Automação CEFET Apostila, Resumos de Automação

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INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

SENSORES E TRANSDUTORES

ÍNDICE

Professor Reverson Reis - 2008

ÍNDICE

• INTRODUÇÃO
• SENSORIAMENTO
• DEFINIÇÕES FUNDAMENTAIS
  • Sensor
  • Transdutor
  • Sensores Discretos
  • Sensores Absolutos
• CONCEITOS FUNDAMENTAIS
  • Sensibilidade
  • Exatidão
  • Precisão
  • Linearidade
  • Estabilidade
  • Alcance
  • Resolução
  • Velocidade de Resposta
  • Histerese
  • Outros
• EXERCÍCIOS
• MEDIDA DE PRESSÃO
  • Pressão Absoluta
  • Pressão Relativa ou Manométrica
  • Pressão Diferencial
  • Pressão Negativa ou à Vácuo
  • Pressão Estática
  • Pressão Dinâmica ou Cinética
• MEDIDORES DE PRESSÃO DE COLUNA LÍQUIDA
  • Barômetro de Mercúrio
  • Barômetro de Aneróide
• MEDIDORES DE PRESSÃO MECÂNICOS
  • Tubos de Bourdon
  • Manômetro
  • Manômetro Diferencial
  • Manômetro Duplo
  • Manômetros com Selagem Líquida
  • Manômetros com Sensor do Tipo Diafragma
  • Manômetros do Tipo Fole
  • Outros Tipos de Manômetros
• EXERCÍCIOS
• MEDIDA DE VAZÃO
  • Vazão Volumétrica
  • Vazão Mássica
  • Vazão Gravitacional
• PERDA DE CARGA VARIÁVEL (ÁREA CONSTANTE)
  • Placa de Orifício
  • Tubo de Venturi
  • Tubo de Pitot
  • Tubo de Dall
  • Annubar
• ÁREA VARIÁVEL (PERDA DE CARGA CONSTANTE)
  • Rotâmetro
• MEDIDORES DE VOLUME DO FLUIDO PASSANTE
  • Rodas Ovais
• MEDIDORES DE VELOCIDADE (PELO IMPACTO DO FLUIDO
  • Turbina
• MEDIDORES ESPECIAIS
  • Elétrico-Magnético Indutivo
• EXERCÍCIOS
• MEDIDA DE NÍVEL
• MEDIDA DIRETA
  • Visores de Nível
  • Bóias
• MEDIDA INDIRETA
  • Borbulhamento para Recipientes Abertos
  • Borbulhamento para Recipientes Fechados
  • Caixa de Diafragma
  • Corpo Imerso
• MEDIDORES ESPECIAIS
  • Capacitância Variável
• EXERCÍCIOS
• MEDIDA DE FORÇA OU MOMENTO
  • Efeitos Mecânicos - Tração, Compressão
  • Tipos de Sensores - Flexão, Cisalhamento e Compressão
• FORÇA OU MOMENTO?
• FATOR DE GAUGE
• APLICAÇÕES
• MÉTODO DE MEDIÇÃO
• ANÁLISE DE DEFORMAÇÃO
  • Montagem em ¼ de Ponte
  • Montagem em ½ Ponte
  • Montagem em Ponte Completa
• EXERCÍCIOS
• MEDIDA DE POSIÇÃO
  • Sensores Indutivos
  • Sensores Capacitivos
  • Sensores Magnéticos
  • LVDT
  • RVDT
  • Potenciométrico
  • Encoder
    • Encoders Incrementais
    • Encoders Absolutos
• EXERCÍCIOS
• MEDIDA DE TEMPERATURA
• ESCALAS DE TEMPERATURA
  • Termistores NTC
  • Termistores PTC
  • Termopar
    • Efeitos Termoelétricos
    • Tipos de Termopares
    • Compensação de Junta de Referência
    • Associação de Termopares
      • Associação Simples
      • Associação Simples Oposta
      • Associação em Paralelo .............................................................................
• EXERCÍCIOS
• SENSORES DE PRESENÇA
  • Sensores Ópticos
  • Sensor Óptico por Retrorreflexão
  • Sensor Óptico por Transmissão
  • Sensor Óptico por Reflexão Difusa
  • Sensor Infravermelho Ativo
  • Sensor Infravermelho Passivo ................................................................................
  • Janela de Luz
  • Sensores de Ultra Som
• EXERCÍCIOS
• SENSORES ÓPTICOS
  • Fotodiodos
  • Foto Acoplador
  • LDR
  • Foto Transistor
  • Foto Tiristor LASCR
  • Válvula Ultravioleta
  • Célula Fotovoltaica
• EXERCÍCIOS
• MEDIDA DE VELOCIDADE
  • Tacômetro
• MEDIDA DE ACELERAÇÃO
  • Acelerômetro

Figura 01 – Automação em Malha Fechada

A utilização de sensores e transdutores nos dias de hoje tornam-se cada vez mais freqüentes em processos de automação seja ele industrial, comercial ou até mesmo residencial. Com o avanço da tecnologia em grande escala novos equipamentos, novos métodos surgem num espaço de tempo cada vez menor, fenômeno este que contribui para o aumento do número de tipos e aplicações desses equipamentos.

SENSORIAMENTO

O Sensoriamento consiste em uma técnica para obter informações sobre objetos através de dados coletados por instrumentos que não estejam em contato físico ou não com os objetos investigados.

Sensoriamento Remoto pode ser definido como uma medida de trocas de energia que resulta da interação entre a energia contida na Radiação Eletromagnética de determinado comprimento de onda e a contida nos átomos e moléculas do objeto de estudo.

DEFINIÇÕES FUNDAMENTAIS

Nosso estudo concentra-se justamente na fase de sensoriamento, onde abordaremos os princípios de funcionamento dos instrumentos em função do tipo de grandeza a ser monitorado, como por exemplo, temperatura, pressão, cargas, etc., também serão abordados conceitos quanto às classificações, campo de aplicação e meios de medição.

Comumente costumamos a nos referenciar a esses instrumentos de uma maneira geral como sensores, porém esses podem ser sensores ou transdutores, e em muitas

ELEMENTO DE CONTROLE

ELEMENTO DE ACIONAMENTO

ELEMENTO DE SENSORIAMENTO

ELEMENTO COMPARADOR

ENTRADA SAÍDA

vezes os termos “sensor e transdutor” são usados indistintamente. Neste caso vamos deixar claro cada um desses conceitos.

9 SENSOR: é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estímulo ou um sinal (luminoso, térmico, pressão, etc.). Porém, os sensores artificiais são aqueles que respondem com sinal elétrico a um estímulo ou um sinal.

Figura 02 – Atuação de Energias Sobre os Sensores

9 TRANSDUTOR: é um dispositivo que converte um tipo de energia em outra não necessariamente em um sinal elétrico. Muitas vezes um transdutor é composto de um sensor e uma parte que converte a energia resultante em um sinal elétrico. Podem ser de indicação direta (como um termômetro de mercúrio ou um medidor elétrico) ou em par com um indicador (algumas vezes indiretamente com um conversor de analógico para digital, um computador e um display) de modo que o valor detectado se torne legível pelo homem. Além de outras aplicações, os sensores são largamente usados na medicina, indústria e robótica.

SENSORES DISCRETOS

Esses sensores podem assumir apenas dois valores no seu sinal de saída ao longo do tempo, que podem ser interpretados como zero ou um. Não existem naturalmente grandezas físicas que assumam esses valores, mas eles são assim mostrados ao sistema de controle após serem convertidos pelo circuito eletrônico do transdutor, podem também serem chamados de sensores digitais ou binários. É utilizado, por exemplo, em:

LUZ

CALOR

SOM

EFEITOS MECÂNICOS

LUZ

CALOR

SOM

EFEITOSFÍSICOS SENSOR SINAL DESAÍDA

9 Carga; 9 Vazão; 9 Outros.

O sensor ou transdutor possui saída contínua, nesse caso a saída destes é quase uma réplica da grandeza física de entrada, estes instrumentos também podem ser chamados de sensores analógicos. Abaixo a Figura 04 mostra uma representação gráfica de um sensor absoluto quando atuado por uma determinada grandeza física.

Figura 04 – Resposta de um Sensor Absoluto

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Para estudarmos de uma maneira mais detalhada os tipos de sensores e transdutores, campo de aplicação, por exemplo, faz-se necessário a abordagem de alguns conceitos fundamentais que serão necessários para futuros estudos.

SENSIBILIDADE: também podendo ser definido como ganho é a razão entre o sinal de saída e de entrada para um dado transdutor. No caso de sensores analógicos, a sensibilidade está ligada à relação entre uma variação na grandeza em questão e a variação na medida fornecida pelo instrumento, ou seja, um sensor muito sensível é

Grandeza Física

Saída do Sensor

aquele que fornece uma variação na saída para uma pequena variação da grandeza medida.

EXATIDÃO: consiste no erro da medida realizada por um transdutor em relação a um medidor padrão.

PRECISÃO: é a característica relativa ao grau de repetibilidade do valor por um transdutor. Apesar de as definições serem atualmente padronizadas, existe e principalmente fabricantes que se referem a essa característica como sendo o erro relativo máximo que o dispositivo pode apresentar.

LINEARIDADE: Esse conceito se aplica a sensores analógicos. É a curva obtida plotando os valores medidos por um transdutor sob teste contra valores de um padrão. Se o comportamento do transdutor ou sensor for ideal, o gráfico obtido é uma reta. Os gráficos abaixo apresentados mostram um comportamento linear para o da esquerda e não linear para o da direita.

Figura 05 – Representação da Curva de Comportamento de um Sensor

ESTABILIDADE: Está relacionada com a flutuação da saída do sensor. Se a flutuação for muito alta, ou seja, se o sensor possuir uma baixa estabilidade, a atuação do controlador que utiliza esse sinal pode ser prejudicada.

ALCANCE: Representa toda faixa de valores de entrada de um transdutor.

RESOLUÇÃO: Define-se como o menor incremento de entrada o qual gera uma saída perceptível e repetitiva, quantificando-se como porcentagem do fundo de escala.

Grandeza

Saída do Sensor Grandeza

Saída do Sensor

Comportamento Linear

Comportamento Não Linear

EXERCÍCIOS

1. Defina automação de sistemas.
2. Sensoriamento pode ser definido como:

a. ( ) A comparação dos valores medidos com valores preestabelecidos e toma adecisão de quando atuar no sistema.

b. ( ) Utiliza a informação dos sensores para regular o acionamento

c. ( ) Mede o desempenho do sistema de automação ou uma propriedadeparticular de algum de seus componentes.

d. ( ) Nenhuma das alternativas está correta.

3. Diferencie sensores de transdutores. Cite exemplos.
4. Diferencie sensores discretos de sensores absolutos. Cite exemplos.

5. Relacione os conceitos fundamentais.

a. Exatidão ( ) Representa toda faixa de valores de entrada de um transdutor.

b. Sensibilidade ( ) Característica relativa ao grau de repetibilidade do valor por um transdutor.

c. Linearidade ( ) Está relacionada com a flutuação da saída do sensor.

d. Precisão ( ) Razão entre o sinal de saída e de entrada para umdado transdutor.

e. Alcance ( ) Refere-se à zona morta obtida sob a diferença entre as curvas de resposta na subida e descida de escala.

f. Estabilidade ( ) Erro da medida realizada por um transdutor em relação a um medidor padrão.

g. Velocidade de Resposta (^ )^

Curva obtida plotando os valores medidos por um transdutor sob teste contra valores de um padrão.

h. Histerese ( )

Define-se como o menor incremento de entrada o qual gera uma saída perceptível e repetitiva, quantificando- se como porcentagem do fundo de escala.

i. Resolução ( ) Trata-se da velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança o valor real do processo.

6. Esboce o diagrama de blocos de um sistema automatizado em malha fechada.

A pressão pode ser medida em termos absoluto ou diferencial, desta forma é comum identificar três tipos de pressão:

9 Pressão absoluta; 9 Pressão relativa ou manométrica; 9 Pressão diferencial.

PRESSÃO ABSOLUTA: A pressão absoluta é a diferença entre a pressão em um ponto particular num fluído e a pressão absoluta (zero), isto é, vácuo completo. Um barômetro é um exemplo de sensor de pressão absoluta porque a altura da coluna de mercúrio mede a diferença entre a pressão atmosférica local e a pressão "zero" do vácuo que existe acima da coluna de mercúrio.

PRESSÃO RELATIVA OU MANOMÉTRICA: Quando o elemento mede a diferença entre a pressão desconhecida e a pressão atmosférica local, esta pressão é conhecida como pressão manométrica, ou pressão relativa.

PRESSÃO DIFERENCIAL: Quando o sensor mede a diferença entre duas pressões desconhecidas, sendo nenhuma delas a pressão atmosférica, então esta pressão é conhecida como "diferencial".

É de grande importância, ao exprimir um valor de pressão, determinar se ela é absoluta, relativa ou diferencial.

Além das pressões já citadas estas também podem ser caracterizadas como pressões:

Pressão negativa ou vácuo; Pressão estática; Pressão dinâmica ou cinética.

PRESSÃO NEGATIVA OU VÁVUO: É quando o sistema tem a pressão relativa menor que a pressão atmosférica.

PRESSÃO ESTÁTICA: É a pressão exercida por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente à tomada de impulso, por unidade de área exercida.

PRESSÃO DINÂMICA OU CINÉTICA: É a pressão exercida por um fluido em movimento. É a medida fazendo a tomada de tal forma que recebe o impacto do fluido.

MEDIDORES DE PRESSÃO DE COLUNA LÍQUIDA

Para a medição de pressão atmosférica, os dois instrumentos mais usados são o barômetro de mercúrio e o barômetro de aneróide.

BARÔMETRO DE MERCÚRIO: O barômetro de mercúrio foi inventado em 1643 por Evangelista Torricelli, e funciona porque o ar tem peso. Torricelli observou que se a abertura de um tubo de vidro fosse cheia com mercúrio, a pressão atmosférica iria afetar o peso da coluna de mercúrio no tubo. Quanto maior a pressão do ar, mais comprida fica a coluna de mercúrio. Assim, a pressão pode ser calculada, multiplicando-se o peso da coluna de mercúrio pela densidade do mercúrio e pela aceleração da gravidade. Ao nível do mar, a pressão atmosférica é equivalente a 101,3 quilo pascal (10 3 ) Pa. O mercúrio é ideal para o barômetro líquido, pois sua alta densidade permite uma pequena coluna. Num barômetro de água, por exemplo, seria necessária uma coluna de 10 metros e, ainda assim, haveria um erro de 2%.

Figura 07 – Barômetro de Torricelli

BARÔMETRO ANERÓIDE: A maioria dos barômetros é aneróide (funcionam sem líquido). Eles consistem em uma pequena caixa de metal, fechada a vácuo. Um lado é

Figura 08 – Tubos de Bourdon

MANÔMETRO: é instrumento destinado a medir pressão (absoluta, relativa ou diferencial) composta em sua maioria de três partes básicas, sendo elas, o elemento elástico responsável em sofrer a ação da variação de pressão, por exemplo, os tubos de Bourdon, um elemento apresentador de dados, ou seja, uma escala e um mecanismo responsável em receber a variação do elemento elástico e atuar o elemento apresentador de dados.

Na figura 09 abaixo mostra um manômetro com um tubo de Bourdon. Uma das extremidades (inferior) é selada presa a um quadrante pivotado. A outra extremidade (superior) está conectada a um sistema dentado que por sua vez está conectado aos dentes de uma engrenagem que movimenta o ponteiro, ou seja, a deformação produzida. No tubo é amplificada mecanicamente e transformada em movimento angular de um ponteiro associado a uma escala previamente calibrada.

Figura 09 – Parte Interna de um Manômetro com Tubo de Bourdon

MANÔMETRO DIFERENCIAL: este tipo construtivo é adequado para medir a diferença de pressão entre dois pontos quaisquer do processo. É composto de dois tubos de Bourdon dispostos em oposição e interligados por articulações mecânicas e dotado de dois pontos de tomada de pressão, porém não mede qual é a pressão nesses pontos e sim a diferença de pressão entre os pontos.

Figura 10 – Parte Interna de um Manômetro Diferencial

MANÔMETRO DUPLO: é um manômetro com dois Bourdon e mecanismos independentes e utilizados para medir duas pressões distintas, porém com mesma faixa de trabalho. A vantagem deste tipo está no fato de se utilizar uma única caixa e um único mostrador.

Figura 11 – Manômetro Duplo