automação industrial - parte 5

Rua Princesa Isabel, 129 - 89160-000 - Rio do Sul/SCFone/Fax: (47) 3521 2986 - Email/MSN: [email protected]: cca_materiais_eletricos - Site: www.cca.ind.brSIBRATEC

AUTOMAO INDUSTRIAL

PARTE 5

SENSORES E TRANSDUTORES

Nestor Agostini

Rio do Sul (SC), 01 de setembro de 2008


2

1. SENSORES E TRANSDUTORES O Vocabulrio Internacional de Termos Tcnicos apresenta as seguintes definies para transdutor e sensor: Transdutor de medio: Dispositivo que fornece uma grandeza de sada que tem correlao determinada com a grandeza de entrada. Exemplos: termopar, transformador de corrente, extensmetro eltrico de resistncia, eletrodo de pH. Sensor: Elemento de um instrumento de medio ou de uma cadeia de medio que diretamente afetado pelo mensurando. Exemplos: junta de medio de um termmetro termoeltrico, rotor de uma turbina para medir vazo, tubo de Bourdon de um manmetro, bia de um instrumento de medio de nvel, fotoclula de um espectrofotmetro. Na prtica, os termos transdutor e sensor so freqentemente tomados como sinnimos, visto que, em ltima anlise, ambos convertem um tipo de energia em outra que possa ser mais facilmente medida. H, porm, vrios transdutores que no executam a funo de um sensor (alto falantes, microfones, solenides, etc.). Resumindo: os transdutores so diferentes dos sensores, embora, em aplicaes especficas eles possam funcionar como tais.

1.1. Caractersticas gerais dos sensores e transdutores O sensor, com certeza, o elemento mais bsico e comum em qualquer processo de automao, principalmente industrial. atravs desse dispositivo que todo o sistema capaz de coletar informaes da planta fabril e, com base nisso, executar determinada tarefa. Existem algumas caractersticas que so gerais a todos os sensores e outras que so especificas a um determinado tipo de sensor. Atravs do conhecimento destes princpios o engenheiro ou tcnico pode escolher e dimensionar o melhor tipo segundo sua necessidade. A dvida inicial para se determinar um sensor, geralmente, : Quais so os parmetros a serem observados na escolha ou dimensionamento de um sensor?. A resposta a esta dvida depende do sensor, porm genericamente, h um conjunto de caractersticas importantes a serem consideradas, que so: a) Linearidade o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza fsica. Quanto maior, mais fiel a resposta do sensor ao estmulo. Conseqentemente, pode-se conferir uma maior preciso ao sistema. b) Faixa de atuao o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor, sem destruio ou impreciso. c) Histerese a distncia entre os pontos de comutao do sensor, quando um atuador dele se aproxima ou se afasta.


3

d) Sensibilidade a distncia entre a face do sensor e o atuador no instante em que ocorre a comutao. e) Freqncia de comutao a quantidade mxima de mudanas de estado em um determinado intervalo de tempo. f) Distncia sensora a distncia 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 uma quantidade fsica ou qumica de entrada numa outra (geralmente eltrica) na sua sada. Os transdutores de sada dos sistemas de medida denominam-se atuadores e convertem uma quantidade (geralmente eltrica) de entrada numa outra fsica ou qumica na sua sada. A funo de um transdutor pode ser descrito de diversas formas, destacam-se duas formas usuais: Estrutura Funcional: onde se descreve o mtodo adotado para realizar a medida atravs de funes ou estruturas bsicas. Estrutura Orgnica: onde se apresenta a funo do sistema de medida atravs da implementao fsica de grupos de funes ou estruturas bsicas.

Figura 1.1: Descrio funcional e orgnica de um transdutor de presso

2. ELEMENTOS BSICOS DE SENSORIAMENTO Em geral, os sistemas de sensoriamento possuem elementos sensores ou transdutores que atuam medindo ou transformando formas de energia. A realizao das medies ou transformaes de energia efetuada por elementos de contato.


4

2.1. Formas de energia Podem-se distinguir seis diferentes formas de energia: Energia Luminosa: Energia relacionada com ondas eletromagnticas de radio, microondas, infravermelho, luz visvel ultravioleta, raios-X, raios gama etc. Ex. Intensidade luminosa, comprimento de onda, polarizao, fase, refletncia, transmitncia, etc. Energia Mecnica: Energia relacionada a foras, deslocamentos e fluxos mecnicos alm da energia gravitacional. Ex. Fora, presso, torque, vcuo, vazo, volume, espessura, massa, nvel, posio, deslocamento, velocidade, acelerao, inclinao, rugosidade, etc. Energia Trmica: Energia relacionada cintica de tomos e molculas. Ex. Temperatura, calor, calor especfico, entropia, fluxo de calor. Energia Eltrica: Energia relacionada eletricidade em geral. Ex. Tenso, corrente, carga, resistncia, indutncia, capacitncia, constante dieltrica, polarizao eltrica, freqncia, durao de pulsos, etc. Energia Magntica: Energia correspondente aos fenmenos do magnetismo em geral. Ex. Intensidade de campo, densidade de fluxo, momento magntico, magnetizao, permeabilidade, etc. Energia Qumica: Energia relacionada com os fenmenos de interao qumica da matria. Ex. Composio, concentrao, taxa de reao, toxicidade, potencial de oxi-reduo, PH, etc. Em geral, os transdutores atuam convertendo as formas de energia apresentadas em sinais eltricos, visto que mais fcil realizar medidas nestes ltimos.

Figura 2.1: Interao entre as vrias formas de energia


5

Existem uma diversidade de efeitos fsicos ou qumicos utilizados para a realizao de converso de energia nos transdutores de entrada ou sada de um sistema de medida. Como em geral, no caso dos transdutores de entrada ou sensores, deseja-se converter estes sinais para o domnio eltrico ou do domnio eltrico para outro domnio no caso dos transdutores de sada ou atuadores, apresenta-se alguns dos efeitos mais usados para a implementao de sensores e atuadores, nas tabelas a seguir:

Tabela 2.1: Transduo de Energia Luminosa

Efeito Descrio Fotovoltico Uma tenso gerada pela radiao

incidente na juno de dois materiais diferentes

Fotocondutividade O aumento da condutividade eltrica de um material devido incidncia de uma radiao

Fotoeletricidade Eltrons e lacunas so gerados e separados na rea da juno devido a uma radiao incidente

Fotoluminiscncia Uma energia radiante emitida devido uma radiao incidente com menor comprimento de onda

Fotodieletricidade A mudana de uma constante dialtica devido a uma radiao incidente

Electrolumiscncia Uma energia radiante emitida devido a ao de um campo eltrico

Incandescncia Emisso de radiao devido ao movimento trmico de tomos ativados por uma corrente eltrica

Tabela 2.2: Transduo de Energia Mecnica

Efeito Descrio Piezoresistividade Variao da resistncia eltrica de um

material devido mudana da condutividade ou forma quando sujeito deformaes mecnicas

Piezoeletricidade Gerao de cargas superficiais devido a foras mecnicas e vice-versa

Magnetostrio Deformao mecnica de um material devido ao campo magntico ou mudana de magnetizao do material devido deformao mecnica

Fotoelasticidade Gerao de refrao dupla devido a foras mecnicas


6

Termoelasticidade Gerao de uma tenso em duas regies de um metal devido a deformaes mecnicas ou diferenas de temperatura na regio

Triboeletricidade Gerao de cargas eltricas superficiais devido ao atrito entre dois materiais

Tabela 2.3: Transduo de Energia Trmica Efeito Descrio Termoeletricidade (Seebeck) Gerao de uma corrente eltrica num

circuito fechado de dois condutores com diferentes temperatura de juno

Piezoeletricidade Mudana de polarizao eltrica devido variaes da temperatura

Incandescncia Emisso de energia luminosa devido ao aquecimento de um material

Peltier Gerao de uma diferena de temperatura entre duas junes devido a passagem de uma corrente eltrica

Nerst Gerao de um campo eltrico devido a um gradiente de temperatura e campo magntico

Supercondutividade Mudana da condutividade para um valor perto de infinito abaixo de uma temperatura crtica

Eletro-termico Gerao de calor em um condutor devido a passagem de uma corrente eltrica

Termocondutividade Mudana da condutividade eltrica devido variaes da temperatura

Tabela 2.4: Transduo de Energia Magntica

Efeito Descrio Hall Gerao de um campo eltrico em um

condutor, devido corrente e campo magntico que se encontram mutuamente perpendiculares

Magneto-resistncia Mudana da resistividade de um material devido ao campo magntico

Magnetostrio Uma deformao mecnica gerada num material ferromagntico pelo campo magntico incidente

Eletromagntico Mudana da magnetizao devido uma corrente eltrica

Maggi-Righi-Leduc Mudana da condutividade trmica devido ao campo magntico incidente


7

Suhl Mudana de condutividade na superfcie de um semicondutor devido ao campo magntico

Tabela 2.5: Transduo de Energia Qumica

Efeito Descrio Volta Gerao de tenses entre dois metais

diferentes Galvano-eltrico Gerao de tenses entre dois metais

diferentes quando imersos num eletrlito Qumico-magntico A variao da magnetizao de um

material magntico pela absoro de um gs

Eletroqumico Mudana de estrutura devido a uma corrente eltrica

Termoqumico Mudana de estrutura devido a uma variao da temperatura

Qumico-eltrica Mudana na condutividade da superfcie de um semicondutor quando em contato com um eletrlito

3. PRINCIPAIS MODALIDADES DE SENSORES DE USO INDUSTRIAL 3.1. Sensores de posio Os sensores de posio, em geral, convertem, energia mecnica em sinais eltricos. Neste grupo encontram-se potencimetros, encoders, sincros, indutivos de deslocamento, sensores a laser e os ultrassnicos. a) Potencimetro: um sensor de posio do tipo absoluto e com sada analgica. Basicamente, consiste de uma resistncia eltrica de fio enrolado ou de uma pista de material condutor, distribudos ao longo de um suporte que pode ser em forma de arco ou linear. H um cursor que desliza sobre o material condutivo ligado a um contato. Dependendo da posio em que se encontra o cursor a resistncia entre o incio da pista e o prprio cursor alterada. Esta alterao de resistncia utilizada como indicador de posio. A taxa de variao da resistncia em funo do giro ou do deslizamento do cursor pode ser:

- Linear: a variao da resistncia diretamente proporcional ao ngulo de giro; - Logartmica: a variao segue uma curva log; - Anti-logaritmica: a variao segue uma curva anti-log; - Etc.

Na prtica h vrios tipos de potencimetros.


8

Figura 3.1: Estrutura dos potencimetros O tipo de aplicao determina o modelo a ser escolhido.

Figura 3.2: Potencimetros comerciais

Esquematicamente o potencimetro possui o seguinte smbolo.

Figura 3.3: Smbolo de potencimetro


9

Para a escolha do tipo de potencimetro a ser aplicado a um sistema de automao necessrio considerar itens tais como: preciso, sensibilidade, formato mecnico, etc.

Exerccio resolvido: O esquema abaixo representa um sistema de automao onde um potencimetro linear de 100 k de resistncia total recebe a informao da posio de giro de uma polia. Sabendo-se que o ngulo de giro do potencimetro de 270 e que os valores mnimo e mximo de resistncia entre os pontos B e A 1 k e 99 k, respectivamente, determine qual a voltagem mnima, mxima e qual sua variao por grau de giro da polia.

Soluo:

Figura 3.4: Utilizao de potencimetro A menor tenso obtida ocorre quando a resistncia entre B e A de 1 k. Nesta condio a resistncia entre B e C de 99 k. Pela regra da diviso de tenso tem-se: V24,024.

1001minimo Vsinal ==

V76,2324.10099mximo Vsinal ==

Para um giro de 270, obtm uma variao de tenso de 23,76 0,24 = 23,56 V Atravs de regra de trs, conclu-se que: mV8,81 =o b) Encoder: o encoder um sensor de posio digital, ou seja, a sada em formato de pulsos eltricos e no de uma variao de tenso como nos potencimetros. Do ponto de vista de construo fsica externa, os encoders tem semelhana com um potencimetro.


10

Figura 3.5: Encoder Internamente, no entanto, no h nenhuma similaridade com os potencimetros. Os pulsos so gerados por um rotor que gira uma ou mais pistas circulares, concntricas com faixas opacas e translcidas. Sobre essas faixas instalado um sensor foto acoplador, geralmente, foto transistor e led. O led produz luz e esta somente atinge o foto transistor nos momentos em que a faixa translcida passa pelo sensor, desta maneira so gerados pulsos 0, quando a faixa preta passa pelo sensor e 1 quando a faixa translcida passa pelo sensor.

Figura 3.6: Princpio de funcionamento do encoder

Quanto a forma de apresentao dos pulsos, os encoders podem ser classificados em: b1) Incrementais: so encoders que contam pulsos a partir de um ponto zero. O incio da contagem pode ocorrer a qualquer momento, por isso so ditos incrementais. o mesmo principio de funcionamento do mouse dos computadores. Existem vrios modelos de encoders incrementais, alguns possuem apenas um canal, ou seja, apenas uma pista de faixa de forma que fornecem somente uma seqncia de pulsos sem nenhuma espcie de formatao. Existem tambm modelos que fornecem, alm da seqncia de pulsos dentro de cada giro, um pulso a cada volta, assim consegue-se determinar o nmero de voltas. Outro modelo possui a capacidade de perceber o sentido de rotao. Um sistema para determinar o sentido de rotao consiste na utilizao de dois sensores separados entre si por p+1/4, onde p o passo do disco. Ao girar o rotor produz pulsos quadrados em cada sensor defasados de do perodo se o rotor estiver girando em um sentido. No outro sentido a defasagem aumenta para do perodo. Assim, consegue-se determinar o sentido da rotao.


11

Figura 3.7: Funcionamento do encoder incremental

b2) Absolutos: os encoders absolutos so do tipo multi-pista. Eles possuem, internamente, um conjunto de pistas que criam um cdigo. Desta maneira, em cada posio ele gera uma combinao de pulsos diferente. Os cdigos usualmente utilizados so o Gray, o BCD ou o binrio puro.

Figura 3.8: Funcionamento do encoder absoluto b3) Especificao de encoders Para especificar encoders necessrio considerar alguns aspectos importantes, tais como:

1. Tipo: decidir entre um encoder incremental ou um absoluto. Em geral, os encoders absolutos so bem mais caros do que os incrementais. A deciso entre um tipo ou outro deve ser

SENTIDO HORRIO

A

B B

A

SENTIDO ANTI-HORRIO


12

tomada em funo do que se pretende desenvolver. Com o encoder absoluto sempre possvel saber a posio correta de um dispositivo, pois o cdigo gerado diferente para cada posio. Com encoder incremental, geralmente, necessrio ressetar o sistema e iniciar a partir de um ponto definido para ajustar a posio. A tentativa de ajustar posies com um encoder incremental pode levar a erros acumulativos, que ao final de um percurso podem gerar grandes distores em relao ao desejado. Observe a figura. Suponha que o ponto A seja o ponto zero e que em quatro passos pretende-se atingir o ponto G, de modo cumulativo:

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

- no segundo movimento pretende-se chegar ao ponto D, porm, como j se est partindo de um ponto errado a tendncia que haja um erro em D que o erro j 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 porm pode-se atingir o ponto G. O procedimento recomendado para esta situao 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 mquina, ou seja, volta-se ao ponto A (zero); - no terceiro movimento tenta-se atingir D. Pode haver um erro, porm o fato de estar

partindo de um ponto conhecido a tendncia que este erro seja menor do que o obtido no modo anterior;

- procede-se da mesma maneira para chegar a F. Primeiro resseta-se a mquina e, em seguida, realiza-se o movimento at F, podendo haver um erro, porm menor do que o erro obtido no modo de operao anterior.

Figura 3.9: Propagao de erros

2. Tenso de alimentao: existem encoders para as mais diversas tenses de alimentao. 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 nmero de pulsos por volta, maior a sua resoluo, porm, o aumento da resoluo implica no aumento de custo; 4. Nmero de canais: (para os modelos incrementais): 5. Nmero de bits de resoluo (para os absolutos): o aumento do nmero de bits de resoluo implica em aumento de custo 6. Freqncia mxima de operao: os encoders so limitados a certa velocidade mxima que precisa ser avaliada quando da aplicao; 7. Tipo de sinal de sada: sempre depende do restante do sistema, a no ser que seja um sistema totalmente novo onde pode ser especificado qualquer sada. Dentre as vrias modalidades de sinal

A B C D E F G


13

de sada tem-se: NPN, PNP so sadas a transistor em coletor aberto. A sada NPN, push pull, TTL. 8. Tipo de fixao: axial ou radial. c) Folha de especificaes tpica de um encoder


14


15


16


17

Figura 3.10: Folha de especificaes tcnicas do encoder incremental


18


19


20

Figura 3.11: Folha de especificaes tcnicas do encoder absoluto


21

c4) Exerccios resolvidos: 1. Um determinado sistema requer a monitorao de deslocamento de uma pea (P) sobre um cilindro com dimetro de 100 mm, ligado a um motor (M) com rotao de 900 rpm. No nenhuma possibilidade de haver escorregamento entre a pea P e o cilindro (C). Um encoder ligado ao eixo do cilindro. Admitindo que o avano da pea necessita ser monitorado em at 1 mm com uma preciso de 0,1 mm. Admitir que o sistema avana, produz uma pea, recua, recebe o novo material, avana novamente, produz outra pea e assim sucessivamente. Especificar o encoder incremental necessrio a esta aplicao.

Figura 11.14: Uso do encoder Soluo: Primeiramente necessrio saber a relao entre o avano da pea e a rotao do motor, ou seja, quantos milmetros a pea avana para cada rotao do motor. Esta relao conseguida atravs do dimetro do cilindro.

mm314Avano

14,3.100Avano.dAvano

==

=

Assim, a cada rotao a pea avana 314 mm. Conforme solicitado necessria uma definio de 1 mm com exatido de 0,1 mm. Ou seja so necessrios, no mnimo, 10 pulsos por milmetro de avano. O encoder pode ento ser especificado:

rotao/3140pulsos_de_Nmero10x314pulsos_de_Nmero

==

Precisa-se de um encoder com, no mnimo 3140 pulsos por rotao. As demais especificaes so todas obtidas do enunciado do problema:

- freqncia mxima de operao: 900rpm ou 15 Hz; - Necessita de dois canais, pois necessrio determinar o sentido de rotao do motor;

2. Resolver o mesmo exerccio anterior utilizando um encoder absoluto com sada digital direta. Neste caso necessrio especificar o nmero de bits de resoluo.

M

C

PAVANO DA PEA

ENCODER

SENTIDO DE ROTAO DOMOTOR DURANTE O AVANODA PEA


22

Soluo: A relao entre o avano da pea e a rotao j conhecida do problema anterior, 314 mm por rotao. Para obter a resoluo de 0,1 mm so necessrias 3140 posies. Para a sada digital direta vale a seguinte relao:

Onde x representa o nmero de bits necessrios. Observar que 11 bits so poucos e 12 bits o primeiro inteiro superior a 11,6. Isto significa que o encoder precisa ter uma resoluo de 12 bits. As demais especificaes so as mesmas do problema anterior. d) Sincros e resolvers: so transdutores de posio angular eletromagnticos. Seu principio de funcionamento se resume em um transformador onde um dos enrolamentos rotativo. Na figura mostrado em sincro trifsico. Quando se aplica uma tenso ao enrolamento rotativo, se recolhe em cada fase dos enrolamentos estticos uma tenso cujo valor dado por: = sen.VV 21

Figura 3.12: Funcionamento do sincro

6,11x693,0052,8

)2ln()3140ln(x

)3140ln()2ln(.x)3140ln()2ln(

31402x

x

===

==

=


23

Onde V1 e V2 so tenses que dependem dos aspectos construtivos do sincro e o ngulo entre o enrolamento fixo e o enrolamento rotativo. Observar que, pelo fato do estator ser trifsico possvel determinar, alm do deslocamento, tambm seu sentido. No caso de existir somente uma fase no estator h uma indefinio do sentido do deslocamento, visto no haver outras fases para realizar a comparao de tenses. Para solucionar este problema foi implementado um sincro com uma configurao especial, denominado de resolver. Os enrolamentos do estator so alimentados em srie, produzindo um campo estacionrio sobre o eixo y. Os enrolamentos do rotor recolhem tenses diferentes em funo da montagem.

Figura 3.13: Funcionamento do resolver

e) Inductosym: os sensores inductosym possuem como principio de funcionamento eletromagntico e so utilizados em mquinas de controle numrico. O dispositivo consiste de uma rgua esttica e um cursor que se movimenta sobre ela. A rgua contm um filme metlico com a forma de uma onda quadrada, com um perodo (g) em (mm). O cursor tem dois padres semelhantes e quando acoplado rgua o sistema se comporta como um transformador plano, assim o cursor ser o primrio e a rgua o secundrio. Se forem aplicadas tenses no primrio:

com = freqncia da excitao A tenso no secundrio ser:

sendo s = o deslocamento da bobina e1 em um perodo. Notar que se completar um ciclo quando o deslocamento igual a um perodo da rgua.

)t.cos(.ee)t.sen(.ee

2

1

==

)s.gt.sen(.ee xs +=


24

Figura 3.14: Funcionamento do inductosym f) Laser: o laser utilizado na deteco de distncia utilizando as propriedades da interferncia de raios luminosos. Em geral, a emisso do laser pulsada em certa freqncia de operao. O princpio de funcionamento se baseia na superposio de duas ondas de mesma freqncia: uma direta e outra refletida. A onda resultante passa por valores mximos e mnimos de acordo com a fase do sinal refletido (franjas). Os sensores industriais geram um raio de luz que se divide em duas partes ortogonais mediante um separador. Um raio aplicado sobre um espelho plano fixo, enquanto que o outro se reflete no objeto em que se deseja determinar a distncia. Os dois raios se sobrepem novamente no separador, de forma que ao separar-se geram mximos mnimos a cada mltiplo do comprimento de onda da luz. A distncia determinada contando as oscilaes (conhecidas tambm como franjas), obtendo-se uma sada digital de grande preciso.

Figura 3.15: Funcionamento do sensor laser g) Ultrassnicos: os sensores ultrassnicos baseiam-se no princpio da reflexo do som. emitido um raio ultrassnico, geralmente pulsado, com freqncia da ordem de 200 kHz ou mais, que atinge o objeto do qual se quer determinar a distncia e mede-se o tempo at o retorno do sinal refletido. Usualmente so empregados para detectar o nvel em depsitos de slidos, falhas do tipo gretas em montagens industriais, profundidade de gua, medies remotas de distncia, etc.

GERADOR DERAIOS LASER

ESPELHO PLANO

SEPARADOR DE RAIOS

RAIO REFLETIDO

RAIO ENVIADO

CONJUNTOFOTODETECTOR

CONTADORVISUALIZADORDE FRANJAS

PROCESSADORVISUALIZADOR MTRICO

OBJETO QUE SEDESEJA DETERMINAR

A DISTNCIA


25

h) Fotoeltricos de triangulao: os sensores fotoeltricos de triangulao conseguem determinar a distncia em que se encontra um ponto utilizando diodos sensveis posio. So utilizados dois receptores e tanto os receptores como o emissor so munidos de lentes asfricas que permitem maior preciso de deteco. O sensor funciona da seguinte maneira: o emissor emite um feixe de luz que refletido pelo objeto alvo. A luz refletida chega s lentes asfricas dos receptores que se encarregam de concentrar a luz em um ponto dos diodos sensveis posio. Este componente tem a caracterstica de fornecer duas correntes eltricas que so proporcionais ao ponto de incidncia da luz. Como o ponto de incidncia da luz nos diodos muda de acordo com a posio do objeto pode-se, atravs de um circuito de controle, selecionar a rea de deteco do sensor. Alm disso, pelo fato destes diodos no dependerem da quantidade de luz refletida pelo objeto e sim de sua posio, pode-se detectar objetos de diferentes cores ou multicoloridos sem a necessidade de reajustar a sensibilidade. 4. SENSORES PARA DETECO DE EVENTOS 4.1. Sensor indutivo: O sensor indutivo, tambm conhecido como sensor de proximidade, capaz de detectar a presena (ou no) de um objeto metlico quando este estiver a determinada distncia da sua face (distncia sensora). Seu princpio de funcionamento baseado na gerao de um campo eletromagntico de alta freqncia, que desenvolvido por uma bobina ressonante instalada na face sensora (Figura 4.1).

Figura 4.1: Funcionamento do sensor indutivo

A bobina faz parte de um circuito oscilador, que em condio normal (no acionada), gera um sinal senoidal. Quando um metal se aproxima do campo, este atravs da corrente de superfcie absorve energia, reduzindo a amplitude do sinal gerado no oscilador. Esta variao do valor original , ento, detectada e aciona o estgio de sada. Na Figura 4.2 pode-se observar o diagrama eletrnico simplificado de um sensor indutivo.


26

Figura 4.2: Diagrama eletrnico do sensor indutivo Vantagens do uso de sensores indutivos ao invs de chaves fim de curso convencionais - Nmero de manobras: por no ter partes mveis (acionamento esttico), a capacidade de operao de um sensor indutivo muito maior que uma chave convencional; - Ausncia de contato fsico: como se trata de um sensor de proximidade, no h necessidade de contato fsico com a parte em movimento. Novamente, isso contribui para o aumento significativo da vida til do sistema; - Velocidade de atuao: ela maior que a de uma chave mecnica, uma vez que no h inrcia na sua operao. A Figura 4.3 ilustra um exemplo do campo de atuao, tendo como referncia sua superfcie ativa.

Figura 4.3: Campo de atuao do sensor indutivo

A Figura 4.4 traz alguns exemplos de aplicao.


27

Figura 4.4: Aplicaes do sensor indutivo Outro "nome" atribudo ao sensor indutivo sensor "no faceado". Essa denominao origina-se do aspecto de instalao do componente, que por razes bvias deve ter uma "zona livre" de metal ao seu redor. Atravs da Figura 4.5, pode-se estimar as distncias mnimas que um sensor deste tipo deve respeitar, caso seu alojamento seja metlico, a fim de que no ocorram comutaes errneas.

Figura 4.5: Atuao do sensor indutivo

Como ser visto a seguir, sensores para materiais isolantes (no metlicos) so, tambm, classificados como faceados, uma vez que "faceiam" seu alojamento sem correr riscos de acionamento indevido. Os sensores industriais, sejam eles indutivos ou no, podem ter suas sadas nas configuraes pnp ou npn. A Figura 4.6 mostra como, no primeiro, caso (pnp) a comutao da carga feita atravs do plo positivo da fonte. Tomando um CLP como exemplo, a carga seria acionada com + 24 Vcc no seu terminal livre. J a configurao npn conecta a carga ao zero volt, uma vez que essa j est com o plo positivo ligado.

Figura 4.6: Sensor indutivo PNP e NPN


28

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

Figura 4.7: Tipos de sadas de sensores indutivos

4.2. Sensor capacitivo: Ao contrrio do sensor indutivo, que funciona atravs da formao de um campo eletromagntico e indicado para deteco de partes metlicas, o capacitivo funciona segundo um campo eltrico e ideal para sensoriar materiais isolantes (lquidos, plsticos, vidros, entre outros). Para compreender melhor como ele faz isso, necessrio relembrar alguns conceitos bsicos dos capacitores. A capacidade de armazenar cargas de um capacitor, pode ser expressa pela frmula:

Onde; e = constante dieltrica ou permissividade. S = rea entre placas d = distncia entre placas. Conclu-se, ento, que a capacidade de armazenar cargas do componente diretamente proporcional a rea formada entre as placas e a constante dieltrica, e inversamente distncia entre elas. Como referncia, o ar possui uma constante dieltrica e0 = 1. Convm lembrar que este valor uma referncia, e que dizer que "1" igual a 8,9 x 10-12 F/m (Faraday/metro). A seguir, na Tabela 4.1 apresentada a constante dieltrica dos materiais mais comuns. Quando se atribui 2 madeira, por exemplo, significa que, fisicamente, ela apresenta 17,8 x 10-12 F/m (2 x eo).


29

Tabela 4.1: Constante dieltrica de materiais mais comuns

T A deteco do objeto neste tipo de sensor ocorre segundo uma variao da capacitncia. Conforme se viu, esta depende de trs variveis em um capacitor. No sensor capacitivo, entretanto, duas delas j so fixadas e determinadas na concepo do dispositivo (S e d). A Figura 4.8 mostra que a diferena fundamental entre o sensor capacitivo e o capacitor convencional que as placas no esto uma de frente para a outra, mas sim uma ao lado da outra. A rea e a distncia entre elas fixa, e como as placas esto dispostas segundo esta geometria, a capacitncia do elemento na ausncia de um material dieltrico pode ser considerada desprezvel.

Figura 4.8: Capacitor convencional X sensor capacitivo

Uma vez que um objeto dieltrico aproxima-se, porm, ao adentrar no campo eltrico sob a superfcie do eletrodo, causa uma mudana na capacitncia do conjunto. Este fenmeno produz uma oscilao com uma amplitude tal que seja detectada por um circuito e convertida em um comando para a comutao do estado da sada (Figura 4.9).


30

Figura 4.9: Funcionamento do sensor capacitivo Resumindo, o sensor capacitivo funciona de acordo com a variao da constante dieltrica do material a ser detectado, atravs de um campo eltrico, e cuja alterao da sua capacitncia aciona um comando de chaveamento na sada. 4.3. Sensores pticos Os sensores ticos, alm de serem utilizados para a deteco de distncia entre corpos, conforme j visto anteriormente, servem tambm para a deteco de eventos. Existem vrias configuraes que podem ser utilizadas para este fim. a) Difuso Nesta configurao, o transmissor e o receptor so montados na mesma unidade, sendo que o acionamento da sada ocorre quando o objeto a ser detectado entra na regio de sensibilidade e reflete para o receptor a feixe de luz emitido pelo transmissor (Figura 4.10).

Figura 4.10: Sensor tico difuso

b) Reflexivo O sensor ptico reflexivo, tambm conhecido como retro-reflexivo, assim como o difuso, tem o transmissor e o receptor montados em uma nica unidade. O feixe de luz chega ao receptor aps a incidncia em um espelho e o acionamento da sada ocorre quando o objeto interrompe o feixe (Figura 4.11).


31

Figura 4.11: Sensor tico reflexivo Este tipo de sensor muito utilizado em segurana de reas, conforme se pode ver na Figura 4.12 . Um rob cercado por um feixe infravermelho que, aps reflexes sucessivas, atinge o receptor. Caso um objeto interrompa esse feixe, o sensor ser atuado, paralisado o trabalho.

Figura 4.12: Aplicao do sensor tico reflexivo Um cuidado a ser tomado na utilizao de um sistema como este, orientar o usurio quanto a limpeza dos sensores e espelhos. A sujeira pode gerar acionamentos indevidos. Caso o ambiente seja muito rico em poeira ou qualquer outra partcula em suspenso (nvoa de leo, por exemplo),


32

talvez seja mais indicado utilizar outro tipo de sensor. c) Barreira de Luz Este sensor, ao contrrio dos dois anteriores, montado em duas unidades distintas: uma transmissora e outra receptora. Cada unidade fica de um lado da trajetria do objeto-alvo, uma vez que este interrompe o feixe, e o sensor ativado. Atualmente este o tipo de sensor mais utilizado para realizar proteo de mquinas industriais onde o operador manipula objetos com a mo. 11.4.4. Sensores ultra-snicos: O sensor ultra-snico emite pulsos cclicos ultra-snicos que, quando refletidos por um objeto, incidem no receptor, acionando a sada do sensor. Tanto o emissor como o receptor esto montados na mesma unidade, portanto, necessrio que haja uma reflexo (eco) do ultra-som de modo que este ative o receptor.

Figura 4.13: Utilizao do sensor ultrassnico Neste caso tambm se deve ter cuidado quando se decidir utilizar um sensor deste tipo, devido ao alinhamento angular. Dependendo da inclinao do alvo o eco pode desviar-se para uma direo diferente do sensor, no chegando ao receptor (localizado no mesmo componente). Geralmente este tio de sensor permite uma inclinao mxima de mais ou menos 3 (figura 4.13). Assim como o ptico, o sensor ultra-snico pode suprimir o fundo (desprezar o eco do que no objeto alvo de deteco). Neste caso, tem-se o tipo de barreira de reflexo. Vale reparar que o sensor ultra-snico pode operar tal qual um ptico, no que se refere a capacidade de deteco (Figura 4.14).


33

Figura 4.13: Utilizao do sensor tico e ultrassnico 11.4.5. Sensores de temperatura: A temperatura a medida da agitao molecular de um corpo. A impossibilidade de realizar diretamente esta medio conduziu ao desenvolvimento de mtodos indiretos de medida. Estes mtodos esto baseados nos efeitos da temperatura sobre a matria. Os principais sensores utilizados so: a) Termopar: A temperatura medida atravs de uma diferena de tenso originada na juno de dois metais diferentes posicionados em dois locais com temperaturas diferentes. Uma das junes a de medio; a outra, a de referncia (Figura 7.31). A juno de medio colocada junto ao material cuja temperatura se quer medir enquanto a outra juno colocada em um ambiente com temperatura conhecida. Quando existe diferena entre as temperaturas das duas junes, gerada uma diferena de potencial entre as mesmas (Figura 11.33). O valor desta diferena de potencial relaciona-se temperatura da juno de medio. Na prtica, os sensores do tipo termopar so feitos de vrias ligas de metais, de acordo com a faixa de temperatura que se deseja medir. Por exemplo: o termopar cobre/constantam til na faixa de -180C a 400C; o platina/platina-rdio utilizvel na faixa de 0C a 1500C.


34

Figura 4.14: Princpio de funcionamento dos termopares. A juno A a de referncia. B a juno de medio

b) Termistor: A resistncia eltrica uma caracterstica afetada pela temperatura em, praticamente, todos os elementos resistivos utilizados. Para alguns tipos de materiais, a resistncia alterada de modo significativo pela temperatura. Estes materiais so utilizados para a fabricao de um tipo especial de resistor, denominado termistor. Em geral, so fabricados com xidos de vrios metais, como nquel, mangans, ferro, cobalto e cobre, encapsulados em resina epxi ou em vidro. A medio cuidadosa da resistncia serve como indicativo da temperatura com preciso tpica de 0,1C. Com estes dispositivos possvel alcanar resoluo de 0,001C. Podem ser utilizados dentro de faixas de temperatura que vo deste -80C at 150C. Existem dois tipos de termistores, os PTC (Positive Temperature Coefficient coeficiente positivo de temperatura) e os NTC (Negative Coefficient Temperature coeficiente negativo de temperatura). Nos termistores tipo PTC, a resistncia diretamente proporcional variao da temperatura. Nos NTC, a resistncia decresce com o aumento da temperatura, porm, a variao no linear (Figura 4.15).

Figura 4.15: Curvas caractersticas de variao da resistncia em funo da temperatura nos termistores

Temp (C)

R ()

NTC

PTC

CALOR

MATERIAL XA

v

B

MATERIAL YMATERIAL Y


35

c) Semicondutor: os sensores de temperatura baseados em semicondutores aproveitam a propriedade das junes PN de alterarem a sua queda de tenso em funo da temperatura. Pode-se demonstrar que, para uma juno PN de silcio, a queda de tenso varia da seguinte maneira (MALVINO, 1997):

Esta variao da queda de tenso passou a ser utilizada para construir sensores de temperatura. Estes sensores so bastante lineares e muito sensveis, dentro da sua faixa de atuao. Atuam em faixas de temperatura desde -80C at 150C. Atualmente, vrios sensores a semicondutor fornecem sada de sinal digital. Estes so, geralmente, constitudos por um sensor analgico (tipo juno semicondutora), acoplado a um circuito eletrnico condicionador de sinal, que converte a variao de queda de tenso em sinais digitais. Na apresentao dos componentes utilizados neste trabalho so mostradas as caractersticas dos sensores aqui utilizados. 4.6. Sensores de umidade: Existem vrios sensores que possibilitam a medio da umidade relativa do ar. Dois deles, bastante difundidos: a) Resistivo: Estes utilizam a propriedade de alguns materiais (certos polmeros orgnicos) de alterar sua resistncia eltrica em funo da umidade. Estes sensores possuem uma relao no linear entre a resistncia e a umidade. Em geral, no conseguem apresentar resultados em toda a faixa de medio, a qual de 0% a 100% de umidade relativa. b) Capacitivo: So construdos em forma de um capacitor. Duas lminas metlicas separadas por um material isolante que forma o dieltrico. A umidade do ar afeta a constante dieltrica do material isolante, alterando a capacitncia do conjunto. Um indicativo usual da umidade, quando so utilizados sensores capacitivos, a freqncia de oscilao de um circuito, que varia em funo da alterao da capacitncia. Estes sensores possibilitam medio em toda a faixa (0% a 100% de umidade relativa) permitem a construo de aparelhos portteis. Por isso, popularizaram-se a tal ponto que atualmente dominam o mercado.

CmVTV =

/2


36

Em geral, o sinal de sada desses sensores uma tenso proporcional umidade relativa. A Figura 4.16 mostra o sinal de sada e o aspecto fsico tpico de um sensor de umidade comercial.

Figura 4.16: Sinal de sada do sensor de umidade HIH3610 (Honeywell)

4.7. Sensores de deslocamento de fluxo de ar: O deslocamento do fluxo de ar medido deforma indireta. O que se mede o efeito do deslocamento do ar sobre algum componente. Dentre as vrias maneiras disponveis no mercado tem-se: a) Mecnicos do tipo ventoinha: O sensor uma ventoinha exposta ao fluxo de ar. Sua rotao proporcional velocidade do fluxo de ar. Basta, portanto, criar uma escala que relacione taxa de rotao da ventoinha com a velocidade do ar. Este sistema muito prtico para estaes meteorolgicas e para locais onde a velocidade do ar suficientemente elevada para vencer o atrito dos mancais (ou rolamentos) da ventoinha; b) Trmicos: A anemometria trmica uma tcnica de medio de velocidade de fluidos que vem sendo estudada e utilizada h vrias dcadas. Fundamentalmente, baseia-se no princpio de que um elemento resistivo aquecido, quando submetido a um fluxo de fluido, perde calor, diminui sua temperatura e altera sua resistncia eltrica. A variao da temperatura ou de sua resistncia eltrica podem ser utilizadas como indicativo da velocidade do fluido a que foi submetido. O termistor (elemento geralmente utilizado como sensor) deve ser mantido a uma temperatura suficientemente elevada, de modo que a influncia da temperatura ambiente no tenha efeitos significativos sobre a medio, ou deve possuir uma correo de leitura em funo da temperatura ambiente. Para determinar-se a velocidade de um fluido, utilizando-se anemometria trmica, pode-se empregar duas tcnicas:

- mantm-se a potncia entregue ao termistor constante e mede-se a sua temperatura. Neste caso, a temperatura do termistor um indicativo da velocidade


37

do fluido. Assim, necessita-se de um termmetro para obter a grandeza desejada o que se constitui em um complicador para a utilizao deste mtodo.

- varia-se a potncia entregue ao termistor de forma a mant-lo com temperatura constante. Neste caso, a potncia entregue um indicativo da velocidade do fluido. Caso lhe seja suprida uma corrente constante, ento, pode-se utilizar a queda de tenso sobre o elemento resistivo para determinar a velocidade do fluido. Este o mtodo de determinao de velocidade do fluxo de ar utilizado neste trabalho.

Os sensores utilizados na anemometria trmica, geralmente, so termistores com inrcia trmica suficiente baixa para serem sensveis s mnimas variaes do fluxo de ar. A Figura 4.17 mostra um tpico sensor do tipo termistor.

Figura 4.17: Termistor

5. ATUADORES

Dentro de uma malha de controle, o elemento final de controle, que tem por objetivo reposicionar uma varivel, de acordo com um sinal gerado por um controlador, chamado de atuador, pois atua diretamente no processo, modificando as suas condies.

So dispositivos utilizados para converso de sinais eltricos provenientes dos controladores, em aes requeridas pelos sistemas que esto sendo controlados.

Tal procedimento pode ocorrer:

- Sem necessidade de operador, - Com operador supervisionando continuamente, ou agindo em tempo real.

Em geral sistemas automticos no precisam de operador. O atuador efetua a operao para a qual foi projetado de forma totalmente automtica. Do ponto de vista da energia utilizada para realizar o efeito sobre o processo, os atuadores podem ser classificados em:


38

- Pneumticos: Utilizam algum gs comprimido para realizar a atuao. Em geral este gs comprimido o prprio ar atmosfrico. Este tipo de atuador normalmente empregado em sistemas onde se requer altas velocidades nos movimentos, com pouco controle sobre o posicionamento final, em aplicaes onde o torque exigido relativamente baixo.

Figura 5.1: Vlvula pneumtica

Os atuadores pneumticos mais conhecidos, e comumente utilizados, podem ser distribudos por processo :

Processos de Manufatura Lineares - Pistes de simples e dupla ao. Rotativos - Motores pneumticos. Se o acionamento bastante simples, comandado por eletrovlvulas que controlam os fluxos de ar no sistema, controlando os movimentos, o controle neste tipo de atuador se restringe ao comando destas vlvulas e seu acionamento requer apenas drives para estes reles. As principais caractersticas deste tipo de acionamento so o baixo peso e a baixa manuteno. Processos Contnuos Em processos contnuos, a vlvula de controle um atuador capaz de regular a vazo de um fludo (lquido, gs ou vapor) que escoa atravs de uma tubulao, por meio do posicionamento relativo de um obturador que obstrui a rea livre de passagem do fludo. Nestas vlvulas a atuao feita, na maioria das vezes, por dispositivos pneumticos, por isto so chamadas tambm de vlvulas de controle pneumticas. - Hidrulicos: Utilizam fluido lquido para realizar a atuao. Este fluido pode de gua, leo mineral, etc. Ex: Pistes hidrulicos, vlvulas hidrulicas, etc. So utilizados principalmente em sistemas onde so requeridos elevados torques, sobretudo no acionamento de mquinas de grande porte e em robs de alta velocidade de posicionamento. Assim como no caso dos atuadores pneumticos, estes podem ser lineares (pisto simples ou dupla ao) ou rotativos (motores hidrulicos). Seu acionamento, assim como no caso dos pneumticos, bastante simples, comandado por eletrovlvulas que controlam os fluxos de leo do sistema, controlando os movimentos. O controle neste tipo de atuador se restringe ao comando destas vlvulas e seu acionamento requer apenas circuitos de controle (drives) para estes reles. Caractersticas Alto torque desenvolvido;


39

Alta relao torque/peso; Alta performance; Baixa manuteno.

Figura 5.2: Vista em corte de um cilindro hidrulico Atuadores Eltricos Este tipo de atuador o mais empregado em aplicaes industriais de uma forma geral. As facilidades de instalao, os baixos custos de instalao e o desenvolvimento de drives eletrnicos para seu acionamento fizeram deste tipo de atuador o mais popular, no apenas em uso industrial, mas tambm para uso geral.

Aplicaes

Bombas; Vlvulas de controle (atuador eltrico); Eixos de mquinas ferramenta; Articulaes de Robs; Esteiras; Damper ou abafador de caldeiras; etc.

Tipos de atuadores eltricos

Motor de passo Devido simplicidade do acionamento admitido por este tipo de motor, foi o acionamento mais utilizado para controle de posicionamento em mquinas-ferramenta, at o final da dcada de 70. Atualmente eles esto caindo em desuso devido reduo dos custos e das dificuldades de acionamento dos demais tipos de motores. Suas caractersticas gerais so: Baixo Torque; Acionamento simples;


40

Baixa relao peso/potncia.

Mesmo com algumas caractersticas no muito favorveis, foi muito utilizado, pois a simplicidade do controle de seu acionamento compensavam suas limitaes. So comumente utilizados, hoje, em sistemas que operam e malha aberta, no exigindo a presena de sensores ou controladores mais elaborados. Sua maior aplicao est em perifricos para informtica.


41

Figura 5.3: Especificaes tcnicas de um motor de passo Motor de corrente contnua O desenvolvimento da microeletrnica e da eletrnica de potncia viabilizou o acionamento de outros tipos de motores eltricos alm dos motores de passo. Tendo um desempenho muito superior ao motor de passo, o motor CC o substituiu em algumas aplicaes , pois seu acionamento e controle tambm so bastante simples.


42


43

Figura 5.4: Especificaes tcnicas de um motor de corrente contnua

Motor de corrente alternada sncrono As inovaes construtivas destes motores possibilitaram a sua utilizao em acionamentos que at ento eram desenvolvidos para motores CC. Estas inovaes tambm determinaram o barateamento e o aumento de eficincia dos acionamentos aplicados a este tipo de motor.


44


45

Figura 5.5: Especificaes tcnicas de um motor sncrono Motor de corrente alternada assncrono (de induo) Este tipo de motor largamente utilizado em acionamentos onde controles de velocidade e posicionamento no so requeridos, devido ao seu baixo custo e robustez. O desenvolvimento de novas tcnicas e dispositivos para acionamento destes motores, abrem uma perspectiva para sua utilizao tambm em acionamentos de mquinas-ferramenta, como tambm em qualquer sistema de controle de posicionamento ou velocidade. Atualmente a maioria dos equipamentos de comando numrico se utilizam de motores CA acionados pelos chamados inversores de freqncia.

automação industrial - parte 5

Documents