Apostila Instrumentação Industrial

Apostila Instrumentação Industrial

(Parte 1 de 4)

ÍNDICE Professor Reverson Reis - 2008

Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores

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INTRODUÇÃO05
SENSORIAMENTO07
DEFINIÇÕES FUNDAMENTAIS07
Sensor0 8
Transdutor08
Sensores Discretos08
Sensores Absolutos09
CONCEITOS FUNDAMENTAIS10
Sensibilidade10
Exatidão1
Precisão1
Linearidade1
Estabilidade1
Alcance1
Resolução1
Velocidade de Resposta12
Histerese12
Outros12
EXERCÍCIOS13
MEDIDA DE PRESSÃO15
Pressão Absoluta16
Pressão Relativa ou Manométrica16
Pressão Diferencial16
Pressão Negativa ou à Vácuo16
Pressão Estática17
Pressão Dinâmica ou Cinética17
MEDIDORES DE PRESSÃO DE COLUNA LÍQUIDA17
Barômetro de Mercúrio17
Barômetro de Aneróide17
MEDIDORES DE PRESSÃO MECÂNICOS18
Tubos de Bourdon18

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Manômetro Diferencial20
Manômetro Duplo20
Manômetros com Selagem Líquida21
Manômetros com Sensor do Tipo Diafragma21
Manômetros do Tipo Fole23
Outros Tipos de Manômetros23
EXERCÍCIOS24
MEDIDA DE VAZÃO27
Vazão Volumétrica27
Vazão Mássica28
Vazão Gravitacional28
PERDA DE CARGA VARIÁVEL (ÁREA CONSTANTE)29
Placa de Orifício29
Tubo de Venturi34
Tubo de Pitot36
Tubo de Dall38
Annubar40
ÁREA VARIÁVEL (PERDA DE CARGA CONSTANTE)41
Rotâmetro41
MEDIDORES DE VOLUME DO FLUIDO PASSANTE42
Rodas Ovais42
MEDIDORES DE VELOCIDADE (PELO IMPACTO DO FLUIDO43
Turbina43
MEDIDORES ESPECIAIS43
Elétrico-Magnético Indutivo4
EXERCÍCIOS45
MEDIDA DE NÍVEL47
MEDIDA DIRETA47
Visores de Nível47
Bóias47
MEDIDA INDIRETA48
Borbulhamento para Recipientes Abertos48

Página 3 de 119 Borbulhamento para Recipientes Fechados ............................................................ 49

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Caixa de Diafragma49
Corpo Imerso50
MEDIDORES ESPECIAIS51
Capacitância Variável51
EXERCÍCIOS52
MEDIDA DE FORÇA OU MOMENTO53
Efeitos Mecânicos - Tração, Compressão53
Tipos de Sensores - Flexão, Cisalhamento e Compressão54
FORÇA OU MOMENTO?54
FATOR DE GAUGE5
APLICAÇÕES56
MÉTODO DE MEDIÇÃO56
ANÁLISE DE DEFORMAÇÃO57
Montagem em ¼ de Ponte57
Montagem em ½ Ponte58
Montagem em Ponte Completa58
EXERCÍCIOS60
MEDIDA DE POSIÇÃO63
Sensores Indutivos63
Sensores Capacitivos65
Sensores Magnéticos67
LVDT6 7
RVDT70
Potenciométrico71
Encoder73
Encoders Incrementais74
Encoders Absolutos75
EXERCÍCIOS78
MEDIDA DE TEMPERATURA81
ESCALAS DE TEMPERATURA81
Termistores NTC83

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Termopar85
Efeitos Termoelétricos85
Tipos de Termopares87
Compensação de Junta de Referência91
Associação de Termopares92
Associação Simples92
Associação Simples Oposta93
Associação em Paralelo94
EXERCÍCIOS95
SENSORES DE PRESENÇA100
Sensores Ópticos100
Sensor Óptico por Retrorreflexão102
Sensor Óptico por Transmissão102
Sensor Óptico por Reflexão Difusa103
Sensor Infravermelho Ativo103
Sensor Infravermelho Passivo104
Janela de Luz104
Sensores de Ultra Som104
EXERCÍCIOS108
SENSORES ÓPTICOS110
Fotodiodos110
Foto Acoplador110
LDR1
Foto Transistor113
Foto Tiristor LASCR113
Válvula Ultravioleta113
Célula Fotovoltaica114
EXERCÍCIOS115
MEDIDA DE VELOCIDADE116
Tacômetro116
MEDIDA DE ACELERAÇÃO117

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Para darmos início ao nosso estudo aos sensores e transdutores vamos abordar a essência da utilização destes componentes dentro de um contexto industrial, comercial e residencial.

A automação pode ser definida como um sistema composto por equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos auto-suficiente, ou seja, que controlam seu próprio funcionamento, praticamente sem a intervenção humana. A maioria dos sistemas modernos de automação que facilmente são visualizados em indústrias químicas, automobilísticas, empresas comerciais como supermercados, e muitas outras aplicações. Esses sistemas requerem um complexo controle devido a cíclicas realimentações do sistema o que chamamos de automação em malha fechada (Figura 01). Esses processos automatizados contêm cinco componentes básicos, sendo eles:

9 Acionamento: provê o sistema de energia para atingir determinado objetivo. São os casos dos motores elétricos, pistões hidráulicos etc.;

9 Sensoriamento: mede o desempenho do sistema de automação ou uma propriedade particular de algum de seus componentes. Exemplos: termopares para medição de temperatura e encoders para medição de velocidade;

9 Controle: utiliza a informação dos sensores para regular o acionamento. Por exemplo, para manter o nível de água num reservatório, usamos um controlador de fluxo que abre ou fecha uma válvula, de acordo com o consumo. Mesmo um robô requer um controlador, para acionar o motor elétrico que o movimenta;

9 Comparador ou elemento de decisão: compara os valores medidos com valores preestabelecidos e toma a decisão de quando atuar no sistema. Como exemplos, podemos citar os termostatos e os programas de computadores;

9 Programas: contêm informações de processo e permitem controlar as interações entre os diversos componentes.

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Figura 01 – Automação em Malha Fechada

A utilização de sensores e transdutores nos dias de hoje tornam-se cada vez mais freqüentes em processos de automação seja ele industrial, comercial ou até mesmo residencial. Com o avanço da tecnologia em grande escala novos equipamentos, novos métodos surgem num espaço de tempo cada vez menor, fenômeno este que contribui para o aumento do número de tipos e aplicações desses equipamentos.

O Sensoriamento consiste em uma técnica para obter informações sobre objetos através de dados coletados por instrumentos que não estejam em contato físico ou não com os objetos investigados.

Sensoriamento Remoto pode ser definido como uma medida de trocas de energia que resulta da interação entre a energia contida na Radiação Eletromagnética de determinado comprimento de onda e a contida nos átomos e moléculas do objeto de estudo.

Nosso estudo concentra-se justamente na fase de sensoriamento, onde abordaremos os princípios de funcionamento dos instrumentos em função do tipo de grandeza a ser monitorado, como por exemplo, temperatura, pressão, cargas, etc., também serão abordados conceitos quanto às classificações, campo de aplicação e meios de medição.

Comumente costumamos a nos referenciar a esses instrumentos de uma maneira geral como sensores, porém esses podem ser sensores ou transdutores, e em muitas

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Página 8 de 119 vezes os termos “sensor e transdutor” são usados indistintamente. Neste caso vamos deixar claro cada um desses conceitos.

9 SENSOR: é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estímulo ou um sinal (luminoso, térmico, pressão, etc.). Porém, os sensores artificiais são aqueles que respondem com sinal elétrico a um estímulo ou um sinal.

Figura 02 – Atuação de Energias Sobre os Sensores

9 TRANSDUTOR: é um dispositivo que converte um tipo de energia em outra não necessariamente em um sinal elétrico. Muitas vezes um transdutor é composto de um sensor e uma parte que converte a energia resultante em um sinal elétrico. Podem ser de indicação direta (como um termômetro de mercúrio ou um medidor elétrico) ou em par com um indicador (algumas vezes indiretamente com um conversor de analógico para digital, um computador e um display) de modo que o valor detectado se torne legível pelo homem. Além de outras aplicações, os sensores são largamente usados na medicina, indústria e robótica.

Esses sensores podem assumir apenas dois valores no seu sinal de saída ao longo do tempo, que podem ser interpretados como zero ou um. Não existem naturalmente grandezas físicas que assumam esses valores, mas eles são assim mostrados ao sistema de controle após serem convertidos pelo circuito eletrônico do transdutor, podem também serem chamados de sensores digitais ou binários. É utilizado, por exemplo, em:

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9 Chaves de contato; 9 Encoders; 9 Sensores Indutivos; 9 Sensores Capacitivos; 9 Outros.

A saída do dispositivo discreto assume valores “0” ou “1” lógicos. Este tipo de sensor só é capaz de indicar se uma grandeza física atingiu um valor pré-determinado. Abaixo a Figura 03 mostra uma representação gráfica de um sensor binário quando atuado por uma determinada grandeza física.

Figura 03 – Resposta de um Sensor Discreto SENSORES ABSOLUTOS

Esses sensores podem assumir qualquer valor no seu sinal de saída ao longo do tempo, desde que esteja dentro de sua faixa de operação, algumas grandezas físicas também podem apresentar um comportamento analógico como:

9 Pressão; 9 Temperatura;

Grandeza Física Saída do Sensor

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9 Carga; 9 Vazão; 9 Outros.

O sensor ou transdutor possui saída contínua, nesse caso a saída destes é quase uma réplica da grandeza física de entrada, estes instrumentos também podem ser chamados de sensores analógicos. Abaixo a Figura 04 mostra uma representação gráfica de um sensor absoluto quando atuado por uma determinada grandeza física.

Figura 04 – Resposta de um Sensor Absoluto CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Para estudarmos de uma maneira mais detalhada os tipos de sensores e transdutores, campo de aplicação, por exemplo, faz-se necessário a abordagem de alguns conceitos fundamentais que serão necessários para futuros estudos.

SENSIBILIDADE: também podendo ser definido como ganho é a razão entre o sinal de saída e de entrada para um dado transdutor. No caso de sensores analógicos, a sensibilidade está ligada à relação entre uma variação na grandeza em questão e a variação na medida fornecida pelo instrumento, ou seja, um sensor muito sensível é

Grandeza Física Saída do Sensor

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Página 1 de 19 aquele que fornece uma variação na saída para uma pequena variação da grandeza medida.

EXATIDÃO: consiste no erro da medida realizada por um transdutor em relação a um medidor padrão.

PRECISÃO: é a característica relativa ao grau de repetibilidade do valor por um transdutor. Apesar de as definições serem atualmente padronizadas, existe e principalmente fabricantes que se referem a essa característica como sendo o erro relativo máximo que o dispositivo pode apresentar.

LINEARIDADE: Esse conceito se aplica a sensores analógicos. É a curva obtida plotando os valores medidos por um transdutor sob teste contra valores de um padrão. Se o comportamento do transdutor ou sensor for ideal, o gráfico obtido é uma reta. Os gráficos abaixo apresentados mostram um comportamento linear para o da esquerda e não linear para o da direita.

Figura 05 – Representação da Curva de Comportamento de um Sensor

ESTABILIDADE: Está relacionada com a flutuação da saída do sensor. Se a flutuação for muito alta, ou seja, se o sensor possuir uma baixa estabilidade, a atuação do controlador que utiliza esse sinal pode ser prejudicada.

ALCANCE: Representa toda faixa de valores de entrada de um transdutor.

RESOLUÇÃO: Define-se como o menor incremento de entrada o qual gera uma saída perceptível e repetitiva, quantificando-se como porcentagem do fundo de escala.

Grandeza Saída do

S en sor

Grandeza Saída do

S en sor

Comportamento

Linear

Comportamento Não Linear

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VELOCIDADE DE RESPOSTA: trata-se da velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança o valor real do processo. Em sistemas realimentados o ideal é que o sensor utilizado tenha uma resposta instantânea, pois uma resposta lenta pode prejudicar muito a eficiência do sistema de controle e até impedir que o sistema funcione o contento.

HISTERESE: Refere-se à zona morta obtida sob a diferença entre as curvas de resposta na subida e descida de escala.

Figura 06 – Gráfico Histerese

OUTROS: devem-se levar em consideração na especificação dos sensores as seguintes características: facilidade de manutenção, custo, calibração, dimensões, faixa de trabalho, histerese, vida útil, etc..

Grandeza

Saída do Sensor Descida de Escala

Subida de Escala Histerese

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EXERCÍCIOS 1. Defina automação de sistemas.

a. ()

2. Sensoriamento pode ser definido como: A comparação dos valores medidos com valores preestabelecidos e toma a decisão de quando atuar no sistema.

b. () Utiliza a informação dos sensores para regular o acionamento
c. ()

Mede o desempenho do sistema de automação ou uma propriedade particular de algum de seus componentes.

d. () Nenhuma das alternativas está correta.

3. Diferencie sensores de transdutores. Cite exemplos.

4. Diferencie sensores discretos de sensores absolutos. Cite exemplos.

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a. Exatidão ()

5. Relacione os conceitos fundamentais. Representa toda faixa de valores de entrada de um transdutor.

b. Sensibilidade ()

Característica relativa ao grau de repetibilidade do valor por um transdutor.

c. Linearidade () Está relacionada com a flutuação da saída do sensor.
d. Precisão ()

Razão entre o sinal de saída e de entrada para um dado transdutor.

e. Alcance ()

Refere-se à zona morta obtida sob a diferença entre as curvas de resposta na subida e descida de escala.

f. Estabilidade ()

Erro da medida realizada por um transdutor em relação a um medidor padrão.

g. Velocidade de

()

Resposta Curva obtida plotando os valores medidos por um transdutor sob teste contra valores de um padrão.

h. Histerese () Define-se como o menor incremento de entrada o qual

gera uma saída perceptível e repetitiva, quantificando- se como porcentagem do fundo de escala.

i. Resolução ()

Trata-se da velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança o valor real do processo.

6. Esboce o diagrama de blocos de um sistema automatizado em malha fechada.

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Conceitua-se pressão geralmente como sendo a força normal por unidade de área e costuma ser representada por uma série de unidades, como por exemplo: PSI (libras/polegadas quadrada), bar, atmosfera, Pascal, etc. No sistema internacional de unidades - SI, desde 1 de outubro de 1960, a pressão passou a ser definida em termos de Newton por metro quadrado, também conhecido como Pascal. Nem todos os países participam dessa conferência de internacionalização do sistema de medidas, e mesmo alguns dos que participaram ainda mantêm o uso de seus sistemas tradicionais, como é o caso dos Estados Unidos e Inglaterra. Em nosso curso sempre utilizaremos o sistema internacional como base para os estudos.

Segundo o SI – sistema internacional de medidas o conceito de pressão pode ser definido pela relação matemática:

(Equação 01)

Onde: F = força em [N] A = área em [m2] P = pressão [N/m2 = Pa]

Ou ainda a pressão hidrostática, definido pela relação matemática:

(Equação 02)

Onde:

ρ = massa específica [kg/m3] g = aceleração da gravidade [m/s2]] h = altura da coluna de fluido [m] P = pressão [N/m2 = Pa]

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A pressão pode ser medida em termos absoluto ou diferencial, desta forma é comum identificar três tipos de pressão:

9 Pressão absoluta; 9 Pressão relativa ou manométrica; 9 Pressão diferencial.

PRESSÃO ABSOLUTA: A pressão absoluta é a diferença entre a pressão em um ponto particular num fluído e a pressão absoluta (zero), isto é, vácuo completo. Um barômetro é um exemplo de sensor de pressão absoluta porque a altura da coluna de mercúrio mede a diferença entre a pressão atmosférica local e a pressão "zero" do vácuo que existe acima da coluna de mercúrio.

PRESSÃO RELATIVA OU MANOMÉTRICA: Quando o elemento mede a diferença entre a pressão desconhecida e a pressão atmosférica local, esta pressão é conhecida como pressão manométrica, ou pressão relativa.

PRESSÃO DIFERENCIAL: Quando o sensor mede a diferença entre duas pressões desconhecidas, sendo nenhuma delas a pressão atmosférica, então esta pressão é conhecida como "diferencial".

É de grande importância, ao exprimir um valor de pressão, determinar se ela é absoluta, relativa ou diferencial.

Além das pressões já citadas estas também podem ser caracterizadas como pressões:

Pressão negativa ou vácuo; Pressão estática; Pressão dinâmica ou cinética.

PRESSÃO NEGATIVA OU VÁVUO: É quando o sistema tem a pressão relativa menor que a pressão atmosférica.

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PRESSÃO ESTÁTICA: É a pressão exercida por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente à tomada de impulso, por unidade de área exercida.

PRESSÃO DINÂMICA OU CINÉTICA: É a pressão exercida por um fluido em movimento. É a medida fazendo a tomada de tal forma que recebe o impacto do fluido.

Para a medição de pressão atmosférica, os dois instrumentos mais usados são o barômetro de mercúrio e o barômetro de aneróide.

BARÔMETRO DE MERCÚRIO: O barômetro de mercúrio foi inventado em 1643 por Evangelista Torricelli, e funciona porque o ar tem peso. Torricelli observou que se a abertura de um tubo de vidro fosse cheia com mercúrio, a pressão atmosférica iria afetar o peso da coluna de mercúrio no tubo. Quanto maior a pressão do ar, mais comprida fica a coluna de mercúrio. Assim, a pressão pode ser calculada, multiplicando-se o peso da coluna de mercúrio pela densidade do mercúrio e pela aceleração da gravidade. Ao nível do mar, a pressão atmosférica é equivalente a 101,3 quilo pascal (103) Pa. O mercúrio é ideal para o barômetro líquido, pois sua alta densidade permite uma pequena coluna. Num barômetro de água, por exemplo, seria necessária uma coluna de 10 metros e, ainda assim, haveria um erro de 2%.

Figura 07 – Barômetro de Torricelli

BARÔMETRO ANERÓIDE: A maioria dos barômetros é aneróide (funcionam sem líquido). Eles consistem em uma pequena caixa de metal, fechada a vácuo. Um lado é

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Página 18 de 119 fixo e o outro é ligado a uma forte mola que evita que a caixa se abra. O lado móvel se expande se a pressão do ar diminui e se comprime se a pressão do ar aumenta. A posição do lado móvel é indicada por um ponteiro.

Figura 08 – Barômetro de Aneróide MEDIDORES DE PRESSÃO MECÂNICOS

Medidores de pressão mecânicos utilizam a deformação de um elemento elástico para indicar o valor da pressão aplicada sobre ele. Estes medidores podem ser divididos em três categorias.

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