INTRODUÇÃO DE TRANSDUTORESAULA 2

Leonardo Alfredo Forero Mendoza D.Sc

AUTOMAÇÃO

Cerebro (controle)

Sensor transdutor

Variavel

Atuador

http://coral.ufsm.br/desp/geomar/automacao/Apostila_032012.pdf

PREPARAÇÃO PROJETO FINAL

Unir CLP com as outras carateristicas de um processo industrial.

O dia abril 13 cada dupla propoe um projeto

Valor 30% da prova final

AUTOMAÇÃO

Instrumentação

Transdutores

Sensores

Atuadores

INSTRUMENTAÇÃO

Consiste no conjunto de dispositivos e técnicas utilizados para monitorar e/ou controlar fenômenos físicos que ocorrem em um processo.

Para controlar um processo industrial (independente de qual o produto fabricado ou sua área de atuação) é necessária a medição e o controle de uma série de variáveis físicas e químicas, e para isso se utiliza da instrumentação.

PROCESSO INDUSTRIAL

MÓDULOS BÁSICOS DE UM SISTEMA DE MEDIÇÃO

TRANSDUTORES X SENSORES

SENSOR: é um elemento deum sistema de medição que é diretamente afetado por um fenômeno, corpo ou substância que contém a grandeza a ser medida. Pode-se citar como exemplos: O elemento de platina de um termômetro do

tipo RTD, (Resistance Temperature Detector) Rotor de uma turbina para medir vazão, Tubo de Bourdon de um manômetro, Bóia de um instrumento de medição de nível, Fotocélula de um espectrofotômetro,

SENSORES

TRANSDUTORES X SENSORES

Um transdutor é um dispositivo que converte um tipo de energia qualquer em outro tipo de energia qualquer. Tipos de energia incluem (mas não estão

limitados a essas): elétrica, mecânica, eletromagnética (incluindo luz), química, acústica ou térmica.

termopar, transformador de corrente

TRANSDUTORES

INSTRUMENTO Sensor detecta uma variável física de interesse. Ex:

pressão, temperatura, força.

Transdutor transforma essa variável em outra fácil de ser medida. Ex: transformar um sinal de temperatura em sinal elétrico.

• Muitas vezes os termos “sensor” e “transdutor” são usados indistintamente.

Nesse caso, o transdutor é o instrumento completo, que engloba o sensor e os demais componentes.

TRANSDUTORES SENSORES HUMANOS: TOQUE

Grande parte do cérebro é reservada aos dedos e lábios

TRANSDUTORES SENSORES HUMANOS: VISÃO

Visão Em termos de resolução e faixa dinâmica, o �

olho humano supera qualquer sensor eletrônico de luz disponível atualmente

� RESOLUÇÃO (pontos por mm2)

Olho 150000 � Tubo Vidicon 1500 Câmeras

TRANSDUTORES SENSORES INDUSTRIAIS Posição� Velocidade� Aceleração/Vibração� Força/Pressão� Tensão e Corrente Elétrica� Temperatura� Densidade� Viscosidade� PH

TRANSDUTOR SENSOR

Características desejáveis: Devem interferir minimamente com as variáveis do �

processo ao monitorá-las� Proceder a conversão da informação de uma

natureza para outra da forma mais fiel, repetitiva e monotônica possível

Transdutor Sensor Ideal�

Não extrai energia do mensurando Possui dimensão nula � Não possui massa � Não recebe energia de nenhuma fonte

CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES

Passivos Sensores passivos geram diretamente um sinal

elétrico em resposta a um estímulo. Não emitem radiação� � Retiram energia do processo a termoresistência requer uma entrada de

energia para excitar a resistencia

CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES

Ativos�

Sensores ativos requerem ser excitados por uma fonte externa de energia para operarem.

Esse sinal de excitação é modificado pelo sensor, em função do estímulo (mensurando), para produzir o sinal de saída.

Podem retirar ou inserir energia no processo Exemplo: o termopar produz um sinal elétrico quando é

aquecido.

CLASSIFICAÇÃO DE TRANSDUTORES SENSORES

Simples � Um transdutor é dito simples quando possui

apenas um estágio de transdução entre entrada e saída

•Simples (detector de proximidade indutivo) �Um transdutor é dito composto quando possui mais de um estágio de transdução entre entrada e a saída

CLASSIFICAÇÃO DE TRANSDUTORES SENSORES

Composto Um transdutor é dito composto quando possui �

mais de um estágio de transdução entre entrada e a saída

CLASSIFICAÇÃO DE TRANSDUTORES SENSORES celula de Carga é um transdutor que é utilizado para

converter uma pressão física em pulsos elétricos. Compostas por um corpo metálico que funciona como receptor da pressão exercida, elas são encontradas em diversos dispositivos de medição. O corpo da célula é feito de material metálico, normalmente aço carbono ou inox.

Composto (célula de carga) � Estágio 1: Elemento Elástico - converte força ou pressão em deformação mecânica

Estágio 2: Extensômetros de resistência elétrica convertem deformação mecânica em variação de resistência elétrica

Estágio 3: Converte variação de resistência em variação de tensão elétrica

PRINCÍPIOS FÍSICOS DOS TRANSDUTORES SENSORES Efeitos Mecânicos �

Deslocamento e Velocidade (molas, diafragmas, bimetais, sistemas massa mola) Efeitos Elétricos �

Variação de Resistência

Efeitos Termo-resistivos, Mecano-resistivos, Eletro-resistivos, Fotocontutivos.

� Variação de Capacitância

Variação de Indutância

Princípio do Gerador Elétrico (lei de Faraday),

Efeitos Fotoelétricos

Princípio do Pirômetro de Radiação, Efetito Fotovoltáico,...

Efeitos Termelétricos

Efeito Peltier, Efeito Thompson, Efeito Seebeck

Efeito Piezelétrico

PRINCÍPIOS FÍSICOS DOS TRANSDUTORES SENSORES Efeitos de Deslocamento e Deformações Mecânicas Relativas

Deslocamento ou mudança de dimensão em função da temperatura Mudança na pressão de gás ou vapor confinado em função da

temperatura Fusão, amolecimento ou vaporização de materiais a temperaturas

fixas As leis de Newton do movimento e da atração gravitacional A lei de conservação da energia� A lei de conservação da quantidade de movimento linear e angular� A lei de Hooke�

Em um material elástico, a deformação relativa é proporcional a tensão mecânica aplicada

Os princípios de equilíbrio estático Teorema de Bernoulli

Quando a velocidade de um fluído aumenta, sua pressão estática diminui e vice-versa

Princípio de Arquimedes Lei de Pascal

QUANTO À GRANDEZA FÍSICA RESULTANTE:

Mecânicos -Mensurando é transformado em deslocamento e movimento.

Elétricos Mensurando é transformado em tensão devido à variação de

resistência elétrica, capacitância, indutância e carga elétrica. Magnéticos

Mensurando é transformado em campo magnético. Ópticos

Mensurando é transformado em sinal óptico. Acústicos

Mensurando é transformado em frequência (ressonância) e amplitude (emissão acústica).

•Químicos Mensurando é transformado em alteração da condutividade

elétrica. •Biológicos

Mensurando é transformado em nível de atividade metabólica.

UM PEQUENO TESTE

Tenho um silo de cimento e preciso medir nivel do silo que sensor eu escolho?

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Versões : compacta e remota.

Os medidores ultra-sônicos podem ser utilizados nos mais variados materiais como:

- água, - efluentes, - líquidos inflamáveis ou corrosivos

e sólidos como :- granulados, - pós (cal, cimento,

farinha), - chips de plástico, - cavaco de madeira,

RESPOSTA

Ultra-sônico Utilizados na medição e controle de nível de

materiais líquidos ou sólidos, apresentam excelentes precisão e performance, além de não existir contato físico entre o sensor e o meio medido.

Possibilita o monitoramento de até 8 silos/tanques iguais simultaneamente utilizando 1 controlador e 8 sensores.

O excelente ângulo de incidência permite seu uso em aplicações críticas como silos/tanques de pequeno diâmetro ou com presença de gases/vapores ou pó.

DADOS TÉCNICOS-Faixa de medição : até 25 m (líquidos) / até 70 m (sólidos)- Ângulo de incidência : 5 ou 6º (*)- Material do transdutor : PP, PVDF, AISI, PTFE (líquidos) / AISI (sólidos)- Saída (versão compacta) : 4-20 mA ajustável- Saídas (versão remota) : 4-20 mA ajustável , relês ou RS232 ou 485 (opc.)- Precisão : 0.25% do fundo de escala- Temperatura : até 90 ºC (*)- Versões para áreas classificadas

DADOS TÉCNICOS-Faixa de medição : até 25 m (líquidos) / até 70 m (sólidos)- Ângulo de incidência : 5 ou 6º (*)- Material do transdutor : PP, PVDF, AISI, PTFE (líquidos) / AISI (sólidos)- Saída (versão compacta) : 4-20 mA ajustável- Saídas (versão remota) : 4-20 mA ajustável , relês ou RS232 ou 485 (opc.)- Precisão : 0.25% do fundo de escala- Temperatura : até 90 ºC (*)- Versões para áreas classificadas

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UM INSTRUMENTO

Características que definem os parâmetros relevantes da transformação do sinal de entrada para um sinal de saída (função de transferência).

A maioria dos transdutores possuem a relação entrada / saída não-linear. É necessário haver linearidade numa faixa de interesse (onde vão operar).

Torna-se necessário o uso de funções matemáticas para a linearização

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UM INSTRUMENTO

Principais características: Linearidade: esse conceito se aplica a sensores analógicos.

É a curva de saída do sensor, a partir da grandeza medida. Buscam-se respostas proporcionais às entradas, para facilitar a montagem do circuito de interface, porém nem sempre isso é possível, pois alguns tipos de sensores são não lineares. A figura abaixo mostra a diferença entre um sensor linear e um não-linear:

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UM INSTRUMENTO Faixa de medida (range): conjunto de valores da variável

medida que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento, sem destruição ou imprecisão do mesmo. Ex: um voltímetro mede de 100a300V;

Histerese: diferença entre a distância onde o sensor é ativado quando o objeto se aproxima dele e a distância na qual o sensor é desativado quando o objeto se afasta dele. Normalmente dado na forma percentual.

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UM INSTRUMENTO

Zona morta: é a máxima variação que a variável pode ter, sem provocar variações na indicação ou sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos do range do mesmo. A zona morta está incluída na histerese.

Ex: p/uma faixa de-50 C a 50 C com zona morta de 1%, o instrumento não apresentará variações de temperaturas inferiores ou iguais a 1C;

Velocidade (ou tempo) de resposta: trata-se da velocidade com que o sensor fornece o valor da variável. O ideal é que o sensor possua uma resposta instantânea, pois uma resposta lenta pode prejudicar bastante a eficiência do sistema de controle;

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UM INSTRUMENTO Frequência de operação (Hz): n. máx. de comutações

por segundo que um sensor consegue realizar.

Corrente de consumo: valor da corrente necessária ao funcionamento do sensor;

Corrente de carga: é a máx. corrente possível na saída do sensor;

Corrente de Pico: é o máx. valor de corrente consumido pelo sensor no momento da ativação;

Tensão de Ripple: máx. oscilação da tensão CC de alimentação permitida;

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UM INSTRUMENTO Acurácia (ou Exatidão): é o maior valor de erro

estático (erro do processo em regime permanente) que um instrumento pode ter ao longo de sua faixa de trabalho. Refere-se a medidas livres de erro, ou ao grau de conformidade entre o objeto medido e o padrão.

Precisão: descreve as proximidades das medidas. A proximidade dos resultados que foram obtidos experimentalmente da mesma forma.

CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES

Quanto à função: Analógico: Fornece um sinal analógico de

saída. Ex: tensão, ângulo de rotação (potenciômetro).

Discreto: fornece um sinal de natureza binária, onde os valores estão associados aos estados lógicos. Ex: chaves, encoders.

TIPOS DE TRANSDUTORES

Conforme o tipo de grandeza medida, classificam-se em:

Transdutores de temperatura; Transdutores de posição; Sensores de nivel Transdutores fotoelétricos; Transdutores de pressão; Transdutores de vazão;

TRANSDUTORES DE TEMPERATURA Os transdutores de temperatura são dispositivos que

permitem ler temperaturas desde a criogenia (temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto) à fusão, incluindo a fusão nuclear.

A forma de seleção do tipo de transdutor mais conveniente para cada aplicação é também condicionada pelo tipo de ambiente ande este irá ser aplicado.

Em termos gerais existem 3 grandes tipos de transdutores de temperatura: resistivos, termopares e termístores.

TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA (RTD)

As termoresistências ou bulbos de resistência ou termômetro de resistência ou resistance temperature detector (RTD) são transdutores que se baseiam no princípio de variação da resistência ôhmica em função da temperatura.

Estes transdutores de temperatura possuem grande exatidão e excelente repetitividade de leitura.

O primeiro a usar o termômetro de platina foi William Siemens em 1871

O material mais utilizado é a platina, a qual se padronizou, pois apresenta uma ampla escala de temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma boa linearidade da resistência versus temperatura, por ter rigidez e ductibilidade para ser transformada em fios finos, além de ser obtida em forma puríssima

TERMÔMETRO DE RESISTÊNCIA (RTD)

Atualmente o termômetro de resistência de Platina (Pt) mais utilizada na indústria e em estudo laboratoriais é o Pt-100, cujo sufixo numérico corresponde a sua resistência elétrica quando submetida a 0ºC. Outros tipos de termo resistência de platina.

Atualmente o termômetro de resistência de Platina (Pt) mais utilizada na indústria e em estudo laboratoriais é o Pt-100, cujo sufixo numérico corresponde a sua resistência elétrica quando submetida a 0ºC. Outros tipos de termo resistência de platina: Pt 0,25 Ω a 0˚C, normalmente utilizada na faixa de 0˚C a 1070˚C; Pt 2,5 Ω a 0˚C, normalmente utilizada na faixa de 0˚C a 1070˚C; Pt 25 Ω a 0˚C, normalmente utilizada na faixa de -200˚C a 661˚C;

EQUAÇÃO CALLENDAR-VAN DUSEN

TERMOPARES

Consiste na união de dois metais dissimilares, que produzem uma muito pequena tensão a uma dada temperatura.

Esta tensão é proporcional à variação da temperatura e é lida e convertida em unidades de temperatura pelo medidor apropriado.

São os transdutores mais utilizados por indústrias, devido a sua simplicidade, confiabilidade, baixo custo e robustez

A diferença de temperatura entre a junta quente e a junta fria pode ser obtida por meio da medição da diferença de potencial (ddp) gerada entre as juntas

TERMOPARES

TERMOPARES As combinações de pares de ligas metálicas existentes em

termopares podem ser divididas em 3 grupos: termopares nobres (tipo S, tipo B e tipo R), termopares básicos (Tipo T, Tipo J, Tipo E, Tipo K) e termopares especiais (Tipo C e Tipo N).

ABNT Norma Brasileira (NBR)

Designação dos tipos de Termopares

TERMÍSTORES Os termístores PTC são resistências cujo valor é dependente da

temperatura, normalmente fabricadas a partir de titanato de bário e são normalmente utilizadas em sistemas em que se pretenda uma drástica variação da resistência a uma dada corrente ou temperatura.

Os PTC funcionam nos seguintes modos:

(1) sensor térmico para temperaturas entre os 60°C e os 180°C. Podem ser aplicados como por exemplo, na proteção de enrolamentos em motores eléctricos e transformadores;

(2) fusível de estado sólido para proteção contra níveis de correntes excessivas, que variam dos mA aos vários amperes e níveis de tensão continua que podem ir até cerca de 600 V. Podem ser aplicados, como por exemplo, na proteção de fontes de alimentação:

(3) sensores de níveis de líquidos. Podem ser utilizados, por exemplo no controlo do líquido de arrefecimento de motores de automóveis.

TRANSDUTORES DE TEMPERATURA

TRANSDUTORES DE DESLOCAMENTO E DE POSIÇÃO Os sensores de deslocamento e posição são sensores

que transforma as grandezas ângulo, posição e proximidade em sinais elétrico.

Os três tipos mais comum de sensores de deslocamento e posição são:

1) Potenciométrico 2) Capacitivo 3) Indutivo 4) otico

POTENCIOMÉTRICO

O tipo mais simples de sensor potenciométrico de posição é mostrado de forma esquemática na figura.

Este tipo de sensor é bastante utilizado em impressoras jato de tinta para controle do posicionamento do carro que contém os cartuchos de tinta. O sensor consiste de um resistor de fio ou filme deslizante de comprimento l e sobre o qual aplica-se uma voltagem vi. A relação entre a voltagem de saída v0 e a posição x do contato deslizante ct , quando este move-se ao longo do comprimento do fio, pode ser expresso por

CAPACITIVO Sensor de posição capacitivo é utilizado para medida de

posição de até algum milímetro e bastante utilizado em medida de vibrações relativas.

Um sensor típico capacitivo é ilustrado na figura e consiste de uma placa alvo e uma segunda placa chamada de cabeça do sensor.

Estas duas placa são separadas por um “gap” de ar de espessura h e forma os dois terminais de um capacitor, que apresenta uma capacitância C

INDUTIVO Outro sensor bastante utilizado para medida de

pequenas distâncias é o sensor baseado nas correntes de Eddy que são induzidas numa superfície condutora quando as linha de fluxo magnético interceptam com a superfície condutora, como ilustrado na figura:

TRANSDUTORES DE NÍVEL A medida de nível de líquidos e sólidos é feita através de

sensores de níveis. A medida de nível é normalmente feita com a material contido em um reservatório ou um tanque. Várias técnicas de medidas existem e alguma destas nós descreveremos a seguir.

Mecânica Uma das técnicas mais comum para medidas de nível,

particularmente para líquidos, é o que utiliza boia que se move para cima ou para baixo com a mudança do nível do líquido. Esta boia, como é mostrado na figura, é conectada a algum sistema de medida de deslocamento, tal como um potenciômetro ou indutância.

TRANSDUTORES DE NÍVEL Ultrassónico O uso da reflexão ultrasónica para medida de nível é

favorável por esta é uma técnica não evasiva, isto é, ela não envolve em colocar nenhuma parte no material.

A figura a) e a figura b), mostram as técnicas interna e externa. É obvio, que a técnica externa é mais adequada para a medida de nível de material sólido.

Em ambos os casos a medida depende do tempo gasto na reflexão do pulso ultrasónico na superfície do material.

TRANSDUTORES DE NÍVEL Pressão A medida de nível também é possível ser feita sem contato se a densidade do

material é conhecida. Este método é baseado na relação bem conhecida entre a pressão na base de uns Sensores.