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AULA 2 INTRODUÇÃO AOS SENSORES E ATUADORES INDUSTRIAIS Prof. Edson Roberto Ferreira Bueno 2 CONVERSA INICIAL Nesta aula serão abordadas as características dos sinais analógicos e digitais utilizados em sistemas de sensoriamento, seguida da explanação sobre os principais dispositivos que recebem e enviam esses sinais, assim como alguns exemplos suas aplicações. CONTEXTUALIZANDO O mundo da automação é fabuloso e tem levado o homem a realizar desafios cada vez mais complexos. O desenvolvimento da tecnologia tem levado computadores a realizarem tarefas com rapidez, eficiência e repetibilidade espantosas, até mesmo ao vencer um campeão mundial de xadrez, como aconteceu em 1997 na histórica partida entre o Deep Blue da IBM e o russo Garry Kasparov, em Nova York. Porém, dirigir um veículo numa cidade de trânsito intenso como São Paulo logo após uma grande chuva envolve decisões que nem mesmo o mais potente e bem programado “cérebro eletrônico” consegue tomar. Já imaginou o tipo de computador que controla um veículo autônomo? E na quantidade e nos tipos de sensores, controladores e atuadores? E a segurança, como fica? Considere que um veículo autônomo é conduzido por computadores que interpretam dados enviados por radares e sensores, para detectar o trânsito ao redor, os obstáculos na via, o caminho a ser seguido, a velocidade ideal etc. A ideia é que, quando essa tecnologia puder ser aplicada de forma completa, o motorista seja apenas um ocupante do carro, podendo aproveitar o tempo do trajeto para fazer outras coisas, como trabalhar ou relaxar, sem se preocupar com a estrada. Vencendo os desafios tecnológicos e a burocracia para regulamentação de uso em conformidade com a legislação de cada país, os projetos de carros autônomos evoluem em todos os cantos. De acordo com Fabricio Samahá (2015) O ano de 2020 será decisivo, pois é quando os fabricantes Audi, BMW, General Motors, Mercedes, Nissan, Renault e Tesla, além da gigante da tecnologia Google, pretendem colocar no mercado automóveis ou sistemas capazes de dirigir por conta própria, ao menos parte do tempo. A Mercedes-Benz já terá um AutobahnPilot, sistema de condução automática para as autoestradas alemãs, capaz de efetuar ultrapassagens. A Volvo anuncia, para o mesmo ano, carros “isentos de acidentes”, aptos a evitar todo tipo de colisão por seus meios, e a Google 3 espera contornar até lá todos os problemas encontrados hoje para o carro autônomo. TEMA 1 – SINAL DIGITAL A geladeira é um eletrodoméstico comum e indispensável em qualquer domicílio. Dentre os diversos modelos e fabricantes, observamos que são equipadas com vários sensores que contribuem para o seu perfeito funcionamento. Por exemplo, quando a porta é aberta, uma luz interna acende, ou ainda, quando queremos algo mais gelado, diminuímos a temperatura do termostato. Nesse caso, podemos considerar o controle da iluminação como um comando de sinal discreto, ou “digital”. 1.1 Características O sinal digital binário (“bi=dois”) só pode assumir dois valores. Esses valores são associados a estados que podem indicar, por exemplo, se uma temperatura está acima ou abaixo de um determinado ajuste. O valor nível 0 (zero) é geralmente utilizado para indicar estados como “falso”, “aberto”, “desligado” ou “abaixo da referência”, enquanto o valor nível 1 (um) pode indicar estados como “verdadeiro”, “fechado”, “ligado” ou “acima da referência”. A figura 1 apresenta um gráfico que representa um sinal binário ou discreto. Figura 1 – Sinal binário ou discreto Observe que na figura 1, o gráfico da direita indica um sinal digital binário que muda de “zero” para “um” conforme a mudança da temperatura visualizada na curva do gráfico da esquerda. Observe que em T1, a temperatura encontra-se em um valor no qual seu nível binário correspondente é o zero. Ao alcançar o tempo T2, percebe-se que a temperatura atingiu uma intensidade que faz com que o sensor seja comutado do valor zero para o valor um, detectando assim um 4 aumento da temperatura. A zona entre os níveis de acionamento lógico zero e um serve para absorver pequenas flutuações na pressão, evitando que o sensor seja comutado por variações não significativas. Essas mudanças de posição são traduzidas em sinais elétricos para que os sensores possam ser ligados nos dispositivos industriais. As saídas dos sensores podem ser: Saída de contato seco: O sinal de saída é obtido por dois terminais que ocasionalmente são comutados por um evento, possibilitando a passagem ou interrupção de um determinado sinal. Os sensores normalmente apresentam contato NA (Normalmente Aberto) ou NF (Normalmente Fechado). Quando ocorre uma mudança de estado na aplicação e o sensor está instalado corretamente, o contato NA fecha e o contato NF abre, seguindo a lógica de programação do sistema. A figura 2 demonstra um exemplo de ligação de um sensor contato NA a um canal de entrada digital de um CLP (Controlador Lógico Programável). Figura 2 – Aplicação de sensor com NA • Saída de Corrente Contínua: os sensores com sinal de saída CC são alimentados por uma fonte de corrente contínua e possuem na saída um transistor que tem a função chaveamento, ou seja, ligar e desligar a carga conectada ao sensor. De forma semelhante aos sensores de contato seco, esses sensores funcionam de duas maneiras diferentes. Eles possuem dois tipos de transistores de saída, em que um tipo conecta o terminal positivo da fonte de alimentação, conhecido como PNP; e o outro conecta o terminal negativo da fonte, conhecido como NPN. A figura 3 demonstra um exemplo de ligação de um sensor de corrente contínua a uma carga que pode ser representada pela entrada digital de um CLP. Entradas digitais Evento Aberta Sensor Contato NA 5 Figura 3 – Exemplo de um sensor de corrente contínua NPN Saiba mais As cores dos cabos dos sensores, normalmente são padronizados por normas específicas. Normalmente aplica-se a cor marrom para a carga positiva (+), a cor azul para negativo (–) e a cor preta para o sinal ou retorno. Considerando as siglas PNP e NPN, a figura 4 indica as ligações dos dois tipos de sensores, observando que: • Se for PNP, o sinal de saída do sensor é positivo. A ligação da carga deve ser entre o cabo de sinal e o negativo. • Se for NPN, o sinal de saída é negativo. A ligação da carga deve ser entre o cabo de sinal e o positivo. Figura 4 – Esquema de ligação de sensor PNP e NPN Fonte: Mundodaeletrica. 6 TEMA 2 – SENSORES DIGITAIS Quando falamos em telefonia, é comum lembrarmos a evolução recente dos celulares, e principalmente dos comentários sobre os sistemas analógicos e digitais e a maneira pela qual são transmitidos os sinais entre o telefone e a central. Durante a transmissão, o sistema analógico converte o sinal a qualquer ordem de grandeza. Por exemplo, se você falar em tom de voz alto, a onda sonora terá maior pico, e proporcionalmente a onda que transmite o sinal também terá. No sistema digital, o sinal durante a transmissão é convertido em bits binários, como se fossem 1 e 0. Não importa o quanto se fale mais alto ou mais baixo, o sinal é sempre transmitido da mesma forma. Desse modo, a vantagem do sinal digital é que ele é mais veloz de ser processado. O sinal elétrico digital sempre aparece com uma tensão específica ou nenhuma; os circuitos só precisam lidar com duas situações. Já o sinal elétrico analógico pode ter infinitas tensões e os circuitos são obrigados a trabalhar maislentamente para ajustar a tensão que está sendo utilizada. 2.1. Características Os sensores digitais trabalham com variáveis digitais (ou discretas) binárias, ou seja, que só podem assumir dois valores. A seguir são apresentados alguns dos principais sensores digitais: • Detector por contato (microchave ou sensor de fim de curso): o tipo de sensor utilizado na porta da geladeira para acender e apagar a lâmpada é um detector de contato. Os detectores de contato mais comuns são conhecidos como microchaves ou microswitches, conforme indicado na figura 5. 7 Figura 5 – Funcionamento de uma microchave Fonte: Adororobotica. As microchaves, assim como as botoeiras, são comutadores elétricos de entrada de sinais, só que acionados mecanicamente. As chaves fim de curso são, geralmente, posicionadas no decorrer do percurso de cabeçotes móveis de máquinas e equipamentos industriais, bem como das hastes de cilindros hidráulicos e ou pneumáticos. Esses tipos de dispositivos detectores de contato são sensores que detectam presença somente se houver contato físico sobre eles. O acionamento pode ser efetuado por meio de um rolete mecânico ou de um rolete escamoteável, também conhecido como gatilho. Existem, ainda, os acionamentos por haste apalpadora, semelhante ao utilizado em instrumentos de medição, por exemplo, num relógio comparador. Devido aos detalhes de construção, não é indicado usar um detector de contato em aplicações que exijam grandes velocidades ou grande número de comutações porque, ao abrir e fechar os contatos um grande número de vezes por segundo, pode provocar aquecimento e desgaste nos elementos de contato elétricos do sensor. A figura 6 ilustra uma microchave industrial com rolete de acionamento, facilmente encontrada em máquinas e equipamentos. Figura 6 – Microchave com rolete Fonte: FG. 8 O sensor indutivo é capaz de detectar apenas a presença de materiais metálicos a uma distância que oscila de 0 a 2 mm, dependendo também do tamanho do material a ser detectado e das características especificadas pelos diferentes fabricantes. O seu funcionamento é baseado, de acordo com sua característica física, pelo princípio da variação da indutância eletromagnética. Observe a figura 7, que indica o princípio da construção física e do funcionamento de uma bobina enrolada sobre um núcleo de alta permeabilidade magnética. Um campo eletromagnético é criado pela energia que passa pela bobina. Figura 7 – Campo eletromagnético em uma bobina Fonte: Adororobotica. A figura 8 ilustra o aspecto de um sensor indutivo típico encontrado no mercado. Figura 8 – Sensor indutivo industrial Fonte: Adororobotica. O valor da indutância apresentada em um circuito depende de muitos fatores, por exemplo, a permeabilidade magnética do meio, do número de espirais, comprimento e características geométricas da bobina. Conforme indicado na figura 9, quando se aproxima um objeto metálico à região ativa do sensor, ocorre a detecção do objeto. Instantaneamente, o sinal da saída do sensor é modificado e envia a informação para o circuito de controle ou 9 para entrada digital de um equipamento de processamento, por exemplo, um CLP ou relé de acionamento. O sinal de saída digital pode ser de contato seco ou de corrente contínua. Figura 9 – Detecção de placa metálica por um sensor indutivo Fonte: Adororobotica. A figura 10 indica dois modelos de sensores indutivos, os quais podem ser encontrados em vários formatos e tamanhos, sendo que os mais comuns são os de construção com corpo cilíndrico plástico ou metálico. Figura 10 – Modelos de sensores indutivos Fonte: Eletropeças. TEMA 3 – SINAL ANALÓGICO Analisando novamente o funcionamento da geladeira, podemos verificar que o termostato é um componente de controle do sistema de arrefecimento. De acordo com o informe “Como funciona um termostato de geladeira” (Branco, 2012). Este sistema inclui um compressor, um condensador, um dispositivo de medição, e um evaporador. Ele funciona através da remoção de calor do refrigerador. O dispositivo é geralmente localizado no interior da geladeira e tem um botão que permite aos usuários fazer ajustes. Uma vez que o usuário define a temperatura desejada, o termostato mantém essa temperatura por flutuações internas do sensor, levando o compressor a ligar ou desligar em resposta a essas mudanças. Quando o refrigerador está adequadamente ajustado para a temperatura designada, o termostato interrompe o fluxo de eletricidade para o compressor, impedindo-o de arrefecer o aparelho. 10 Conforme a explicação do texto, podemos considerar o ajuste de temperatura no termostato como um comando de sinal contínuo ou analógico. 3.1 Características Um sinal analógico representa a evolução de uma grandeza de forma contínua. Por exemplo, na verificação e no controle da temperatura de um forno industrial que pode variar de 0 a 400°C em alguns minutos, se observarmos a escala de temperatura e suas subdivisões, podemos obter inúmeros valores próximos à temperatura desejada dentro de uma faixa de tolerância. Dessa forma, é possível caracterizar um sinal analógico (contínuo), ou seja, todos os valores entre 0 e 400°C podem ser representados em um gráfico. Por exemplo: 0°C; 15°C; 150°C; 355°C,..., até 400°C. Os instrumentos que medem uma variável analógica e geram um sinal de saída proporcional a essa variável são os sensores transmissores. Os mais comuns são os de temperatura e de nível, conhecidos como termopares, sensores-mV e sensores ultrassônicos. Geralmente os sinais de saída (tensão ou corrente) são situados dentro de faixas-padrões preestabelecidas e passíveis de interpretação pelos equipamentos de controle. A figura 11 mostra o gráfico de variação de um sinal de temperatura ao longo do tempo. Figura 11 – Variação de um sinal de temperatura em função do tempo É comum encontrarmos no meio industrial transmissores com saídas padronizadas em tensão ou corrente, por exemplo, de 1 a 5Vcc, de 4 a 20mA, etc. Na saída em tensão, o dispositivo transmissor envia os valores de níveis de tensão equivalentes ao valor da variável medida para um dispositivo de aquisição de 11 sinal. Isso está indicado na figura 12, na qual ocorre a ligação entre um transmissor e um canal de entrada analógica em tensão de controlador (CLP). Figura 12 – Transmissor com saída em tensão Na saída em corrente, o transmissor envia os valores das variações de corrente equivalentes ao valor da variável medida para um dispositivo de aquisição do sinal. Conforme indicado na figura 13, onde o equipamento é alimentado pelo próprio cabo que transmite o sinal de saída em corrente a um canal de entrada analógica em corrente do controlador lógico (CLP). Figura 13 – Transmissor com saída em corrente TEMA 4 – SENSORES ANALÓGICOS De acordo com a Wikipedia (2017), “o funcionamento do sensor de estacionamento é simples: à medida que o veículo se aproxima de outro obstáculo, o sensor mede a distância pela emissão e captação do retorno de sinais de rádio, parecido com um sonar, sinalizando a aproximação com sinais sonoros para o motorista...”. 4.1 Características Os sensores analógicos medem variáveis analógicas, ou seja, que podem representar quaisquer valores dentro de faixas contínuas pré-estabelecidas. Em seguida, são apresentados alguns dos principais sensores analógicos utilizados na indústria: Aterramento da malha do condutor Transmissor (dispositivo sensor + condicionador de sinal) Tensão Aterramento da malha do condutorTransmissor (dispositivo sensor + condicionador de sinal) Corrente 12 • Potenciômetro de resistência: conforme indicado na figura 14, são dispositivo sensores que medem deslocamentos lineares ou angulares em função de uma variação da resistência elétrica de um resistor. Podem ser encontrados na forma angular ou linear. Figura 14 – Relação entre resistência elétrica e deslocamento Fonte: Adororobotica. Observe que, na figura 14, a tensão elétrica de saída do potenciômetro, indicada por VR, é estabelecida em função da posição de um ponteiro montado sobre a resistência. No gráfico, localizado à esquerda, pode-se observar que o ponteiro está abrangendo grande parte da resistência. Quanto mais no “final” da escala da resistência, maior é o deslocamento. Se pudéssemos alinhar mecanicamente o potenciômetro angular, obteríamos facilmente um potenciômetro linear, ou seja, o princípio de funcionamento é o mesmo. O potenciômetro linear é muito utilizado para medir o deslocamento de haste dos atuadores pneumáticos e hidráulicos. Conectando-se um potenciômetro linear à haste de um cilindro pneumático, pode-se medir sua posição e seu deslocamento pelo mesmo princípio. Observe que, na figura 15, o gráfico da direita mostra o deslocamento do cilindro pneumático em função da tensão elétrica de saída do potenciômetro. Figura 15 – Acoplamento de um potenciômetro linear à haste de um cilindro pneumático Ponteiro 13 Os principais sensores de temperatura são os termopares e o termorresistores. Esses dispositivos transdutores realizam medições contínuas em determinadas faixas de temperatura e transformam a informação em outro sinal proporcional correspondente, tipicamente sinais de tensão de pequena amplitude (mV) ou variações de resistência. Figura 16 – Exemplo de termopar Fonte: Profelectro. A figura 16 demonstra um termopar, que é um tipo de transdutor composto de dois fios de metais diferentes unidos em uma das pontas. Quando a ponta dos fios está sob uma temperatura diferente da outra extremidade do termopar, ocorre a geração de uma pequena tensão elétrica, na ordem de milivolts (mV), provocada proporcionalmente pela diferença de temperatura. Já o termômetro de resistência funciona pelo princípio de variação da resistência elétrica de um condutor em função da mudança de temperatura. O termômetro de resistência e o termopar construtivamente são muito parecidos. Conforme demonstrado na figura 17, o sensor ultrassônico é provido de um dispositivo emissor e receptor de sinais que emite impulsos periodicamente e capta seus ecos resultantes do choque das emissões com objetos alvos localizados no seu campo de ação. Figura 17 – Princípio de funcionamento do sensor ultrassônico Fonte: Adororobotica. 14 A distância do objeto-alvo é calculada por meio da medição do tempo entre a emissão e a recepção do sinal. Essa informação é convertida para uma faixa de sinal elétrico, e consequentemente, um valor de corrente de 4 a 20 miliampere (mA). Esse tipo de sensor é muito utilizado em sistemas de medição de nível em reservatórios. Com um princípio semelhante também existe o medidor do tipo radar, que mede a distância de um determinado objeto pela reflexão de ondas. Porém, ele utiliza ondas eletromagnéticas ao invés de ondas mecânicas. A correta aplicação do sensor ultrassônico e do sensor tipo radar é definida principalmente de acordo com o tipo de fluido de processo e se há formação ou não de espuma na superfície. TEMA 5 – APLICAÇÕES DOS ELEMENTOS DE SENSORIAMENTO Os processos industriais utilizam inúmeros dispositivos para monitorar e transmitir a variação de grandezas físicas que são manipuladas por sistemas dedicados, cuja função é tornar as informações compreensíveis e auxiliar no processo operacional. Há vários tipos de sensores e dispositivos em um sistema, que podem ser colocados em pontos diferentes, com atribuições e aplicações diferentes. Assim, para conhecer os sensores, é necessário conhecer os detalhes de construção e os tipos de sinais que eles processam. 5.1 Características técnicas A correta aplicação do elemento de sensoriamento analógico ou digital visa principalmente às características de qualidade e funcionalidade, assim como o custo adequado. Por isso, são apresentadas a seguir algumas tabelas que indicam o tipo do dispositivo, uma figura genérica, o sinal gerado ou recebido e alguns exemplos de aplicação. O quadro 1 indica um quadro contendo alguns exemplos dos principais dispositivos industriais que geram sinais digitais (discretos) binários, juntamente com suas aplicações. 15 Quadro 1 – Exemplos de sensores com sinais de saída binária Tipo de dispositivo Aspecto Sinal gerado Aplicações Botão de comando Digital – Contato seco. Ligar e desligar equipamentos. Chave de nível Digital – Contato seco ou corrente contínua. Detectar se o nível de um reservatório está acima ou abaixo de uma referência. Pressostato Digital – Contato seco. Detectar se a pressão de um vaso está acima ou abaixo de uma referência. Sensor indutivo de proximidade (tipo P ou N) Digital – Contato seco ou corrente contínua. Detectar a presença de objetos metálicos. Os sinais gerados por esses dispositivos podem ser ligados às entradas digitais de equipamentos industriais como CLPs para que possam ser interpretados e processados. O quadro 2 apresenta alguns exemplos de dispositivos que são acionados por sinais digitais (ou discretos) binários. 16 Quadro 2 – Dispositivos industriais acionados por sinais digitais binários Tipo de dispositivo Aspecto Sinal recebido Aplicações Contator Digital – Tensão de CC ou CA. Acionar circuitos elétricos de maior potência. Intertravar comandos elétricos. Sinaleiro Digital – Tensão de CC ou CA. Indicação luminosa de equipamento ligado ou parado. Alarmes. Válvula direcional Digital – Tensão de CC ou CA. Comandar circuitos hidráulicos ou pneumáticos. Fonte: O autor. Os sinais recebidos por esses dispositivos podem ser gerados por saídas digitais de equipamentos industriais como CLPs. A seguir, no quadro 3, são indicados alguns exemplos de dispositivos que geram sinais analógicos, juntamente com algumas das suas aplicações. Quadro 3 – Aplicações que geram sinais analógicos Tipo de dispositivo Aspecto Sinal gerado Aplicações Potenciômetro Analógico – Resistivo (Ω). Detectar deslocamento de conjuntos mecânicos. Termopar Analógico – Tensão (mV). Medição de temperatura em processos industriais. Transmissor de nível ultrassônico Analógico –Tensão (V) ou corrente (mA). Medição de nível de reservatórios. Transmissor depressão capacitivo Analógico –Corrente (mA). Medição de pressão de vasos pressurizados. 17 Os sinais gerados por esses dispositivos podem ser ligados às entradas analógicas de dispositivos industriais como CLPs para que possam ser interpretados e processados. No quadro 4, são indicados exemplos de dispositivos acionados por sinais analógicos, com algumas das suas aplicações. Quadro 4 – Dispositivos industriais acionados por sinais digitais analógicos Tipo de dispositivo Aspecto Sinal recebido Aplicações Indicador analógico Analógico – Corrente (mA). Indicar variáveis industriais como pressão, nível, temperatura, vazão etc. Inversor de frequência Analógico – Corrente (mA)ou tensão (V). Estabelecer a velocidade de rotação de motores elétricos. Posicionador de válvulas Analógico – Corrente (mA). Estabelecer a abertura exata de válvulas proporcionais. Os sinais recebidos por esses dispositivos podem ser gerados por saídas analógicas de equipamentos industriais como CLPs. FINALIZANDO No início desta aula, foram observadas as principais características de um sinal digital utilizado num sistema de sensoriamento e, em seguida, foram abordadas as características técnicas de alguns dos principais sensores digitais. Posteriormente, foram apresentadas as principais características de um sinal analógico, seguidas da explanação sobre os tipos e as características técnicas de alguns dos principais sensores analógicos. Finalizamos a aula com a apresentação de algumas tabelas indicativas de aplicação dos dispositivos que recebem e enviam sinais analógicos e digitais em um sistema de sensoriamento. 18 REFERÊNCIAS BRAGA N. C. Eletrônica básica para mecatrônica. São Paulo: Saber, 2005. BRANCO, R. Como funciona um termostato de geladeira. Disponível em: <http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/conteudo/6190-como-funciona-um- termostato-de-geladeira/>. Acesso em: 28 set. 2017. FONSECA, F. R. da. Sensores. Disponível em: <http://www.adororobotica.com/Sensores.pdf>. Acesso em: 28 set. 2017. MATTEDE, H. O que é sinal PNP e NPN? Disponível em: <https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-sinal-pnp-e-npn/>. Acesso em: 28 set. 2017. WIKIPEDIA. Sensor de estacionamento. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Sensor_de_estacionamento>. Acesso em: 28 set. 2017. THOMAZINI, D.; ALBUQUERQUE, P. U. B. de. Sensores industriais: fundamentos e aplicações. 8. ed. rev. atual. São Paulo: Érica, 2011. SAMAHÁ, F. Carro autônomo: os desafios e como seremos com ele. Disponível em: <http://bestcars.uol.com.br/bc/informe-se/colunas/editorial/453-tecnologia- carro-autonomo-os-desafios-e-como-seremos-com-eles/>. Acesso em: 28 set. 2017.
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