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DESCRIÇÃO Os sensores e os transdutores constituem a parte mais importante da instrumentação industrial. Esses dispositivos são responsáveis pela medição da variável que se deseja conhecer no processo. PROPÓSITO Compreender o funcionamento dos principais tipos de sensores e transdutores aplicados em processos industriais. PREPARAÇÃO Antes de iniciar o conteúdo deste tema, tenha em mãos papel, caneta e smartphone/computador. OBJETIVOS MÓDULO 1 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de grandezas elétricas, temperatura e vazão MÓDULO 2 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de pressão e força, presença, posição e deslocamento MÓDULO 3 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de nível e velocidade MÓDULO 4 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de gases, pH e aceleração A IMPORTÂNCIA DOS SENSORES NOS PROCESSOS INDUSTRIAIS MÓDULO 1 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de grandezas elétricas, temperatura e vazão MEDIDORES DE GRANDEZAS ELÉTRICAS E SENSORES DE TEMPERATURA, ÓPTICOS E DE VAZÃO MEDIDAS ELÉTRICAS As medições de grandezas elétricas são fundamentais em diversas atividades industriais. O próprio funcionamento dos equipamentos elétricos que compõem a instrumentação depende de fontes de alimentação estáveis, cujos valores de tensão e de corrente fornecidos aos circuitos precisam ser conhecidos e/ou mensuráveis. VOCÊ SABIA Atividades de operação e manutenção em circuitos e instalações elétricas também dependem da correta medição dessas variáveis (tensão e corrente) para uma operação correta e segura. Diversos instrumentos podem ser utilizados nos processos de medição de grandezas elétricas para quantificação desses parâmetros. Veja alguns abaixo: Imagem: Shutterstock.com MULTÍMETROS Imagem: Shutterstock.com GALVANÔMETROS Imagem: Shutterstock.com CONVERSORES Imagem: Shutterstock.com DINAMÔMETROS Imagem: Shutterstock.com OHMÍMETROS Tais instrumentos estão entre as ferramentas mais utilizadas e cada um pode apresentar um princípio de funcionamento distinto que varia com a grandeza mensurada. TENSÃO DC (CORRENTE CONTÍNUA) A medição da intensidade da tensão DC pode ser baseada no princípio da força magnética, que descreve a relação entre: Força magnética Campo magnético. Cargas elétricas móveis Corrente elétrica. Baseando-se nesse princípio, é possível desenvolver um galvanômetro, que consiste principalmente em uma bobina móvel — também conhecida como bobina móvel de D’Arsonval. Ela possui uma agulha (ponteiro) que se move com a intensidade da corrente elétrica contínua aplicada. Imagem: Paulo Godoy Figura 1 – Galvanômetro (bobina móvel de D’Arsonval). A corrente contínua — proporcional à tensão contínua aplicada — interage com o campo magnético (ímã) e provoca a movimentação da agulha de maneira proporcional. ATENÇÃO A unidade da tensão elétrica é o volt (V). CORRENTE DC (CORRENTE CONTÍNUA) O método mais utilizado é a partir da resistência de shunt (Rshunt). Nesse método, um divisor de corrente é utilizado de maneira que a quase totalidade da corrente passe pela resistência de shunt. Imagem: Paulo Godoy Figura 2 – Medidor de corrente DC. Um galvanômetro (Medidor de tensão DC.) é utilizado para medir a tensão. A determinação da corrente que passa pela resistência de shunt é feita por meio da Lei de Ohm. (1) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que é a corrente (A), é a tensão (V) e é a resistência (Ω). ATENÇÃO A unidade da corrente elétrica é o Ampére (A). TENSÃO AC (CORRENTE ALTERNADA) A medição de tensões AC funciona basicamente com o mesmo circuito de medição de tensão DC. Utiliza-se um circuito retificador (Capaz de converter a tensão AC em DC. ) e mede-se a tensão DC com o uso do galvanômetro. Imagem: Paulo Godoy. Figura 3 – Medidor de tensão AC. A tensão medida equivale ao valor eficaz da tensão AC, dado pela Equação 2: Vgalvanômetro = Rshunt ⋅ Ishunt Ishunt = Vgalvanômetro Rshunt Ishunt Vgalvanômetro Rshunt (2) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Em que é a tensão máxima do sinal AC (V) e é o valor eficaz da tensão AC (V). ATENÇÃO A unidade da tensão elétrica é o volt (V). POTÊNCIA DC (CORRENTE CONTÍNUA) A potência DC é a quantidade de trabalho realizado por unidade de tempo. A potência é calculada a partir da Equação 3: (3) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Na qual P é a potência em Watt (W), V é a tensão em Volts (V) e I é a corrente em Ampères (A). Assim, a potência DC é medida utilizando-se um medidor de corrente DC e um medidor de tensão DC: Veficaz= Vmáximo √2 Vmáximo Veficaz P = V . I Imagem: Paulo Godoy Figura 4 – Medidor de potência DC. ATENÇÃO A unidade da potência elétrica é o Watt (W). MEDIÇÃO DE TEMPERATURA Por definição, temperatura é o grau de agitação das moléculas de um corpo. Quanto mais agitadas, maior é sua temperatura. Porém, não é possível realizar diretamente a medição do grau de agitação das moléculas que compõem um corpo. Desse modo, a temperatura é uma grandeza de medição indireta, ou seja, é realizada a medição de outra variável que esteja intrinsicamente relacionada com a temperatura do corpo. EXEMPLO Existem instrumentos cuja resistência elétrica varia com a temperatura de maneira bem definida. Outros apresentam variações em suas dimensões (dilatação) com variação da temperatura. Neste módulo serão detalhados alguns dos instrumentos mais utilizados na indústria para a medição da temperatura. ATENÇÃO A unidade da temperatura utilizada será o Kelvin (K). TERMÔMETRO BIMETÁLICO O termômetro bimetálico é, basicamente, constituído por duas lâminas metálicas que possuem coeficientes de dilatação diferentes. Essas lâminas são fixadas juntas, de modo que a deformação de uma é refletida na outra: imagem: Paulo Godoy Figura 5 – Termômetro bimetálico. Conforme os metais apresentam coeficientes de dilatação diferentes, uma variação na temperatura resultará em uma maior deformação no metal com maior coeficiente de dilatação. Essa deformação levará a uma curvatura das lâminas. imagem: Paulo Godoy Figura 6 – Dilatação do termômetro bimetálico. A curvatura é utilizada para implementar termômetros por dilatação, que podem ser dos tipos: Helicoidal espiral Linear (cantilever) imagem: Paulo Godoy Figura 7 – Termômetro bimetálico espiral. O outro metal, com coeficiente de dilatação linear menor, serve como mola trazendo os dois metais para a situação de repouso com redução da temperatura. TERMORRESISTORES Os termorresistores são dispositivos essencialmente metálicos que apresentam coeficientes muito sensíveis de variação da resistência com a temperatura. Suas resistências variam de maneira significativa com as mudanças na temperatura, possibilitando seu uso na medição das variações dessa grandeza física. A relação da variação da resistência dos termorresistores com a temperatura é descrita pela equação a seguir: (4) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Na qual Rt é a resistência em ohms do dispositivo à uma temperatura T (oC); Ro é a resistência em ohms à uma temperatura de referência; DICA Tais dados são fornecidos pelo fabricante da termorresistência especificada. A medição da termorresistência é, normalmente, realizada com um circuito do tipo Ponte de Wheatstone. TERMISTORES Alguns dispositivos semicondutores apresentam variações exponenciais em suas resistências com a temperatura, dentre eles os óxidos metálicos (cromo, ferro, manganês, entre outros). Os termistores do tipo NTC apresentam uma resistência decrescente com o aumento da temperatura: Rt = R0 . (1 + αT + βT 2 + … + γT 3) (5) Atenção! Para visualização completada equação utilize a rolagem horizontal Na qual Ro é a resistência em ohms, à uma temperatura de referência em Kelvin, T é a temperatura absoluta em Kelvin (K) e β é a constante do termistor. TERMOPARES Os termopares são dispositivos que desenvolvem um potencial elétrico proporcional a uma diferença de temperatura entre as junções metálicas do instrumento. SAIBA MAIS Os termopares apresentam uma larga faixa de edição (-270 até 2.700 oC), além de serem baratos e de fácil construção. A junção de dois metais diferentes apresenta uma diferença de potencial que depende dos metais utilizados e da temperatura da junção (Figura 7). Essencialmente, um termopar é composto de dois fios de metais distintos soldados em uma extremidade (junção bimetálica ou junta quente). RNTC = R0e ( )β T Imagem: Paulo Godoy Figura 7 – Termopar. Na prática, a utilização do termopar é feita com uma junção de referência (junta a frio) que serve como modelo para a variação da temperatura da junta quente. A junta a frio é mantida a uma temperatura de referência (0 oC) e a junta quente é exposta ao ambiente onde deseja-se determinar a temperatura, conforme a figura abaixo: Imagem: Paulo Godoy Figura 8 – Termopar: juntas a frio e quente. Quando a temperatura é igual nas duas junções, o potencial produzido é zero. Quando a temperatura entre as duas junções é diferente, um potencial elétrico é formado entre os pontos A e B. UMA FORMA USUAL DE UTILIZAR UM TERMOPAR É POR MEIO DE UM BLOCO ISOTÉRMICO, CUJA TEMPERATURA VARIA DE MANEIRA UNIFORME COM A TEMPERATURA AMBIENTE. O TERMOPAR É INSTALADO NESSE BLOCO E A MEDIÇÃO DE SUA TEMPERATURA É REALIZADA A PARTIR DE UM SENSOR TÉRMICO (TERMISTOR, TERMORRESISTÊNCIA ETC.). As medições da temperatura do sensor térmico são inseridas em um circuito de compensação que realiza subtração dessa medição da temperatura total medida, permitindo que apenas a temperatura do termopar seja registrada. Imagem: Paulo Godoy Figura 9 – Termopar: bloco de compensação. SAIBA MAIS Alguns dispositivos semicondutores (diodos e transistores) apresentam características que mudam com a variação da temperatura, podendo assim serem utilizados para medição da temperatura. São exemplos: os diodos 1N4148, 1N914; e os sensores de temperatura, como o LM 35, que são circuitos integrados com boa precisão. ELEMENTOS ÓPTICOS E FOTOSSENSÍVEIS Alguns materiais apresentam características fotossensíveis ou propriedades ópticas que possibilitam seu uso como transdutores, permitindo a conversão de fótons (luz) em sinais elétricos. Outro tipo de sensor óptico funciona com um sinal de luz gerado por um diodo emissor de luz (LED (Light Emitting Diode) ), no papel de transmissor, e com um receptor sensível ao sinal de luz do transmissor. Como o sinal gerado possui uma frequência específica, o receptor apresenta um filtro que só considera sinais com a mesma frequência. CÉLULAS FOTOCONDUTORAS As propriedades físicas dos materiais utilizados nessas células permitem que, por meio da sensibilidade à incidência da luz, a condutividade desses materiais aumente e a resistência diminua. Imagem: Paulo Godoy Figura 10 – Célula fotocondutora. FOTOACOPLADOR Um dispositivo fotoacoplador é formado por um diodo emissor de luz (emissor de fótons) e um dispositivo detector de luz. Dessa maneira, esse dispositivo, quando acionado, emite um feixe de luz que é detectado pelo fotodetector, gerando um sinal na saída. Imagem: Paulo Godoy Figura 11 – Fotoacoplador. O FOTOACOPLADOR PERMITE UM ISOLAMENTO MECÂNICO E ELÉTRICO ENTRE CIRCUITOS, TENDO EM VISTA QUE O CIRCUITO RESPONSÁVEL PELO ACIONAMENTO DO EMISSOR DE LUZ NÃO APRESENTA CONTATO MECÂNICO OU ELÉTRICO COM O CIRCUITO CONECTADO AO FOTODETECTOR SENSOR RETRORREFLEXIVO Dispositivo montado com um emissor e um receptor na mesma base ou em bases diametralmente opostas (barreira). O feixe de luz enviado pelo emissor é detectado pelo receptor (detector) após ser refletido por uma superfície refletora, até que o feixe de luz seja interrompido por um objeto. Imagem: Paulo Godoy Figura 12 – Retrorreflexivo: (A) bases individuais e (B) mesma base (barreira). SAIBA MAIS Quando o transmissor e o receptor são montados em bases opostas, o sensor retrorreflexivo recebe o nome de barreira e quando essa barreira é quebrada (o feixe de luz é interrompido) o sensor é acionado. SENSOR DIFUSO Um emissor e um receptor são montados na mesma base. A luz enviada pelo emissor cria uma “região ativa” na qual, na presença de um objeto, a luz é refletida e detectada pelo receptor. Imagem: Paulo Godoy Figura 13 – Sensor difuso. FIBRAS ÓPTICAS Fibras ópticas são fios capilares formados por dois materiais cristalinos e homogêneos. O centro da fibra óptica recebe o nome de núcleo e a camada externa recebe o nome de casca (Figura 14). Os materiais do núcleo e da casca possuem índices de refração calculados de maneira a permitirem reflexão total da luz incidente no interior da fibra, segundo a Lei de Snell- Descartes. SAIBA MAIS Uma das vantagens das fibras ópticas é a imunidade a ruídos externos, tendo em vista que a informação no interior das fibras propaga-se como luz. Imagem: Paulo Godoy Figura 14 – Fibra óptica. A utilização da fibra óptica na instrumentação é baseada na emissão de um sinal de uma fonte de luz e na detecção do sinal luminoso a partir de um foto detector. O sinal luminoso é modulado (em fase, frequência ou cor) pela variável a ser detectada. Imagem: Paulo Godoy Figura 15 – Funcionamento da fibra óptica A utilização de fibras ópticas para detecção de temperatura é um exemplo. Uma máscara (rede Bragg), que consiste em um pedaço da fibra com determinado padrão, é fixada em uma placa de metal capaz de se dilatar e contrair com a variação da temperatura (Figura 16). Essa mudança no comprimento da placa de metal promove uma mudança no comprimento de onda detectado pelo foto detector, proporcional à mudança na temperatura. Imagem: Paulo Godoy Figura 16 – Funcionamento da fibra óptica. SAIBA MAIS Outra vantagem na utilização das fibras ópticas é a imunidade a ruídos elétricos que, em geral, afetam os instrumentos baseados em grandezas elétricas. MEDIDAS DE VAZÃO O volume de um fluido (líquido ou gasoso) ou a quantidade de massa de um sólido em uma unidade de tempo é denominada “vazão”, que pode ser: Vazão volumétrica Quando essa quantidade se refere ao volume de um líquido ou um gás. Vazão mássica Quando essa quantidade está relacionada à quantidade de massa de um sólido. A vazão é uma variável de grande importância para os processos industriais e pode ser utilizada na determinação da quantidade e do volume de uma variável do processo. ATENÇÃO A unidade da vazão é a unidade do volume ou da massa que se está medindo, dividida pela unidade de tempo considerada, podendo ser: m3/h, L/minuto, kg/h, entre outras. VAZÃO VOLUMÉTRICA A determinação da vazão volumétrica é feita de maneira indireta, ou seja, por meio da medição de outra grandeza física que possibilita o cálculo da vazão. DIFERENÇA DA PRESSÃO Uma das maneiras mais usuais de se calcular a vazão volumétrica é através da medição da pressão diferencial. Uma diferença de pressão em um trecho da tubulação por onde o fluido passa é provocada pelo elemento primário do sensor de maneira a possibilitar o cálculo da vazão. Entre os sensores mais utilizados temos: PLACA DE ORIFÍCIO Consiste em um disco posicionado de maneira a restringir a área de passagem do fluido dentro da tubulação. Imagem: Paulo Godoy Figura 17 – Placa de orifício. A placa de orifício pode ser concêntrica, excêntrica ou segmentar, dependendo da aplicação. A determinação da vazão com as placas de orifício é definida pela equação a seguir: (6) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Na qual α é o coeficiente geométrico do sistema, A é área do orifício (m2) e ρ é a densidadedo fluido (N/m3). TUBO DE PITOT É um dispositivo paralelo e perpendicular à direção do fluxo, que fornece a velocidade do fluxo pela diferença entre as pressões total (PT) e estática (PS). Q = α ⋅ A ⋅ √ ⋅(P1 − P2)2ρ Imagem: Paulo Godoy Figura 18 – Tubo de Pitot. A determinação da velocidade, em m/s, do fluido é definida pela equação: (7) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Na qual ξ é o coeficiente experimental entre 0,98 e 0,99. ROTÂMETRO Consiste basicamente em um dispositivo flutuador colocado em um tubo com área variável. O fluxo na direção vertical posiciona o flutuador em uma altura de equilíbrio, que é proporcional à vazão volumétrica. ν = ξ ⋅ √ ⋅(PT − PS)2ρ Imagem: Paulo Godoy Figura 19 – Rotâmetro. A determinação da vazão volumétrica é definida pela equação: (8) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Na qual é uma constante que depende do coeficiente de descarga, At é a área da seção do tubo e Af é a área do flutuador. VOCÊ SABIA Existem outras formas de medição da vazão como: o tubo de Venturi, o Vórtex, a turbina, a hélice, o ultrassom e o sensor eletromagnético. Cada qual com suas particularidades (Veja nas referências). Q = k ⋅(At − Af) k VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. O INSTRUMENTO PARA MEDIÇÃO DA TEMPERATURA QUE CONSISTE EM DUAS LÂMINAS METÁLICAS SOLIDÁRIAS E COM COEFICIENTES DE DILATAÇÃO DIFERENTES É DENOMINADO: A) Termopar B) Termorresistência C) Termistores D) Termômetro bimetálico E) NTC 2. OS SENSORES SENSÍVEIS À INCIDÊNCIA DA LUZ E CUJA RESISTÊNCIA VARIA COM A INTENSIDADE LUMINOSA SÃO CHAMADOS DE: A) Células fotocondutoras B) Fotoacopladores C) Fibras ópticas D) Fotodetectores E) Diodo emissor de luz GABARITO 1. O instrumento para medição da temperatura que consiste em duas lâminas metálicas solidárias e com coeficientes de dilatação diferentes é denominado: A alternativa "D " está correta. Os termômetros bimetálicos são constituídos por duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação diferentes e soldadas juntas de maneira solidária. 2. Os sensores sensíveis à incidência da luz e cuja resistência varia com a intensidade luminosa são chamados de: A alternativa "A " está correta. As células fotocondutoras são resistores sensíveis à incidência da luz, cuja intensidade luminosa aumenta a condutividade (reduz a resistência). MÓDULO 2 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de pressão e força, presença, posição e deslocamento SENSORES DE FORÇA, PRESSÃO, PRESENÇA E DESLOCAMENTO MEDIÇÃO DE GRANDEZAS MECÂNICAS A medição de grandezas mecânicas consiste, basicamente, em monitorar a variável mecânica (força, velocidade, deslocamento etc.) e transformá-la em uma grandeza elétrica (tensão, corrente, resistência etc.). FORÇA A força é definida, essencialmente, como o produto entre a massa e a aceleração (Segunda Lei de Newton): (9) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Na qual F é a força em Newton (N), m é a massa em kg e a é a aceleração . F = m ⋅ a (m/s2 ) De maneira similar, temos a força peso e o produto entre a massa e a aceleração gravitacional: (10) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Na qual é a força peso (kg.F), m é a massa em kg e g é a aceleração da gravidade . ATENÇÃO A unidade do peso é o Newton (N). BALANÇA DE BRAÇOS IGUAIS Essa balança utiliza em seu funcionamento o princípio do momento de uma força (ou torque). O momento de uma força é determinado pela equação a seguir: (11) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Na qual M é o momento da força , F é a força em Newton (N) e d é a distância em relação a um ponto de referência (m). A balança é formada por uma haste rígida apoiada em um pivô central, conforme a figura abaixo: W = m ⋅ g W (m/s2 ) M = F ⋅ d F(N ⋅ m) Imagem: Paulo Godoy Figura 20 – Balança de braços iguais. O FUNCIONAMENTO DESSA BALANÇA SE DÁ PELO EQUILÍBRIO DE FORÇAS. QUANDO O MOMENTO PRODUZIDO PELA FORÇA CONHECIDA E O MOMENTO CONHECIDO PELA FORÇA DESCONHECIDA SÃO IGUAIS, O VALOR DA MASSA DESCONHECIDA (MD) PODE SER CALCULADO PELA PRÓXIMA EQUAÇÃO. md ⋅ g ⋅ d = mc ⋅ g ⋅ d md = mc (12) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal ATENÇÃO O que se está medindo com a balança é a massa do corpo, embora esteja sob ação da aceleração da gravidade e, assim, relacionada à força peso. STRAIN GAUGES Os strain gauges são resistências cuja resistividade elétrica varia com a aplicação de uma força sobre elas. Imagem: Paulo Godoy Figura 21 – Strain gauge. Tal resistência pode ser montada sob uma plataforma e a variação na resistência elétrica do strain gauge pode ser medida com a utilização de uma Ponte de Wheatstone. Imagem: Paulo Godoy Figura 22 – Balança com strain gauge. MEDIDAS DE PRESSÃO De maneira simplificada, a pressão pode ser definida como a aplicação de uma força normal (perpendicular ao plano) sobre determinada superfície. RESUMINDO Pressão é a razão entre a força aplicada e a área na qual essa força é aplicada. Considerando-se, então, forças de mesma intensidade, quanto menor for a área na qual a força será exercida, maior será a pressão aplicada. Ao aplicar-se uma força (F) de maneira perpendicular sobre uma área (A), a pressão pode ser calculada pela seguinte equação: (13) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A pressão sobre um corpo é medida em Pascal (Pa), definida como Newton por metro quadrado (N/m2). Ela pode ser dividida em: Pressão absoluta P = F A Medida em relação ao vácuo (pressão zero). Pressão manométrica Medida em relação à pressão atmosférica. Pressão negativa Pressão abaixo da pressão atmosférica e acima do vácuo. Pressão diferencial Diferença de pressão entre dois pontos. VOCÊ SABIA Pressão atmosférica é aquela exercida sobre todas as coisas na superfície do planeta pelo peso da coluna de ar que forma a atmosfera da Terra. Por esse motivo, ao nível do mar a pressão é maior do que no alto de uma montanha, visto que a coluna de ar também é maior. MANÔMETRO TIPO U O manômetro do tipo U permite a determinação da diferença de pressão entre dois pontos. Imagem: Paulo Godoy Figura 23 – Manômetro do tipo U. A EQUAÇÃO A SEGUIR É CHAMADA DE EQUAÇÃO DE BERNOULLI: (14) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal A equação de Bernoulli descreve o comportamento de fluidos em movimento no interior de um tubo. Para o caso de fluidos estáticos, ela pode ser simplificada para: p + ρ ⋅ + ρ ⋅ g ⋅ h = constanteν 2 2 p + ρ ⋅ g ⋅ h = constante (15) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Assim, na Figura 23, a pressão no ponto A é dada por: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal E, no ponto B: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal Igualando-se as duas equações, obtém-se: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal (16) Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal pA + ρ ⋅ g ⋅ hA = constante pB + ρ ⋅ g ⋅ hB = constante pA + ρ ⋅ g ⋅ hA = pB + ρ ⋅ g ⋅ hB pA − pB = ρ ⋅ g ⋅(hB − hA) Δh = Δp ρ⋅g Desse modo, pela Equação 16, a diferença de pressão entre os dois pontos pode ser calculada pela diferença de altura (H) entre as colunas do manômetro U. ELEMENTOS ELÁSTICOS Os elementos elásticos são dispositivos que permitem a medição da pressão a partir da deformação de estruturas elásticas, como os instrumentos do tipo Bourdon. TAIS DISPOSITIVOS APRESENTAM ESTRUTURAS COM FORMATOS DISTINTOS (TIPO C, ESPIRAL E HELICOIDAL), QUE SE DEFORMAM COM O AUMENTO DA PRESSÃO EM SUAS ENTRADAS. QUANTO MAIOR A PRESSÃO, MAIOR É A DEFORMAÇÃO.QUANDO A PRESSÃO É REDUZIDA, AS ESTRUTURAS RETORNAM AO SEU FORMATO ORIGINAL. Na figura abaixo é possível observar dois tipos de manômetros Bourdon: a) espiral e b) Tipo – C. No manômetro Tipo – C, com o aumento da pressão, o arco em formato de C se deforma (se abre); quando a pressão é reduzida, o arco volta ao formato original. Imagem: Paulo Godoy Figura 24 – Manômetro do tipo Bourdon: a) espiral e b) Tipo – C. MANÔMETRO TIPO MEMBRANA OU DIAFRAGMA Instrumento utilizado na medição da pressão constituído por um disco de material elástico fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. A membrana se desloca de forma proporcional à pressão aplicada. MANÔMETRO TIPO FOLE Também utilizado na medição de pressão, ele é basicamente um cilindro metálico com o formato de uma sanfona. Quando uma pressão é aplicada no interior do fole do manômetro, ela provoca sua distensão. Essa distensão se opõe à força de uma mola e o deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna. Imagem: Paulo Godoy Figura 25 - Manômetro do tipo Fole. SENSORES DE PRESENÇA Os sensores de presença são utilizados na detecção de objetos, pessoas e animais em determinado local. Sua utilização vai de sistemas de vigilância, detecção de pessoas não autorizadas dentro de locais, até em segurança operacional e processo produtivo. SENSOR INFRAVERMELHO O sensor infravermelho pode ser ativo ou passivo. Sensor infravermelho ativo Funciona com um emissor (transmissor) e um receptor instalados em bases opostas, criando uma barreira luminosa entre eles. Quando o feixe é interrompido, o sensor é acionado. Sensor infravermelho passivo É formado apenas por um receptor com sensibilidade ajustável. Quando algum feixe infravermelho é detectado por esse receptor, o alarme dispara. SENSOR ULTRASSÔNICO Esse tipo de sensor funciona emitindo sinais ultrassônicos (Sinais com frequência muito elevada. ) a partir de um emissor. Um receptor ultrassônico recebe esse sinal quando refletido em um objeto: Imagem: Paulo Godoy Figura 26 –Sensor ultrassônico. SENSOR INDUTIVO São sensores de proximidade sem necessidade de contato, porque um campo magnético é produzido por um sinal de alta frequência, produzido por um oscilador e uma bobina. A presença de um corpo condutor metálico altera o campo magnético gerado e essa alteração é detectada pelo sensor. Imagem: Paulo Godoy Figura 27 - Sensor indutivo. VOCÊ SABIA Quando dois ou mais sensores indutivos forem instalados em um mesmo local, é necessário manter uma distância entre eles para evitar interferências. SENSORES CAPACITIVOS São similares aos sensores indutivos, entretanto, no lugar de um campo magnético apresentam um campo elétrico. As alterações nesse campo elétrico são percebidas pelo sensor. SENSORES DE POSIÇÃO Essencialmente são dispositivos que convertem a posição de um objeto em um sinal elétrico. Alguns exemplos são: CHAVE LIMITADORA Consiste em um contato elétrico simples. O contato se mantém fechado enquanto o objeto está encostado na chave e o contato se abre quando o objeto se afasta o suficiente. SENSOR RESISTIVO DO TIPO POTENCIÔMETRO Esse sensor consiste em uma resistência que varia com a mudança na posição do objeto.. SENSOR DE DESLOCAMENTO Dentre os sensores de deslocamento mais comuns estão os encoders, que podem ser lineares ou rotativos: Imagem: Paulo Godoy Figura 28 – Encoders: (A) linear e (B) angular. Quanto ao funcionamento, podem ser incrementais ou absolutos. Incrementais Indicam o deslocamento a partir da contagem de pulsos em relação a um ponto inicial de referência. Absolutos Fornecem determinada palavra (conjunto de bits) para cada posição. Os encoders convertem deslocamento linear ou angular em trens de pulsos ou bits. VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. UM SENSOR DE FORÇA CUJO PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO CONSISTE NA VARIAÇÃO DE UMA RESISTÊNCIA ELÉTRICA COM A APLICAÇÃO DE UMA FORÇA SOBRE ELE É DENOMINADO: A) Balança de braços iguais B) Strain gauge C) Manômetro D) Espiral E) Helicoidal 2. O SENSOR DE PRESENÇA QUE FUNCIONA COM A DETECÇÃO DE SINAIS ULTRASSÔNICOS ENVIADOS POR UM EMISSOR RECEBE O NOME DE: A) Infravermelho B) Indutivo C) Capacitivo D) Ultrassônico E) Barreira GABARITO 1. Um sensor de força cujo princípio de funcionamento consiste na variação de uma resistência elétrica com a aplicação de uma força sobre ele é denominado: A alternativa "B " está correta. Os strain gauges são resistências cuja resistividade elétrica varia de acordo com a aplicação de uma força sobre elas. 2. O sensor de presença que funciona com a detecção de sinais ultrassônicos enviados por um emissor recebe o nome de: A alternativa "D " está correta. O sensor ultrassônico funciona emitindo sinais ultrassônicos (sinais com frequência muito elevada) a partir de um emissor. Um receptor ultrassônico recebe esse sinal quando refletido em um objeto. MÓDULO 3 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de nível e velocidade SENSORES DE NÍVEL E VELOCIDADE MEDIDORES DE NÍVEL A medição de nível é uma das mais importantes do meio industrial. Sistemas para medição de nível podem ser muito simples ou extremamente complexos, além de permitirem monitoramento local ou remoto. Os métodos de medição de nível dividem-se em: Direta Indireta Descontínua MEDIÇÃO DIRETA Nesse método, a medição é realizada a partir da observação direta da posição da variável. RÉGUA OU GABARITO É fundamentalmente uma régua instalada dentro de um reservatório. A posição do nível do fluido nessa régua indica o nível do reservatório. Imagem: Paulo Godoy Figura 29 – Régua ou gabarito. VISOR DE NÍVEL O visor de nível é aplicável à monitoração do nível de líquido ou da interface entre dois líquidos imiscíveis. Esse instrumento funciona com o princípio dos vasos comunicantes. Nesse tipo de instrumento, um tubo transparente é colocado a partir da base do reservatório até o seu ponto mais alto, permitindo a leitura precisa do nível do líquido, mesmo para altas pressões. Imagem: Paulo Godoy Figura 30 – Visor de nível. FLUTUADOR Esse medidor indica o nível dentro de um tanque a partir da movimentação de subida ou descida do fluido. A medição do nível é feita por meio de uma boia ou flutuador ligado por um cabo a um indicador de nível do tanque (escala). Imagem: Paulo Godoy Figura 30 – Visor de nível. Vale destacar que a escala do tanque é invertida (o zero da escala coincide com o topo do tanque), isso se deve à construção do instrumento. Quando a boia desce, o nível abaixa e o indicador na escala sobe. MEDIÇÃO INDIRETA Nesse método, a medição do nível é realizada a partir da medição de outra variável intrinsicamente relacionada ao nível, como a pressão. EMPUXO Esse tipo de medidor utiliza em seu funcionamento o princípio do empuxo de Arquimedes, que é a força exercida pelo fluido em um corpo submerso ou flutuante. A força empuxo sobre um flutuador é transmitida para um indicador instalado no tanque. Imagem: Paulo Godoy Figura 32 – Empuxo. PRESSÃO DIFERENCIAL Esse tipo de instrumento permite a medição do nível a partir das medições da pressão de “alta” e de “baixa” do tanque. A pressão de “alta” é a pressão na base do tanque exercida pela coluna de fluido dentro dele. A pressão de “baixa” é a pressão no topo do tanque. Se ele estiver aberto, a pressão de “baixa” é igual à pressão atmosférica. Imagem: Paulo Godoy Figura 33 – Pressão diferencial. A determinação do nível (Δh) é feita a partir da mesma Equação 16 do manômetro tipo U: Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal BORBULHADOR Tal medidor utiliza a injeção de gás de instrumentação (gás inerte) ou ar de instrumentação no interior do tanque, cujo nível se deseja mensurar. A pressão de ar ou gás é aumentada até que bolhas do ar (gás) sejam observadas na superfície dolíquido (Figura 34). O processo de medição é baseado no seguinte princípio: para que o ar escape (as bolhas surjam na superfície) é necessário que a pressão de injeção seja igual à pressão no interior do tanque. Δh = Δp ρ⋅g Imagem: Paulo Godoy Figura 34 – Borbulhador. MEDIDOR DE NÍVEL CAPACITIVO O medidor capacitivo de nível utiliza uma sonda (eletrodo) submersa no tanque e a capacitância entre as paredes do tanque e a sonda são mensuradas. O nível do fluido dentro do tanque altera o valor da capacitância. Quanto maior o nível, maior é a capacitância. Imagem: Paulo Godoy Figura 35 – Capacitivo. Outra topologia para o medidor de nível capacitivo é apresentada na figura a seguir. A sonda capacitiva forma um capacitor de placas paralelas com a superfície do líquido. Quanto mais elevado o nível, maior será a capacitância. Imagem: Paulo Godoy Figura 36 – Capacitivo: placas paralelas. MEDIDOR DE NÍVEL ULTRASSÔNICO Esse medidor de nível funciona com o mesmo princípio do sensor de presença ultrassônico. A emissão de sinais de alta frequência do sensor de nível é utilizada para detecção do nível de fluidos ou sólidos dentro de um tanque. A emissão e a detecção do sinal são realizadas pelo sensor de nível ultrassônico (Figura 37). As ondas ultrassônicas são geradas pelo sensor, refletem-se na superfície do fluido ou sólido armazenados dentro do tanque e são detectadas pelo mesmo sensor. O tempo necessário para o deslocamento das ondas permite a determinação da distância percorrida por elas e, consequentemente, do nível dentro do tanque. Imagem: Paulo Godoy Figura 37 – Sensor de nível ultrassônico. SENSOR DE NÍVEL POR RADAR Esse tipo de sensor possui uma antena que emite pulsos eletromagnéticos de alta frequência à superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida pode ser calculada pela diferença de tempo entre a emissão e a recepção do sinal. MEDIÇÃO DESCONTÍNUA A medição descontínua é utilizada para medição do nível em pontos predeterminados (medição descontínua) por meio de sensores pontualmente instalados, como boias e chaves de nível. Essa medição é utilizada fundamentalmente em sistemas de alarmes aplicados em sistemas de segurança e alarmes. MEDIÇÃO DESCONTÍNUA POR ELETRODOS DE CONDUTIVIDADE O medidor por eletrodos de condutividade permite a determinação do nível pela medição da corrente elétrica no amperímetro (A). Uma tensão contínua é fornecida aos eletrodos que estão submersos. Quando o nível do fluido dentro do tanque aumenta, os eletrodos ficam submersos e as resistências ligadas a ele ficam em by-pass (curto-circuito). Isso faz com que a resistência equivalente do circuito diminua (Figura 38). Pela 1a Lei de Ohm (Equação 1 – Medidas Elétricas – Corrente DC) a relação entre a resistência e a corrente é inversamente proporcional, ou seja, quando a resistência reduz, a corrente aumenta. Assim, medindo-se a corrente é possível estimar se o nível do tanque aumentou ou diminuiu internamente. Imagem: Paulo Godoy Figura 38 – Medidor por eletrodos. MEDIÇÃO DESCONTÍNUA POR BOIA A utilização dos medidores do tipo boia permite a detecção do nível de líquidos dentro de tanques quando atingem determinados pontos de referência preestabelecidos. A boia é ligada a um contato elétrico (que pode ser normalmente aberto ou normalmente fechado) quando o fluido chega até ela (Figura 39). Dessa maneira, a chave da boia fecha ou abre um contato elétrico, dependendo da topologia do circuito utilizado para ligar ou desligar uma bomba ou alarme quando determinado nível é atingido. Imagem: Paulo Godoy Figura 39 – Medidor do tipo boia. MEDIDOR DE VELOCIDADE O sensor de velocidade fornece um sinal em forma de onda com frequência proporcional à velocidade do veículo. Se o veículo se movimenta a uma velocidade relativamente baixa, o sensor produz um sinal de baixa frequência. À medida que a velocidade aumenta, o sensor gera um sinal de frequência maior. Imagem: Paulo Godoy Figura 40 – Medidor de velocidade. VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. A MEDIÇÃO DIRETA DO NÍVEL REALIZADA A PARTIR DA OBSERVAÇÃO DO FLUIDO EM UM TANQUE OU RESERVATÓRIO POR MEIO DE UMA RÉGUA É DENOMINADA: A) Pressão diferencial B) Empuxo C) Visor de nível D) Flutuador E) Régua 2. UM RESERVATÓRIO POSSUI DOIS MEDIDORES DE NÍVEL: PARA LIGAR UMA BOMBA DE ÁGUA QUANDO O NÍVEL ESTÁ BAIXO E OUTRO PARA DESLIGÁ-LA QUANDO O NÍVEL ATINGE UM PONTO CONSIDERADO IDEAL. UM TIPO DE MEDIDOR DESCONTÍNUO DE NÍVEL QUE PODERIA SER UTILIZADO PARA ESSA FINALIDADE SERIA: A) Medidor ultrassônico B) Medidor tipo boia C) Medidor tipo visor de nível D) Medidor tipo radar E) Medidor tipo capacitivo GABARITO 1. A medição direta do nível realizada a partir da observação do fluido em um tanque ou reservatório por meio de uma régua é denominada: A alternativa "E " está correta. A régua ou gabarito consiste basicamente em um instrumento instalado num reservatório ou tanque, que torna possível observar diretamente o seu nível. 2. Um reservatório possui dois medidores de nível: para ligar uma bomba de água quando o nível está baixo e outro para desligá-la quando o nível atinge um ponto considerado ideal. Um tipo de medidor descontínuo de nível que poderia ser utilizado para essa finalidade seria: A alternativa "B " está correta. A utilização dos medidores do tipo boia permite a detecção do nível de líquidos dentro de tanques quando atingem determinados pontos de referência preestabelecidos. A boia é ligada a um contato elétrico (que pode ser normalmente aberto ou normalmente fechado) quando o fluido chega a ela. MÓDULO 4 Descrever o funcionamento dos sensores utilizados nas medições de gases, pH e aceleração SENSORES DE GASES, PH E ACELERAÇÃO SENSORES DE GASES Os sensores de gases são fundamentais nas indústrias para detecção de gases tóxicos e/ou inflamáveis. São de grande importância para a segurança de pessoas, equipamentos e processos. A finalidade desse tipo de sensor é fornecer em sua saída um sinal elétrico que pode ser proporcional à concentração do gás (analógico) ou um sinal único após determinada concentração limiar (digital). Imagem: Paulo Godoy Figura 41 – Medidor de gás: (A) analógico e (B) digital. Há diversos tipos de sensores de gases disponíveis e com tecnologias distintas. Alguns fazem uso de reações eletroquímicas e outros o uso de sensores infravermelhos. SENSORES ELETROQUÍMICOS Os sensores eletroquímicos funcionam com dois eletrodos separados por uma solução chamada de eletrólito. O eletrodo superior é altamente permeável, permitindo a passagem do gás, e o eletrólito é feito com uma solução capaz de reagir com o gás que se deseja medir (Figura 42). Com o aumento da concentração do gás, aumenta a condutividade elétrica da solução e, consequentemente, maior é a corrente que circula entre os dois eletrodos, indicando o aumento da concentração do gás de maneira proporcional. Imagem: Paulo Godoy Figura 42 – Sensor eletroquímico. SENSORES INFRAVERMELHOS Essa família de sensores utiliza em seu princípio de funcionamento a absorção da radiação infravermelha. VOCÊ SABIA A radiação infravermelha é amplamente utilizada na identificação de elementos químicos, pois cada componente possui um comprimento específico de absorção. Isto é, cada componente absorverá um, e apenas um, comprimento de onda. Assim, ao passar um feixe infravermelho por uma amostra de gás, os elementos químicos que compõem a amostra absorvem a luz infravermelha de seus respectivos comprimentos de onda. Dessa maneira, é possível identificar a presença de um gás reconhecendo apenas os comprimentos de onda absorvidos. UTILIZANDO-SE FILTROS ESPECÍFICOS PARA O COMPRIMENTO DE ONDA DO GÁS QUE SE DESEJA DETECTAR, É POSSÍVEL RECONHECER SE A FREQUÊNCIA DAQUELE GÁS FOI ABSORVIDA. CASO POSITIVO, UM SINAL ELÉTRICO É GERADO. SENSOR DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA Esse sensor é específico para gases comcondutividade térmica muito maior do que o ar. Dois eletrodos aquecidos são colocados em duas câmaras diferentes: Uma câmara selada contendo ar está a uma temperatura específica com um eletrodo de referência; a outra câmara permite a entrada do gás, e quanto maior a sua concentração, maior será a condutividade térmica e menor a temperatura do eletrodo. RESUMINDO A diferença de temperatura entre o eletrodo de referência e o eletrodo exposto ao gás é proporcional à sua concentração. SENSORES DE PH Um sensor de pH é formado por um eletrodo conectado a um potenciômetro que converte o valor de potencial do eletrodo em unidades de pH. No momento em que esse eletrodo é submerso na amostra que será analisada, como a água, por exemplo, ele produz milivolts que são transformados para a escala de pH. Esse resultado pode ir de 0 a 14. SAIBA MAIS Quanto mais próximo do zero, mais ácida é a solução. Se, porém, os valores são maiores — mais próximos do 14 — a amostra é mais alcalina. A solução é considerada neutra quando o valor do pH for 7. ACELERÔMETROS Acelerômetros são dispositivos dedicados a medir a aceleração sofrida por um corpo. São muitas as situações nas quais os acelerômetros são aplicados. Existem diversos métodos para a construção de um acelerômetro: Utilizando materiais piezoelétricos Os cristais piezoelétricos, quando são comprimidos por forças como a aceleração, geram um potencial elétrico. Capacitativo A força exercida modifica a distância entre as placas paralelas do capacitor e, consequentemente, sua capacitância equivalente. Veja um exemplo do método capacitativo: Imagem: Paulo Godoy Figura 43 – Funcionamento de um acelerômetro. Os acelerômetros são extensamente utilizados em sistemas de airbags automotivos e celulares (na rotação das telas). VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. OS SENSORES DE GÁS QUE FUNCIONAM COM A REAÇÃO ELETROQUÍMICA ENTRE UM GÁS E UMA SOLUÇÃO ELETROQUÍMICA, POSSIBILITANDO A DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE UM GÁS PELO AUMENTO DA CORRENTE ELÉTRICA SÃO DENOMINADOS: A) Sensores infravermelhos B) Sensores eletroquímicos C) Sensores de condutividade térmica D) Eletrodos E) Eletrólitos 2. O SENSOR QUE PERMITE DETERMINAR SE UMA SOLUÇÃO É ÁCIDA OU NÃO É CHAMADO DE: A) Acelerômetro B) Sensor infravermelho C) Sensor eletroquímico D) Sensor de condutividade térmica E) Sensor de pH GABARITO 1. Os sensores de gás que funcionam com a reação eletroquímica entre um gás e uma solução eletroquímica, possibilitando a determinação da concentração de um gás pelo aumento da corrente elétrica são denominados: A alternativa "B " está correta. Nos sensores eletroquímicos, o aumento da concentração do gás aumenta a condutividade elétrica da solução e, consequentemente, permite que haja maior corrente entre os dois eletrodos, indicando o aumento da concentração do gás de maneira proporcional. 2. O sensor que permite determinar se uma solução é ácida ou não é chamado de: A alternativa "E " está correta. O sensor de pH é submerso em uma solução e produz os milivolts que são transformados para a escala de pH. Quanto mais próximo o resultado do valor zero (0), mais ácida é a solução. CONCLUSÃO CONSIDERAÇÕES FINAIS Apresentamos os sensores para medição de grandezas elétricas e introduzimos os sensores para medição de temperatura, os sensores ópticos e os sensores de vazão. A partir do conteúdo estudado, os conceitos fundamentais sobre o funcionamento desses sensores puderam ser compreendidos. Em seguida, vimos os conceitos básicos dos instrumentos para medição de força e de pressão. Os sensores de presença também foram apresentados, além dos sensores de posição e deslocamento, como os encoders. No terceiro módulo, analisamos os sensores para medição de nível, incluindo os sensores para medição direta, indireta e descontínua. Vimos os sensores para medição da velocidade, largamente utilizados na indústria automotiva. Por fim, estudamos os sensores de gases, amplamente utilizados em sistemas de segurança para proteção operacional e da produção. Os sensores de pH nos permitiram o entendimento sobre a medição do nível de acidez de uma solução, já os acelerômetros nos apresentaram o funcionamento desses sensores responsáveis pela rotação das telas dos celulares e pelo funcionamento de airbags. AVALIAÇÃO DO TEMA: REFERÊNCIAS BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e fundamentos de medidas. Rio de Janeiro: Livros Técnico e Científicos, 2010. BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e fundamentos de medidas. Vol. 2. Rio de Janeiro: Grupo Gen-LTC, 2000. BEGA, E. A. Instrumentação industrial. Rio de Janeiro: Interciência, 2006. CASTELETTI, L. F. Instrumentação industrial. v. 10, 2013. Colégio Politec. Consultado em meio eletrônico em: 10 dez. 2020. FIALHO, A. B. Instrumentação industrial: conceitos, aplicações e análises. São Paulo: Saraiva Educação, 2002. EXPLORE+ Para saber mais sobre os assuntos tratados neste tema, leia o artigo: Desenvolvimento de um dispositivo eletrônico para calibração de sensores de umidade do solo. Engenharia Agrícola. In: Scielo. CONTEUDISTA Paulo Godoy
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