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F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba

FACENS – INSTRUMENTAÇAO E CONTROLE – Prof. Willerson Moreira Ferraz

Apostila de Instrumentação e Controle de Processos Industriais

Módulo 2 – Parte 1

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1. Medição de Grandezas Físicas

1.1 Introdução

O princípio básico da automação e controle é a medição de grandezas físicas. Um sistema automatizado precisa colher informações sobre as variáveis do meio externo que estão sendo manipuladas e, com essas informações, realizar ações relacionadas ao controle do processo.

Sinais como temperatura, pressão, vazão, nível, força, etc, são comumente utilizados na indústria. Equipamentos de medição dotados de saídas de dados e comunicação são utilizados para que o sistema possa utilizar as informações do instrumento no controle do processo fabril.

A medição de uma grandeza física começa no sensor e pode ser definida como o processo de comparação de uma quantidade ou variável desconhecida com um padrão definido para este tipo de quantidade.

O sensor é o elemento que tem uma característica modificada sob a ação de um agente externo e, quando esse sensor é colocado em um circuito, essa variação é convertida em sinais elétricos (transdutores).

1.2 Conceitos básicos de transdução

Um transdutor pode ser definido como o dispositivo que converte energia de um domínio para outro. Estes dispositivos podem ser encontrados nos estágios de entrada ou de saída dos sistemas de medida.

Os transdutores de entrada dos sistemas de medida denominam-se sensores e convertem uma quantidade física ou química de entrada numa outra (geralmente elétrica) na sua saída.

Os transdutores de saída dos sistemas de medida denominam-se atuadores e convertem uma quantidade (geralmente elétrica) de entrada numa outra física ou química na sua saída.

1.3 Elementos básicos de sensoriamento

Existe uma diversidade de efeitos físicos ou químicos utilizados para a realização de conversão de energia nos transdutores de entrada ou saída de um sistema de medida.

É possível classificar as variáveis físicas e/ou químicas em seis diferentes domínios de energia, como segue:

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· Energia Luminosa – energia relacionada a ondas eletromagnéticas de rádio, microondas, infravermelho, luz visível, raios X, entre outras. Exemplos: intensidade luminosa, comprimento de onda, etc.

além da energia gravitacional. Exemplos: força, pressão, torque, vácuo, vazão, volume, espessura, massa, nível, posição, deslocamento, velocidade, aceleração, inclinação, rugosidade, etc.

• Energia Térmica - Energia relacionada à cinética de átomos e moléculas. Exemplos: temperatura, calor, calor específico, entropia, fluxo de calor.

corrente, carga, resistência, indutância, capacitância, constante dielétrica, polarização elétrica, freqüência, duração de pulsos, etc.

geral. Exemplos: intensidade de campo, densidade de fluxo, momento magnético, magnetização, permeabilidade, etc.

• Energia Química - Energia relacionada com os fenômenos de interação química da matéria. Exemplos: composição, concentração, taxa de reação, toxicidade, potencial de oxi-redução, PH, etc.

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2. Métodos de transdução

Conforme abordado no tópico anterior, existe uma diversidade de efeitos físicos ou químicos utilizados para a realização de conversão de energia nos transdutores de entrada (sensores) de um sistema de medida.

A seguir, veremos as técnicas / tecnologias mais utilizadas para a conversão da grandeza medida em um sinal elétrico proporcional e compatível.

2.1 Elementos de contato

Os elementos de contato convertem deslocamentos em sinais elétricos pela abertura ou fechamento de contatos. Na figura abaixo temos varias formas de utilização deste método.

Fig 2.1 – Utilização de elementos de contato

2.2 Elementos resistivos

Num transdutor resistivo a conversão do parâmetro medido se expressa numa variação de resistência na saída do elemento. Existe uma diversidade de elementos resistivos dos quais se destacam:

a) Elementos resistivos de junção Nestes elementos uma força ou deslocamento produz uma mudança de resistência no dispositivo. Constitui-se de dois contatos e um ou vários discos de material resistivo, como carvão ou grafite. Com o stress induzido pela força (F) ou deslocamento (ä) o caminho da corrente muda

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FACENS – INSTRUMENTAÇAO E CONTROLE – Prof. Willerson Moreira Ferraz variando assim a resistência do elemento de forma não linear. Exemplo: Microfone de carvão usado nos antigos telefones.

Fig. 2.2 – Elemento resistivo de junção b) Elementos potenciométricos Os elementos potenciométricos são utilizados para converter deslocamentos lineares ou angulares em mudanças de resistência elétrica. Este elemento possui uma resistência, um contato deslizante e três terminais para sua interconexão.

Fig. 2.3 – Elemento potenciométrico

O potenciômetro, em geral, é ligado como um divisor de tensão e seu contato central é ligado a uma carga ou a entrada do próximo bloco. Sabendo que as características do enrolamento não mudam, podemos afirmar que a variação da tensão de saída depende apenas da posição do cursor.

c) Elementos termoresistivos São resistores que variam sua resistência de acordo com a temperatura incidente, entre os quais destacam-se:

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Resistências metálicas

Alguns metais apresentam coeficientes elevados de variação da resistência com a temperatura e podem ser utilizados como conversores termoresistivos ou (RTD). Na figura pode-se visualizar o comportamento da resistência em relação à temperatura dos principais metais utilizados como RTD

Fig 2.4 – Comportamento de elementos resistivos

Uma forma usual de ligar este elemento de forma a eliminar a resistência dos fios de ligação é usar três fios associados a uma ponte de Wheatstone, assim dois fios são utilizados para realizar a excitação do elemento sensor e um fio para extrair a tensão de saída junto ao outro ramo da ponte.

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