Ministério da educação - MEC Secretaria de Educação Profissional e Técnica SETEC Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul Campus Rio Grande Fundamentos de Automação Sensores CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Prof.: Maurício Soares Ortiz
Sensores São dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma forma de energia, são chamados transdutores. Sua aplicação abrange medição de: temperatura, pressão, umidade, aceleração, direção, ângulos, fluxo, nível, deslocamento, presença, posição, força, torque, etc. 2
Sensores Analógicos e Sensores Digitais Os sensores que convertem um sinal físico em sinal elétrico podem ser divididos, de acordo com o tipo de sinal de saída, em sensores analógicos e digitais. 3
Sensores Analógicos e Sensores Digitais Sensores Analógicos os sensores analógicos geram um sinal elétrico de saída de acordo com a mudança contínua do valor da variável física. Esta relação não necessariamente é linear, mas sempre indica o valor da variável física. Sensores analógicos sempre oferecem mais informações que sensores digitais; 4
Sensores Analógicos e Sensores Digitais Sensores Digitais os sensores digitais geram dois diferentes sinais de saída, ou seja, on ou off. A mudança de um estado para outro ocorre para um valor específico da variável física, e este valor pode normalmente ser ajustado. Exemplo: Na Indicação de febre: um sensor Analógico informa a temperatura da febre, um sensor Digital informa o estado febril. 5
Principais sensores de grandezas industriais Sensores de Presença Com Contato Fim-de-curso Efeito hall Indutivos Capacitivos Barreira Sem contato Ópticos Reflexão Difusão Ultra-sônico Sensores de Posição Sensores de Força e Pressão Sensores de Temperatura Potenciômetro Indutivo Óptico Ultra-sônico LVDT Resolver Encoder Strain-gauge Piezoelétricos RTD Termistores Termopares Amplitude Defasamento 6
Classe de Proteção de Sensores 7
Sensores Indutivos Utilizam princípio de funcionamento de um indutor, elementos compostos de um núcleo de material ferromagnético envolvido por uma bobina que gera um campo magnético quando submetida à corrente elétrica (I). 8
Sensores Indutivos O sensor indutivo é formado por um indutor, com um núcleo aberto. Esta abertura é chamada de entreferro. Com o núcleo aberto, o campo magnético tem que passar pelo ar, portanto sua intensidade é menor. Quando uma peça metálica é aproximada do núcleo do Indutor, o campo magnético passa pela peça, aumenta a sua intensidade, variando a indutância e consequentemente ativando a saída do sensor. 9
Sensores Indutivos A distância sensora nominal varia com o tipo de metal, ou seja, é especificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator de correção para outros materiais. 10
Sensores Características Básicas Distância sensora nominal (Sn) É a distância sensora teórica, a qual utiliza o alvo padrão como acionamento e não considera as variações causadas pela industrialização, temperatura de operação e tensão de alimentação. O valor em que os sensores de proximidade indutivos são especificados. 11
Sensores Características Básicas Distância sensora real (Sr) Valor influenciado pela industrialização, especificado em temperatura ambiente (20 C) e tensão de operação nominal possui desvio de 20% sobre a distância sensora nominal. 0,9 Sn < = Sr < = 1.1 Sn 12
Sensores Características Básicas Distância sensora efetiva (Su) Valor influenciado pela temperatura de operação, e possui um desvio máximo de 10% sobre a distancia sensor real (Sr). 0,9 Sr < = Su < = 1,1 Sr, ou seja, 0,81 Sn, = Su< = 1,21 Sn 13
Sensores Características Básicas Distância sensora operacional (As) É a distância em que seguramente pode-se operar considerando-se todas as variações de industrialização e variação de temperatura. 0 < = As, = 0,81 Sn 14
Sensores Características Básicas Histerese É a característica do efeito existente entre o acionamento de desacionamento do sensor quando o alvo metálico se aproxima da face sensora e se afasta da face sensora. Este efeito é expresso em porcentagem da distância sensora (exemplo = 3%). É importante que exista a histerese entre o ponto de acionamento e desacionamento do sensor para que no caso de uma possível vibração do sensor ocasione uma oscilação na saída do acionador. 15
Sensores Indutivos Simbologia Aplicações 16
Sensores Capacitivos Utilizam o princípio de funcionamento de um capacitor, elemento capaz de armazenar cargas elétricas. Desta forma, no sensor capacitivo, 2 placas são colocadas uma ao lado da outra, isoladas eletricamente pelo ar, que possui constante dielétrica (ε) =1, portanto com valor de capacitância muito baixo. Quando algum objeto, que normalmente possui (ε) >1 é aproximado do sensor, o campo magnético gerado pela atração entre as cargas passa por este objeto, a capacitância aumenta, acionando a saída do sensor. 17
Sensores Capacitivos 18
Sensores Capacitivos Simbologia Aplicações Presença, Nível e Contagem 19
Sensores Óticos Também conhecidos por sensores fotoelétricos, manipulam a luz de forma a detectar a presença de objetos. Baseiam-se na transmissão de luz através de um led (diodo emissor de luz) ou uma lâmpada. O receptor de luz é um componente foto-sensível. Quando o objeto é aproximado do sensor ótico, este objeto reflete a luz do emissor para o receptor, emitindo um sinal. 20
Sensores Óticos - modelos Os sensores óticos são capazes de detectar vários tipos de objetos, menos os transparentes, ou objetos escuros (se o sensor for o difuso) 21
Sensores Óticos Simbologia Aplicações 22
Sensores Ultra-Sônicos Neste tipo de sensor, o emissor envia impulsos ultrasônicos sobre o objeto analisado. As ondas sonoras voltam ao detector depois de um certo tempo, proporcional a distância. Princípio de Funcionamento: 23
Ultra-Sônicos Simbologia Aplicações: 24
Termopares Quando um circuito formado por dois condutores metálicos diferentes e uma das junções destes dois condutores estiverem a uma temperatura enquanto a outra se encontrar a uma temperatura maior, uma corrente circulará pelo circuito, sendo que a intensidade e a direção dessa corrente depende da diferença entre as temperaturas das junções (efeito Seebeck). A junção de menor temperatura é chamada de junção fria ou de referência, a outra junção quente ou de medição. O fenômeno do aparecimento de uma corrente de baixa intensidade, fluindo no circuito contínuo dos dois metais, é chamada de corrente termoelétrica, e a f.e.m. (força eletromotriz), causada pela diferença de temperaturas entre as duas junções, é chamada de f.e.m. térmica 25
Termopares Circuito para leitura de temperatura utilizando um termopar: No circuito acima, a tensão que será medida no voltímetro (mv) será proporcional a diferença de temperatura entre a junção quente e a junção fria, mas como a junção de referência está na temperatura ambiente, o valor lido pelo voltímetro deve ser adicionado à temperatura ambiente, para dar o valor absoluto da temperatura. Nos sensores são utilizados circuitos que fazem esta soma automaticamente. Estes circuitos utilizam termo resistências (resistências que variam com a temperatura) para medir a temperatura ambiente, e somam este valor com o lido pelo termopar. 26
Termopares Existem diversos tipos de termopares, par diversas faixas de temperatura. A tabela a seguir mostra os tipos de termopares, sua composição e faixa de temperatura seguindo a Norma IEC 584-2. 27
Termopares Simbologia Aplicações: 28
Sensores RDTs (Resistance Temperature Detector) São fabricados pelo princípio de que os materiais metálicos conduzem eletricidade graças aos elétrons livres na banda de condução. Quando a temperatura do metal se eleva, este libera mais elétrons para a banda de condução, fazendo com que a resistência elétrica deste material aumente. Dependendo do custo, precisão, durabilidade e faixa de atuação do projeto, seleciona-se o material do sensor( Ex: cobre, molibdênio, níquel, níquel-ferro, platina, etc..) Um exemplo de RDT é o chamado PT-100, pois este sensor garante 100 ohms a uma temperatura de 0ºC. Geralmente este sensor é construído com fio enrolado em um tubo de cerâmica ou é utilizado filme depositado em cerâmica, revestidos com uma proteção metálica. 29
Sensores de efeito Hall Estes sensores utilizam os princípios do Efeito Hall, no qual um condutor elétrico ao passar por um campo magnético gera um deslocamento nos elétrons internos e com isso gera uma diferença de potencial nas extremidades do condutor. A desvantagem em utilizar condutores metálicos para essa aplicação é que o efeito Hall só aparece quando há variação no campo magnético. Para utilizar o efeito Hall como sensor, são utilizados semicondutores. As vantagens são: perceber a presença de um campo magnético, mesmo quando este está estático, utilizar circuitos internos para reduzir a divergência entre um sensor e outro e etc... 30
Chaves de Mercúrio São basicamente constituídos por uma ampola de vidro com terminais estrategicamente posicionados e mercúrio. Aproveitando as características do mercúrio ser um metal de boa condutividade elétrica e ainda possuir a forma líquida, este arranjo mecânico faz com que, dependendo da posição que a ampola for colocada, os terminais são conectados entre si. 31
Chaves Magnéticas As chaves magnéticas são constituídas por dois ou mais contatos, sendo um deles de material ferroso, conectado a um metal com muita mobilidade. Ao se aproximar um imã deste sistema, o campo magnético atrai um dos terminais da chave fechando o circuito. 32
Sensores de gás combustível Uma das formas de se detectar gás combustível é através de um sensor Catalítico ou também chamado de calorimétricos. Este sensor consiste em um fio condutor (sensor ativo) como a platina, aquecido através de efeito Joule até a temperatura aproximada de 450ºC, encapsulado em uma espécie de esfera revestida de óxido refratário de baixa porosidade. Este encapsulamento permite que o gás entre em contato com o fio condutor e evita que a temperatura inflame o gás externamente. Quando o fio aquecido faz com que o gás inflame, a temperatura do fio aumenta ainda mais em relação ao filamento (sensor) de referência produzindo a leitura de concentração de gases. 33
Sensores de fumaça Para se detectar fumaça, uma das formas é utilizar sensor ótico. Utilizando um compartimento livre de luzes externas, coloca-se um transmissor e um receptor de luz infravermelha com focos desalinhados em aproximadamente 30º. Quando é injetado fumaça neste compartimento, a luz do transmissor infravermelho reflete na fumaça atingindo o receptor, atuando o sensor. 34
Sensores de umidade Verifica a umidade dos materiais baseado no princípio de que os mesmos alteram sua resistência elétrica de acordo com a umidade contida em seu Interior. Exemplo de escala do sensor de umidade: 35
Strain Gauge É um transdutor de força, que converte a força aplicada de tensão ou torção em valores de resistência elétrica. Seu princípio de funcionamento está na variação de resistência elétrica causada pela variação de seu comprimento. Com o strain gauge é possível medir: - força; - torque; - vibração; - distorção - pressão. 36