COM814 Aula 2

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Computação e Automação
Aula 2 – Instrumentação. Características de sensores. Sensores Térmicos, Luminosos e etc
2º semestre de 2019
Prof. Bruno Moser
Definições
INSTRUMENTO
Equipamento eletrônico que manipula sinais elétricos que representam grandezas físicas 
FUNÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO 
Medição de grandezas físicas 
Quantificação de grandezas experimentais 
Monitoramento de variáveis de processos
 Controle e atuação de sistemas 
Geração de sinais
Instrumentação nas indústrias
mensurando
instrumento de medição
indicação
Instrumentação nas industrias
4
Medição
As variáveis de processos que são medidas incluem: 
Pressão, Temperatura, Nível, Vazão, Umidade, Pressão, Movimento, densidade, condutividade, pH, luz, qualidade, quantidade, e muito mais. 
Os dispositivos que processam ou realizam as medições são chamados: 
Sensores, transdutores, transmissores, indicadores, monitores, gravadores, coletores de dados e sistemas de aquisição de dados.
Instrumentação Industrial
Fluxograma do Sistema de Medição
Um Instrumento de Medição pode ser representado com um conjunto de sub-sistemas com funções específicas. Um possível Diagrama Funcional:
Sensores Elétrico Analógicos
São feitos utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. 
São largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. 
Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer.
Padrões utilizados: sinais contínuos (4 – 20 mA ou 1 – 5 V ou 0 – 10 V ou 0 – 24 V)
Instrumentos Elétricos
Vantagens:
Permite transmissão para longas distâncias com poucas perdas;
 A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão;
Necessita de poucos equipam. auxiliares;
Permite fácil conexão aos computadores; 
Fácil instalação; 
Permite operações matemáticas de forma fácil
Desvantagens:
Precisa de técnico especializado para sua instalação e manuten.; 
Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalação. localizadas em áreas de riscos;
Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.
Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais;
Sensores Elétrico Digitais
Sinais Analógicos/ Elétricos São feitos utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. São largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. 
Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. 
Padrões utilizados: sinais contínuos (4 – 20 mA ou 1 – 5 V ou 0 – 10 V ou 0 – 24 V)
Instrumentos Elétricos
Vantagens:
Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento; 
Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados;
 Imune a ruídos externos;
Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha; 
Menor custo final.
Desvantagens:
Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes. 
Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de varias malhas
Características de sensores
Buscar a relação da Entrada X com a Saída Y
Faixa de operação
Faixa (range)
A região entre os limites nos quais a grandeza é medida, recebida ou transmitida. Expresso em limite inferior e superior
Ex.:Faixa de temperatura de -20 a 200 ºC
Alcance
Alcance (Span) é a diferença algébrica, isto é a "distância numérica" entre os limites inferior e superior do range. Exemplo: de 0 a 100 PSI, 
onde o span é de 100- 0 = 100 PSI.
Sensibilidade estática
Sensibilidade Estática (Ganho)
Razão da variação na saída pela variação da entrada depois do regime permanente ser alcançado
Ex.: sensibilidade de um termômetro pode ser 1 mV/ºC
Sensibilidade constante
Relação resposta/estímulo
0 mm
40 mm
400 N
0 mm
4 mm
400 N
A
B
F (N)
d (mm)
0
400
40
4
B
A
 resposta
 estímulo
SbA = 0,01 mm/N
SbB = 0,10 mm/N
fração do volume total
deslocamento do ponteiro (mm)
0
1/4
1/2
1/1
1/4
0
1/2
1/1
Sensibilidade variável
Ex.: indicador do volume de combustível de um Fusca
1
2
Resolução
Resolução de Entrada (threshold)
A menor variação no sinal de entrada (mensurando) que resultará numa variação mensurável na saída (dxmin)
Resolução de Saída
Maior salto da medida em resposta a uma variação infinitesimal do mensurando (dymax)
Exemplo: Resolução
Seja um conversor analógico digital de 8 bits com faixa de entrada de 0 a 5V. Considerando um termômetro linear utilizando um PT100 devidamente condicionado, cuja saída varia linearmente de 0 a 1V para uma variação de temperatura de 0 a 100 ˚ C, calcule a resolução em ˚C imposta pelo sistema.
Resposta
Assim, X pode ser calculado: X= 0,0196 ×100 = 1,96˚C.
Linearidade
Quanto a curva saída x entrada se aproxima de uma linha reta
Conformidade
Quantifica o quanto a função de transferência do instrumento se conforma à função de transferência prevista teoricamente
Aplica-se a sistemas de medição não lineares
Histerese
Histerese: o efeito da histerese é notado em instrumentos que possuem comportamento diferente para entrada crescente em relação a entrada decrescente. 
Velocidade de resposta
Velocidade de resposta é a velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança o valor real do processo
tolerância
tempo
resposta
estímulo
tempo de resposta
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Tolerância e repetitividade
Tolerância
Quantifica as diferenças previstas entre um sensor e outro
Definida pelo fabricante, por amostragem na produção dos sensores
Deve entrar na composição do erro esperado para a medida
Representada na forma de incerteza
Repetitividade, ou repetibilidade
Aptidão de um instrumento de medição em fornecer indicações muito próximas, em repetidas aplicações do mesmo mensurando, sob as mesmas condições de medição
Precisão
Quantifica os erros não sistemáticos ou a incerteza
Grau de concordância entre indicações ou valores medidos, obtidos por medições repetidas, no mesmo ou em objeto similares, sob condições especificadas (VIM)
Geralmente expressa numericamente por medidas de dispersão
Desvio-padrão, a variância ou o coeficiente de variação
Sob condições de medição especificadas como, por exemplo, as condições de repetitividade, as condições de precisão intermediária ou as condições de reprodutibilidade
Exatidão
Capacidade do instrumento apresentar resultados próximos ao valor verdadeiro. 
Percentual do valor lido; 
Percentual do fundo de escala;
Percentual do span.
Exemplo
Para um sensor de temperatura com range de 50 a 250 ºC e valor medindo 100ºC, determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições:
Exatidão 1% de Fundo de Escala 
valor real= 100ºC ± (0,01x250) = 100ºC ± 2,5ºC 
Exatidão 1% do Span 
valor real= 100ºC ± (0,01x200) = 100ºC ± 2,0ºC 
Exatidão 1% do valor lido (instantâneo) 
valor real= 100ºC ± (0,01x100) = 100ºC ± 1,0ºC
Sensores óticos, Indutivos, Capacitivos e Magnéticos
Sensores óticos ou fotoelétricos
Usam a luz para detectar a presença do acionador (um objeto)
Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha (invisível ao ser humano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado
São compostos por dois circuitos básicos
Transmissor (fotodiodo): emite flashes de luz em alta frequência
Receptor (fototransistor): recebe o feixe de luz, sintonizado na mesma frequência do emissor (para evitar interferências do meio)
Sistema por barreira - configuração
Transmissor e receptor frontalmente em unidades distintas
Acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado interromper o feixe de luz
Há um filtro que estipula o nível de luz para cada estado
Sistema por barreira – aplicações
Detecção e contagemde peças
Cortina de segurança
Sistema por difusão – configuração
Transmissor e o receptor são montados na mesma unidade
Acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor
Há uma distância mínima para detecção (zona morta)
Sistema refletivo – configuração
Transmissor e o receptor em uma única unidade
Feixe de luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho prismático
Acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper este feixe
Sistema refletivo – aplicações
Montagem angular (10 a 20°)
Permite a detecção de materiais transparentes (vidro, acrílico)
Filtro polarizador
Permite detecção de materiais brilhantes (plásticos, espelhos)
Sensores indutivos
Percebem a aproximação de materiais metálicos
Geram um campo eletromagnético com uma bobina ressonante instalada na face sensora
Bobina é conectada a um circuito oscilador que, em condição normal (desacionada), gera um sinal senoidal
Quando um metal aproxima-se do campo, absorve sua energia por correntes de superfície (Foulcault)
Isso diminui a amplitude do sinal gerado no oscilador, e tal alteração é obtida/convertida (e comparada com níveis, no caso de detecção)
Sensores capacitivos
Percebem a aproximação de materiais diversos
Geram campo eletromagnético com capacitor instalado na face sensora
Capacitor formado por duas placas metálicas, com cargas elétricas opostas 
Campo elétrico projetado para fora, tendo o meio como dielétrico (ar, p.e)
Quando um material aproxima-se da face sensora, o dielétrico do meio se altera, alterando também o dielétrico do capacitor frontal do sensor
Capacitância também se altera, provocando uma mudança no circuito oscilador
A variação é obtida/convertida (e comparada com níveis, no caso de detecção)
Sensores capacitivos – ajuste
Ajuste de sensibilidade
Geralmente em um parafuso hermeticamente isolado
Permite detectar materiais dentro de outros
Exs.: líquidos dentro de garrafas ou reservatórios com visores de vidro, pós dentro de embalagens, ou fluidos em canos ou mangueiras plásticas
Exercícios
1) Um sensor de temperatura tem um intervalo de 0 a 120 ° C e uma exatidão absoluta de ± 3 ° C. Qual é a sua exatidão em % de fundo de escala?
R: Exatidão em % fundo de escala= ±(3 × 100/120)% = ± 2.5%
2) Um sensor de pressão tem uma faixa de 30-125 kPa e a exatidão absoluta é ± 2 kPa. Qual é sua exatidão de fundo de escala e de span?
R: Exatidão em % fundo de escala = ± 2 kPa*(100 %/125 kpa) = ±1.6% 
R:Exatidão em % fundo do span = ± 2 kPa*(100 %/95 kpa) = ±2.1%
3) Plote um gráfico do seguinte para um leituras do sensor de pressão para determinar se há histerese, e em caso afirmativo, qual curva apresenta maior linearidade?
Estatística aplicada
Média: Considerando um conjunto de medições com “n” valores individuais independentes x 1, x 2, ..., x n, a média aritmética é definida como: 
Onde:
 x = média aritmética; 
xi = valores da amostra; 
n = números de elementos da amostra.
Exemplo: Média
Após o ajuste de um transmissor de pressão, foram feitas três leituras seguidas: 
– 4,02 mA; 
– 3,99 mA; 
– 4,10 mA. 
Calcule a média das 3 leituras.
Variância / desvio padrão:
Avalia o quanto os valores observados estão dispersos ao redor da média:
Deseja-se utilizar determinado sensor de força, que inicialmente não se encontra calibrado. Ao se realizar ensaios em regime permanente, obteve-se os pares entrada (Força, em N) e saída (Tensão, em mV) indicados na tabela a seguir.
Com base dos dados, experimentais calcule as seguintes especificações do sensor:
Faixa
Alcance
Sensibilidade
Linearidade ou Conformidade
Resolução (1024 estados)
Equação
Desvio Padrão