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3. Sensores Industriais

Este capítulo examina os tipos e usos de sensores industriais. Discute sensores digitais e analógicos e o seu cabeamento.

Os sensores tornaram-se vitais na indústria e os fabricantes estão mostrando uma tendência de integração de equipamentos controlados por computador. No passado, os operadores eram os cérebros de um equipamento e fonte de toda informação sobre a operação de um processo. O operador sabia se as peças estavam disponíveis, que peças estavam prontas, se eram boas ou más, se o trabalho feito com ferramentas estava aceitável, se o dispositivo elétrico estava ligado ou não, e assim por diante. O operador podia detectar problemas na operação vendo, ouvindo, sentindo (vibração, etc..), e cheirando problemas.

A indústria está usando agora computadores (em muitos casos PLCs) para controlar os movimentos e as seqüências das máquinas. Um PLC é muito mais rápido e mais preciso do que um operador nestas tarefas. Um PLC não pode ver, ouvir, ter sensações, ou cheirar os processos mas pode usar sensores industriais para substituir estas capacidades.

O PLC pode usar sensores simples para verificar se peças estão presentes ou ausentes, para medir peças, e mesmo para verificar se o produto está vazio ou cheio. O uso de sensores para monitorar processos é vital para o sucesso de uma manufatura e para assegurar a segurança do equipamento e do operador. De fato, os sensores executam tarefas simples mais eficientemente e mais precisamente do que pessoas. Os sensores são muito mais rápidos e cometem poucos erros.

Estudos foram realizados para avaliar quão eficazes os seres humanos são em tarefas repetitivas como p.e., inspeção. Um estudo examinou pessoas que inspecionavam bolas de tênis de mesa. Uma correia transportadora trazia as bolas de tênis para um trabalhador. As bolas brancas eram consideradas boas, e as bolas pretas eram consideradas sucata. O estudo descobriu que as pessoas eram eficazes aproximadamente 70 por cento, para encontrar as bolas defeituosas. Certamente, os trabalhadores podiam descobrir todas as bolas pretas, mas ao executar tarefas simples, tediosas e repetitivas cometiam muitos erros. Um sensor simples poderia, entretanto, executar tarefas simples como esta quase sem cometer falhas.

TIPOS DE SENSORES Contactores vs. Não-contactores

Os sensores são classificados de várias maneiras; uma classificação comum é: sensores com contato ou sem-contato. Se o dispositivo precisa contactar uma peça para a detectar, o dispositivo é um sensor do contato. Um interruptor de limite simples em uma correia transportadora é um exemplo. Quando a peça move uma alavanca no interruptor, o interruptor muda de estado. O contato da peça e do interruptor cria uma mudança no estado que o PLC pode monitorar.

Os sensores sem-contato podem detectar uma peça sem tocar nela fisicamente, o que evita o retardo ou a interferência no processo. Os sensores sem-contato (eletrônicos) não operam mecanicamente (i.e., não têm nenhuma peça móvel) e são mais confiáveis e menos sujeitos a falhas do que sensores mecânicos. Os dispositivos eletrônicos são também muito mais rápidos do que dispositivos mecânicos, assim, dispositivos sem-contato podem trabalhar em taxas muito elevadas de produção. O restante deste capítulo examina sensores sem-contato.

Sensores Digitais

Uma outra maneira classificar sensores é: digitais ou analógicos. As aplicações industriais necessitam tanto de sensores digitais quanto de analógicos. Um sensor digital tem dois estados: ligado ou desligado. A maioria de aplicações envolvem monitorar a presença/ausência de peças e procedimentos de contagem, o que um sensor digital faz de maneira perfeita e barata. Os sensores digitais são mais simples e mais fáceis de usar do que os analógicos, o que é um fator para seu largo uso.

Os sensores com saídas digitais podem estar ligados ou desligados. Geralmente possuem saídas transistorizadas. Se o sensor detectar um objeto, o transistor é ligado e permite a passagem de uma corrente elétrica. A saída do sensor é conectada geralmente a um módulo de entrada do PLC.

Sensores estão disponíveis com contatos de saída normalmente fechados ou normalmente abertos. Os sensores com contatos normalmente abertos permanecem desligados até que detectem um objeto e então são ligados. Os sensores com contatos normalmente fechados permanecem ligados até que detectem um objeto, quando então se desligam. Quando se trata de fotosensores, os termos liga-na-luz e liga-no-escuro são usados frequentemente. Liga-no-escuro significa que a saída do sensor fica ligada enquanto nenhuma luz chega ao sensor, o que é similar a uma circunstância de normalmente fechado. Sensores tipo liga-na-luz apresentam a saída ligada enquanto a luz incidir sobre o receptor, similar a um sensor normalmente aberto.

O valor limite para a corrente elétrica de saída da maioria dos sensores é bastante baixo.

Geralmente a corrente de saída deve ser limitada a menos de 100 miliampères. Os usuários devem então verificar o sensor antes de liga-los à tomada de força. A corrente de saída deve ser limitada ou o sensor pode ser destruído! Este não é geralmente um problema se o sensor estiver sendo conectado a uma entrada de um PLC, já que o PLC limita a corrente na entrada a um valor seguro.

Sensores analógicos, também chamados de sensores de saída linear, são mais complexos do que os digitais, mas podem fornecer muito mais informação sobre um processo.

Imagine um sensor usado para medir temperatura. Uma temperatura é uma informação analógica. Um sensor analógico detecta a temperatura e emite uma corrente ao PLC. Quanto mais elevada a temperatura, mais elevada a saída do sensor. O sensor pode, por exemplo, apresentar na saída entre 4 e 20 miliampères dependendo da temperatura real, embora haja um ilimitado numero de temperaturas (e de correntes elétricas). Lembre-se que a saída de um sensor digital está ou ligada ou desligada. Por outro lado, a saída de um sensor analógico pode ser qualquer valor dentro da escala. Assim, o PLC pode monitorar a temperatura muito precisamente e controlar o processo. Sensores de pressão também estão disponíveis como dispositivos analógicos. Fornecem uma escala da tensão de saída (ou de corrente), dependendo da pressão a que estão submetidos.

SENSORES DIGITAIS Sensores Óticos

Todos os sensores óticos usam a luz para detectar objetos. Uma fonte de luz (emissor) e um fotodetector sentem a presença ou a ausência da luz. LEDs (diodos emissores de luz), que são diodos semicondutores que emitem luz, são usados tipicamente como fontes de luz porque são pequenos, resistentes, muito eficientes e podem ser ligados/desligados em velocidades extremamente elevadas. Operam em um comprimento de onda estreito e são muito confiáveis. Os diodos emissores de luz não são sensíveis à temperatura, choque, ou à vibração e tem uma vida útil quase infinita. O tipo de material usado para o semicondutor determina o comprimento de onda da luz emissora.

Os diodos emissores de luz existentes nos sensores são usados normalmente em “pulsos”. O emissor de luz é pulsado (desligado e ligado repetidamente). O tempo de permanência “ligado” é pequeno comparado ao tempo “desligado”. Os LEDs são pulsados por duas razões: para impedir que o sensor seja afetado pela luz ambiental, e para aumentar a vida útil do diodo emissor de luz. Isto é também chamado de “modulação”.

O fotodetector detecta a luz pulsante. O receptor e o emissor são ambos “ajustados” à freqüência da modulação. Assim, o fotodetector essencialmente ignora toda a luz ambiental e percebe somente a freqüência correta. As fontes de luz escolhidas são geralmente invisíveis ao olho humano e os comprimentos de ondas são escolhidos de modo que os sensores não sejam afetados por outras fontes de iluminação da fábrica. O uso de comprimentos de ondas diferentes permite que alguns sensores, chamados de sensores de marcação colorida, diferenciem diversas cores. O método de pulsar a luz e o comprimento de onda escolhido fazem dos sensores óticos dispositivos muito confiáveis.

Algumas aplicações para sensores utilizam a luz emitido por materiais materiais aquecidos ao rubro, tais como o vidro ou o metal. Nestas aplicações, utilisam-se receptores sensíveis à luz infravermelha.

Todos os vários tipos de sensores óticos funcionam basicamente da mesma maneira. As diferenças estão na maneira em que a fonte de luz (emissor) e o receptor são configurados e encapsulados.

Sensibilidade Claro/Escuro: Os sensores óticos são fabricados para serem sensibilizados pela luz ou pela escuridão, chamados também de liga-na-luz e liga-no-escuro. De fato, muitos sensores podem ser comutados entre estas duas modalidades.

Sensibilidade à Luz (Light-on): A saída fica energizada (on) quando o sensor recebe o feixe de luz modulada. Ou seja, o sensor é ligado quando o feixe está desobstruído.

Sensibilidade ao Escuro (Dark-on): A saída fica energizada (on) quando o sensor não recebe o feixe modulado. Ou seja, o sensor é ligado quando o feixe é obstruído. Luzes de rua são exemplos de ligano-escuro. Quando começar a anoitecer, a luz das luminárias nos postes são ligadas.

Funções de Temporização: Funções de temporização estão disponíveis em alguns sensores óticos. Podem ser do tipo liga-no-atraso e desliga-no-atraso. Liga-no-atraso atrasa o acionamento da saída do sensor por um tempo pré-definido pelo usuário. Desliga-no-atraso segura a saída do sensor ligada por um tempo pré-determinado mesmo depois que o objeto se afastou do sensor.

Tipos de Sensores Óticos

Sensores de Reflexão: Um dos tipos mais comuns de sensores óticos é o tipo reflexivo ou de reflexão difusoa. O emissor e o receptor de luz são encapsulados na mesma peça. O emissor emite a luz, que incide no produto a ser detectado. A luz refletida retorna ao receptor onde é detectada (figura abaixo). Os sensores reflexivos têm menor poder de detecção (alcance) do que outros tipos de sensores óticos porque dependem da luz refletida no produto.

Sensor tipo Reflexivo. O emissor e o receptor de luz estão no mesmo pacote. Quando a luz do emissor bate em um objeto, o receptor detecta e a saída do sensor muda de estado. A distância de detecção (alcance) deste tipo de sensor é limitada pela capacidade do objeto de refletir a luz em direção ao receptor.

Fotosensor polarizado: Um fotosensor especial detecta objetos brilhantes usando um refletor especial. O refletor consiste de pequenos prismas que polarizam a luz do sensor. O refletor polariza verticalmente a luz e reflete-a para em direção ao receptor do sensor. O fotosensor emite luz polarizada horizontalmente.

Assim, se um objeto muito brilhante se mover entre o fotosensor e o refletor e refletir de volta a luz em direção ao sensor, ela é ignorada porque não está polarizada verticalmente.

Um fotosensor polarizado. Notar o uso de um refletor especial.

Sensor de Retroreflexão: Este sensor é similar ao sensor de reflexão. O emissor e o receptor são ambos montados no mesmo pacote. A diferença é que a luz é refletida de um refletor em vez do produto. Este refletor é similar àqueles usados em bicicletas. Os sensores de retroreflexão possuem maior alcance do que sensores reflexivos comuns mas menor alcance do que sensores de ruptura-defeixe. São uma boa opção quando o “scanning” só pode ser feito a partir de um lado da aplicação, o que ocorre geralmente quando há limitação de espaço.

Sensor de retroreflexão. O emissor e o receptor de luz estão no mesmo pacote. A luz é rebatida em um refletor e é detetada pelo receptor. Se um objeto obstruir o feixe, a saída do sensor muda de estado.

Sensor de Ruptura de Feixe: Um outro sensor comum é o de ruptura-de-feixe. Nesta configuração o emissor e o receptor são empacotados separadamente. O emissor emite a luz através de um espaço e o receptor detecta a luz do outro lado. Se o produto passar entre o emissor e o receptor, a luz para de bater no receptor, dizendo ao sensor que um produto está interropendo o feixe. Esta é provavelmente a modalidade de detecção mais confiável para objetos opacos (não transparentes).

Sensor de Ruptura de Feixe. O emissor e o receptor estão em pacotes separados.

Fotosensor de Feixe Convergente: Um fotosensor convergente, sensor focal também chamado do comprimento, é um tipo especial de sensor reflexivo. Emite-se a luz a um ponto focal específico. A luz deve ser refletida do ponto focal a ser detetado pelo receptor do sensor.

Fotosensor do tipo feixe-convergente.

Sensor de Fibra-ótica: Um sensor de fibra ótica é simplesmente uma mistura dos outros tipos. O emissor e o receptor são os mesmos mas com um cabo de fibra ótica unido a cada um dos dois. Os cabos são muito pequenos e flexíveis e funcionam como uma “tubulação” para carregar a luz. Existem cabos disponíveis nas configurações ruptura-de-feixe e reflexiva.

Sensor de Fibra Ótica

Sensor de Marca de Cor: Um sensor da marca da cor é um tipo especial de sensor ótico reflexivo difuso que pode diferenciar cores; alguns podem mesmo detectar o contraste entre cores. É usado tipicamente para verificar etiquetas e classificar pacotes através de uma marca colorida. A cor de fundo do objeto é uma consideração importante. Os fabricantes do sensor fornecem cartas para a seleção apropriada de sensores de marca colorida.

Sensor Laser: Um sensor a laser é usado também como uma fonte de luz para sensores óticos que executam funções de inspeções de precisão e qualidade que requerem medições muito exatas. Esta precisão pode chegar a ser tão pequena quanto alguns mícrons. Um LED de luz laser é usado como a fonte de luz. As saídas podem ser analógicas ou digitais. As saídas digitais podem ser usadas para sinalizar OK/Falha ou outras indicações. A saída analógica pode ser usada para monitorar e gravar medidas reais.

Sensor Codificador: Um sensor codificador é usado para retroalimentação da posição e em alguns casos para retroalimentação da velocidade. Os dois tipos principais de codificadores são: incrementais e absolutos; incremental é o tipo o mais comum. A precisão de um codificador é determinada pelo número de linhas no disco do codificador. Quanto mais linhas, mais elevada é a precisão obtido. São comuns codificadores com 500, 1000 ou mesmo mais linhas. A luz de um LED brilha através das linhas no disco do codificador e em uma máscara e é detectada então por receptores (foto-transistores).

Vista expandida de um codificador

Codificador Incremental: Um codificador incremental cria uma série de ondas quadradas. Os codificadores incrementais estão disponíveis em várias resoluções, que são determinadas pelo número de frestas através das quais passa a luz. Por exemplo, um codificador 500-vezes produz 500 ondas quadradas em uma volta ou 250 pulsos em uma meia volta (180 graus). Os dois tipos principais de codificadores incrementais são: tacômetro (single-track) e de quadratura (multitrack).

Um Codificador Incremental

Codificador Tacômetro: Chamado às vezes de codificador single-track, um codificador tacômetro tem somente uma saída e não pode detectar o sentido do curso. Sua saída é uma onda quadrada; sua velocidade pode ser determinada pela freqüência dos pulsos.

Codificadores Absolutos: O codificador absoluto fornece um byte de saída com um único padrão que representa cada posição. Os LEDs e os receptores são alinhados para ler o padrão do disco. Muitos tipos de esquemas de codificação podem ser usados para o padrão do disco; os mais comuns são: tons de cinza, natural, binário, e binary-coded-decimal (BCD). Tons de cinza e binário natural permitem até 256 contagens (8 bits). O código de cinzas é muito popular porque é um código nãoambíguo.

Fotodetectores leem a posição de um Codificador Absoluto.

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