aula_03 - Introdução à Instrumentação Industrial

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Introdução à Instrumentação Industrial
José Rodrigues de Oliveira Neto
joserodrigues.oliveiraneto@ufpe.br
Universidade Federal de Pernambuco
Departamento de Engenharia Mecânica
ME565 - Automação Industrial
2020.3
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 1 / 45
joserodrigues.oliveiraneto@ufpe.br
Introdução à Instrumentação Industrial
1 Introdução à Instrumentação Industrial
2 Classificação dos Sensores Industriais
3 Sensores Discretos
Sensores de Contato
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 2 / 45
Introdução à Instrumentação Industrial
1 Introdução à Instrumentação Industrial
2 Classificação dos Sensores Industriais
3 Sensores Discretos
Sensores de Contato
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 3 / 45
Introdução à Instrumentação Industrial
Definição
A instrumentação é relativa aos equipamentos que obtém informações
acerca do estado de um determinado processo industrial.
Os chamados sensores, transdutores e instrumentos de medição.
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Pirâmide de Automação
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 5 / 45
Pirâmide de Automação
Nível 0 - Instrumentação
Camada onde se encontram os sensores e os atuadores;
Consiste nos equipamentos do chamado “chão de fábrica”.
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Diagrama de Blocos da Automação de um Processo
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Instrumentação Industrial
Definições
SENSOR: é um elemento que gera um sinal padronizado
(normalmente elétrico) a partir de uma grandeza física (temperatura,
vazão, luz, som, pressão, etc.).
TRANSDUTOR: é um dispositivo que converte um sinal de uma
grandeza em outra.
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 8 / 45
Introdução à Instrumentação Industrial
1 Introdução à Instrumentação Industrial
2 Classificação dos Sensores Industriais
3 Sensores Discretos
Sensores de Contato
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 9 / 45
Classificação dos Sensores
Quanto ao fluxo de energia:
Sensores Ativos: Geram um sinal de saída sem a necessidade de
alimentação externa.
Ex: Termopar, célula fotoelétrica.
Sensores Passivos: Requerem uma entrada de energia para gerar um
sinal de saída.
Ex: Termoresistências, sensor capacitivo.
A maioria dos sensores industriais são passivos.
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Classificação dos Sensores
Quanto ao tipo de saída:
Sensores Contínuos: Gera uma saída que varia continuamente em
função da entrada. Podem ser compostos por um único transdutor ou
diferentes transdutores (sensores analógicos).
Sensores Digitais: Gera uma saída discreta, normalmente binária: 0
ou 1, aberto ou fechado, acionado ou desligado, etc (sensores
discretos).
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Sinais Analógicos e Sinais Digitais
Sinais Analógicos
Estes são sinais contínuos cuja variação em relação ao tempo é a
representação proporcional de outra variável temporal.
As grandezas tais como temperatura, vazão, comprimento e
pressão tem natureza analógica.
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Sinais Analógicos e Sinais Digitais
Sinais Digitais
Um sinal digital é uma sequência discreta (descontínua) no tempo e
em amplitude. Isso significa que um sinal digital só é definido para
determinados instantes de tempo (tempo discreto), e que o conjunto
de valores que pode assumir é finito (sinal quantizado).
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Sinais Analógicos e Sinais Digitais
Diagrama de Blocos de um Sistema Digital
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Sinais Analógicos e Sinais Digitais
Porque Instrumentação Eletrônica?
Pela facilidade de tratamento dos sinais elétricos;
Pela existência de transdutores sensores e atuadores de natureza
elétrica;
Pela confiabilidade de operação de um sistema instrumentado com
recursos eletro-eletrônicos;
Pela capacidade de controlar um processo em tempo real;
Pela possibilidade de realização de operações multivariáveis de alta
complexidade.
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Sinais Analógicos e Sinais Digitais
Porque utilizar sistemas digitais se o mundo é analógico?
Fácil de ser projetado: os circuitos utilizados são circuitos de
chaveamento, nos quais não importam os valores exatos de tensão ou
corrente, mas apenas a faixa – Alta (High) ou Baixa (Low) – na qual
eles se encontram.
Fácil armazenamento de informação: Técnicas de armazenamento
digitais podem armazenar bilhões de bits em um espaço físico
relativamente pequeno. Já a capacidade de armazenamento de um
sistema analógico é extremamente limitada.
Maior precisão e exatidão: Nos sistemas analógicos, a precisão é
limitada porque os valores de tensão e corrente são diretamente
dependentes dos valores dos componentes do circuito, além de serem
muito afetados por ruídos.
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Sinais Analógicos e Sinais Digitais
Porque utilizar sistemas digitais se o mundo é analógico?
As operações podem ser programadas: É relativamente fácil e
conveniente desenvolver sistemas digitais cuja operação possa ser
controlada por um conjunto de instruções previamente armazenadas,
denominado programa. Os sistemas analógicos também podem ser
programados, mas a variedade e a complexidade das operações
envolvidas são bastante limitadas.
Menos afetados por ruídos: Flutuações espúrias na tensão (ruído)
não são tão críticas em sistemas digitais, desde que o ruído não tenha
amplitude suficiente que dificulte a distinção entre um nível Alto e um
nível Baixo.
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Sinais Analógicos e Sinais Digitais
Porque utilizar sistemas digitais se o mundo é analógico?
Maior grau de integração: O desenvolvimento da tecnologia de
integração (CIs) também beneficiou os circuitos analógicos, mas a sua
relativa complexidade e o uso de dispositivos que não podem ser
economicamente integrados (capacitores de grande capacitância,
resistores de precisão, indutores, transformadores) não permitiram que
os circuitos analógicos atingissem o mesmo grau de integração dos
circuitos digitais.
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Introdução à Instrumentação Industrial
1 Introdução à Instrumentação Industrial
2 Classificação dos Sensores Industriais
3 Sensores Discretos
Sensores de Contato
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 19 / 45
Sensores Discretos
A maioria dos sensores discretos industriais são chaves elétricas.
Os sensores discretos se diferenciam em :
1 Sensores de contato: chaves eletromecânicas e chaves de processo;
2 Sensores de proximidade: detectam a presença de algum objeto sem
tocá-lo;
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Sensores de Contato
Tipos de Sensores de Contato
1 Chaves Eletromecânicas:
1 Chaves manipuladas pelo operador do processo;
2 Chaves-limite ou e Fim de curso;
2 Chaves de Nível;
3 Chaves de Fluxo;
4 Chaves de Pressão;
5 Chaves de Temperatura;
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Sensores de Contato
Chaves Eletromecânicas
Chaves eletromecânicas são dispositivos primários para comunicar
uma detecção de evento, seja uma intervenção do operador, seja um
aviso de que um certo estado foi atingido por alguma variável física do
processo.
O sinal decorrente do fechamento de uma chave está sujeito ao ruído
provocado pela vibração da parte mecânica (chatter).
Para que essa sucessão rápida de sinais 0 e 1 não cause erros lógicos
na automação, os CLPs devem possuir rotinas de filtragem em seus
programas aplicativos (debounce).
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Sensores de Contato
Debounce
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Sensores de Contato
Chaves Manipuladas pelo Operador do Processo
A botoeira, ou chave push-button, é uma das formas mais simples
usadas para comando pelos operador.
As chaves de pé são usadas quando o operador necessita das mãos
para exercer outra atividade enquanto opera o equipamento;
Chaves seletoras são as incorporam uma operação e um mecanismos
de chaveamento que apresenta várias posições.
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Sensores de Contato
Botoeiras e Chaves Seletoras
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Sensores de Contato
Esses dispositivos têm corpo reforçado para suportar forças mecânicas
decorrentes do contato com objetos.
Apresentam rodas e amortecedores para diminuir o desgaste do ponto
de contato.
Podem ser agrupados pelos seguintes critérios:
Chaves de contato elétrico normalmente aberto (NA) ou normalmente
fechado (NF);
Contatos que após acionados podem ser momentâneos ou permanentes;
Dois ou quatro pares de contatos elétricos.
Atuação por pressão;
Abertura e fechamento lento de contatos;
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Sensores de Contato
Tipos de contato:
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Sensores de Contato
Segurança: existem chaves e botoeiras que podem ser travadas para
evitar que sejam acionadas indevidamente
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Sensores de Contato
Chaves-limite ou de Fim de Curso
São usadas para detectar a posição de objetos ou materiais.
Os transportadores, portas, elevadores, válvulas, etc. usam as chaves
de fim de curso para fornecer informações sobre a posição física do
equipamento.
Micro-switch: um movimento de pequena amplitude do pino central
provoca um salto irreversível de uma mola interna e o fechamento
firme de contado elétrico.
A vida média dos micro-switches é de 10 milhões de operações.
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Sensores de Contato
Chaves de fim de curso: sensores acionados mecanicamente pelo
processo
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Sensores de Contato
Chave fim de curso por dentro:
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Sensores de Contato
Chaves de Nível
As chaves de nível têm a função de monitorar o nível de líquido em
um reservatório.
São usadas normalmente em tanques, depósitos e, à medida que se
altera o nível do líquido, o dispositivo de flutuação se desloca, abrindo
ou fechando um contato elétrico.
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Sensores de Contato
Chaves de Nível: boia de nível
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Sensores de Contato
Chaves de Nível: boia eletronível
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Sensores de Contato
Chaves de Nível: boia eletronível
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Sensores de Contato
Chave de Fluxo
Uma chave de fluxo é utilizada para detectar vazão de um fluido tal
como ar, água, óleo ou gás.
O rotor se movimenta com a vazão do fluido e ativa um contato.
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Sensores de Contato
Chave de Fluxo
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Sensores de Contato
Chave de Fluxo
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Sensores de Contato
Chave de Fluxo
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 39 / 45
Sensores de Contato
Chaves de Pressão
As chaves de pressão são utilizadas para detectar o nível de pressão de
um fluido em um recipiente.
As chaves de pressão usam um fole para acionar contatos elétricos.
Quando a pressão no fole ultrapassa a tensão mecânica
predeterminada em mola, o contato é ativado.
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Sensores de Contato
Chaves de Pressão
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 41 / 45
Sensores de Contato
Chaves de Temperatura
As chaves de temperatura são normalmente dos tipos bimetálico e
bulbo-capilar.
Em qualquer caso, quando a temperatura do processo ultrapassar um
valor específico, um contato se movimenta, transmitindo o evento.
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 42 / 45
Sensores de Contato
Chaves de Temperatura
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 43 / 45
Sensores de Contato
Vantagens
1 Capacidade de corrente;
2 Imunidade à interferência eletromagnética;
3 Baixo custo;
4 Tecnologia conhecida.
Desvantagens
1 Requer contato físico com o alvo;
2 Resposta lenta;
3 Contatos apresentam bounce;
4 Baixa vida útil;
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Bibliografia
CAJUEIRO, J. P. C., Apostila de automação industrial, Notas de
Aula, 2018, disponível em:
https://sites.google.com/view/automacaoindustrial.
MORAES, C. C., CASTRUCCI, P. L., Engenharia de Automação
Industrial, 2a Ed., LTC, 2015.
BEGA, E. A. et all, Instrumentação industrial, 3a Ed., Editora
Internciência, 2011.
GEORGINE, M. Automação aplicada, 9a Ed., Érica, 2007.
José Neto (DEMEC-UFPE) ME565 - Automação Industrial 2020.3 45 / 45
https://sites.google.com/view/automacaoindustrial
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