Trabalho sobre Sensores

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Universidade Metodista de Piracicaba
FACULDADE DE ENGENHARIA, ARQUITETURA E URBANISMO
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sensores
Grupo 03
SANTA BÁRBARA D’OESTE
NOVEMBRO – 2008�
Universidade Metodista de Piracicaba
FACULDADE DE ENGENHARIA, ARQUITETURA E URBANISMO
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sensores
CARLOS BARROSO 		R.A.: 05.1784-7
EMERSON ARAUJO 		R.A.: 02.1603-6
mARCIENE de sá	 		R.A.: 05.3172-3
PEDRO TREVISAN 	 	R.A.: 05. 0578-4
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Trabalho sobre sensores e transdutores apresentado para avaliação da disciplina de Controle de Processos I do 8º semestre, do Curso de Eng.ª de Controle e Automação, da Universidade Metodista de Piracicaba sob orientação do Prof. Mitsuo Serikawa.
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SANTA BÁRBARA D’OESTE
NOVEMBRO – 2008�
Sumário
41	Resumo	�
52	INTRODUÇÃO	�
63	Características dos sensores	�
63.1	Faixa	�
63.2	Resolução	�
63.3	Sensibilidade	�
63.4	Linearidade	�
73.5	Histerese	�
73.6	Exatidão ou Erro	�
73.7	Relação Sinal/Ruído	�
73.8	Resposta em Freqüência	�
84	Sensores elétricos	�
94.1	Sensor de Contato com Acionamento Mecânico	�
94.2	Sensor de Contato com Acionamento Magnético	�
104.3	Sensor de Proximidade	�
114.3.1	Sensor de Proximidade Indutivo	�
124.3.2	Sensor de Proximidade Capacitivo	�
124.4	Sensor Fotoelétrico	�
134.4.1	Sistema Barreira	�
134.4.2	Sistema de Difusão	�
144.5	Sensor de Pressão ou Pressostato	�
144.6	Sensor de Temperatura ou Termostato	�
155	Considerações finais	�
166	Conclusão	�
167	REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA	�
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LISTA DE TABELAS E FIGURAS
8Figura 4.1: Localização dos sensores no processo.	�
9Figura 4.2: Esquema elétrico dos terminais do sensor de contato mecânico.	�
9Figura 4.3: Esquema elétrico dos terminais do sensor de contato com acionamento magnético.	�
10Figura 4.4: Configurações elétricas dos sensores de proximidade.	�
11Figura 4.6: Princípio de funcionamento do sensor capacitivo.	�
12Figura 4.7: Sistema de barreira.	�
12Figura 4.8: Configurações elétricas do sistema de barreiras.	�
13Figura 4.9: Sistema de difusão	�
13Figura 4.10 Sistema de funcionamento do pressostato.	�
14Figura 4.11: Sistema de funcionamento do termostato	�
14Figura 4.12: Termostato de lâmina bimetálica	�
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Resumo
Um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estímulo ou um sinal. Porém, os sensores são aqueles que respondem com sinal elétrico a um estímulo ou um sinal. Um transdutor por sua vez é um dispositivo que converte um tipo de energia em outra não necessariamente em um sinal elétrico. Muitas vezes um sensor é composto de um transdutor 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.
Como o sinal é uma forma de energia, os sensores podem ser classificados de acordo com o tipo de energia que detectam. Para este trabalha iremos analisar os sensores elétricos.
INTRODUÇÃO
O sensor é apenas a parte sensitiva de um transdutor (que é um sistema completo que produz um sinal elétrico de saída que representa a grandeza física sendo medida), que se completa em muitos casos com um circuito eletrônico para a geração desse sinal elétrico que depende do nível de energia da grandeza física que afeta o dispositivo sensitivo.
Existem grandezas físicas que podem tomar qualquer valor ao longo do tempo: são as chamadas grandezas físicas analógicas, por exemplo, pressão, temperatura, umidade, vazão, força, ângulo, velocidade, luminosidade, altitude, torque, entre muitas outras. Porém, embora estritamente falando não se trate propriamente de grandezas físicas, existem outras variáveis ou características num sistema que, ao longo do tempo, só podem tomar dois valores possíveis, os quais são denominados arbitrariamente como 0 e 1, essas variáveis são chamadas de grandezas físicas digitais. Um exemplo delas é a presença de um objeto num determinado local. [http://www.lokonyldoshp...]
Os sensores medem uma grandeza física e entregam um sinal elétrico como saída. Se esse sinal puder tomar qualquer valor dentro de certos limites ao longo do tempo, esse sensor é chamado de analógico. Se esse sinal elétrico só puder tomar dois valores ao longo do tempo, sejam estes sinais de qualquer amplitude, o sensor é chamado de digital.
Se o sensor for analógico e o controlador destinado a receber esses sinais for digital, será necessária a presença de um conversor A/D. Se o sensor for digital é possível entregar o sinal diretamente ou através de um circuito condicionador, numa interface de entrada digital.
Observa-se que não foi definido sensor analógico como aquele que mede grandezas físicas analógicas, e nem o sensor digital como aquele que mede grandezas físicas digitais. É possível medir grandezas físicas analógicas com sensores digitais.
Características dos sensores
Faixa
Define-se como faixa ou range (do inglês) a todos os níveis de amplitude da grandeza física medida nos quais se supõe que o sensor pode operar dentro da precisão especificada. Assim, por exemplo, um sensor de pressão pode ser fabricado para operar de 60 mmHg até 300 mmHg.
Resolução
Define-se como resolução o menor incremento da grandeza física medida que provoca uma mudança no sinal de saída do sensor. Por exemplo, no caso dos sensores digitais, a resolução vai estar dada pelo menor incremento na grandeza física medida que provoca uma mudança de um bit na leitura de saída do sensor digital.
Sensibilidade
A sensibilidade é a transferência do sensor, quer dizer, a relação entre o sinal elétrico entregue na saída e a grandeza física medida. Por exemplo, um sensor de pressão poderia ter uma sensibilidade de 3 mV/mmHg, o qual significa que por cada mmHg que mude a pressão medida, o sinal elétrico entregue na saída mudará 3 mV.
Linearidade
Dado um determinado sensor, para variações iguais da grandeza física medida obtém-se variações iguais do sinal entregue, então define-se o sensor como linear, caso contrário, define-se como não-linear.
Evidentemente, o caso ideal é que o sensor seja linear, mas, caso o sensor seja não linear, uma forma de determinar quão grave é essa não-linearidade é medir o máximo erro do sinal de saída dividido pela faixa de valores possíveis. Essa relação pode ser expressa em termos percentuais e define-se como linearidade.
Histerese
O fenômeno da histerese pode ser explicado da seguinte maneira: se o estímulo de entrada, que excita o sensor, crescer até um determinado valor u1, o sensor entregará um determinado sinal de saída y1. Mas se o estímulo começar num valor mais elevado e decrescer até o mesmo valor anterior u1, o sinal fornecido poderá ter um valor y2, diferente daquele entregue anteriormente, y1. Nesse caso, se diz que há uma histerese.
Por exemplo se o sensor tiver um dispositivo sensitivo magnético, o qual já tem uma histerese magnética. Outro exemplo poderia ser o caso de sensores que tiverem engrenagens com folga entre os dentes ou backlash. Também pode se dar em circuitos de controle com dispositivo sensitivo, ou em circuitos condicionadores de sinal composto por Smith-trigger.
Exatidão ou Erro
Dada uma determinada grandeza física a ser medida, exatidão é a diferença absoluta entre o valor real do sinal de saída entregue pelo sensor e o sinal ideal que este deveria fornecer para esse valor da grandeza física. Este erro poderia se representar em termos percentuais dividindo essa diferença pela faixa.
Relação Sinal/Ruído
É a relação entre a potência de um sinal qualquer entregue na saída do instrumento e a potência do sinal do ruído, medida como o sinal de saída com informação de nula. Isto é, se a amplitude da grandeza física medida for igual a zero, e o sensor entregar um sinal de uma amplitudedeterminada, esse sinal é considerado como ruído. Esta relação pode ser expressa também em termos percentuais ou em dB (decibéis).
Resposta em Freqüência
Sistema eletrônico que manuseia sinais elétricos tem suas limitações em freqüência, isto é, sinais em determinadas freqüências são reproduzidos e em outras não. Se a grandeza física medida variar sua amplitude com uma determinada freqüência, é possível que o sinal elétrico entregue pelo sensor reproduza essas mudanças com a amplitude adequada, mas se a freqüência dessas mudanças na grandeza física aumentar, é possível que o sinal de saída entregue pelo sensor diminua sua amplitude em função da freqüência dessas mudanças. Define-se a resposta em freqüência de um sensor como a faixa do espectro que este consegue reproduzir.
Pela teoria de bode, define-se a faixa de passagem, ou largura da faixa, como o intervalo de freqüências em que, para uma determinada amplitude de entrada, a potência do menor sinal de saída é maior ou igual à metade da potência do maior sinal.
Sensores elétricos
Atualmente, a maioria dos sensores utilizados são elétricos ou eletrônicos, apesar de existirem outros tipos. Além de outras aplicações, os sensores são largamente usados na medicina, automação e controle de processos industriais e robótica.
Segundo BONACORSO 2004, sensores elétricos são componentes que captam as informações necessárias no decorrer do processo automatizado e as enviam ao circuito elétrico de controle, conforme a Figura 4.1.
Figura 4.1: Localização dos sensores no processo. (Fonte: BONACORSO - 2004)
Dentre o grande leque de sensores elétricos existentes, os mais utilizados são:
Sensor de Contato com Acionamento Mecânico;
Sensor de Contato com Acionamento Magnético;
Sensor de Proximidade;
Sensor Fotoelétrico;
Sensor de Pressão;
Sensor de Temperatura.
Sensor de Contato com Acionamento Mecânico
Este tipo de sensor é uma chave elétrica acionada mecanicamente pelo movimento dos elementos de trabalho, através do dispositivo atuador localizado no sensor. O elemento atuador pode ser: curto, convencional, longo, com rolete, com falso rolete e, ainda, com rolete escamoteável.
O acionamento através de rolete escamoteável ocorre somente em um sentido do movimento, enquanto nos outros tipos de atuadores, o acionamento ocorre nos dois sentidos.
O sensor de contato mecânico apresenta três terminais acessíveis: o comum (C), o normalmente aberto (NA) e o normalmente fechado (NF), conforme mostra a Figura 4.2.
Figura 4.2: Esquema elétrico dos terminais do sensor de contato mecânico.
(Fonte: BONACORSO – 2004)
Sensor de Contato com Acionamento Magnético
Este sensor também é uma chave elétrica, porém acionada pelo campo magnético de um ímã. Este tipo de sensor é utilizado quando:
Necessita-se de um grande número de comutações;
Em condições ambientais adversas, como poeira, umidade e etc;
Quando não há espaço suficiente para montagem de sensores com acionamento mecânico.
Em cilindros com êmbolo magnético, o sensor é fixado sobre o corpo do mesmo, deixando sua haste completamente livre.
Este tipo de sensor apresenta dois terminais acessíveis, podendo ser construtivamente, normal aberto ou normal fechado, conforme mostra a Figura 4.3.
Figura 4.3: Esquema elétrico dos terminais do sensor de contato com acionamento magnético. (Fonte: BONACORSO – 2004)
Sensor de Proximidade
O sensor de proximidade é um circuito eletrônico capaz de detectar a aproximação de peças, fluidos, componentes, elementos de máquinas e etc.
O acionamento ocorre sem que haja o contato físico entre o acionador e o sensor, aumentando com isso a vida útil do sensor.
O estágio de saída deste tipo de sensor é um transistor PNP ou NPN, podendo-se Ter, ainda, as seguintes configurações elétricas:
Função NA (3 terminais);
Função NF (3 terminais);
Saída complementar (4 terminais acessíveis).
Estas configurações são apresentadas na Figura 4.4.
Figura 4.4: Configurações elétricas dos sensores de proximidade. (Fonte: BONACORSO – 2004)
Na saída com transistor PNP, a carga a ser acionada pelo sensor deve ser conectada entre o terminal negativo e o terminal NA ou NF. Já, na saída com transistor NPN, a carga deve ser conectada entre o terminal positivo e o terminal NA ou NF, conforme a lógica de controle utilizada.
O sensor de proximidade pode ser indutivo ou capacitivo.
Sensor de Proximidade Indutivo
Este sensor detecta a aproximação de metais, o seu princípio de funcionamento baseia-se na detecção da variação do campo magnético de alta freqüência devido à aproximação de um objeto metálico, conforme mostra a Figura 3.5.
 
Figura 4.5: Princípio de funcionamento do sensor indutivo. (Fonte: BONACORSO – 2004)
Sensor de Proximidade Capacitivo
Este sensor detecta a aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, líquidos, madeiras, papéis, metais etc. O seu princípio de funcionamento baseia-se na detecção da variação do campo elétrico de alta freqüência devido à aproximação do objeto, conforme mostra a Figura 4.6.
Figura 4.6: Princípio de funcionamento do sensor capacitivo. (Fonte: BONACORSO – 2004)
Sensor Fotoelétrico
O sensor fotoelétrico é conhecido também por sensor óptico, e baseia-se na transmissão e recepção de luz infravermelha, podendo ser refletida ou interrompida pelo objeto a ser detectado. Este tipo de sensor é composto por dois circuitos básicos: um transmissor (LED – diodo emissor de luz), responsável pela emissão do feixe de luz, e o receptor (fototransistor ou fotodiodo), responsável pela recepção do feixe de luz.
Sistema Barreira
Neste sistema, o circuito transmissor e o circuito receptor são encapsualdos em unidades distintas e devem ser colocados um em frente ao outro, de modo que o receptor possa receber a luz do transmissor. O sensor é acionado quando o objeto a ser detectado interrompe o feixe de luz, conforme mostra a Figura 4.7.
Figura 4.7: Sistema de barreira. (Fonte: BONACORSO – 2004)
As configurações elétricas PNP e NPN do estágio de saída do sensor fotoelétrico com sistema de barreira são apresentadas na Figura 4.8.
Figura 4.8: Configurações elétricas do sistema de barreiras. (Fonte: BONACORSO – 2004)
Sistema de Difusão
Neste sistema, o circuito transmissor e o circuito receptor são encapsulados em uma única unidade. O acionamento deste sensor ocorre quando o objeto a ser detectado interrompe e reflete o feixe de luz emitido pelo transmissor, conforme mostra a Figura 4.9.
Figura 4.9: Sistema de difusão (Fonte: BONACORSO – 2004)
As configurações elétricas do estágio de saída do sensor fotoelétrico com sistema de difusão são idênticas às do sensor de proximidade, apresentada na Figura 4.4.
Sensor de Pressão ou Pressostato
O pressostato é um dispositivo eletromecânico acionado pela pressão do ar ou outros fluidos, tais como: óleo, água, vapor e gás.
A atuação ocorre quando a pressão P do fluido é maior que a pressão Pr, regulada na mola de contrapressão. Esta regulagem da mola é realizada através de um parafuso existente no sensor. Quando P>Pr, a chave elétrica do pressostato é acionada, conforme mostra a Figura 4.10.
Figura 4.10 Sistema de funcionamento do pressostato. (Fonte: BONACORSO – 2004)
Sensor de Temperatura ou Termostato
O termostato é um elemento de acionado pela ação da temperatura. A atuação acontece quando a temperatura T de um determinado ambiente é maior que a temperatura regulada Tr. Esta regulagem da temperatura é executada por meio de um potenciômetro graduado incorporado ao termostato. Quando T>Tr, a chave elétrica deste dispositivo é acionada, conforme mostra a Figura 4.11.
Figura 4.11: Sistema de funcionamento do termostato (Fonte: BONACORSO – 2004)
Quando a temperatura a ser controlada é fixa e sem muita precisão, a solução é utilizar um sensor acionado pela dilatação térmica de uma lâmina bimetálica. A Figura 3.12 apresenta este dispositivo.
Figura 4.12: Termostato de lâmina bimetálica (Fonte: BONACORSO – 2004)
Considerações finais
Existem no mercado, vários outros tipos de sensores,os quais medem outras grandezas físicas, como massa por exemplo, ou mesmo medem as grandezas abordadas neste trabalho, porém são menos usados no dia-a-dia e por este motivo não foram citados.
Conforme BONACORSO 2004, para a escolha dos sensores elétricos, deve-se levar em consideração, entre outras, as seguintes especificações:
Tipo e tensão de alimentação;
Corrente máxima;
Número de acionamentos (comutações);
Sensibilidade;
Tipo de fixação;
Custo.
Conclusão
Esse trabalho possibilitou-se conhecer os principais tipos de sensores elétricos e entender o seu funcionamento sendo estes como: Sensor de Contato com Acionamento Mecânico, Sensor de Contato com Acionamento Magnético, Sensor de Proximidade, Sensor Fotoelétrico, Sensor de Pressão e Sensor de Temperatura. Relacionaram-se possíveis aplicações desses sensores de acordo com suas especificações e cuidados como: Tipo e tensão de alimentação, Corrente máxima, Número de acionamentos (comutações), Sensibilidade, Tipo de fixação e um dos itens mais considerados na indústria mundial o custo. Os sensores elétricos têm hoje um amplo campo de aplicações e mercado, com inúmeros modelos e dimensões, com alta tecnologia se desenvolvendo cada vez mais. Por esses motivos são os mais usados na indústria, sendo ela no ramo da saúde, processos, fundição, metalurgia, automobilística, entre os mais diversos ramos de atividade, podendo ser aplicados nos mais diversos ambientes.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
OGATA, K, Engenharia de Controle Moderno; Ed. Guanabara Koogan S.A – 1992.
SENSORES. Disponível em: <http://www.lokonyldoshp.hpg.ig.com.br >. Acessado em 07 de novembro de 2008.
Bonacorso, N. G.; Noll, V. Automação Eletropneumática - 11.ª ed., São Paulo: Erica, 2004.
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