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Fundamentos de Automação
Sensores
CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Prof.: Maurício Soares Ortiz
Ministério da educação - MEC
Secretaria de Educação Profissional e Técnica – SETEC
Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do
Rio Grande do Sul – Campus Rio Grande
Curso de Automação Industrial
Disciplina de Fundamentos de Automação – Prof. Maurício Ortiz 2
Sensores
São dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma
grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal
que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma
forma de energia, são chamados transdutores.
Sua aplicação abrange medição de:
temperatura,
pressão,
umidade,
aceleração,
direção,
ângulos,
fluxo,
nível,
deslocamento,
presença,
posição,
força,
torque, etc.
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Sensores Analógicos e Sensores Digitais
Os sensores que convertem um sinal físico em sinal elétrico podem ser divididos,
de acordo com o tipo de sinal de saída, em sensores analógicos e digitais.
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Sensores Analógicos e Sensores Digitais
Sensores Analógicos – os sensores analógicos geram um sinal elétrico de saída
de acordo com a mudança contínua do valor da variável física. Esta relação não
necessariamente é linear, mas sempre indica o valor da variável física. Sensores
analógicos sempre oferecem mais informações que sensores digitais;
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Sensores Analógicos e Sensores Digitais
Sensores Digitais – os sensores digitais geram dois diferentes sinais de saída,
ou seja, “on” ou “off”. A mudança de um estado para outro ocorre para um valor
específico da variável física, e este valor pode normalmente ser ajustado.
Exemplo: Na Indicação de febre: um sensor Analógico informa a temperatura
da febre, um sensor Digital informa o estado febril.
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Principais sensores de grandezas industriais Com Contato Fim-de-curso
Efeito hall
Indutivos
Sensores de Presença Capacitivos
Barreira
Sem contato Ópticos Reflexão
Difusão
Ultra-sônico
Potenciômetro
Indutivo
Óptico
Sensores de Posição Ultra-sônico
LVDT
Resolver Amplitude
Defasamento
Encoder
Sensores de Força Strain-gauge
e Pressão Piezoelétricos
RTD
Sensores de Temperatura Termistores
Termopares
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Classe de Proteção de Sensores
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Tipos de Sensores
Sensores Indutivos
Utilizam princípio de funcionamento de um indutor, elementos compostos
de um núcleo de material ferromagnético envolvido por uma bobina que
gera um campo magnético quando submetida à corrente elétrica (I).
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Tipos de Sensores
O sensor indutivo é formado por um indutor, com um núcleo aberto. Esta
abertura é chamada de entreferro.
Com o núcleo aberto, o campo magnético tem que passar pelo ar, portanto sua
intensidade é menor. Quando uma peça metálica é aproximada do núcleo do
Indutor, o campo magnético passa pela peça, aumenta a sua intensidade,
variando a indutância e consequentemente ativando a saída do sensor.
Sensores Indutivos
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Tipos de Sensores
Sensores Indutivos
A distância sensora nominal varia com o tipo de metal, ou seja, é
especificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator
de correção para outros materiais.
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Sensores – Características Básicas
É a distância sensora teórica, a qual utiliza o alvo padrão como
acionamento e não considera as variações causadas pela
industrialização, temperatura de operação e tensão de alimentação. O
valor em que os sensores de proximidade indutivos são especificados.
Distância sensora nominal (Sn)
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Sensores – Características Básicas
Valor influenciado pela industrialização, especificado em
temperatura ambiente (20°C) e tensão de operação nominal possui
desvio de 20% sobre a distância sensora nominal.
0,9 Sn < = Sr < = 1.1 Sn
Distância sensora real (Sr)
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Sensores – Características Básicas
Valor influenciado pela temperatura de operação, e possui um
desvio máximo de 10% sobre a distancia sensor real (Sr).
0,9 Sr < = Su < = 1,1 Sr, ou seja, 0,81 Sn, = Su< = 1,21 Sn
Distância sensora efetiva (Su)
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Sensores – Características Básicas
É a distância em que seguramente pode-se operar considerando-se
todas as variações de industrialização e variação de temperatura.
0 < = As , = 0,81 Sn
Distância sensora operacional (As)
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Sensores – Características Básicas
É a característica do efeito existente entre o acionamento de
desacionamento do sensor quando o alvo metálico se aproxima da face
sensora e se afasta da face sensora. Este efeito é expresso em
porcentagem da distância sensora (exemplo = 3%).
É importante que exista a histerese entre o ponto de acionamento e
desacionamento do sensor para que no caso de uma possível vibração
do sensor ocasione uma oscilação na saída do acionador.
Histerese
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Tipos de Sensores
Aplicações
Sensores Indutivos
Simbologia
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Tipos de Sensores
Sensores Capacitivos
Utilizam o princípio de funcionamento de um capacitor, elemento capaz de
armazenar cargas elétricas. Desta forma, no sensor capacitivo, 2 placas são
colocadas uma ao lado da outra, isoladas eletricamente pelo ar, que possui
constante dielétrica (ε) =1, portanto com valor de capacitância muito baixo.
Quando algum objeto, que normalmente possui (ε) >1 é aproximado do
sensor, o campo magnético gerado pela atração entre as cargas passa por
este objeto, a capacitância aumenta, acionando a saída do sensor.
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Tipos de Sensores Sensores Capacitivos
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Tipos de Sensores
Simbologia
Aplicações
Presença, Nível e Contagem
Sensores Capacitivos
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Tipos de Sensores
Sensores Óticos
Também conhecidos por sensores fotoelétricos, manipulam a luz de forma a
detectar a presença de objetos.
Baseiam-se na transmissão de luz através de um led (diodo emissor de luz) ou
uma lâmpada. O receptor de luz é um componente foto-sensível. Quando o
objeto é aproximado do sensor ótico, este objeto reflete a luz do emissor para o
receptor, emitindo um sinal.
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Tipos de Sensores
Sensores Óticos - modelos
Os sensores óticos são capazes
de detectar vários tipos de
objetos, menos os transparentes,
ou objetos escuros (se o sensor
for o difuso)
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Tipos de Sensores
Aplicações
Sensores Óticos
Simbologia
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Tipos de Sensores
Sensores Ultra-Sônicos
Neste tipo de sensor, o emissor envia impulsos ultrasônicos sobre o objeto
analisado. As ondas sonoras voltam ao detector depois de um certo tempo,
proporcional a distância.
Princípio de Funcionamento:
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Ultra-Sônicos
Simbologia
Tipos de Sensores
Aplicações:
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Termopares
Quando um circuito formado por dois condutores metálicos diferentes e uma
das junções destes dois condutores estiverem a uma temperatura enquanto a
outra se encontrar a uma temperatura maior, uma corrente circulará pelo
circuito, sendo que a intensidade e a direção dessa corrente depende da
diferença entre as temperaturas das junções (efeito Seebeck).
A junção de menor temperatura é chamada de junção fria ou de referência, a
outra junção quente ou de medição.
O fenômeno do aparecimento de uma corrente de baixa intensidade, fluindo no
circuito contínuo dos dois metais, é chamada de corrente termoelétrica, e a
f.e.m. (força eletromotriz), causada pela diferença de temperaturas entre as
duas junções, é chamada de f.e.m. térmica
Tipos de Sensores
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Tipos de Sensores
Termopares
Circuito para leitura de temperatura utilizando um termopar:
No circuito acima, a tensão que será medida no voltímetro (mV) será proporcional
a diferença de temperatura entre a junção quente e a junção fria, mas como a
junção de referência está na temperatura ambiente, o valor lido pelo voltímetro
deve ser adicionado à temperatura ambiente, para dar o valor absoluto da
temperatura. Nos sensores são utilizados circuitos que fazem esta soma
automaticamente. Estes circuitos utilizam termo resistências (resistências que
variam com a temperatura) para medir a temperatura ambiente, e somam este
valor com o lido pelo termopar.
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Tipos de Sensores
Termopares
Existem diversos tipos de termopares, par diversas faixas de temperatura. A
tabela a seguir mostra os tipos de termopares, sua composição e faixa de
temperatura seguindo a Norma IEC 584-2.
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Tipos de Sensores
Termopares
Simbologia
Aplicações:
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Sensores RDTs (Resistance Temperature Detector)
São fabricados pelo princípio de que os materiais metálicos conduzem
eletricidade graças aos elétrons livres na banda de condução. Quando a
temperatura do metal se eleva, este libera mais elétrons para a banda de
condução, fazendo com que a resistência elétrica deste material aumente.
Dependendo do custo, precisão, durabilidade e faixa de atuação do projeto,
seleciona-se o material do sensor( Ex: cobre, molibdênio, níquel, níquel-ferro,
platina, etc..)
Um exemplo de RDT é o chamado PT-100, pois este sensor garante 100 ohms
a uma temperatura de 0ºC.
Geralmente este sensor é construído com fio enrolado em um tubo de
cerâmica ou é utilizado filme depositado em cerâmica, revestidos com uma
proteção metálica.
Tipos de Sensores
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Tipos de Sensores
Sensores de efeito Hall
Estes sensores utilizam os princípios do Efeito Hall, no qual um condutor elétrico
ao passar por um campo magnético gera um deslocamento nos elétrons internos
e com isso gera uma diferença de potencial nas extremidades do condutor.
A desvantagem em utilizar condutores metálicos para essa aplicação é que o
efeito Hall só aparece quando há variação no campo magnético.
Para utilizar o efeito Hall como sensor, são utilizados semicondutores.
As vantagens são: perceber a presença de um campo magnético, mesmo
quando este está estático, utilizar circuitos internos para reduzir a divergência
entre um sensor e outro e etc...
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Tipos de Sensores
Chaves de Mercúrio
São basicamente constituídos por uma ampola de vidro com terminais
estrategicamente posicionados e mercúrio.
Aproveitando as características do mercúrio ser um metal de boa
condutividade elétrica e ainda possuir a forma líquida, este arranjo mecânico
faz com que, dependendo da posição que a ampola for colocada, os terminais
são conectados entre si.
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Chaves Magnéticas
As chaves magnéticas são constituídas por dois ou mais contatos, sendo um
deles de material ferroso, conectado a um metal com muita mobilidade.
Ao se aproximar um imã deste sistema, o campo magnético atrai um dos
terminais da chave fechando o circuito.
Tipos de Sensores
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Sensores de gás combustível
Uma das formas de se detectar gás combustível é através de um sensor Catalítico
ou também chamado de calorimétricos. Este sensor consiste em um fio condutor
(sensor ativo) como a platina, aquecido através de efeito Joule até a temperatura
aproximada de 450ºC, encapsulado em uma espécie de esfera revestida de óxido
refratário de baixa porosidade. Este encapsulamento permite que o gás entre em
contato com o fio condutor e evita que a temperatura inflame o gás externamente.
Quando o fio aquecido faz com que o gás inflame, a temperatura do fio aumenta
ainda mais em relação ao filamento (sensor) de referência produzindo a leitura de
concentração de gases.
Tipos de Sensores
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Tipos de Sensores
Sensores de fumaça
Para se detectar fumaça, uma das formas é utilizar sensor ótico.
Utilizando um compartimento livre de luzes externas, coloca-se um transmissor e
um receptor de luz infravermelha com focos desalinhados em aproximadamente
30º. Quando é injetado fumaça neste compartimento, a luz do transmissor
infravermelho reflete na fumaça atingindo o receptor, atuando o sensor.
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Sensores de umidade
Verifica a umidade dos materiais baseado no princípio de que os mesmos
alteram sua resistência elétrica de acordo com a umidade contida em seu
Interior. Exemplo de escala do sensor de umidade:
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Tipos de Sensores
Strain Gauge
É um transdutor de força, que converte a força aplicada de tensão ou torção
em valores de resistência elétrica. Seu princípio de funcionamento está na
variação de resistência elétrica causada pela variação de seu comprimento.
Com o strain gauge é possível medir:
- força;
- torque;
- vibração;
- distorção
- pressão.