AULA 5 - SENSORES DE PRESENÇA E TEMPERATURA Prof. Fabricia SENSORES DE PRESENÇA Sensores de Presença; Sensores e Posição; Sensores Ópticos; Sensores de Velocidade. Sensores Industriais Sensores Ópticos; Sensores de Presença Sensor óptico por retrorreflexão; Sensor óptico por transmissão; Sensor óptico por reflexão difusa; Sensor infravermelho ativo; Sensor infravermelho passivo; Sensor janela de luz; Barreira ultrassônica. Sensores Ópticos Ø Componentes eletrônicos de sinalização e comando que detectam qualquer material sem contato mecânico; Ø o princípio de funcionamento baseia-se na existência de um emissor e um receptor; Sensores de Presença Sensores Ópticos O sinal de luz gerado pelo emissor do sensor óptico é modulado em uma determinada freqüência e o receptor de sinal do sensor é acoplado a um filtro que só considera sinais da mesma freqüência do emissor. Ø A luz do emissor deve atingir o receptor com intensidade suficiente para fazer com que o sensor comute na saída; 1
Sensores Ópticos Ø Oscilador: gera o sinal elétrico modulado e envia ao emissor; Ø Emissor: transforma o sinal do oscilador em um feixe de luz pulsante; Ø Receptor: converte o sinal de luz pulsante em sinal elétrico modulado; Ø Pré-amplificador: amplifica o sinal do receptor para níveis compatíveis com circuito eletrônico do sensor; Sensores de Presença Sensores ópticos Ø Discriminador: compara o nível do sinal recebido do analisador da freqüência com níveis preestabelecidos; Ø Estágio de saída: recebe o sinal do discriminador e comuta a carga; Ø LED: indicador de estado, sendo acionado pelo discriminador; Ø Fonte de alimentação: a alimentação do circuito sensor é feito por um regulador interno. Sensores ópticos Aplicações: Contagem e posicionamento de objetos Sensores Ópticos Aplicações: Contagem e posicionamento de objetos Sensores ópticos por retrorreflexão Sensores ópticos por retrorreflexão Ø O emissor e o receptor estão montados juntos; Ø O feixe de luz é estabelecido entre o emissor e o receptor por intermédio do refletor; Ø O sensor é ativado quando o objeto interrompe o feixe de luz. Ø Objetos transparentes, claro ou brilhantes podem não são detectados por esse tipo de sensor; Ø A distância de acionamento é dependente das características do refletor; Ø Uma falha no emissor pode ser interpretada como se um objeto estivesse presente. 2
Sensores ópticos por transmissão Emissor e receptor montados em dispositivos separados; Quando alinhados criam uma barreira de luz; A presença de um objeto interrompendo essa barreira faz com que o sensor seja ativado. Sensores ópticos por reflexão difusa Emissor e receptor montados no mesmo dispositivo; A luz enviada pelo emissor cria uma região ativa; A presença de um objeto faz com que essa luz seja refletida de forma difusa, de volta ao receptor, ativando o sensor. Sensor infravermelho ativo Sensor infravermelho passivo Esses sensor tem o mesmo princípio de funcionamento dos sensores ópticos do tipo barreira, porém usados em outro tipo de aplicação (alarmes, sistema de controle de intrusão); Podem ser do tipo retrorreflexivos utilizados em instalações prediais; Apenas um receptor infravermelho com ajuste de sensibilidade; Utilizado em alarmes de intrusão. Podem do tipo transmissão (transmissor e receptor) utilizados em aplicações como alarmes, iluminação automática e portas de garagens. Janela de luz Funciona da mesma forma que o sensor infravermelho ativo; Barreira Ultrassônica Sinais ultrassônicos são como ondas de som audíveis, porém com frequências muito mais altas; Possuem desde 4 até 24 feixes de luz entre os elementos; sensores São usados em sistema de segurança de máquinas industriais; Podem ser usados na detecção de pessoas nos elevadores (sistema antifechamento de portas) Possuem cristais piezelétricos que ressonam a uma frequência desejada e convertem energia elétrica em energia acústica e vice-versa; As ondas sonoras são transmitidas e refletidas na forma de um cone de um objeto para o transdutor. 3
Barreira Ultrassônica Podem detectar objetos de diversos formatos; Sensor de Posição Eles não são percebidos como acontece nos sistemas de luz; Na reflexão (em objetos) não formam nenhum padrão visível; A distância máxima entre receptor e transmissor é na ordem de 15m, variando de acordo com as condições do ambiente; Sensores de proximidade indutivos; Sensores de proximidade capacitivos; Sensores de proximidade magnéticos; Encoders. Utilizado para: detecção de pessoas, medidas de diâmetros de rolos. Sensores Indutivos São sensores de proximidade sem contato que utilizam um campo de frequência de rádio com um oscilador e uma bobina; A presença do objeto altera o campo e o circuito eletrônico detecta essa alteração. Precauções: Sensores indutivos ü Quando o sensor for instalado em um painel metálico ou ao instalar duas ou mais unidades do mesmo sensor frente a frente ou lado a lado é necessário deixar uma distância mínima. Características Gerais: Sensores indutivos ü Não possuem peças móveis e atuam sem contato físico; ü São totalmente vedados, tornando possível o uso em água, óleos, poeira etc; ü Têm grande precisão na repetição ponto de comutação (repetibilidade); ü Substituem com vantagens as chaves fim de curso e microchaves. Sensores indutivos Aplicações - detectores de proximidade: ü Controle de presença ou ausência, fim de curso; ü Detecção de passagem, de posicionamento; ü Contagem de peças. Aplicações recomendações de uso: ü Em condições ambientais severas, presença de poeira, óleo de corte, agentes químicos, umidade, vapores, choques e vibrações; ü Peças de pequenas dimensões; ü Automatismo estático. 4
Sensores Capacitivos São projetados para operar através de um campo eletrostático e detectando as alterações nesse campo quando algo se aproxima da face ativa; Quando o alvo se aproxima ele aumenta capacitância atinge determinado valor o sensor comuta de aberto para fechado. Sensores Capacitivos Blindados: usados quando os objetos difíceis de detectar por possuírem campo eletrostático muito concentrado, no entanto está sujeito comutações falsas se houver acumulo de resíduos na face ativa do sensor; Não Blindados: usado com objetos fáceis de detectar e pode ser instalado em locais que apresentam condições adversas de poeira, umidade e temperatura. Sensores Capacitivos Utilizado para detectar metais, plásticos, madeira, papelão entre outros; Aplicações: controle do nível de silo, contagem de caixas. Encoders Dispositivos que convertem um deslocamento linear ou angular em um trem de pulsos, e ainda podem ser interpretados como um byte; Divididos em dois tipos: ü Incremental: indicam o deslocamento somente em relação a um ponto inicial de referência; ü Absoluto: medem o deslocamento em relação a um ponto de referência interno do dispositivo. Encoders Encoders Aplicações : ü Controle numérico; ü Controle numérico de máquinas operatrizes ü Impressoras e Plotters X-Y; ü Controle de posição de disco de computadores; ü Controle de posições de radares. 5
LDR (Light Dependent Resistor) O LDR possui a interessante característica de ser um componente eletrônico cuja resistência elétrica diminui quando sobre ele incide energia luminosa. Isto possibilita a utilização deste componente para desenvolver um sensor que é ativado (ou desativado) quando sobre ele incidir energia luminosa. LDR (Light Dependent Resistor) A resistência do LDR varia de forma inversamente proporcional à quantidade de luz incidente sobre ele, isto é, enquanto o feixe de luz estiver incidindo, o LDR oferece uma resistência muito baixa. Quando este feixe é cortado, sua resistência aumenta. Aplicações: ü medidores de luz; ü detetores de incêndio ou de fumo; ü controladores de iluminação. Fotodiodo O fotodiodo é um diodo de junção construído de forma especial, de modo a possibilitar a utilização da luz como fator determinante no controle da corrente elétrica. É u dispositivo de junção pn semicondutor cuja região de operação é limitada pela região de polarização reversa e caracteriza-se por ser sensível à luz. Aplicações: Fotodiodo ü o foco automático de filmadora, ü na unidade ótica do CD Player e em sistema contador de pulso; ü rede de iluminação pública como sensor crepuscular; ü Temperatura; ü Vazão. Introdução SENSORES DE TEMPERATURA Quando Galileu inventou o primeiro termômetro no Séc. XVII eles eram utilizados para fins médicos e meteorológicos; Eram tubos de vidro abertos em um dos lados parcialmente preenchidos com ar e completados com água; 6
Introdução Somente cerca de 50 anos depois surgiram os primeiros termômetros de vidro com líquidos fechados desenvolvidos por Leopoldo, Cardinal dei Medici. Conhecidos como termômetros fiorentinos eram graduados entre 50, 100 e 300 graus; Em meados do Século XVIII o termômetro de mercúrio era o mais usado pela sua expansão uniforme. Termômetros de expansão de líquidos em bulbos de vidro São os termômetros de álcool ou mercúrio; O álcool tem a vantagem de ter um coeficiente de expansão maior que o mercúrio mas tem o limite de temperatura mais baixo; Esses termômetros baseiam-se no coeficiente de dilatação térmica Podem ser o tipo: imersão parcial (apenas parte do instrumento entra em contado) ou total (todo instrumento entra em contato). Termômetros de expansão de líquidos em bulbos de vidro Termômetros de imersão parcial Os termômetros do tipo imersão parcial está sujeito a erros maiores devido a diferença entre uma das partes do corpo do instrumento; A precisão desse tipo de instrumento é maior que 1º C. Termômetros Bimetálicos Constituem-se de duas tiras de metal com coeficientes de dilatação térmica diferente, fortemente fixadas; Quando a temperatura aumenta as tiras de metal começam a expandir e uma vai expandir mais que a outra resultando em uma deformação do conjunto; Utilizado para chavear um circuito ou para indicar uma determinada temperatura em uma escala; Usados em termostatos e em alguns disjuntores. Termômetros Bimetálicos 7
Termômetros Manométricos Utilizam a variação de pressão obtida pela expansão de algum gás ou vapor como meio físico para relacionar temperatura; Termômetros de mercúrio cobrem a faixa de -38 C a 590 C; Termômetro manométricos preenchidos com gás cobrem a faixa de -240 C a 645 C Sensores de Temperatura Os sensores de temperaturas são os mais utilizados em indústrias, veículos, eletrodomésticos e instalações prediais. Sensores de Temperatura -Termistores Resistores termicamente sensíveis.; São semicondutores eletrônicos que a resistência elétrica varia com a temperatura; Sensores de Temperatura -Termistores Existem duas variedades básicas de termissores: ü os de coeficiente positivo de temperatura (PTC) resistência aumenta com a temperatura; ü Os de coeficiente negativo de temperatura (NTC) resistência reduz com aumento de temperatura. Usados nas indústrias para detecção automática, medição e controle de energia física; Sensíveis a pequenas variações de temperatura. Sensores de Temperatura -Termistores Aplicações termissores: ü Química: regulação de nível de líquidos; ü Física: medição de vazão de gases e líquidos e radiometria; ü Medicina: termômetros; ü Regulação de temperatura: congelador, forno elétrico, sistema de ar condicionado e sistemas de aquecimento. ü Veículos: medição da temperatura da água e óleo; ü Projetos elétricos: compensação de variação de temperatura e medição de potência; ü Sistema de detecção e alarmes contra incêndio. Sensores de Temperatura Termistores NTC Mais usual para medições de temperatura; Não é muito usado em aplicações industriais; É um dos sensores de temperatura que fornecem a maior variação na saída por variação de temperatura, mas a relação não é linear; São elementos cuja resistência decresce com o aumento da temperatura. 8
Sensores de Temperatura Termistores PTC São resistores que apresentam um coeficiente térmico positivo, isto é, sua resistência aumenta com a temperatura; O coeficiente de temperatura do PTC é positivo apenas dentro de uma certa faixa de temperatura, fora dessa faixa o coeficiente é negativo ou nulo. Um termopar funciona medindo a diferença de potencial causada por fios diferentes. Isso pode ser usado para medir diretamente a diferença de temperaturas ou para medir uma temperatura absoluta, colocando uma junção a temperatura conhecida; Existem oito tipos se termoelementos: S, R, B, J, K, N, T e E; Após a descoberta do circuito termoelétrico, muitas combinações de elementos foram estudas. TERMOPARES T: ü Composição : Cobre(+) / Cobre Níquel(-) ü Faixa de utilização: -200 a 350 C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo. ü Adequados para medições abaixo de zero grau; ü Apresentam boa precisão na sua faixa de utilização. TERMOPARES J: ü Composição : Cobre(+) / Cobre Níquel(-) ü Faixa de utilização: -40 a 750 C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo e não devem ser usados em atmosfera sulfurosas; ü Não adequados para medições abaixo de zero grau; ü Baixo custo. TERMOPARES E: ü Composição : Cromo(+) / Cobre Níquel(-) ü Faixa de utilização: -200 a 900 C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Em ambientes redutores ou vácuo perdem suas características termoelétricas; ü Adequados para medições abaixo de zero grau; TERMOPARES K: ü Composição : Cromo(+) / Níquel - Alumínio(-) ü Faixa de utilização: -200 a 900 C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Ocasionalmente podem ser usados abaixo de zero grau; ü Não devem ser utilizados em atmosferas redutoras e sulfurosas; ü Seu uso no vácuo é por curto período de tempo. TERMOPARES S-R: ü Composição : S 90% Platina -10% Ródio(+) / Platina(-) R 87% Platina -13% Ródio(+) / Platina(-) ü Faixa de utilização: 0 a 1600 C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Não adequados para medições abaixo de zero grau em ambientes redutores ou vácuo ou atmosferas com vapores metálicos; ü Apresentam boa precisão em temperaturas elevadas. TERMOPARES B: ü Composição : 70% Platina -30% Ródio(+) 94% Platina -06% Ródio(+) ü Faixa de utilização: 600 a 1700 C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Não adequados para medições abaixo de zero grau em ambientes redutores ou atmosferas com vapores metálicos; ü Mais adequados para altas temperaturas do que os tipo S/R. TERMOPARES N: ü Composição : Níquel Cromo-Silício(+)/Níquel-Silício(-) ü Faixa de utilização: -200 a 1200 C ü Excelente resistência à oxidação até 1200 C. ü Apresentam maior estabilidade. 9
Limite de erros dos termopares: ü O erro pode ser representado em graus Celsius ou em porcentagem da temperatura medida. Termopares com isolação mineral: ü O termopar com isolação mineral é composto por um ou dois pares de fios isolados da bainha metálica por um pó isolante de óxido de magnésio altamente compactado; ü Devido essa construção eles ficam totalmente isolados do meio, resultando em maior vida útil; ü Os termopares com isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de carga metálica para garantir sua integridade em qualquer ambiente corrosivo. Sensores de Temperatura Termopares Termopar com junção exposta ü Neste caso a junção quente fica exposta na ponta do sensor; ü Proporciona o tempo de resposta extremamente pequeno e grande sensibilidade a pequenas alterações de temperatura; ü Drástica redução de vida útil, especialmente em ambientes agressivos. Termopar com junção aterrada ü Neste caso a junção é soldada junto com a bainha; ü Proporciona tempo de resposta intermediário entre a junção exposta e a isolada; ü Suscetível a ruídos. Termopar com junção isolada ü Neste caso a junção é isolada e interna; ü Proporciona boa proteção e imunidade a ruídos; ü Tempo de resposta maior quando comparado com os anteriores Termoelementos ou Termopares Montagem de Termopares -Termopar com Isolação Mineral Cabos de extensão: Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura por meio de termopares o elemento sensor não se encontra junto com o instrumento receptor. Por esse motivo torna-se necessário que o instrumento seja ligado ao termopar por fios. Cabos e fios de extensão: ü São condutores fabricados com as mesmas ligas de fios dos termopares; ü Apesar de serem dos mesmos materiais apresentam um custo menor devido as limitações temperatura às quais podem ser submetidos; Cabos e fios de compensação: ü São condutores fabricados com ligas diferentes de fios dos termopares; ü São usados em termopares do tipo S e R. Sensores de Temperatura Termoresistência RTD São sensores de temperatura cujo princípio de funcionamento baseia-se na variação da resistência elétrica do elemento condutor em função da temperatura; São sensores de temperaturas muito utilizados na indústria por suas condições de estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso, além de possuir uma larga faixa de trabalho e permitir ligações a longa distância; Os mais usados são: Pt-100; Pt-1000, Ni-100 e Ni-1000 10
Sensores de Temperatura Termoresistência Termoresistência de platina (Pt-100): ü A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido à grande estabilidade e precisão; ü Faixa de trabalho: Classe A (-200 a 650 C) e Classe B (-200 a 850 C a mais usada) Sensores de Temperatura Termoresistência X Termopar Vantagens do Pt-100 ü Possui maior precisão dentro da faixa de utilização; ü Possui melhor estabilidade e repetibilidade quando comparado com os termopares; ü Quando ligados corretamente não existe limite de distância; ü Dispensa o uso de cabos de extensão e compensação para ligação, sendo necessário somente fios comuns; ü Se adequadamente protegido, permite a utilização em qualquer ambiente; ü Curva de resistência x temperatura mais linear; ü Menos influenciados por ruídos elétricos. Sensores de Temperatura Termoresistência X Termopar Desvantagens do Pt-100 ü É mais caro que os demais sensores; ü Range de temperatura menor do que os termopares; ü Deteriora-se com maior facilidade quando ultrapassa a temperatura máxima de utilização; ü É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação; ü Possui um tempo de resposta mais alto que dos termopares; ü Mais frágil mecanicamente; ü Ele se autoaquece, exigindo instrumentação sofisticada. Referências Bibliográficas BALBINOT, A., BRUSAMARELLO, V. J., "Instrumentação e Fundamentos de Medidas", Volume 1, 2a Edição, LTC, Rio de Janeiro, 2011; BALBINOT, A., BRUSAMARELLO, V. J., "Instrumentação e Fundamentos de Medidas", Volume 2, 2a Edição, LTC, Rio de Janeiro, 2011. 11