(Microsoft PowerPoint - Aula V

Aula V – Medição de Variáveis
Mecânicas
Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Disciplina: Instrumentação e Automação Industrial I (ENGF99)
Professor: Eduardo Simas ([email protected])
Sensores Discretos
•
Sensores discretos são caracterizados por apresentarem apenas dois tipos de saída:
– Ligado;
– Desligado.
•
Os sensores são ditos discretos (ou digitais) pois os valores zero (0) e um (1) podem ser
atribuídos respectivamente aos estados desligado e ligado.
•
Os sensores de proximidade são os sensores discretos mais utilizados e indicam a
presença ou ausência de objetos.
•
Os principais tipos de sensores de proximidade são:
– Chaves de fim de curso;
– Capacitivos;
– Indutivos;
– Óticos;
– Ultrassonicos.
2
Sensores – Classes de Proteção
•
O código de proteção (IP) é padronizado internacionalmente deve ser considerado
na especificação do sensor de acordo com o local de instalação.
3
Sensores Discretos – Chaves de Fim de Curso
•
Chave eletro-mecânica que muda de estado quando acionada:
•
Utilizada para indicar o final de um deslocamento.
•
Ativada por contato mecânico entre o objeto e a chave.
4
Sensores Discretos – Chaves de Fim de Curso
•
Pode ser normalmente aberta (NA) ou normalmente fechada (NF).
5
Sensores Discretos – Chaves de Fim de Curso
•
Exemplos de chaves de fim de curso:
6
Sensores Discretos – Chaves de Fim de Curso
•
Exemplos de aplicação:
– Desligamento do motor de uma esteira quando o objeto transportado chega
no ponto de coleta.
– Ligamento de uma bomba quando uma bóia atinge o nível mínimo permitido
para o tanque.
•
Caso a chave esteja ligada em série com as cargas a serem acionadas, que tipo de
chave (NA ou NF) deveriam ser utilizadas nos problemas anteriores?
Alimentação
Vc
Chave
Carga a ser
acionada
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Sensores Indutivos
– Um sinal elétrico senoidal é gerado por um oscilador e
alimenta um circuito indutivo.
– O indutor transforma o sinal elétrico em um campo
magnético, que é irradiado pela face sensora.
– A presença de um objeto metálico nas proximidades da face
sensora altera o campo magnético.
– Com a aproximação do objeto metálico são geradas
correntes induzidas contrárias às oscilações, diminuindo o
nível do sinal de saída.
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Sensores Indutivos
•
Variação do sinal de saída com a
aproximação do objeto metálico:
– Quanto mais próximo o objeto,
menos a amplitude da saída.
9
Sensores Indutivos
•
A distância sensora útil é influenciada por características de construção e
industrialização, e pelas condições de operação (temperatura, umidade).
•
Na instalação de mais de um sensor indutivo, manter uma distância mínima para
evitar interferência dos campos magnéticos dos diferentes sensores.
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Sensores Capacitivos
•
Os sensores de proximidade capacitivos são dispositivos capazes de detectar a
presença de objetos plásticos, líquidos, orgânicos e também os metálicos
detectados pelos sensores indutivos.
•
Eles funcionam gerando um campo eletrostático criado por um oscilador
controlado por capacitor, e detectando mudanças neste campo causadas por um
alvo que se aproxima da face ativa.
•
Quando o objeto a ser detectado se aproxima da face sensora ele aumenta a
capacitância do circuito, fazendo com que o sensor comute seu estado, de
“aberto” para “fechado” e vice-versa.
Face
Ativa
11
Sensores Capacitivos
•
Quanto maior o tamanho e a constante dielétrica de um alvo, maior é o aumento
da capacitância. Quanto menor for a distância entre a ponta de compensação e o
alvo, também maior será a capacitância.
•
Os sensores blindados são mais indicados para a detecção de materiais de
constantes dielétricas baixas (difíceis de detectar), devido a seu campo
eletrostático altamente concentrado. Entretanto, isto também os torna mais
suscetíveis a comutação falsa devido à acumulação de sujeira ou umidade na face
ativa do detector.
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Sensores Ópticos - Elementos Eletro-ópticos
•
Antes de conhecermos os sensores ópticos propriamente ditos, vamos entender o
funcionamento dos elementos eletro-ópticos:
– LED (Diodo Emissor de Luz): emite luz quando submetido a uma tensão
elétrica.
– LDR (Ou foto-resistor): componente cuja resistência elétrica varia com a
incidência de luz, apresenta resposta lenta.
Exemplo de aplicação: acendimento automático de lâmpadas.
13
Sensores Ópticos - Elementos Eletro-ópticos
•
Foto-diodo:
– Diodo semi-condutor cuja junção está exposta à luz.
– A energia luminosa desloca elétrons reduzindo a barreira de potencial levando
o dispositivo à condução quando polarizados reversamente.
– Usado como sensor em controle remoto, leitores de código de barras, scanner,
toca CD, etc.
14
Sensores Ópticos - Elementos Eletro-ópticos
•
Foto-diodo:
15
Sensores Ópticos
•
O sinal de luz transmitido é modulado em uma certa freqüência fc, e no receptor
é acoplado um filtro que somente considera sinais com a mesma freqüência,
evitando interferência de outras fontes luminosas.
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Sensores Ópticos
•
Funcionamento de um sensor óptico:
17
Sensores Ópticos
•
Terminologia utilizada em sensores ópticos:
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Sensores Ópticos por Retro-reflexão
•
•
•
Emissor e receptor estão montados no mesmo corpo.
Se o sinal refletido é interrompido, o sensor muda de estado.
Objetos transparentes, refletores ou brilhantes podem não ser detectados
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Sensores Ópticos por Transmissão (tipo barreira de luz)
•
•
•
Emissor e receptor estão montados em dispositivos separados.
A presença de um objeto entre a barreira de luz provoca o acionamento do sensor.
Objetos transparentes podem não ser detectados.
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Sensores Ópticos por Reflexão Difusa
•
•
Emissor e receptor estão montados no mesmo corpo.
A luz do emissor, quando refletida pelo objeto, ativa o sensor.
21
Sensores Infra-vermelhos
•
Funcionamento semelhante aos sensores ópticos, porém com aplicação em
alarmes e automação predial.
•
O sensor infravermelho passivo é apenas um receptor de infravermelho, e
consegue captar o calor humano a uma distancia entre 15 e 25m.
Sensor infra-vermelho ativo:
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Sensores Infra-vermelhos
•
Sensor infra-vermelho passivo:
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Sensores Ultra-sonicos
•
•
Os sensores ultra-sônicos têm alcance maior que os ópticos (podendo chegar a
15m).
São menos sujeitos a interferência externa que os sensores ópticos.
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Sensores Ultra-sonicos
•
a)
b)
c)
d)
Aplicações de sensores ultra-sônicos:
Medidas de diâmetro;
Detecção de objetos;
Presença de pessoas;
Medição de densidade.
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Exercícios de Fixação
1.
Compare os sensores indutivos, capacitivos, ópticos e ultra-sonicos quanto aos materiais a serem
detectados, acoplamento ao objeto, princípio de funcionamento.
2.
Por que os sensores ópticos estão mais sujeitos a interferências que os sensores ultra-sônicos?
3.
Considerando um sensor óptico típico, explique o funcionamento dos seguintes blocos: oscilador, préamplificador, analisador de freqüência, discriminador.
4.
Considerando as duas classes de sensores ópticos mostrados nas especificações em anexo, escolha aquele
que melhor atende às especificações a seguir:
a. Alcance 5m, tempo de resposta menor que 3ms, deve detectar objetos translúcidos de 10mm de
diâmetro, operação NF, proteção contra penetração de pó e jatos dágua fortes.
b. Operação imerso em água sob determinadas condições de pressão e temperatura, distância sensora
de 15m, objeto a ser detectado é opaco, freqüência de chaveamento 40Hz.
c. Operação imerso em água sob determinadas condições de pressão e temperatura, distância sensora
de 5m e objeto translúcido a ser detectado.
5.
Desenhe as conexões utilizadas para instalação em CLP dos sensores escolhidos na questão 4,
considerando que os mesmos vão comandar uma carga genérica Zc.
6.
Sabendo que uma onda de ultra-som se desloca com velocidade de aproximadamente 340,3m/s, e que um
sensor foi instalado a 1m de distância de uma esteira, qual o intervalo de tempo que o sinal leva para
retornar ao transmissor quando
a. A esteira está vazia
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b. Há um objeto de 30cm de altura sobre a esteira.
27
28
Instalação de Sensores
•
Na instalação, deve-se levar em conta fatores particulares dos diferentes tipos de
sensores e locais de instalação.
•
São características que devem ser analisadas por exemplo:
– Distância efetiva de ativação;
– Material a ser detectado;
– Alinhamento dos sensores;
– Interferência.
•
As conexões elétricas dos sensores também precisam ser escolhidas a partir das
especificações de projeto.
29
Instalação de Sensores
Distância efetiva de acionamento:
•
Uma das especificações dos sensores discretos é a distância nominal de
acionamento.
•
A depender das condições de instalação e das características físicas (cor, textura,
material, tamanho, etc.) do objeto a ser detectado a distância efetiva de
acionamento pode ser diferente da nominal.
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Instalação de Sensores
Distância efetiva de acionamento:
•
Características que influenciam a distância nominal de acionamento a depender
do tipo de sensor:
Os
sensores
indutivos
– Indutivo: tipo de material metálico, interferência;
sofrem interferência de
outros sensores instalados
nas proximidades.
– Capacitivo: constante dielétrica do material, sujeira;
Materiais com constante
dielétrica mais alta (mais
isolantes) são mais facilmente detectados.
– Óptico: cor, opacidade, refletividade, transparência, sujeira, dimensões do
objeto.
Os sensores ópticos (especialmente os do tipo
barreira precisam ser alinhados durante a instalação
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Instalação de Sensores
Conexões elétricas de 3 a 4 fios:
•
Nos sensores de 3 fios existe apenas uma possibilidade de contato (NA ou NF).
•
Em sensores a 4 fios existem os dois tipos de contatos, que podem ser
selecionados a partir dos terminais de conexão.
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Instalação de Sensores
Conexões elétricas
• Há um padrão de cores normalmente utilizado para as conexões elétricas dos
sensores:
– Alimentação positiva (+) : marrom ou vermelho
– Alimentação negativa (- ou GND): azul
– Contato NA: preto
– Contato NF: branco
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Instalação de Sensores
Sensores NPN e PNP:
•
A depender do tipo do sensor (NPN ou PNP) as cargas devem ser conectadas de
forma diferente.
•
Sensores PNP têm em seu estágio de saída um transistor PNP, e a carga deve ser
conectada entre os terminais NA ou NF e negativo.
•
O sensor NPN tem em seu estágio de saída um transistor NPN, e a carga deve ser
conectada entre os terminais NA ou NF e positivo.
34
Instalação de Sensores
•
Exemplos de sensores em uso:
Que tipo de sensor é esse?
Capacitivo ou indutivo ?
35
Instalação de Sensores
•
Exemplos de sensores em uso:
Capacitivo !
36
Instalação de Sensores
•
Conexão ao CLP de um sensor a 4 fios:
37
Instalação de Sensores
•
Conexão ao CLP de um sensor a 4 fios:
38
Acionamento de Cargas AC
•
•
•
Os sensores e controladores discretos (ou digitais) não são capazes de prover tensão de
saída alternada (AC), mas apenas um sinal de corrente contínua de baixa potência.
Para fazer o acionamento de cargas de corrente alternada é preciso usar dispositivos
auxiliares que façam a conexão do sinal de saída discreto com uma fonte de tensão
alternada.
Um destes dispositivos é o Relé eletromecânico:
Nos terminais da bobina são
conectados o sinal de comando dos
sensores ou controladores.
Nos terminais dos contatos e no
terminal comum são conectados a
fonte de tensão AC.
A existência de tensão nos terminais
da bobina gera um campo magnético
que movimenta a armadura mudando
a posição dos contatos mecânicos.
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Exercícios de Fixação
1. Quais os fatores que influenciam a distância efetiva de ativação de sensores de
presença?
2. Quais os cuidados que devemos ter na instalação de sensores capacitivos,
indutivos e ópticos?
3. Indique as conexões elétricas que devem ser feitas nos bornes do CLP (considere
um S7 200 da Siemens) e os tipos de sensores que podem ser utilizados para o
seguinte sistema de controle.
a. Uma lâmpada deve ser acionada a partir da identificação da presença de uma
peça plástica.
OBS: faça dois tipos de ligações uma para sensores PNP e outra para NPN.
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Medição Dimensional
•
Um dos instrumentos mais utilizados para medição dimensional é o paquímetro:
Paquímetro
analógico:
Paquímetro
Digital:
41
Medição Dimensional
•
Medição dimensional utilizando visão computacional: atualmente é possível
realizar medição dimensional de modo automático utilizando técnicas de
processamento digital de imagem (também chamadas de técnicas de visão
computacional).
42
Medição de Deslocamento / Velocidade
•
A medição de velocidade em geral é realizada por sensores que, na prática,
medem deslocamento. A velocidade é calculada dividindo-se o deslocamento pelo
tempo:
= ∆ /∆
Exemplos de medidores de deslocamento:
•
Relógio Comparador:
43
Medição de Deslocamento / Velocidade
•
Potenciômetro: é um resistor variável que pode ser acoplado ao elemento a ser
monitorado. A variação na posição implica numa variação na resistência que pode
ser medida a partir de um circuito elétrico.
44
Medição de Deslocamento / Velocidade
•
LVDT (Linear Variable Differencial Transformer): funciona de modo análogo ao
potenciômetro, uma tensão elétrica proporcional ao deslocamento é gerada. A
principal vantagem é a maior durabilidade, pois há um menor atrito mecânico.
45
Medição de Deslocamento / Velocidade
•
Encoder: dispositivo utilizado para medir deslocamento e velocidade a partir da
contagem de pulsos digitais.
Estrutura interna:
Sinais produzidos:
46
Medição de Deslocamento / Velocidade
Tipos de Encoder:
•
Encoder Incremental – a posição é obtida em a partir da contagem de pulsos a partir
do pulso inicial. No caso de uma queda de energia do sistema, a informação da
posição atual é perdida e o sistema deve retornar à posição de referência para o
reinício da contagem
• Encoder Absoluto – há uma
codificação mais sofisticada na
estrutura do sinal gerado
(existem mais pulsos, não apenas
o A e B do encoder incremental),
que permitem a localização a
partir de qualquer posição inicial.
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Medição de Deslocamento / Velocidade
•
Tipos de Encoder:
•
Encoder Linear
•
Encoder Angular
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Medição de Deformação
•
Um corpo quando sujeito a forças de tração ou compressão sofre uma deformação
que pode ser calculada por:
=
•
∆
A deformação pode também ser expressa em função da tensão aplicada (S) e do
módulo de elasticidade do material (E):
=
•
Sendo S = F/A (F- força aplicada e
A – área da seção transversal do material).
Atualmente, o sensor mais utilizado para medição de deformação é o strain-gage
(ou extensômetro). O extensômetro é um resistor cuja resistência elétrica varia se
ele for deformado.
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Medição de Deformação
•
Diagrama de um extensômetro:
•
O extensômetro é colado ao objeto:
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Medição de Deformação
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Medição de Deformação
Exemplos de aplicações de extensômetros:
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Medição de Deformação
Exemplos de aplicações de extensômetros:
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Medição de Força
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Medição de Força
•
A estimação da Força aplicada sobre um material pode ser realizada a partir da
medição da deformação.
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Medição de Vibração
•
•
•
•
A medição de vibração é importante para a caracterização de diversos fenômenos
físicos.
Uma aplicação importante no ambiente industrial é o monitoramento de
equipamentos elétricos e eletromecânicos.
Entre os principais sensores de vibração pode-se destacar: os proxímetros, os
sensores sísmicos de velocidade e os acelerômetros.
Proxímetros - são sensores de deslocamento que medem a distância entre o
dispositivo e uma superfície condutora. A proximidade entre o transdutor e a
superfície causa interferência no campo magnético, gerando uma variação na
saída. Como a saída do proxímetro é uma função não-linear da distância entre a
ponta de prova e a superfície condutora, é necessário o uso de um circuito
linearizador. Funcionam apenas em baixas frequências.
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Medição de Vibração
•
Sensores Sísmicos de Velocidade - compostos de uma massa magnética presa a uma
mola e envolta por um enrolamento de fio, com todo esse conjunto imerso em óleo. O
movimento da massa gera um campo eletromagnético e consequentemente diferença
de potencial nos terminais do enrolamento. Apresentam grandes dimensões se
comparados aos acelerômetros piezo-elétricos. São sensíveis a efeitos de eixos
transversos: montado verticalmente, também é afetado por um movimento horizontal.
Sua resposta em frequência vai até 2000Hz.
•
Acelerômetros - utilizam uma massa fixada a um cristal piezo-elétrico. Quando o
dispositivo vibra, uma carga proporcional à força aplicada no cristal é gerada, como a
massa permanece sempre constante, tem-se uma corrente proporcional a aceleração.
Só capta vibração numa direção. Caso seja necessário, o sinal pode ser integrado uma
vez para obter-se a velocidade e duas para o deslocamento. Apresentam dimensões
reduzidas e baixas correntes de polarização, os cabos de conexão podem ter até 50m,
sem gerar atenuações consideráveis no sinal. Alguns modelos apresentam resposta em
frequência linear de 5Hz até 20kHz, sendo o tipo de sensor de vibração mais utilizado
por sua praticidade e resposta em frequência.
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Medição de Vibração
•
•
Em medições de vibração, deve-se ter muito cuidado com a fixação do sensor de
forma a mantê-lo bem fixado na estrutura ou objeto a ser monitorado.
Com uma fixação incorreta pode-se perder informação, principalmente as
componentes de alta frequência.
Exemplo de Especificações de um acelerômetro:
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Medição de Vibração
•
Exemplo de um procedimento de medição de vibração num equipamento elétrico
(transformador):
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Exercícios de Fixação
1. ...
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