AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

PARTE 5

SENSORES E TRANSDUTORES

Nestor Agostinisibratec@sibratec.ind.br

Rio do Sul (SC), 12 de março de 2014

1. SENSORES E TRANSDUTORES

O Vocabulário Internacional de Termos Técnicos apresenta as seguintes definições para transdutore sensor:

Transdutor de medição: Dispositivo que fornece uma grandeza de saída que tem correlaçãodeterminada com a grandeza de entrada. Exemplos: termopar, transformador de corrente,extensômetro elétrico de resistência, eletrodo de pH.

Sensor: Elemento de um instrumento de medição ou de uma cadeia de medição que é diretamenteafetado pelo mensurando. Exemplos: junta de medição de um termômetro termoelétrico, rotor deuma turbina para medir vazão, tubo de Bourdon de um manômetro, boia de um instrumento demedição de nível, fotocélula de um espectrofotômetro.

Na prática, os termos transdutor e sensor são frequentemente tomados como sinônimos, visto que,em última análise, ambos convertem um tipo de energia em outra que possa ser mais facilmentemedida.

Há, porém, vários transdutores que não executam a função de um sensor (alto falantes,microfones, solenoides, etc.).Resumindo: os transdutores são diferentes dos sensores, embora, em aplicações específicas elespossam funcionar como tais.

1.1. Características gerais dos sensores e transdutoresO sensor, com certeza, é o elemento mais básico e comum em qualquer processo de automação,principalmente industrial. É através desse dispositivo que todo o sistema é capaz de coletarinformações da planta fabril e, com base nisso, executar determinada tarefa.Existem algumas características que são gerais a todos os sensores e outras que são especificas aum determinado tipo de sensor. Através do conhecimento destes princípios o engenheiro outécnico pode escolher e dimensionar o melhor tipo segundo sua necessidade.

A dúvida inicial para se determinar um sensor, geralmente, é: “Quais são os parâmetros a serem

observados na escolha ou dimensionamento de um sensor?”. A resposta a esta dúvida depende dosensor, porém genericamente, há um conjunto de características importantes a serem consideradas,que são:

a) LinearidadeÉ o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física. Quanto maior, mais fiel é aresposta do sensor ao estímulo. Consequentemente, pode-se conferir uma maior precisão aosistema.

b) Faixa de atuaçãoÉ o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor, sem destruição ouimprecisão.

c) HistereseÉ a distância entre os pontos de comutação do sensor, quando um atuador dele se aproxima ou seafasta.d) SensibilidadeÉ a distância entre a face do sensor e o atuador no instante em que ocorre a comutação.

e) Frequência de comutaçãoÉ a quantidade máxima de mudanças de estado em um determinado intervalo de tempo.

f) Distância sensoraÉ a distância em que, aproximando-se o acionador da face sensora, o dispositivo muda de estado.

Os transdutores de entrada dos sistemas de medida denominam-se sensores e convertem umaquantidade física ou química de entrada numa outra (geralmente elétrica) na sua saída. Os transdutores de saída dos sistemas de medida denominam-se atuadores e convertem umaquantidade (geralmente elétrica) de entrada numa outra física ou química na sua saída. A função de um transdutor pode ser descrito de diversas formas, destacam-se duas formas usuais:

• Estrutura Funcional: onde se descreve o método adotado para realizar a medida através defunções ou estruturas básicas.

• Estrutura Orgânica: onde se apresenta a função do sistema de medida através daimplementação física de grupos de funções ou estruturas básicas.

Figura 1.1: Descrição funcional e orgânica de um transdutor de pressão

2. ELEMENTOS BÁSICOS DE SENSORIAMENTO

Em geral, os sistemas de sensoriamento possuem elementos sensores ou transdutores que atuammedindo ou transformando formas de energia. A realização das medições ou transformações deenergia é efetuada por elementos de contato.

2.1. Formas de energia

Podem-se distinguir seis diferentes formas de energia:

• Energia Luminosa: Energia relacionada com ondas eletromagnéticas de radio, micro-ondas,infravermelho, luz visível ultravioleta, raios-X, raios gama etc. Ex. Intensidade luminosa, comprimento de onda, polarização, fase, refletância, transmitância, etc.

• Energia Mecânica: Energia relacionada a forças, deslocamentos e fluxos mecânicos além daenergia gravitacional. Ex. Força, pressão, torque, vácuo, vazão, volume, espessura, massa, nível, posição, deslocamento,velocidade, aceleração, inclinação, rugosidade, etc.

• Energia Térmica: Energia relacionada à cinética de átomos e moléculas. Ex. Temperatura, calor, calor específico, entropia, fluxo de calor.

• Energia Elétrica: Energia relacionada à eletricidade em geral. Ex. Tensão, corrente, carga, resistência, indutância, capacitância, constante dielétrica, polarizaçãoelétrica, frequência, duração de pulsos, etc. • Energia Magnética: Energia correspondente aos fenômenos do magnetismo em geral. Ex. Intensidade de campo, densidade de fluxo, momento magnético, magnetização,permeabilidade, etc.

• Energia Química: Energia relacionada com os fenômenos de interação química da matéria. Ex. Composição, concentração, taxa de reação, toxicidade, potencial de oxi-redução, PH, etc.

Em geral, os transdutores atuam convertendo as formas de energia apresentadas em sinaiselétricos, visto que é mais fácil realizar medidas nestes últimos.

Figura 2.1: Interação entre as várias formas de energia

Existem uma diversidade de efeitos físicos ou químicos utilizados para a realização de conversãode energia nos transdutores de entrada ou saída de um sistema de medida. Como em geral, no caso dos transdutores de entrada ou sensores, deseja-se converter estes sinaispara o domínio elétrico ou do domínio elétrico para outro domínio no caso dos transdutores desaída ou atuadores, apresenta-se alguns dos efeitos mais usados para a implementação de sensorese atuadores, nas tabelas a seguir:

Tabela 2.1: Transdução de Energia Luminosa

Efeito Descrição Fotovoltáico Uma tensão é gerada pela radiação

incidente na junção de dois materiaisdiferentes

Fotocondutividade O aumento da condutividade elétrica deum material devido à incidência de umaradiação

Fotoeletricidade Elétrons e lacunas são gerados eseparados na área da junção devido a umaradiação incidente

Fotoluminescência Uma energia radiante é emitida devido àuma radiação incidente com menorcomprimento de onda

Fotodieletricidade A mudança de uma constante dialéticadevido a uma radiação incidente

Electroluminescência Uma energia radiante é emitida devido aação de um campo elétrico

Incandescência Emissão de radiação devido aomovimento térmico de átomos ativadospor uma corrente elétrica

Tabela 2.2: Transdução de Energia Mecânica

Efeito Descrição Piezoresistividade Variação da resistência elétrica de um

material devido à mudança dacondutividade ou forma quando sujeito àdeformações mecânicas

Piezoeletricidade Geração de cargas superficiais devido aforças mecânicas e vice-versa

Magnetostrição Deformação mecânica de um materialdevido ao campo magnético ou mudançade magnetização do material devido àdeformação mecânica

Fotoelasticidade Geração de refração dupla devido a forçasmecânicas

Termoelasticidade Geração de uma tensão em duas regiõesde um metal devido a deformaçõesmecânicas ou diferenças de temperaturana região

Triboeletricidade Geração de cargas elétricas superficiaisdevido ao atrito entre dois materiais

Tabela 2.3: Transdução de Energia Térmica

Efeito Descrição Termoeletricidade (Seebeck) Geração de uma corrente elétrica num

circuito fechado de dois condutores comdiferentes temperatura de junção

Piezoeletricidade Mudança de polarização elétrica devido àvariações da temperatura

Incandescência Emissão de energia luminosa devido aoaquecimento de um material

Peltier Geração de uma diferença de temperaturaentre duas junções devido a passagem deuma corrente elétrica

Nerst Geração de um campo elétrico devido a umgradiente de temperatura e campo magnético

Supercondutividade Mudança da condutividade para um valorperto de infinito abaixo de uma temperaturacrítica

Eletro-térmico Geração de calor em um condutor devido apassagem de uma corrente elétrica

Termocondutividade Mudança da condutividade elétrica devido àvariações da temperatura

Tabela 2.4: Transdução de Energia Magnética

Efeito Descrição Hall Geração de um campo elétrico em um

condutor, devido à corrente e campomagnético que se encontram mutuamenteperpendiculares

Magneto-resistência Mudança da resistividade de um materialdevido ao campo magnético

Magnetostrição Uma deformação mecânica é gerada nummaterial ferromagnético pelo campomagnético incidente

Eletromagnético Mudança da magnetização devido à umacorrente elétrica

Maggi-Righi-Leduc Mudança da condutividade térmica devidoao campo magnético incidente

Suhl Mudança de condutividade na superfíciede um semicondutor devido ao campomagnético

Tabela 2.5: Transdução de Energia Química

Efeito Descrição Volta Geração de tensões entre dois metais

diferentes Galvano-elétrico Geração de tensões entre dois metais

diferentes quando imersos num eletrólito

Químico-magnético A variação da magnetização de ummaterial magnético pela absorção de umgás

Eletroquímico Mudança de estrutura devido a umacorrente elétrica

Termoquímico Mudança de estrutura devido a umavariação da temperatura

Químico-elétrica Mudança na condutividade da superfíciede um semicondutor quando em contatocom um eletrólito

3. PRINCIPAIS MODALIDADES DE SENSORES DE USO INDUSTRIAL

3.1. Sensores de posição

Os sensores de posição, em geral, convertem, energia mecânica em sinais elétricos.Neste grupo encontram-se potenciômetros, encoders, sincros, indutivos de deslocamento,sensores a laser e os ultrassônicos.

a) Potenciômetro: é um sensor de posição do tipo absoluto e com saída analógica. Basicamente,consiste de uma resistência elétrica de fio enrolado ou de uma pista de material condutor,distribuídos ao longo de um suporte que pode ser em forma de arco ou linear. Há um cursor quedesliza sobre o material condutivo ligado a um contato. Dependendo da posição em que seencontra o cursor a resistência entre o início da pista e o próprio cursor é alterada. Esta alteraçãode resistência é utilizada como indicador de posição.A taxa de variação da resistência em função do giro ou do deslizamento do cursor pode ser:

- Linear: a variação da resistência é diretamente proporcional ao ângulo de giro;- Logarítmica: a variação segue uma curva log;- Anti-logarítmica: a variação segue uma curva anti-log;- Etc.

Na prática há vários tipos de potenciômetros.

Figura 3.1: Estrutura dos potenciômetros

O tipo de aplicação determina o modelo a ser escolhido.

Figura 3.2: Potenciômetros comerciais

Esquematicamente o potenciômetro possui o seguinte símbolo.

Figura 3.3: Símbolo de potenciômetro

Para a escolha do tipo de potenciômetro a ser aplicado a um sistema de automação é necessárioconsiderar itens tais como: precisão, sensibilidade, formato mecânico, etc.

Exercício resolvido: O esquema abaixo representa um sistema de automação onde umpotenciômetro linear de 100 kΩ de resistência total recebe a informação da posição de giro de umapolia. Sabendo-se que o ângulo de giro do potenciômetro é de 270° e que os valores mínimo emáximo de resistência entre os pontos B e A é 1 kΩ e 99 kΩ, respectivamente, determine qual avoltagem mínima, máxima e qual sua variação por grau de giro da polia.

Solução:

Figura 3.4: Utilização de potenciômetro

A menor tensão obtida ocorre quando a resistência entre B e A é de 1 kΩ. Nesta condição aresistência entre B e C é de 99 kΩ.

Pela regra da divisão de tensão tem-se: V24,024.

100

1minimo Vsinal ==

V76,2324.100

99máximo Vsinal ==

Para um giro de 270°, obtém uma variação de tensão de 23,76 – 0,24 = 23,56 V

Através de regra de três, concluí-se que: mV8,81 =

°

b) Encoder: o encoder é um sensor de posição digital, ou seja, a saída é em formato de pulsoselétricos e não de uma variação de tensão como nos potenciômetros. Do ponto de vista deconstrução física externa, os encoders tem semelhança com um potenciômetro.

Figura 3.5: Encoder

Internamente, no entanto, não há nenhuma similaridade com os potenciômetros. Os pulsos sãogerados por um rotor que gira uma ou mais pistas circulares, concêntricas com faixas opacas etranslúcidas. Sobre essas faixas é instalado um sensor foto acoplador, geralmente, foto transistor eled. O led produz luz e esta somente atinge o foto transistor nos momentos em que a faixatranslúcida passa pelo sensor, desta maneira são gerados pulsos 0, quando a faixa preta passa pelosensor e 1 quando a faixa translúcida passa pelo sensor.

Figura 3.6: Princípio de funcionamento do encoder

Quanto a forma de apresentação dos pulsos, os encoders podem ser classificados em:

b1) Incrementais: são encoders que contam pulsos a partir de um ponto zero. O início dacontagem pode ocorrer a qualquer momento, por isso são ditos incrementais. É o mesmo principiode funcionamento do mouse dos computadores. Existem vários modelos de encoders incrementais,alguns possuem apenas um canal, ou seja, apenas uma pista de faixa de forma que fornecemsomente uma sequência de pulsos sem nenhuma espécie de formatação. Existem também modelosque fornecem, além da sequência de pulsos dentro de cada giro, um pulso a cada volta, assimconsegue-se determinar o número de voltas. Outro modelo possui a capacidade de perceber osentido de rotação. Um sistema para determinar o sentido de rotação consiste na utilização de doissensores separados entre si por p+1/4, onde p é o passo do disco. Ao girar o rotor produz pulsosquadrados em cada sensor defasados de ¼ do período se o rotor estiver girando em um sentido.No outro sentido a defasagem aumenta para ¾ do período. Assim, consegue-se determinar osentido da rotação.

Figura 3.7: Funcionamento do encoder incremental

b2) Absolutos: os encoders absolutos são do tipo multi-pista. Eles possuem, internamente, umconjunto de pistas que criam um código. Desta maneira, em cada posição ele gera umacombinação de pulsos diferente. Os códigos usualmente utilizados são o Gray, o BCD ou o bináriopuro.

Figura 3.8: Funcionamento do encoder absoluto

b3) Especificação de encoders

Para especificar encoders é necessário considerar alguns aspectos importantes, tais como:

1. Tipo: decidir entre um encoder incremental ou um absoluto. Em geral, os encodersabsolutos são bem mais caros do que os incrementais. A decisão entre um tipo ou outro deve sertomada em função do que se pretende desenvolver. Com o encoder absoluto sempre é possívelsaber a posição correta de um dispositivo, pois o código gerado é diferente para cada posição.

SENTIDO HORÁRIO

A

B B

A

SENTIDO ANTI-HORÁRIO

Com encoder incremental, geralmente, é necessário ressetar o sistema e iniciar a partir de umponto definido para ajustar a posição. A tentativa de ajustar posições com um encoder incrementalpode levar a erros acumulativos, que ao final de um percurso podem gerar grandes distorções emrelação ao desejado. Observe a figura. Suponha que o ponto A seja o ponto zero e que em quatropassos pretende-se atingir o ponto G, de modo cumulativo:

- no primeiro movimento deseja se atingir B, porém, devido a erros o ponto atingido foi C;

- no segundo movimento pretende-se chegar ao ponto D, porém, como já se está par- tindo de um ponto errado a tendência é que haja um erro em D que é o erro já exis- tente somado com um novo erro que pode ser introduzido; assim chega-se a E;

- no trajeto seguinte ocorre o mesmo problema, com o erro tendendo a aumentar. O ponto correto seria o F porém pode-se atingir o ponto G.

O procedimento recomendado para esta situação é o seguinte:- primeiro realiza-se o movimento de A para B e, do mesmo modo que no caso anterior pode

haver um erro e pode-se chegar em C;- no segundo passo resseta-se a máquina, ou seja, volta-se ao ponto A (zero);- no terceiro movimento tenta-se atingir D. Pode haver um erro, porém o fato de estar

partindo de um ponto conhecido a tendência é que este erro seja menor do que o obtido nomodo anterior;

- procede-se da mesma maneira para chegar a F. Primeiro resseta-se a máquina e, emseguida, realiza-se o movimento até F, podendo haver um erro, porém menor do que o erroobtido no modo de operação anterior.

Figura 3.9: Propagação de erros

2. Tensão de alimentação: existem encoders para as mais diversas tensões de alimentação.Evidentemente, deve-se escolher a que melhor se adapta ao restante do projeto;

3. Pulsos por volta (para os modelos incrementais): quanto maior for o número de pulsos porvolta, maior é a sua resolução, porém, o aumento da resolução implica no aumento de custo;

4. Número de canais: (para os modelos incrementais):

5. Número de bits de resolução (para os absolutos): o aumento do número de bits de resoluçãoimplica em aumento de custo

6. Frequência máxima de operação: os encoders são limitados a certa velocidade máxima queprecisa ser avaliada quando da aplicação;

7. Tipo de sinal de saída: sempre depende do restante do sistema, a não ser que seja um sistematotalmente novo onde pode ser especificado qualquer saída. Dentre as várias modalidades de sinalde saída tem-se: NPN, PNP – são saídas a transistor em coletor aberto. A saída NPN, push pull,TTL.

8. Tipo de fixação: axial ou radial.

A B C D E F G

c) Folha de especificações típica de um encoder

Figura 3.10: Folha de especificações técnicas do encoder incremental

Figura 3.11: Folha de especificações técnicas do encoder absoluto

c4) Exercícios resolvidos:

1. Um determinado sistema requer a monitoração de deslocamento de uma peça (P) sobre umcilindro com diâmetro de 100 mm, ligado a um motor (M) com rotação de 900 rpm. Não nenhumapossibilidade de haver escorregamento entre a peça P e o cilindro (C). Um encoder é ligado aoeixo do cilindro. Admitindo que o avanço da peça necessita ser monitorado em até 1 mm comuma precisão de 0,1 mm. Admitir que o sistema avança, produz uma peça, recua, recebe o novomaterial, avança novamente, produz outra peça e assim sucessivamente. Especificar o encoder incremental necessário a esta aplicação.

Figura 11.14: Uso do encoder

Solução: Primeiramente é necessário saber a relação entre o avanço da peça e a rotação do motor,ou seja, quantos milímetros a peça avança para cada rotação do motor. Esta relação é conseguidaatravés do diâmetro do cilindro.

mm314Avanço

14,3.100Avanço

.dAvanço

=

=

π=

Assim, a cada rotação a peça avança 314 mm.Conforme solicitado é necessária uma definição de 1 mm com exatidão de 0,1 mm. Ou seja sãonecessários, no mínimo, 10 pulsos por milímetro de avanço. O encoder pode então serespecificado:

rotação/3140pulsos_de_Número

10x314pulsos_de_Número

=

=

Precisa-se de um encoder com, no mínimo 3140 pulsos por rotação.

As demais especificações são todas obtidas do enunciado do problema:- frequência máxima de operação: 900rpm ou 15 Hz;- Necessita de dois canais, pois é necessário determinar o sentido de rotação do motor;

2. Resolver o mesmo exercício anterior utilizando um encoder absoluto com saída digitaldireta. Neste caso é necessário especificar o número de bits de resolução.

Solução: A relação entre o avanço da peça e a rotação já é conhecida do problema anterior, 314mm por rotação.

M

C

PAVANÇO DA PEÇA

ENCODER

SENTIDO DE ROTAÇÃO DOMOTOR DURANTE O AVANÇODA PEÇA

Para obter a resolução de 0,1 mm são necessárias 3140 posições. Para a saída digital direta vale aseguinte relação:

Onde x representa o número de bits necessários.

Observar que 11 bits são poucos e 12 bits é o primeiro inteiro superior a 11,6. Isto significa que oencoder precisa ter uma resolução de 12 bits.

As demais especificações são as mesmas do problema anterior.

d) Sincros e resolvers: são transdutores de posição angular eletromagnéticos. Seu principio defuncionamento se resume em um transformador onde um dos enrolamentos é rotativo. Nafigura é mostrado em sincro trifásico. Quando se aplica uma tensão ao enrolamento rotativo,se recolhe em cada fase dos enrolamentos estáticos uma tensão cujo valor é dado por:

θ= sen.VV 21

Figura 3.12: Funcionamento do sincro

Onde V1 e V2 são tensões que dependem dos aspectos construtivos do sincro e θ é o ângulo entreo enrolamento fixo e o enrolamento rotativo. Observar que, pelo fato do estator ser trifásico épossível determinar, além do deslocamento, também seu sentido.No caso de existir somente uma fase no estator há uma indefinição do sentido do deslocamento,visto não haver outras fases para realizar a comparação de tensões. Para solucionar este problemafoi implementado um sincro com uma configuração especial, denominado de resolver. Os

6,11x

693,0

052,8

)2ln(

)3140ln(x

)3140ln()2ln(.x

)3140ln()2ln(

31402x

x

=

==

=

=

=

enrolamentos do estator são alimentados em série, produzindo um campo estacionário sobre o eixoy. Os enrolamentos do rotor recolhem tensões diferentes em função da montagem.

Figura 3.13: Funcionamento do resolver

e) Inductosym: os sensores inductosym possuem como principio de funcionamentoeletromagnético e são utilizados em máquinas de controle numérico. O dispositivo consiste deuma régua estática e um cursor que se movimenta sobre ela. A régua contém um filme metálicocom a forma de uma onda quadrada, com um período (g) em (mm). O cursor tem dois padrõessemelhantes e quando acoplado à régua o sistema se comporta como um transformador plano,assim o cursor será o primário e a régua o secundário. Se forem aplicadas tensões no primário:

com ω = frequência da excitaçãoA tensão no secundário será:

sendo s = o deslocamento da bobina e1 em um período. Notar que se completará um cicloquando o deslocamento é igual a um período da régua.

)t.cos(.ee

)t.sen(.ee

2

1

ω=

ω=

)s.gt.sen(.ee xs +ω=

Figura 3.14: Funcionamento do inductosym

f) Laser: o laser é utilizado na detecção de distância utilizando as propriedades da interferência deraios luminosos. Em geral, a emissão do laser é pulsada em certa frequência de operação. Oprincípio de funcionamento se baseia na superposição de duas ondas de mesma frequência: umadireta e outra refletida. A onda resultante passa por valores máximos e mínimos de acordo com afase do sinal refletido (franjas). Os sensores industriais geram um raio de luz que se divide emduas partes ortogonais mediante um separador. Um raio é aplicado sobre um espelho plano fixo,enquanto que o outro se reflete no objeto em que se deseja determinar a distância. Os dois raios sesobrepõem novamente no separador, de forma que ao separar-se geram máximos mínimos a cadamúltiplo do comprimento de onda da luz. A distância é determinada contando as oscilações(conhecidas também como franjas), obtendo-se uma saída digital de grande precisão.

Figura 3.15: Funcionamento do sensor laser

g) Ultrassônicos: os sensores ultrassônicos baseiam-se no princípio da reflexão do som. É emitidoum raio ultrassônico, geralmente pulsado, com frequência da ordem de 200 kHz ou mais, queatinge o objeto do qual se quer determinar a distância e mede-se o tempo até o retorno do sinalrefletido. Usualmente são empregados para detectar o nível em depósitos de sólidos, falhas do tipogretas em montagens industriais, profundidade de água, medições remotas de distância, etc.

h) Fotoelétricos de triangulação: os sensores fotoelétricos de triangulação conseguemdeterminar a distância em que se encontra um ponto utilizando diodos sensíveis à posição. Sãoutilizados dois receptores e tanto os receptores como o emissor são munidos de lentes asféricasque permitem maior precisão de detecção. O sensor funciona da seguinte maneira: o emissor emiteum feixe de luz que é refletido pelo objeto alvo. A luz refletida chega às lentes asféricas dosreceptores que se encarregam de concentrar a luz em um ponto dos diodos sensíveis à posição.Este componente tem a característica de fornecer duas correntes elétricas que são proporcionais aoponto de incidência da luz. Como o ponto de incidência da luz nos diodos muda de acordo com aposição do objeto pode-se, através de um circuito de controle, selecionar a área de detecção dosensor. Além disso, pelo fato destes diodos não dependerem da quantidade de luz refletida peloobjeto e sim de sua posição, pode-se detectar objetos de diferentes cores ou multicoloridos sem anecessidade de reajustar a sensibilidade.

GERADOR DERAIOS LASER

ESPELHO PLANO

SEPARADOR DE RAIOS

RAIO REFLETIDO

RAIO ENVIADO

CONJUNTOFOTODETECTOR

CONTADORVISUALIZADORDE FRANJAS

PROCESSADORVISUALIZADOR MÉTRICO

OBJETO QUE SEDESEJA DETERMINAR

A DISTÂNCIA

4. SENSORES PARA DETECÇÃO DE EVENTOS

Os sensores para detecção de eventos podem ser utilizados na indústria como contadores, sensoresde velocidade, sensores e posição, etc. O único detalhe é que é necessário conhecer muito bem ascaracterísticas de utilização para poder escolher o sensor adequado para cada finalidade. Umsensor indutivo, que será visto em seguida, pode ser utilizado como detector de um evento,aproximação de uma parede, por exemplo. Pode também ser utilizado como contador de eventos,cada peça que passa próximo a ele gera um pulso que é contado em um contador eletrônico,controlador lógico programável, computador ou qualquer outro processo. Ele também pode serutilizado como medidor de velocidade. Neste caso é feita uma relação entre a quantidade de pulsoscontados em cada período de tempo. Suponha que uma roda dentada com 60 dentes é conectada aum eixo. Cada vez que o sensor acumular 60 pulsos será 1 giro do eixo. O mesmo sensor podetambém ser utilizado para indicar posição. No mesmo exemplo da roda dentada com 60 dentes,pode-se observar que cada dente corresponde a um giro de 6 graus. Isso pode ser utilizado paradeterminar a posição de alguma peça.

4.1. Sensor indutivo: O sensor indutivo, também conhecido como sensor de proximidade, écapaz de detectar a presença (ou não) de um objeto metálico quando este estiver a determinadadistância da sua face (distância sensora). Seu princípio de funcionamento é baseado na geração deum campo eletromagnético de alta frequência, que é desenvolvido por uma bobina ressonanteinstalada na face sensora (Figura 4.1).

Figura 4.1: Funcionamento do sensor indutivo

A bobina faz parte de um circuito oscilador, que em condição normal (não acionada), gera umsinal senoidal. Quando um metal se aproxima do campo, este através da corrente de superfícieabsorve energia, reduzindo a amplitude do sinal gerado no oscilador. Esta variação do valororiginal é, então, detectada e aciona o estágio de saída.Na Figura 4.2 pode-se observar o diagrama eletrônico simplificado de um sensor indutivo.

Figura 4.2: Diagrama eletrônico do sensor indutivo

Vantagens do uso de sensores indutivos ao invés de chaves fim de curso convencionais

- Número de manobras: por não ter partes móveis (acionamento estático), a capacidade deoperação de um sensor indutivo é muito maior que uma chave convencional;- Ausência de contato físico: como se trata de um sensor de proximidade, não há necessidade decontato físico com a parte em movimento. Novamente, isso contribui para o aumento significativoda vida útil do sistema; - Velocidade de atuação: ela é maior que a de uma chave mecânica, uma vez que não há inércia nasua operação.

A Figura 4.3 ilustra um exemplo do campo de atuação, tendo como referência sua superfície ativa.

Figura 4.3: Campo de atuação do sensor indutivo

A Figura 4.4 traz alguns exemplos de aplicação.

Figura 4.4: Aplicações do sensor indutivo

Outro "nome" atribuído ao sensor indutivo é sensor "não faceado". Essa denominação origina-se

do aspecto de instalação do componente, que por razões óbvias deve ter uma "zona livre" de metalao seu redor. Através da Figura 4.5, pode-se estimar as distâncias mínimas que um sensor destetipo deve respeitar, caso seu alojamento seja metálico, a fim de que não ocorram comutaçõeserrôneas.

Figura 4.5: Atuação do sensor indutivo

Como será visto a seguir, sensores para materiais isolantes (não metálicos) são, também,classificados como faceados, uma vez que "faceiam" seu alojamento sem correr riscos deacionamento indevido.Os sensores industriais, sejam eles indutivos ou não, podem ter suas saídas nas configurações pnpou npn. A Figura 4.6 mostra como, no primeiro, caso (pnp) a comutação da carga é feita atravésdo polo positivo da fonte. Tomando um CLP como exemplo, a carga seria acionada com + 24 Vccno seu terminal livre. Já a configuração npn conecta a carga ao zero volt, uma vez que essa já estácom o polo positivo ligado.

Figura 4.6: Sensor indutivo PNP e NPN

As saídas, normalmente, podem ser de 2, 3, ou 4 condutores, sendo esse último com (no mínimo)um contato tipo NA e um NF (Figura 4.7).

Figura 4.7: Tipos de saídas de sensores indutivos

4.2. Sensor capacitivo: Ao contrário do sensor indutivo, que funciona através da formação de umcampo eletromagnético e é indicado para detecção de partes metálicas, o capacitivo funcionasegundo um campo elétrico e é ideal para sensoriar materiais isolantes (líquidos, plásticos, vidros,entre outros). Para compreender melhor como ele faz isso, é necessário relémbrar algunsconceitos básicos dos capacitores. A capacidade de armazenar cargas de um capacitor, pode serexpressa pela fórmula:

Onde;e = constante dielétrica ou permissividade.S = área entre placasd = distância entre placas.

Concluí-se, então, que a capacidade de armazenar cargas do componente é diretamenteproporcional a área formada entre as placas e a constante dielétrica, e inversamente à distânciaentre elas.Como referência, o ar possui uma constante dielétrica e0 = 1. Convém lembrar que este valor é uma referência, e que dizer que "1" é igual a 8,9 x 10-12 F/m(Faraday/metro).A seguir, na Tabela 4.1 é apresentada a constante dielétrica dos materiais mais comuns. Quandose atribui 2 à madeira, por exemplo, significa que, fisicamente, ela apresenta 17,8 x 10-12 F/m (2x eo).

Tabela 4.1: Constante dielétrica de materiais mais comuns

TA detecção do objeto neste tipo de sensor ocorre segundo uma variação da capacitância. Conformese viu, esta depende de três variáveis em um capacitor. No sensor capacitivo, entretanto, duasdelas já são fixadas e determinadas na concepção do dispositivo (S e d).A Figura 4.8 mostra que a diferença fundamental entre o sensor capacitivo e o capacitorconvencional é que as placas não estão uma de frente para a outra, mas sim uma ao lado da outra.A área e a distância entre elas é fixa, e como as placas estão dispostas segundo esta geometria, acapacitância do elemento na ausência de um material dielétrico pode ser considerada desprezível.

Figura 4.8: Capacitor convencional X sensor capacitivo

Uma vez que um objeto dielétrico aproxima-se, porém, ao adentrar no campo elétrico sob asuperfície do eletrodo, causa uma mudança na capacitância do conjunto. Este fenômeno produzuma oscilação com uma amplitude tal que seja detectada por um circuito e convertida em umcomando para a comutação do estado da saída (Figura 4.9).

Figura 4.9: Funcionamento do sensor capacitivo

Resumindo, o sensor capacitivo funciona de acordo com a variação da constante dielétrica domaterial a ser detectado, através de um campo elétrico, e cuja alteração da sua capacitância acionaum comando de chaveamento na saída.

4.3. Sensores ópticos

Os sensores óticos, além de serem utilizados para a detecção de distância entre corpos, conformejá visto anteriormente, servem também para a detecção de eventos. Existem várias configuraçõesque podem ser utilizadas para este fim.

a) DifusoNesta configuração, o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade, sendo que oacionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade ereflete para o receptor a feixe de luz emitido pelo transmissor (Figura 4.10).

Figura 4.10: Sensor ótico difuso

b) ReflexivoO sensor óptico reflexivo, também conhecido como retro-reflexivo, assim como o difuso, tem otransmissor e o receptor montados em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor após aincidência em um espelho e o acionamento da saída ocorre quando o objeto interrompe o feixe(Figura 4.11).

Figura 4.11: Sensor ótico reflexivo

Este tipo de sensor é muito utilizado em segurança de áreas, conforme se pode ver na Figura 4.12 .Um robô é cercado por um feixe infravermelho que, após reflexões sucessivas, atinge o receptor.Caso um objeto interrompa esse feixe, o sensor será atuado, paralisado o trabalho.

Figura 4.12: Aplicação do sensor ótico reflexivo

Um cuidado a ser tomado na utilização de um sistema como este, é orientar o usuário quanto alimpeza dos sensores e espelhos. A sujeira pode gerar acionamentos indevidos. Caso o ambienteseja muito rico em poeira ou qualquer outra partícula em suspensão (névoa de óleo, por exemplo),talvez seja mais indicado utilizar outro tipo de sensor.

c) Barreira de LuzEste sensor, ao contrário dos dois anteriores, é montado em duas unidades distintas: umatransmissora e outra receptora. Cada unidade fica de um lado da trajetória do objeto-alvo, uma vezque este interrompe o feixe, e o sensor é ativado. Atualmente este é o tipo de sensor mais utilizadopara realizar proteção de máquinas industriais onde o operador manipula objetos com a mão.

4.4. Sensores ultra-sônicos: O sensor ultra-sônico emite pulsos cíclicos ultra-sônicos que, quandorefletidos por um objeto, incidem no receptor, acionando a saída do sensor. Tanto o emissor comoo receptor estão montados na mesma unidade, portanto, é necessário que haja uma reflexão (eco)do ultra-som de modo que este ative o receptor.

Figura 4.13: Utilização do sensor ultrassônico

Neste caso também se deve ter cuidado quando se decidir utilizar um sensor deste tipo, devido aoalinhamento angular. Dependendo da inclinação do alvo o eco pode desviar-se para uma direçãodiferente do sensor, não chegando ao receptor (localizado no mesmo componente). Geralmenteeste tio de sensor permite uma inclinação máxima de mais ou menos 3º (figura 4.13).Assim como o óptico, o sensor ultra-sônico pode suprimir o fundo (desprezar o eco do que não éobjeto alvo de detecção). Neste caso, tem-se o tipo de barreira de reflexo. Vale reparar que osensor ultra-sônico pode operar tal qual um óptico, no que se refere acapacidade de detecção (Figura 4.14).

Figura 4.13: Utilização do sensor ótico e ultrassônico

4.5. Sensores de temperatura: A temperatura é a medida da agitação molecular de um corpo. Aimpossibilidade de realizar diretamente esta medição conduziu ao desenvolvimento de métodosindiretos de medida. Estes métodos estão baseados nos efeitos da temperatura sobre a matéria.

Os principais sensores utilizados são:

a) Termopar: A temperatura é medida através de uma diferença de tensão originada na junção dedois metais diferentes posicionados em dois locais com temperaturas diferentes. Uma das junçõesé a de medição; a outra, a de referência. A junção de medição é colocada junto ao material cujatemperatura se quer medir enquanto a outra junção é colocada em um ambiente com temperaturaconhecida. Quando existe diferença entre as temperaturas das duas junções, é gerada umadiferença de potencial entre as mesmas (Figura 4.14). O valor desta diferença de potencialrelaciona-se à temperatura da junção de medição. Na prática, os sensores do tipo termopar sãofeitos de várias ligas de metais, de acordo com a faixa de temperatura que se deseja medir. Porexemplo: o termopar cobre/constantam é útil na faixa de -180°C a 400°C; o platina/platina-ródio éutilizável na faixa de 0°C a 1500°C.

Figura 4.14: Princípio de funcionamento dos termopares. A junção A é a de referência. B é a junção de medição

b) Termistor: A resistência elétrica é uma característica afetada pela temperatura em,praticamente, todos os elementos resistivos utilizados. Para alguns tipos de materiais, a resistênciaé alterada de modo significativo pela temperatura. Estes materiais são utilizados para a fabricaçãode um tipo especial de resistor, denominado termistor. Em geral, são fabricados com óxidos devários metais, como níquel, manganês, ferro, cobalto e cobre, encapsulados em resina epóxi ou emvidro. A medição cuidadosa da resistência serve como indicativo da temperatura com precisãotípica de ±0,1°C. Com estes dispositivos é possível alcançar resolução de 0,001°C. Podem serutilizados dentro de faixas de temperatura que vão deste -80°C até 150°C. Existem dois tipos de termistores, os PTC (Positive Temperature Coefficient – coeficiente positivode temperatura) e os NTC (Negative Coefficient Temperature – coeficiente negativo detemperatura). Nos termistores tipo PTC, a resistência é diretamente proporcional à variação datemperatura. Nos NTC, a resistência decresce com o aumento da temperatura, porém, a variaçãonão é linear (Figura 4.15).

Temp (°C)

R (Ω)

NTC

PTC

c) Semicondutor: os sensores de temperatura baseados em semicondutores aproveitam apropriedade das junções PN de alterarem a sua queda de tensão em função da temperatura. Pode-se demonstrar que, para uma junção PN de silício, a queda de tensão varia da seguinte maneira(MALVINO, 1997):

Esta variação da queda de tensão passou a ser utilizada para construir sensores de temperatura.Estes sensores são bastante lineares e muito sensíveis, dentro da sua faixa de atuação. Atuam emfaixas de temperatura desde -80°C até 150°C. Atualmente, vários sensores a semicondutorfornecem saída de sinal digital. Estes são, geralmente, constituídos por um sensor analógico (tipojunção semicondutora), acoplado a um circuito eletrônico condicionador de sinal, que converte avariação de queda de tensão em sinais digitais. Na apresentação dos componentes utilizados nestetrabalho são mostradas as características dos sensores aqui utilizados.Um dos mais conhecidos sensores de temperatura a semicondutor é o LM35. Este circuitointegrado é muito parecido com um transistor comum, no entanto ele é um excelente sensor detemperatura

Figura 4.16: O sensor de temperatura LM35

O LM35 possui uma saída linear quer varia em 10mV/°C dentro de uma faixa o operacional de-55°C a 150°C.

Figura 4.15: Curvas características de variação da resistência em função da temperatura nos termistores

dV/dt = -2mV/°C

4.6. Sensores de umidade: Existem vários sensores que possibilitam a medição da umidaderelativa do ar. Dois deles, bastante difundidos são:

a) Resistivo: Estes utilizam a propriedade de alguns materiais (certos polímeros orgânicos) dealterar sua resistência elétrica em função da umidade. Estes sensores possuem uma relação nãolinear entre a resistência e a umidade. Em geral, não conseguem apresentar resultados em toda afaixa de medição, a qual é de 0% a 100% de umidade relativa.

b) Capacitivo: São construídos em forma de um capacitor. Duas lâminas metálicas separadas porum material isolante que forma o dielétrico. A umidade do ar afeta a constante dielétrica domaterial isolante, alterando a capacitância do conjunto.Um indicativo usual da umidade, quando são utilizados sensores capacitivos, é a frequência deoscilação de um circuito, que varia em função da alteração da capacitância. Estes sensores possibilitam medição em toda a faixa (0% a 100% de umidade relativa) permitem aconstrução de aparelhos portáteis. Por isso, popularizaram-se a tal ponto que atualmentedominam o mercado.

Em geral, o sinal de saída desses sensores é uma tensão proporcional à umidade relativa. A Figura4.16 mostra o sinal de saída e o aspecto físico típico de um sensor de umidade comercial.

Figura 4.17: Sinal de saída do sensor de umidade HIH3610 (Honeywell)

Outro sensor de umidade extremamente prático e que vem se difundindo muito é o HS1101 daHumirel. Esse sensor é do tipo capacitivo e, em geral ele é utilizado em circuitos osciladores.

Figura 4.17: Sensor HS1101 e variação de capacitância em relação a umidade relativa

Figura 4.18: Circuito típico de utilização do sensor HS1101

4.7. Sensores de deslocamento de fluxo de ar: O deslocamento do fluxo de ar é medido deformaindireta. O que se mede é o efeito do deslocamento do ar sobre algum componente. Dentre asvárias maneiras disponíveis no mercado tem-se:

a) Mecânicos do tipo ventoinha: O sensor é uma ventoinha exposta ao fluxo de ar. Sua rotaçãoé proporcional à velocidade do fluxo de ar. Basta, portanto, criar uma escala que relacione taxa derotação da ventoinha com a velocidade do ar. Este sistema é muito prático para estaçõesmeteorológicas e para locais onde a velocidade do ar é suficientemente elevada para vencer oatrito dos mancais (ou rolamentos) da ventoinha;

b) Térmicos: A anemometria térmica é uma técnica de medição de velocidade de fluidos que vemsendo estudada e utilizada há várias décadas. Fundamentalmente, baseia-se no princípio de queum elemento resistivo aquecido, quando submetido a um fluxo de fluido, perde calor, diminui suatemperatura e altera sua resistência elétrica. A variação da temperatura ou de sua resistênciaelétrica podem ser utilizadas como indicativo da velocidade do fluido a que foi submetido. Otermistor (elemento geralmente utilizado como sensor) deve ser mantido a uma temperaturasuficientemente elevada, de modo que a influência da temperatura ambiente não tenha efeitos

significativos sobre a medição, ou deve possuir uma correção de leitura em função da temperaturaambiente. Para determinar-se a velocidade de um fluido, utilizando-se anemometria térmica, pode-seempregar duas técnicas:

- mantém-se a potência entregue ao termistor constante e mede-se a sua

temperatura. Neste caso, a temperatura do termistor é um indicativo da velocidadedo fluido. Assim, necessita-se de um termômetro para obter a grandeza desejada oque se constitui em um complicador para a utilização deste método.

- varia-se a potência entregue ao termistor de forma a mantê-lo com temperatura

constante. Neste caso, a potência entregue é um indicativo da velocidade do fluido.Caso lhe seja suprida uma corrente constante, então, pode-se utilizar a queda detensão sobre o elemento resistivo para determinar a velocidade do fluido. Este é ométodo de determinação de velocidade do fluxo de ar utilizado neste trabalho.

Os sensores utilizados na anemometria térmica, geralmente, são termistores com inérciatérmica suficiente baixa para serem sensíveis às mínimas variações do fluxo de ar. A Figura4.18 mostra um típico sensor do tipo termistor.

Figura 4.18: Termistores utilizados em anemometria

4.8. Sensores de peso: Basicamente os sensores de peso são as células de carga. Atualmente nãose utiliza outro tipo de sensor que não seja esse. Célula de carga é um dispositivo eletromecânico que mede a deformação ou flexão de um corpo,através de uma pequena mudança na sua resistência elétrica interna em função da carga aplicada.Essa resistência variável é denominada de extensômetro (strain gage). A variação da resistência écaptada por um circuito denominado de ponte de Wheatstone. O tipo de aplicação da célula é ofator determinante para a escolha da quantidade de extensômetros e configuração do circuito daponte.

Figura 4.19: Aspecto físico de uma célula de carga

Figura 4.20: Ponte de Wheatstone

Os resistores R são fixos e SG1 é a célula de carga. Eo é a tensão captada no circuito eletrônico. Aponte de Wheatstone pode ser calibrada para que a tensão Eo seja 0 Volts. Qualquer pequenavariação na resistência SG1 faz com que essa tensão deixe de ser 0 Volts. Essa tensão éprocessada em um circuito eletrônico e transformada em uma escala de peso.

4.9. Sensores de pressão: A medição da pressão pode ser feita de várias maneiras. Uma das maisantigas é o medidor mecânico, como mostrado na figura 4.21.

Figura 4.21: Medidor de pressão mecânico

Evidentemente o processo mecânico de medição de pressão não é adequado por não fornecer umsinal elétrico tratável em circuitos eletrônicos. Por isso foram desenvolvidos outros sensores paraa pressão. Dentre os mais importantes temos:

a) Sensores de pressão capacitivos: funcionam de modo semelhante ao sensor de umidadecapacitivo. A pressão deforma uma das placas de um capacitor fazendo com que a capacitânciavarie. Essa variação de capacitância pode ser tratada em circuitos eletrônicos.

Figura 4.22: Estrutura interna de um sensor de pressão capacitivo e aspecto físico

b) Sensores de pressão a semicondutor: Os sensores desta modalidade funcionam através deum princípio encontrado nos semicondutores, que é a mudança da resistência interna em função dapressão. Essa mudança da resistência interna é captada por um circuito eletrônico que faz asdevidas conversões para poder ser transformada em um sinal elétrico utilizável.

Figura 4.23: Estrutura interna de um sensor de pressão a semicondutor e aspecto físico

Atualmente o sensor de pressão a semicondutor é o mais utilizado. Além do fator custo há tambémo fato de que ele não possui partes móveis.

4.10. Sensores para medição de grandezas elétricas: As grandezas elétricas, voltagem, corrente,resistência, potência, etc, no passado eram medidas por instrumentos mecânicos. Com o adventodo processamento eletrônico de sinais foi necessário desenvolver dispositivos eletrônicos comsaídas padronizadas para estas medições. Vejamos alguns existentes no mercado:

a) Sensor de corrente: O sensor mais comum para a medição da corrente elétrica é otransformador de corrente (TC). O TC nada mais é do que transformador onde o primário ésimplesmente um condutor que passar por dentro dele. Esse condutor induz uma corrente nosecundário proporcional a corrente que passa pelo condutor principal.

Figura 4.24: Transformador de corrente

Para facilitar a manipulação dos resultados obtidos foram implementados transformadores decorrente acoplados com circuitos eletrônicos que possibilitam saídas padronizadas para utilizaçãoem controladores lógicos programáveis ou outros dispositivos. A figura seguinte mostra umsensor de corrente com saída padronizada 0-10Vcc ou 4-20mA para uma entrada de 0-100A.

Figura 4.25: Sensor de corrente com saída padronizada

b) Sensor de voltagem ou de potencial: A voltagem sempre foi medida de forma direta ouatravés de transformadores de potencial (TP). Os Tps são similares aos transformadores decorrente, com a única diferença que o sinal de saída aqui é em volts e não em amperes.

Figura 4.26: Transformador de potencial

Na figura 4.26 a tensão elevada é conectada às duas buchas de porcelana e a tensão de saída(amostra para medição0 é retirada nos dois pinos menores que aparecem entre os de porcelana.

Para facilitar a manipulação dos resultados obtidos foram implementados transformadores depotencial acoplados com circuitos eletrônicos que possibilitam saídas padronizadas para utilizaçãoem controladores lógicos programáveis ou outros dispositivos. A figura seguinte mostra umsensor de voltagem do tipo transformador de potencial com saída padronizada 4-20mA para umaentrada de 0-1000V. Este modelo possui também saída RS485 com protocolo MODBUS paraleitura em sistemas supervisórios.

Figura 4.27: Sensor de voltagem com saída 4-20mA ou rS485

c) Sensores de potência elétrica: Os sensores de potência elétrica são, no fundo sensores decorrente junto com sensores de voltagem e um circuito eletrônico que realiza as operaçõesmatemáticas necessárias para calcular a potência. Existem sensores para potência ativa, reativa,monofásicos, trifásicos, etc.

5. ATUADORES

Dentro de uma malha de controle, o elemento final de controle, que tem por objetivo reposicionaruma variável, de acordo com um sinal gerado por um controlador, é chamado de atuador, pois atuadiretamente no processo, modificando as suas condições.

São dispositivos utilizados para conversão de sinais elétricos provenientes dos controladores, emações requeridas pelos sistemas que estão sendo controlados.

Tal procedimento pode ocorrer: - Sem necessidade de operador, - Com operador supervisionando continuamente, ou agindo em tempo real.

Em geral sistemas automáticos não precisam de operador. O atuador efetua a operação para a qualfoi projetado de forma totalmente automática.Do ponto de vista da energia utilizada para realizar o efeito sobre o processo, os atuadores podemser classificados em:

- Pneumáticos: Utilizam algum gás comprimido para realizar a atuação. Em geraleste gás comprimido é o próprio ar atmosférico.

Este tipo de atuador é normalmente empregado em sistemas onde se requer altas velocidades nosmovimentos, com pouco controle sobre o posicionamento final, em aplicações onde o torqueexigido é relativamente baixo.

Figura 5.1: Válvula pneumática

Os atuadores pneumáticos mais conhecidos, e comumente utilizados, podem ser distribuídos porprocesso :

Processos de Manufatura Lineares - Pistões de simples e dupla ação.Rotativos - Motores pneumáticos.Se o acionamento é bastante simples, comandado por eletroválvulas que controlam os fluxos de arno sistema, controlando os movimentos, o controle neste tipo de atuador se restringe ao comandodestas válvulas e seu acionamento requer apenas drives para estes relés. As principaiscaracterísticas deste tipo de acionamento são o baixo peso e a baixa manutenção.

Processos Contínuos Em processos contínuos, a válvula de controle é um atuador capaz de regular a vazão de um fluído(líquido, gás ou vapor) que escoa através de uma tubulação, por meio do posicionamento relativode um obturador que obstrui a área livre de passagem do fluído.Nestas válvulas a atuação é feita, na maioria das vezes, por dispositivos pneumáticos, por isto sãochamadas também de válvulas de controle pneumáticas.

- Hidráulicos: Utilizam fluido líquido para realizar a atuação. Este fluido pode deágua, óleo mineral, etc. Ex: Pistões hidráulicos, válvulas hidráulicas, etc.

São utilizados principalmente em sistemas onde são requeridos elevados torques, sobretudo noacionamento de máquinas de grande porte e em robôs de alta velocidade de posicionamento. Assimcomo no caso dos atuadores pneumáticos, estes podem ser lineares (pistão simples ou dupla ação)ou rotativos (motores hidráulicos).Seu acionamento, assim como no caso dos pneumáticos, é bastante simples, comandado poreletroválvulas que controlam os fluxos de óleo do sistema, controlando os movimentos. O controleneste tipo de atuador se restringe ao comando destas válvulas e seu acionamento requer apenascircuitos de controle (drives) para estes relés. Características • Alto torque desenvolvido;• Alta relação torque/peso;• Alta performance;• Baixa manutenção.

Figura 5.2: Vista em corte de um cilindro hidráulico

Atuadores ElétricosEste tipo de atuador é o mais empregado em aplicações industriais de uma forma geral. Asfacilidades de instalação, os baixos custos de instalação e o desenvolvimento de drives eletrônicospara seu acionamento fizeram deste tipo de atuador o mais popular, não apenas em uso industrial,mas também para uso geral.

Aplicações

• Bombas;• Válvulas de controle (atuador elétrico);• Eixos de máquinas ferramenta;• Articulações de Robôs;• Esteiras;• Damper ou abafador de caldeiras;• etc.

Tipos de atuadores elétricos

Motor de passoDevido à simplicidade do acionamento admitido por este tipo de motor, foi o acionamento maisutilizado para controle de posicionamento em máquinas-ferramenta, até o final da década de 70.Atualmente eles estão caindo em desuso devido à redução dos custos e das dificuldades deacionamento dos demais tipos de motores.Suas características gerais são:• Baixo Torque;• Acionamento simples;• Baixa relação peso/potência.

Mesmo com algumas características não muito favoráveis, foi muito utilizado, pois a simplicidadedo controle de seu acionamento compensavam suas limitações. São comumente utilizados, hoje,em sistemas que operam e malha aberta, não exigindo a presença de sensores ou controladoresmais elaborados. Sua maior aplicação está em periféricos para informática.

Figura 5.3: Especificações técnicas de um motor de passo

Motor de corrente contínuaO desenvolvimento da microeletrônica e da eletrônica de potência viabilizou o acionamento deoutros tipos de motores elétricos além dos motores de passo.Tendo um desempenho muito superior ao motor de passo, o motor CC o substituiu em algumasaplicações , pois seu acionamento e controle também são bastante simples.

Figura 5.4: Especificações técnicas de um motor de corrente contínua

Motor de corrente alternada síncronoAs inovações construtivas destes motores possibilitaram a sua utilização em acionamentos que atéentão eram desenvolvidos para motores CC.Estas inovações também determinaram o barateamento e o aumento de eficiência dos acionamentosaplicados a este tipo de motor.

Figura 5.5: Especificações técnicas de um motor síncrono

Motor de corrente alternada assíncrono (de indução)Este tipo de motor é largamente utilizado em acionamentos onde controles de velocidade eposicionamento não são requeridos, devido ao seu baixo custo e robustez.O desenvolvimento de novas técnicas e dispositivos para acionamento destes motores, abrem umaperspectiva para sua utilização também em acionamentos de máquinas-ferramenta, como tambémem qualquer sistema de controle de posicionamento ou velocidade. Atualmente a maioria dosequipamentos de comando numérico se utilizam de motores CA acionados pelos chamadosinversores de frequência