistência gerada pelos cabos de interligação. Montagem a três fios: este tipo de montagem é a mais utilizada industrialmente, pois se o sensor estiver conectado a um instrumento adequado para receber ligação a três fios, haverá uma compensação da resistência pelo terceiro fio que resultará em uma leitura íntegra. Montagem a quatro fios: esta montagem é a mais precisa que existe para Termoresistências. Com duas ligações em cada terminal do bulbo há um balanceamento total das resistências dos fios, e, quando interligas adequadamente ao instrumento indicador elas se tornam praticamente desprezíveis. Porém esta montagem não é muito utilizada industrialmente, somente nos casos onde se requer uma precisão de leitura. Seu uso mais constante se dá nos padrões exigidos em laboratórios de calibrações Par Bimetálico É utilizado nos conhecidos termostatos. Trata-se de das chapas metálicas de materiais com diferentes índices de dilatação que são montadas face a face. Com o aquecimento há uma deformação do conjunto das chapas, havendo a abertura ou fechamento de um contato. Figura 17.4: Termostato com disco de par bimetálico. 53

54 17.4 Termopares Definimos de termopares como sensores de medição de temperatura que são constituídos por dois condutores metálicos e distintos, puros ou homogêneos, preferidos nas aplicações industriais, seja pela sua robustez, seja pela simplicidade de operação. Em uma de suas extremidades são unidos e soldados, a qual convencionou-se o nome de junta de medição ou Junta Quente, e a outra extremidade aberta onde se faz as devidas interligações de junta de referência ou Junta Fria. A Figura abaixo mostra um termopar de uma simples junção. A operação de um termopar é baseada na combinação de efeitos termoelétricos que produzem uma tensão de circuito aberto quando duas junções são mantidas em temperaturas diferentes. Figura 17.5: Termopar de junção simples. Quanto submetemos suas extremidades a temperaturas diferentes a composição química dos metais geram uma força eletromotriz (f.e.m.) na ordem de mv. Assim um termopar funciona medindo a diferença de potencial causada por fios diferentes. Isso por ser usado para medir diretamente a diferença de temperaturas ou para medir uma temperatura absoluta colocando uma junção a temperatura conhecida. Com base na utilização e conhecimento mais comuns nos dias de hoje, existem oito tipos de termoelementos: S, R, B, J, K, N, T e E Termopar tipo T Composição: Cobre/Cobre-Níquel Faixa de utilização: -200 a 350 o C Podem ser usados em atmosferas oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo. Adequado para medições abaixo de zero grau. Apresenta boa precisão na sua faixa de utilização Termopar tipo J Composição: Ferro/Cobre-Níquel Faixa de utilização: -40 a 750 o C Podem ser usados em atmosferas oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo. Não devem ser usados em atmosferas sulfurosas e não se recomenda o uso em temperaturas abaixo de zero grau. Apresentam baixo custo. 54

55 Termopar tipo E Composição: Níquel-Cromo/Cobre-Níquel Faixa de utilização: -200 a 900 o C Utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em ambientes redutores ou no vácuo perdem suas características termoelétricas. Adequados para uso em temperaturas abaixo de zero grau Termopar tipo K Composição: Níquel-Cromo/Níquel-Alumínio Faixa de utilização: -200 a 900 o C Recomendáveis em atmosferas oxidantes ou inertes. Ocasionalmente podem ser usados abaixo de zero grau. Não devem ser usados em atmosferas redutoras ou sulfurosas. Seu uso no vácuo é por curto período de tempo Termopar tipo S - R Composição: S: 90% Platina - 10% Ródio/Platina R: 87% Platina - 13% Ródio/Platina Faixa de utilização: 0 a 1600 o C Recomendáveis em atmosferas oxidantes ou inertes. Não devem ser usados abaixo de zero grau, no vácuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas com vapores metálicos. Apresentam boa precisão em temperaturas elevadas Termopar tipo B Composição: 70% Platina - 30% Ródio 94% Platina - 06% Ródio Faixa de utilização: 600 a 1700 o C Recomendáveis em atmosferas oxidantes ou inertes. Não devem ser usados abaixo de zero grau, no vácuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas com vapores metálicos. Mais adequados para altas temperaturas que os tipos S/R Termopar tipo N Composição: Níquel-Cromo-Silício/Níquel-Silício Faixa de utilização: -200 a 1200 o C Excelente resistência à oxidação até 1200 o C. Curva F.E.M. x Temp. similar ao tipo K, porém possuem menor potência termoelétrica. Apresentam maior estabilidade e menor drift x tempo. 55

56 Capítulo 18 Sensor de Pressão Sensores de pressão são compostos por duas partes: Conversão de pressão numa força ou deslocamento. Conversão de força ou deslocamento em sinal elétrico. Tipos de medida de pressão: Gauge pressure - diferença entre a pressão de interesse e a pressão ambiente. Pressão diferencial - diferença de pressão entre dois pontos distintos no circuito. Pressão absoluta - medida por um sensor de pressão diferencial com um dos lados em 0 psi (aproximadamente vácuo). Os sensores de pressão são, dentre outros métodos, geralmente construídos com materiais piezoresistivos. Esses materiais possuem a capacidade de variar sua resistência quando submetidos a um esforço mecânico. Esse efeito e mais comum em materiais semicondutores, como o silício ou germânio (que são amplamente utilizados na eletrônica na construção de diodos, transistores e circuitos integrados). E importante notar que o efeito piezoresistivo e distinto do efeito piezoelétrico. Enquanto que os materiais piezoelétricos (utilizados em alguns modelos de sensores de vibração e microfones) geram uma tensão quando pressionados ou deformados, os piezoresistivos sofrem uma mudança na sua resistência. O seu principio de funcionamento é o seguinte: são construídas duas câmaras e entre elas é colocada uma película de material piezoresistivo. O modo como essas câmaras são construídas é que define qual e o tipo do sensor. Nos modelos piezoresistivos, essa estrutura destinada a medir a pressão é construída utilizando a tecnologia MEMS (a mesma utilizada em acelerômetros), que possibilita a sua montagem em dimensões extremamente reduzidas, possibilitando a integração de todos os componentes numa única peça. Ao utilizar esses sensores, deve-se tomar alguns cuidados, para não comprometer a durabilidade do componente. Esses componentes são sensíveis e não podem ser submetidos a condições e ambientes que possam prejudicar seu funcionamento. Esses sensores são destinados exclusivamente a medir a pressão do ar ou de algum gás e não devem ser pressionados. Alguns sensores podem ser sensíveis a ambientes muito úmidos, pois como o sensor é aberto ao ambiente externo, a umidade pode danificá-lo. Também é muito importante evitar que algum liquido, sujeira ou poeira possa entrar nas aberturas do sensor e causar algum mau funcionamento. Além disso, tais sensores possuem uma faixa de operação, na qual respondem adequadamente as variações da pressão. Porém, se a pressão estiver acima ou abaixo desses valores limites, eles 56

57 já não responderão. E se a pressão for muito acima do limite, eles podem ser danificados. Para conectar esses sensores a circuitos externos, é usual a utilização de AmpOp s, de modo que a corrente de saída do sensor seja muito pequena, não havendo riscos de danos Sensor de Pressão Absoluta Num sensor de pressão absoluta, uma dessas câmaras é fechada e outra é aberta, destinada a pressão a ser medida. A câmara fechada contem vácuo, ou seja, a pressão a ser monitorada e medida em relação a pressão zero. Esse sensor e ideal para medir pressões baixas, menores do que a atmosférica. Figura 18.1: Sensores de Pressão Atmosférica 18.2 Sensor Gauge Num sensor Gauge, as duas câmaras são abertas, sendo que uma e destinada a pressão a ser medida, enquanto que outra e destinada a entrada de ar atmosférico. Desse modo, a pressão é medida em relação a pressão atmosférica local. Caso a pressão externa for igual a utilizada como referência para o sensor, a forca resultante sobre o material piezoresistivo será nula. Se uma das pressões for maior do que a outra, temos que a película será submetida a um esforço e sua resistência irá mudar. O sensor de pressão diferencial também possui as duas câmaras abertas, porém elas são destinadas as pressões que serão comparadas pelo sensor. Figura 18.2: Sensor de Pressão Diferencial 57

58 Figura 18.3: Gráfico de comparação entre o Sensor de Pressão Absoluta e o Sensor Gauge Pressostato Instrumento de medição de pressão utilizado como componente do sistema de proteção de equipamento ou processos industriais. Sua função básica é de proteger a integridade de equipamentos contra sobre-pressão ou sub-pressão aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento. Uma alternativa mais simples e barata para sensores de pressão é o pressostato. Este é um dispositivo eletromecânico acionado pela pressão do ar ou outros fluidos, tais como: óleo, água, vapor e gás. A atuação ocorre quando a pressão P do fluido é maior que a pressão Pr, regulada na mola de contrapressão. Esta regulagem da mola é realizada através de um parafuso existente no sensor. Quando P Pr, a chave elétrica do pressostato é acionada. Figura 18.4: Sistema de funcionamento do Pressostato 58

59 Capítulo 19 Sensor de Umidade e Temperatura do Ar O ar atmosférico sempre contém quantidade variável de vapor de água conforme a temperatura, região, estação, etc. Esse vapor, resultante da evaporação das águas dos mares, rios e lagos, sobretudo pela ação do calor solar, sobe na atmosfera e passa a fazer parte de sua composição. Devem-se ao vapor de água diversos fenômenos relevantes na vida de animais e plantas, como a chuva, neve, etc. O tempo depende não apenas dos ventos, mas também da umidade. Muitas vezes no verão nós dizemos que o ar está úmido, pesado. O ar pesado tem grande umidade relativa; ele contém quase tanta umidade quanto pode conter. Quando um espaço contém todo o vapor d água que pode conter à sua temperatura, sua umidade relativa é de 100 por cento. Se um metro cúbico de ar contém 7 gramas de vapor d água, mas pode conter 14 gramas, sua umidade relativa é de 50 por cento. Umidade relativa de um volume de ar é a relação entre a quantidade de vapor de d água que ele contém e o que conteria se estivesse saturado. Assim como a temperatura, pressão vazão Figura 19.1: Sistema de funcionamento do Pressostato e nível, a umidade é uma das variáveis fundamentais nos processos industriais. A manutenção dos níveis de umidade, na maioria desses processos, pode significar um aumento na qualidade do produto, maior produtividade e menores custos de produção. Para fazer o controle dessa variável é feito através de sensores de umidade. 59

60 O sensor de umidade é um condensador cujo dielétrico é um polímero higroscópico. Como a constante dielétrica da água é, aproximadamente, 80, uma forte variação da capacidade é obtida com a variação do conteúdo de umidade desse polímero. As vantagens particulares desse tipo de sensor é uma boa linearidade de insensibilidade às variações de temperatura, respostas breves e vida longa Termo-Higrômetro Como a umidade do ar está diretamente relacionada com a temperatura do mesmo, instrumentos que controlam as duas variáveis são muito comuns no mercado. Estes instrumentos são conhecidos como Termos-higrômetro. O Termo-higrômetro é um instrumento de dupla função que indica a temperatura e umidade relativa do ar ambiente. O seu campo de aplicação é muito vasto, tais como: transporte de alimentos, armazéns de perecíveis, frigoríficos, hospitais e laboratórios, sala de computadores, etc. Esta combinação de sensores de temperatura e umidade relativa do ar foi projetada para aplicações meteorológicas e seus respectivos elementos sensores estão localizados dentro de um único invólucro protegido por um filtro poroso o qual garante que ambos estejam amostrando as mesmas condições e protegidos contra poeira e água. O elemento sensor de temperatura do ar é um resistor de platina que possui uma bem calibrada e estável relação entre resistência elétrica e temperatura. As variações de resistência são medidas por um circuito eletrônico que apresenta em sua saída uma tensão contínua que geralmente varia de 0 a 10V. O elemento sensor de umidade relativa do ar é um filme higroscópico posicionado entre dois eletrodos, constituindo um capacitor. A capacitância depende da umidade absorvida pelo filme higroscópico (o dielétrico do capacitor) e representa a umidade relativa do ar. A capacitância medida é convertida numa tensão contínua com correção automática para a temperatura. A saída de tensão é 0V para 0% de umidade relativa e 10V para 100% de umidade relativa. Figura 19.2: Termo-higrômetro digital 60

61 Capítulo 20 Sensores de Vazão Vazão representa a quantidade de líquidos, gases ou vapores, que passa em um determinado ponto, durante um certo período de tempo. Pode ser medida sob forma de vazão volumétrica (m 3 /h, litro/min). Sensores de vazão medem a quantidade de material fluido passando por um ponto a um certo tempo. Usualmente o material, gás ou líquido está fluindo em um tubo ou um canal aberto. Podemos citar alguns, como: Sensor de Turbina:Uma turbina ou roda dentada numa tubulação, o fluxo fará esta girar, convertendo a vazão em velocidade, que pode ser medida como já visto. Sensor por Diferença de Pressão:Quando uma tubulação se estrangula, pela redução do diâmetro, há uma queda de pressão, e a velocidade do fluído aumenta. Medindo-se a diferença de pressão através do desnível numa coluna de mercúrio, pode-se calcular a vazão. Este processo é usado em medidores de vazão em processos industriais, não automáticos. Sensor Térmico: Quando um gás ou líquido flui sobre um corpo aquecido, retira calor deste, reduzindo a temperatura de forma proporcional à velocidade do fluído Placa de Orifício Elementos primários, cuja finalidade é a medição de vazão de fluidos. Alguma de sua principais vantagens são: simplicidade, custo relativamente baixo, ausência de partes móveis, pouca manutenção, aplicação para muitos tipos de fluido, instrumentação externa, etc. Desvantagens também existem: provoca considerável perda de carga no fluxo, a faixa de medição é restrita, desgaste da placa, etc. Sua estrutura resume-se a uma placa transversal ao escoamento, de pequena espessura, na qual foi usinado um furo cilíndrico. A variação na seção transversal do escoamento leva ao aumento da velocidade e à queda da pressão. Quando a área volta ao tamanho normal, a velocidade e a pressão retornam ao estado original. Uma vez medido este diferencial, conseguimos indicar, totalizar, programar e controlar esta vazão, seja através de instrumentos convencionais analógicos ou sofisticados sistemas digitais. As placas de orifício são indicadas para medir vazão de líquidos, gases e vapores. As placas podem ser do tipo concêntricas, excêntricas ou segmentais e podem ter diâmetros nominais de 1 a 40. As Placas de orifício são simples, robustas, e confiáveis. 61

62 Figura 20.1: Funcionamento da Placa de Orifício 20.2 Tubo de Venturi Esse é o equipamento mais preciso e de maior custo. Sua aplicação é recomendada para fluidos que contenham sólidos em suspensão, viscosos ou grandes vazões. Um venturi é uma restrição gradual num tubo que faz com que a velocidade do fluido cresça na área constrita. O sensor por venturi tende a manter a vazão laminar. Ambas a placa de orifício e o tubo venturi ocasionam quedas de pressão no tubo por onde escoa o fluido. Alguns de seus benefícios são; Podem ser usados para medir qualquer fluido. Boa precisão. Resistência à abrasão e ao acúmulo de poeira ou sedimentos. Capacidade de medição de grandes escoamentos de líquidos em grandes tubulações. Não há nenhum elemento mecânico imerso no escoamento. Figura 20.2: Funcionamento do Tubo de Venturi 62

63 20.3 Tubo de Pilot O tubo pitot é um sensor de vazão baseado na pressão que causa um mínimo de restrição ao escoamento. O tubo pitot é um pequeno tubo aberto que colocado voltado de frente a vazão. Ele é composto por dois tubos: O primeiro fica de frente para a vazão e mede a dita pressão de impacto. O segundo abre-se perpendicularmente à vazão, medindo a dita pressão estática. A pressão de impacto é sempre maior que a pressão estática e a diferença entre elas é proporcional à velocidade, conseqüentemente à vazão. O tubo pitot é usualmente empregado em aeronaves e indicadores de velocidade marítima. Figura 20.3: Funcionamento do Tubo de Pilot 20.4 Sensores de vazão por turbinas Sensores de vazão por turbinas, também conhecidas por tipo spin ou flowmeters, empregam uma hélice instalada na direção da vazão. Eles somente são usados nos casos em que o fluído seja um líquido. São baseados no princípio que a velocidade de rotação da hélice é proporcional à velocidade de escoamento do fluido. Os sensores de vazão por turbinas podem ser construídos de duas maneiras. Em uma delas eles são constituídos de um gerador a ímã permanente colocado em rotação pelo líquido, que atua sobre as paletas. O rotor induz uma tensão alternada com freqüência variável. Essa freqüência é proporcional a velocidade do líquido. Em um outro tipo de sensor de vazão por turbina, o movimento das hélices é captado por um sensor de efeito Hall. O sensor de efeito Hall fornece um pulso a cada rotação da hélice. 63

64 Figura 20.4: Funcionamento do Sensor de Vazão por Turbina 20.5 Medidores de vazão magnéticos Esse tipo de sensor é usado com fluidos condutores, como o caso de eletrólitos. O fluido em movimento age como um condutor em movimento em um gerador. Uma seção não condutora do tubo é colocada sob um campo magnético. Produz-se então uma tensão proporcional à velocidade do fluido, detectada por eletrodos aos lados do tubo. Figura 20.5: Funcionamento do Sensor de Vazão por Turbina 64

65 20.6 Engrenagens Ovais O medidor de vazão do tipo engrenagens ovais também é chamado de medidor de vazão de deslocamento positivo, pois as engrenagens ovais são deslocadas positivamente de acordo com a velocidade de escoamento do fluido. Na verdade, é o único medidor de vazão direta existente no mercado, uma vez q não depende de outros fatores para medir a vazão, por outro lado independe da condutividade do líquido a ser medido ou outras características do líquido, tais como densidade, ph, etc. Suas engrenagens ovais são equipamentos tipicamente utilizados para operações com líquidos viscosos, em que é freqüente a dificuldade de aplicar outros tipos de medidores. O elemento de medição é formado pelo par de engrenagens ovais que são movidas pelo fluido a ser medido. Ou seja, o diferencial de pressão através do medidos de vazão provoca forças em um par de engrenagens ovais, forçando-as a girar. O principio de funcionamento é mostrado a seguir. Na posição 1, forças uniformes são exercidas em cada face do rotor B. Mesmo que fossem diferentes, o rotor B, que está hidraulicamente balanceado, não giraria. O rotor A é submetido a uma força uniforme na face superior, na qual possui quantidade conhecida de fluido entre o próprio rotor e o corpo do medidor, porém na outra extremidade não existe a ação dessa força. Como a pressão a montante é maior que a pressão a jusante, o rotor A gira no sentido horário e o rotor B gira no sentido inverso. Na posição 2, enquanto existe o escoamento do fluido da câmara superior, a movimentação do rotor B permite o preenchimento da câmara inferior. O contínuo diferencial de pressão, existente entre a montante e a jusante, resulta no movimento contínuo das engrenagens. 65

66 Na posição 3, uma mesma quantidade do fluido está retida entre o rotor B e o corpo do medidor. Enquanto houver vazão, as engrenagens vão se movimentar de forma proporcional à velocidade do fluxo. Sendo assim, cada rotação do par de engrenagens desloca m volume exato e predeterminado de líquido dentro da câmara de medição do medidor. Com isso o número de rotação das engrenagens ovais é diretamente proporcional ao volume medido. Na construção das engrenagens, pastilhas magnéticas são alojadas em seus corpos de forma que, a cada revolução, atuem sensores na face externa do corpo do medidor. 66

67 Capítulo 21 Sensores de Nível A medição do nível é bastante importante para a maioria dos processos industriais em várias áreas como na proteção ambiental, a segurança de uma fábrica, a qualidade dos produtos, etc. Os sensores de nível são utilizados para o controle de líquidos ou grãos sólidos, contidos em reservatórios, silos, tanques abertos ou pressurizados entre outros. São usados na detecção de um nível fixo ou medição contínua e variam em complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático. Os dispositivos de medida de nível podem medir a posição da superfície do líquido sobre um ponto de referência, ou a altura hidrostática criada pelo líquido cuja superfície se deseja conhecer. Os sistemas de medição de nível variam em complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático Bóia Magnética É um instrumento utilizado na detecção e controle de nível em tanques ou reservatórios onde são armazenados materiais líquidos como água, produtos químicos (agressivos ou não), óleos, entre outros. Apresentando fácil instalação, operação e calibração, não são afetados pela presença de espuma, gases/vapores, mistura de líquidos no processo ou variações de determinadas características do fluido como viscosidade, constante dielétrica ou condutividade. Instrumento ideal quando se deseja uma solução de eficiência comprovada e baixo custo. Seu funcionamento baseia-se no movimento de uma bóia em torno de uma haste onde estão definidos os respectivos pontos de atuação; quando a bóia atinge cada um desses pontos, a saída correspondente (contato elétrico) é acionada. A chave permite a definição de até 5 pontos de atuação que podem ser usados para funções de alarme ou controle. As partes molhadas (em contato direto com o processo) podem ser fabricadas em diferentes materiais como Aço Inox ou PP Características: Fácil instalação; Não necessita de alimentação elétrica; Não é afetado pela presença de espuma ou gases/vapores sobre o líquido; Até 5 pontos de alarme; Diversas opções de conexões ao processo; Partes molhadas em Aço Inox ou PP. 67

68 Figura 21.1: Bóia Magnética Aplicações: Alarme ou controle de nível; Controle múltiplo de nível; Proteção de bombas; Líquidos com espuma; Líquidos com uma densa camada de gás ou vapor sobre o líquido; Pode ser usado em água, produtos químicos, óleos, entre outros Bóia Lateral Este instrumento foi desenvolvido para aplicações que necessitam detectar e controlar o nível de tanques ou reservatórios onde são armazenados materiais líquidos como água, produtos químicos (agressivos ou não), óleos, entre outros. São utilizados em tanques ou reservatórios que requerem posição de montagem lateral, seja por falta de espaço ou devido ao tanque ser muito alto. Instalada na lateral do tanque, a chave tem seu funcionamento baseado em uma bóia cujo movimento é transmitido a uma haste e esta, a um magneto localizado no interior do invólucro através de acoplamento magnético, provocando assim a atuação de um contato elétrico. Entre outras características estão: funcionamento sem a necessidade de alimentação elétrica; diferencial ajustável ou fixo; versões para áreas classificadas, altas temperaturas e pressões; fácil instalação e manuseio além de não ser afetado por determinadas características do processo como presença de espuma, gases/vapores, mistura de líquidos ou variações de constante dielétrica ou condutividade. Figura 21.2: Bóia Lateral 68

69 Características: Fácil instalação; Baixo custo; Requer manutenção mínima; Versátil: Utilizável em uma infinidade de aplicações; Partes molhadas em Aço Inox ou PVC; Diversas opções de conexões ao provesso (incluindo flange quadrada); Não necessita de alimentação elétrica; Não é afetado pela presença de espuma ou gases/vapores sobre o líquido; Atuação do contato elétrico por acoplamento magnético Aplicações: Alarme ou controle de nível; Alarme de segurança; Proteção de bombas; Líquidos com espuma; Líquidos com uma densa camada de gás ou vapor sobre o líquido; Tanques de balanceamento em navios e embarcações; Pode ser usado em água, produtos químicos, óleos, entre outros. 69

70 21.3 Bóia Pêra É um regulador de nível para produtos líquidos de funcionamento extremamente simples e confiável utilizado em diversas funções como alarme ou controle de nível bem como em automação de dispositivos elétricos (bombas ou válvulas). Representam os mais simples instrumentos para o controle e detecção de nível de líquidos. Aliam baixo custo e grande facilidade de instalação. Suspensa por um cabo de PVC, a chave tem seu funcionamento em função da inclinação do invólucro; quando esta é maior que 45 o, o contato elétrico é acionado. O ponto de atuação é definido por meio de um contrapeso que acompanha o instrumento. Seu microcontato não utiliza mercúrio e o diferencial pode ser ajustado através de um pequeno contrapeso. Figura 21.3: Bóia Pêra Características: Fácil instalação; Microcontato não utiliza mercúrio; Diferencial ajustável; Comprimento do cabo de até 15m; Invólucro em PP, hermeticamente selado Aplicações: Alarme ou controle de nível; Alarme de segurança; Controle ou proteção de bombas; Pode ser usado em líquidos limpos como em águas fluentes. 70

71 21.4 Condutivo Instrumento desenvolvido para a detecção e controle de nível de tanques ou reservatórios onde são armazenados materiais líquidos como água ou outros produtos condutivos. Hastes metálicas encontram-se em contato com o processo e o funcionamento é baseado na condutividade elétrica: quando o líquido entra em contato com a haste, o circuito elétrico é fechado e a saída ON/OFF da chave acionada. Até 6 pontos de alarme podem ser definidos em um único instrumento. Apresenta fácil instalação e configuração, dispensando praticamente qualquer tipo de manutenção uma vez que não possui qualquer parte móvel em contato com o processo. Diferentes versões estão disponíveis como montagem remota ou integral e com hastes rígidas ou flexíveis (para grandes reservatórios ou poços profundos). Figura 21.4: Sensor de Nível Condutivo Características: Até 5 pontos de controle; Montagem integral ou remota; Sem partes móveis; Versões com hastes rígidas ou flexíveis (para tanques de alturas elevadas); Partes molhadas em Aço Inox e PP; Fácil instalação Aplicações: Alarme de nível; Controle de bombas ou válvulas; Proteção de bombas; Líquidos condutivos como água, produtos químicos, efluentes tratados, entre outros; Controle de nível em reservatórios de alturas elevadas. 71

72 21.5 Transmissor de Nível Hidrostático Este instrumento foi desenvolvido para medir continuamente e com grande precisão o nível em tanques ou reservatórios contendo produtos líquidos. Não apresenta qualquer parte móvel uma vez que seu princípio de operação é totalmente baseado na medição da pressão exercida pela coluna de líquido que fica acima do sensor (mm coluna d água). Um circuito eletrônico converte o sinal que vem do sensor de pressão em corrente 4-20 ma, ou em tensão 0-10 V. Por isto, pode ser utilizado em tanques com presença de espuma, turbulência ou gases/vapores além de não ser afetado por características do fluído que possam sofrer mudanças como viscosidade ou constante dielétrica. Duas versões encontram-se disponíveis: pendular e lateral. A versão lateral é instalada pelo lado externo do tanque, sendo que a única parte em contato com o meio é um diafragma. De fácil montagem, apresenta diversas faixas de operação além de, opcionalmente, poder contar com indicação local e conexão sanitária. Possui várias aplicações envolvendo água, produtos químicos, alimentícios, farmacêuticos, entre outros. A versão pendular é composta somente por um sensor preso a um cabo, sendo submerso até o fundo do tanque. Sua principal aplicação é a medição de água, tanto em tanques ou reservatórios como em poços profundos, uma vez que devido ao seu tamanho reduzido, permite ser introduzido através de bocais de pequeno diâmetro. Figura 21.5: Sensor de Nível Hidrostático Características: Sem partes móveis; Partes molhadas em Aço Inox e PP (versão pendular) e Aço Inox e cerâmica (versão lateral); Saída 4-20mA ou 0-10 V; Não é afetado pela presença de espuma, turbulência ou gases/vapores; Excelente precisão; Fácil instalação Aplicações: Monitoramento contínuo do nível de tanques ou reservatórios; Líquidos como água, produtos químicos, entre outros; Medição do nível de poços profundos (versão pendular). 72

73 21.6 Transmissor de Nível Ultra-sônico Este instrumento é utilizado na medição contínua e precisa do nível de produtos líquidos ou sólidos armazenados em tanques, reservatórios ou silos. Não possui qualquer parte mecânica em contato com o processo uma vez que seu funcionamento é totalmente baseado na emissão de pulsos de ultra-som por um sensor instalado no tanque/silo que são refletidos pelo material que está sendo monitorando. Apresenta diferentes opções de materiais para o transdutor (para compatibilidade química), saídas (relés, 4-20 ma a 2 ou 4 fios, 0-10V, RS485, etc.), versões para áreas classificadas, versões para montagem remota ou integral além de poderem efetuar a indicação de volume e funções de controle ou alarme de nível. A grande quantidade de opções permite que este medidor seja utilizado nas mais variadas aplicações que necessitam da medição de nível sem que ocorra qualquer tipo de contato físico do instrumento com o meio devido a agressividade (produtos químicos como ácidos), pureza (água ultrapura) ou característica intrínseca (como produtos altamente viscosos). Devido à sua grande versatilidade, este medidor pode ainda ser utilizado na medição de vazão em canal aberto. A única alteração necessária para a mudança de aplicação é a alteração de sua programação. Figura 21.6: Sensor de Nível Ultra-sônico Características: Sem partes móveis; Diversas opções de faixas de medição : até 25 m para líquidos e 70 m para sólidos; Transdutores disponíveis em diferentes materiais : PP, PVDF, PTFE e Aço Inox; Montagem integral ou remota (que pode ser em parede ou painel); Ângulo de abertura reduzido: entre 5 e 7o ; Compensação de temperatura incorporada e automática; Opção de saídas 4-20 ma, 0-10 V, relés, Hart ou RS485; Medidor versátil : medição de produtos líquidos ou sólidos; Medição de volume ou vazão em canal aberto; Linearização de 32 pontos; Distância entre sensor e unidade eletrônica : até 300 m (versões remotas). 73

74 Aplicações: Monitoramento contínuo do nível de tanques ou reservatórios; Controle de nível (bombas, válvulas ou outro dispositivo); Monitoramento do nível de rios, lagos e barragens ou outros locais abertos; Líquidos como água, produtos químicos, óleos, efluentes, esgotos, polpas, entre outros; Sólidos como areia, grãos, pós, areia, farinha, chips de plástico, entre outros; Medição de vazão em canal aberto (calhas Parshall ou vertedouros) Transmissor de Nível Pendular (Yo-Yo) É um instrumento utilizado na medição contínua de nível de produtos sólidos que são armazenados em silos. Seu funcionamento é baseado em um sistema eletromecânico composto por um pêndulo (metálico ou termoplástico), cabo, motor e um circuito eletrônico. O eixo do motor está preso a um carretel onde o cabo está enrolado, e na ponta deste cabo, encontra-se preso o pêndulo. A descida do pêndulo é gerenciada pelo motor até que este toque o produto; neste momento, o motor pára e inicia a puxar o cabo e o pêndulo. O circuito eletrônico mede o comprimento de cabo correspondente à distância do topo até o produto por meio de um sistema ótico (encoder), convertendo este valor em um sinal analógico de 4-20 ma ou 0-10 V (ou ainda em pulsos ou em RS485) correspondente ao nível do material dentro do silo. Apresenta construção robusta (exigindo portanto uma manutenção mínima), versões para áreas classificadas, várias opções de sinais de saída, indicador local com saídas de alarme, possibilidade de interligação em rede (RS485) e opção para conexão direta em PC (incluindo software para monitoramento). O compartimento onde o cabo e o sistema mecânico são alojados encontra-se totalmente isolado do circuito eletrônico, não havendo qualquer possibilidade de contaminação. Devido ao seu princípio de operação, não tem seu funcionamento afetado pela presença de pó ou poeira no interior do silo bem como de gases ou vapores. Possui grande aplicação em silos de alturas elevadas ou onde outros tipos de medidores como ultra-sônicos não possam ser utilizados Características: Construção robusta; Saída 4-20 ma, 0-10V, pulsos ou RS485; Circuito eletrônico completamente vedado da parte mecânica; Não é afetado pela presença de pó ou poeira; Aplicações: Monitoramento contínuo do nível de silos; Sólidos como granulados e pós como grãos, cimento, areia, cal, farinha, chips de plástico, cavaco de madeira, entre outros; Medição de nível de silos de alturas elevadas; 74

75 Figura 21.7: Sensor de Nível Pendular Materiais sólidos com elevada presença de pó/poeira; Processos onde possa ocorrer condensação Indicador de Nível Régua Externa Este instrumento é utilizado na indicação de nível de tanques ou reservatórios onde produtos líquidos são armazenados. Seu funcionamento é totalmente mecânico, não exigindo ser conectado à rede elétrica ou a uma fonte de alimentação. Uma bóia localizada no interior do tanque está presa a um cabo que passa por roldanas na parte externa e no topo; na outra extremidade do cabo um pequeno contrapeso atua como um indicador de uma escala graduada montada na parede lateral do tanque. À medida que o nível sobe e desce, a bóia acompanha este movimento que acaba sendo transmitido ao indicador por meio do cabo. É um indicador extremamente simples, sendo indicado para situações onde é necessária somente uma indicação visual do nível do líquido que está sendo monitorado. As partes em contato com o processo podem ser fabricadas em diferentes tipos de materiais (compatibilidade química). Além disso, apresenta opção para alarmes de nível alto ou baixo e utilização de selos líquidos para aplicações com produtos voláteis Características: Visualização à distância; Não necessita de alimentação elétrica; Alarmes de nível alto/baixo opcionais; Diferentes formatos de bóia em função do produto; Selo líquido para uso com líquidos voláteis. 75

76 Figura 21.8: Sensor de Nível Régua Externa Aplicações: Monitoramento de tanques ou reservatórios onde somente indicação visual é necessária; Líquidos como água, óleos, fluídos voláteis, entre outros Chave de Nível Pá Rotativa É um instrumento eletromecânico utilizado na detecção e controle de nível de silos contendo materiais sólidos como granulados, minérios, brita, entre outros. As pás da chave permanecem em constante rotação em baixa velocidade movidas por um pequeno motor localizado no interior do invólucro. Este motor é automaticamente desligado quando o produto atinge uma das pás impedindo a rotação normal e deste modo, prolongando a vida útil do componente. Apresenta construção robusta, fácil instalação (topo ou lateral) e operação, diversos modelos de pás para diferentes produtos, ajuste de sensibilidade e versões para altas temperaturas e para áreas classificadas. Devido ao seu princípio, permite ser aplicado em silos que armazenam diferentes materiais sem a necessidade de se efetuar qualquer alteração de configuração ou ajuste. Figura 21.9: Sensor de Nível Pá Rotativa 76

77 Características: Várias opções de pás em função do tipo de produto monitorado; Versões para altas temperaturas; Ideal para silos que armazenam diferentes tipos de materiais; Sensibilidade ajustável em campo; Desligamento automático do motor quando em contato com o produto; Não é afetado pela presença de pó ou poeira Montagem topo ou lateral Aplicações: Alarme ou controle de nível; Sólidos como areia de fundição, grãos, brita, carvão, minérios, cavaco de madeira, entre outros Transmissor de Nível Capacitivo Este instrumento é utilizado na medição contínua do nível de produtos líquidos ou sólidos armazenados em tanques ou silos de diferentes formatos ou dimensões. O único componente que se encontra em contato com o processo é uma haste, que juntamente com um circuito eletrônico são responsáveis pela medição do nível. Nenhuma parte móvel está presente uma vez que a medição é totalmente baseada na variação de capacitância formada pelo conjunto haste (do instrumento), produto e parede do tanque (ou uma haste auxiliar/referência). O medidor pode ter a haste fabricada em diferentes tipos de materiais e revestimentos além de possuir versões específicas para áreas classificadas, para altas temperaturas e com opções para saída Hart ou com indicador local. Apresentando características como fácil instalação e manuseio, este transmissor tem como principal vantagem sua grande versatilidade, podendo cobrir uma ampla gama de aplicações desde as mais simples como água até as mais complexas como produtos sólidos (pós por exemplo) Características: Sem partes móveis; Saída 4-20 ma ou 0-10 V; Opção para saída Hart; Disponível com hastes rígidas ou flexíveis; Hastes revestidas ou não; Indicador local opcional; Versões para alta temperatura. 77

78 Figura 21.10: Sensor de Nível Pá Rotativa Aplicações: Monitoramento contínuo do nível de tanques, reservatórios ou silos; Líquidos como água, produtos químicos, óleos, solventes, entre outros; Sólidos como pós e granulados com constante dielétrica relativa maior que 2; Medição de nível de tanques de alturas elevadas. 78

79 Capítulo 22 Sensor de Gás Nos anos recentes, diferentes tipos de gases têm sido usados em diferentes áreas. De fato, muitos gases industriais tornam-se importantes também como matérias primas. Por esta razão, entre outras, tornou-se muito importante desenvolver detectores altamente sensíveis a gases para evitar acidentes devido a vazamento de gás, e assim, salvar vidas e equipamentos. Tais detectores devem continuamente monitorar a concentração de um gás particular no ambiente de maneira quantitativa e seletiva. Até hoje nenhum sensor de gás existente é 100% seletivo a um único gás. Para alcançar tal seletividade requer-se o uso de instrumentos que empregam técnicas analíticas para identificar os gases. Contudo estes instrumentos requerem operadores altamente qualificados e geralmente são muito caros, além de ter um tamanho grande e possuir um lento tempo de resposta. Um sensor de gás é um dispositivo que detecta moléculas de gases e produz um sinal elétrico com magnitude proporcional à concentração do gás. Essa leitura da concentração de um ou mais gases será feita de acordo com a necessidade do local, ou seja, o equipamento pode medir quantitativamente ou qualitativamente a concentração de único gás ou de diversos gases ao mesmo tempo. Existem diferentes tecnologias e equipamentos atualmente utilizados para detecção de gases, cada qual com suas vantagens e desvantagens. Grande parte dos sensores comercialmente disponíveis é destinada à detecção e quantificação de contaminantes do ar. Uma característica comum aos sensores de gás é que eles não são especializados em detectar qualquer gás específico. Cada sensor é sensível a um grupo ou família de gás. Em outras palavras, ele é sujeito a interferência de outros gases, por exemplo, um detector de fumaça em uma casa não consegue distinguir entre fumaça causada pela queima de um móvel e a fumaça casada pelo cozimento de alimentos em um fogão. Em casos restritos um filtro químico pode ser instalado para filtrar interferências químicas, permitindo que apenas o gás desejado passe para o sensor Sensores Eletroquímicos Os sensores eletroquímicos mais antigos datam da década de 50 e eram utilizados para monitorar níveis de oxigênio. Eram extremamente grandes e pesados. Mais recentemente, foram desenvolvidos instrumentos melhores e menores, alguns deles portáteis, com uma seletividade e sensibilidade mais adequada, utilizados para segurança de diversos ambientes em diferentes edificações. Todos os sensores eletroquímicos possuem uma dependência na temperatura, pois a maior 79

80 parte das reações eletroquímicas têm sua velocidade dependente da temperatura. Em função disto a maior parte dos sensores eletroquímicos possuem sensores de temperatura associados para promover a compensação. Os sensores eletroquímicos operam reagindo com o gás. Um sensor eletroquímico típico consiste em um eletrodo de detecção e um eletrodo reagente separados por uma fina camada de eletrólito. O gás que entra no sensor reage com a superfície do eletrodo reagente evolvendo um mecanismo de oxidação e redução. Com o resistor conectado transversalmente entre os eletrodos, uma corrente proporcional à concentração de gás passa entre o anodo e o catodo. A corrente pode ser medida para determinar a concentração de gás. Mudanças de pressão afetam muito pouco os sensores eletroquímicos, por outro lado, os mesmos são bastante sensíveis a variações na temperatura. Portanto, é importante manter o aparelho dentro de uma pressão e temperatura estáveis. Figura 22.1: Esquema de um Sensor de Gás Eletroquímico Figura 22.2: Esquema do mecanismo de redução e oxidação Embora existam diversos modelos de sensores eletroquímicos, apara detecção dos mais diversos gases, eles consistem basicamente dos seguintes componentes. Barreira permeável ao gás (membrana hidrofóbica): é usada para cobrir o eletrodo de detecção do sensor, e em alguns casos controla a quantia de moléculas de gás que alcançam a superfície do eletrodo. 80

81 Eletrodo: a seleção do material do eletrodo é muito importante e depende do gás a ser detectado, normalmente são utilizados metais nobres como platina ou ouro. Eletrólito: o eletrólito deve facilitar a reação e transportar a carga iônica de maneira eficaz através dos eletrodos. Filtro: na maioria das vezes é instalado na frente do sensor e serve para filtrar gases externos indesejados deixando atravessar apenas o gás de interesse. Figura 22.3: Membrana hidrofóbica 22.2 Sensores Infravermelhos Em geral, para gases tóxicos e combustíveis os instrumentos de detecção infravermelhos são os mais utilizados e requerem menos manutenção. Os sensores infravermelhos são altamente seletivos e oferecem uma ampla gama de sensibilidades, desde algumas partes por milhão até 100 de concentração do gás. O principio de detecção infravermelho incorpora somente uma pequena porção de um amplo espectro eletromagnético. A complexidade das moléculas do gás determina o número de pontos de absorção que esta terá. A região na qual esta absorção acontece, a quantidade absorvida, e o caráter específico da curva de absorção são únicos para cada gás. As moléculas de gás podem ser identificadas usando suas características e estas podem ser arquivadas para análise do gás para propósitos de identificação. Uma biblioteca dessas curvas pode ser armazenada na memória do instrumento, assim quando um determinado gás é identificado pelo detector, seu gráfico é comparado com as curvas armazenadas na memória do equipamento para identificar as moléculas do gás. Quando a radiação interage com moléculas de gás, parte da energia tem a mesma freqüência que a natural das moléculas do gás e é absorvida enquanto o resto da radiação é transmitida. Como as moléculas de gás absorvem esta radiação elas ganham energia e vibram mais vigorosamente. Esta vibração resulta em elevação na temperatura das moléculas do gás. A temperatura aumenta em proporção com a concentração do gás e é então detectada pelo sensor. O detector infravermelho é essencialmente um sensor de temperatura e é, então, potencialmente sensível a mudanças na temperatura do local em que está instalado. Porém, ele trabalha normalmente bem em temperaturas ambientes, pois estas variam lentamente. A umidade ambiente tem muito pouco efeito sobre o detector; entretanto, altas umidades podem ocasionar erros. 81

82 Figura 22.4: Membrana hidrofóbica 82

83 Capítulo 23 Referências Bibliográficas [1] Sensores Industriais / Daniel Thomazini, Pedro Urbano Braga de Albuquerque - São Paulo: Editora Érica, [2] Automação Aplicada / Marcelo Georgini - São Paulo: Editora Érica, [3] Características dos Sensores Industriais [4] Sensores parte aecc/automacao/sensores-parte-2.pdf [5]Todos os Tipos de Sensores 83

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85 Capítulo 24 Aula Objetivos: Proporcionar ao aluno a capacitação necessária ao entendimento dos princípios básicos e funcionalidades dos Sensores Industriais Referências: Material didático ministrado pelo professor. Apostila XC Introdução: Os seres humanos têm uma necessidade forte de sentir, medir e testar coisas. A habilidade e capacidade para mensurar o estado de equilíbrio e movimento de sólidos, líquidos e gases e dos sistemas que eles constituem é extremamente importante para o entendimento e utilização das coisas e recursos do mundo real. O estudo da ciência de sensores e da instrumentação é, portanto, fundamental para permitir avanços nas ciências, tecnologia e na indústria. No contexto da engenharia, a instrumentação permite melhoramentos nos projetos de máquinas, equipamentos e processos graças a um conhecimento mais detalhado e preciso dos diversos processos físicos. Este conhecimento apurado permite um controle mais efetivo da produção possibilitando o uso mais racional da energia e melhoria na qualidade dos produtos Questionário: 1. O que são Atuadores? Cite exemplos. 2. Explique o que são Sensores, onde são empregados, quais as suas funções e de exemplos. 3. Como você diferencia um sensor analógico de um digital? 4. Qual a diferença entre Sensores e Transdutores? 5. A automação de um processo ou indústria envolve diversos tipos elementos. Cite e explique a função dos principais elementos de um sistema automatizado. 6. Qual a diferença entre sinais discretos e sinais digitais? 85

86 Capítulo 25 Aula Objetivos: Conhecer e compreender as características dos sensores industriais Referências: Material didático ministrado pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Fios e cabos para conexões; 25.4 Introdução: Existem diversos tipos de sensores utilizados em equipamentos eletrônicos. Pode-se usar simples chaves ou dispositivos de acionamento momentâneo do tipo mecânico, até transdutores especiais que convertem alguma grandeza física em uma grandeza elétrica, como, por exemplo, uma tensão. Estes sensores servem para informar um circuito eletrônico a respeito de um evento que ocorra externamente, sobre o qual ele deve atuar, ou a partir do qual ele deva comandar uma determinada ação. Cada sensor possui características próprias, seja quanto ao seu acionamento, funcionamento ou sinal de saída Questionário: 1. Como os sensores podem ser classificados quanto a sua linearidade? Exemplifique utilizando gráficos. 2. Por que os sensores lineares são mais utilizados que os não lineares? 3. No que a característica referente a velocidade de resposta pode interferir em um sensor? Dê exemplos de aplicações onde essa característica deve ser levada em conta. 86

87 4. Quais são os tipos de distância de comutação encontrados nas características de um sensor? Explique. 5. O que é Zona Morta de um sensor? 6. Explique o que vem a ser a histerese em um sensor. 7. Quais são os tipos mias usuais de saídas de sensores (analógicos e digitais)? Como elas funcionam? 8. Explique o que é um sensor Namur e em que ambientes ele deve ser utilizado. 9. Em qual característica dos sensores industriais corresponde ao texto abaixo: Está ligada à relação entre uma variação na grandeza física em questão e a variação na medida elétrica fornecida pelo instrumento ( )Repetibilidade ( )Linearidade ( )Exatidão ( )Precisão 87

88 Capítulo 26 Aula Objetivos: Conhecer a técnica de controle PWM; Conhecer o conversor Freqüência/Tensão; 26.2 Referências: Material didático ministrador pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Fios e cabos para conexões; 26.4 Introdução: PWM é uma tecnologia que permite controlar o período cíclico da freqüência da alimentação. Com isso, se tem o total domínio da potência designada. Suas aplicações são diversas e abrangem tanto usos industriais quanto domésticos. Em indústrias, o PWM pode ser usado para controlar elevadores de carga, esteiras rolantes, guinchos etc. Conversores Freqüência/Tensão são utilizados em circuitos decodificadores de sinais modulados em freqüência para recuperação de sinais digitais e de sinais analógicos, como por exemplo em circuitos de tacômetro e encoders para medida de rotação de motores elétricos Questionário: 1. Explique o que é PWM e como ele funciona. Exemplifique usando gráficos. 2. Onde podem ser utilizados os conversores Freqüência/Tensão? 88

89 26.6 Prática 1 - PWM 1. Simulação de controle de PWM : Usando as fontes de tensão encontrados no módulo Power Supply, variar os sinais de entrada do circuito PWM (Period e DC). Com o auxilio de um osciloscópio, verificar e compreender a variação do período e razão cíclica (duty cycle). 2. Utilizando o sinal de saída do circuito PWM, aplicar esse sinal na entrada do conversor F/V e com o auxilio de um multímetro verificar a variação de tensão na saída do conversor quando se varia a freqüência de saída do circuito PWM. 89

90 Capítulo 27 Aula Objetivos: Compreender as características e funcionamento dos sensores de contato e reed switches. Conhecer o funcionamento do Voltímetro e Freqüencímetro do kit XC Referências: Material didático ministrador pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Fios e cabos para conexões; 27.4 Introdução: Denomina-se sensores mecânicos aqueles que sensoriam movimentos, posições ou presença usando recursos mecânicos como, por exemplo, chaves (switches). Nesta categoria inclui-se os microswitches e chaves de fim-de-curso. Estes sensores, como o nome sugere, são interruptores ou mesmo chaves comutadoras que atuam sobre um circuito no modo liga / desliga quando uma ação mecânica acontece no seu elemento atuador. Sensores do tipo Reed Switch, são chaves magnéticas que acionam sua saída através a ação de um campo magnético. Podem ser utilizados para detectar a simples aproximação de uma peça quanto gerar pulsos de controle a cada passagem de uma peça móvel Questionário: 1. O que são sensores fim-de-curso? Onde são utilizados? 2. O que deve ser observado na escolha de um sensor de contato? 3. Qual a diferença de se ligar uma chave com resistor de pull-up ou com resistor de pulldown? Desenhe o esquema dos dois tipos de configuração. 4. Como funcionam os sensores tipo Reed Switch? Como pode ser classificado? 90

91 27.6 Prática 2 - Multimedidor 1. Voltímetro: Usando a fonte de tensão encontrada no módulo Power Supply, configurar um voltímetro para acionar sua saída toda vez que o valor medido for maior que 5V. Ligar a saída do voltímetro ao buzzer e monitorar o valor da sua entrada variando o valor da fonte de tensão. 2. Contador: Usando os botões encontrados no módulo Power Supply, verificar o funcionamento do contador C1 encontrado no módulo Universal Indicator contando os pulsos até 10 e posteriormente zerando o contador. 3. Freqüencímetro: Usando a fonte de tensão encontrada no módulo Power Supply, aplicar um sinal para controlar o período e o duty-cycle do PWM. Ligar a saída do PWM em um freqüencímetro, varie a freqüência de entrada e verifique a variação da freqüência no display. 91

92 Capítulo 28 Aula Objetivos: Compreender o funcionamento dos sensores indutivos. Conhecer o conversor A/D e o circuito Comparador encontrados no kit XC Referências: Material didático ministrador pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201 Fios e cabos para conexões; 28.4 Introdução: Sensores indutivos de proximidade são hoje em dia indispensáveis para área industrial. Quando comparados às chaves mecânicas eles oferecem todas condições ideais: operação sem contato, alta freqüência de chaveamento e segurança. Adicionalmente, eles são insensíveis à vibração, pó e corrosão. Sensores indutivos detectam todos os metais sem contato Questionário: Como funcionam os sensores indutivos? Desenhe seu diagrama para exemplificar. Onde os sensores indutivos podem ser utilizados? Dê um exemplo de aplicação prática. Qual a função dos sensores indutivos analógicos? 28.6 Prática 3 - Conversor A/D e Comparador 1. Conversor A/D(1): Usando a fonte de tensão encontrada no módulo Power Supply, aplique um sinal variando de 0 a 10V na entrada do A/D Converter, com a chave selecionando a opção Bargraf. Analise o resultado. 92

93 2. Conversor A/D (2): Usando a fonte de tensão encontrada no módulo Power Supply, aplique um sinal variando de 0 a 10V na entrada do A/D Converter, com a chave selecionando a opção Binary. Analise o resultado. Faça uma tabela mostrando o valor binário correspondente a cada valor inteiro de tensão entre 0 e 10V. 3. Comparadores (1): Ajuste o potenciômetro de um dos comparadores para obter Ganho Unitário. Usando uma das fontes de tensão encontradas no módulo Power Supply, aplique um sinal fixo de 1V na entrada inversora do comparador, e com outra fonte aplique um sinal variando de 0 a 10V na entrada não-inversora do comparador. Analise o sinal de saída. 4. Comparadores (2): Ajuste o potenciômetro de um dos comparadores para obter Ganho Infinito. Usando uma das fontes de tensão encontradas no módulo Power Supply, aplique um sinal fixo de 5V na entrada inversora do comparador, e com outra fonte aplique um sinal variando de 0 a 10V na entrada não-inversora do comparador. Analise o sinal de saída. 5. Comparadores (3): Usando a fórmula: Saída = (Entrada Não-Inversora - Entrada Inversora) x Ganho e analisando os sinais de entrada e saída aplicados ao circuito comparador, ajuste o potenciômetro deste para obter ganho de 2. 93

94 Capítulo 29 Aula Objetivos: Compreender o funcionamento dos sensores capacitivos. Conhecer o funcionamento do Módulo Analog Sensors Referências: Material didático ministrado pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Módulo Analog Sensors; Fios e cabos para conexões; 29.4 Introdução: Sensores capacitivos são usados para a detecção sem contato de qualquer objeto. Em contraste com os sensores indutivos, que detectam apenas objetos metálicos, os sensores capacitivos podem detectar também materiais não metálicos. Aplicações típicas são em indústrias de madeira, papel, vidro, plástico, alimentícia e química Questionário: 1. Como funcionam os sensores capacitivos? Desenhe seu diagrama para exemplificar. 2. Onde os sensores capacitivos podem ser utilizados? Dê um exemplo de aplicação prática. 94

95 Capítulo 30 Aula Objetivos: Compreender as características e funcionamento dos sensores ópticos digitais Referências: Material didático ministrado pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Fios e cabos para conexões; 30.4 Introdução: Os sensores ópticos são componentes eletrônicos de sinalização e comando que executam detecção de qualquer material sem que haja contato mecânico entre eles. Estes sensores sempre são compostos por duas partes: o emissor luz, que pode ser a luz solar ou componentes eletro-eletrônicos, e o receptor de luz é um componente eletrônico que em conjunto à um circuito detecta a variação de luz Questionário: 1. Explique o funcionamento do sensor óptico por Retro-Reflexão. Fale sobre a relação da distância de sua barreira e o elemento refletor. Desenhe o diagrama de seu funcionamento para exemplificar. 2. Como funcionam os sensores ópticos por Transmissão? Onde eles podem ser utilizados? Dê um exemplo de aplicação prática e desenhe o diagrama de funcionamento. 3. Fale sobre o funcionamento do sensor óptico por Reflexão Difusa. Desenhe seu diagrama para exemplificar. 4. Que tipos de materiais podem não ser detectados por cada tipo destes sensores? Explique. 5. Quais dos sensores ópticos possui emissor e receptor montados no mesmo dispositivo? 95

96 Capítulo 31 Aula Objetivos: Fixar os conceitos sobre sensores ópticos. Conhecer o funcionamento dos sensores analógicos de cor Referências: Material didático ministrado pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Módulo Analog Sensors; Fios e cabos para conexões; 31.4 Questionário: 1. Como funciona o sensor de Luz LDR? Exemplifique desenhando o gráfico de funcionamento. 2. Cite pelo menos 3 exemplos de aplicações práticas utilizando sensores LDR. 3. Como as fibras ópticas podem ser utilizadas nos sensores ópticos? Qual o objetivo de utilizálas? 4. Fales sobres alguns tipos de sensores de cor existentes no mercado. Dê exemplos de aplicações. 96

97 Capítulo 32 Aula Objetivos: Compreender o funcionamento dos encoders linear e angular. Fixar os conhecimentos sobre todos os tipos de enconders Referências: Material didático ministrador pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Fios e cabos para conexões; 32.4 Introdução: Os encoders são transdutores de movimento capazes de converter movimentos lineares ou angulares em informações elétricas que podem ser transformadas em informações binárias e trabalhadas por um programa que converta as informações passadas em algo que possa ser entendido como distância, velocidade, etc. Em outras palavras, o encoder é uma unidade de realimentação que informa sobre posições atuais de forma que possam ser comparadas com posições desejadas e seus movimentos sejam planejados Questionário: 1. Como funciona o Encoder Incremental? Fale sobre os 2 modelos deste tipo de enconder, suas vantagens e desvantagens. 2. Qual a diferença entre o Encoder Incremental e o Absoluto? Quais as vantagens de se utilizar o Absoluto? 3. A figura abaixo mostra um disco de um Encoder Absoluto de 4 bits. Conforme visto, os encoders absolutos entregam sua informação em Código Gray. Analisando o disco do encoder, faça uma tabela mostrando a posição do encoder (decimal), sua informação entregue (código Gray) e essa informação em Binário. 97

98 4. Fale sobre os encoders lineares. Quais os tipos encontrados? Como eles funcionam? 32.6 Prática 4 - Encoders 1. Rotary Encoder: Aplique um sinal de 24V na entrada do motor DC para rotacionar o disco do encoder. Com o auxilio de um osciloscópio analise o sinal de saída do encoder. 2. Linear Encoder: Girando manualmente o eixo de guia do encoder linear e com o auxilio de um osciloscópio analise o sinal de saída deste encoder. Ligue os sinais dos reed switches ao buzzer para sinalizar o final do curso do encoder. 98

99 Capítulo 33 Aula Objetivos: Fixar os conhecimentos em sensores de temperatura Referências: Material didático ministrador pelo professor. Apostila XC Introdução: Os termistores, ou resistores térmicos são dispositivos semicondutores que se comportam como uma resistência com coeficiente de temperatura alto. Em alguns casos, a resistência de um termistor à temperatura ambiente pode variar até 5,6% por o C, e este fator se elevam com o aumento da temperatura. Existem dois tipos distintos de termistores, o PTC e o NTC, sendo que o primeiro varia sua resistência positivamente com o aumento da temperatura, e o segundo diminui a sua resistência com o aumento da temperatura. Devido a esta alta sensibilidade, o termistor PTC tornou-se um transdutor muito conveniente para medições, e controle de processos calóricos compensando com precisão a mudança de temperatura. O uso de termistores é muito difundido nestas aplicações, em especial em temperaturas na faixa entre -100 o C a 300 o C. Além dos termistores, outro tipo de sensor de temperatura muito utilizado, principalmente em ambientes industriais são é termoresistência. Esta possui um preço mais elevado se comparada aos termistores, porém é muito mais linear e precisa Questionário: 1. Desenhe e analise a curva do NTC e do PTC. 2. Descreva sucintamente o funcionamento, vantagens e desvantagens do NTC e do PTC. 3. Quais são as aplicações do NTC e do PTC? 4. Por que o sensor tipo PT100 é muito utilizado na indústria? 5. Explique o efeito de auto aquecimento que ocorre nos sensores que transformam temperatura em resistência. 6. Fale sobre os 3 tipos de montagens que podem ser utilizados no sensor PT100. Onde cada uma deve ser utilizada? 99

100 Capítulo 34 Aula Objetivos: Observar e compreender o funcionamento dos sensores de temperatura. Exercitar os conhecimentos adquiridos sobre esses sensores Referências: Material didático ministrado pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Fios e cabos para conexões; 34.4 Introdução: Quando um condutor metálico é submetido a uma diferença de temperatura entre suas extremidades surge uma força eletromotriz (f.e.m.), cujo valor não excede usualmente a ordem de grandeza de milivolts, em decorrência da redistribuição dos elétrons no condutor, quando os mesmos são submetidos a um gradiente de temperatura. Este é o principio de funcionamento dos sensores de temperatura do tipo termopar. O valor da f.e.m. depende da natureza do material e do gradiente de temperatura entre suas extremidades. No caso de um material homogêneo o valor da f.e.m. não depende da distribuição de temperatura ao longo do condutor, mas sim, como dito anteriormente, da diferença de temperatura entre suas extremidades. Outro sensor de temperatura que utiliza as características diferentes entre os materiais para as atuação é o termostato. Baseado na característica de dilatação de cada material e usando um par bimetálico, este tipo de sensor atua [abre ou fecha se contato] quando chega a uma temperatura pré-determinada. 100

101 34.5 Questionário: 1. Como funciona o sensor com par bimetálico? 2. Explique o funcionamento do sensor de temperatura Termopar. 3. Qual a diferença entre junta quente e junta fria? 4. Abaixo está a tabela do Termopar tipo T: (a) Qual é a faixa de operação desse termopar? (b) Qual o valor do nível de tensão presente nos terminais do termopar para: -147 C: - 3 C: 0 C: 206 C: 392 C: 5. Quais os tipos de termopares existentes no mercado? Quais as principais diferenças entre eles? 34.6 Prática 5 - Sensores de Temperatura 1. Aplicando um sinal de 24V no borne Heater control do módulo Temperature Sensors, para aquecer o bloco de sensores, analise a variação de temperatura mostrada no software AMK120 do transdutor de temperatura. 101

102 102 XC201 - Sensores Industriais

103 103 XC201 - Sensores Industriais

104 Capítulo 35 Aula Objetivos: Desenvolver os conhecimentos em sensores de pressão. Conhecer o funcionamento do módulo Pressure Sensor Referências: Material didático ministrador pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Fios e cabos para conexões; 35.4 Introdução: Sensores de pressão são utilizados numa ampla gama de aplicações que vão desde equipamentos de consumo até equipamentos médicos, aeroespaciais e para a indústria. Nos casos mais comuns, a pressão é medida tendo por referência a pressão atmosférica normal, que é a que corresponde à atmosfera que nos cerca. Essa pressão é denominada relativa ou, se usarmos o termo inglês, gage. No entanto, em muitas aplicações é importante que a pressão de um determinado ambiente seja medida em relação ao vácuo. Nesse caso, o que temos é a medida absoluta da pressão Questionário: 1. Explique o principio de funcionamento do sensor de pressão? 2. O que diferencia os tipos de sensores de pressão? 3. Fale sobre o sensor de pressão absoluta. 4. Como funciona o sensor de pressão tipo Gage? Onde ele deve ser usado? 5. Explique o funcionamento do pressostato. Quais as vantagens e desvantagens desse tipo de sensor. Onde ele deve ser usado? 104

105 Capítulo 36 Aula Objetivos: Verificar o funcionamento do sensor de temperatura e umidade. Concretizar o conhecimento sobre os sensores de vazão Referências: Material didático ministrado pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Fios e cabos para conexões; 36.4 Introdução: Sensores de umidade são instrumentos que servem para medir a umidade presente nos gases, mais especificamente na atmosfera. São utilizados principalmente em estudos do clima, mas também em locais fechados onde a presença de umidade excessiva ou abaixo do normal poderia causar danos, por exemplo em peças de museus, documentos de bibliotecas e elementos de laboratórios. Os higrômetros são compostos, em sua maioria de substâncias com capacidade de absorver a umidade atmosférica. Como a umidade e a temperatura são intimamente relacionadas, é muito comum encontrar sensores que medem junto as duas grandezas. Sensores de vazão medem a quantidade de material que flui por um determinado local por unidade de tempo. Existem diversos tipos de sensores de vazão no mercado, desde simples sensores mecânicos até sensores eletrônicos altamente precisos Questionário: 1. Qual a relação existente entre a temperatura e a umidade? Exemplifique usando gráfico. 2. O que é um Termo-Higrômetro? Como ele funciona?? 3. Quais os tipos de sensores de vazão mais utilizados na indústria? 105

106 4. Quais são os sensores de vazão baseados em diferença de pressão? Explique o funcionamento e a aplicação de cada m deles. 5. Como funciona o sensor de vazão por turbinas? Em que aplicações deve-se utilizar esse tipo de sensor? 6. Explique o funcionamento do sensor de vazão magnético Prática 6 - Sensor de Umidade / Temperatura 1. Aplicando os sinais de saída de temperatura e umidade do módulo Temperature Sensors em duas entradas do voltímetro encontrado no módulo Universal Indicator, analise o funcionamento desse tipo de sensor. Compare o valor na saída de temperatura com o valor da temperatura ambiente mostrado no display. 106

107 Capítulo 37 Aula Objetivos: Compreender o funcionamento do sensor ultrassom. Assimilar os conhecimentos adquiridos em sensores de nível Referências: Material didático ministrado pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Módulo Ultrasonic Sensor; Fios e cabos para conexões; 37.4 Introdução: Medir a variável nível em processos industriais é quantificar referenciais por meio de monitoramento e controles de volumes de estocagem em tanques ou recipientes de armazenamento. Nível é a altura do conteúdo de um reservatório que pode ser sólido ou líquido. Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois através de sua medição torna-se possível: Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento. Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, etc. Segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites. 107

108 37.5 Questionário: 1. Qual a importância dos sensores de nível em um ambiente industrial? 2. Quais são os sensores de nível com saída digital? Fale sobre o funcionamento de cada um deles. 3. Como funciona o sensor de nível ultrasônico? Fale sobre sãs características e dê exemplos de aplicações. 4. Qual ou quais sensores de nível podem ser utilizados para medir o nível de sólidos? Comente sobre como eles fazem essa medida. 5. Dentre os sensores vistos, quais seriam recomendados para uma aplicação de simples, onde só é necessário verificar se um líquido está entre seus limites máximo e mínimo determinados? E quais seriam recomendados em uma aplicação mais complexa, onde deve-se controlar continuamente o nível e de maneira precisa? 108

109 Capítulo 38 Aula Objetivos: Desenvolver os conhecimentos em sensores de gás. Conhecer o funcionamento do módulo Ultrasonic Sensor Referências: Material didático ministrado pelo professor. Apostila XC Material Necessário: Kit XC201; Módulo Gas Sensor; Fios e cabos para conexões; 38.4 Introdução: Existem diversas tecnologias para sensoriamento de gases num ambiente, algumas das quais empregadas em sensores de incêndio, sensores de fumaça ou ainda na detecção da presença de substâncias específicas em um ambiente. Dentre essas tecnologias, umas das mais utilizadas são o sensor de gás eletroquímico e o sensor de gás por infravermelho Questionário: 1. Fale sobre algumas utilidades dos sensores de gás. 2. Por que não se encontram sensores de gás com seletividade Qual o princípio de funcionamento do sensor de gá eletroquímico? 4. O que é uma membrana hidrofóbica? 5. Onde os sensores de gás infravermelhos são mais utilizados? 109

110 6. Qual o princípio de detecção do sensor de gás infravermelho? 7. O que acontece quando a radiação infravermelha interage com as moléculas de gás?

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112 Capítulo 39 Conteúdo do Kit: Depois de retirar o seu kit da embalagem, verifique se o mesmo possui os seguintes itens: Bastidor XC201 Modulo Pressure Sensor Modulo Universal Indicator Módulo Power Supply /Security Button Módulo Comunication Interface Módulo Photoeletric and Digital Sensors Módulo Encoders e Temperature Módulo Analog Sensors CD com os manuais dos componentes dos módulos, esquemas elétricos e software necessário para o uso dos mesmos. Cabo tripolar Documentação (Apostila, Caderno de Experiências e Manual) 1. Caso ocorra a falta de algum destes itens ou defeito, consulte a Exsto Tecnologia para esclarecimentos. 2. Itens adicionais podem vir a compor o kit dependendo de cada configuração Observação A lista de Módulos a cima corresponde a todos os módulos disponíveis para o produto. Então verifique o Checklist do produto para verificar quais compõem a sua compra. 112

113 39.1 Conteúdo do CD em pastas Figura 39.1: Distribuição em arvore do conteúdo do CD 113

114 Capítulo 40 Instalação do Hardware Para o uso de qualquer uma das placas que fazem parte do módulo XC201 siga os procedimentos descritos abaixo: Verifique no Porta-Fusível na parte traseira do Kit, se o fusível está devidamente colocado e não esta rompido. Ligue o Kit a rede de alimentação através do cabo Tripolar que o acompanha. Após ligado, verifique se o Display é inicializado. 114

115 Capítulo 41 Instalação do Software - AMK 120 Transdutor de Temperatura 1. Para as medidas de temperatura utilizando o bloco de aquecimento e os sensores presente neste módulo, utilizaremos um transdutor de temperatura para efetuar essas medidas de forma prática, rápida e eficiente. 2. Será apresentado neste manual os passos para instalação e programação do transdutor de temperatura. O software a ser instalado é o AMK120 Console v1.0, e se encontra disponível para download no CD que acompanha o kit XC200 na pasta Programas. 3. Execute o software. Clique em Next para avançar os passos de instalação: 115

116 4. O software será instalado. 5. Após a instalação do software conecte o sensor conforme o esquema elétrico disponível nos bornes do kit. Este esquema de ligação também se encontra faceado ao transdutor de nível e os mesmos estão disponíveis em bornes facilitando a ligação. 116

117 6. Para exemplo de aplicação, iremos utilizar um sensor PT100 cuja a ligação segue o esquema abaixo: 7. Após conectar o sensor ao transdutor de temperatura, alimente o transdutor com 24Vdc, seguindo o esquema de ligação apresentado na etiqueta do produto. 8. Para parametrização do transdutor, utilizaremos um cabo USB / Mini-USB que acompanha o kit para programação dos parâmetros entre computador / transdutor. 117

118 9. Conecte a MINI-USB no transdutor de temperatura. Observe os Leds de indicação de status TX e RX. 10. Serão apresentados nas próximas figuras, o passo a passo para configuração do software. Abra o programa. Segue abaixo a tela inicial do programa AMK

119 11. Clique em AMK120 e selecione a opção: Selecionar porta serial. Após selecionar a porta serial que o dispositivo está conectado clique em ok. 12. Selecione a opção Conectar: 119

120 13. Aparecerá a seguinte mensagem: 14. Selecione a opção configurar: 120

121 15. A próxima tela é onde inserimos os dados para parametrização do transdutor de temperatura. Selecione o tipo de sensor que deseja configurar, o sinal de saída que deseja e a faixa de rastreamento deste sinal. Em seguida clique em Programar. Aparecerá uma tela com os dados configurados, confirme e por último feche a tela de configuração. 16. Clique em INICIAR para começar a medição: 121

122 17. Um gráfico é plotado com os valores de temperatura atual, sinal de saída e nível de saída de acordo com o tempo de amostragem configurado pelo programador. Os valores se encontram ao lado direito da tela. 18. Clique em Amostras no console para visualizar os valores na tela: 122

123 19. Clique em PARAR e em seguida clique em AMOSTRAS. Abrirá uma tabela com todos os valores de amostragem em determinados instantes: 20. Na opção EDITAR, você pode configurar a aparência do seu gráfico e tela. Na opção ARQUIVO os valores podem ser exportados em formato BMP ou CSV. 21. Para outro sensor, desconecte e conecte de acordo com o esquema de ligação e inicie os mesmos passos aqui apresentado. Obs.: Após conectar o sensor ao dispositivo o Led Status piscará rapidamente, isso indica que o sensor inserido não corresponde ao mesmo sensor interno. Após fazer a parametrização o Led Status piscará lentamente indicando que o sensor já se encontra configurado e pronto para realizar sua função. 123

124 Capítulo 42 Hardware 42.1 Pressure Sensor Visão da placa: Figura 42.1: Layout do módulo Sensor de Pressão Descrição: O Módulo Pressure Sensor possui um conjunto simulador de pressão constituído de uma Pêra (para bombear o ar) e um Relógio (para registro em mmhg). Além do conjunto simulador de pressão, o módulo Pressure Sensor possui um circuito localizado na parte posterior do módulo, onde se encontra um sensor de pressão. O sensor lê a pressão gerada e passa essa informação ao circuito que por sua vez varia a saída entre 0 e 10V. Também encontra-se nesse módulo o primeiro Botão de Acionamento de Segurança que interage com o segundo botão encontrado no junto ao módulo Power Supply Universal Indicator Visão da placa: Descrição: O módulo Universal Indicator é dividido em 8 partes. 124

125 Figura 42.2: Layout do módulo Indicador Universal A/D Converter: O conversor A/D possui uma entrada que pode variar entre 0 a 10V. Sua saída (LEDs) irá variar de acordo com o valor da entrada de duas maneiras distintas que variam de acordo com a chave seletora encontrada no painel. Se a chave estiver selecionando a opção Bargraf os LEDs mostrarão em porcentagem o valor da entrada. Se a opção selecionada for Binary, será mostrada a palavra binária correspondente ao valor da entrada. PWM: Esta parte do circuito funciona da seguinte maneira. Ela possui duas entradas que variam o Período e o Duty Cycle do PWM, os sinais dessas entradas devem variar entre 0 e 10V, sendo que em 0V o período será mínimo como também o duty cycle. Em 10V o período e o duty cycle estarão em sua escala máxima. Estão dispostos ao lado dos bornes de entrada dois bornes de saída que entregam o sinal do PWM e seu sinal invertido. O sinal de saída varia de 100 a 10kHz, com pulsos de 24V. Frequencyneters/Counters: Este circuito possui 2 Contadores/Frequencimetros e duas entras para zerar seus contadores. A freqüência e a contagem serão mostradas no Display Gráfico encontrado no painel, na linha indicada F/C1 e F/C2. Inicialmente o Display estará mostrando a contagem de pulsos através do Contador, para alterar o display para mostrar o valor da Freqüência siga os passos abaixo: Com os botões direcionadores encontrados logo abaixo do display posicione o cursor sobre o Contador/Frequencimetro desejado. Pressione o botão seleção. Irá aparecer a tela Frequency/Counter. Nesta tela coloque o cursor sobre a opção Counter e pressione o botão de seleção até que a opção mude para Frequency. Colocar o cursor sobre a opção Back e pressionar o botão de seleção para voltar ao menu principal. Para voltar a mostrar o valor do Contador basta repetir as operações acima, porém modificando a opção Frequency para Counter. Para se zerar o Contador, basta aplicar um sinal de 24V no borne Clear do respectivo contador (por exemplo fazendo a ligação do borne com um dos botões encontrados no kit). Comparator: Cada circuito comparador possui duas entradas, uma saída e um potenciômetro. As entradas correspondem a uma entrada inversora, e outra não-inversora. 125

126 O ajuste do ganho do comparador é feito através do potenciômetro. O ganho pode variar de 1 até infinito. A saída do comparador varia de acordo com os sinais de entrada e com o ganho ajustado pelo potenciômetro como a seguir. Ganho 1: O sinal de saída será o valor da entrada Não-Inversora menos o valor da entrada Inversora. Ganho Infinito: O sinal de saída será 0V se o valor aplicado na entrada Inversora for maior que o sinal da entrada Não-Inversora, e será de 24V caso o sinal na Não- Inversora seja maior. Demais Ganhos: Para outros valores de ganho a saída se comportará da seguinte maneira. Saída = (Entrada Não-Inversora - Entrada Inversora) X Ganho Frequency/Voltage: Esta parte módulo converte uma Freqüência de entrada que deve variar de 100 a 10Khz em uma tensão de saída que irá variar de 0 a 10V, sendo q a tensão mínima se refere a freqüência mínima e a máxima a freqüência máxima. Buzzer: Encontra-se também neste módulo um Buzzer de Sinalização. Este Buzzer emite um sinal sonoro toda vez que for alimentado com 24V. Voltmeter: O Voltímetro deste módulo possuí 4 entradas e 4 saídas de sinalização. Os sinais de entrada devem variar entre 0 e 10V. Os valores medidos são mostrados nas suas respectivas linhas no Display Gráfico. Por exemplo, se for aplicado uma tensão no borne AN1 o valor da mesma será mostrado na linha do Display indicado com a seta AN1. As saídas dos voltímetros funcionam como descrito a seguir. Primeiro deve-se colocar a tensão de referencia na entrada deseja do Voltímetro (por exemplo a entrada AN1). Com os botões direcionadores posicione o cursor sobre o valor da entrada do Voltímetro escolhido. Pressione o botão de seleção. Irá aparecer a tela do Voltímetro escolhido (por exemplo, se foi escolhi a entrada AN1, na parte superior da tela estará escrito AN1). Além do nome da entrada escolhida, também aparecem nessa tela o valor que está sendo lido e o valor guardado como Set point do voltímetro. Ajuste o valor lido para o valor que se deseja guardar como Set point. Selecione a opção Store. O valor que está na entrada então aparecerá também como Stored. Volte ao Menu inicial, selecionando Back. Toda vez que a tensão nessa entrada ultrapassar o valor gravado no Set Point a sua saída será ativada com 24V. Temperature Sensors: Além das informações já citadas acima, o Display Gráfico também mostra os valores das temperaturas medidas nos Sensores de Temperatura. São mostradas as medidas de 4 sensores diferentes, os Termopares tipo J e tipo K, o Termistor PT100 e a temperatura Ambiente medida através do Sensor LM35 encontrado na parte posterior do kit. 126

127 O Display pode mostrar a informação medida pelo sensor de duas maneiras, através do valor da temperatura, ou a tensão medida no sensor. A seguir é mostrado como mudar a informação de Temperatura para Tensão. om os botões direcionadores posicione o cursor sobre a entrada do Sensor escolhido. Pressione o botão de seleção. O display mostrará a tela do Sensor selecionado. Por exemplo, se foi escolhido o sensor termopar tipo k, na parte superior da tela irá aparecer K Type Thermocouple. Além do nome também aparece nessa tela o valor medido. Selecione a opção Temperature até que surja a opção Voltage. Volte ao Menu inicial selecionando a opção Back. O valor mostrado no Display agora é da Tensão medida no Sensor Power Supply / Security Button Visão da placa: Figura 42.3: Layout do módulo Power Supply/Security Button 127

128 Descrição: Neste módulo constam Fontes de Tensão e Corrente, o segundo Botão de Acionamento de Segurança e 4 Push Buttons. Voltage Source: Nesta parte do módulo encontram-se 3 Fontes de Tensão que através do potenciômetro variam suas saídas de 0 a 10V. Corrent Source: Neste circuito encontram-se 2 Fontes de Corrente que através do potenciômetro variam suas saídas de 4 a 20mA. Switchs: Também neste módulo encontram-se 4 chaves do tipo Não Retentivas (Push Bottons), sendo 2 Normalmente Abertas (NA) que ativam +24Vdc quando pressionadas e as outras 2 são Normalmente Fechadas (NF) que ativam +24Vdc enquanto não são pressionadas. Power Supply: Nesta parte do módulo encontram-se 4 pontos de positivo e 4 pontos de negativo (comum) da Tensão de alimentação do kit que é de 24V. Security Button 2: O Botão de Acionamento de Segurança encontrado nesse módulo interage com o primeiro botão encontrado junto ao módulo Pressure Sensor. Sua saída somente é acionada se os 2 botões forem acionados ao mesmo tempo, ativando assim uma tensão de 24V em seu borne de saída Communication Interface Visão da placa: Figura 42.4: Layout do módulo Interface de Comunicação Descrição: Este módulo correspondente a uma Interface DB25, todos os pinos do conector estão ligados em ordem nos bornes referentes a sua posição. Desta forma, pode ser realizada qualquer configuração dos pinos do conector com qualquer entrada ou saída dos circuitos e Sensores. Depois de configurada esta ligação, um Cabo Paralelo pode ser utilizado para fazer a comunicação do Kit Sensores com outras bancadas. Como por exemplo, a Exsto oferece os Kits Tanque, Esteira Pneumática e PLC que também possuem um conector DB25 para esta comunicação. Maiores informações sobre esses kits no nosso site: 128

129 42.5 Photoeletric and Digital Sensors Visão da placa: Figura 42.5: Layout do módulo Sensores Digitais Descrição: Neste módulo constam 5 Sensores Digitais, sendo eles: Ótico de barreira com espelho refletivo; Ótico Difuso; Ótico de barreira Tx/Rx; Indutivo; Capacitivo. Capacitivo K2M Todos os sensores são do tipo PNP, ou seja quando acionados eles entregam 24V em sua saída e todas as saídas estão ligadas nos bornes próximos aos sensores. Para maiores informações sobre os sensores vide manual do fabricante Temperature Sensors Visão da placa: Descrição: Este módulo é dividido em 2 partes, Encoders e Sensores de Temperatura. Enconders Rotary Encoder: Este circuito é composto por um motor DC o qual é acionado pelo borne Control e deve ser alimentado com até 24V. Seu sinal de saída é são pulsos de 24V que variam sua freqüência de acordo com a velocidade do motor. 129

130 Figura 42.6: Layout do módulo Encoders / Sensores de Temperatura Linear Encoder: O encoder linear é constituído de um motor de passo cujo as bobinas estão ligadas aos bornes dispostos no painel. Para acionar o motor basta então fazer o acionamento cíclico das bobinas, que devem ser alimentadas com 24V. Como no encoder rotativo neste também o sinal de saída se encontra no borne correspondente (Pulse) e é constituído de pulsos de 24V que variam sua freqüência de acordo com a velocidade do motor. Também neste circuito encontram-se dois Sensores fim de curso do tipo Reed Switch, uma em cada extremidade da haste do motor. Desta maneira quando o encoder se aproxima de alguma das extremidades o sensor correspondente é acionado, entregando 24V em seu borne correspondente (SW1 ou SW2). Temperature Sensors Humidity/Temperature Sensor: Este sensor mede a Temperatura e Umidade ambiente, variando suas saídas de 0 a 10V. Sua saída é proporcional ao valor da umidade/temperatura, por exemplo, se a umidade do ar for de 40%, sua saída entregará 4V. Para maiores informações sobre o sensor vide manual do fabricante. Temperature Sensors: Este circuito possui um bloco de aquecimento onde se encontram os sensores Termopares tipo J e tipo K e o PT100, além de uma resistência para efetuar o aquecimento. A resistência é acionada através de um relé de estado sólido encontrado na parte posterior do kit. Este relé por sua vez é acionado através de um sinal que pode variar entre 3 e 32V aplicado no borne de controle (Heater Control). Quando ligada a resistência irá aquecer o bloco que contem os sensores até a temperatura aproximada de 70 o C, que é controlada por um termostato encontrado atrás do bloco de aquecimento. Quando a temperatura ultrapassa os 70 o C o termostato abre e interrompe a alimentação do relé de estado sólido, que por as vez corta a alimentação da resistência. Os sinais dos sensores são mostrados no Display Gráfico, conforme explicado no módulo Universal Indicator. 130

131 Módulo Extra 42.7 Analog Sensors Visão da placa: Figura 42.7: Layout do módulo Sensores Analógicos Descrição: O Módulo Sensores Analógicos é composto por quatro sensores. Sua alimentação é feita através dos bornes de Power Supply, sendo que a alimentação do módulo deve ser de 24V (podendo ser feita através dos bornes de Power Supply encontrados no módulo Fontes). Sensor Capacitivo Analógico: Este sensor varia sua saída de 0 a 10V de acordo com a distancia do objeto em sua face sensora. Sensor Indutivo Analógico: Este varia sua saída de 10 a 0V de acordo com a distancia de um material ferro-magnético em sua face sensora. Quanto maior a proximidade do objeto, menor a tensão. Sensores de Cor: Neste módulo existem dois sensores de cor, sendo um de cor Vermelha e o outro de cor Verde. Os dois sensores variam sua saída de 0 a 10V de acordo com a proximidade do objeto a sua face sensora, sendo que o sensor de cor Verde é mais sensível a objetos dessa cor e o de cor Vermelha é mais sensível a sua cor. Quando o objeto de aproximação for da cor branca, os dois devem saturar (10V) no mesmo ponto de aproximação. 131