Fundamentos de Automação Sensores · Utilizam princípio de funcionamento de um ......

Fundamentos de Automação

Sensores

CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Prof.: Maurício Soares Ortiz

Ministério da educação - MEC

Secretaria de Educação Profissional e Técnica – SETEC

Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do

Rio Grande do Sul – Campus Rio Grande

Curso de Automação Industrial

Disciplina de Fundamentos de Automação – Prof. Maurício Ortiz 2

Sensores

São dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma

grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal

que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma

forma de energia, são chamados transdutores.

Sua aplicação abrange medição de:

temperatura,

pressão,

umidade,

aceleração,

direção,

ângulos,

fluxo,

nível,

deslocamento,

presença,

posição,

força,

torque, etc.



Sensores Analógicos e Sensores Digitais

Os sensores que convertem um sinal físico em sinal elétrico podem ser divididos,

de acordo com o tipo de sinal de saída, em sensores analógicos e digitais.




Sensores Analógicos – os sensores analógicos geram um sinal elétrico de saída

de acordo com a mudança contínua do valor da variável física. Esta relação não

necessariamente é linear, mas sempre indica o valor da variável física. Sensores

analógicos sempre oferecem mais informações que sensores digitais;




Sensores Digitais – os sensores digitais geram dois diferentes sinais de saída,

ou seja, “on” ou “off”. A mudança de um estado para outro ocorre para um valor

específico da variável física, e este valor pode normalmente ser ajustado.

Exemplo: Na Indicação de febre: um sensor Analógico informa a temperatura

da febre, um sensor Digital informa o estado febril.



Principais sensores de grandezas industriais Com Contato Fim-de-curso

Efeito hall

Indutivos

Sensores de Presença Capacitivos

Barreira

Sem contato Ópticos Reflexão

Difusão

Ultra-sônico

Potenciômetro

Indutivo

Óptico

Sensores de Posição Ultra-sônico

LVDT

Resolver Amplitude

Defasamento

Encoder

Sensores de Força Strain-gauge

e Pressão Piezoelétricos

RTD

Sensores de Temperatura Termistores

Termopares



Classe de Proteção de Sensores



Tipos de Sensores

Sensores Indutivos

Utilizam princípio de funcionamento de um indutor, elementos compostos

de um núcleo de material ferromagnético envolvido por uma bobina que

gera um campo magnético quando submetida à corrente elétrica (I).



Tipos de Sensores

O sensor indutivo é formado por um indutor, com um núcleo aberto. Esta

abertura é chamada de entreferro.

Com o núcleo aberto, o campo magnético tem que passar pelo ar, portanto sua

intensidade é menor. Quando uma peça metálica é aproximada do núcleo do

Indutor, o campo magnético passa pela peça, aumenta a sua intensidade,

variando a indutância e consequentemente ativando a saída do sensor.

Sensores Indutivos



Tipos de Sensores

Sensores Indutivos

A distância sensora nominal varia com o tipo de metal, ou seja, é

especificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator

de correção para outros materiais.



Sensores – Características Básicas

É a distância sensora teórica, a qual utiliza o alvo padrão como

acionamento e não considera as variações causadas pela

industrialização, temperatura de operação e tensão de alimentação. O

valor em que os sensores de proximidade indutivos são especificados.

Distância sensora nominal (Sn)




Valor influenciado pela industrialização, especificado em

temperatura ambiente (20°C) e tensão de operação nominal possui

desvio de 20% sobre a distância sensora nominal.

0,9 Sn < = Sr < = 1.1 Sn

Distância sensora real (Sr)




Valor influenciado pela temperatura de operação, e possui um

desvio máximo de 10% sobre a distancia sensor real (Sr).

0,9 Sr < = Su < = 1,1 Sr, ou seja, 0,81 Sn, = Su< = 1,21 Sn

Distância sensora efetiva (Su)




É a distância em que seguramente pode-se operar considerando-se

todas as variações de industrialização e variação de temperatura.

0 < = As , = 0,81 Sn

Distância sensora operacional (As)




É a característica do efeito existente entre o acionamento de

desacionamento do sensor quando o alvo metálico se aproxima da face

sensora e se afasta da face sensora. Este efeito é expresso em

porcentagem da distância sensora (exemplo = 3%).

É importante que exista a histerese entre o ponto de acionamento e

desacionamento do sensor para que no caso de uma possível vibração

do sensor ocasione uma oscilação na saída do acionador.

Histerese



Tipos de Sensores

Aplicações

Sensores Indutivos

Simbologia



Tipos de Sensores

Sensores Capacitivos

Utilizam o princípio de funcionamento de um capacitor, elemento capaz de

armazenar cargas elétricas. Desta forma, no sensor capacitivo, 2 placas são

colocadas uma ao lado da outra, isoladas eletricamente pelo ar, que possui

constante dielétrica (ε) =1, portanto com valor de capacitância muito baixo.

Quando algum objeto, que normalmente possui (ε) >1 é aproximado do

sensor, o campo magnético gerado pela atração entre as cargas passa por

este objeto, a capacitância aumenta, acionando a saída do sensor.



Tipos de Sensores Sensores Capacitivos



Tipos de Sensores

Simbologia

Aplicações

Presença, Nível e Contagem

Sensores Capacitivos



Tipos de Sensores

Sensores Óticos

Também conhecidos por sensores fotoelétricos, manipulam a luz de forma a

detectar a presença de objetos.

Baseiam-se na transmissão de luz através de um led (diodo emissor de luz) ou

uma lâmpada. O receptor de luz é um componente foto-sensível. Quando o

objeto é aproximado do sensor ótico, este objeto reflete a luz do emissor para o

receptor, emitindo um sinal.



Tipos de Sensores

Sensores Óticos - modelos

Os sensores óticos são capazes

de detectar vários tipos de

objetos, menos os transparentes,

ou objetos escuros (se o sensor

for o difuso)



Tipos de Sensores

Aplicações

Sensores Óticos

Simbologia



Tipos de Sensores

Sensores Ultra-Sônicos

Neste tipo de sensor, o emissor envia impulsos ultrasônicos sobre o objeto

analisado. As ondas sonoras voltam ao detector depois de um certo tempo,

proporcional a distância.

Princípio de Funcionamento:



Ultra-Sônicos

Simbologia

Tipos de Sensores

Aplicações:



Termopares

Quando um circuito formado por dois condutores metálicos diferentes e uma

das junções destes dois condutores estiverem a uma temperatura enquanto a

outra se encontrar a uma temperatura maior, uma corrente circulará pelo

circuito, sendo que a intensidade e a direção dessa corrente depende da

diferença entre as temperaturas das junções (efeito Seebeck).

A junção de menor temperatura é chamada de junção fria ou de referência, a

outra junção quente ou de medição.

O fenômeno do aparecimento de uma corrente de baixa intensidade, fluindo no

circuito contínuo dos dois metais, é chamada de corrente termoelétrica, e a

f.e.m. (força eletromotriz), causada pela diferença de temperaturas entre as

duas junções, é chamada de f.e.m. térmica

Tipos de Sensores



Tipos de Sensores

Termopares

Circuito para leitura de temperatura utilizando um termopar:

No circuito acima, a tensão que será medida no voltímetro (mV) será proporcional

a diferença de temperatura entre a junção quente e a junção fria, mas como a

junção de referência está na temperatura ambiente, o valor lido pelo voltímetro

deve ser adicionado à temperatura ambiente, para dar o valor absoluto da

temperatura. Nos sensores são utilizados circuitos que fazem esta soma

automaticamente. Estes circuitos utilizam termo resistências (resistências que

variam com a temperatura) para medir a temperatura ambiente, e somam este

valor com o lido pelo termopar.



Tipos de Sensores

Termopares

Existem diversos tipos de termopares, par diversas faixas de temperatura. A

tabela a seguir mostra os tipos de termopares, sua composição e faixa de

temperatura seguindo a Norma IEC 584-2.



Tipos de Sensores

Termopares

Simbologia

Aplicações:



Sensores RDTs (Resistance Temperature Detector)

São fabricados pelo princípio de que os materiais metálicos conduzem

eletricidade graças aos elétrons livres na banda de condução. Quando a

temperatura do metal se eleva, este libera mais elétrons para a banda de

condução, fazendo com que a resistência elétrica deste material aumente.

Dependendo do custo, precisão, durabilidade e faixa de atuação do projeto,

seleciona-se o material do sensor( Ex: cobre, molibdênio, níquel, níquel-ferro,

platina, etc..)

Um exemplo de RDT é o chamado PT-100, pois este sensor garante 100 ohms

a uma temperatura de 0ºC.

Geralmente este sensor é construído com fio enrolado em um tubo de

cerâmica ou é utilizado filme depositado em cerâmica, revestidos com uma

proteção metálica.

Tipos de Sensores



Tipos de Sensores

Sensores de efeito Hall

Estes sensores utilizam os princípios do Efeito Hall, no qual um condutor elétrico

ao passar por um campo magnético gera um deslocamento nos elétrons internos

e com isso gera uma diferença de potencial nas extremidades do condutor.

A desvantagem em utilizar condutores metálicos para essa aplicação é que o

efeito Hall só aparece quando há variação no campo magnético.

Para utilizar o efeito Hall como sensor, são utilizados semicondutores.

As vantagens são: perceber a presença de um campo magnético, mesmo

quando este está estático, utilizar circuitos internos para reduzir a divergência

entre um sensor e outro e etc...



Tipos de Sensores

Chaves de Mercúrio

São basicamente constituídos por uma ampola de vidro com terminais

estrategicamente posicionados e mercúrio.

Aproveitando as características do mercúrio ser um metal de boa

condutividade elétrica e ainda possuir a forma líquida, este arranjo mecânico

faz com que, dependendo da posição que a ampola for colocada, os terminais

são conectados entre si.



Chaves Magnéticas

As chaves magnéticas são constituídas por dois ou mais contatos, sendo um

deles de material ferroso, conectado a um metal com muita mobilidade.

Ao se aproximar um imã deste sistema, o campo magnético atrai um dos

terminais da chave fechando o circuito.

Tipos de Sensores



Sensores de gás combustível

Uma das formas de se detectar gás combustível é através de um sensor Catalítico

ou também chamado de calorimétricos. Este sensor consiste em um fio condutor

(sensor ativo) como a platina, aquecido através de efeito Joule até a temperatura

aproximada de 450ºC, encapsulado em uma espécie de esfera revestida de óxido

refratário de baixa porosidade. Este encapsulamento permite que o gás entre em

contato com o fio condutor e evita que a temperatura inflame o gás externamente.

Quando o fio aquecido faz com que o gás inflame, a temperatura do fio aumenta

ainda mais em relação ao filamento (sensor) de referência produzindo a leitura de

concentração de gases.

Tipos de Sensores



Tipos de Sensores

Sensores de fumaça

Para se detectar fumaça, uma das formas é utilizar sensor ótico.

Utilizando um compartimento livre de luzes externas, coloca-se um transmissor e

um receptor de luz infravermelha com focos desalinhados em aproximadamente

30º. Quando é injetado fumaça neste compartimento, a luz do transmissor

infravermelho reflete na fumaça atingindo o receptor, atuando o sensor.



Sensores de umidade

Verifica a umidade dos materiais baseado no princípio de que os mesmos

alteram sua resistência elétrica de acordo com a umidade contida em seu

Interior. Exemplo de escala do sensor de umidade:

Tipos de Sensores



Tipos de Sensores

Strain Gauge

É um transdutor de força, que converte a força aplicada de tensão ou torção

em valores de resistência elétrica. Seu princípio de funcionamento está na

variação de resistência elétrica causada pela variação de seu comprimento.

Com o strain gauge é possível medir:

- força;

- torque;

- vibração;

- distorção

- pressão.

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