Instrumentação Industrial - Apostilas - Automação Industrial Part1, Notas de estudo de Gestão Industrial

Baixe Instrumentação Industrial - Apostilas - Automação Industrial Part1 e outras Notas de estudo em PDF para Gestão Industrial, somente na Docsity! Universidade do Sul de Santa Catarina – UNISUL Curso: Tecnólogo em Eletroeletrônica Disciplina: Instrumentação Industrial Semestre curricular: 2005/A Professor: Edcarlo da Conceição Apostila Instrumentação industrial Tubarão, Fevereiro de 2005. Revisão 2 Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 2 1 - Introdução à Instrumentação INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais. Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de variáveis de um processo. 1.1 - Classificação de Instrumentos de Medição Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os quais podemos ter: Classificação por: • função • sinal transmitido ou suprimento • tipo de sinal 1.2 - Classificação por Função Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função. Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados por função cuja descrição sucinta pode ser liga na tabela abaixo. INSTRUMENTO DEFINIÇÃO Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 5 1.4.1. Transmissores Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e a transmitem, à distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador ou a uma combinação destes. Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicos e eletrônicos. 1.4.1.1. Transmissão Pneumática Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável, linear, de 3 a 15 psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas de 0 a 100 % da variável. Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association), Associação de Fabricantes de Instrumentos, e pela maioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais de transmissão. Por exemplo: de 20 a 100 kPa. Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, utilizam-se as faixas de 0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi. O alcance do sinal no sistema métrico é, aproximadamente, 5 % menor que o sinal de 3 a 15 psi. Este é um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentos de uma malha (transmissor, controlador, elemento final de controle, etc.) sempre utilizando uma mesma norma. Note que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim, 3 psi ou 0,2 kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento, comprovando sua correta calibração e detectando vazamentos de ar nas linhas de transmissão. Percebe-se que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura de range de 0 a 200°C e o mesmo tivesse com o bulbo a 0°C e um sinal de saída de 1 psi, este estaria descalibrado. Se o valor mínimo de saída fosse 0 psi, não seria possível fazermos esta comparação rapidamente. Para que pudéssemos detectá-lo, teríamos de esperar um aumento de temperatura para que tivéssemos um sinal de saída maior que 0 (o qual seria incorreto). 1.4.1.2. Transmissão Eletrônica Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque estes instrumentos estão preparados para uma fácil mudança do seu sinal de saída. A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15 psi de um sinal pneumático. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 6 O "zero vivo" utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a vantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios, por exemplo), que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo. 1.4.1.3. Protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer) É um sistema que combina o padrão 4 a 20 mA com a comunicação digital. É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1200 bits/s (BPS) e modulação FSK (Frequency Shift Keying). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente. As vantagens do protocolo Hart são as seguintes: · Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital. · Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumentação analógica. · Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes. As desvantagens são que existe uma limitação quanto à velocidade de transmissão das informações e a falta de economia de cabeamento (precisa-se de um par de fios para cada instrumento). 1.4.1.4. Fieldbus É um sistema de comunicação digital bidirecional, que interliga equipamentos inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos localizados na sala de controle, conforme mostra a Figura 1.10. Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos, tais como: transmissores, válvulas, controladores, CLPs, etc. Estes podem ser de fabricantes diferentes (Interoperabilidade) e ter controle distribuído (cada instrumento tem a capacidade de processar um sinal recebido e enviar informações a outros instrumentos para correção de uma variável: pressão, vazão, temperatura, etc.). Uma grande vantagem é a redução do número de cabos do controlador aos instrumentos de campo, ou seja, apenas um par de fios é o suficiente para a interligação de uma rede fieldbus. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 7 Figura 1.10 – Sistema Fieldbus 1.5 - Sensores Os sensores são transdutores eletrônicos que geram um sinal de saída quando um objeto é introduzido em seu campo de atuação. Os sensores surgiram para auxiliar nas automatizações de máquinas e equipamentos, substituindo as chaves de acionamento mecânico dando maior versatilidade e durabilidade às aplicações. 1.6 - Tipos de Sensores - Indutivos - Capacitivos - Magnéticos - Fotoelétricos - Ultra-sônicos - Laser 2- Sensores de Proximidade Indutivo Os sensores de proximidade indutivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a proximação de peças, componentes, elementos de máquinas, etc, em substituição as tradicionais chaves fim de curso. A detecção ocorre sem que haja o contato físico entre o acionador e o sensor, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos. Os sensores Indutivos são sensores de proximidade, ou seja, geram um sinal de saída quando um objeto metálico (aço, alumínio, cobre, latão, etc) entra na sua área de detecção, vindo de qualquer direção, sem que seja necessário o contato físico. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 10 Figura 2 - Histerese em sensores 2.12 - Embutido (blindado) Este tipo de sensor tem o campo eletromagnético emergindo apenas na face sensora e permite que seja montado em uma superfície metálica. 2.13 - Não embutido (não blindado) Neste tipo o campo eletromagnético emerge também na superfície lateral da face sensora, sensível a presença de metal ao seu redor. Figura 3 - Sensores embutido (direita) e não embutido (esquerda) 2.14 - Freqüência de Comutação A freqüência de comutação é o máximo número de acionamentos por segundo (Hz). Figura 4 - Freqüência de comutação 2.15 - Aplicações Os sensores indutivos substituem com muitas vantagens as chaves fim de curso. Abaixo visuliza-se algumas das aplicações. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 11 Posição por cames controle de rotação e sentido Controle por transfer controlde de posição controle do número de peças posição de comportas Figura 5 - Algumas das aplicações dos sensores indutivos 2.16 - Vantagens - Funcionam em condições ambientais extremas. - Acionamento sem contato físico. - Saída em estado sólido. (PNP ou NPN). - Alta durabilidade quando bem aplicado. 3 - SENSORES DE PROXIMIDADE CAPACITIVOS Os sensores de proximidade capacitivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a presença ou aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, líquidos, madeiras, papéis, metais, etc. Os sensores Capacitivos são semelhantes aos Indutivos, porém sua diferença básica é exatamente no princípio de funcionamento, o qual baseia-se na mudança da capacitância da placa detectora localizada na região denominada face sensível do sensor. Estes sensores podem detectar praticamente qualquer tipo de material, por exemplo, Metais, madeira, plásticos, vidros, granulados, pós-minerais tipo cimento, talco, etc. Os líquidos de maneira geral são ótimos acionadores para os sensores capacitivos. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 12 3.1 - Principio de Funcionamento O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor. O capacitor é formado por duas placas metálicas, carregadas com cargas elétricas opostas, montadas na face sensora, de forma a projetar o campo elétrico para fora do sensor, formando desta forma um capacitor que possui como dielétrico o ar. Figura 6 - Princípio de funcionamento Quando um material aproxima-se da face sensora, ou seja, do campo elétrico o dielétrico do meio se altera, alterando também o dielétrico do capacitor frontal do sensor. Como o oscilador do sensor é controlado pelo capacitor frontal, quando aproximamos um material a capacitância também se altera, provocando uma mudança no circuito oscilador. Esta variação é convertida em um sinal contínuo que comparado com um valor padrão passa a atuar no estágio de saída. Figura 7- Diagrama em blocos dos elementos do sensor 3.2 - Face sensora É a superfície onde emerge o campo elétrico. É importante notar que os modelos não embutidos, com região sensora lateral, são sensíveis aos materiais a sua volta. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 15 Figura 9 – Ajuste de sensibilidade Deve se tomar em conta de que existe a possibilidade de que se o detector está regulado de maneira muito sensível, que este seja influenciado por uma modificação do meio (temperatura, umidades, ou poluição). 3.9 - Aplicações Pode-se destacar que os sensores capacitivos são mais versáteis do que os indutivos, porem podemos ressaltar que são mais sensível a perturbações externas o que torna mais atraente usar os sensores indutivos se existem metais a serem detectados. Controle de nível detecção de ruptura de fio sinalização de corte de esteira controle de nível de garrafas controle de tensão em esteira Contador e controle de nível Figura 10 - Aplicações de sensores capacitivos Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 16 3.10 - Vantagens - Detectam praticamente todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato físico. - Saída em estado sólido. - Alta durabilidade quando bem aplicado. 4 - SENSORES ÓTICOS Os sensores fotoelétricos, também conhecidos por sensores ópticos, manipulam a luz de forma a detectar a presença do acionador, que na maioria das aplicações é o próprio produto. 4.1 - Princípio de Funcionamento Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha (invisível ao ser humano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado. Os fotoelétricos são compostos por dois circuitos básicos: um responsável pela emissão do feixe de luz, denominado transmissor e outro responsável pela recepção do feixe de luz, denominado receptor. Os Sensores Ópticos funcionam pelo princípio de emissão e recepção de feixes de luz modulada e são divididos em 3 princípios distintos: Sistema por Óticas alinhadas, Difusão e Sistema Reflectivo. Figura 11 - Princípio de funcionamento dos sensores fotoelétricos O transmissor envia o feixe de luz através de um fotodiodo, que emite flashes, com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor confunda a luz emitida pelo transmissor com a iluminação ambiente. O receptor é composto por um fototransistor sensível a luz, que em conjunto com um filtro sintonizado na mesma freqüência de pulsação dos flashes do transmissor, faz com que o receptor compreenda somente a luz vinda do transmissor. 4.2 - Sistema por Barreira O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 17 transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper o feixe de luz. Figura 12 - Sistema por barreira 4.2.1 - Distância Sensora Nominal(Sn) À distância sensora nominal (Sn) para o sistema por barreira é especificada como sendo a máxima distância entre o transmissor e o receptor, o que não impede o conjunto de operar com distâncias menores. 4.2.2 - Dimensões Mínimas do Objeto Quando um objeto possui dimensões menores que as mínimas recomendadas, o feixe de luz contorna o objeto e atinge o receptor, que não acusa o acionamento. Nestes casos devem-se utilizar sensores com distância sensora menor e conseqüentemente permitem a detecção de objetos menores. Figura 13 - Dimensão insuficiente para ser detectada 4.3 - Sistema por Difusão Óptica (Fotosensor) Neste sistema o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade. Sendo que o acionamento da saída ocorre quando a objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 20 vermelho 0,70 a 0,80 madeira 0,70 a 0,80 azul claro 0,60 a 0,70 borracha 0,40 a 0,70 violeta 0,50 a 0,60 papelão 0,50 a 0,60 preto 0,20 0,50 pano 0,50 a 0,60 Nota: Em casos onde há a necessidade da determinação exata do fator de redução deve-se fazer um teste prático, pois outros fatores podem influenciar a distância sensora, tais como: rugosidade, tonalidade, cor, dimensões, etc. Lembramos também que os fatores são acumulativos, como por exemplo: papelão (0,5) preto (0,5) gera um fator de 0,25. 4.3.7 -Zona Morta É a área próxima ao sensor, onde não é possível a detecção do objeto, pois nesta região não existe um ângulo de reflexão da luz que chegue ao receptor. A zona morta normalmente é dada por: 10 a 20% de Sn. Figura 17 - Zona morta onde não ha detecção 4.4 - Sistema Refletivo Este sistema apresenta o transmissor e o receptor em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho prismático, e o acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper este feixe. Figura 18 - Sistema refletivo 4.4.1- Distância Sensora Nominal(Sn) Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 21 À distância sensora nominal (Sn) para o sistema refletivo é especificada como sendo a máxima distância entre o sensor e o espelho prismático, sendo possível montá- los com distância menor. Disponíveis para até 10m. 4.4.2 - Espelho Prismático O espelho permite que o feixe de luz refletido para o receptor seja paralelo ao feixe transmitido pelo transmissor, devido às superfícies inclinadas a 45º o que não acontece quando a luz é refletida diretamente por um objeto, onde a luz se espalha em vários ângulos. À distância sensora para os modelos refletivos é função do tamanho (área de reflexão) e o tipo de espelho prismático utilizados. Figura 19 - Funcionamento do espelho prismático 4.4.3 - Detecção de Transparentes A detecção de objetos transparentes, tais como: garrafas de vidro, vidros planos, etc; podem ser detectados com a angulação do feixe em relação ao objeto, ou através de potenciômetros de ajuste de sensibilidade, mas sempre se aconselha um teste prático. A detecção de garrafas plásticas tipo PET, requerem sensores especiais para esta finalidade. Figura 20 - Detecção de transparentes Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 22 4.4.4 - Detecção de Objetos Brilhantes Quando o sistema refletivo for utilizado na detecção de objetos brilhantes ou com superfícies polidas, tais como: engradados plásticos para vasilhames, etiquetas brilhantes, etc; cuidados especiais devem ser tomados, pois o objeto neste caso pode refletir o feixe de luz. Atuando assim, como se fosse o espelho prismático, ocasionando a não interrupção do feixe, confundindo o receptor que não aciona a saída, ocasionando uma falha de detecção, para se prevenir aconselha-se utilizar um dos métodos: 4.4.4.1 - Montagem Angular Consiste em montar o sistema sensor espelho de forma que o feixe de luz forme um ângulo de 10O a 30O em relação ao eixo perpendicular ao objeto. Figura 21 - Opção para detecção de objetos brilhantes 4.4.4.2 - Filtro Polarizado Existem sensores com filtros polarizados incorporados, que dispensam o procedimento anterior. Estes filtros mecânicos servem para orientar a luz emitida, permitindo apenas a passagem desta luz na recepção, que é diferente da luz refletida pelo objeto, que se es palha e m todas as direções. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 25 Figura 24 - princípio de funcionamento do sensor ultra-sônico 5.2 – Aplicações Medição de espessura de chapas Detecção de frascos de vidros Figura 25 - Aplicação do sensor ultra-sônico 5.3 - Vantagens - Detectam todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato físico. - Modelos com Saída em estado sólido, relê ou analógica. - Possui circuito inteligente 6 - Sistema Touch Control Permite os ajustes dos sensores digitais através de dois botões montados, na lateral do sensor. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 26 Figura 25 – Sistema touch control Procedimento de Ajuste: Touch Control Pressione os Botões T1 e T2 simultaneamente por mais de 3 segundos, até, o LED D1 piscar na cor amarela, então solte os botões. Pressione o botão T1 para aumentar ou o botão T2 para diminuir a distância de atuação, observe que o LED para de piscar quando um objeto é detectado, se possível teste a detecção do objeto. O armazenamento da distância ajustada ocorre caso nenhum botão for pressionado por um intervalo de 20s. O acionamento da saída pode ser monitorado através do LED de sinalização que permanece verde sem objeto e torna-se laranja quando o objeto permanece na zona válida de detecção. 7 - Qual o melhor sensor? Determinando a aplicação: Observar: - Qual o material a ser detectado? - Qual à distância do alvo ao sensor? - Qual o princípio ativo do sensor que melhor se adapta a identificar o alvo? - Existe algum obstáculo que possa interferir na resposta do sensor? - Qual a freqüência de acionamento do sensor? - Quais as condições ambientais ao qual o sensor será submetido? Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 27 8 - Cuidados básicos com os sensores Nunca: Utilize lâmpadas incandescentes como carga ou teste. O filamento quando frio apresenta um alto consumo de corrente, causando a queima do sensor. Manuseie o sensor estando o circuito energizado. Qualquer descuido (curto - circuito), poderá ser fatal para o sensor e para você. Acione um motor diretamente com o sensor, use dispositivos apropriados como, por exemplo: Relês, Chaves - Contatoras, etc. Observar: Sempre a Tensão ( AC/DC) de alimentação , sua polaridade ( PNP / NPN ) , respeitar a capacidade de Corrente do sensor e sua Temperatura de trabalho. A existência de peças e ou partes móveis que possam atingir e danificar a face do sensor e ou seu cabo. A incidência de água, óleo, sujeira produtos químicos e ou elementos que possam danificar ou interferir em seu funcionamento. Figura 26 – Cuidados básicos com os sensores Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 30 Figura 27 - Célula de Carga Embora a resolução da célula de carga seja infinita, pois depende da IHM (GEFRAN, 1997), o conjunto célula de carga – IHM (figura 28) permitirá uma resolução de 0,015Kg. Figura 28 – Indicador de alta freqüência (IHM) 10.1 - Princípios de Funcionamento O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da resistência ôhmica de um sensor denominado extensômetro ou strain gage (Fig. 29), quando submetido a uma deformação. Utiliza-se comumente em células de carga quatro extensômetros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone (Fig. 30) e o desbalanceamento da mesma, em virtude da deformação dos extensômetros, é proporcional à força que a provoca. É através da medição deste desbalanceamento que se obtém o valor da força aplicada. Figura 29 - Extensômetro ou strain gage Os extensômetros são colados a uma peça metálica (alumínio, aço ou liga cobre- berílio), denominada corpo da célula de carga e inteiramente solidários à sua deformação. A força atua, portanto sobre o corpo da célula de carga e a sua deformação é transmitida aos extensômetros, que por sua vez medirão sua intensidade. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 31 Figura 30 - Ponte de Wheatstone Obviamente que a forma e as características do corpo da célula de carga devem ser objeto de um meticuloso cuidado, tanto no seu projeto quanto na sua execução, visando assegurar que a sua relação de proporcionalidade entre a intensidade da força atuante e a conseqüente deformação dos extensômetros seja preservada tanto no ciclo inicial de pesagem quanto nos cilcos subsequentes, independentemente das condições ambientais. A forma geométrica, portanto, deve conduzir a uma "linearidade" dos resultados (fig. 31). Figura 31 - Gráfico de deformação x carga, mostrando histerese, repetibilidade e não linearidade Considerando-se que a temperatura gera deformações em corpos sólidos e que estas poderiam ser confundidas com a provocada pela ação da força a ser medida, há necessidade de se "compensar" os efeitos de temperatura através da introdução no circuito de Wheatstone de resistências especiais que variem com o calor de forma inversa a dos extensômetros. Um efeito normalmente presente ao ciclo de pesagem e que deve ser controlado com a escolha conveniente da liga da matéria-prima da célula de carga é o da "histerese" decorrente de trocas térmicas com o ambiente da energia elástica gerada pela deformação, o que acarreta que as medições de cargas sucessivas não coincidam Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 32 com as descargas respectivas (Fig. 31). Outro efeito que também deve ser controlado é a "repetibilidade" ou seja, indicação da mesma deformação decorrente da aplicação da mesma carga sucessivamente, também deve ser verificada e controlada através do uso de materiais isotrópicos e da correta aplicação da força sobre a célula de carga (Fig. 31). Figura 32 - Gráfico de deformação x tempo mostrando a fluência ou creep Finalmente, deve-se considerar o fenômeno da "fluência" ou creep, que consiste na variação da deformação ao longo do tempo após a aplicação da carga. Este efeito decorre de escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do material e apresenta-se como variações aparentes na intensidade da força sem que haja incrementos na mesma (Fig. 32). 10.2 - Alguns critérios devem ser utilizados na escolha de uma célula de carga 10.2.1- Capacidade nominal A força máxima que ela deverá medir (OS fatores de segurança, 50% de sobrecarga contra danos de funcionamento e 300% para a ruptura, são intrínsecos a própria célula). 10.2.2 - Sensibilidade A medição do desbalanceamento da ponte de Wheatstone é feita através da variação da tensão de saída em função da tensão de excitação aplicada na entrada da ponte. Quando a célula de carga esta carregada, este valor é dado em milivolt por volt aplicado e, normalmente, entre 2 e 3 mV/V. Isto significa que uma céluLa de carga de 30kg de capacidade nominal e 2mV/V de sensibilidade, com uma tensão de excitação na entrada de 10 V, quando sujeita a uma força de 30Kg apresentará na saída uma variação de tensão de 20mV. 10.2.3 - Precisão É o erro máximo admissível relacionado em divisões da capacidade nominal. As células de carga neste caso podem ser divididas em: Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 35 Modelo de Célula para Compressão Modelo de Célula para tração Figura 33 – Modelos de Células de Carga 11 - Encoders Podemos definir este equipamento como sendo um transdutor que executa a transformação (decodificação) de um movimento mecânico em um sinal eletrônico. Seu funcionamento está baseado na interrupção ou não de um sinal óptico, normalmente um feixe luminoso, conseguido comumente através de um emissor e um sensor separados pôr um nônio e um disco de vidro, plástico ou metais estriados que alternadamente permitem ou não a passagem de luz do emissor para o receptor. Quando o disco sofre um deslocamento angular interrompe a passagem de luz, gerando um pulso. Este pulso representa um certo ângulo mínimo, que define a resolução do sistema. Podermos dividir estes equipamentos em dois tipos: • Encoders incrementais; • Encoders absolutos. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 36 11.1 – Encoder Absoluto Em um encoder absoluto cada posição representada unicamente pôr um código padrão. Este código prove de trilhas independentes e está gravado no disco do encoder, onde para cada trilha existe um sensor óptico correspondente. Cada sensor irá fornecer um sinal de nível lógico “1” ou “0” dependente do código padrão do disco para cada posição (ver figura abaixo). Uma vantagem deste tipo de encoder é que não haverá perda da posição no caso de falta de energia, pois não é necessário indexar ou referenciar a partir de um determinado ponto. Figura 34 – Disco codificado de um encoder absoluto Cada trilha do disco codificado significa um bit, dependendo então do número de trilhas verificaremos a resolução deste sistema. Pôr exemplo, um disco com 8 trilhas poderá identificar 256 posições diferentes. A expressão (8) mostra analiticamente como podermos determinar a resolução de um encoder absoluto em função do número de bits do disco codificado. ∆θ = 360° (8) N 2 Onde: N é o número de bits ou trilhas do disco. O disco do encoder pode ser codificado de varias maneiras diferentes, porém, existem dois códigos que são os mais utilizados: o código binário e o código de Gray. O código binário é amplamente utilizado nas aplicações para automação industrial e o código de Gray, possui como principal vantagem a que de uma posição para outra apenas um bit é alterado. Assim, fica possível encontrar erros provocados pôr ruídos elétricos ou eletromagnéticos através de software. Podemos ainda, dividir os encoders absolutos em dois tipos: single turn e multi turn. Os encoders do tipo single turn repetem o código da posição a cada 360° Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 37 para uma volta do eixo. Normalmente estes encoders são fornecidos até a resolução de 14 bits, ou seja, 16384 posições por volta, ou ainda, o menor ângulo que pode ser representado é o de 0,02I9°. Já os do tipo multi turn possuem discos codificados adicionais que permitem a leitura de varias voltas. A figura Abaixo pode nos dar uma idéia de como isto é realizado. Figura 35 – Disco codificado de um encoder absoluto multi-turn A resolução do encoder absoluto é dada por contagem/revolução, isto é, se ele tiver no seu disco (encoder rotativo) 12 faixas para código de gray, então terá 2¹² combinações possíveis perfazendo um total de 4096 combinações. Com relação à saída destes encoders podemos encontrar: saída paralela, saída serial ou comunicação em rede. Para os encoders com saída paralela, para cada bit existe um condutor, e o elemento de controle deverá obviamente possuir uma porta paralela para leitura destes sinais. Os encoders com saída serial são muito utilizados, pois a grande maioria dos processadores no mercado utilizam este sistema de transmissão de dados. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 40 mecânica e a eletrônica, que pôr sua vez impõem limites a velocidade de operação. A combinação de vários fatores tais como, rolamentos, freqüência de resposta, PPR para cada aplicação, também influencia nestas questões. De modo geral, a máxima velocidade de operação para um encoder incremental depende diretamente da aplicação. Podemos determinar a velocidade de operação para nina dada aplicação através da seguinte expressão: f = PPR x n 60 Onde: f é a freqüência de operação [Hz]; PPR é a resolução do encoder; n é a rotação [rpm]. Para os terminais de saída é adotada uma terminologia própria. Os sinais são transmitidos utilizando circuitos de corrente continua, para que sejam atingidas altas velocidades de transmissão. Esta transmissão é feita pôr uma corrente que pode fluir do encoder para o circuito (NPN) ou do circuito para o encoder (PNP), embora a maioria dos encoders possa ser configurada em outros padrões, além do PNP ou NPN, tais como: Push Pull, Line Drive ou RS422. Os encoders incrementais ainda podem ser unidirecionais ou bidirecionais ou ainda com sinal de referencia. Adicionalmente podem ser transmitidos também como sinal singular “sigle ended” ou com seus sinais complementares “diferenciais”. Para a especificação de encoders incrementais devem ser informadas algumas características, que podemos dividir em: • Mecânicas: flange, diâmetro do eixo ou eixo vazado, máxima carga do eixo, pulsos pôr volta, velocidade, momento de inércia, temperatura de operação, proteção [IP], dimensões e tipo de conexão (elétrica). • Eletrônicas: freqüência, tipo de eletrônica, formato da saída, imunidade a ruído, proteção do circuito (inversão de polaridade, sobretensão, curto-circuito na saída) e alimentação. As aplicações para encoders incrementais abrangem vários processos entre os quais podemos citar: • Realimentação de sistemas digitais de controle de velocidade; • Maquinas de embalagens; • Ajustes de fusos para preparação de espessura de um produto; • Robôs; • Misturadores; • Mesas rotativas. Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 41 12 – Sensor de Umidade As medições de umidade é feitas desde o século XV com relação à atmosfera. Não é difícil se fazerem medições de umidade, a menos que se exija muita precisão e controle rigoroso. Há três métodos gerais para se medir a umidade relativa do ar: o psicrômetro, o sensor eletrônico e o ponto de orvalho. No método do psicrômetro é utilizado como sensor um fio de cabelo humano ou uma membrana animal que muda de dimensões com a umidade. Durante muitos anos estes elementos higromecânicos foram usados como indicadores e como chaves de controle. O sensor elétrico satisfaz a necessidade industrial quanto a velocidade, versatilidade, precisão e alta sensibilidade, usando massa pequena e componentes não- metálicos. Onde é importante o teor real de água do ar, ou onde a condensação da umidade deve ser evitada, aplica-se com mais eficiência o controle do ponto de orvalho. 12.1 – Sensor Eletrônico Um sensor eletrônico de umidade é um dispositivo de precisão capaz de detectar uma variação de 1% na umidade relativa. Um tipo de sensor eletrônico é constituído de duas grades de ouro entrelaçadas, estampadas sobre plástico e cobertas com uma complexa camada de sais higroscópicos. Conforme aumenta a umidade relativa (UR), a camada se torna mais condutiva e a resistência entre as grades diminui. A variação de resistência é calibrada em unidades de UR, e o controlador associado interpreta as variações de modo a ativar o equipamento adequado de controle de umidade. 12.2 – Sensor Ponto de Orvalho Um tipo de sensor de ponto de orvalho consiste em eletrodos de fio bifilar, enrolados sobre uma luva de pano, que cobre um tubo oco ou carretel. (Bifilar significa um enrolamento de dois fios enrolados lado a lado, separados de uma distância uniforme). A luva de pano é impregnada com uma solução de cloreto de lítio e deixada secar. Os fios bifilares são ligados ao secundário de um transformador integral. Os eletrodos bifilares não estão interligados. Dependem da condutividade do cloreto de lítio atmosfericamente umedecido para que haja um fluxo de corrente. O cloreto de lítio possui duas características únicas que o tornam apropriado às medidas de ponto de orvalho. Ë altamente higroscópico, isto é, tem uma grande afinidade com o vapor d’água e tem uma habilidade inerente para manter-se em um valor constante pouco acima dos 11%, quando presente em uma atmosfera úmida e aquecida por uma corrente elétrica que o percorra. Para valores de 11% ou abaixo, o cloreto de lítio da luva seca-se e se transforma em sólido cristalino e não é condutor. Um segundo tipo de detector de ponto de orvalho usa uma câmara de observação onde é introduzida uma amostra de gás que contém vapor úmido. Um manômetro indica diretamente a relação entre a amostra do gás e a pressão atmosférica. A amostra de gás é mantida a uma pressão um pouco acima da atmosférica. Quando se abre uma válvula de operação, o gás escapa para a câmara de Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 42 observação e se expande à pressão atmosférica. Quando o gás é libertado acende-se uma lâmpada, de modo que quando o gás se resfria, abaixo do ponto de orvalho, forma- se uma névoa característica na câmara. O procedimento é repetido de modo a estabelecer o ponto final ou o ponto de fuga da neblina. Este ponto final pode ser determinado com precisão quando medido pela relação de pressão do ponto de fuga. Outras técnicas do ponto de orvalho envolvem a observação da formação do orvalho sobre uma superfície polida, e diminuindo a temperatura por técnicas de refrigeração obtém-se um depósito de orvalho dos gases confinados. A medição e/ou controle da umidade é desejável ao se estabelecer um ambiente confortável ao homem (como as áreas de temperatura e umidade controladas para trabalhos especiais), em áreas de armazenamento, em gases comprimidos usados em instrumentação e trabalhos analíticos, em fornalhas de atmosfera controlada e em fornos de secagem. O controle da umidade é também essencial na indústria do papel, para que o mesmo possa ser calandrado na espessura correta e armazenado sem expansão dimensional. Sem o controle adequado da umidade, o papel poderia ser esticado no processo de calandragem e depois ser contraído até se quebrar. 12.3 – Sensores Capacitivos de Umidade O tipo mais usado para medida de umidade relativa em higrômetros de uso doméstico, comercial ou industrial é o capacitivo. Este sensor é formado por uma folha de material não condutivo coberta nas duas faces por uma finíssima camada de ouro (condutor) numa estrutura que corresponde justamente a um capacitor plano. A construção desse capacitor, entretanto, é tal que a umidade do ar pode penetrar com facilidade no material dielétrico, alterando sua capacitância. Com a penetração da umidade a capacitância aumenta. Para um sensor típico, a capacitância se altera de aproximadamente 112 pF para uma umidade relativa de 10% para 144 pF para uma umidade relativa de 90% (que é a faixa de utilização do sensor). Para dar acesso à umidade ao dielétrico, o conjunto é montado num invólucro dotado de pequenos orifícios. Figura 37 - Sensor de temperatura e umidade