AI-2 1 - Sensores e atuadores industriais

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Sensores e atuadores industriais
Automação Industrial - 2021.1
Prof. Ilan Sousa Correa
Universidade Federal do Pará (UFPA)
Instituto de Tecnologia (ITEC)
Faculdade de Eng. da Computação e Telecomunicações (FCT)
Sensores e atuadores industriais
Introdução, Sensores Lógicos, 
Sensores {Capacitivos, Indutivos, Magnéticos, Óticos, Mecânicos, Ultrassônicos, 
Relé Térmico, Fluxo, Nível, Temperatura}
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UFPA/ITEC/FCT
2021.3 - Automação Industrial
Prof. Ilan Correa
Sensores e atuadores industriais
Introdução
● Sensores e atuadores: elementos essenciais para monitoramento, automação e controle
● Sensores
○ Permitem ao sistema de controle obter uma leitura atualizada do estado planta 
○ Selecionar qual a ação mais adequada para a presente situação.
○ Uso de sensores
■ detecção de presença, verificação do posicionamento correto de peças
● corte, usinagem, perfuração, prensagem, estampagem, transporte, contagem, empacotamento, e 
proteção do operador ou do equipamento, etc
○ Sensores do tipo botão de pressão (botoeiras) 
■ Utilizados pelos operadores para dar início ao processo de partida e parada de máquinas, a partir de quadros de 
comando locais ou remotos
○ Sensores para detecção de presença e posição: chaves de fim de curso e os sensores indutivos, capacitivos, óticos e
○ ultra-sônicos
● Atuadores
○ Elementos de força, através do quais será realizado trabalho na planta.
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Sensores e atuadores industriais
Introdução
● Sensores
○ Mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física
■ Fornece diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza
■ Quando expostos a um fenômeno físico (temperatura, pressão, força) produz um sinal de saída que pode ser 
processado pelo sistema.
○ Exemplo:
■ Um sensor de pressão é especificado como produzindo uma saída em forma de corrente de 4 a 20 mA DC, ou 
tensão de 0 a 10 V DC, para uma variação de pressão de 0 a 725 psi.
■ Um sensor produz uma uma saída discreta na forma ON ou OFF quando a grandeza física ultrapassa um 
determinado valor
● Podem ser chamados de chaves (uma determinada pressão aciona a chave)
● Chaves de fim de curso, botoeiras
● Sensor lógico
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Sensores e atuadores industriais
Introdução
● Sensores lógicos
○ Indicam ou não a ocorrência de um evento
○ Indicação lógica na forma de um contato elétrico:
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Pressão aumenta até sensibilizar o sensor
Pressão diminui até desativar o sensor
Zona morta ⇒ região sem mudança de 
estado do sensor ⇒ evitar chaveamento 
frequência de estado
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Introdução
● Sensores lógicos
○ Indicam ou não a ocorrência de um evento
○ Indicação lógica na forma de um contato elétrico:
○ Saída de contato seco: 
■ Representada por dois terminais que ocasionalmente são “curto circuitados” por um evento
■ Normal Aberto (NA): os contatos inicialmente encontram-se desconectados. O evento conecta os contatos 
● chegada ao fim de curso de um pistão, abertura ou fechamento de uma porta, etc.
■ Normal Fechado (NF), onde os terminais inicialmente encontram-se conectados, mas que são desconectados 
quando ocorre um evento.
■ Exemplos: Botão/Botoeira, capacitivo, indutivo, etc.
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Sensores e atuadores industriais
Introdução
● Sensores lógicos
○ Indicam ou não a ocorrência de um evento
○ Indicação lógica na forma de um contato elétrico:
○ Saída de corrente contínua: 
■ Alimentados por uma fonte
■ Utiliza transistor para chavear (ligar e desligar) a carga conectada ao sensor.
● transistor PNP ou NPN
■ Diferentemente da saída de contato seco, saída baseada em transistores não são bidirecionais ⇒ requer 
polarização
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SensorFonte
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Introdução
● Sensores lógicos 
○ Encapsulamentos
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Cilíndrico Retangular Fenda
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Introdução
● Sensores lógicos
○ Conexões elétricas
■ AC ou DC
■ Dois fios: carga em série com o sensor
■ Três fios: carga acionada por uma chave independente
■ RS ⇒ chave de proteção
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Introdução
● Sensores de proximidade
○ Posicionamento
○ Contagem
○ Detecção de distância
○ Geração de pulsos
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Sensores e atuadores industriais
Sensores Capacitivos
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Sensores lógicos capacitivos
● Sensores capacitivos
○ Podem ser utilizados para detecção de proximidade ou como constituintes de outros sensores
● Operação
○ Variação do campo elétrico
○ Capacitância depende da geometria do sensor, 
■ inversamente proporcional a distância entre as placas e; 
■ diretamente proporcional à área das placas 
■ ou material dielétrico ou condutor que provoque mudança na constante dielétrica do meio
○ Os sensores capacitivos são mais utilizados para detectar a presença de objetos dielétricos.
○ Aplicação: metal, papel, vidro, madeira, líquidos, materiais granulados
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K ⇒ constante dielétrica
A ⇒ área
d ⇒ distância
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Sensores lógicos capacitivos
● Sensores capacitivos
○ Podem ser utilizados para detecção de proximidade ou como constituintes de outros sensores
● Sensores blindados e não-blindados
○ Não-blindados: mais baratos, maior dispersão do fluxo elétrico ⇒ menor alcance, objetos com alta constante dielétrica
○ Blindados: menor dispersão ⇒ adequados para objetos com constante dielétrica mais baixa.
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Sensores lógicos capacitivos
● Sensores capacitivos
○ Podem ser utilizados para detecção de proximidade ou como constituintes de outros sensores
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Sensores e atuadores industriais
Sensores Indutivos
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Sensores lógicos indutivos
● Sensores indutivos
○ Construção: bobina em um núcleo de ferrite, um oscilador, um detector de nível de sinais de disparo e circuito de saída.
○ Princípio da indução eletromagnética
○ Oscilador e bobina produzem um campo magnético fraco. 
○ Presença do objeto causa perturbação no campo ⇒ diminuição da amplitude da oscilação e causando uma queda de 
tensão
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Sensores lógicos indutivos
● Sensores indutivos
○ Podem possuir blindagem
○ Histerese necessária para ajudar a evitar a chaveamento 
rápido da saída ⇒ choque ou vibração do sensor ou do 
objeto
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Sensores e atuadores industriais
Sensores Magnéticos
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Sensores lógicos magnéticos
● Sensores magnéticos
○ Operação mais simples: construído com um imã com um dos 
direcionado para o objeto e uma bobina ao redor do pólo
○ Material magnético causa uma mudança no fluxo magnético ⇒ 
mudança no campo magnético na bobina ⇒ variação de tensão
○ Exemplo: detecção de velocidade de um equipamento a partir de 
pulsos gerados por um sensor magnético
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Sensores lógicos magnéticos
● Sensores magnéticos ⇒ magnetoresistividade
○ Campo magnético alta a resistência de um tipo de circuito integrado, que pode ser detectada por um circuito.
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Sensores e atuadores industriais
Sensores Óticos
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Sensores lógicos óticos
● Sensores óticos
○ baseia-sena transmissão e recepção da luz (infravermelha), que pode ser refletida ou interrompida pelo objeto a ser 
detectado.
● Características
○ Sensores óticos necessitam de um emissor (fonte de luz) e de um detector;
○ O feixe de luz é produzido no emissor utilizando-se LEDs e diodos lasers, podendo ou não estar na parte visível do 
espectro;
○ Os detectores são constituídos de fotodiodos ou fototransistores;
○ O emissor e o detector são posicionados de modo que um objeto irá bloquear ou refletir o feixe de luz para acionar a 
saída do sensor;
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Sensores e atuadores industriais
Sensores lógicos óticos
● Sensores óticos
○ Sensor óptico de barreira direta:
■ Interrupção do feixe de luz através de um objeto interposto entre o emissor e o receptor
■ Comutação da chave lógica de aberto para fechado ou vice-versa, dependendo da natureza do sensor (NA = 
normalmente aberto ou NF = normalmente fechado).
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Vantagens
● Grande faixa de operação
● Pequenos objetos podem 
ser detectados mesmo a 
longas distâncias;
● Boa precisão.
Desvantagens
● Alta sensibilidade a sujeira;
● Não pode ser utilizado para 
objetos transparentes;
● Duas conexões elétricas, já 
que emissor e receptor são 
duas partes
● distintas.
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Sensores e atuadores industriais
Sensores lógicos óticos
● Sensores óticos
○ Sensor ótico retrorreflexivo::
■ possui um único encapsulamento para o transmissor e o receptor.
■ necessário que exista um refletor do lado oposto ao sensor para garantir a recepção dos feixes de luz.
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Vantagens
● Simples instalação;
● Essa geometria permite uma 
faixa de resposta maior que o 
de barreira direta;
● O objeto pode ter certo grau 
de transparência, desde que 
haja suficiente absorção de 
luz
Desvantagens
● Necessidade de um refletor 
externo;
● Objetos totalmente 
transparentes não são 
detectados.
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Sensores lógicos óticos
● Sensores óticos
○ Sensor ótico com reflexão difusa:
■ sensor difuso não utiliza um refletor externo
■ O próprio objeto a ser detectado serve como refletor
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Vantagens
● Não é necessário um refletor 
externo, já que o próprio 
objeto é utilizado para refletir 
o feixe;
● Objetos translúcidos podem 
ser detectados;
Desvantagens
● Devido às diferentes composições 
dos materiais, temos menor 
precisão;
● É necessário ajustar um 
potenciômetro de sensibilidade 
alocado no sensor
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Sensores lógicos óticos
● Sensores óticos
○ Circuito exemplo genérico
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Sensores e atuadores industriais
Sensores lógicos óticos
● Sensores óticos
○ Maior robustez a ruídos
○ transmissor gera um trem de pulsos, cuja freqüência varia de acordo com o sensor
○ receptor possui filtro que só permite o acionamento da saída através da exata freqüência da fonte de luz.
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Sensores e atuadores industriais
Sensores Mecânicos
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Sensores lógicos mecânicos
● Sensores mecânicos
○ São aqueles em há um contato físico de algum objeto com o sensor, por exemplo, chaves de início e fim de curso.
○ O ponto forte desse tipo de sensor é a robustez tanto elétrica como mecânica
○ Não são indicados para aplicações que exijam alta freqüência de comutação do sensor, limitados quando se exige 
tempos de resposta menores que 1 ms.
● O sensor eletromecânico é indicado nas seguintes situações:
○ Alta corrente de manobra
○ Ambientes agressivos
○ Baixo número de manobras
○ Baixa velocidade (inferior a 400/minuto)
○ Necessidade média de precisão
○ Alta robustez elétrica e mecânica
○ Baixo custo
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Sensores e atuadores industriais
Sensores lógicos mecânicos
● Sensores mecânicos
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Sensor mecânico
Botão
Sensor mecânico
Adequado para contato com equipamento
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Sensores lógicos mecânicos
● Sensores mecânicos
○ Suporte a várias direções de movimento
do equipamento
○ Suporte a várias distâncias
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Sensores e atuadores industriais
Sensores ultrassônicos
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Sensores lógicos
● Sensores ultra-sônicos 
○ Baseia-se na emissão e reflexão de ondas sonoras entre o objeto e o receptor
○ Tempo que a onda viaja é medido e avaliado
○ Pulsos cíclicos ultra-sônicos são emitidos, refletido por um objeto, incide no receptor
● Tipos de sensores ultra-sônicos
○ Eletrostáticos: emitem pulsos periodicamente e captam seus ecos resultantes do choque das emissões com objetos 
situados no seu campo de ação
○ Piezoelétricos: constituídos de materiais que geram energia elétrica quando tencionados mecanicamente, comumente 
utilizados para medir deslocamentos dinâmicos (como a passagem de um automóvel)
● Vantagens
○ Capacidade de detectar qualquer tipo de material, independentemente da forma, constituição e cor
○ Não é suscetível a interferências provocadas por poeira, umidade e atmosferas agressivas
○ Distância sensora é em geral de 100 mm a 1 m
● Desvantagem
○ Necessidade do alinhamento angular, relativa baixa velocidade e custo alto em relação aos demais
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Sensores e atuadores industriais
Relé térmico
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Sensores lógicos
● Relé térmico
○ Dispositivo para proteção de motores contra 
correntes excessivas que podem causar danos
○ Não são relés → sensores de detecção de corrente 
elétrica
○ Detecção de possível sobrecarga de um motor
■ Se a corrente de um motor é maior do que a 
corrente nominal por um determinado 
período, a operação do motor é interrompida
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Sensores e atuadores industriais
Sensores lógicos
● Relé térmico - símbolo
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Sensores e atuadores industriais
Sensores de fluxo
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Sensores e atuadores industriais
Sensores de fluxo
● Detecção de presença e fluxo de líquidos em canos e reservatórios
○ Sistemas de resfriamento, Transporte de líquidos, etc
○ Detecção de corte de fornecimento de líquido
■ Exemplo: Para de funcionamento de uma bomba devido sobrecarga (relé térmico) ⇒ sensor de fluxo acusa para 
o sistema de controle tal parada
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Sensores e atuadores industriais
Sensores de fluxo
● Detecção de presença e fluxo de líquidos em canos e 
reservatórios
● Detecção de fluxo baseada em “remo” ⇒ sensor 
mecânico
○ O fluxo de líquido move um remo, que aciona uma chave
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Sensores e atuadores industriais
Sensores de fluxo
● Detecção de presença e fluxo de líquidos em canos e reservatórios
● Detecção de fluxo baseado em dispersão térmica
○ Aplicação: fluxo de líquido e gás
○ Vantagem: sem partes móveis
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Dois resistor detectores de 
temperatura (RTD)
Em é aquecido e outro não
Com fluxo ⇒ diferença de 
temperatura entre os 
RTDs é menor
Sem fluxo ⇒ diferença de 
temperatura entre os 
RTDs é maior
Sensores e atuadores industriais
Sensores de nível
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Sensores e atuadores industriais
Sensores lógicos
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível eletrônico para líquidos condutivos
○ Emprega eletrodos imersos no líquido para detectarse o líquido encontra-se entre dois níveis
○ Líquidos condutivos: água, suco de frutas, leite, cerveja, esgoto, ácido, soluções alcalinas
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Sensores e atuadores industriais
Sensores lógicos
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível eletrônico para líquidos condutivos ⇒ construção exemplo
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Operação baseada em 
três eletrodos com tensão 
alternada
Circuito de redução de 
tensão
Circuito para acionamento 
da chave
Detecção de corrente 
entre os eletrodos
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Sensores e atuadores industriais
Sensores lógicos
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível eletrônico para líquidos condutivos ⇒ construção exemplo
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Circuito de detecção 
ajustável de acordo com o 
líquido
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Sensores lógicos
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível capacitivo
○ Aplicável para materiais não condutivos
○ Dois eletrodos: um eletrodo sensível e outro conectado ao terra
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Eletrodos formam um 
capacitor
Recipiente vazio ⇒ 
dielétrico ar
Recipiente cheio ⇒ 
dielétrico líquido
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Sensores lógicos
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível ultrassônico
○ Pode ser usado como medidor de nível ou como chave de nível
○ Tempo entre o sinal transmitido e a recepção da reflexão
○ Onda sonora na faixa de 30 kHz a 200 kHz
○ Detecção de distância a vários metros 
○ Saída proporcional à distância ⇒ e.g., 4 a 20 mA
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UFPA/ITEC/FCT
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Sensores e atuadores industriais
Sensores de nível
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível ultrassônico ⇒ construção
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Construção baseada na 
reflexão
Construção baseada em 
transmissor e receptor
Líquido afeta a energia 
sonora recebida 
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Sensores e atuadores industriais
Sensores de nível
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível baseado em radar
○ Sinal eletromagnético emitido em direção ao líquido
○ Frequência do sinal na faixa de GHz
○ Transmissor emite frequências diferentes em cada instante de tempo ⇒ medição do tempo é feita pela comparação da 
frequência recebida naquele instante e a que deve ser transmitida
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Sensores de nível
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível baseado em radar ⇒ Construção
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Sensores de nível
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível baseado em bóia
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Sensores de nível
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível baseado em ótica
○ Detecção de nível de líquidos transparentes
○ Princípio de funcionamento baseado na refração de luz infravermelha 
○ Compacto ⇒ adequado para medição em pequenos dispositivos 
■ Máquinas de vendas de bebidas, remédios
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Sensores de nível
● Sensores de nível
○ Dispositivo de construção variada, podendo ser eletrônico ou mecânico
○ Detecção se o nível de um líquido ou materiais granulares está em uma determinada altura
○ Aplicação em tanques 
● Sensor de nível baseado em ótica ⇒ Construção
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Ausência de líquido ⇒ 
reflexão da luz Presença de líquido ⇒ 
refração da luz
Sensores e atuadores industriais
Chave de temperatura
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Chave de temperatura
● Temperatura: fenômeno de interesse ou não em ambiente industrial
○ Sistemas que necessitam de aquecimento ⇒ fenômeno desejado
○ Fricção, sobrecarga, etc ⇒ fenômeno indesejado
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Chave de temperatura
● Temperatura: fenômeno de interesse ou não em ambiente industrial
○ Sistemas que necessitam de aquecimento ⇒ fenômeno desejado
○ Fricção, sobrecarga, etc ⇒ fenômeno indesejado
● Chave baseada em dois metais para detecção de temperatura
○ Metais com diferente características de deformação com a temperatura
○ Calor causa deformação no material resultando em abertura do contato
○ Sensor barato
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Sensor de temperatura
● Temperatura: fenômeno de interesse ou não em ambiente industrial
○ Sistemas que necessitam de aquecimento ⇒ fenômeno desejado
○ Fricção, sobrecarga, etc ⇒ fenômeno indesejado
● Termo acoplador
○ Baseado no efeito Seebeck: uma pequena tensão (alguns milivolts) é produzida entre dois terminais se há diferença de 
temperatura entre duas partes do sensor. 
○ Junção quente e Junção fria
○ Sinal fraco ⇒ necessidade de amplificação
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Sensor de temperatura
● Temperatura: fenômeno de interesse ou não em ambiente industrial
○ Sistemas que necessitam de aquecimento ⇒ fenômeno desejado
○ Fricção, sobrecarga, etc ⇒ fenômeno indesejado
● Resistência sensível à temperatura (RTD), termistor 
● Sensor de temperatura baseado em infravermelho
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Bibliografia
William C Dunn; Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control; McGraw-Hill Education; Second 
edition, 2018
James A. Svoboda, Richard C. Dorf; Introduction to electronic circuitos; Wiley; 9th Edition; 2013
Material do professor Walter Barra
Stamatios Manesis, George Nikolakopoulos; Introduction to Industrial Automation; CRC Press; 1st Edition; 2018
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