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AULA 5 - SENSORES DE PRESENÇA E TEMPERATURA

Prof. Fabricia

SENSORES DE PRESENÇA

• Sensores de Presença; • Sensores e Posição; • Sensores Ópticos; • Sensores de Velocidade.

Sensores Industriais • Sensores Ópticos; • Sensor óptico por retrorreflexão; • Sensor óptico por transmissão; • Sensor óptico por reflexão difusa; • Sensor infravermelho ativo; • Sensor infravermelho passivo; • Sensor janela de luz; • Barreira ultrassônica.

Sensores de Presença

Sensores Ópticos

Ø Componentes eletrônicos de sinalização e comando que detectam qualquer material sem contato mecânico;

Ø  o princípio de funcionamento baseia-se na existência de um emissor e um receptor;

Ø A luz do emissor deve atingir o receptor com intensidade suficiente para fazer com que o sensor comute na saída;

Sensores de Presença – Sensores Ópticos

• O sinal de luz gerado pelo emissor do sensor óptico é modulado em uma determinada freqüência e o receptor de sinal do sensor é acoplado a um filtro que só considera sinais da mesma freqüência do emissor.

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Sensores Ópticos

Ø Oscilador: gera o sinal elétrico modulado e envia ao emissor;

Ø Emissor: transforma o sinal do oscilador em um feixe de luz pulsante;

Ø Receptor: converte o sinal de luz pulsante em sinal elétrico modulado;

Ø Pré-amplificador: amplifica o sinal do receptor para níveis compatíveis com circuito eletrônico do sensor;

Sensores de Presença – Sensores ópticos

Ø Discriminador: compara o nível do sinal recebido do analisador da freqüência com níveis preestabelecidos;

Ø Estágio de saída: recebe o sinal do discriminador e comuta a carga;

Ø LED: indicador de estado, sendo acionado pelo discriminador;

Ø Fonte de alimentação: a alimentação do circuito sensor é feito por um regulador interno.

Sensores ópticos Aplicações: Contagem e posicionamento de objetos Aplicações: Contagem e posicionamento de objetos

Sensores Ópticos

Sensores ópticos por retrorreflexão

Ø O emissor e o receptor estão montados juntos;

Ø O feixe de luz é estabelecido entre o emissor e o receptor por intermédio do refletor;

Ø O sensor é ativado quando o objeto interrompe o feixe de luz.

Sensores ópticos por retrorreflexão

Ø Objetos transparentes, claro ou brilhantes podem não são detectados por esse tipo de sensor;

Ø A distância de acionamento é dependente das características do refletor;

Ø Uma falha no emissor pode ser interpretada como se um objeto estivesse presente.

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Sensores ópticos por transmissão

• Emissor e receptor montados em dispositivos separados;

• Quando alinhados criam uma barreira de luz; • A presença de um objeto interrompendo essa barreira faz com que o sensor seja ativado.

Sensores ópticos por reflexão difusa

• Emissor e receptor montados no mesmo dispositivo; • A luz enviada pelo emissor cria uma região ativa; • A presença de um objeto faz com que essa luz seja refletida de forma difusa, de volta ao receptor, ativando o sensor.

Sensor infravermelho ativo

• Esses sensor tem o mesmo princípio de funcionamento dos sensores ópticos do tipo barreira, porém usados em outro tipo de aplicação (alarmes, sistema de controle de intrusão);

• Podem ser do tipo retrorreflexivos utilizados em instalações

prediais; • Podem do tipo transmissão (transmissor e receptor)

utilizados em aplicações como alarmes , iluminação automática e portas de garagens.

Sensor infravermelho passivo

• Apenas um receptor infravermelho com ajuste de sensibilidade;

• Utilizado em alarmes de intrusão.

Janela de luz

•  Funciona da mesma forma que o sensor infravermelho ativo; •  Possuem desde 4 até 24 feixes de luz entre os elementos;

sensores •  São usados em sistema de segurança de máquinas industriais;

•  Podem ser usados na detecção de pessoas nos elevadores (sistema antifechamento de portas)

Barreira Ultrassônica • Sinais ultrassônicos são como ondas de som audíveis, porém

com frequências muito mais altas; • Possuem cristais piezelétricos que ressonam a uma frequência

desejada e convertem energia elétrica em energia acústica e vice-versa;

• As ondas sonoras são transmitidas e refletidas na forma de um

cone de um objeto para o transdutor.

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Barreira Ultrassônica •  Podem detectar objetos de diversos formatos;

•  Eles não são percebidos como acontece nos sistemas de luz; •  Na reflexão (em objetos) não formam nenhum padrão visível; •  A distância máxima entre receptor e transmissor é na ordem de

15m, variando de acordo com as condições do ambiente;

•  Utilizado para: detecção de pessoas, medidas de diâmetros de rolos.

• Sensores de proximidade indutivos; • Sensores de proximidade capacitivos; • Sensores de proximidade magnéticos; • Encoders.

Sensor de Posição

Sensores Indutivos • São sensores de proximidade sem contato que utilizam

um campo de frequência de rádio com um oscilador e uma bobina;

• A presença do objeto altera o campo e o circuito eletrônico detecta essa alteração.

Sensores indutivos Precauções: ü Quando o sensor for instalado em um painel metálico ou ao instalar duas ou mais unidades do mesmo sensor frente a frente ou lado a lado é necessário deixar uma distância mínima.

Sensores indutivos Características Gerais: ü Não possuem peças móveis e atuam sem contato físico; ü São totalmente vedados, tornando possível o uso em água, óleos, poeira etc; ü Têm grande precisão na repetição ponto de comutação (repetibilidade); ü Substituem com vantagens as chaves fim de curso e microchaves.

Sensores indutivos Aplicações - detectores de proximidade: ü Controle de presença ou ausência, fim de curso; ü Detecção de passagem, de posicionamento; ü Contagem de peças.

Aplicações – recomendações de uso: ü  Em condições ambientais severas, presença de poeira,

óleo de corte, agentes químicos, umidade, vapores, choques e vibrações;

ü Peças de pequenas dimensões; ü Automatismo estático.

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• São projetados para operar através de um campo eletrostático e detectando as alterações nesse campo quando algo se aproxima da face ativa;

• Quando o alvo se aproxima ele aumenta capacitância

atinge determinado valor o sensor comuta de aberto para fechado.

Sensores Capacitivos • Blindados: usados quando os objetos difíceis de detectar

por possuírem campo eletrostático muito concentrado, no entanto está sujeito comutações falsas se houver acumulo de resíduos na face ativa do sensor;

• Não Blindados: usado com objetos fáceis de detectar e pode ser instalado em locais que apresentam condições adversas de poeira, umidade e temperatura.

Sensores Capacitivos

• Utilizado para detectar metais, plásticos, madeira, papelão entre outros;

• Aplicações: controle do nível de silo, contagem de caixas.

Sensores Capacitivos Encoders • Dispositivos que convertem um deslocamento linear ou

angular em um trem de pulsos, e ainda podem ser interpretados como um byte;

• Divididos em dois tipos: ü Incremental: indicam o deslocamento somente em relação a um ponto inicial de referência; ü Absoluto: medem o deslocamento em relação a um ponto de referência interno do dispositivo.

Encoders Encoders Aplicações : ü Controle numérico; ü Controle numérico de máquinas operatrizes ü Impressoras e Plotters X-Y; ü Controle de posição de disco de computadores; ü Controle de posições de radares.

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LDR (Light Dependent Resistor) • O LDR possui a interessante característica de ser um

componente eletrônico cuja resistência elétrica diminui quando sobre ele incide energia luminosa. Isto possibilita a utilização deste componente para desenvolver um sensor que é ativado (ou desativado) quando sobre ele incidir energia luminosa.

LDR (Light Dependent Resistor)

• A resistência do LDR varia de forma inversamente proporcional à quantidade de luz incidente sobre ele, isto é, enquanto o feixe de luz estiver incidindo, o LDR oferece uma resistência muito baixa. Quando este feixe é cortado, sua resistência aumenta.

•  Aplicações: ü medidores de luz; ü detetores de incêndio ou de fumo; ü controladores de iluminação.

Fotodiodo • O fotodiodo é um diodo de junção construído de forma

especial, de modo a possibilitar a utilização da luz como fator determinante no controle da corrente elétrica. É u dispositivo de junção pn semicondutor cuja região de operação é limitada pela região de polarização reversa e caracteriza-se por ser sensível à luz.

Fotodiodo • Aplicações: ü o foco automático de filmadora, ü na unidade ótica do CD Player e em sistema contador de

pulso; ü rede de iluminação pública como sensor crepuscular; ü Temperatura; ü Vazão.

SENSORES DE TEMPERATURA

• Quando Galileu inventou o primeiro termômetro no Séc. XVII eles eram util izados para fins médicos e meteorológicos;

•  Eram tubos de vidro abertos em um dos lados parcialmente preenchidos com ar e completados com água;

Introdução

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• Somente cerca de 50 anos depois surgiram os primeiros termômetros de vidro com líquidos fechados desenvolvidos por Leopoldo, Cardinal dei Medici. Conhecidos como termômetros fiorentinos eram graduados entre 50, 100 e 300 graus;

• Em meados do Século XVIII o termômetro de mercúrio era o mais usado pela sua expansão uniforme.

Introdução

• São os termômetros de álcool ou mercúrio; • O álcool tem a vantagem de ter um coeficiente de

expansão maior que o mercúrio mas tem o limite de temperatura mais baixo;

•  Esses termômetros baseiam-se no coeficiente de dilatação térmica

• Podem ser o tipo: imersão parcial (apenas parte do instrumento entra em contado) ou total (todo instrumento entra em contato).

Termômetros de expansão de líquidos em bulbos de vidro

• Os termômetros do tipo imersão parcial está sujeito a erros maiores devido a diferença entre uma das partes do corpo do instrumento;

• A precisão desse tipo de instrumento é maior que 1º C.

Termômetros de expansão de líquidos em bulbos de vidro Termômetros de imersão parcial

• Constituem-se de duas tiras de metal com coeficientes de dilatação térmica diferente, fortemente fixadas;

• Quando a temperatura aumenta as tiras de metal começam a expandir e uma vai expandir mais que a outra resultando em uma deformação do conjunto;

• Utilizado para chavear um circuito ou para indicar uma determinada temperatura em uma escala;

• Usados em termostatos e em alguns disjuntores.

Termômetros Bimetálicos Termômetros Bimetálicos

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• Utilizam a variação de pressão obtida pela expansão de algum gás ou vapor como meio físico para relacionar temperatura;

•  Termômetros de mercúrio cobrem a faixa de -38°C a 590°C;

•  Termômetro manométricos preenchidos com gás cobrem a faixa de -240°C a 645°C

Termômetros Manométricos • Os sensores de temperaturas são os mais utilizados em

indústrias, veículos, eletrodomésticos e instalações prediais.

Sensores de Temperatura

Sensores de Temperatura -Termistores • Resistores termicamente sensíveis.; • São semicondutores eletrônicos que a resistência elétrica

varia com a temperatura; • Usados nas indústrias para detecção automática,

medição e controle de energia física; • Sensíveis a pequenas variações de temperatura.

Sensores de Temperatura -Termistores • Existem duas variedades básicas de termissores: ü os de coeficiente positivo de temperatura (PTC) – resistência

aumenta com a temperatura; ü Os de coeficiente negativo de temperatura (NTC) –

resistência reduz com aumento de temperatura.

Sensores de Temperatura -Termistores • Aplicações termissores: ü Química: regulação de nível de líquidos; ü Física: medição de vazão de gases e líquidos e radiometria; ü Medicina: termômetros; ü Regulação de temperatura: congelador, forno elétrico,

sistema de ar condicionado e sistemas de aquecimento. ü Veículos: medição da temperatura da água e óleo; ü Projetos elétricos: compensação de variação de temperatura

e medição de potência; ü Sistema de detecção e alarmes contra incêndio.

Sensores de Temperatura –Termistores NTC

• Mais usual para medições de temperatura; • Não é muito usado em aplicações industriais; • É um dos sensores de temperatura que fornecem a maior

variação na saída por variação de temperatura, mas a relação não é linear;

• São elementos cuja resistência decresce com o aumento da temperatura.

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Sensores de Temperatura –Termistores PTC

• São resistores que apresentam um coeficiente térmico positivo, isto é, sua resistência aumenta com a temperatura;

• O coeficiente de temperatura do PTC é positivo apenas dentro de uma certa faixa de temperatura, fora dessa faixa o coeficiente é negativo ou nulo.

Sensores de Temperatura –Termopares • Um termopar funciona medindo a diferença de potencial

causada por fios diferentes. Isso pode ser usado para medir diretamente a diferença de temperaturas ou para medir uma temperatura absoluta, colocando uma junção a temperatura conhecida;

• Existem oito tipos se termoelementos: S, R, B, J, K, N, T e E;

•  Após a descoberta do circuito termoelétrico, muitas combinações de elementos foram estudas.

Sensores de Temperatura –Termopares •  TERMOPARES T: ü Composição : Cobre(+) / Cobre – Níquel(-) ü Faixa de utilização: -200 a 350 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo. ü Adequados para medições abaixo de zero grau; ü Apresentam boa precisão na sua faixa de utilização.

•  TERMOPARES J: ü Composição : Cobre(+) / Cobre – Níquel(-) ü Faixa de utilização: -40 a 750 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo

e não devem ser usados em atmosfera sulfurosas; ü  Não adequados para medições abaixo de zero grau; ü Baixo custo.

Sensores de Temperatura –Termopares •  TERMOPARES E: ü Composição : Cromo(+) / Cobre – Níquel(-) ü Faixa de utilização: -200 a 900 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Em ambientes redutores ou vácuo perdem suas características termoelétricas; ü Adequados para medições abaixo de zero grau;

•  TERMOPARES K: ü Composição : Cromo(+) / Níquel - Alumínio(-) ü Faixa de utilização: -200 a 900 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Ocasionalmente podem ser usados abaixo de zero grau; ü Não devem ser utilizados em atmosferas redutoras e sulfurosas; ü Seu uso no vácuo é por curto período de tempo.

Sensores de Temperatura –Termopares •  TERMOPARES S-R: ü Composição : S 90% Platina -10% Ródio(+) / Platina(-) R 87% Platina -13% Ródio(+) / Platina(-)

ü Faixa de utilização: 0 a 1600 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Não adequados para medições abaixo de zero grau em ambientes redutores ou vácuo

ou atmosferas com vapores metálicos; ü Apresentam boa precisão em temperaturas elevadas. •  TERMOPARES B: ü Composição : 70% Platina -30% Ródio(+) 94% Platina -06% Ródio(+)

ü Faixa de utilização: 600 a 1700 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Não adequados para medições abaixo de zero grau em ambientes redutores ou

atmosferas com vapores metálicos; ü Mais adequados para altas temperaturas do que os tipo S/R.

Sensores de Temperatura –Termopares

•  TERMOPARES N: ü Composição : Níquel –Cromo-Silício(+)/Níquel-Silício(-) ü Faixa de utilização: -200 a 1200 °C ü Excelente resistência à oxidação até 1200 °C. ü Apresentam maior estabilidade.

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Sensores de Temperatura –Termopares

• Limite de erros dos termopares: ü  O erro pode ser representado em graus Celsius ou em porcentagem da

temperatura medida.

Sensores de Temperatura –Termopares

• Termopares com isolação mineral: ü O termopar com isolação mineral é composto por um ou dois

pares de fios isolados da bainha metálica por um pó isolante de óxido de magnésio altamente compactado;

ü Devido essa construção eles ficam totalmente isolados do meio, resultando em maior vida útil;

ü Os termopares com isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de carga metálica para garantir sua integridade em qualquer ambiente corrosivo.

Sensores de Temperatura – Termopares •  Termopar com junção exposta ü Neste caso a junção quente fica exposta na ponta do sensor; ü Proporciona o tempo de resposta extremamente pequeno e grande sensibilidade

a pequenas alterações de temperatura; ü Drástica redução de vida útil, especialmente em ambientes agressivos.

•  Termopar com junção aterrada ü Neste caso a junção é soldada junto com a bainha; ü Proporciona tempo de resposta intermediário entre a junção exposta e a isolada; ü Suscetível a ruídos.

•  Termopar com junção isolada ü Neste caso a junção é isolada e interna; ü Proporciona boa proteção e imunidade a ruídos; ü Tempo de resposta maior quando comparado com os anteriores

Termoelementos ou Termopares Montagem de Termopares -Termopar com Isolação Mineral

Sensores de Temperatura –Termopares • Cabos de extensão: Na maioria das aplicações industriais de

medição de temperatura por meio de termopares o elemento sensor não se encontra junto com o instrumento receptor. Por esse motivo torna-se necessário que o instrumento seja ligado ao termopar por fios.

• Cabos e fios de extensão: ü  São condutores fabricados com as mesmas ligas de fios dos termopares; ü Apesar de serem dos mesmos materiais apresentam um custo menor devido as

limitações temperatura às quais podem ser submetidos;

• Cabos e fios de compensação: ü São condutores fabricados com ligas diferentes de fios dos termopares; ü São usados em termopares do tipo S e R.

Sensores de Temperatura –Termoresistência RTD

•  São sensores de temperatura cujo pr incípio de funcionamento baseia-se na variação da resistência elétrica do elemento condutor em função da temperatura;

• São sensores de temperaturas muito utilizados na indústria por suas condições de estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso, além de possuir uma larga faixa de trabalho e permitir ligações a longa distância;

• Os mais usados são: Pt-100; Pt-1000, •  Ni-100 e Ni-1000

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Sensores de Temperatura –Termoresistência

•  Termoresistência de platina (Pt-100): ü A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido à grande

estabilidade e precisão; ü Faixa de trabalho: Classe A (-200 a 650 °C) e Classe B (-200 a 850 °C – a mais

usada)

Sensores de Temperatura –Termoresistência X Termopar

• Vantagens do Pt-100 ü Possui maior precisão dentro da faixa de utilização; ü Possui melhor estabilidade e repetibilidade quando comparado com os

termopares; ü Quando ligados corretamente não existe limite de distância; ü Dispensa o uso de cabos de extensão e compensação para ligação, sendo

necessário somente fios comuns; ü Se adequadamente protegido, permite a utilização em qualquer ambiente; ü Curva de resistência x temperatura mais linear; ü Menos influenciados por ruídos elétricos.

Sensores de Temperatura –Termoresistência X Termopar

• Desvantagens do Pt-100 ü É mais caro que os demais sensores; ü Range de temperatura menor do que os termopares; ü Deteriora-se com maior facilidade quando ultrapassa a temperatura máxima de

utilização; ü É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada

para a correta indicação; ü Possui um tempo de resposta mais alto que dos termopares; ü Mais frágil mecanicamente; ü Ele se autoaquece, exigindo instrumentação sofisticada.

Referências Bibliográficas • BALBINOT, A., BRUSAMARELLO, V. J., "Instrumentação

e Fundamentos de Medidas", Volume 1, 2a Edição, LTC, Rio de Janeiro, 2011;

• BALBINOT, A., BRUSAMARELLO, V. J., "Instrumentação e Fundamentos de Medidas", Volume 2, 2a Edição, LTC, Rio de Janeiro, 2011.