Aula_04_A&C_Sensor

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Instrumento de Medição 
- Sensor
Automação e Controle 1
Prof. MSc. José Fábio Abreu de Andrade
Instrumentos de Medição - Sensores
➢ Referências:
▪ AGUIRRE, Liuis Antonio. Fundamentos de 
instrumentação. São Paulo: Pearson, 2013.
▪ ALVES, José Loureiro. Instrumentação, Controle e 
Automação de Processos, 2ª edição. LTC, 07/2010. 
VitalSource Bookshelf Online.
▪ GROOVER, Mikell. Automação Industrial e Sistemas de 
Manufatura - 3ª ed.- São Paulo, 2011 ISBN: 
9788576058717
▪ MORAES, Cícero Couto de, Engenharia de Automação 
Industrial. Rio de Janeiro, Editora LTC, 2007;
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Instrumentos de Medição - Sensores
➢ Os instrumentos industrias de medição são
desenvolvidos usando diferentes tecnologias e estas
definem o campo de atuação dos instrumentos. A
capacidade de “sentir” destes equipamentos é oriunda
de sua arquitetura e dos elementos físicos que os
compõem, mas para que possa mensurar esses
elementos internos do instrumento devem interagir
com a variável a ser observada.
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Instrumentos de Medição - Sensores
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Figura 1 - Tabela de estímulos e variáveis medidas
Fonte: Groover, 2011, p. 93
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➢ Provavelmente, você já deve ter se deparado com
sensores usados em torneiras com abertura automática,
muito comum em shoppings. O sensor embutido nessas
torneiras são óticos, ou seja, são desenvolvidos para
obter respostas usando luz. Este sensor é composto de
dois elementos, um emissor e um receptor de luz,
mesmo que fora da faixa visual. Quando aproximamos
as mãos da torneira, a luz emitida se reflete e é
capturada pelo receptor, assim o sensor interpreta que
há alguém para usar a água. Mas será que esse
instrumento consegue detectar a presença de um vidro
totalmente translucido? Provavelmente, não.
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➢ Exatidão e precisão:
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Figura 2 - Distribuição de tiros e análise de exatidão e precisão
Fonte: UOL
Instrumentos de Medição - Sensores
➢ Em instrumentos bastante precisos, porém pouco exatos, é
possível transladar matematicamente a medida de forma a ter
uma medição “exata”. Por exemplo, é sabido que um instrumento
medidor de temperatura indica sempre 10°C a mais, sendo assim,
é possível subtrair esse valor nas medições e obter o valor
correto da variável medida.
➢ Sensibilidade: a variação do valor de entrada em relação com a
variação do valor da variável medida. Pode-se determinar a
sensibilidade de um instrumento fracionando a saída pela entrada
e assim também determinar a unidade física. Por exemplo, um
sensor de temperatura tem um incremento de 1 volt em seu sinal
de saída para cada 5 °C de variação de temperatura, logo sua
sensibilidade é de ⅕ Volt/°C.
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Instrumentos de Medição - Sensores
➢ Resolução: A resolução de instrumento indica a menor variação
no valor da variável medida que é perceptível no processo de
medição. Ou seja, o valor de saída do sensor só será alterado
quando o valor de entrada for acrescido ou decrescido do valor
de sensibilidade.
➢ Zona morta: Provavelmente você já se deparou com a situação
de tentar aumentar o volume do som girando o potenciômetro,
mas quando partimos do volume zero e começamos a girar o
volume só começa a aumentar depois de certo ponto , havendo
um espaço onde a variação do potenciômetro não afeta o volume
do som. A esse espaço denomina-se zona morta.
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➢ Faixa: A faixa de operação, também chamada de range, é a zona
onde um instrumento consegue medir. Por exemplo, um
voltímetro que é capaz de medir tensões entre -127 a 127 Volts.
➢ Alcance: Já o alcance, ou span, é a diferença algébrica entre os
valores mínimos e máximos da faixa de operação do sensor.
Usando o mesmo exemplo anterior o alcance do voltímetro é de
254 Volts.
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➢ Calibração: Calibrar um instrumento é o processo de
comparação entre os valores indicados com valores padrões, ou
de referência, para que se ajuste o instrumento ou a resposta do
mesmo.
➢ Executando a calibração é possível determinar o erro de medição
e aumentar a precisão do equipamento (AGUIRRE, 2013).
➢ Existem empresas certificadas pelo Instituto Nacional de
Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO) que calibram
instrumentos industrias, usando de metodologia adequada. Este
processo é importante para manter a qualidade dos sistemas de
automação e produção.
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➢ Calibração:
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Figura 3 - Características desejáveis nos instrumentos de medição
Fonte: GROOVER, 2011, p. 96
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➢ Principais sensores e variáveis industriais: existem diversos
tipos de sensores e que estes respondem a diferentes tipos de
estímulos físicos. A resposta a estes estímulos os fazem indicados
para uso na medição de varáveis determinadas.
➢ Há no mercado uma enorme gama de instrumentos de medição
para atender diferentes demandas industrias. Porém há aqueles
que são mais comuns, estes são usados para medir as principais
variáveis industriais que são temperatura, pressão, nível e vazão,
pois a partir delas é possível obter resposta de várias outras.
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➢ Um mesmo instrumento pode ser usado para medir variáveis diferentes.
Por exemplo, os sensores ultrassônicos emitem ondas sonoras e calcula
o tempo em que a mesma é refletida e volta até o sensor. Essa
característica possibilita seu uso para medir distância porém também
pode ser usado para medir nível. Como os tanques tem altura fixa e se
sabe a distância do fluido até sua capacidade máxima, pode-se medir o
quão cheio está o tanque e, consequentemente, saber o nível.
➢ Algumas variáveis tem um alto nível de complexidade em sua medição,
porém estão relacionadas fisicamente com outras do mesmo processo.
Nestes casos é possível, e muitas vezes mais viável, medir as variáveis
relacionadas e obter indiretamente o valor da variável desejada.
Como por exemplo, para saber o volume de um fluido é possível medir a
temperatura e pressão e usar de expressões algébricos oriundos da
física para inferir sobre o valor de volume.
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➢ São raras as situações onde existem apenas um tipo de instrumento
para mensurar uma certa grandeza físicas. É o caso da medição de
temperatura que é possível encontrar sensores com tecnologia de
construção e sinal de saída baste diversificados. Existem sensores que
traduzem a variação de temperatura em sinal elétrico, como os
termopares, outros que sua saída é uma variação de resistência, outros
que traduzem de forma mecânica usando dilatação do seu material de
construção, como os disjuntores, os sensores de radiação térmica,
enfim, existem uma enorme diversidade de instrumentos de medição
capazes de mensurar temperatura. No entanto, cada um deles irão
acarretar uma série vantagens e desvantagens comparado com os
demais modelos.
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Instrumentos de Medição - Sensores
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➢ Sensores Discretos: seu sinal elétrico de saída são do tipo 0-1,
“on”-”off”, isto é, binárias. São utilizados para detecção de
eventos, por exemplo, chegada de um objeto a uma posição, um
nível de um fluído a um valor etc.
➢ Sensores de medição ou transdutores: seu sinal elétrico de
saída reproduz a amplitude do seu sinal de entrada. Seu sinal de
saída pode ser analógico ou digital. Utilizados em controle
dinâmico de processos.
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➢ Ohmímetro: Dispositivo analógico que mede a resistência
elétrica, ou seja, a oposição à passagem da corrente elétrica, de
um componente ou circuito.
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➢ Codificador óptico - Encoders: Dispositivo digital utilizado para
medir posição e/ou velocidade,formado por um disco ranhurado que
separa uma fonte de luz de uma fotocélula. À medida que o disco gira, a
fotocélula percebe a luz através dos orifícios como uma série de pulsos.
A quantidade e a frequência dos pulsas são proporcionais
(respectivamente) à posição e à velocidade do eixo conectado ao disco.
Pode ser adaptado tanto para medições lineares como para medições
rotacionais. O codificador ótico é aplicado, por exemplo, para os
sistemas de posicionamento de máquinas de controle numérico - CNC.
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➢ Matriz de sensor fotoelétrico: Sensor digital composto por
séries lineares de interruptores fotoelétricos. Os sensores
fotoelétricos são utilizados em processos de automação industrial
para detectar diversos tipos de materiais. A matriz é criada para
indicar a altura ou o tamanho do objeto que interrompe alguns
dos feixes de luz.
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➢ Interruptor (relé) fotoelétrico: Sensor binário sem contato
(interruptor) formado por um emissor (fonte de luz) e um
receptor (fotocélula) disparados peta interrupção do feixe de luz.
Dois tipos comuns: (1) tipo transmitido, no qual o objeto bloqueia
o feixe de luz entre o emissor e o receptor, e (2) tipo retro-
reflexivo, no qual emissor e receptor estão localizados em um
mesmo dispositivo e o feixe de luz é emitido por um refletor
remoto, exceto quando o objeto interrompe o feixe refletido.
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➢ Fotômetro: Dispositivo analógico que mede a iluminação e a
intensidade da luz. Pode basear-se em diferentes dispositivos
fotodetectores, incluindo fotodiodos, fototransistores e
fotoresistores. Este converte a luz em corrente eléctrica podendo
ser medida em valores referentes à velocidade de obturação ou
abertura de diafragma.
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➢ Transdutor piezoeléctrico: Dispositivo analógico baseado no
efeito piezoeléctrico de determinados materiais (por exemplo. o
quartzo), no qual uma carga elétrica é produzida quando o
material é deformado. Pode ser utilizado para medir força,
pressão e aceleração.
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➢ Potenciômetro: Sensor analógico de posição formado por um
resistor e um contato deslizante. A posição do contato sobre o
resistor determina a resistência medida. Disponível tanto para
medições lineares como para medições rotacionais (angulares).
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Instrumentos de Medição - Sensores
➢ Interruptor de proximidade: O sensor binário sem contato
que dispara quando um objeto próximo causa alterações no
campo eletromagnético. Pode basear-se em diversos princípios
físicos, incluindo indutância, capacitância, ultrassom e ótica.
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➢ Pirômetro de radiação: Dispositivo analógico de medição de
temperatura que percebe a radiação eletromagnética na área do
espectro infravermelho visível. O impulso que motivou o
desenvolvimento de pirômetros foi a necessidade de medir a
temperatura de objetos muito quentes, impossibilitando contato
direto, como metais fundidos, cerâmicas e outros processos
industriais, estrelas e também a temperatura em câmaras como
as de vácuo. Qualquer objeto emite radiação térmica em
temperaturas superiores ao zero absoluto e a radiação emitida é
função da temperatura.
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➢ Termo-resistências: Dispositivo analógico de medição de
temperatura baseado no aumento da resistência elétrica de um
material metálico à medida que a temperatura aumenta. As
termo-resistências, que em língua inglesa se designam
por resistance temperature detectors, RTD, utilizam materiais
condutores como a platina, o cobre ou o níquel;
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Instrumentos de Medição - Sensores
➢ Termistor semicondutor: contração de térmico e resistor.
Dispositivo analógico de medição de temperatura baseado na
mudança na resistência elétrica de um material semicondutor à
medida que a temperatura aumenta. Termístores (ingl. thermal
resistors) utilizam misturas de cerâmicas de óxidos
semicondutores, como o manganésio, o níquel, o cobalto, o
cobre, o ferro, o titânio, etc., no caso das resistências com
coeficiente de temperatura negativo (negative temperature
coefficient, NTC), e de titanato de bário, no caso das PTC
(positive temperature coefficient).
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➢ Extensômetro – Strain gages: Sensor analógico largamente
utilizado para medir força, deformação, torque ou pressão.
Baseia-se na alteração da resistência elétrica resultante da tensão
de um material condutor.
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➢ Tacômetro: Dispositivo analógico formado por um gerador CC
(corrente continua) que produz uma voltagem elétrica
proporcional à velocidade de rotação. Dispositivo que mede as
rotações por minuto de um motor ou de um eixo, em geral
utilizado para fornecer informações sobre a velocidade de um
veículo; conta-giros, conta-voltas, taquímetro.
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➢ Sensor tátil: Dispositivo de medição que indica contato físico
entre dois objetos. Pode basear-se em qualquer um dos diversos
dispositivos físicos, como o contato elétrico (para materiais
condutores) e o efeito piezoeléctrico.
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Instrumentos de Medição - Sensores
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➢ Termopar: Dispositivo analógico de medição de temperatura
baseado no efeito termoelétrico, no qual a junção de duas tiras
de materiais distintos emite uma pequena voltagem que é uma
função da temperatura da junção. Termopares comuns incluem:
Tipo K (chromel-alumel), Tipo J (ferro-constantan) e Tipo E
(chromel-constantan).
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➢ Sensor ultrassônico: Lapso de tempo a partir do qual se mede
a emissão e a reflexão (a partir de um objeto) de pulsos de som
de alta frequência. Pede ser utilizado para medir a distância ou
simplesmente para indicar a presença de um objeto.
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https://www.citisystems.com.br/sensor-ultrassonico/
https://www.citisystems.com.br/sensor-ultrassonico/
➢ Acelerômetro: Dispositivo analógico utilizado para medir
vibração e choque. Pode basear-se em diversos fenômenos físicos
(capacitivos, piezoresistivos, piezoeléctricos).
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➢ Amperímetro: Dispositivo analógico que mede a força de uma
corrente elétrica. É um instrumento utilizado para fazer a medição
(obter a medida) da intensidade no fluxo da corrente elétrica que
passa através da seção transversal de um condutor.
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➢ Interruptor bimetálico - Termostato: Interruptor binário que
utiliza lâmina bimetálica para abrir e fechar um contato elétrico
como resultado da alteração de temperatura. A lâmina bimetálica
é formada pela união de duas tiras de metal com coeficientes de
expansão térmica diferentes.
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https://www.youtube.com/watch?v=E2KJDnNtxr0
Instrumentos de Medição - Sensores
https://www.youtube.com/watch?v=E2KJDnNtxr0
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➢ Termômetro bimetálico: Dispositivo analógico de medição de
temperatura formado por lâmina metálica (ver definição na
descrição anterior) que muda de forma em resposta à mudança
de temperatura. A mudança de forma da lâmina pode ser
calibrada de modo a indicar a temperatura.
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➢ Dinamômetro: Dispositivo analógico utilizado para medir
força, potência ou torque. Pode basear-se em diferentes
fenômenos físicos (por exemplo, extensômetro elétrico,
efeito piezoeléctrico).
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➢ Transdutor flutuador: Flutuador anexado a um braço de
alavanca. O movimento giratório do braço pode ser utilizado para
medir o nível de líquido em um navio(dispositivo analógico) ou
ativar o interruptor por contato (dispositivo binário).
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➢ Sensor de vazão: Medição analógica da vazão de liquido,
normalmente baseada na diferença de pressão entre o fluxo de
duas tubulações de diâmetros diferentes.
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➢ Pressostato: Interruptor binário semelhante ao interruptor de
fim-de-curso, mas ativado pelo aumento de pressão do fluido,
não por um objeto com o qual entrou em contato.
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➢ Transformador diferencial linear variável - LVDT: Sensor
analógico de posição que consiste em uma bobina primária
separada por um núcleo magnético de duas bobinas secundárias
conectadas em oposição. Quando a bobina primária é energizada,
induz uma tensão nas bobinas secundárias em função da posição
do núcleo. Também pode ser adaptada para medir força ou
pressão.
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➢ Interruptor de fim-de-curso (mecânico): Sensor binário de
contato no qual o braço da alavanca ou o botão de pressão fecha
(ou abre) um contato elétrico.
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➢ Manômetro: Dispositivo analógico utilizado para medir a
pressão de gás ou líquido com base na comparação de uma força
de pressão conhecida ou não. Barômetro é um tipo específico de
manômetro usado na medição da pressão atmosférica.
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