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Sensor Ultrasônico: Um sensor ultrasônico usa o som de alta freqüência para medir a distância emitindo ondas e medindo o tempo de retorno. A distância ao objeto é proporcional ao tempo de retorno. Um sensor ultra-sônico realiza medidas muito precisas; a precisão para objetos tão pequenos como 1.0 milímetro pode ser de mais ou menos 0.2 milímetro. Algumas câmeras fotográficas usam detecção ultra-sônica para determinar a distância ao objeto a ser fotografado.

Utilizando técnicas de interferometria, pode-se detectar distâncias de uma fração do comprimento de onda emitido. Desta maneira consegue-se uma precisão enorme, já que a luz emitida tem comprimento de onda na escala de 0.0005 milímetros.

Sensor Ultrasonico em uma célula com PLC e um Sensor tipo “porta”.

Os sensores eletrônicos de campo detectam objetos produzindo um campo eletromagnético.

Se o campo for interrompido por um objeto, o sensor é ligado. Os sensores de campo são uma ótima opção para ambientes sujos ou molhados onde um fotosensor pode ser afetado pela sujeira, líquidos, ou contaminação transportada por via aérea.

Os dois tipos mais comuns de sensores de campo, capacitivo e indutivo, funcionam essencialmente na mesma maneira. Cada um tem um gerador de campo e um sensor para detectar quando o campo sofre uma interferência. O gerador de campo emite um campo similar ao campo magnético de um ímã.

Sensor Indutivo

Usados para detectar objetos metálicos, o sensor indutivo trabalha pelo princípio da indução eletromagnética. Funciona de maneira similar aos enrolamentos primários e secundários de um transformador. O sensor tem um oscilador e uma bobina; juntos produzem um campo magnético fraco. Quando um objeto entre no campo, pequenas correntes são induzidas na superfície do objeto. Por causa da interferência com o campo magnético, energia é extraida do circuito oscilador do sensor, diminuindo a amplitude da oscilação e causando uma queda de tensão (voltagem). O circuito de detecção do sensor percebe a queda de tensão do circuito do oscilador e responde mudando o estado do sensor.

Sensores Indutivos.

Diagrama de um sensor indutivo. O gerador indutivo de campo cría um campo indutivo na frente do sensor; o sensor de campo monitora este campo. Quando uma peça de metal penetra o campo, o rompimento no campo é detectado pelo sensor, e a saída muda de estado. O alcance de detecção destes sensores é determinado pelo tamanho do campo gerado. Isto significa que quanto maior o alcance desejado, maior deve ser o diâmetro do sensor.

Detecção de distâncias: O alcance da detecção está relacionado ao tamanho da bobina do indutor e se a bobina do sensor é blindada ou não-blindada. Neste caso, a blindagem do sensor é feita por uma faixa de cobre (ver figura a seguir). Isto impede que o campo se estenda além do diâmetro do sensor porém reduz a distância de detecção. O sensor blindado apresenta mais ou menos a metade do alcance de um sensor não-blindado. Entretanto, isto evita que o sensor detecte o próprio dispositivo ou estrutura em que esteja montado.

Uma faixa de cobre em um sensor blindado. Note que a distância de detecção é reduzida. Se o sensor não-blindado fosse instalado faceando um objeto, detectaria o próprio objeto em que foi montado.

Hysteresis: A histerese significa que um objeto deve estar mais perto de um sensor para liga-lo do que para desliga-lo (veja figura abaixo). O sentido e a distância de detecção são importantes. Se o objeto estiver se movendo em direção ao sensor, deve mover-se para o ponto mais próximo para liga-lo. Uma vez ligado (on-point), permanece ligado até que o objeto se mova para o ponto de liberação (off-ponto). A histerese permite este efeito. O princípio é usado eliminar a possibilidade de “enganar” o sensor. O sensor está sempre ligado ou desligado.

A histerese é uma característica interna nos sensores de proximidade que ajuda a estabilizar a detecção de peças. Imagine um frasco movendo-se numa correia transportadora. A vibração faz com que o frasco balance enquanto se move ao longo da transportadora. Se o on-point for o mesmo que o off-point e o frasco balançar enquanto passar pelo sensor, poderia ser detectado muitas vezes. Quando a histerese for utilizada, entretanto, o on-point e o off-point ficam em distâncias diferentes do sensor.

Para ligar o sensor, o objeto deve estar mais próximo do que o on-point. A saída do sensor permanece “on” até que o objeto se afaste além do off-point, evitando multiplas leituras indesejadas.

Examplo of histerese. On-point e Off-point estão em diferentes posições.

Sensores Capacitivos

Os sensores capacitivos podem detectar objetos metálicos e não metálicos assim como produtos dentro de recipientes não metálicos. Estes sensores são usados geralmente na indústria de alimento e para verificar os níveis de fluidos e sólidos dentro de tanques. Os sensores capacitivos são mais sensíveis à flutuação da temperatura e da umidade do que o são os sensores indutivos, mas os sensores capacitivos não são tão precisos quanto os indutivos. A precisão pode variar de 10 a 15 por cento em sensores capacitivos.

Um sensor capacitivo

Os sensores capacitivos operam baseados no princípio da capacidade eletrostática de maneira similar às placas de um capacitor. O oscilador e o elétrodo produzem um campo eletrostático (nota: o sensor indutivo produz um campo eletromagnético). O alvo (objeto a ser detectado) age como uma Segunda placa do capacitor. Um campo elétrico é produzido entre o alvo e o sensor. Como a amplitude da oscilação aumenta, há um aumento da tensão do circuito do oscilador, e o circuito de detecção responde mudando o estado do sensor (ligando-o).

Um sensor capacitivo pode detetar quase qualquer tipo de objeto. A entrada do alvo (objeto) no campo eletrostático perturba o equilíbrio da corrente do circuito do sensor, causando a oscilação do circuito do elétrodo e mantem esta oscilação enquanto o alvo estiver dentro do campo.

Diagrama de um sensor capacitivo.

Detecção de distâncias: Os sensores capacitivos são dispositivos não-blindados, não-empacotados. Isto significa que não podem ser instalados faceando uma estrutura de montagem porque neste a detectariam. Materiais condutores podem ser detectados mais afastados do que não-condutores porque os elétrons nos condutores estão mais livres para se mover. A massa do alvo afeta o alcance de detecção: Maior a massa, maior o alcance.

Alguns sensores capacitivos estão disponíveis com um parafuso de ajuste, que pode ser ajustado para detectar um produto dentro de um recipiente. A sensibilidade pode ser reduzida de modo que o recipiente não seja detectado mas o interior do produto o seja.

Existem muitos tipos de sensores analógicos. Muitos dos tipos são disponibilizados com saída digital ou analógica. Os fotosensores e os sensores de campo estão disponíveis com saída análoga.

Sensores analógicos fornecem muito mais informação sobre um processo do que sensores digitais. Suas saídas variam dependendo das condições a serem medidas.

Acuidade, Precisão, e repetibilidade

A acuidade pode ser definida como quão próxima é a medida fornecida pelo sensor da quantidade verdadeira que está sendo medida. A precisão determina quão próximos são os valores fornecidos por diversos sensores ao medir uma mesma variável. A repetibilidade é habilidade de um sensor de repetir suas leituras precedentes.

Termopares

O princípio do termopar foi descoberto por Thomas J. Seebeck em 1821. O termopar é um dos dispositivos mais comuns para a medida da temperatura em aplicações industriais. Um termopar é um dispositivo muito simples que possui duas partes de fio de metais diferentes unidas em uma ou ambas as extremidades. O termopar industrial típico é unido em uma extremidade (veja figura). As outras extremidades do fio são conectadas através de um fio de compensação às entradas analógicas de um dispositivo do controle tais como um PLC.

Um termopar pode ser feito torcendo o tipo desejado de fio e juntando as pontas com uma solda de prata. Para medir a mudança de temperatura, o fio é cortado ao meio para se introduzir um medidor. A tensão é proporcional à diferença na temperatura entre as junções quentes e frias. O fio que conecta o termopar ao módulo do PLC é um par trançado protegido por blindagem. A blindagem em torno do par trançado elimina problemas com o ruído elétrico. A blindagem é aterrada no dispositivo do controle.

O princípio da operação baseia-se em unir metais diferentes e produzir uma pequena tensão. A saída da tensão é proporcional à diferença na temperatura entre as partes frias e quentes.

A junção fria supostamente se encontra à temperatura ambiental. Na realidade, as temperaturas variam consideravelmente em um ambiente industrial. Se a junção fria variar com a temperatura ambiente, as leituras serão imprecisas, o que é inaceitável para a maioria das aplicações industriais. Tabelas para uso industrial de termopares geralmente consideram uma temperatura de referencia de 75 graus (veja figura abaixo), mas como é complicado tentar manter a junção fria em 75 graus, os termopares industriais devem ser compensados. Isto é realizado normalmente com o uso de redes resitoras sensíveis a temperatura. O resistor usado na rede tem um coeficiente negativo da resistência. Porque a resistência diminui quando a temperatura aumenta, a tensão se ajusta automaticamente de modo que as leituras permanesçam exatas. Os módulos PLC com termopares compensam automaticamente para a variação da temperatura.

A tensão de saída X temperatura para termopares do tipo J e K. A função é aproximadamente linear. Por exemplo, se a tensão de saída fosse 20 milivolts com um tipo J a temperatura seria aproximadamente 525 graus (600 - 75). O gráfico supõe uma temperatura ambiente de 75F.

A precisão de um termopar, que fornece medidas acuradas, é determinada pelo dispositivo que recebe a saída do termopar. O dispositivo é, normalmente, um módulo analógico de um PLC. A precisão típica de um módulo analógico industrial é 12 bits; Isto significa que se a escala da temperatura a ser medida for 1200 graus, a definição seria 0.29296875 grau/bit (1200/4096 = 0.29296875), o que significa que o PLC poderia dizer a temperatura a aproximadamente um quarto de um grau. Esta é uma precisão razoavelmente boa, mas há módulos analógicos com maior precisão para exigências mais elevadas. A figura anterior mostra uma comparação da tensão de saída em relação à temperatura para termopar do tipo J e um do tipo K. A tabela abaixo mostra três tipos de termopares e suas escalas de temperatura. O usuário escolhe o termopar adequado para a escala da temperatura na aplicação.

Resistance Temperature Device (RTDs)

Um dispositivo da temperatura resistivo (RTD) é um resistor de precisão cuja resistência muda com a temperatura. RTDs são mais precisos do que termopares. A resistência mais comum de um RTD é de100 ohms a 0 graus Célsius; outros estão disponíveis na escala de 50 a 100 ohms. Uma das propriedades básicas dos metais é que sua resistividade elétrica muda com atemperatura. Alguns metais apresentam uma mudança muito predizível na resistência para uma dada mudança na temperatura. O metal escolhido para um resistor apresenta uma resistência nominal conhecida em uma certa temperatura. A mudança na temperatura pode então ser determinada comparando a resistência para a temperatura desconhecida à resistência nominal conhecida na temperatura de referência. Há tabelas de relações temperatura-resistência para vários metais usados em RTDs.

A platina é o material mais popular para RTDs. Apresenta um comportamento muito linear na resistência X temperatura e tem uma escala de operação bastante ampla. A platina é um elemento muito estável, o que assegura a estabilidade a longo prazo. Os sensores da platina estão sendo feitos agora com elementos de resistência muito finos, que usam muito pouca platina, o que faz RTDs de platina competirem em preço com outros metais. Outros materiais incluem o cobre, niquel, tungstênio e iridium. RTDs são mais precisos do que termopares.

Cabeamento: RTDs podem ter três configurações diferentes de cabeamento. Os fios da ligação (terminais) do RTD podem afetar sua precição porque representam uma resitência adicional não compensada. Um terceiro fio pode ser adicionado para compensar a resistência do fio de ligação. Existem RTDs de quatro fios mas são usados geralmente apenas em aplicações de laboratório.

Thermistors

Um termistor é um sensor de medição de temperatura construído de materiais sintéticos. É mais sensível à temperatura do que um RTD. Um termistor tem um coeficiente negativo de temperatura. Sua resistência diminui com o aumento da temperatura. Jé que um termistor é um semicondutor, não pode operar acima de aproximadamente 300 graus Célsius. As vantagens principais de um termistor são sua precisão, estabilidade, e produção de uma mudança grande na resistência para uma mudança pequena na temperatura. Se a escala da temperatura a ser medida for relativamente pequena, o termistor é uma boa opção. Um dos problemas principais do termistor é que sua saída é linear somente dentro de uma escala de temperatura estreita (veja a figura). Sua resistência não varia proporcionalmente com uma mudança na temperatura, embora redes de termistores apresentem uma mudança muito linear da tensão com a mudança de temperatura.

Diferentes estilos de empacotamento estão disponíveis para variadas aplicações, como a monitoração da temperatura de motores elétricos. O termistor é prendido à carcaça do motor e conectado a um circuito em ponte cuja a saída é comparada a uma tensão de referência. A tensão de referência é escolhida por ser um valor seguro para a temperatura máxima de operação do motor.

Sensores de Lingueta Magnetica

Os sensores de lingüeta magnéticos têm geralmente dois jogos de contatos, um jogo normalmente fechado e um jogo normalmente aberto. Quando um pequeno ímã é trazido para próximo ao sensor de lingüeta, o contato comum se move em direção ao contato normalmente aberto e move-se para longe do contato normalmente fechado.

Strain Gages

Strain gages medem a força baseado no princípio que quanto mais fino é um fio, mais elevada sua resistência. Em outras paalvras, um fio com um diâmetro menor apresenta uma resistência mais elevada do que um fio com um diâmetro maior. Se pegamos um fio elástico, podemos esticá-lo e medir a mudança na resistência porque seu diâmetro diminui no meio, aumentando a resistência. A mudança na resistência comparada à mudança na voltagem apresenta um comportamnto bem linear. Se uma corrente constante for fornecida a um strain gage e a força aplicada ao mesmo variar, a resistência do strain gage variará e a mudança na voltagem medida será proporcional à esta mudança na força.

Este tipo de sensores têm muitos usos. São usados para a medida da pressão ligando-os a uma membrana que seja exposta à pressão e também são utilizados para medidas de cargas. Outra aplicação são em acelerômetros. A maioria dos strain gages têm o fio disposto em zig-zag e colado sobre um revestimento protetor de papel ou membrana (veja a figura a seguir). Devem ser aplicados corretamente porque são sensíveis à mudança das forças em apenas um sentido. Por isso, contêm normalmente uma seta que indica o sentido em que devem ser montados. São geralmente afixados com o uso adesivos.

Para aumentar a variação na resistência e para compensar possíveis flutuações de temperatura, são muitas vezes utilizados numa configuração “em ponte” (veja figura abaixo). Para isso, um strain gage “dummy” é introduzido e não fica sujeito à tensão aplicada, mas apenas à mudança de temperatura. Isto elimina o efeito da flutuação da temperatura na medida da carga.

Sensores de Pressão

Sensores de pressão tipicamente medem e controlam fluidos tais como gáses e líquidos.

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