Automação Industrial

1. Automação Industrial Sensores Industriais Prof.ª Patricia Pedroso Estevam Ribeiro Email: patriciapedrosoestevam@hotmail.com 16/ 05/ 2014

2. Introdução • Máquinas industriais, dispositivos de controle e contagem, utilizam diversos tipos de sensores eletrônicos. Os sinais destes sensores devem ter características que permita sua utilização pelos circuitos eletrônicos comuns que vão desde simples acionadores de relés até microcontroladores e DSP. • O controle de processos industriais, instrumentação e mesmo monitoração de processos distantes exige o uso de sensores especiais que devem convertes as mais diversas grandezas físicas em sinais elétricos. • Com o aumento da quantidade de dispositivos inteligentes embutidos ou não embutidos nas máquinas industriais e mesmo em equipamentos de uso doméstico ou embarcado, a necessidade de se conhecer o princípio de funcionamento de todos os sensores associados é fundamental para o profissional moderno.

3. Introdução • Sensor => pode ser definido como sendo um transdutor que altera a sua característica física interna devido a um fenômeno físico externo — presença ou não de luz, som, gás, campo elétrico, campo magnético etc. • Transdutor => é todo dispositivo que recebe uma resposta de saída, da mesma espécie ou diferente, a qual reproduz certas características do sinal de entrada a partir de uma relação definida. Todos os elementos sensores são denominados transdutores.

4. Introdução • Áreas de utilização: • Automação industrial: identificação de peças, medição, verificação de posição etc. • Automação bancária e de escritório: leitura de código de barras, tarja magnética, identificação de impressão digital. • Automação veicular: sensores de composição de gases do escapamento, sensores de temperatura, sensores de velocidade. • Automação residencial: sistemas de alarme, sensores para controle de temperatura ambiente, sensores de controle de luminosidade, sensores de detecção de vazamento de gás, sensores de presença para acendimento automático de lâmpadas etc.

5. Principais tipos de sensores industriais • Proximidade: mecânicos, ópticos, indutivos e capacitivos. • Posição e velocidade: potenciômetros, LVDT, encoders e tacogeradores. • Força e pressão:células extensométricas (straingauge). • Temperatura: analógicos (termopares). • Vibração e aceleração: acelerômetros. • Tato: chaves.

6. Variáveis de medida • Sinal analógico: é aquele que assume um determinado valor compreendido dentro de uma escala. Entre alguns exemplos podemos citar: o valor da pressão indicado em um manômetro, o valor da tensão indicado em um voltímetro, o valor da temperatura indicado em um termômetro. • Sinal digital: é aquele que pode assumir um número finito de valores em uma determinada escala. Entre alguns exemplos podemos citar: um relógio digital e um contador. • Sinal binário: é um sinal digital que pode assumir somente dois valores na escala: 0 ou 1.

7. Características • Acurácia: razão entre o valor real e o valor medido pelo sensor. • Resolução: grandeza relacionada ao grau de precisão de leitura do sensor. • Repetibilidade: variação dos valores lidos quando uma mesma quantidade é medida várias vezes. • Faixa de operação: limites superior e inferior da variável a ser lida pelo sensor. • Sensibilidade : índice associado a acurácia, resolução, repetibilidade e range. • Linearidade: é o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física. Quanto maior a linearidade, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. • Faixa de atuação: é o intervalo de valores da grandeza em que pode ser utilizado o sensor, sem causar sua destruição ou imprecisão na leitura.

8. Controle de processos • Discretos: os sensores podem ser utilizados para o controle de variáveis lógicas ou booleanas (sinais binários). Os mais empregados são os sensores de proximidade, utilizados geralmente para detecção de presença de objetos. Eles podem ser mecânicos, ópticos, indutivos e capacitivos. • Contínuos: é considerado uma das grandes áreas da Automação. Nesse processo, existem diferentes tipos de sensores capazes de medir as principais variáveis de controle, que podem ser classificadas como Medidas de Deslocamento, Velocidade, Pressão, Vazão e Temperatura (sinais analógicos ou binários).

9. Sensores utilizados como transdutores • Para converter uma grandeza física como pressão, posição, temperatura, intensidade luminosa ou outra, em energia elétrica utilizamos dispositivos denominados transdutores. • Um transdutor é, portanto definido como um dispositivo que converte uma forma de energia em outra. • Elementos de comando e sinalização no contexto da automação são considerados como sensores (por exemplo, entradas dos controladores programáveis industriais). Elementos de comando: • Botão (chaves mecânicas) • Botão inversor ou comutador • Interruptor com trava • Chaves de fim de curso ou limit switch Elementos de sinalização: • Lâmpada • Buzina

10. Sensores de proximidade Muito usado em na industria de automação – Linhas (contagem, detecção de parada, etc.) – Máquinas operatrizes (porta de segurança, sequenciamento, etc.) • Normalmente digital (on/off) detectando a presença ou a falta de objetos; • Consiste de: – Cabeça Sensora: ótica, indutiva, capacitiva – Circuito detetor – Amplificador – Circuito de output: relés, etc

11. Exemplos de chaves mecânicas de proximidade Chaves mecânicas de proximidade • É essencialmente uma chave mecânica!!! • Só opera on/off em dois modos: – Normalmente aberto (NO) – Normalmente fechado (NC) • Existe uma variedade muito grande de formas para uma grande faixa de usos

12. Exemplos de chaves mecânicas de proximidade

13. Quando usar chaves mecânicas de proximidade • Quando o contato físico for possível. • Quando uma posição definitiva for requerida. • Em operações críticas ou quando situações. de segurança são críticas. • Quando as condições ambientais não permitem o uso de sensores óticos ou indutivos.

14. Aplicações e usos de chavesmecânicas de proximidade Fácil de ser integrado a qualquer tipo de equipamento • Requer contato • Faixa de tensão: DC 0-1000V, AC, etc. • Muito robusto (a prova de explosão se necessário) • Normalmente utilizado como: – Chave de fim de curso – Indicador de presença/ausência – Porta aberta/fechada

15. Chaves de fim de curso • As chaves de fim de curso, como o próprio nome sugere, são aplicadas para detectar o fim do movimento de um mecanismo

16. Sensores de proximidade ópticos • Princípio de funcionamento: baseado num circuito oscilador que gera uma onda convertida em luz pelo emissor. Quando um objeto é aproximado do sensor óptico, este objeto reflete a luz do emissor para o receptor. Um circuito eletrônico identifica essa variação e emite um sinal que poderá ser utilizado para inspeção e controle. • Elementos: • Emissor - pode ser um LED (Diodo Emissor de Luz) ou uma lâmpada. • Receptor -é um componente fotossensível (sensível à luz) como fototransistor, fotodiodo, ou LDRs (resistores variáveis pela luz).

17. Sensores de proximidade ópticos • Consiste de uma fonte de luz (LED) e um detector de luz (Fototransistor) • O sinal deve ser modulado para minimizar as condições de luz ambiente • Existem vários modelos: 12-30V DC, 24-240V AC • Output: relé, etc. Modo operatório ou de operação: • Feixe passante: – Longo alcançe (20m) – Alinhamento é crítico! • Retro-refletivo – Alcançe 1-3m – Popular e barato • Difuso-refletivo – Alcançe 12-300mm – Barato e fácil de usar

18. Outros exemplos de sensores ópticos • •Aplicações: • Controle de empilhamento • Contagem • Controle de nível de líquido (enchimento e clareza) • Parada • Muitas outras…

19. Sensores ultrasônicos de Proximidade • Características: • Usa pulsos de som • Mede a amplitude e o tempo • do “vôo” • Fornece mais do que • informação de on/off • Frequências 40KHz-2MHZ • São normalmente utilizados quando: • Fornece dados diretamente • Monitora líquidos e sólidos • Permite usar sinais de aproximação (prevê • colisão) • Pode trabalhar em ambientes empoeirados e Úmidos • uido é problemático!!!!

20. Exemplos de sensores ultrasônicos • Características : • – Aplicação de pulsos de • 40 a 60kHz por 1 • msec. • – Precisão de 1 % do • valor máximo. • – Ângulo de 30 graus • causa reflexões • indesejadas. Princípios de funcionamento

21. Sensores Indutivos de Proximidade • Sensores indutivos usam mudanças locais de campo magnético para detectar a presença de peças metálicas. • Apresentam o princípio de funcionamento semelhante ao de um indutor. Quando o campo magnético é: • Mais fraco (o núcleo não está totalmente dentro do indutor):a impedância (resistência) do indutor é menor, portanto, a tensão no resistor é maior. • Mais forte (o núcleo está dentro do indutor): a impedância (resistência) do indutor é maior, conseqüentemente a tensão no resistor é menor. • Num sensor indutivo, o material dielétrico é o ar/vácuo, cuja constante é igual a 1. Portanto, o valor da capacitância é considerado muito baixo. • O núcleo do sensor indutivo é aberto => denominado “entreferro”. Princípio de funcionamento: o campo magnético tem que passar pelo ar. Ao ligarmos o indutor a um circuito RL trabalhando em corrente alternada (CA), poderemos verificar a variação de tensão do resistor de acordo com a distância da peça.

22. Exemplo de sensores indutivos de Proximidade Sensor encapsulado. Detecta presença de objetos sem contato. Faixa 3mm +/- 10

23. Exemplos de sensores indutivos de Proximidade Exemplo de aplicação • Detecção de funções abertura/fechamento • Detecção de um atuador semi-rotativo • Detecção de pallets num esteira • Detecção de fim de curso de cilindros Detecção da presença de objetivos sem o contato. Range: 3mm +/– 10%.

24. Sensores capacitivos • Apresentam o princípio de funcionamento semelhante ao de um capacitor, que é um componente eletrônico capaz de armazenar cargas elétricas. • O material dielétrico é o ar, que possui constante dielétrica igual a 1 – portanto, o valor da capacitância é muito baixo. • Quando algum objeto que possui constante dielétrica maior que 1 é aproximado do sensor capacitivo, o campo magnético gerado pela atração entre as cargas passa por este objeto, e a capacitância aumenta. • O circuito de controle, então, detecta essa variação e processa a presença desse objeto.

25. Exemplos de aplicaçãoSensorescapacitivos • São utilizados para monitorar a presença de corpos não magnéticos. Aplicações industriais: verificação da presença de peças, detecção do fluído de um reservatório, contagem de peças etc.

26. Sensores de Posição e Velocidades • Medidas de posição e velocidade são requidas em sistemas onde feedback é necessário para posicionamento e controle de velocidade. • Sensores de POSIÇÃO – Potenciômetros – LVDT – Encoders • Sensor de VELOCIDADE – Tachometer

27. Tipos de potenciômetros Bobina – Escova desliza ao longo da bobina – O fio desgasta devido a variação de temperatura • Cerâmica – Escova desliza sobre uma trilha de cerâmica condutiva – Melhor que a bobina • Filme Plástico – Alta resolução – Vida longa com boa estabilidade térmica • VANTAGENS • barato; • simples; • absoluto; • robusto. • DESVANTAGENS • Pouco exato • Baixa resolução • Impõe carga ao sistema

28. Sensor de deslocamento linear linear variabledifferentialtransformer(LVDT) - Transformador linear diferencial variável • Existe uma grande variedade de sensores eletromagnéticos que trabalham com relutância variável. • Os mais utilizados são transformadores lineares, transformadores rotativos, potenciômetros indutivos e transdutores conhecidos como microsyn. • Principal utilização: giroscópios de aviões e navios, acelerômetros e transdutores diversos, especialmente os transdutores de pressão. • Consiste de um núcleo magnético que se move no interior de um cilindro. A carcaça do cilindro contém um núcleo primário que pode se mover em função de um sinal de freqüência (tensão elétrica). • A carcaça contém dois cilindros secundários que detectam a freqüência na tensão com uma magnitude igual ao deslocamento, tornando esse tipo de sensor muito preciso. • LVDT produz uma saída elétrica proporcional ao deslocamento linear de um núcleo.

29. Transformadoresrotativos • São transdutores que operam obedecendo o mesmo princípio de atuação dos transformadores lineares, com características de funcionamento semelhantes, em que apenas a variável de entrada é um deslocamento angular. • Principal utilização: sistemas em que se tenha necessidade de medição de pequenos deslocamentos angulares, tais como lemes de direção em navios e aviões, válvulas hidráulicas e radares em que a rotação do eixo da antena é limitada. • Principal vantagem sobre os potenciômetros de precisão: não existência de atritos ou ruídos elétricos provocados pelo cursor do potenciômetro.

30. Encoders ópticos • São sensores digitais comumente utilizados para fornecer a realimentação de posição em atuadores. • São compostos por discos de vidro ou plástico que giram entre uma fonte de luz (LED) e um par de fotodetectores. Assim, o disco é codificado com setores alternados de transparência e opacidade, gerando pulsos de luz e escuridão quando na rotação do disco. • Podem ser classificados como incrementais e absolutos.

31. Tacômetros • Conhecidos como tacogeradores • Convertem rotação mecânica de um eixo em tensão elétrica, ou seja, é um gerador com tensão de saída proporcional à velocidade angular da entrada. • Podem ser utilizados como detector de erro a partir da comparação da tensão gerada com uma tensão de referência. • Essencialmente é um motor girando ao contrário. • Normalmente utiliza-se conectados diretamente ao motor para se ter feedback diretamente. VANTAGENS – robusto; – analógico; DESVANTAGENS – manutenção cara; – pesado; – produz muito ruído.

32. Tacômetros • Esses dispositivos operam como um elemento diferenciador, pois a sua saída (tensão elétrica) é igual à derivada no tempo da entrada (variação angular). Normalmente são utilizados nas seguintes aplicações:a) elemento de controle e/ou medida de velocidade angular; • b) diferenciador ou integrador; • c) elemento estabilizador de posição, numa realimentação denominada tacométrica. • Com o baixo custo atual dos encoders incrementais, que fornecem informações digitais, os sensores tacométricos são cada vez menos utilizados em aplicações industriais, sendo indicados ainda: • a) devido à facilidade de serem utilizados diretamente em malha de controle analógica utilizando amplificadores operacionais (baixo custo); • b) pelo fato de poderem ser incorporados diretamente no eixo do motor, obedecendo ao mesmo príncipio de funcionamento de um motor girando em reverso.

33. Sensoresparamedidade força e pressão Normalmente, a medição industrial de grandezas de força e pressão é realizada de modo indireto a partir do desenvolvimento de um mecanismo de medida da deflexão de uma superfície. Dentre eles, podemos citar: 1. arranjo físico para utilização de LVDT; 2. utilização de ponte de extensômetros em superfície metálica que altere a resistência quando deformada; 3. utilização de materiais piezoelétricos que geram variação de corrente quando deformados. Células para medição de força e pressão

34. Sensores para medida da variável de pressão A variável de pressão pode ser medida por meio de: • um tubo de Pitot; • deformação de uma membrana fixa; • medida da deformação utilizando métodos semelhantes ao da medida de força; • mola (manômetro); • distorção do cristal piezo (pressão); • extensômetros (strain gauges). Um sensor piezoelétrico Sensor de pressão usando sensor de deslocamento

35. Pontes extensométricas(Strain Gauge) O strain gauge é um transdutor de força que converte a força aplicada de tensão ou torção em valores de resistência elétrica dados em ohm. Princípio de funcionamento: variação da resistência elétrica causada pela variação de seu comprimento, o que causa um aumento ou diminuição de sua área, de maneira que esta afeta a estrutura metálica do componente e faz com que haja uma variação proporcional em sua resistência elétrica. Sensor destinado a medir microdeformações em materiais sólidos em geral, tais como metais, plásticos, vidros, cerâmicas, concretos etc. O strain gauge é um transdutor que converte força em resistência elétrica.

36. Sensores para medida de aceleração A variável de aceleração normalmente é medida pela força exercida por uma massa sísmica mediante: • distorção do cristal piezo (pressão); • movimento de uma viga; • deformação de uma massa; • acelerômetros para a medida de vibração.

37. Sensores de Tato Requerem contato físico entre o sensor e o objeto. • Podem ser construídos com chaves ou com dispositivos mais elaborados.