aula v –medição de variáveis mecânicas v - medicao de grandezas... · exercícios de...

Universidade Federal da BahiaEscola PolitécnicaDisciplina: Instrumentação e Automação Industrial I (ENGF99)Professor: Eduardo Simas (eduardo.simas@ufba.br)

Aula V – Medição de Variáveis Mecânicas

Sensores Discretos

• Sensores discretos são caracterizados por apresentarem apenas dois tipos de saída:

– Ligado;

– Desligado.

• Os sensores são ditos discretos (ou digitais) pois os valores zero (0) e um (1) podem seratribuídos respectivamente aos estados desligado e ligado.

• Os sensores de proximidade são os sensores discretos mais utilizados e indicam apresença ou ausência de objetos.

• Os principais tipos de sensores de proximidade são:

– Chaves de fim de curso;

– Capacitivos;

– Indutivos;

– Óticos;

– Ultrassonicos.

2

Sensores – Classes de Proteção

3

• O código de proteção (IP) é padronizado internacionalmente deve ser consideradona especificação do sensor de acordo com o local de instalação.

Sensores Discretos – Chaves de Fim de Curso

• Chave eletro-mecânica que muda de estado quando acionada:

4

• Utilizada para indicar o final de um deslocamento.

• Ativada por contato mecânico entre o objeto e a chave.

Sensores Discretos – Chaves de Fim de Curso

• Pode ser normalmente aberta (NA) ou normalmente fechada (NF).

5

Sensores Discretos – Chaves de Fim de Curso

• Exemplos de chaves de fim de curso:

6

Sensores Discretos – Chaves de Fim de Curso

• Exemplos de aplicação:

– Desligamento do motor de uma esteira quando o objeto transportado chegano ponto de coleta.

– Ligamento de uma bomba quando uma bóia atinge o nível mínimo permitidopara o tanque.

• Caso a chave esteja ligada em série com as cargas a serem acionadas, que tipo dechave (NA ou NF) deveriam ser utilizadas nos problemas anteriores?

7

ChaveVc

Alimentação

Carga a ser

acionada

Sensores Indutivos

– Um sinal elétrico senoidal é gerado por um oscilador ealimenta um circuito indutivo.

– O indutor transforma o sinal elétrico em um campomagnético, que é irradiado pela face sensora.

– A presença de um objeto metálico nas proximidades da facesensora altera o campo magnético.

– Com a aproximação do objeto metálico são geradascorrentes induzidas contrárias às oscilações, diminuindo onível do sinal de saída.

8

Sensores Indutivos

• Variação do sinal de saída com aaproximação do objeto metálico:

– Quanto mais próximo o objeto,menos a amplitude da saída.

9

Sensores Indutivos

• A distância sensora útil é influenciada por características de construção eindustrialização, e pelas condições de operação (temperatura, umidade).

• Na instalação de mais de um sensor indutivo, manter uma distância mínima paraevitar interferência dos campos magnéticos dos diferentes sensores.

10

Sensores Capacitivos• Os sensores de proximidade capacitivos são dispositivos capazes de detectar a

presença de objetos plásticos, líquidos, orgânicos e também os metálicosdetectados pelos sensores indutivos.

• Eles funcionam gerando um campo eletrostático criado por um osciladorcontrolado por capacitor, e detectando mudanças neste campo causadas por umalvo que se aproxima da face ativa.

• Quando o objeto a ser detectado se aproxima da face sensora ele aumenta acapacitância do circuito, fazendo com que o sensor comute seu estado, de“aberto” para “fechado” e vice-versa.

11

Face

Ativa

Sensores Capacitivos• Quanto maior o tamanho e a constante dielétrica de um alvo, maior é o aumento

da capacitância. Quanto menor for a distância entre a ponta de compensação e oalvo, também maior será a capacitância.

• Os sensores blindados são mais indicados para a detecção de materiais deconstantes dielétricas baixas (difíceis de detectar), devido a seu campoeletrostático altamente concentrado. Entretanto, isto também os torna maissuscetíveis a comutação falsa devido à acumulação de sujeira ou umidade na faceativa do detector.

12

Sensores Ópticos - Elementos Eletro-ópticos

• Antes de conhecermos os sensores ópticos propriamente ditos, vamos entender ofuncionamento dos elementos eletro-ópticos:

– LED (Diodo Emissor de Luz): emite luz quando submetido a uma tensãoelétrica.

– LDR (Ou foto-resistor): componente cuja resistência elétrica varia com aincidência de luz, apresenta resposta lenta.

13Exemplo de aplicação: acendimento automático de lâmpadas.

Sensores Ópticos - Elementos Eletro-ópticos• Foto-diodo:

– Diodo semi-condutor cuja junção está exposta à luz.

– A energia luminosa desloca elétrons reduzindo a barreira de potencial levandoo dispositivo à condução quando polarizados reversamente.

– Usado como sensor em controle remoto, leitores de código de barras, scanner,toca CD, etc.

14

Sensores Ópticos - Elementos Eletro-ópticos

• Foto-diodo:

15

Sensores Ópticos

• O sinal de luz transmitido é modulado em uma certa freqüência fc, e no receptoré acoplado um filtro que somente considera sinais com a mesma freqüência,evitando interferência de outras fontes luminosas.

16

Sensores Ópticos

• Funcionamento de um sensor óptico:

17

Sensores Ópticos• Terminologia utilizada em sensores ópticos:

18

Sensores Ópticos por Retro-reflexão

• Emissor e receptor estão montados no mesmo corpo.

• Se o sinal refletido é interrompido, o sensor muda de estado.

• Objetos transparentes, refletores ou brilhantes podem não ser detectados

19

Sensores Ópticos por Transmissão (tipo barreira de luz)

• Emissor e receptor estão montados em dispositivos separados.

• A presença de um objeto entre a barreira de luz provoca o acionamento do sensor.

• Objetos transparentes podem não ser detectados.

20

Sensores Ópticos por Reflexão Difusa

• Emissor e receptor estão montados no mesmo corpo.

• A luz do emissor, quando refletida pelo objeto, ativa o sensor.

21

Sensores Infra-vermelhos• Funcionamento semelhante aos sensores ópticos, porém com aplicação em

alarmes e automação predial.

• O sensor infravermelho passivo é apenas um receptor de infravermelho, econsegue captar o calor humano a uma distancia entre 15 e 25m.

22

Sensor infra-vermelho ativo:

Sensores Infra-vermelhos

• Sensor infra-vermelho passivo:

23

Sensores Ultra-sonicos

• Os sensores ultra-sônicos têm alcance maior que os ópticos (podendo chegar a15m).

• São menos sujeitos a interferência externa que os sensores ópticos.

24

Sensores Ultra-sonicos

• Aplicações de sensores ultra-sônicos:

a) Medidas de diâmetro;

b) Detecção de objetos;

c) Presença de pessoas;

d) Medição de densidade.

25

Exercícios de Fixação

1. Compare os sensores indutivos, capacitivos, ópticos e ultra-sonicos quanto aos materiais a seremdetectados, acoplamento ao objeto, princípio de funcionamento.

2. Por que os sensores ópticos estão mais sujeitos a interferências que os sensores ultra-sônicos?

3. Considerando um sensor óptico típico, explique o funcionamento dos seguintes blocos: oscilador, pré-amplificador, analisador de freqüência, discriminador.

4. Considerando as duas classes de sensores ópticos mostrados nas especificações em anexo, escolha aqueleque melhor atende às especificações a seguir:

a. Alcance 5m, tempo de resposta menor que 3ms, deve detectar objetos translúcidos de 10mm dediâmetro, operação NF, proteção contra penetração de pó e jatos dágua fortes.

b. Operação imerso em água sob determinadas condições de pressão e temperatura, distância sensorade 15m, objeto a ser detectado é opaco, freqüência de chaveamento 40Hz.

c. Operação imerso em água sob determinadas condições de pressão e temperatura, distância sensorade 5m e objeto translúcido a ser detectado.

5. Desenhe as conexões utilizadas para instalação em CLP dos sensores escolhidos na questão 4,considerando que os mesmos vão comandar uma carga genérica Zc.

6. Sabendo que uma onda de ultra-som se desloca com velocidade de aproximadamente 340,3m/s, e que umsensor foi instalado a 1m de distância de uma esteira, qual o intervalo de tempo que o sinal leva pararetornar ao transmissor quando

a. A esteira está vazia

b. Há um objeto de 30cm de altura sobre a esteira.26

27

28

Instalação de Sensores

• Na instalação, deve-se levar em conta fatores particulares dos diferentes tipos desensores e locais de instalação.

• São características que devem ser analisadas por exemplo:

– Distância efetiva de ativação;

– Material a ser detectado;

– Alinhamento dos sensores;

– Interferência.

• As conexões elétricas dos sensores também precisam ser escolhidas a partir dasespecificações de projeto.

29

Instalação de Sensores

Distância efetiva de acionamento:

• Uma das especificações dos sensores discretos é a distância nominal deacionamento.

• A depender das condições de instalação e das características físicas (cor, textura,material, tamanho, etc.) do objeto a ser detectado a distância efetiva deacionamento pode ser diferente da nominal.

30

Instalação de Sensores

Distância efetiva de acionamento:

• Características que influenciam a distância nominal de acionamento a dependerdo tipo de sensor:

– Indutivo: tipo de material metálico, interferência;

– Capacitivo: constante dielétrica do material, sujeira;

– Óptico: cor, opacidade, refletividade, transparência, sujeira, dimensões doobjeto.

31

Materiais com constantedielétrica mais alta (maisisolantes) são mais facil-mente detectados.

Os sensores indutivossofrem interferência deoutros sensores instaladosnas proximidades.

Os sensores ópticos (especialmente os do tipobarreira precisam ser alinhados durante a instalação

Instalação de Sensores

Conexões elétricas de 3 a 4 fios:

• Nos sensores de 3 fios existe apenas uma possibilidade de contato (NA ou NF).

• Em sensores a 4 fios existem os dois tipos de contatos, que podem serselecionados a partir dos terminais de conexão.

32

Instalação de SensoresConexões elétricas

• Há um padrão de cores normalmente utilizado para as conexões elétricas dossensores:

– Alimentação positiva (+) : marrom ou vermelho

– Alimentação negativa (- ou GND): azul

– Contato NA: preto

– Contato NF:

33

branco

Instalação de SensoresSensores NPN e PNP:

• A depender do tipo do sensor (NPN ou PNP) as cargas devem ser conectadas deforma diferente.

• Sensores PNP têm em seu estágio de saída um transistor PNP, e a carga deve serconectada entre os terminais NA ou NF e negativo.

• O sensor NPN tem em seu estágio de saída um transistor NPN, e a carga deve serconectada entre os terminais NA ou NF e positivo.

34

Instalação de Sensores

• Exemplos de sensores em uso:

35

Que tipo de sensor é esse?

Capacitivo ou indutivo ?

Instalação de Sensores

• Exemplos de sensores em uso:

36

Capacitivo !

Instalação de Sensores

• Conexão ao CLP de um sensor a 4 fios:

37

Instalação de Sensores

38

• Conexão ao CLP de um sensor a 4 fios:

Acionamento de Cargas AC

• Os sensores e controladores discretos (ou digitais) não são capazes de prover tensão desaída alternada (AC), mas apenas um sinal de corrente contínua de baixa potência.

• Para fazer o acionamento de cargas de corrente alternada é preciso usar dispositivosauxiliares que façam a conexão do sinal de saída discreto com uma fonte de tensãoalternada.

• Um destes dispositivos é o Relé eletromecânico:

39

Nos terminais da bobina são

conectados o sinal de comando dos

sensores ou controladores.

Nos terminais dos contatos e no

terminal comum são conectados a

fonte de tensão AC.

A existência de tensão nos terminais

da bobina gera um campo magnético

que movimenta a armadura mudando

a posição dos contatos mecânicos.

Exercícios de Fixação

1. Quais os fatores que influenciam a distância efetiva de ativação de sensores depresença?

2. Quais os cuidados que devemos ter na instalação de sensores capacitivos,indutivos e ópticos?

3. Indique as conexões elétricas que devem ser feitas nos bornes do CLP (considereum S7 200 da Siemens) e os tipos de sensores que podem ser utilizados para oseguinte sistema de controle.

a. Uma lâmpada deve ser acionada a partir da identificação da presença de umapeça plástica.

OBS: faça dois tipos de ligações uma para sensores PNP e outra para NPN.

40

Medição Dimensional

• Um dos instrumentos mais utilizados para medição dimensional é o paquímetro:

41

Paquímetro

analógico:

Paquímetro

Digital:

Medição Dimensional

• Medição dimensional utilizando visão computacional: atualmente é possívelrealizar medição dimensional de modo automático utilizando técnicas deprocessamento digital de imagem (também chamadas de técnicas de visãocomputacional).

42

Medição de Deslocamento / Velocidade

• A medição de velocidade em geral é realizada por sensores que, na prática,medem deslocamento. A velocidade é calculada dividindo-se o deslocamento pelotempo:

Exemplos de medidores de deslocamento:

• Relógio Comparador:

43

� = ∆�/∆�

Medição de Deslocamento / Velocidade

• Potenciômetro: é um resistor variável que pode ser acoplado ao elemento a sermonitorado. A variação na posição implica numa variação na resistência que podeser medida a partir de um circuito elétrico.

44

Medição de Deslocamento / Velocidade

• LVDT (Linear Variable Differencial Transformer): funciona de modo análogo aopotenciômetro, uma tensão elétrica proporcional ao deslocamento é gerada. Aprincipal vantagem é a maior durabilidade, pois há um menor atrito mecânico.

45

Medição de Deslocamento / Velocidade

• Encoder: dispositivo utilizado para medir deslocamento e velocidade a partir dacontagem de pulsos digitais.

Estrutura interna: Sinais produzidos:

46

Medição de Deslocamento / Velocidade

Tipos de Encoder:

• Encoder Incremental – a posição é obtida em a partir da contagem de pulsos a partirdo pulso inicial. No caso de uma queda de energia do sistema, a informação daposição atual é perdida e o sistema deve retornar à posição de referência para oreinício da contagem

• Encoder Absoluto – há uma

codificação mais sofisticada na

estrutura do sinal gerado

(existem mais pulsos, não apenas

o A e B do encoder incremental),

que permitem a localização a

partir de qualquer posição inicial.

47

Medição de Deslocamento / Velocidade

48

• Tipos de Encoder:

• Encoder Linear

• Encoder Angular

Medição de Deformação

• Um corpo quando sujeito a forças de tração ou compressão sofre uma deformaçãoque pode ser calculada por:

• A deformação pode também ser expressa em função da tensão aplicada (S) e domódulo de elasticidade do material (E):

• Atualmente, o sensor mais utilizado para medição de deformação é o strain-gage(ou extensômetro). O extensômetro é um resistor cuja resistência elétrica varia seele for deformado.

49

� =∆�

�

� = �

Sendo S = F/A (F- força aplicada e

A – área da seção transversal do material).

Medição de Deformação

• Diagrama de um extensômetro:

• O extensômetro é colado ao objeto:

50

Medição de Deformação

51

Medição de Deformação

Exemplos de aplicações de extensômetros:

52

Medição de Deformação

Exemplos de aplicações de extensômetros:

53

Medição de Força

54

Medição de Força

• A estimação da Força aplicada sobre um material pode ser realizada a partir damedição da deformação.

55

Medição de Vibração

• A medição de vibração é importante para a caracterização de diversos fenômenosfísicos.

• Uma aplicação importante no ambiente industrial é o monitoramento deequipamentos elétricos e eletromecânicos.

• Entre os principais sensores de vibração pode-se destacar: os proxímetros, ossensores sísmicos de velocidade e os acelerômetros.

• Proxímetros - são sensores de deslocamento que medem a distância entre odispositivo e uma superfície condutora. A proximidade entre o transdutor e asuperfície causa interferência no campo magnético, gerando uma variação nasaída. Como a saída do proxímetro é uma função não-linear da distância entre aponta de prova e a superfície condutora, é necessário o uso de um circuitolinearizador. Funcionam apenas em baixas frequências.

56

Medição de Vibração• Sensores Sísmicos de Velocidade - compostos de uma massa magnética presa a uma

mola e envolta por um enrolamento de fio, com todo esse conjunto imerso em óleo. Omovimento da massa gera um campo eletromagnético e consequentemente diferençade potencial nos terminais do enrolamento. Apresentam grandes dimensões secomparados aos acelerômetros piezo-elétricos. São sensíveis a efeitos de eixostransversos: montado verticalmente, também é afetado por um movimento horizontal.Sua resposta em frequência vai até 2000Hz.

• Acelerômetros - utilizam uma massa fixada a um cristal piezo-elétrico. Quando odispositivo vibra, uma carga proporcional à força aplicada no cristal é gerada, como amassa permanece sempre constante, tem-se uma corrente proporcional a aceleração.Só capta vibração numa direção. Caso seja necessário, o sinal pode ser integrado umavez para obter-se a velocidade e duas para o deslocamento. Apresentam dimensõesreduzidas e baixas correntes de polarização, os cabos de conexão podem ter até 50m,sem gerar atenuações consideráveis no sinal. Alguns modelos apresentam resposta emfrequência linear de 5Hz até 20kHz, sendo o tipo de sensor de vibração mais utilizadopor sua praticidade e resposta em frequência.

57

Medição de Vibração

• Em medições de vibração, deve-se ter muito cuidado com a fixação do sensor deforma a mantê-lo bem fixado na estrutura ou objeto a ser monitorado.

• Com uma fixação incorreta pode-se perder informação, principalmente ascomponentes de alta frequência.

Exemplo de Especificações de um acelerômetro:

58

Medição de Vibração

• Exemplo de um procedimento de medição de vibração num equipamento elétrico(transformador):

59

Exercícios de Fixação

1. ...

60