APR 3 - Sensores e Instrumentação

Prévia do material em texto

Prof. Tiago Quirino
AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS E 
ROBÓTICA
Unidade 3 – Sensores e Instrumentação
Sistema de Sensoriamento
Processo
Sensores
Dispositivos que detectam
mudanças nas grandezas que
se deseja monitorar e assim
informar tal mudança.
Classificação dos sensores (efeito físico)
• Contato
• Nível
• Proximidade
• Temperatura
• Pressão
• Fluxo
• Rotação
• Aceleração
• Som
• Força
• etc
Sensores Discretos
Detectam mudanças físicas e trocam seus contatos elétricos.
Sensores de Contato
Chaves de fim-de-curso
7
Contato Normalmente 
Aberto (NA / NO)
Contato Normalmente 
Fechado (NF / NC)
8
Chaves de fim-de-curso
9
Chaves de fim-de-curso
Chave de nível
Contato Normalmente 
Aberto (NA / NO)
Contato Normalmente 
Fechado (NF / NC)
Chave de nível
Chave bóia
Área sensível
Atuador
Circuito de disparo
Circuito de saída
Sensores de 
proximidade
Sensores de proximidade
FAMÍLIA
SENSORES
DE PROXIMIDADE
CAPACITIVO
INDUTIVO
ÓPTICO
MAGNÉTICO
ULTRA-SÔNICO
Sensores indutivos
Oscilador de campo eletro-magnético em alta frequência que
se modifica na presença de materiais ferromagnéticos.
Detecção de
plásticos, madeiras,
vidro, pós e líquidos
Sensores capacitivos
Oscilador local de alta frequência que se modifica na presença de 
materiais dielétricos.
Detectam campo magnético.
Sensores magnéticos
Sensores óticos
Baseiam-se na transmissão e recepção de luz, que pode ser
refletida ou interrompida pelo objeto a ser detectado.
Sensores óticos
Barreira
Sensores óticos
Exemplo: Medição do comprimento de rolo em mesa de corte com
um sensor de barreira.
Sensores ópticos
Difusão
O transmissor e o receptor são montados na mesma unidade,
sendo que o acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser
detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o
receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor.
Sensores óticos
Exemplo: Contagem de garrafas utilizando um sensor difuso.
Sensores óticos
Exemplo: Sinalização iminente do fim do rolo usando um sensor 
difuso.
Sensores óticos
Exemplo: Controle de rasgos no rolo de tear usando um sensor
difuso.
Condutores de fibra ótica
Elemento para condução da luz, quando o sensor não pode ser
instalado na região de interesse.
Sensores óticos
Exemplo: Contagem de ci‘s usando um sensor de fibra ótica.
Sensores óticos
Exemplo: Controle de tampas usando um sensor de fibra ótica do 
tipo barreira.
Sensores óticos
Reflexão
O transmissor e o receptor são montados em uma única unidade.
O feixe de luz chega ao receptor após a incidência em um espelho
e o acionamento da saída ocorre quando o objeto interrompe o
feixe.
Sensores óticos
Sensor reflexivo em um espelho de 3 vias.
Sensores óticos (Reflexivos)
Marca cor
O sensor marca cor reage a 
diferenças de contraste.
De acordo com a aplicação ele
transmite luz vermelha ou verde.
Sensores óticos (Reflexivos)
Fenda
O sensor fenda reage a 
diferenças de contraste.
Ele envia um raio de luz
através do objeto e o recebe
ao mesmo tempo.
De acrodo com a aplicação
ele emite luz verde/vermelha
ou infra-vermelha.
Sensores óticos (Reflexivos)
Cor
O sensor de cor pode
reconhecer uma
determinada cor. Trabalha
com 3 transmissores: 
vermelho, verde, azul. 
Pode reconhecer uma cor
ou uma graduação de cor.
Não reage a diferenças de 
luminosidade.
Sensores ultra-sônicos
O sensor emite pulsos cíclicos ultra-sônicos que refletidos por um 
objeto incidem no receptor, acionando a saída do sensor.
Sensores ultra-sônicos
Alinhamento angular
Sensores ultra-sônicos
Exemplos de aplicações
Sensores de Limites
Chave centrífuga
Pressostato
Pressão
Termostato
Fluxostato
V V
Classes de saídas de Sensores Digitais
Encoder
Convertem a posição angular
do seu eixo em sinal elétrico,
usando para isto dispositivos
ópticos (led’s e
fototransistores).
Encoders
Incremental Absoluto
B
A Z
Encoder Incremental
Z
Resolução do Encoder Incremental
Menor ângulo diferençável obtido da relação de uma volta inteira pela
quantidade de pulsos que podem ser gerados.
𝑅𝑒𝑠 =
360°
𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠
Encoder Absoluto
Resolução do Encoder Absoluto
Menor ângulo diferençável obtido da relação de uma volta inteira com
a quantidade de estados representáveis (2𝑛, sendo 𝑛 a quantidade de
fototransistores).
𝑅𝑒𝑠 =
360°
2𝑛
Sensores Analógicas
Realizam a transdução proporcional de uma grandeza física.
Sensoriamento Analógico
Deflexão: variação da grandeza gera
uma variação correspondente na
indicação.
Maior velocidade a custo de precisão.
Cancelamento: a medição é realizada
quando o instrumento indica estar em
equilíbrio.
Maior precisão a custo da velocidade.
Transmissão ou telemetria
Sinais analógicos típicos
• 4 a 20mA
• 10 a 50mA
• 0 a 20mA
• 1 a 5V
• 0 a 5V
• 0 a 10V.
IMPORTANTE
Zero Vivo: Utilizado quando adotamos o nível mínimo de 4mA, oferece a vantagem de podermos detectar uma
avaria (rompimento de um dos fios), que provocaria a queda do sinal abaixo de 0%. Também usado no sinal
pneumático
Como exemplo tome um sensor com faixa de -20 a 80°C e saída 4 -20 mA. 
Verifique a saída de corrente do sensor para temperatura ambiente sendo 28°C.
Escalonamento
53
°C mA
80
28
-20
20
X
4
28°C – (-20)°C
80°C – (-20)°C
x - 4 mA
20mA - 4mA
=
48 °C
100 °C
x - 4mA
16 mA
=
x - 4mA= 16mA * 48°C 
100°c
x - 4mA= 7,68 mA
x= 11,68 mA
Características dos Sensores
• Precisão
• Exatidão
• Linearidade
• Faixa de medida
• Resolução
• Tempo de Resposta
Precisão
Medida da consistência do
sensor e indica a sua
repetibilidade, isto é qual a
capacidade do sensor em
indicar o mesmo valor,
estando nas mesmas
condições de operação, em
um dado período de tempo.
Informa o desvio que o
instrumento pode
proporcionar.
Exatidão
Indica o quanto o sensor é 
capaz de indicar um valor 
próximo do valor real.
Precisão e Exatidão
Faixa (Range)
Região entre os limites
máximo e mínimo nos quais a
quantidade medida, recebida
ou transmitida pode variar. A
diferença da faixa é chamada
de Span (Excursão ou
alcance).
Faixa normalizada
𝑦 = (𝑥 − 𝑥𝑚𝑖𝑛)
𝑦𝑚𝑎𝑥 − 𝑦𝑚𝑖𝑛
𝑥𝑚𝑎𝑥 − 𝑥𝑚𝑖𝑛
+ 𝑦𝑚𝑖𝑛
Ganho
Relação entre a variação na
saída e a variação unitária na
entrada, ou o span da saída
dividido pelo span da entrada. 𝐺 =
𝑦𝑚𝑎𝑥 − 𝑦𝑚𝑖𝑛
𝑥𝑚𝑎𝑥 − 𝑥𝑚𝑖𝑛
Resolução
Menor diferença de
indicações de um instrumento
que pode ser percebida, sem
haver confusão com outra
medida devido a precisão do
medidor.
Resolução = 0,1
Sensibilidade
Relação entre o sinal de saída
e a grandeza física de entrada,
em termos da resolução do
instrumento.
Exemplos:
Volts/Kelvin
mV/Pa
mA/ºC
Linearidade
Relação proporcional entre a
entrada e saídas por um valor
de ganho.
Tempo de Resposta
Intervalo necessário para que
o estímulo físico gere uma
resposta dentro de uma
tolerância no instrumento de
medição.
Condicionador de Sinal
Componente que filtra o sinal apenas para as frequências de interesse, 
e modifica a excursão do sinal para os limites necessários.
Amplificador
ou 
Atenuador
Filtro Passa-baixas
Condicionador de Sinal Analógico
Filtros
• Circuitos que apresentam comportamento típico em função da
frequência do sinal a ele aplicado, permitindo a passagem de sinais
com certas frequências, enquanto suprime sinais com outras
frequências.
• Depende do valor das resistências, capacitâncias e indutâncias
envolvidas e da maneira como são interligadas. Os filtros são
classificados quanto à tecnologia e componentes empregados na sua
construção e quanto à função que deverá ser executada por ele num
circuito eletrônico.
Filtros
Todo sinal pode ser representado
por uma composição de senóides.
Filtros
a) Filtros Passivos: Construídos apenas com os elementos passivos
dos circuitos, ou seja, resistores, capacitores e indutores.
b) Filtros Ativos: Empregam na sua construção elementos passivos
associados a algum elemento ativo amplificador, como por exemplo,
transistorese amplificadores operacionais.
Filtro Passa Baixa
• Permite a passagem de sinais de tensão e corrente somente em 
frequências abaixo de um certo limite, atenuando os sinais cuja 
frequência ultrapassar esse valor.
Filtro Passa Baixa
Filtro Passa Baixa
• Passivo
Filtro Passa Baixa
• Ativo
Filtro Passa Alta
• Para sinais de frequências acima da frequência de corte do filtro, o
ganho é unitário, para frequências abaixo da frequência de corte o
ganho é zero.
Filtro Passa Alta
Filtro Passa Alta
Filtro Passa Alta
Amplificadores 
Operacionais
• Dispositivo transistorizado
que possui a capacidade de
amplificar para valores
muito elevados a diferença
das tensões na entrada.
𝑉𝑜 = 𝐴(𝑉 +−𝑉−)
• A resistência na entrada é muito grande;
• A resistência na saída é muito pequena;
• O ganho de tensão é muito alto.
Amplificador Inversor
Amplificador Não Inversor
Amplificador Subtrator
Amplificador Somador
Amplificador de 
Instrumentação
Condiciona o sinal de
pequena amplitude para nível
adequados aos circuitos de
transmissão e controle.
Amplificador de 
Instrumentação
Integrado
Posição Rotativa
Resolver
Transdutor de posição absoluto que gera sinais analógicos. Como um
“transformador” rotativo de alta frequência.
Segunda Lei de Newton
Força pela área
Pressão
Pressão manométrica
Pressão atmosférica
Pressão absoluta
Pressão diferencial
Pressão hidrostática
Pressão de vapor
Unidades de Pressão
Teorema de Stevin Princípio de PascalVasos comunicantes Princípio de Arquimedes
Empuxo
d1h1 = d2h2
Pressão
Por que medir pressão?
Proteção do equipamento
Proteção de pessoal
Medição de outra 
variável (Nível, vazão)
Controle do processo
Medição de pressão
Os elementos para medição de pressão (sensores de pressão) 
dividem-se em mecânicos, pneumáticos e eletrônicos
Mecânicos
• Manômetro de tubo em U
• Manômetro em tubo inclinado
• Diafragmas metálicos
• Diafragmas não metálicos
• Foles 
• Bourdon (C, espiral e helicoidal)
Pneumáticos
• Transmissor pneumático 
de Pressão
• Equilíbrio de forças
Eletrônicos
• Transmissores eletrônicos de 
pressão
• Equilíbrio de forças
• Extensiométrico (Strain
Gauge)
• Capacitivo
Tipo Extensômetro 
Strain Gauge
Mede a partir da mudança de resistência de uma
trilha condutora feita sobre material elástico, que
colado sobre uma membrana, sofre deformações em
função da pressão que atua nessa membrana.
Assim, tem-se um valor de resistência variável em
função da pressão, permitindo que um instrumento
eletrônico possa medir a pressão. Mais utilizado
atualmente.
Medição de pressão
Transmissor Eletrônico de Pressão
Nível
Princípio de Arquimedes
Empuxo: Força que surge em
todo objeto mergulhado em
um fluido. Ele corresponde ao
peso do volume de líquido
deslocado pelo corpo. E = Empuxo
d = densidade
V = volume 
g = gravidade
𝑬 = 𝒅 ∙ 𝑽 ∙ 𝒈
Volume
Deslocado
𝑬
Medição de pressão
Os elementos para medição de pressão (sensores de pressão) dividem-se em mecânicos,
pneumáticos e eletrônicos
Mecânicos
• Manômetro de tubo em U
• Manômetro em tubo 
inclinado
• Diafragmas metálicos
• Diafragmas não metálicos
• Foles 
• Bourdon (C, espiral e 
helicoidal)
Pneumáticos
• Transmissor 
pneumático de 
Pressão
• Equilíbrio de 
forças
Eletrônicos
• Transmissores eletrônicos 
de pressão
• Equilíbrio de forças
• Extensiométrico (Strain
Gauge)
• Capacitivo
Medição de nível
Princípios de medição e suas aplicações
• Flutuador
• Deslocador
• Pressão Diferencial
• Ultrassônico
• Radar
• Capacitivo
• Eletromecânico
• Pás Rotativas
• Pesagem
Medição de nível
Por que medir nível?
a) Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de
armazenamento;
b) Realizar o balanço de materiais de processos contínuos onde
existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária,
reações, misturas, etc.;
c) Manter a segurança e controle de alguns processos onde o nível do
produto não pode ultrapassar determinados limites.
Medição de nível
DESLOCADOR
Funciona pelo princípio do empuxo. Determina-se
o nível a partir do peso aparente do deslocador
que será dado por:
𝑷𝒂 = 𝑷 − 𝑬
Pa – Peso aparente; P – Peso do deslocador;
E – Empuxo
Medição de nível
PRESSÃO DIFERENCIAL
A medição é realizada através da medição da
pressão de coluna de líquido (Teorema de Stevin).
𝑯 = 𝑷/𝒅
H – Altura, P – Pressão hidrostática e 
d – Densidade do fluido
Medição de nível
PRESSÃO DIFERENCIAL
Medição de nível
ULTRASSOM
Medição de nível
ULTRASSOM
VANTAGENS
➢Sem contato com o fluido
➢Não depende das características do
fluido
➢Fácil instalação
➢Pode ser utilizado em líquidos e sólidos
DESVANTAGENS
➢Não deve ser instalado próximo de
campos elétricos fortes (motores, relés,
geradores).
➢Em sólidos, se gerar névoa pode impedir o
retorno do sinal.
Medição de nível
RADAR
Similar ao medidor de nível do tipo
ultrassônico, o medidor de nível do tipo radar
envia uma onda que é refletida e captada de
volta. A diferença é que a onda emitida, dessa
vez, será uma onda eletromagnética que ao
encontrar um material de constante dielétrica
diferente do ar é refletida.
Temperatura
Grandeza física associada ao grau de agitação das moléculas
Temperatura
• Principais escalas termométricas
As escalas termométricas são elaboradas,
sempre, com base nos pontos fundamentais
da temperatura. Esses pontos são:
Gelo fundente
Água fervente
Temperatura
Conversão de temperatura
Medição de temperatura
Dentre as diversas formas de medir temperatura, podemos ressaltar as que
abrangem os princípios de medição a seguir:
Dilatação volumétrica Diferença de potencial
elétrico (tensão elétrica)
Variação de Resistência
elétrica
Mecânicos Elétricos Radiação
Infravermelhos
Medição de temperatura
Termopar Termorresistência
Termistores ou termoresistências
Dispositivos elétricos que têm a sua resistência elétrica alterada
termicamente, isto é, apresentam um valor de resistência elétrica
para cada temperatura absoluta.
• Termistor PTC (Positive Temperature
Coeficient): aumenta sensivelmente a sua
resistência elétrica com o aumento da
temperatura;
• Termistor NTC (Negative Temperature
Coeficient): diminui sensivelmente a sua
resistência elétrica com o aumento da
temperatura.
Medição de temperatura
Termorresistências
Compreendendo a simbologia
PT - 100
Tipo do material 
Resistência equivalente a 
0°C
PT - 1000
CU - 25
NI - 500
Exemplos:
Medição de temperatura
Termorresistências - Modelo Matemático
𝑅(𝑇) = 𝑅0(1 + 𝛼𝑇)
Sendo 𝑅 a resistência elétrica, medida em Ω, à temperatura 
“𝑇”;
𝑅0 a resistência elétrica, medida em Ω, à emperatura
de 0ºC;
𝛼 o coeficiente de variação da resistência elétrica em 
relação a temperatura;
𝑇 a temperatura, medida em ºC.
Medição de temperatura
Diferença de potencial elétrica (Tensão elétrica) – Termopar
Elemento sensor
Um par de condutores de ligas metálicas
diferentes.
Princípio de medição (T. J. Seebeck)
Em um circuito fechado, feito com 2 fios de
metais heterogêneos, uma corrente elétrica
fluirá se a temperatura de uma junção T1,
estiver acima da temperatura de um junção T2
Aplicação
Medição a curta e longa distância de
temperatura em processos industriais
Medição de temperatura
Diferença de potencial elétrica (Tensão elétrica) – Termopar
Tipos de termopar – T, J, E, K, S - R, B e N
Medição de temperatura
Diferença de potencial elétrica (Tensão elétrica) – Termopar
Termopares T
Composição: Cobre(+) / Cobre – Níquel(-)
Faixa de utilização: -200°C a 350°C
Podem ser usados em atmosferas
oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo.
Adequado para medições abaixo de 0°C.
Apresenta boa precisão na sua faixa de
medição.
Medição de temperatura
Diferença de potencial elétrica (Tensão elétrica) – Termopar
Termopares J
Composição: Ferro(+) / Cobre – Níquel(-)
Faixa de utilização: -40°C a 750°C
Podem ser usados em atmosferas
oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo.
Não devem ser usados em atmosferas
sulfurosase não se recomenda o uso em
temperaturas abaixo de 0°C. Apresentam
baixo custo.
Medição de temperatura
Diferença de potencial elétrica (Tensão elétrica) – Termopar
Termopares K
Composição: Níquel-cromo(+) /
Cobre – Alumínio(-)
Faixa de utilização: -200°C a 900°C
Utilizados em atmosferas oxidantes
ou inertes. Ocasionalmente podem
ser usados abaixo de 0°C. Não
devem ser utilizados em
atmosferas redutoras ou
sulforosas. Seu uso no vácuo é por
curto período de tempo.
Medição de temperatura
Diferença de potencial elétrica (Tensão elétrica) – Termopar
Termopares S - R
Composição: S 90% Platina – 10%
Ródio(+)/Platina(-)
R 87% Platina – 13% Ródio(+)/Platina(-)
Faixa de utilização: 0°C a 1600°C
Utilizados em atmosferas oxidantes ou inertes.
Não devem ser usados abaixo de 0°C, no vácuo,
em atmosferas redutoras ou atmosferas com
vapores metálicos. Apresentam boa precisão em
Temperaturas altas.
Medição de temperatura
Diferença de potencial elétrica (Tensão elétrica) – Termopar
Termopares B
Composição: 70% Platina – 30% Ródio(+)
94% Platina – 6% Ródio(-)
Faixa de utilização: 600°C a 1700°C
Recomendáveis em atmosferas oxidantes
ou inertes. Não devem ser usados abaixo
de 0°C, no vácuo, em atmosferas
redutoras ou atmosferas com vapores
metálicos. Mais adequados em altas
temperaturas que os tipos S/R.
Medição de temperatura
Diferença de potencial elétrica (Tensão elétrica) – Termopar
Relação entre Temperatura e Tensão elétrica
Medição de temperatura
Comparativo entre PT-100 e termopar
Radiação
Radiação térmica é a energia emitida por um corpo
pelo fato de sua temperatura estar acima do zero
absoluto e a ela podem ser atribuídas as
propriedades típicas de uma onda, ou seja, a
frequência e o comprimento de onda .
Vazão
Quantificação de fluido escoando através de um trecho por um
determinado período de tempo sendo, portanto, uma grandeza
concernente à velocidade de frações volumétricas ou de massa.
Vazão
Introdução
O cálculo e vazão é feito pelo volume ou pela massa do material
escoando.
Vazão volumétrica Vazão mássica
volume
tempo
massa
Unidade no SI Unidade no SI
Avaliação de vazão em duto
portanto
Velocidade de 
escoamento do fluido
Área da seção tubular
Extensômetro
Medição da força
empregada em uma
região pela deformação
de uma área.
Célula de Carga
Acelerômetro
Detecção da força que
movimenta uma massa
móvel.
Fotorresistores
LDR (Light Dependent Resistor / 
Resistor Dependente de Luz)
Resistor que apresenta a
característica de fotocondutividade,
aumento da condutividade na
presença de luz.
Ponte de Wheatstone
Distribuição de resistores que
permite a calibragem de um
sensor que seja do tipo
resistivo:
Medição de Temperatura (NTC, PTC);
Medição de Pressão (Strain Gauge);
Medição de Peso (Strain Gauge);
Medição de Intensidade Luminosa (LDR -
Light Dependent Resistor).