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1 Conceito de Eletrônica Básica, Instrumentos de Medição: Sensor de vazão, velocidade força e pressão Alexsandro Carlos de Oliveira1 Maria Cristina Tagliari Diniz2 1. SPRINT 1.1 Conceito A eletrônica é uma área de conhecimento dedicada ao aproveitamento da eletricidade (em baixas correntes) para diversos tipos de aplicações amplamente presentes no cotidiano das pessoas. O conhecimento em eletrônica básica abrange os princípios que regem a eletricidade; o que é tensão e corrente elétrica, resistência e potência; o funcionamento de componentes como resistores, capacitores, circuitos. Os principais componentes básicos da eletrônica: São eles: resistores, capacitores, indutores, sensores e antenas. São também conhecidos como componentes elétricos. Componentes Ativos: São os que fornecem ganho à corrente, ou as direcionam. Fazem parte desse grupo os diodos, transistores, circuitos integrados, dispositivos opto eletrônicos e fontes de energia. 1.1.1 Componentes Eletrônicos – Conceitos Um componente eletrônico é todo dispositivo conectado a um circuito eletrônico que transmite a corrente elétrica através de um elemento condutor, semicondutor ou no vácuo. São divididos em duas categorias: Componentes Passivos: São aqueles que não aumentam a intensidade da corrente ou tensão do circuito, embora possam retardar a corrente ou armazenar energia elétrica. São eles: resistores, capacitores, indutores, sensores e antenas. São também conhecidos como componentes elétricos. 1 Acadêmico do curso de Engenharia de Controle e Automação e Engenharia Elétrica, Centro Universitário ENIAC. e-mail: acoflorestal@gmail.com 2Professora orientadora dos cursos de Engenharia de Controle e Automação e Engenharia Mecatrônica, Centro Universitário ENIAC. e-mail: maria.diniz@eniac.edu.br. https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_eletr%C3%B4nico https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_eletr%C3%B4nico 2 Componentes Ativos: São os que fornecem ganho à corrente, ou as direcionam. Fazem parte desse grupo os diodos, transistores, circuitos integrados, dispositivos opto eletrônicos e fontes de energia. São também conhecidos como componentes digitais. Outro atributo dos componentes eletrônicos é a polaridade (condição elétrica que determina o sentido, no qual a corrente elétrica tende a circular). Componentes polarizados possuem polos elétricos e, portanto, devem ser colocados no circuito na posição correta. Quando falamos em polos elétricos, não necessariamente significa que são positivos e negativos, mas sim que recebem tensões diferentes. Podemos classificar também os componentes de acordo com o emprego da seguinte forma: Entrada de dados: São usados para fazer a interface homem-máquina. Através deles os usuários podem fornecer dados para o processamento do circuito. Entre eles, podemos relacionar os potenciômetros, os botões, os capacitores, etc. Processamento: Realizam a lógica do circuito. Circuitos integrados, transistores e microcontroladores são o principais componentes dessa categoria. Saída de dados: Exibem o resultado final do processamento. São eles: LEDs, Displays, etc. Componentes de apoio: Realizam a proteção do circuito, bem como ajustam valores elétricos para o seu correto funcionamento. Destacam-se aqui os resistores, fontes de alimentação, diodos, capacitores, etc. Vamos detalhar agora os principais componentes utilizados em circuitos eletrônicos com seus principais valores e quais você deve ter em seu laboratório. 1.2 Conceito de Sensor O termo sensor é utilizado para o elemento que usa um fenômeno natural para sentir a variável que está sendo medida. O termo transdutor é utilizado para o elemento que converte a informação sentida pelo sensor em um sinal detectável – que pode ser elétrico, mecânico, óptico. 3 Um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estímulo ou um sinal. Normalmente, os sensores são aqueles que respondem com um sinal eléctricos um estímulo ou um sinal. Figura 01: Sensor Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Sensor Um sensor é um dispositivo que responde a um estímulo físico ou químico de maneira específica, produzindo um sinal que pode ser transformado em outra grandeza física para fins de medição e/ou monitoramento. Desta forma, o sensor associado a um módulo de transformação do estímulo em uma grandeza pode ser definido como transdutor ou medidor, que converte um tipo de energia em outro, para fins de medição. Os sensores são largamente usados na medicina, indústria, agricultura e robótica como meio de prover informações de processos físicos/químicos/biológicos em substituição à capacidade humana (sentidos humanos) e em apoio ao monitoramento e ao controle desses processos. 1.2 Conceito de Transdutor O transdutor é um dispositivo que transforma um tipo de energia em outro. Ele pode converter, por exemplo, uma magnitude física, como posição, velocidade, temperatura, luz, entre outras, em um sinal elétrico normalizado. Essa propriedade é utilizada principalmente por sensores. Um exemplo de transdutor é o microfone, que transforma energia sonora em sinal elétrico. Outro exemplo é o alto-falante, que funciona de forma inversa ao microfone, convertendo sinais elétricos em energia sonora. https://pt.wikipedia.org/wiki/Dispositivo https://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica https://pt.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica https://pt.wikipedia.org/wiki/Sinal_el%C3%A9trico https://pt.wikipedia.org/wiki/Grandeza_f%C3%ADsica https://pt.wikipedia.org/wiki/Medi%C3%A7%C3%A3o https://pt.wikipedia.org/wiki/Transdutor https://pt.wikipedia.org/wiki/Energia https://pt.wikipedia.org/wiki/Medicina https://pt.wikipedia.org/wiki/Rob%C3%B3tica https://pt.wikipedia.org/wiki/Sentidos 4 Muitas vezes os transdutores e os sensores são tratados como se tivessem a mesma função, mas, na verdade, eles têm papéis diferentes. O sensor detecta uma variável física, que pode ser a pressão, a temperatura ou a intensidade de uma força, e o transdutor transforma essa medida em uma grandeza fácil de ser medida. Ele transforma um sinal de temperatura em um sinal elétrico, por exemplo. Apesar de não serem o mesmo dispositivo, muitas vezes os transdutores e os sensores podem vir integrados, por isso acabam sendo chamados apenas como transdutores. Os transdutores podem ser classificados como: • Ativos: geram um sinal elétrico em resposta a um estímulo e não precisam receber energia externa para produzir um sinal de saída; Figura 02: Esquema de funcionamento de transdutor ativo Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/transdutor.htm • Passivos: precisam ser excitados por uma fonte externa de energia para produzir um sinal de saída; Figura 03: "Esquema de funcionamento de transdutor passivo Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/transdutor.htm 5 O transdutor é um dispositivo que transforma um tipo de energia em outro. Ele pode converter, por exemplo, uma magnitude física, como posição, velocidade, temperatura, luz, entre outras, em um sinal elétrico normalizado. Essa propriedade é utilizada principalmente por sensores. • Simples: Quando a transdução é feita em apenas um estágio, como é o caso de um sensor de posição que produz uma variação de tensão elétrica na presença de um material magnético; • Compostos: quando a transdução é feita em vários estágios entre o sinal de entrada e o de saída da magnitude física, que, por sua vez, é transformada em grandezas intermediárias durante o processo. 2. SPRINT 2.1 Sensor de Vazão Um sensor de vazão é um dispositivo projetado para medir a taxa de fluxo de um fluido (líquido ou gás) que passa por um ponto específico em um sistema. Existem diversos tipos de sensores de vazão, como sensores de turbina, sensores de efeito Coriólis, sensores de ultrassom, entre outros. Eles geralmente medema velocidade ou a pressão do fluido e se convertem em uma leitura de vazão. Os sensores de vazão são amplamente usados em sistemas de controle de processos industriais, sistemas de monitoramento ambiental, medição de fluxo de líquidos em sistemas de abastecimento de água, medição de fluxo de ar em HVAC e muito mais. 2.2 Sensor de Velocidade Um sensor de velocidade é um dispositivo que mede a velocidade de um objeto em movimento, seja linear ou angular. Esses sensores podem usar vários princípios de medição, como medição do tempo entre pontos em um objeto em movimento (sensores de encoder), medição de alterações na frequência do sinal refletido por um objeto (sensores de ultrassom ou radar), ou medição de variações na resistência elétrica (sensores de velocidade Hall). 6 Os sensores de medição de alterações na frequência do sinal refletido por um objeto (sensores de ultrassom ou radar), ou medição de variações na resistência elétrica (sensores de velocidade Hall). 2.3 Principais tipos de medidores de vazão Os medidores de vazão são ferramentas que obtêm a medida de vazão de determinada substância, como seu próprio nome sugere. As medidas utilizam diversos princípios físicos, e dessa forma, podem ser efetuadas as medidas de muitas maneiras. A vazão é uma medida de grande importância para a indústria e impacta diretamente em questões produtivas, como a qualidade. Ao falarmos desta medida, estamos nos referindo ao tempo que um determinado fluido leva para escoar em um sistema. Como há matérias-primas e uma grande variedade de produtos em jogo, medir a vazão de modo preciso é uma necessidade frequente. É por conta disso que foram desenvolvidos equipamentos específicos para determinar o grau de escoamento: os medidores de vazão. Figura 04: Tipos de medidores de vazão Fonte: https://www.conaut.com.br/blog • Medidor de Vazão Eletromagnético • Medidor de Vazão de área variável (Rotâmetro) • Medidor de Vazão Ultrassônico • Medidor de Vazão mássica Coriólis • Medidor de Vazão Vórtex 7 3. SPRINT 3.1 Sensor de Proximidade Conceito: Um sensor de proximidade é um dispositivo que detecta a presença ou a proximidade de objetos, pessoas ou materiais sem a necessidade de contato físico direto. Ele emite um sinal quando um objeto está dentro de sua zona de detecção. Figura 05: Sensor de proximidade Infravermelho Fonte: https://www.elegraz.com.br Exemplos de tipos: • Sensor de Infravermelho Passivo (PIR): Detecta a radiação infravermelha emitida por objetos em movimento, comumente usados em sistemas de segurança. • Sensor Ultrassônico: Utiliza ondas sonoras de alta frequência para medir a distância até um objeto, frequentemente aplicado em sistemas de automação. • Sensor Capacitivo: Detecta objetos com base nas mudanças na capacitância, usado em telas sensíveis ao toque e detecção de nível de líquidos. • Sensor Indutivo: Detecta objetos metálicos através de variações no campo magnético, com aplicações na indústria. • Sensor de Reflexão Óptica: Emite luz e detecta seu reflexo em um objeto para determinar a proximidade, utilizado em impressoras e sistemas de automação. 8 3.2 Sensor de Umidade Conceito: Um sensor de umidade mede o nível de umidade ou conteúdo de água no ar, solo, ou em materiais. A umidade pode ser expressa em termos de porcentagem ou outros valores relativos. Figura 07: Sensor de Umidade Fonte: https://www.makerhero.com Exemplos de tipos: • Sensor de Capacitância: Baseia-se na mudança na capacitância de um material em resposta à umidade, comumente usados em higrômetros. • Sensor de Resistência: Mede a resistência elétrica de um material que varia com a umidade, utilizado em muitos tipos de higrômetros. • Sensor de Condução Térmica: Mede a condutividade térmica de um material, que varia com a umidade, frequentemente aplicado em aplicações industriais e agrícolas. • Sensor de Gravimétrico: Mede a mudança de massa de um material em resposta à absorção de água, usado em balanças higrômetros de alta precisão. 3.3 Sensor de Temperatura Conceito: Um sensor de temperatura mede a temperatura de um objeto, ambiente ou substância. A temperatura pode ser expressa em graus Celsius, Fahrenheit ou Kelvin. Exemplos de tipos: 9 • Termopar: Mede a temperatura com base na diferença de voltagem entre dois metais diferentes, utilizado em aplicações industriais. • Termorresistor (RTD): Usa a variação da resistência elétrica de um material, como a platina, para medir a temperatura, comuns em laboratórios e aplicações de alta precisão. • Termopilha: Gera uma voltagem proporcional à diferença de temperatura entre suas junções, empregado em termômetros infravermelhos. • Sensor de Infravermelho (IR): Mede a radiação térmica de um objeto para determinar sua temperatura, aplicado em termômetros sem contato. Esses sensores desempenham papéis fundamentais em uma ampla gama de aplicações, desde o controle de processos industriais até a medição ambiental e a eletrônica de consumo. A escolha do tipo de sensor adequado depende das especificações da aplicação e das propriedades do fluido, do ambiente ou do objeto a ser medido. 4. SPRINT 4.1 Medidores de Vazão A medição precisa da vazão de fluidos é fundamental em diversas aplicações industriais para garantir o controle de processos, otimizar o uso de recursos e manter a qualidade do produto. Existem vários tipos de medidores de vazão disponíveis, cada um com princípios de funcionamento específicos e adequados a diferentes situações. Segue abaixo alguns tipos de medidores de vazão e suas aplicações: 4.1.2 Medidor de Vazão de Turbina Princípio de Funcionamento: Este medidor possui uma hélice ou turbina que gira com o fluxo do fluido. A velocidade de rotação da turbina é diretamente proporcional à vazão. 10 Aplicações: Usado em aplicações com líquidos limpos, como medição de vazão em sistemas de abastecimento de água, petróleo, produtos químicos e em indústrias de processamento. 4.1.3 Medidor de Vazão Eletromagnético Princípio de Funcionamento: Baseia-se na Lei de Faraday para medir a vazão usando a força eletromotriz induzida em um fluido condutor que atravessa um campo magnético. Aplicações: Ideal para medições de vazão de líquidos condutores, como água tratada, água de resfriamento e produtos químicos. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Sensores de proximidade, umidade e temperatura desempenham papéis essenciais em diversas aplicações. Os sensores de proximidade detectam objetos sem contato físico, enquanto os sensores de umidade medem a quantidade de água em ambientes ou materiais. Os sensores de temperatura medem a temperatura de objetos ou locais. A escolha do tipo de sensor depende das necessidades específicas da aplicação, e há uma ampla variedade de tecnologias disponíveis para atender a essas necessidades. Esses sensores desempenham um papel crítico no controle de processos, automação industrial, monitoramento ambiental e em uma série de outras aplicações, contribuindo para a precisão e eficiência em diversas indústrias. 6. FONTES CONSULTADAS Sensores Industriais (PDF). Engenharia de Controle e Automação. 1 de fevereiro de 2015 Proximity Sensors Compared: Inductive, Capacitive, Photoelectric, and Ultrasonic. Machine Design. 1 de setembro de 2001 Cardozo Fuentes, Rodrigo. Apostila de Automação Industrial (PDF). Universidade Federal de Santa Maria http://www.feng.pucrs.br/professores/tergolina/Automacao_e_Controle/APRESENTACAO_-_Aula_03_Sensores_Industriais.pdf http://www.machinedesign.com/sensors/proximity-sensors-compared-inductive-capacitive-photoelectric-and-ultrasonic http://www.machinedesign.com/sensors/proximity-sensors-compared-inductive-capacitive-photoelectric-and-ultrasonic http://w3.ufsm.br/fuentes/index_arquivos/CA03.pdf
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