Sensores

Sensores

(Parte 1 de 3)

1ª EDIÇÃO Janeiro 2006

CEFETES – UNED SERRA – Página: 2

1) INTRODUÇÃO3
2) CLASSE DE PROTEÇÃO DOS SENSORES3
Grau de proteção contra sólidos3
Grau de proteção contra líquidos3
3) FATORES INICIAIS NA ESCOLHA DO SENSOR DE POSIÇÃO4
4) CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES4
4.1) Sensores Analógicos4
4.2) Sensores Digitais4
5) CARACTERÍSTICAS DOS SENSORES5
5.1) Faixa (Range)5
5.2) Resolução5
5.3) Sensibilidade5
5.4) Linearidade6
5.5) Histerese6
5.6) Exatidão ou Erro6
5.7) Relação Sinal / Ruído6
5.8) Resposta em Freqüência6
6) SENSORES MAGNÉTICOS, INDUTIVOS E CAPACITIVOS6
6.1) Chaves Fim-de-Curso6
6.2) Sensores Magnéticos Reed7
6.3) Sensores Indutivos8
6.4) Sensores Capacitivos12
6.5) Tipo de Ligação dos Sensores16
7) SENSORES ÓPTICOS19
7.1) INTRODUÇÃO19
7.2) CONCEITOS BÁSICOS19

SUMÁRIO 7.3) MODOS DE DETECÇÃO FOTOELÉTRICOS......................................................................21

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1) INTRODUÇÃO

O uso de sensores e chaves para detecção de posição é muito comum na automação de máquinas e processos. Suas aplicações costumam ser a contagem de peças, verificação de posicionamento de uma peça para liberação de uma próxima fase do processo, seleção entre peças diferentes e determinação de dimensional de um produto, entre outras. Apesar de parecer um procedimento simples, muitas vezes um projeto de automação pode sucumbir devido à escolha errônea de um sensor.

2) CLASSE DE PROTEÇÃO DOS SENSORES

Tabela de Proteção IP (de acordo com a IEC 529)

Grau de proteção contra sólidos Grau de proteção contra líquidos 0 Sem proteção 0 Sem proteção

1 Proteção contra objetos sólidos maiores que 50 m 1 Proteção contra água na vertical ou respingos leves

2 Proteção contra objetos sólidos maiores que 12 m 2 Proteção contra água ou respingos leves com ângulos de até 15 graus com a vertical

3 Proteção contra objetos sólidos maiores que 2,5 m 3 Proteção contra água ou respingos leves com ângulos de até 60 graus com a vertical

4 Proteção contra objetos sólidos maiores que 1 m 4 Proteção contra água ou respingos fortes em qualquer direção

5 Proteção contra pó, limitada penetração de pó permitida 5 Proteção contra jatos de água em qualquer direção

6 Total proteção contra penetração de pó 6 Proteção contra fortes jatos de água vindos em qualquer direção

7 Proteção contra penetração de água durante submersão temporária

8 Proteção contra penetração de água, podendo operar submerso a profundidade definida

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3) FATORES INICIAIS NA ESCOLHA DO SENSOR DE POSIÇÃO

Existem diversas tecnologias de detecção de posição para uso em automação, e a decisão de utilização entre uma ou outra depende de diversos fatores, tais como:

3.1) O objeto a ser detectado – tipo de material, cor, dimensões, velocidade, número de operações por hora e etc;

3.2) Local de instalação – distância do sensor ao objeto, restrições quanto ao espaço para montagem do sensor, etc;

3.3) Condições ambientais – este é um ponto crucial na escolha do sensor correto.

Deve-se observar se há presença de água no ambiente, poeira, óleo ou produtos químicos. Isto influenciará no grau de proteção adequado do sensor. Deve-se ficar atento também à temperatura ambiente, pois a maioria dos sensores com eletrônica embutida trabalha até 55ºC;

3.4) Tipo de detecção a ser feita – deve-se definir se o sensor deve indicar somente a presença ou ausência do objeto, ou se deseja saber a posição do objeto de um modo analógico;

3.5) Tensão de alimentação – deve-se saber a tensão de alimentação disponível e que tipo de saída se deseja do sensor;

3.6) Características dos sensores – deve-se saber a precisão, a repetibilidade e tempo de resposta desejados;

3.7) Custo do sensor e sua vida útil – o custo do produto sempre é um fator decisivo na escolha. Deve-se, porém, avaliar se o custo baixo inicial não acarretará um alto custo de manutenção futuro.

4) CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES

Os sensores normalmente convertem um valor físico em sinal elétrico. Os sensores podem ser divididos de acordo com o tipo de sinal de saída em sensores analógicos e digitais.

4.1) 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;

4.2) 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.

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Figura 1 – Diferença entre Sensores Analógicos e Digitais

Em resumo, os sensores medem uma grandeza física e entregam um sinal elétrico como saída. Se esse sinal puder tomar qualquer valor dentro de certos limites ao longo do tempo, esse sensor é chamado de analógico. Se esse sinal elétrico só puder tomar dois valores ao longo do tempo, sejam estes sinais de qualquer amplitude, o sensor é chamado de digital.

5) CARACTERÍSTICAS DOS SENSORES

As principais características dos sensores, tanto analógicos quanto digitais são apresentadas a seguir.

5.1) Faixa (Range) – define-se como faixa ou range a todos os níveis de amplitude da grandeza física medida nos quais se supõe que o sensor pode operar dentro da precisão especificada. Assim, como exemplo, um sensor de pressão pode ser fabricado para operar de 60 mmHg até 300 mmHg. A amplitude dessa escala é definida como faixa.

5.2) Resolução – define-se como resolução o menor incremento da grandeza física medida que provoca uma mudança no sinal de saída do sensor. No caso de sensores digitais, a resolução vai estar dada pelo menor incremento da grandeza física medida que provoca uma mudança de 1 bit na leitura de saída do sensor digital.

5.3) Sensibilidade – a sensibilidade é a transferência do sensor, quer dizer, a relação entre a variação do sinal elétrico entregue na saída e a variação da grandeza física medida. Um sensor de pressão pode ter uma sensibilidade de 3 mV/mmHg, o qual significa que por cada mmHg que mude a pressão medida, o sinal elétrico entregue na saída mudará de 3 mV.

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5.4) Linearidade – dado um determinado sensor, se para variações iguais da grandeza física medida obtém-se variações iguais do sinal entregue, então define-se o sensor como linear, caso contrário, define-se como não – linear.

5.5) Histerese – se o sensor entregar um determinado valor de saída para um estímulo crescente do sinal de entrada ao passar pelo valor X1, e outro valor diferente na saída para um estímulo decrescente do sinal de entrada ao passar pelo mesmo valor X1, então nesse caso se diz que há uma histerese.

5.6) Exatidão ou Erro – dada uma determinada grandeza física a ser medida, a exatidão é a diferença absoluta entre o valor do sinal de saída entregue pelo sensor e o valor do sinal ideal que o sensor deveria fornecer para esse determinado valor de grandeza física.

5.7) Relação Sinal / Ruído – é a relação entre a potência de um sinal qualquer entregue na saída do instrumento e a potência do sinal de ruído, medida como sinal de saída com informação de entrada nula (sem sinal de entrada). Esta relação pode ser expressa em termos percentuais ou em dB (decibéis), unidade que representa 10 vezes do logaritmo da relação Sinal / Ruído.

Onde: S/N[dB] – Relação Sinal / Ruído em decibéis; S[w] – Potência do Sinal de Saída do Sensor em Watts; N[w] – Potência do Ruído de Saída do Sensor para entrada nula em Watts.

5.8) Resposta em Freqüência – qualquer sistema eletrônico que manuseia sinais elétricos tem suas limitações em freqüência, isto é, sinais em determinadas freqüências são reproduzidos e em outras não. Não é diferente no caso dos sensores. Se a grandeza física medida varia sua amplitude com uma determinada freqüência, é possível que o sinal elétrico entregue pelo sensor reproduza essas mudanças com a amplitude adequada, mas se a freqüência dessas mudanças na grandeza física aumentar, é possível que o sinal de saída entregue pelo sensor diminua sua amplitude em função da freqüência dessas mudanças. Desta forma define-se resposta em freqüência de um sensor como a faixa do espectro que esse consegue reproduzir.

6) SENSORES MAGNÉTICOS, INDUTIVOS E CAPACITIVOS

Existem diversos métodos de detecção de posição usados atualmente na indústria, desde os mais antigos (chaves fim-de-curso) aos mais modernos. Abordaremos os mais usados em Automação.

Conforme o tipo de tecnologia de detecção os sensores podem ser classificados em:

6.1) Chaves Fim-de-Curso

São os dispositivos mais antigos utilizados para detecção de posição. Atualmente há uma infinidade de modelos com diversos tamanhos e tipos de atuadores diferentes. Basicamente, a chave fim-de-curso tem um atuador que é acionado pelo objeto a ser detectado e que, por sua vez, atua um contato elétrico que irá enviar a informação. Logo

CEFETES – UNED SERRA – Página: 7 se vê que é necessário o contato físico entre o objeto a ser detectado e o atuador do sensor. Por isso, deve-se verificar se a força que o objeto poderá efetuar sobre o atuador é suficiente para acioná-lo, e esse será um dos fatores importantes na escolha da chave correta.

Uma das grandes vantagens das chaves fim-de-curso é o seu baixo custo. Por isso o seu uso é corriqueiro, mas deve-se considerar o número de operações por hora a que será submetida. Como a chave possui partes mecânicas e o contato elétrico que se desgastam, deve-se calcular a sua vida útil de modo a evitar trocas constantes.

Atualmente, as chaves fim-de-curso vêm sendo utilizadas em locais de baixo número de operações bem como em aplicações de segurança.

Figura 1 – Exemplo de chave fim-de-curso

6.2) Sensores Magnéticos Reed

Os sensores magnéticos reed são compostos de duas partes, uma ampola reed encapsulada em invólucro plástico e um ímã. Quando o ímã se aproxima da ampola, o contato desta se fecha. Este tipo de dispositivo tem dimensões reduzidas e pode substituir chaves fim-de-curso com a vantagem de não haver desgaste mecânico, pois não há contato entre o ímã e a ampola reed. Devem ser respeitados os limites elétricos de capacidade de comutação dela.

Figura 2 – Sensor de proximidade magnético reed

Figura 3 – Circuito do sensor de proximidade magnético reed

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Tabela 1 – Código de cores para os fios dos sensores reed

Figura 4 – Resposta característica de um sensor de proximidade magnético reed

6.3) Sensores Indutivos

Os sensores de proximidade indutivos são amplamente utilizados nos dias de hoje.

Muitas das aplicações onde eram empregadas chaves fim-de-curso passaram a optar pelos sensores indutivos devido a sua detecção sem contato e alta vida útil.

6.3.1) Princípio de Funcionamento

Os sensores de proximidade indutivos funcionam gerando um campo eletromagnético à sua frente. Eles consistem de uma bobina sobre um núcleo de ferrite, um oscilador, um circuito de disparo de sinais de comando e um circuito de saída. Quando um objeto-alvo metálico ferroso ou não-ferroso penetra no campo, a perda de energia ocasionada pelas correntes de fuga no objeto resulta numa amplitude de oscilação menor. O circuito de disparo então reconhece esta mudança específica de amplitude e, dependendo da magnitude da mudança, gera um sinal de comando para o circuito de saída (dispositivo de estado sólido).

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Figura 5 – Circuito interno do sensor de proximidade indutivo

A maioria dos sensores indutivos disponíveis no mercado é para a detecção de presença ou ausência, mas também se pode encontrar modelos que possuem uma saída analógica proporcional à distância do objeto à face sensora.

Figura 6 – Alvo metálico se aproximando e se afastando do sensor 6.3.2) Distância Sensora Nominal (Sn)

E a distância sensora teórica (máxima) que utiliza um alvo-padrão como acionador e não considera as variações causadas pela industrialização, temperatura e operação e tensão de alimentação. E o valor em que os sensores de proximidade são especificados e podem-se encontrar modelos com distância sensora nominal de até 30 m.

6.3.3) Alvo Padrão (DIN 50010)

E importante observar que os catálogos dos fabricantes sempre informam a distância sensora nominal baseada em um objeto-alvo padrão de aço, chamado alvo padrão.

Figura 7 – Alvo padrão para sensores de proximidade indutivos

A face ativa de um detector de proximidade indutivo é a superfície frontal, por onde se irradia um campo eletromagnético de alta freqüência. O alvo padrão é uma plaqueta quadrada de aço doce, com 1 m de espessura, com comprimentos dos lados iguais ao diâmetro da face ativa (L=D, caso 3xSn < Diâmetro) ou 3 vezes o alcance nominal (L=3xSn, caso 3xSn > Diâmetro).

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6.3.4) Distância Sensora Real (Sr)

E o valor influenciado pela industrialização, especificado em temperatura ambiente (20º C) e tensão nominal, com desvio de 10%.

0,9 Sn <= Sr <= 1,1 Sn 6.3.5) Distância Sensora Efetiva (Su)

Valor influenciado pela temperatura de operação. Possui um desvio máximo de 10% sobre a distância sensora real.

0,81 Sn <= Su <= 1,21 Sn 6.3.6) Distância Operacional (Sa)

E a distância em que seguramente se pode operar o sensor, considerando todas as variações de industrialização, temperatura e tensão de alimentação.

0 <= Sa <= 0,81 Sn 6.3.7) Fator de Correção ou Fator de Redução

Um fator de redução é usado para determinar o alcance quando se quer detectar outros materiais que não o aço doce padrão. A composição química do objeto-alvo tem grande efeito no alcance de detectores de proximidade indutivos. Caso o material de seu objeto-alvo seja de um outro material, deve-se multiplicar a distância sensora informada por um fator de redução (segundo a Tabela 2), para se determinar o alcance específico para aquele alvo.

Material do Objeto Fator de Redução

Aço Doce 1,0

Aço Inoxidável 0,85

Latão 0,50

Alumínio 0,45 Cobre 0,40

Tabela 2 – Tabela de fatores de redução para outros materiais

(Alcance Específico) = (Fator de Correção) x (Alcance Nominal)

Exemplo:

Um sensor indutivo possui distância de detecção nominal de 8 m. Qual seria o alcance específico para um alvo de cobre com as mesmas dimensões que um alvo padrão? Resolução:

AEsp-cobre = ANom-sensor x Fatorcobre => AEsp-cobre = 8 m x 0,40 = 3,2 m

Conclusão: Se usarmos um alvo de cobre, ele somente será detectado a 3,2 m de distância do sensor.

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6.3.8) Relação entre Alvo e Alcance de Detecção

O tamanho e a forma do alvo também podem afetar o alcance. Os seguintes pontos devem ser usados como orientação geral quanto ao tamanho e à forma de um objeto:

a) Alvos planos são preferíveis; b) Alvos arredondados podem diminuir o alcance; c) Materiais não-ferrosos normalmente diminuem o alcance (válido somente para as versões de sensores que detectam todos os metais); d) Alvos menores que a face ativa tipicamente reduzem o alcance; e) Alvos maiores que a face ativa podem aumentar o alcance; f) Películas, folhas e filmes metálicos podem aumentar o alcance.

6.3.9) Sensores Blindados versus Não-Blindados

Os sensores indutivos podem ser do tipo blindados e não blindados. A construção blindada inclui uma faixa metálica que envolve o conjunto núcleo de ferrite / bobina. Já os sensores não blindados não possuem essa faixa.

Figura 8 – Diferença entre sensores indutivos blindados e não-blindados 6.3.10) Histerese

Para um alvo que executa movimento cíclico, aproximando e afastando-se do sensor (especialmente para sensores digitais), a histerese pode tornar-se uma característica necessária, uma vez que irá evitar oscilações (comutação /descomutação) na saída do sensor quando o mesmo estiver sujeito a choques e vibrações ou quando o alvo estiver posicionado exatamente no ponto de alcance nominal do sensor.

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