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Sensores Centro de Formação Profissional

“Orlando Chiarini” - CFP / OC

Pouso Alegre – MG

Inst.: Anderson

Automação

Quem sabe falar Ongota?

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Automação

Ongota é falado pelos afro-asiáticos na Etiópia, na margem oeste do RioWeito em uma pequena aldeia.

Automação

Origem

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Capitulo 1

Introdução a instrumentação

Capitulo 1

Processo industrial

Processo Industrial é um conjunto de equipamentos que, interligados compõem um sistema de fabricação de algum produto.Exemplos:- Uma unidade para produzir gasolina;- Uma planta para produzir celulose;- Uma fábrica de cimento;- Um alto forno em uma siderúrgica;

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Capitulo 1

Introdução a instrumentação

Capitulo 1

Processo por Batelada

Consiste em reunir os reagentes em um grande pote, forçar a reaçãoacontecer, retirar o produto, e então encher o pote outra vez, parafazer tudo de novo, em outra "batelada“.

Exemplo: Você enche uma imensa panela de pressão com gásetileno, põe o catalisador a base de cloreto de titânio (III), colocauma pressão de várias atmosferas, dá um tempo, retira a pressão,abre a panela e tira o sólido polietileno lá de dentro.Isso é uma batelada. Aí você coloca mais catalisador, enche apanela com gás de novo, e está pronto para fazer mais umabatelada de plástico.

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Capitulo 1

Processo ContínuoNum processo contínuo, você não precisa "esvaziar" a panela. Oprocesso pode ocorrer continuamente, de forma ininterrupta.Exemplo: na mistura de gases de monóxido de carbono e hidrogêniopara preparar metanol (sobre um catalisador de níquel em altastemperaturas), o álcool é separado por condensação, e a misturados gases restantes é recalibrada com mais gás, e re-introduzida nocontêiner onde fica o catalisador.

O processo então é contínuo, funciona 24 horas sem parar.

Capitulo 1

Variáveis Industriais

Estes processos industriais para funcionarem corretamente possuem várias variáveis de processo que precisam ser monitoradas e controladas.

Exemplos:- Nível de líquido na base de uma coluna de destilação de petróleo;- Pressão na descarga de uma bomba ou compressor;- Temperatura dos gases que saem do alto forno;- Vazão de vapor que produzida por uma caldeira.

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Capitulo 1

Instrumentação

Instrumentação é o conjunto de equipamentos que monitoram econtrolam as variáveis dentro de um processo industrial .

Exemplos:- Para monitorar a pressão de descarga de uma bomba nósinstalamos um instrumento de indicação local chamado“manômetro”;

- Para monitorar a temperatura em uma determinada tubulação, nósinstalamos um instrumento de indicação local chamado“termômetro”.

Capitulo 1

Vantagens

- não fica aborrecido ou nervoso;- não pára para almoçar ou ir ao banheiro;- não fica cansado de trabalhar;- não tem problemas emocionais;- não tem sono;- não folga do fim de semana ou feriado;- não sai de férias;

- não reivindica aumento de salário.

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Capitulo 1

Desvantagens

- sempre apresenta erro de medição;- opera adequadamente somente em condiçõesprevistas pelo fabricante,- requer calibrações periódicas;- é provável que algum dia ele falhe e pela leide Murphy, esta falha geralmente acontece napior hora possível e pode acarretar grandes complicações.

Capitulo 1

Evolução- Controle manual, feito através do esforço muscular;- Uso da máquina para executar o controle manual;- Malha fechada para executar o controle automático;- Controle convencional PID;- Controle adaptativo, indutivo, heurístico, criativo;- Controle expert, que utiliza conceitos deinteligência artificial.

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Capitulo 1

1ª - Pneumática Analógica Dedicada- Início da instrumentação, cerca de 1940;- Instrumentação pneumática;- Criação do sinal padrão de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psig);- Possibilitou a centralização do controle;- Distâncias não excediam a 300 metros;- Controle satisfatório para as exigências da época;- Manipulação de até dois sinais por vez.

Capitulo 1

2ª - Eletrônica Analógica Dedicada- Aconteceu entre 1945 e 1965;- Sinal padrão eletrônico de 4 a 20 mA (10 a 50 mA);- Instrumentos eletrônicos analógicos miniaturizados;- Diminuição do tempo de resposta;- Aumento da flexibilidade;- Distância de transmissão passou para até 3000m;- Manipulação de até quatro ou cinco sinais simultâneos;-Análise do comportamento dinâmico da malha de controle;- Aplicados intensivamente na indústria petroquímica, nas refinariasde petróleo e nas plantas de papel e celulose;- Identificados limites;- Todos os problemas e dificuldades referentesao controle implicaram no desenvolvimento deteorias matemáticas para diminuí-los ou eliminá-los, como oscritérios de estabilidade de Routh, Hurwitz, Liapunov,transformada de Laplace e transformada Z.

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Capitulo 1

Limites:- A precisão e os recursos dos equipamentos analógicos sãolimitados,- A instrumentação analógica é pouco flexível;- Há problemas com a estabilidade do sistema;- Há problemas com a linearidade dos sistemas de controle; amaioria dos processos apresenta ganhos variáveis com a carga ecom o ponto de trabalho.

Capitulo 1

3ª - Eletrônica Digital Centralizada Compartilhada- Entre 1960 e 1980;- O homem era um elemento imprevisível e incerto que precisava sereliminado do processo industrial; deveria ser substituído pelocomputador digital;- Computador digital tinha alto custo;- Um único computador digital era usado para as diferentes tarefasenvolvidas com a operação das centenas ou milhares de variáveis do processo.- Computador como ferramenta de controle e de analise;- Os resultados desta terceira onda não atingiram as expectativas;- O computador de processo era considerado pelo operador comouma caixa preta imprevisível e misteriosa e em alguns casos deplantas controladas por computador, este era discretamenteescondido sob uma cobertura;- Satisfazia em 99% dos casos, mas no 1% dos casos inesperados, o computador não era capaz de resolver o problema.

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Capitulo 1

4ª - Eletrônica Digital Distribuída Compartilhada

- Começou em 1975 e ainda não acabou de todo;- Uso intensivo e extensivo de microprocessadores;- Inicialmente houve uma evolução do controle, de muitos pontos decontrole para um painel centralizado. Agora com o sistema digitaldistribuído, voltou-se a distribuir as funções de controle na áreaindustrial;- A tendência atual não é mais a de eliminar o operador, mas assistilomelhor;

Capitulo 1

- Ênfase colocada no desenvolvimentodos equipamentos de comunicaçãohomem-máquina;- Uma das aplicações mais recentes desta quarta onda de controleautomático é o controle estatístico do processo;- O controle digital distribuído embora menos decepcionante que ocontrole digital direto, também não foi a solução definitiva paraos problemas do controle de processo.

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Capitulo 1

5ª - Eletrônica Digital Dedicada- É um refluxo de ondas anteriores;- Ocorreu na década de 1980;- Controlador single loop;

- Utiliza a filosofia da instrumentação analógica (um instrumento,uma malha de controle) e a tecnologia da instrumentação digital;- Incorporado ao circuito do controlador a inteligência artificial, ouos sistemas experts.

Capitulo 2 – Sistemas de medidas

Sistemas de medidas

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Capitulo 2

Sistema de medida

Capitulo 2

Transdutores, Sensores e Acionamentos

- Transdutor: dispositivo que converte um tipo de energia emoutra;- O sinal de entrada é sempre uma energia ou potência;- A transdução sempre extrai certa energia do sistema;- Existem seis tipos de sinais: mecânicos,térmicos, magnéticos, elétricos, ópticose moleculares (químicos);

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Capitulo 2

Transdutores, Sensores e AcionamentosVantagens dos sistemas de medida eletrônicos:

1. Devido à estrutura eletrônica da matéria, a variação de umparâmetro não elétrico é acompanhada pela variação de umparâmetro elétrico. Escolhendo o material adequado, podemosconstruir transdutores com saídas elétricas para qualquer magnitudefísica não elétrica.

2. No processo de medida não é conveniente extrair energia dosistema onde se mede, o melhor é amplificar o sinal de saída dotransdutor. Amplificadores eletrônicos apresentam ganhos depotência de 1010 em um só estágio, para baixa freqüência.

Capitulo 2

Transdutores, Sensores e AcionamentosVantagens dos sistemas de medida eletrônicos:

3. Além da amplificação, existe uma grande variedade de recursos,na forma de circuitos integrados, para condicionar ou modificar ossinais elétricos. Há ainda transdutores que incorporam fisicamenteem um mesmo encapsulamento parte destes recursos.

4. Existem também vários recursos para apresentar ou registrarinformações se feito eletronicamente, podendo-se tratar nãosomente dados numéricos, mas também textos, gráficos e

diagramas.

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Capitulo 2

Transdutores, Sensores e AcionamentosVantagens dos sistemas de medida eletrônicos:

5. A transmissão de sinais elétricos é mais versátil que ossinais mecânicos, hidráulicos ou pneumáticos, se bem quenão podemos esquecer que estes podem ser maisconvenientes em determinadas circunstâncias, como pode sera presença de radiação ionizante ou atmosferas explosivas.Mesmo assim, em muitos casos estes sistemas têm sidosubstituídos por outros elétricos.

Capitulo 2

Transdutores, Sensores e Acionamentos- Sensor: dispositivo que, a partir da energia do meio onde semede, entrega um sinal de saída transduzido que é função davariável medida;- Sensor e transdutor são utilizados às vezes comosinônimos;- Sensor: ampliação dos sentidos para adquirir umconhecimento de quantidades físicas que, por sua naturezaou tamanho, não podem ser percebidas diretamente pelossentidos;- Transdutor: sugere que o sinal de entrada e o de saída nãodevem ser homogêneos.

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Capitulo 2

Condicionadores e Apresentação

Capitulo 2

Interfaces, Domínios de Dados e Conversões

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Capitulo 2

Tipos de Sensores

Capitulo 2 - Tipos de sensores

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Capitulo 2

Características Estáticas- O comportamento do sistema de medida é determinado pelosensor utilizado;- Na maioria dos sistemas de medida, a variável de interessevaria tão lentamente que basta conhecer as característicasestáticas do sensor;-As características estáticas também afetam o comportamentodinâmico do sensor, ou seja, no comportamento que ocorrequando a quantidade medida varia ao longo do tempo.

-EXEMPLO: Resistividade do material utilizado paraconfecção do sensor.

Capitulo 2

Exatidão, Confiabilidade ou Fidelidade- É a qualidade que caracteriza a capacidade de um sensorfornecer resultados próximos do valor real da quantidademedida;- Em sensores comerciais a exatidão é fornecida pelofabricante podendo ser especificada através dos erros,absoluto e relativo:

Onde r se refere ao valor real da quantidade de entrada e m ao

valor medido pelo sensor

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Capitulo 2

ExercícioUm dado sensor possui um erro de linearidade de 1% daleitura mais 0.1% do fim de escala. Um segundo sensor, coma mesma gama de medida, possui um erro de linearidade de0.5% da leitura mais 0.2% do valor de fim de escala.

a) Para que gama de valores é o primeiro sensor mais exatodo que o segundo?

b) Se o segundo sensor possuir uma gama de medidas duasvezes superior à do primeiro, para que gama de valores seráeste mais exato.

Capitulo 2

Proposta de Soluçãoa) Gama de valores em que o primeiro sensor é mais exato:

Erro(S1) = 0,01.x + 0,001.y

Erro(S2) = 0,005.x + 0,002.y

Erro(S1) < Erro(S2)

0,01.x + 0,001.y < 0,005.x + 0,002.y

x < 0,2.y

Ou seja, o sensor 1 é mais preciso até 20% do fim de escala!

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Capitulo 2

Proposta de Soluçãob) Segundo sensor com uma gama de medidas duas vezes superior à do primeiro, para que gama de valores será este mais exato:Erro(S1) = 0,01.x + 0,001.y

Erro(S2) = 0,005.x + 0,002.y.2

Erro(S1) > Erro(S2)

0,01.x + 0,001.y > 0,005.x + 0,004.yx > 0,6.yOu seja, o sensor 1 é mais preciso até 60% do fim de escala!

Capitulo 2

Precisão- Caracteriza a dispersão das respostas de um sensor;- Precisão e exatidão são conceitos diferentes podendo um sensor ser preciso e não ser exato;- Para um conjunto N de medidas de uma dada quantidade, aprecisão de um sensor pode ser quantificada estatisticamentepelo desvio padrão:

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Capitulo 2

ExercícioUm conjunto de seis medidas foram obtidas sobre umagrandeza invariante no tempo para dois sensores distintossobre as mesmas condições.

Qual o sensor mais preciso?

Capitulo 2

Proposta de SoluçãoPrimeiramente vamos calcular a média de x para os 2 casos:Sensor 1:x1 = (2,99 + 2,94 + 3,02 + 2,91 + 3,05 + 3,11) / 6 = 3,003Sensor 2:X2 = (2,95 + 3,06 + 3,08 + 2,93 + 2,98 + 3,04) / 6 = 3,007Agora vamos calcular o desvio padrão de x para os 2 casos:

Sensor 1: 1 = 73,12e-3 Sensor 2: 2 = 61,86e-3O sensor 2 apresenta menor desvio padrão e consequentemente maior precisão!

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Capitulo 2

ExercícioDois sensores de temperatura trabalham em uma faixa de 0 a1250ºC. O primeiro possui um erro de linearidade de 0.8% daleitura, mais 0.2% do fim de escala, mais 1ºC. O segundosensor possui um erro de linearidade de 0.5% da leitura, mais0.4% do valor de fim de escala, mais 0.75ºC.

a) Para que gama de valores é o primeiro sensor mais exatodo que o segundo?

b) Se o erro fixo dos dois sensores for igual a 0ºC, para quegama de valores o segundo será mais exato.

Capitulo 2

ExercícioUm conjunto de dez medidas foram obtidas sobre umagrandeza invariante no tempo para dois sensores distintossobre as mesmas condições.

Qual o sensor mais preciso?

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Capitulo 2

Sensibilidade- Relação entre a variação da saída do sensor e a variaçãocorrespondente da grandeza a medir;- Um sensor é muito sensível quando uma pequena variação do estímulo de entrada provoca uma grande variação na sua saída;

Exemplos: /ºC, mV/cm3 ou µV/Kg.

Capitulo 2

ExercícioDetermine a sensibilidade de um dado sensor de temperatura a partir das seguintes observações:

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Capitulo 2

Proposta de SoluçãoPodemos simplesmente observar a variação da entrada e da saída:

Concluímos portanto que para cada 30ºC de variação naentrada, temos uma variação correspondente de 7 na saída.Portanto, Sensibilidade = 7 / 30ºC = 233,3m/ºC

Capitulo 2

Linearidade-Um sensor é dito linear, em torno de um determinadointervalo de medida, se a sua sensibilidade for independentedos valores da variável a medir, por exemplo, a linearidadeindica até que ponto a sensibilidade de um sensor éconstante.

-Geometricamente a linearidade descreve a proximidadeentre a curva de calibração e uma reta especificada;

- O cálculo da linearidade independente a reta é definidarecorrendo ao método dos mínimos quadrados. Já alinearidade integral é calculada como sendo o desvio máximoda curva de calibração relativamente a uma reta traçada doinício para o fim da escala.

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Capitulo 2

Linearidade

Capitulo 2

Resolução- Os fatores que mais diretamente influenciam a linearidadesão a resolução e a histerese;- Resolução: o menor dos incrementos da grandeza a medirque pode ser detectado, sem ambigüidades, pelo sensor;

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Capitulo 2

ExercícioDetermine a resolução de um conversor A/D de 10 bits:

Capitulo 2

Proposta de SoluçãoConsiderando a quantidade de bits de um A/D, podemos calcular a quantidade de níveis que este terá em sua saída:

Nº de níveis = 2 nº bits

Em nosso caso, temos um A/D de 10 bits, então:

Nº de níveis = 2 10 = 1024 níveis

A resolução do A/D é de uma parte por 1024.

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Capitulo 2

Histerese- Refere-se à diferença que se observa na saída de um sensor quando a mesma entrada é aplicada segundo direções distintas;- Este fenômeno pode ter origem em atritos mecânicos, folgas ou características dos próprios circuitos.

Capitulo 2

ExercícioPara o mesmo conversor A/D de 10 bits, considerando queeste recebe em sua entrada um sinal analógico que variaentre 1Vdc e 5Vdc em função do tempo, determine a variaçãonecessária do sinal de entrada para promover a variação deum nível na saída:

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Capitulo 2

Proposta de SoluçãoConsiderando a quantidade de 10 bits de um A/D, podemoscalcular a quantidade de níveis que este terá em sua saída:Nº de níveis = 2 nº bits = 2 10 = 1024 níveis

Considerando o sinal de entrada, teremos:Var_ent = 5 – 1 = 4 Vdc

Ou seja: Histerese = 4Vdc / 1024 3,9mVdcPara cada 3,9mVdc de variação na entrada, teremos um nívelde variação na saída.

Capitulo 2

Erros Sistemáticos

Os erros sistemáticos referem-se a perturbações que introduzem um deslocamento constante entre o valor real e o medido. P.E.:- Má calibração do aparelho e má utilização da instalação de medida;- Erro por efeito de carga;-Introdução de simplificações nos modelos matemáticos usados para medições indiretas;- Não linearidades da resposta de um instrumento assumido como linear;- Influências exteriores afetando o sensor.

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Capitulo 2

Exercício

Para medir a queda de tensão em um resistor, consideram-sedois métodos alternativos: (1) Use um voltímetro, cujaprecisão é de cerca de 0,1% da leitura. (2) Use umamperímetro, cuja precisão é também cerca de 0,1% daleitura e aplicar a lei de Ohm. Se o resistor tem uma tolerânciade 0,1%, qual é o método mais preciso?

Capitulo 2

Proposta de solução

Diferenciamos a lei de Ohm para obter: dV = R.dI + I.dRDividindo cada termo por V temos:dV/V = (R.dI + I.dR)/V = (R.dI + I.dR)/R.I = dI/I + dR/RPara pequenas variações, podemos aproximar os diferenciais:V/V = I/I + R/RA incerteza da resistência é somada nesse método. Por isso:V/V = 0,1/100 + 0,1/100 = 0,2%A incerteza na medição de tensão direta é de 0,1%, portanto menor!

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Capitulo 2

Erros Aleatórios

- Este tipo de erro traduz-se por variações imprevisíveis namedida provocadas por causas tais como sinais aleatóriosinduzidos por f.e.m. parasitas;- Podem ser controlados aumentando o número de medidas erecorrendo à análise estatística;- Neste contexto, a média e o desvio padrão são algunsparâmetros estatísticos importantes.- Um dos procedimentos aconselhados de forma a minimizaralguns tipos de erros aleatórios consiste na proteção de sinaisou sensores críticos com blindagens ligadas à massa.

Capitulo 2

Confiabilidade- Um sensor é confiável quando trabalha sem apresentarfalhas em condições especificadas dentro de um determinadoperíodo;- A taxa de falhas é o número de falhas de um item porunidade medida (tempo, ciclo), normalizado para o número deunidades sobreviventes;- Se num intervalo de tempo dt, Nf(t) unidades de um banho

de N falham e Ns(t) sobrevivem, e a vida é medida em

unidades de tempo, a taxa de falha é:

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Capitulo 2

Confiabilidade-A confiabilidade em um tempo qualquer t como probabilidade é:

-N deverá ser um valor finito sempre na prática. Portanto R(t)

pode somente ser estimado. Desde que algum intervalo entre t = 0 e qualquer tempo maior que t, algumas unidades

sobreviverão e outras não;

-O tempo médio entre falhas (MTBF - mean time between

failures) pode ser calculado como:

Capitulo 2

ConfiabilidadeTestamos 50 unidades de um acelerômetro durante 1000h. Sea taxa de falha é assumida como constante e 2 unidadesfalharam, determine a taxa de falha e o tempo médio entrefalhas (MTBF).

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Capitulo 2

Solução PropostaTestamos 50 unidades de um acelerômetro durante 1000h. Se a taxa de falha é assumida como constante e 2 unidades falharam, determine a taxa de falha e o tempo médio entre falhas (MTBF).

= (1/50).(2/1000)

= 40 (falhas/milhão de horas)

MTBF = 106h/40

MTBF = 25000h

Capitulo 2

Curva “Banheira”A taxa de falha da maioria dos dispositivos seguem a curva“banheira” que determina 3 estágios na vida do produto(mortalidade infantil, vida útil saudável, e fase de desgaste)com diferentes causas para as falhas.

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Capitulo 1