AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

PARTE 5

ELEMENTOS DE ENTRADA E DE SAÍDA EM SISTEMAS DE

AUTOMAÇÃO

Nestor Agostinisibratec@sibratec.ind.br

Rio do Sul (SC), 25 de julho de 2017

A – ELEMENTOS DE ENTRADA EM SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

Em geral os sistemas de automação podem sempre serem esquematizados como na figura 0.1:

Figura 0.1: Estrutura básica de um sistema de automação

São 3 unidades que, juntas formam o sistema: ENTRADAS, LÓGICA E SAÍDAS. Vamos agoraanalisar quais são os dispositivos geralmente utilizados como ENTRADA (Ou fornecedor deinformações) ao sistema de automação. As entradas dos sistemas de automação são asresponsáveis por enviar as informações do estado corrente do sistema. É através do conjunto deentradas que unidade lógica toma as decisões. Bons resultados são alcançados quando as entradasforam corretamente definidas em termos de precisão, exatidão, resolução, etc

Existe uma grande quantidade de possíveis ENTRADAS, aqui iremos ver as mais comuns.

1. CHAVES ELÉTRICAS:São elementos de entrada com acionamento manual. Na verdade são chaves tipo liga/desliga ouchaves selecionadoras. Existem diversos padrões de chaves para utilização em automação. Um dospadrões mais comuns é a 22 mm. 22 mm significa que para fazer a instalação é necessário abrirum furo no painel com 22mm de diâmetro. Existem também as de 16mm, 12mm e outrasespeciais.

As chaves, em geral são compostas de duas partes importantes: o acionador (elemento em que éaplicada a força mecânica para alteração do estado interno dos contatos) e os próprios contatos.Quanto ao acionador, veremos nos nossos exemplos os tipos mais comuns. Com relação aoscontatos, existem, basicamente, 3 tipos: Normalmente Aberto: NA ou NO (Normally Opened),Normalmente Fechado: NF ou NC (Normally Closed) e os Reversíveis: 1 de um lado, 2 de outrolado e um comum (C). A figura 1.1 mostra esses contatos:

Figura 1.1: Tipos de contatos das chaves elétricas de comando

Os contatos NA são aqueles que, quando a chave está em posição de repouso, o contato estáaberto. Os contatos NA fecham quando a chave é acionada.Os contatos NF são aqueles que, quando a chave está em posição de repouso, o contato estáfechado. Os contatos NF abrem quando a chave é acionada.Os contatos reversíveis são aqueles que possuem 3 terminais sendo que um é obrigatoriamente o C(Comum). Em uma posição da chave o terminal C conecta um dos terminais e desconecta o outro.

LÓGICAENTRADAS SAÍDAS

Em outra posição da chave ocorre o contrário. Para esta montagem sempre haverá um contatofechado e um aberto.

A mesma chave pode possui vários contatos NA e NF, porque, essas chaves permitem a instalaçãode mais blocos de contato. Desta forma pode-se fazer diversas combinações possíveis de contatos.

Quanto os tipos de retenção da chave podemos ter:- Os modelos “somente pulso” que sempre voltam ao estado original após cessar a força que osmovimentou. Estes não possuem trava de retenção.- Os abre-fecha que permanecem na posição aberta ou fechada, de acordo com a função, mesmoapós cessada a força de movimentação. Esses possuem trava de retenção.

A seguir são apresentados alguns exemplos típicos de chaves utilizadas em automação:

1.1. CHAVES PUSH BUTTON: Em geral essas chaves não possuem retenção, ou seja, quandopressionada, o bloco de contato muda de estado. Após cessar a força de pressionamento o blocovolta ao estado original.

Figura 1.2: Chaves tipo push button

Existem modelos metálicos, de plástico, com bloco fixo (neste caso não é possível acrescentarmais contatos) ou com blocos removíveis NA, NF ou ambos.

1.2. CHAVES PUSH BUTTON DUPLAS: É como se fosse 2 push button simples montadas nomesmo bloco. Em geral uma de cor verde e outra de cor vermelha, com blocos de contatoindependentes.

Figura 1.3: Chaves duplas

1.3. CHAVES SELETORAS: São chaves acionadas por alavanca. Existem modelos comretenção e sem retenção. Modelos com retenção são aqueles que, quando acionadas ficam naposição selecionada. Modelo sem retenção são aquelas que, ao cessar a força que as acionou,retornam ao centro. Nos modelos sem retenção deve-se considerar que ocorre somente um pulsode entrada, ao invés de permanecer acionada.

Figura 1.4: Chaves seletoras típicas

1.4. CHAVES ROTATIVAS: São chaves acionadas por rotação de uma peça frontal. Elas podempossuir 2 ou mais posições. Estas chaves são muito apropriadas para comutar circuitos com váriospolos.

Figura 1.5: Chaves rotativas

1.5. CHAVES PEDALEIRA: São chaves acionadas com os pés. Em geral utilizadas emmáquinas onde o operador precisa ter as duas mãos livres para a execução de outras operações

Figura 1.6: Chaves tipo pedaleira

1.6. CHAVES FIM DE CURSO: São chaves acionadas por contato com alguma peça pré-definida. Em geral essas chaves nunca são acionadas por pessoas. São amplamente utilizadas emsistemas de automação porque possibilitam a operação automática de acionamento. Ex: detecçãode um batente, parada de máquina, inversão de sentido, etc.

Figura 1.7: Chaves fim de curso

1.7. CHAVES DE PARADA DE EMERGÊNCIA: São chaves utilizadas exclusivamente paraparadas de emergência. Esta chave não pode ser utilizada como liga/desliga ou outra operação.Elas sempre possuem um ou mais contatos NF.

Figura 1.8: Chaves de emergência

1.8. CHAVES DE SEGURANÇA: São chaves utilizadas para aumentar a segurança dosoperadores de máquinas e outros dispositivos. Em geral essas chaves possuem sistemas detravamento antifraude.

Figura 1.8: Chaves de segurança

Estas chaves passaram a ser comuns no Brasil após a edição das normas de segurança NR, especialmente a NR12

2. 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.

2.1. 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 específicas 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) Sensibilidade

A sensibilidade de um sensor indica qual deve ser a menor variação da intensidade da grandezamedida que o sensor pode detectar, ou seja, a menor variação da grandeza medida que cause umaalteração sensível do sinal elétrico de saída. Quanto mais sensível o sensor, maior é a variação desaída em função de uma variação na grandeza a ser medida. Ex: Um sensor de pressão que tem uma sensibilidade de 50 mV/mmHg é um sensor que produzuma variação de 50 mV no sinal de saída a cada milímetro de mercúrio que a pressão varia.

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 2.1: Descrição funcional e orgânica de um transdutor de pressão

2.2. 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 rádio, 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 2.2: 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 Fotovoltaico Uma tensão é gerada pela radiação

incidente na junção de dois materiaisdiferentes

Fotocondutividade O aumento da condutividade elétrica de ummaterial devido à incidência de umaradiação

Fotoeletricidade Elétrons e lacunas são gerados e separadosna área da junção devido a uma radiaçãoincidente

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

Foto dieletricidade 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 ao movimentotérmico de átomos ativados por umacorrente elétrica

Tabela 2.2: Transdução de Energia Mecânica

Efeito Descrição Piezo resistividade 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

Termo elasticidade Geração de uma tensão em duas regiões deum metal devido a deformações mecânicasou diferenças de temperatura na região

Triboeletricidade Geração de cargas elétricas superficiaisdevido ao atrito entre dois materiais

Tabela 2.3: Transdução de Energia TérmicaEfeito Descrição Termoeletricidade (Seebeck) Geração de uma corrente elétrica num

circuito fechado de dois condutores comdiferentes temperaturas 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 de umacorrente 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

Eletrotérmico Geração de calor em um condutor devido apassagem de uma corrente elétrica

Termo condutividade 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 superfície deum semicondutor devido ao campomagnético

Tabela 2.5: Transdução de Energia Química

Efeito Descrição

Volta Geração de tensões entre dois metaisdiferentes

Galvano elétrico Geração de tensões entre dois metaisdiferentes 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

Os sensores podem ser classificados segundo diversos aspectos. Por exemplo:

- Digitais: possuem apenas dois valores de saída apenas dois estados, “0” ou “1” lógicos. “0” ou“1” podem ser níveis de tensão diferentes. Neste grupo estão os sensores de proximidadeindutivos, capacitivos, fotoelétricos e muitos outros. Na verdade qualquer sensor do tipoliga/desliga pertence a este grupo.

- Analógicos: apresentam na saída sinais elétricos que são proporcionais à grandeza medida. Nestegrupo estão os sensores de temperatura tipo termopar, de luminosidade, detector de oxigêniodissolvido na água, etc. Os sensores deste grupo são bem sofisticados e, em geral, são tratadoscom conversores analógico digitais.

Pode-se também classificar os sensores pela necessidade ou não de serem alimentados. Teríamosentão:

- Ativos: não precisam de alimentação externa para produzir um sinal de saída.Ex: o termopar produz um sinal elétrico quando é aquecido- Passivos: precisam ser alimentados para gerar um sinal de saída.Ex: a termorresistência requer uma entrada de energia para excitar o resistor

3. PRINCIPAIS MODALIDADES DE SENSORES DE USO INDUSTRIAL

Na indústria podem ser encontrados uma infinidade de sensores. Existem sensores para,praticamente, qualquer grandeza que tenha que ser mensurada. A seguir apresenta-se algunsbastante comuns.

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. Em geral o potenciômetro é utilizado comodivisor de tensão de uma fonte estabilizada. Assim pode-se ter um ponto com saída linear detensão desde zero até a máxima tensão da fonte.

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;- Antilogarítmica: 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.

Vout = Vin. R1/(R1+R2)

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, conclui-se que: mV8,81 =

∘

Exemplo de utilização de potenciômetros:

- Controle de velocidade de ventiladores:

Figura 3.5: Utilização prática de potenciômetro

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 têm semelhança com um potenciômetro.

Figura 3.6: 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 3.7: 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 princípiode 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 3.8: Funcionamento do encoder incremental

SENTIDO HORÁRIO

A

B B

A

SENTIDO ANTI-HORÁRIO

b2) Absolutos: os encoders absolutos são do tipo multipista. 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 3.9: 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.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 3.10: 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.

b4) Folha de especificações típica de um encoder

A B C D E F G

Figura 3.11: Folha de especificações técnicas do encoder incremental

Figura 3.12: Folha de especificações técnicas do encoder absoluto

b5) Exemplos de utilização de encoders:

b5.1 – Posicionamento de mandril para furação

Figura 3.13: Utilização de encoders para posicionamento de um mandril

Os encoders 1 e 2 definem o movimento do mandril sobre a rosca sem fim.

b5.2 – Posicionamento de produto para receber etiqueta

Figura 3.14: Utilização de encoders para colagem de rótulos

O encoder master avança a esteira para colocar o produto no local correto para receber a etiqueta.

b5.3 – Avanço e corte de produto

Figura 3.15: Utilização de encoders para corte de materiais

O encoder determina a rotação dos roletes e, consequentemente o avanço do produto a ser cortado.

b6) Exercício resolvido:

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 3.16: Uso do encoder para posicionamento

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.

M

C

PAVANÇO DA PEÇA

ENCODER

SENTIDO DE ROTAÇÃO DOMOTOR DURANTE O AVANÇODA PEÇA

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: 900 rpm 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.

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.

6,11x

693,0

052,8

)2ln(

)3140ln(x

)3140ln()2ln(.x

)3140ln()2ln(

31402x

x

=

==

=

=

=

b7) Exercícios para resolver:

b7.1) Um sistema mecânico é composto de um motor que gira uma polia e esta avança ou recuauma mesa posicionadora. Faça o que é pedido no exercício

Figura 3.17: Utilização de encoder incremental para posicionamento

b7.2) Um sistema mecânico é composto de um motor que gira uma polia e esta avança ou recuauma mesa posicionadora. Faça o que é pedido no exercício

Figura 3.18: Utilização de encoder absoluto para posicionamento

c) 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 3.19: Funcionamento do sincro

Onde V1 e V2 são tensões que dependem dos aspectos construtivos do sincro e θ é o ânguloentre o enrolamento fixo e o enrolamento rotativo. Observar que, pelo fato do estator ser trifásicoé possível 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. Osenrolamentos 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 3.20: Funcionamento do resolver

d) Inductosym: os sensores inductosym possuem como princípio 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:

)t.cos(.ee

)t.sen(.ee

2

1

ω=

ω=

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.

Figura 3.21: Funcionamento do inductosym

e) 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.

)s.gt.sen(.ee xs +ω=

Figura 3.22: Funcionamento do sensor laser

e1) Exemplo de utilização do sensor laser para determinação de distâncias:

Figura 3.23: Utilização do sensor laser para detecção de altura

Aqui o laser determina se o produto tem tamanho maior ou menor.

e2)

Figura 3.24: Utilização do sensor laser para detecção de profundidade

GERADOR DERAIOS LASER

ESPELHO PLANO

SEPARADOR DE RAIOS

RAIO REFLETIDO

RAIO ENVIADO

CONJUNTOFOTODETECTOR

CONTADORVISUALIZADORDE FRANJAS

PROCESSADORVISUALIZADOR MÉTRICO

OBJETO QUE SEDESEJA DETERMINAR

A DISTÂNCIA

Raios laser de diferentes comprimentos de onda refletem na superfície da água ou no fundo daágua. Assim pode-se determinar a profundidade da água.

O laser é também utilizado em outras aplicações. Eles substituem com algumas vantagenssensores fotoelétricos para detecção de produtos, peças ou qualquer outro objeto.

Figura 3.25: Utilização do sensor laser para detecção de passagem de produto

O laser é também utilizado como decodificador de códigos de barra:

Figura 3.26: Utilização do sensor laser para leitura de código de barras

g) Ultrassônicos: os sensores ultrassônicos baseiam-se no princípio da reflexão do som. É emitidoum raio ultrassônico, geralmente pulsado, com frequência da ordem de 40kHz a 200 kHz ou mais,que atinge 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.

Figura 3.27: Sensor ultrassônico

g1) Aplicações dos sensores ultrassônicos

Figura 3.28: Utilização de sensor ultrassônico para detecção de nível

Detecção do nível de material existente dentro do tanque, ou determinação da quantidade dematerial carregado no caminhão.

Figura 3.29: Utilização de sensor ultrassônico para aplicações diversas

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.

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 em vez 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-sedo aspecto de instalação do componente, que por razões óbvias deve ter uma “zona livre” de metal

ao 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 jáestá com 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 relembrar 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.

Conclui-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.

Aplicação industrial de sensor capacitivo:

Figura 4.10: Utilização do sensor capacitivo para detecção de produto

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 4.11).

Figura 4.11: Sensor ótico difuso

b) ReflexivoO sensor óptico reflexivo, também conhecido como retrorreflexivo, assim como o difuso, tem otransmissor e o receptor montados em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor após a

incidência em um espelho e o acionamento da saída ocorre quando o objeto interrompe o feixe(Figura 4.12).

Figura 4.12: Sensor ótico reflexivo

Este tipo de sensor é muito utilizado em segurança de áreas, conforme se pode ver na Figura 4.13 .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 4.13: Aplicação do sensor ótico reflexivo

Um cuidado a ser tomado na utilização de um sistema como este, é orientar o usuário quanto a

limpeza 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.

d) Aplicações industriais dos sensores óticos:

d1) Contador de peças: Cada peça que sai da máquina é detectada pela barreira ótica e assimdetermina-se a quantidade que deve ser colocada em cada container.

Figura 4.14: Aplicação do sensor ótico para contagem de peças

d2) Verificação da presença do rótulo: O rótulo possui um índice de reflexão diferente do vidro,por isso o sensor consegue detectar se ele foi colada no vidro.

Figura 4.15: Aplicação do sensor ótico para detecção de rótulo

d3) Verificação do nível de enchimento de um recipiente:

Figura 4.16: Aplicação do sensor ótico para detecção de enchimento de recipiente

d4) Verificação do estado dos contentores de vidro retornáveis:

Figura 4.17: Aplicação do sensor ótico para detecção de estado de recipiente

d5) Aplicações diversas:

Figura 4.18: Aplicação do sensor ótico para aplicações diversas

4.4. Sensores ultrassônicos como detectores de objetos: O sensor ultrassônico emite pulsoscíclicos ultrassônicos que, quando refletidos por um objeto, incidem no receptor, acionando asaída do sensor. Tanto o emissor como o receptor estão montados na mesma unidade, portanto, énecessário que haja uma reflexão (eco) do ultrassom de modo que este ative o receptor.

Figura 4.19: 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 tipo de sensor permite uma inclinação máxima de mais ou menos 3º (figura 4.19).Assim como o óptico, o sensor ultrassônico 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 ultrassônico pode operar tal qual um óptico, no que se refere a capacidade de detecção(Figura 4.19).

Figura 4.20: Utilização do sensor ultrassônico para aplicações diversas

5. SENSORES DE TEMPERATURA: A temperatura é a medida da agitação molecular de umcorpo. A impossibilidade de realizar diretamente esta medição conduziu ao desenvolvimento demétodos indiretos de medida. Estes métodos estão baseados nos efeitos da temperatura sobre amatéria. 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 5.1). 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 5.1: Princípio de funcionamento dos termopares. A junção A é a de referência. B é a junção de medição

A tabela seguinte mostra os principais termopares existentes no mercado com suas características:

Figura 5.2: Tipos comuns de termopares existentes no mercado

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 5.3).

Temp (°C)

R (Ω)

NTC

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

dV/dt = -2mV/°C

Figura 5.4: 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.

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 Figura6.1 mostra o sinal de saída e o aspecto físico típico de um sensor de umidade comercial.

Figura 6.1: 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 6.2: Sensor HS1101 e variação de capacitância em relação a umidade relativa

Figura 6.3: Circuito típico de utilização do sensor HS1101

7. SENSORES DE DESLOCAMENTO DE FLUXO DE AR: O deslocamento do fluxo de ar émedido deforma indireta. O que se mede é o efeito do deslocamento do ar sobre algumcomponente. Dentre as várias 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 efeitossignificativos 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 Figura7.1 mostra um típico sensor do tipo termistor.

Figura 7.1: Termistores utilizados em anemometria

8. SENSORES DE PESO: Basicamente os sensores de peso são as células de carga. Atualmentenão se 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 8.1: Aspecto físico de uma célula de carga

Figura 8.2: 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 é processadaem um circuito eletrônico e transformada em uma escala de peso.

9. SENSORES DE PRESSÃO: A medição da pressão pode ser feita de várias maneiras. Uma dasmais antigas é o medidor mecânico, como mostrado na figura 9.1.

Figura 9.1: 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 9.2: 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 9.3: 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.

10. SENSORES PARA MEDIÇÃO DE GRANDEZAS ELÉTRICAS: As grandezas elétricas,voltagem, corrente, resistência, potência, etc, no passado eram medidas por instrumentosmecânicos. Com o advento do processamento eletrônico de sinais foi necessário desenvolverdispositivos eletrônicos com saídas padronizadas para estas medições. Vejamos alguns existentesno 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 10.1: 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 10.2: 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 10.3: Transformador de potencial

Na figura 10.3 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 10.4: 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.

B. ELEMENTOS DE SAÍDA DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO: ATUADORES

Os dispositivos de saída, também conhecidos como atuadores, são os que ligam a parte lógica dosistema de automação com os dispositivos físicos externos que realizam as tarefas do sistema

De um modo geral a parte lógica do sistema de automação envia à saída apenas um sinal de baixapotência. Esse sinal é utilizado para os acionamentos de força (motores elétricos, solenoides, etc)

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

Os sinais de saída do bloco lógico do sistema de automação podem ser:

- Voltagem contínua: 5Vcc, 12Vcc, 24Vcc, etc- Voltagem variável: 0-5Vcc, 0-12Vcc, etc- Corrente variável: 4-20mA, 0-20mA, etc- Sinais PWM (Pulse Width Modulation): PWM é um sinal de onda quadrada com modulação delargura de pulso. Muito utilizado em sistemas, tais como: fontes chaveadas, controle develocidade de motores, controle de luminosidade, controle de servo motores.

Figura: 11.1: Pulso PWM

- Rampas de tensão: 5Vcc – 10Vcc – 12Vcc - 24Vcc

Figura: 11.2: Rampas de tensão

São sinais que partem de uma determinada tensão, em geral 0 V até um máximo, que pode ser5Vcc, 12Vcc, etc.As rampas de tensão possuem ampla aplicação em chaves eletrônicas de partidas de motoreselétricos (soft-starter) e em inversores de frequência.Nestes produtos, entre outras funções, existe a programação da rampa de aceleração e dedesaceleração

Além desses sinais apresentados, podem existir outros para aplicações específicas, porém essesque forma mostrados são os mais comuns.

Note que a frequência do sinal é sempre a mesma, porém a largura do pulso é variada desde um mínimo, próximo de 0 até um máximo, próximo de 100%

Esses sinais são liberados na saída dos sistemas de automação. Eles são sinais de pouca potência,que devem ser utilizados para comandar outros dispositivos. A seguir serão apresentados os maiscomuns dispositivos utilizados para recepção dos sinais de saída dos sistemas de automação.

11. RELÉ: Dispositivo eletromagnético de saída para sinais de 5Vcc, 10Vcc, 12Vcc, 24Vcc ououtra tensão compatível. A figura abaixo mostra o princípio de funcionamento do relé eletromagnético. Quando se alimentaa bobina do eletroímã, o núcleo se magnetiza e atrai uma peça metálica. Esta, ao mover-se,movimenta um contato (A-B). Desta maneira podemos abrir ou fechar um contato elétrico.

Figura: 11.3: Diagrama interno de um relé

Pode-se ter relés com vários contatos NA, NF ou reversíveis. No mercado existe uma infinidadede modelos e tipos. A figura mostra alguns modelos de relés:

Figura: 11.4: Tipos comuns de relés

12. CONTATOR: Dispositivo eletromagnético de saída 12Vcc/Vca, 24Vcc/Vca ou outra tensãocompatível. O contator é, na verdade, um relé de potência, em geral, trifásico. Com contatores épossível acionar cargas de potências muito elevadas. Existem, por exemplo, contatores para maisde 1000A

Figura: 12.1: Diagrama interno de um contato

O figura mostra o princípio de funcionamento de um contator. Os terminais A1 e A2 são de uma bobina que, quando alimentada com tensão adequada, produz um campo magnético que atrai a peça metálica azul clara. Com isso os contatos 1-2 e 3-4 fecham, e o contato 5-6 abre. Quando a alimentção da bobina é cortada, as duas molas empurram a peça metálica azul claro para baixo, abrindo os contatos 1-2 e 3-4 e fechando o contato 5-6.

A maioria dos contatores possui contatos auxiliares para facilitar o projeto de sistemas deautomação e controle

Figura: 12.2: Contator e diagrama de contatos internos

Existe também a possibilidade de instalar blocos de contato auxiliares no topo ou na lateral. Essesblocos passam a ser comandados junto com o contator.

Figura: 12.3: Contator e blocos de contato auxiliares

13. RELÉ DE ESTADO SÓLIDO (SSR = Solid State Relay): É uma chave eletrônicacomandada por um sinal de voltagem ou de corrente. Normalmente o relé está aberto, ou seja, nãopassa energia da entrada para a saída, é como se fosse um interruptor de uma lâmpada aberto.Quando se aplica uma tensão adequada nos terminais de controle, o relé fecha o contato eletrônicode saída e o relé se comporta como se fosse um interruptor de lâmpada fechado. Esse é um modelobastante comum de relé de estado sólido conhecido como tipo liga/desliga, porém, existem relésde estado sólido tipo controle linear.

Figura: 13.1: Relé de estado sólido

A1-A2 = Bobina de alimentação1-2; 3-4 e 5-6 = Fases RST13-14 = Contato Normalmente aberto (NA)21-22 = Contato Normalmente fechado (NF)

Eles são instalados em um encaixe especial existente no contator

O esquema mostra como o SSR deve ser conectado à rede elétrica. Nota: Existem modelos monofásicos ou trifásicos. O exemplo apresentado aqui é de um monofásico. Existem modelos para várias correntes elétricas: 10A, 25A, 40A, 63A, 100A, etc…...

Os relés de estado sólido com controle linear cortam a senoide em pontos específicos, de acordocom a tensão ou corrente aplicada nos terminais de controle. A figura seguinte mostra uma senoiderecortada em um relé de estado sólido de controle linear.

Figura: 13.2: Forma de onda cortada em relés de estado sólido com controle linear

Na prática pode-se ter na saída, desde 0 V até a tensão máxima aplicada na entrada, por exemplo:se o relé de estado sólido for ligado a uma rede 220 V, teremos na saída uma tensão variável de 0V até 220 V, de acordo com a amplitude do sinal de controle aplicado. Os relés de estado sólido com controle linear podem ser acionados com diversos tipos de sinal deentrada. Por exemplo:

- 0~10Vcc- 0~05Vcc- 0~20mA- 4~20mA

14. TRANSISTOR, TRIAC, TIRISTOR: São dispositivos eletrônicos para chaveamento ecomutação de cargas que precisam de controle muito preciso ou estável. Funcionam de formasemelhante aos relés de estado sólido.

Figura: 14.1: Modelos típicos de transistores de potência, tiristores e triacs

15. ELETROVÁLVULAS ABRE/FECHA: São válvulas pneumáticas ou hidráulicas acionadaspor uma solenoide (bobina). Quando a solenoide é alimentada a eletroválvula abre o circuitopneumático ou hidráulico.

Figura: 15.1: Eletroválvula abre/fecha

Existem também eletroválvulas proporcionais. Estas funcionam de maneira similar aos relés comcontrole linear. Ao invés de serem apenas abre/fecha, essas eletroválvulas podem ser controladasde modo a abrir ou fechar desde um mínimo até um máximo. Uma das formas de controle é autilização de uma saída em onda quadrada com alteração do duty cicle.

Figura: 15.2: Eletroválvula com controle proporcionalidade

16. MOTOR ELÉTRICO: O motor elétrico é o mais comum atuador nos sistemas de automação.Em geral, ele nunca é ligado diretamente às saídas da parte lógica do sistema. Como o motorelétrico exige altas correntes, o seu acionamento é feito por contatores, inversores de frequênciaou chaves soft starters. Esses elementos, os contatores, inversores de frequência ou chaves softstarters, é que são ligados à saída lógica do sistema de automação

Figura: 16.1: Motor elétrico

17. MOTOR DE PASSO: Motores de passo são atuadores de alta precisão utilizados em sistemasde automação. O motor de passo não funciona de modo linear como os motores elétricosconvencionais. Seu funcionamento é passo a passo com pontos de parada fixos.

Figura: 17.1: Esquema interno de um motor de passo

Figura 17.2: 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 17.3: 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 17.4: Especificações técnicas de um motor síncrono

Existem outros elementos atuadores utilizados em sistemas de automação, porém os mais comunssão os que foram apresentados aqui neste trabalho.