3. Sensoreamento3.1IntroduoSensores so dispositivos amplamente utilizados na automao industrial, que transformam variveis fsicas como posio, velocidade, temperatura, nvel, pH, etc, em variveis convenientes. Se estas so eltricas, a informao propriamente dita pode estar associada tenso ou corrente; o segundocaso maisusual, porqueimplicaemreceptor de impedncia baixae portantoa maior imunidade captaode rudos eletromagnticos. Modernamente, em ambientesmais ruidosos e com distncias maiores, amplamente utilizada a transmisso tica via fibras ticas.Hsensoresemqueaamplitudedosinal eltricodesadareproduzaamplitudedosinal de entrada;so os sensores de medio ou transdutores; so fundamentais no campo do controle dinmico dos processos (realimentao ou alimentao avante). Sua sada pode ser analgica ou digital.Para a automao o principal objetivo comandar eventos, por exemplo, a chegada de um objeto aumaposio, deumnvel deumlquidoaumvalor, etc. Suassadassoentodotipo0-1, "on"-"off, isto , binrias. a estes sensores que conferimos com o nome de Sensores Discretos.Dentre os sensores discretos h duas grandes classes: de contacto mecnico (entre o processo e o sensor) e sem contacto, tambm denominados sensores de proximidade. Esta ltima classe mais importante, tanto pela flexibilidade na soluo de problemas de instalao quanto pelo menor desgaste em uso, o que significa maior confiabilidade.Sensores de Contacto Mecnico:nestes sensores com contacto mecnico, uma fora entre o sensor e o objeto necessria para efetuar a deteco do objeto. Um exemplo a chave de contacto, um dispositivo eletromecnico que consiste em um atuador mecanicamente ligado a um conjunto de contatos. Quando um objeto entra em contato fsico com o atuador, o dispositivo opera os contatos para abrir ou fechar uma conexo eltrica. Estes dispositivos tem um corpo reforado, para suportar foras mecnicas decorrentes do contato com os objetos. Apresentam rodas e amortecedores para diminuir o desgaste do ponto de contato. Figura 3.1 - Sensor tipo chave de contato As chaves de contato apresentamdiversas configuraes, podendo ser agrupadas pelas seguintes critrios: 1 Chavesdecontatoeltriconormalmenteabertos(NA) ounormalmentefechados (NF); Contatos que aps acionados podem ser momentneos ou permanentes; Dois ou quatro pares de contatos eltricos; Atuao por presso; Abertura e fechamento lento de contatos. Figura 3.2- Tipos de contacto nos sensores de contatoSensores de proximidade: nestes sensores, o objeto detectado pela proximidade do mesmo ao sensor.Existem cinco princpios de funcionamento para sensores discretos sem contacto: Indutivo:detecta alteraes em um campo eletromagntico; prprio para objetos metlicos; Capacitivo:detectaalteraesemumcampoeletrosttico; prprioparaobjetos isolantes; Ultra-Snico:usa ondas acsticas e ecos; prprio para objetos de grandes propores; Fotoeltrico: detecta variaes de luz infravermelha recebida; Efeito Hall: detecta alteraes de campo magntico.Na tabela 3.1, listam-se os sensores mais usados, suas principais vantagens e desvantagens.2 Classificao Sensor Vantagens DesvantagensSensores de ContactoChaves de Contato Capacidade de corrente Imunidade interferncia Baixo Custo Tecnologia conhecida Requer contato fsico com o alvo Resposta lenta Contatos apresentam Bounce e vida curta Movimento produz desgasteSensores de ProximidadeIndutivos Resiste a ambientes severos Muito previsvel Vida Longa Fcil Instalao No depende da superfcie do objeto Limitao de distncia Detecta principalmente materiais metlicos Sensvel a interferncias eletromagnticasCapacitivos Deteco atravs de algumas embalagens Pode detectar materiais no metlicos Vida longa Distncias curtas de deteco Muito sensvel a mudanas ambientais No seletivo em relao ao alvoticos Pode ser usado com qualquer material Vida longa Faixa grande de medio Resposta rpida Pode retirar o rudo ambiente Permite o uso de fibras ticas Lentes sujeitas contaminao Faixa afetada pela cor e refletividade do alvo Mudana de ponto focal pode modificar o desempenho Objetos brilhantes podem interferirUltra-snicos Pode medir distncias longas Pode ser usado para detectar muitos materiais Resposta linear com a distncia Requerem um alvo com rea mnima Apresentam distncias mnimas de trabalho Resoluo depende da freqncia Sensvel a mudanas do ambiente No funciona com materiais de baixa densidadeHall Vida Longa Fcil Instalao Resposta rpida Baixo Custo No seletivo em relao ao alvo Sensvel a interferncias eletromagnticas O alvo deve ter um im fixadoTabela 3.1 -Os sensores mais usados, suas principais vantagens e desvantagens3.2Sensores Discretos3.2.1 Sensores de contactoChaves EletromecnicasChaves eletromecnicas so dispositivos primrios para comunicar uma deteco de evento, seja uma interveno do operador seja um aviso de que um certo estado foi atingido por alguma varivel fsica do processo. O sinal decorrente do fechamento de uma chave est sujeito ao rudo provocado 3pela vibrao da parte mecnica (chatter). Para que esta sucesso rpida de sinais 0 e 1 no cause erroslgicosnaautomaopormeiodeCLPs, elesdevempossuirrotinasdefiltragememseus programas aplicativos.Chaves Manipuladas pelo Operador do ProcessoAbotoeiraouchavepush-buttonumadasformasmaissimplesusadasparacomandopelo operador. As chaves de p so usadas quando o operador necessita das mos para exercer outra atividade enquanto opera o equipamento.Chaves seletoras so chaves que incorporam uma operao e um mecanismo de chaveamento que apresenta vrias posies.Figura 3.3 - Chaves Chaves-Limite ou de Fim de CursoAs chaves-limite ou de fim de curso so usadas para detectar a posio de objetos ou materiais. Os transportadores, portas, elevadores, vlvulas etc. usam as chaves de fim de curso para fornecer informaes sobre a posio fsica do equipamento. Os mecanismos de acionamento mais comuns so a alavanca rolante e a alavanca de forquilha.A alma destes dispositivos o micro-switch (figura 3.4), uma chave de extraordinrias qualidades e longa tradio industrial: um movimento de pequena amplitude do pino centralprovoca um salto irreversvel de uma mola interna e o fechamento firme de contacto eltrico. A vida mdia dos micro-switches de 10 milhes de operaes.4

Figura 3.4a Figura 3.4bFigura 3.4cChaves de NvelAs chaves de nvel tm a funo de monitorar o nvel de lquido em um reservatrio. So usadas normalmente em tanques, depsitos e, medida que se altera o nveldo lquido, o dispositivo de flutuao se desloca, abrindo ou fechando umcontato eltrico. Para esta finalidade usado geralmente um bulbo de mercrio.Chaves de FluxoUma chave de fluxo utilizada para detectar vazo de um fluido tal como ar, gua, leo ou gs. O rotor se movimenta com a vazo do fluido e ativa um contato.Chaves de PressoAschavesdepressosoutilizadasparadetectar onvel depressodeumfluidoemum recipiente. As chaves de presso usam um fole que aciona contatos eltricos; quando a presso no fole ultrapassa a tenso predeterminada em mola o contacto ativado.Chaves de TemperaturaAschavesdetemperaturasonormalmentedostiposbimetlicoebulbo/capilar. Em qualquer caso, quando a temperatura do processo ultrapassa um valor especificado, um contato se movimenta, transmitindo o evento.3.2.2Sensores de proximidadeOperamcomvriosprincpiosfsicos epodemdetectar aproximidadeouapresenaoua passagemde corpos slidos, lquidos ou gasosos. So geralmente eletro-eletrnicos e por conseguinte pouco sensveis a vibraes mecnicas. Os principais tipos de sensores de proximidade, sero explicados a seguir.5 Sensores IndutivosOssensoresindutivosusamcorrentesinduzidaspor camposmagnticoscomoobjetivode detectarobjetos metlicosporperto.Os sensores indutivosutilizam umabobina(indutncia) para gerar um campo magntico de alta freqncia, como mostrado abaixo. Figura 3.5 Sensor de proximidade indutivoSe existe um objeto metlico perto do campo magntico do sensor, uma corrente flui neste objeto, devido induo de correntes parasitas. Esta corrente resultante gera um novo campo magntico que se ope ao campo magntico original. Estes sensores detectam vrios tipos demetais e podem detectar o objeto a vrios centmetros de distncia.Figura 3.6 - Diagrama de blocos de um sensor indutivoEste tipo de sensor discreto consiste em quatro elementos a saber: Uma bobina; Um oscilador; Um circuito de disparo Um circuito de sadaO oscilador um circuito LC sintonizado. O campo eletromagntico produzido pelo oscilador emitido pela bobina que se encontra na parte anterior do sensor. Este circuito realimentado para manter a oscilao. Quandoumalvometlicoentranocampo, correntesparasitasinduzidascirculamnoobjeto metlico. Esta interao carrega o circuito oscilador diminuindo a amplitude do campo eletromagntico. Este o princpio chamado ECKO (Eddy Current Killed Oscillator).Quando o alvo se aproxima do sensor as correntes parasitas aumentam a carga no oscilador e diminui o campo eletromagntico. O circuito de disparo monitora a amplitude de sinal no oscilador e, num nvel pr-determinado, chaveia o estado de sada da sua condio normal (On ou Off) para sua condio de disparo (Off ou On). 6Target Absent Target Present Target Absent Sensor withElectromagnetic CoilSensor FaceMetalObjectTargetOssensoresindutivospodemter seucampomagnticoblindado; assimocampomagntico diminuemeficamais direcionado, contribuindoparaamelhoradadirecionalidade, precisoe distncia de operao do sensor.Figura 3.7- Blindagem dos sensores indutivosEfeitos do material do objeto em sensores indutivosA distncia de operao (Sn), designa a distncia na qualum alvo padro que se aproxima ao sensor causa mudana do sinal da sada. Um alvo padro de ao utilizado para obter esta distncia Sn e seu valor deve ser corrigido de acordo com o material do alvo usado, Figura 3.8.Figura 3.8 - Efeito do material do alvo nos sensores indutivos Sensores ReedAssim como o micro-switch, so dos mais robustos, durveis e clssicos da indstria. Consiste de duas lminas de contato eltrico no interior de uma ampola preenchida com gs inerte; quando o rel colocado em um campo magntico, as lminas se unem e fecham contacto, Figura 3.9.Com a aproximao de um im externo ampola, fecha-se o contato e sinaliza-se o evento.Figura 3.9 - Sensor tipo ReedAs chaves tipo Reed so similares a rels com a diferena que um im permanente usado em vez de uma bobina.Quando o im esta longe da chave, seu contato est aberto, quando o im est na regio sensvel o contato fechado; o objeto deve ter um im fixado a ele, Figura 3.10a.7 shielded unshieldedSodispositivosmuitobaratos, usadosparadetecodeaberturadeportasejanelaseem aplicaesdesegurana. Somuitoutilizadosemdetecodefimdecursodecilindros, Figura 3.10b.Figura 3.10 - Reed switch Sensores Capacitivos Um sensor capacitivo formado por duas placas paralelas separadas por um material dieltrico, sendo que sua capacitncia dada por: AConde: C = capacitncia(F),= permitividade do dieltrico (F/m), = separao entre as placas (m), A = rea comum entre as duas placas (m2).As estruturas utilizadas para a implementao de sensores capacitivos podem ser agrupadas da seguinte forma: Elementos com variaes na separao das placas Elementos com variaes na rea comum Elementos com variaes do dieltricoSensores capacitivos so similares aos sensores indutivos. Sua principal diferena que o sensor capacitivoproduzumcampoeletrostticoemlugar deumcampoeletromagntico. Ossensores discretos capacitivos podem detectar objetos metlicos e no metlicos como papel, vidro, lquidos e tecidos, a distncias de at alguns centmetros. Num sensor de proximidade discreto capacitivo em geral a rea das placas e sua distncia so fixas, porm a constante dieltrica ao redor deste varia de acordo com o material do objeto que se encontra na proximidade do sensor.Um sensor capacitivo tpico apresentado na Figura 3.11. 8 Sensor FaceTarget Metal orNonmetalObjectabFigura 3.11 - Sensor capacitivo discretoO sensor discreto capacitivo discreto consiste em quatro elementos a saber: Uma placa dieltrica; Um oscilador; Um circuito de disparo Um circuito de sadaFigura 3.12 - Diagrama de blocos de um sensor capacitivoA superfcie sensvel do dispositivo constituda por dois eletrodos de metal concntricos. Quando um objeto perto da sua superfcie sensvel atinge o campo eletrosttico dos eletrodos, a capacitncia do circuito oscilador aumenta e como resultado obtm-se uma oscilao, como mostrado na Figura 3.12. O circuito de disparo do sensor verifica a amplitude da oscilao e quando esta chega num nvel pr-determinado o estado lgico da sada muda. Na medida em que o alvo se afasta a amplitude da oscilao decresce, obrigando a um novo chaveamento pelo circuito de disparo, levando o estado lgico do sensor a seu estado inicial.Estes sensores funcionam bem com materiais isolantes como plsticos, Figura 3.13a. Tambm podem ser usados com alvos metlicos j que, devido condutividade destes, a capacidade entre eletrodos tambm varia, Figura 3.13b. As variaes de capacitncia destes sensores so extremamente pequenas, da ordem de pF.(b)(a)Figura 3.13 - Dieltricos e metaisaumentam a capacitnciaA distancia de operao (Sn) designa como no caso dos sensores indutivos, a distncia na qualum alvo padro que se aproxima ao sensor causa mudana no sinal de sada. Para a gua como material a ser detectado a distncia necessria em relao ao alvo (no caso a gua) no necessita da utilizao dos fatos de correo em funo da alta permissividade dieltrica. Para outros materiais isolantes como menor permissividade Er, o fator de correo Sr dever ser aplicado, conforme a tabela 3.29Target AbsentTarget PresentTarget AbsentTabela 3.2 Constantes dieltricas tpicas Sensores ticosSo sensores que emitem um feixe de luz e detectam as alteraes da intensidade de luz recebida em conseqncia do movimento de objetos opacos. Possuem um emissor de impulsos rpidos de luz infravermelha e um receptor.Podem detectar objetos desde distncias bastante grandes (10 metros) at outros de apenas 1 mm, conforme o tipo construtivo. Escolhidos adequadamente, detectam qualquer tipo de material.Os principais tipos construtivos, para diversas aplicaes e caractersticas tcnicas, so:Sensor tico de reflexo difusa ou sensor difusoO receptor reage ao sinal luminoso refletido pela superfcie do objeto a detectar. Nesse caso, a distncia de deteco depende das qualidades reflexivas da sua superfcie. O emissor e o receptor esto numa mesma pea.Figura 3.14.Figura 3.14 Sensor de reflexo difusa10Sensor tico de barreiraO receptor e o emissor so montados separadamente. O objeto a ser detectado interrompe o feixe de luz enviado ao receptor. Esse tipo de sensor alcana distncias de at 10 metros. Figura 3.15.Figura 3.15 Sensor de barreiraSensor de retro-reflexo ou retro-reflexivoO emissor e o receptor esto montados juntos, o que uma vantagem na instalao. O feixe de luz emitido refletido de volta ao receptor por uma superfcie refletora enquanto no houver nenhum objeto interposto. Uma vez interrompida a reflexo pela presena do objeto a detectar, fecha-se ou abre-se um contato eltrico. Figura 3.16.Figura 3.16 Sensor retro-reflexidoSensores com fibra ticaSo dispositivos de grande utilidade. A funo do cabo de fibra ptica fazer a transmisso do sinalluminoso do sensor ao localonde se deseja a deteco do objeto. Os cabos de fibra ptica reproduzem os efeitos dos sensores por reflexo difusa, retroreflexo ou barreira de luz, ver Figura 3.17.Figura 3.17 - Cabos de fibra tica para sensores fotoeltricosEncoders Um mtodo direto para medio da posio ou deslocamento angular em eixos a utilizao de codificadores digitais angulares (encoders).Os codificadores digitais so de dois tipos: Incrementais:so aqueles que requerem um sistema de contagem de incrementos gerados por um disco girante.11 Absolutos: fornecemumasadadigital paraqualquer posioangular doeixo; existem diversas formas de realizar estes dispositivos, usando tcnicas de "Slip Ring" (anel com contatos deslizantes), magnticas e pticas.Na figura 3.18 pode-se verificar um encoder incremental tpico Figura 3.18 - Encoder incremental, desenho esquemtico e vista geralNa Figura 3.19 apresenta-se um encoder absoluto, com uma codificao binria no disco e um sistema de extrao da informao ptico; usa uma fonte de iluminao (lmpada, LED, Emissor UV ou IV) e um sistema de dispositivos foto-sensveis (foto-clulas, fotodiodos, detectores de UV ou IV) com uma fenda ou mscara para definir a regio ativa.Figura 3.19 - Encoder digital com fonte luminosa, mscara e fotoelementosUm dos cdigos binrios mais utilizados o chamado cdigo de Gray o qual permite a mudana de um bit por vez; na tabela abaixo se verifica o cdigo de Gray de 0 at 7 para um sinal binrio de 3 bits.Decimal BinrioGRAY0 000 0001 001 0012 010 0113 011 0104 100 11012Fonte luminosa Lente condesadoraMscara deexploraoDisco graduadoFotoelementosFonte luminosa Lente condesadoraMscara deexploraoDisco graduadoFotoelementos 5 101 1116 110 1017 111 100Tabela 3.3 - Cdigos Gray e binrio, de 3 bits Sensores Ultra-SnicosO mtodo ultra-snico para medida de deslocamentos utiliza um circuito eletrnico que fornece um trem de pulsos para excitar um transdutor piezoeltrico; este gera um pulso de presso acstica que se propaga no ar at atingir o alvo ou objeto. Parte da energiaacsticado pulsoretornaparaotransdutorem formadeumecoapsum certo intervalo de tempo. Figura 3.20.Medindo-se este intervalo de tempo e conhecendo a velocidade do som no ar pode-se calcular a distncia entre o transdutor e o anteparo, segundo a seguinte equao:2Cdo Sendo C0 = velocidade do som no ar (m/s), = (tr1- tr2), tr1: inicio da transmisso (s) e tr2: recepo do eco (s). AvelocidadedosomnoarumafunodatemperaturaT(oK), dapressobaromtrica, da umidade relativa e da viscosidade do ar. Destas variaes as mais significativas so as devidas temperatura que podem ser expressas como:16 . 273T331.31 C0 Assim, compensando devidamente as variaes de temperatura, possvel medir nvel de lquidos ou deslocamentos de anteparos, atravs dos sensores ultrasnonicos.Figura 3.20 - Sensor ultra-snico para medio de distnciaO transdutor alojado numreceptculo apoiado nummaterial adequado para fornecer amortecimento posterior, isto , absorver ou refletir a energia na parte traseira deste. Na Figura 3.21 verifica-se a aplicao deste mtodo para medio de proximidade. O sensor emite pulsos de ultra-som numa freqncia acima de 18 KHz, retornando um eco cujo tempo de trnsito proporcional distncia do objeto ao sensor.13 sinal emit ido )))) (((( ecod sada analgicaAnteparoCondicionadorEletrnicoTransdutorUltr asnico Moviment o Figura 3.21 - Medidas de proximidade usando ultra-somExistem dois tipos bsicos de geradores ultra-snicos. Eletrostticos Utilizam efeitos capacitivos para a gerao do ultra-som. Apresentamfundos de escala maiores, maior banda passante, poremso muito sensitivos a parmetros ambientais, como umidade. PiezoeltricosBaseiam-senastensesmecnicasqueaplicadasacristaise cermicas sofrem quando submetidos a campos eltricos. So bastante resistentes e baratos.Modos de operaoH dois modos bsicos de operao: modo por oposio ou feixe transmitido (Figura 3.22): um sensor emite a onda sonora e um outro, montado do lado oposto do emissor, recebe a onda sonora. modo difuso ou por reflexo ou por eco (Figura 3.23): o mesmo sensor emite a onda sonora e escuta o eco refletido por um objeto.Figura 3.22 - Modo por oposio14 Figura 3.23 - Modo difuso ou por eco.Faixa de DetecoA faixa de deteco o alcance dentro do qual o sensor ultra-snico detecta o alvo, sob flutuaes de temperatura e tenso. Figura 3.24.Figura 3.24 - Faixa de trabalho de um sensor ultra-snicoZona CegaOs sensores ultra-snicos possuem uma zona cega, que depende da freqncia do transdutor. Figura 3.24 e 3.25.Consideraes sobre o AlvoCertas caractersticas do alvo devem ser consideradas ao usar os sensores ultra-snicos: forma doalvo, material, temperatura, tamanhoeposicionamento. Materiaismacios, taiscomotecidoou espuma de borracha so difceis de detectar com tecnologia de ultra-som difuso porque eles no so refletores de som adequados.Oalvo padro para umsensor ultra-snico de tipo difuso estabelecido pela Comisso Eletrotcnica padro IEC60947-5-2. Oalvo padro uma forma quadrada, possuindo uma espessura de 1mm e feito de metal. O tamanho do alvo depende da faixa de deteco. Para os sensores ultra-snicos por oposio, no h padro estabelecido.Figura 3.25 - Alvo para sensores por oposioOs alvos padres so usados para estabelecer o desempenho dos parmetros dos sensores. O usurio deve levar emconsiderao as diferenas no desempenho devido aos alvos no padronizados.15 Alvo PadroAlcanceZonaCegaSensor Ultrassnico do Tipo Difuso Sensores HallUmdispositivoHall constitui-setipicamentedeumaplacapequenade metal ou semicondutor de comprimento l, espessura t e largura w. Quando uma corrente Ixpassa pela placa, e esta est sujeita a uma densidade de fluxo magntico Bzperpendicular ao plano da placa, uma tenso Hall aparecer nos contatos laterais (Figura 3.26). Esta tenso esta dada por:tB I RVz x HH sendo RH = constante Hall do material, Bz +l w Ix +- VH t - zy xFigura 3.26 - Sensor de efeito HallA Figura 3.27 ilustra o desempenho dos sensores Hall. A Figura 3.28 mostra a sua constituio. Os sensores de efeito Hall combinam os geradores de tenso Hall, amplificadores de sinal, circuitos de disparo tipo Schmitt e circuitos de sada com transistores num s circuito integrado. Apresentam sadas rpidas e sem bounce. Operam em freqncias de at 100KHz com custo muito menor que o das chaves eletromecnicas.Figura 3.27 - Sensor de deslocamento usando dispositivo HallSuas aplicaes so similares dos Reed Switches, poremcoma vantagemde serem elementos de estado slido, apresentando maior resistncia a vibrao e choque.16 VH12 xd2 3 d1< d2 Ims d1 123dSensor de Efeito HallNS NS NS NS NS NS Figura 3.28 - Atuao de um sensor Hall3.3Interfaceamento dos Sensores Discretos com os PLCs Ossensorestmcomosinal desada, emgeral, umacorrente(oriundadecoletor deum transistor) e no uma tenso eltrica; esta caracterstica reduz consideravelmente a corrupo por rudos eletromagnticos do ambiente.Com relao a ligao dos sensores aos CLPs e fontes pode-se dizer que so a dois ou a trs fios. Aquelesadoisfiosso, por exemplo, dotipocontactoseco, enquantoqueatrsfiosso transistorizados, PNP ou NPN. Em qualquer caso, a corrente poder fluir para a entrada do CLP, caracterizando a montagem tipo sourcing, ou ento fluir para o sensor, caracterizando a montagem tipo sinking.Nos sensores do tipo chamado de sourcing, o transistor interno PNP, conforme a Figura 3.29; o circuitodesada, portanto, dever ser fechadoentreoterminal desadadosensor eoterminal negativo da fonte. Para a segurana do sinal zero necessrio que exista o resistor R (pull-down resistor) mostrado na figura.Figura 3.29 Sensor sourcingOs sensores do tipo sinking so complementares aos do tipo sourcing; usam um transistor NPN, conforme a figura 3.30. O circuito de sada dever ser fechado pela carga entre o terminal de sada e o terminal positivo da fonte. O resistor R dito pull-up.17 Fenmeno FsicoCorrente flui para fora quando linha ativa est altaLinha ativaSada do sensorR Fenmeno FsicoCorrente flui para fora quando linha ativa est altaLinha ativaSada do sensorRFigura 3.30 Sensor sinking comum que sensores possam chavear correntes de alguns amperes e portanto, comandar as cargas diretamente. Existem cartes de adaptao de PNP para NPN e vice-versa.Naautomaoindustrial, assadasdossensoresestoligadasaentradasdeumCLP. Ver alternativas na Figuras 3.31.Figura 3.31Outratcnicausual entrar noCLPcomisolaogalvnicaentreosensor eCLP, viafoto-acoplador, conforme figura 3.32.Figura 3.323.4Transdutores (Sensores de Medio)3.4.1Transdutores de posioOs transdutores de posio fornecem um sinal de tenso proporcional ao deslocamento linear do objeto ou ao deslocamento angular do objeto.18 Potencimetros resistivosConsistememumelementoresistivocomumcontatomvel. Ocontatomvel podeser de translao, rotao, ou uma combinao dos dois. O elemento resistivo excitado com tenso A-C ou D-C e a sada , idealmente, uma funo linear do deslocamento de entrada.Figura 3.33 Potencimetro resistivo Sensor de posio com mltiplos resistoresOutromeiodemedir posioconsisteemumaseqnciaderesistoresemparaleloqueso sucessivamente removidos do circuito, causando de alguma forma a variao da tenso de sada. Figura 3.34.Figura 3.34 Sensor de mltiplos resistoresA movimentao do objeto causa maior indutncia mtua entre o primrio e um dos secundrios, o que faz a amplitude da tenso de sada tornar-se funo linear da posio. Transformadores diferenciaisSo conhecidos como LVDT (linear variable-differential-transformer). Figura 3.35. A excitao fornecida pelo enrolamento da esquerda. A movimentao do objeto a sensorear causa variao da indutnciamtuaentreoprimrioecadaumdossecundrios, e, portanto, dastensesnestes enrolamentos. Quandoosenrolamentossecundriosestoligadosemsrieeoposio, oobjeto posicionado no centro produz nula na sada.Figura 3.35 - Transformadores diferenciais19 Potencimetros sncronos e indutivosSncros (synchros) so muito usados para a medio de ngulos de componentes de servomecanismos, seja a posio real, seja da desejada. Dois tipos de sincro so usados, o controltransmitter e o control transformer. A sada do sistema a tenso de erro, uma tenso A-C de mesma freqncia que a tenso de excitao e amplitude proporcional diferena entre o ngulo de entrada e o ngulo obtido para diferenas menores que 60 graus. Figura 3.36.Figura 3.36 Potencimetro sncronoJ nos potencimetros de induo, existe uma bobina no rotor e uma no estator. A bobina primria (rotor) excitadacomumacorrentealternada. Issoinduz umatensonabobina(estator). A amplitude da tenso de sada varia com a mtua indutncia entre os dois enrolamentos, e portanto, com o ngulo de rotao. Figura 3.37.Figura 3.37 - Potencimetro indutivo Pickups de indutncia e relutncia variveisOs transdutores de indutncia varivel so muito parecidos com os LVDTs. No entanto, existem doisenrolamentospresentesqueformamduaspernasdeumapontequeexcitadacomuma corrente alternada. Com o objeto na posio central, a indutncia dos dois enrolamentos igual, a ponte est balanceada e a sada zero. Um movimento do objeto aumenta relutncia de um e diminui a do outro. A ponte fica desbalanceada, e aparece uma tenso na sada. Pickups capacitivosMovimentos de translao ou rotao podem ser medidos atravs da variao da capacitncia de umcapacitor. Amudananacapacitnciapodeserconvertidaemsinal eltricopormeiodeum circuito em ponte alimentado por uma fonte de corrente alternada.20 Transdutor indutivo de velocidade linearUm campo magntico associado velocidade a ser medida move-se em relao a um condutor fixo. Figura 3.38a.a) b)Figura 3.38 -Transdutor indutivo linear e angular Transdutor indutivo de velocidade angularNesse tipo de transdutor, um condutor mvel associado velocidade a ser medida move-se em relao a um campo magntico fixo. Figura 3.35b. Tacogerador D-CUm gerador D-C produz uma tenso de sada proporcional velocidade angular. Figura 3.39a. Figura 3.39a Tacogerador D-CFigura 3.39b Tacogerador A-C Tacogerador A-CUm motor de induo A-C de duas fases pode ser usado como um tacmetro, excitando-se uma dasfasescomsua tenso A-C normal etomando-seatensodaoutra fasecomo sada.Figura 3.39b. Transdutores por contagem de pulsosOs dentes da engrenagem, ao passarem perto do pickup magntico ou tico, produzem pulsos eltricosnosterminaisdopickup. Essespulsossocontados, eoresultadoaparecenodisplay. Figura 3.40.21Figura 3.40 - Transdutor por contagem de pulsos Transdutor estroboscpicoA velocidade angular pode ser medida usando-se lmpadas estroboscpicas, isto ,que piscam a uma freqncia ajustvel constante. A luz direcionada para o objeto rotativo. A freqncia com que as lmpadas piscam elevada gradualmente at que o objeto parea estar parado. Nesse instante, a freqncia da lmpada e a validade do objeto, em unidades convenientes, so iguais.3.5Especificao Tcnica de Sensores e Transdutores3.5.1 IntroduoAespecificaotcnicadossensoresedostransdutoresdependedeumgrandenmerode parmetros, cujo conhecimento e correta interpretao so muito importantes para o desempenho e para a confiabilidade dos sistemas de automao industrial. Afinal os sensores e os transdutores so os canais de comunicao dos processos fsicos, reais, com os sistema de controle, automao e superviso. So os olhos e ouvidos destes sistemas.3.5.2ErrosBasicamente, os erros em instrumentao podem ser classificados como: Erros absolutos: so definidos como a diferena entre o valor atualmedido e um valor suposto livre de erro, obtido em instrumento padro ou de melhor qualidade. Erros relativos: so definidos como os erros absolutos normalizados, ou seja, o erro absoluto dividido pelo valor da medida. Costumam ser expressos em porcentagem. Erros sistemticos: so aqueles que no variam de uma leitura para outra. Errosrandmicos: so aqueles que variamde forma aleatria entre medidas sucessivas da mesma quantidade.As fontes de erro em sistemas de medida so, de acordo com a classificao anterior:a) Erros Sistemticos: deconstruo: decorrentesdafabricaodoinstrumento, deproblemas com tolerncias de dimenses, com componentes fora de valor, etc. de aproximao: devidos a suposies como linearidade entre duas variveis22 de envelhecimento: erros resultantes de variaes em materiais e componentes integrantes do instrumento, com o tempo; componentes se deterioram e variam seu valor; materiais com processos de fadiga mudam caractersticas mecnicas. de insero: so erros de carregamento, isto , decorrentes da alterao da varivel que est sendo medida por causa da insero do instrumento de medida. aditivos: soerrossuperpostosaosinal desadadoinstrumentoeno dependem do valor numrico da sada, portanto provocam somente uma modificao no valor de zero no instrumento. multiplicativos: caracterizados pela multiplicao da varivel de entrada por um valor, ex. variaes da sensibilidade devido a diversos fatores.b) Erros randmicos de operao: podemter varias causas como erros de paralaxe e de incerteza nas medidas, dependendo principalmente do operador. ambientais: como mudanas de temperatura, interferncia eletromagntica, etc. por rudos: como resultado de processos de rudo em materiais e componentes do instrumento. dinmicos: so erros devidos a mltiplos fatores que modificam o comportamentotemporal doinstrumento, comocarregamentosdinmicos variveis, inrcias, atritos, etc.3.5.3Estatstica de errosOs resultados de uma srie de medies da mesma quantidade podem ser analisados como uma distribuio de freqncia, sendo freqncia o nmero de vezes que um valor particular ou faixa de valores ocorre. Esta distribuio usualmente prxima da normal ou gaussiana. A Figura 3.41 ilustra uma distribuio normal, bem como os erros sistemticos e os aleatrios.Figura 3.41 - Distribuio de medidas233.5.4Propagao de incertezasQuando se executam operaes aritmticas com valores acompanhados de incertezas, estas se propagamaos resultados. Numa anlise inicial, valemas seguintes propriedades, onde X representa a incerteza no valor X:Soma ou subtrao: a incerteza do resultado a soma das incertezas.SejaB A X t Tomando em conta as incertezas,B B AAX X t t t tPortanto,B AX + Multiplicao e diviso:a incerteza percentual do resultado a soma das incertezas percentuais.SejaB AX Tomando em conta as incertezas, ( ) ( ) A B B AB AB B A AX X t t t t tPortanto,A B B AX + , e ainda 100AA100BB100XX+ Esta abordagem vale para estimar incertezas mximas em X, dadas incertezas mximas em A e B, mas muito pessimista. Partindo de distribuies estatsticas como a da Figura 3.37, e assumindo independncia estatstica entre as fontes de erro, a teoria justifica a adoo da composio quadrtica dasincertezas. Assim, sendon1 ii ix a X, esendo xi, osdesvios-padronos valores Xi, o desvio padro X pode ser estimado por meio de: ( )21n1 i2i iX a X]]]]

3.5.5Caractersticas estticas a) SensibilidadeAsensibilidadede uminstrumentodefine-secomo arazoentreamudana yna sada, causada por uma mudana x na entrada, e a prpria mudana x: xySb) GanhoO ganho de um sistema ou instrumento define-se como a sada divida pela entradaxy

EntradaSadaG 24c) Fundo de Escala a faixa de valores de entrada e sada onde o dispositivo de sensoreamento ou medida ser pode ser utilizado.A faixa de operao de entrada definida com a entrada variando de xminat xmax, ou seja, a faixa de entrada (Input Span) : F.E.= xmax - xmin.Similarmente a faixa de operao de sada definida com a sada variando de ymin at ymax, ou seja, a faixa de sada (Full Scale Output): F.S.= ymax - ymin .d) ResoluoSe a entrada acrescentada gradualmente a partir de um valor diferente de zero, nenhuma mudana na sada ocorrer at que a entrada alcance a resoluo do sensor.Define-se como o menor incremento de entrada o qual gera uma sada perceptvel e repetitiva, quantificando-se como porcentagem do fundo de escala.( )100. S . Fentrada de mnimo valorresoluo % ]]]

Como por exemplo tem-se o caso de multmetros digitais, nos quais a resoluo depende do nmero de dgitos decimais no visor.e) ExatidoQualidade que assegura que a medida coincide com o valor real da grandeza considerada. O valor representativo deste parmetro o valor mdio. 100real ValorAbsoluto Erro- 1 Exatido %

,`

.|]]]

f) PrecisoQualidade da medio que representa a disperso das repetidas medies da mesma varivel, em torno do seu valor mdio. usualmente associado ao erro padro. Este parmetro expresso, em geralcomo porcentagens do fundo de escala. Na Figura 3.38 apresenta-se a relao entre preciso e exatido.Figura 3.42 - Relao entre preciso e exatido25g) LinearidadeA linearidade de um instrumento indica o grau de aproximao entre a funo entrada/sada, e uma reta. Geralmente quantifica-se a no linearidade expressando-a como porcentagem do fundo de escala. Figura 3.43.Figura 3.43 - No linearidade num sistema de medidah) Offset Define-se como o desvio de zero do sinal de sada quando a entrada zeroi) Drift ou deriva do zeroDescreve a mudana da leitura em zero do instrumento com variveis ambientais como tempo, temperatura, posio, etc.j) RepetibilidadeE a capacidade do instrumento de reproduzir as mesmas sadas, quando as mesmas entradas so aplicadas, na mesma seqncia e nas mesmas condies ambientais. Figura 3.44.Este valor expresso como sendo o valor pico da diferena entre sadas, em referncia ao fundo de escala e em porcentagem:( )100 .F.S. y - y de Pico Valordade repetitivi %2 1

,`

.| y 100% x Sada Entrada Y1 Y2 Figura 3.44 - Repetibilidade em sistemas de medidak) ReprodutibilidadeO grau de aproximao entre os resultados das medies de uma mesma grandeza quando as medies individuais so efetuadas fazendo variar condies tais como:26100. S . FxNL %max

,`

.| ) ( ) ( x y x y xL Reta idealMedidaRealyxmaxxSadaEntradaxmaxyL(x)= a+b x Mtodo de Medida Observador Instrumento de medida Local Condies de utilizao TempoObserve que reprodutibilidade diferente que repetibilidade.l) HistereseA histerese ocorre quandopara um mesmo valor deentrada observa-sevalores deficientes para a sada, funo de estar a entrada aumentado ou diminudo. Figura 3.45Calcula-se este parmetro como sendo o valor de pico da diferena das sadas, em referncia ao fundo de escala e em porcentagem.( )100F.S. y - y de Pico Valorhisterese %2 1

,`

.|yxSadaEntradaymaxxmaxyiyiFigura 3.45 - Histerese em sistemas de medidam) Banda MortaDefine-secomoafaixadevaloresdeentradaparaosquaisnoexistevariaonasada. Figura 3.46.Figura 3.46 - Banda Morta em sistemas de medida27n) Banda de erro estticaPara estimar o erro total produzido por todos os efeitos que causamdesvios emum instrumento. (histerese(eh), nolinearidade(eL), repetitividade (eR) evariaes comoutros parmetros), utiliza-se a seguinte expresso:[ ]2 / 12S2R2n2Lee e e e e + + + Define-se assim a banda de erro esttica, onde os valores admissveis de erro esto dentro de uma faixa limitada por duas retas paralelas; os valores mais provveis so indicados por uma reta mediana a esta faixa. Figura 3.47yxSadaEntradaMximo valorAdmissvelMnimo valorAdmissvelMelhor RetaFigura 3.47 - Banda de erro esttico em sistemas de medida3.5.6Caractersticas dinmicas dos instrumentosQuando um sistema submetido a uma entrada que apresenta uma variao em degrau, a sada toma um certo tempo para atingir seu valor final. Usualmente a dinmica de sensores e transdutores , por projeto, de primeira ordem; portanto definida por um nico parmetro que a constante de tempo. Figura 3.48.A constante de tempo ( ) de um sistema definida como o intervalo de tempo que a sada leva para atingir 63,2 %do seu valor final, quando a entrada um sinal-degrau.O retardo (td) o tempo que o sistema leva para reagir entrada, o chamado tempo morto.Figura 3.48 - Sistema de primeira ordem, com tempo mortoPara respostas dinmicas de qualquer ordem, definem-se os seguintes parmetros:Tempo de respostaTempo para a sada atingir de 0% a 95% do estado estacionrio.28 td Degrau na ent rada t Sada 0 Entrada 63,2% 100% Respost a do sist ema Valor final Const ant e de Tempo Tempo de subidaTempo para a sada atingir de 10% a 90% do estado estacionrio. Figura 3.49.Tempo de acomodaoTempo para a sada ficar numa certa faixa do estado estacionrio (entre 2% e 5%). Figura 3.49.Figura 3.49 Resposta dinmica geral3.5.7Confiabilidade Em termos amplos, confiabilidade de um equipamento de sistema a qualidade que exprime a estatstica de suas falhas. A teoria da confiabilidade o corpo de conhecimentos que permite prever ou aumentar a probabilidade de vida til dos equipamentos e sistemas; tambm permite aperfeioar meios e rotinas de manuteno.Por umconceitotradicional, confiabilidade(reliability) aprobabilidadedeumdispositivo desempenhar o seu objetivo adequadamente, por um perodo de tempo previsto, sob as condies de operaoencontradas (RadioElectronicsTelevisionManuf. Association, 1955). Geralmente, o perodo [0,t] e a confiabilidade resulta, matematicamente, numa funo G(t). claro que os clculos de confiabilidade para um dado dispositivo ou sistema vo requerer, alm de teoria estatstica o conhecimento das taxas de falha dos seus componentes; taxas de falha so as probabilidadesmedidasdefalha, por unidadedetempo. Mas, essastaxasnosousualmente constantes no decorrer de vida do componente: fato universal que no incio da vida til, a taxa maior, assim como no fim. O primeiro fenmeno chamado de mortalidade infantil e o segundo de envelhecimento ou fadiga. Dada esta complexidade, ateoriadaconfiabilidadecostuma ser aplicada fase normal ou til do componente, onde as taxas de falha so constantes no decorrer do tempo.Aplicada aos instrumentos, a teoria da confiabilidade permite afirmar alguns fatores universais de bom desempenho: 29 Oinstrumentodevepossuir omnimonmerodecomponentesnecessriospara realizar a funo. Os componentes usados devempossuir uma histria de confiabilidade bem conhecida. O uso de integrao em larga escala aumenta a confiabilidade do instrumento, j que a confiabilidade de um circuito integrado depende muito pouco de sua complexidade. Os componentes devem estar operando nas faixas ambientais em que foram sujeitos a avaliao de falhas; a confiabilidade cai rapidamente quando aumenta o stress, temperatura, umidade, tenso, vibrao, etc. Os componentes devem ter passado por um perodo de Burn-In para ultrapassar o estgio de mortalidade infantil.RedundnciaA confiabilidade de uminstrumento pode ser aumentada, ou usando componentes mais confiveis, ou introduzindo redundnciade algumtipo. Dois oumais componentes para amesma funo, de maneira que o instrumento continue a funcionar mesmo com a falha de um deles.A redundncia apresenta os seguintes tipos bsicos:Redundncia paralelaNo caso o sistema, ou parte deste, operado usando dois ou mais componentes ou subsistemas em paralelo (ex., contatos de um rel, contatores, sensores discretos, em paralelo). Considere a figura 3.50; se as probabilidades de falha A e de B, num dado perodo de tempo, so qA e qB e se as falhas so independentes estatsticamente, a probabilidade de ambas A e B falharem o produto qA . qB. Ento aconfiabilidade do sistema R = 1 - qA . qB = 1 (1-RA) (1 - RB) = RA + RB - RARB.Por exemplo,RA=RB=0.9 ento R =0.99. A B EntradaSada Figura 3.50 - Redundncia paralelaRedundncia Stand-byNeste caso existem dois sub-sistemas idnticos, mas em cada momento somente um deles est ligado sada, atravs da chave. Figura 3.51. Se o sistema (A) falha e existe um detector de falha adequado, a chave levada a mudar de estado e o sistema B entra em funcionamento. Prova-se que, neste caso,( ) lnR - 1 R RSB Se RA=RB=R=0.9 ento RSB=0.994830Entrada SadaABFigura 3.51 - Redundncia Stand-by31Exerccios PropostosE.3.1 A esteira de uma linha de produo transporta canecas nas cores vermelho, branco, azul e preto. As canecas devem ser automaticamente separadas e contadas conforme sua cor. Quantossensorespticostrabalhandopor reflexoseriamnecessriosparatornar este projeto tecnicamente vivel?E.3.2 O que deve ser considerado na escolha de sensores tipo capacitivo e do tipo indutivo?E.3.3 Uma prensa industrial quando aberta apresenta um vo de 1m de largura por 1,2m de altura, por onde o operador insere continuamente peas para serem estampadas. Como garantir queaprensanosejaacionadaenquantoasmodooperador estiveremnareade prensagem? Explique as caractersticas do equipamento utilizado neste projeto.E.3.4No depsito de um supermercado queremos separar automaticamente na esteira transportadora, papel higinico de garrafas de gua. Que sensor utilizar e porque?E.3.5 Em um entreposto de produtos industrializados necessrio identificar4 tipos de produtos que so colocados, por um brao robtico, bem no centro de uma esteira transportadora, comumadistnciamnimade50cmentreeles. Temosdisponveisdois(02) sensores capacitivos e um (01) sensor indutivo. Determine:a) A regulagem de sensibilidade dieltrica de cada sensor capacitivo (detecta materiais a partir de qual constante dieltrica);b) As posies onde sero montados os trs sensores (indicar no desenho).Produtos Constante dieltricaDimenses (cm)Cerveja (em garrafa de vidro)72 15 (d) x 30 (h)gua (em garrafa de plstico)80 15 (d) x 28 (h)Caixa de madeira c/ peas de plstico2 a 7 15 x 15 x 15Caixa de papelo com colher de pau5 15 x 15 x 3032Figura E.3.1E.3.6Emumalinhadeproduoumsensorultrasnicoinstaladoparadetectarpeasque passam a 1,7 m de distncia, por meio do eco. Sabendo-se que o ciclo de emisso de pulso do sensor de 100Hz, calcule qual a temperatura mnima de trabalho para este sensor?E.3.7 O nvel de um tanque (aberto) contendo leo est sendo monitorado por um medidor tipo deslocadorcompostoporumcilindrofechadoeumacluladecargaconformeaFigura E.3.2Considere: Dimetrodocilindro=100mm; Comprimentodotubo=2metros; Capacidade mxima da clula de carga = 18 kg; Densidade do leo = 1650 kg/m3.Figura E.3.2a) Qual o principio de funcionamento do deslocador?b) Qual a variao mxima de nvel que pode ser percebida pelo medidor descrito acima?E.3.8 Considere a Figura E.3.3. Sabendo que: a) Velocidade do som no fluido= 900m/s; b) Tempo de passagem do sinalultra-snico de 2 para 1 = 0,0048s, quanto vale V em m/s?33Figura E.3.334