Introdução a sensores e automação

Introdução a sensores e automação

(Parte 4 de 9)

Sensores

Dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma forma de energia em outra, são chamados de transdutores. Os de operação indireta alteram suas propriedades, como a resistência, a capacitância ou a indutância, sob ação de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional. O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos instrumentos de medição, que freqüentemente estão associados aos sistemas de controle de malha aberta (não automáticos), orientando o usuário. Portanto, para tal definição, nos referimos àqueles dispositivos que transformam uma grandeza física em uma elétrica, com o mesmo significado de sensores. O diagrama de bloco genérico de um transdutor é mostrado na figura abaixo.

Automação e Controle

A grandeza elétrica de saída de um transdutor pode ser uma tensão, uma corrente, uma resistência, etc. Dependendo da natureza da grandeza elétrica de saída, os transdutores são subdivididos em analógicos e digitais: “Para uma natureza física contínua na entrada, um transdutor analógico faz corresponder uma grandeza elétrica contínua na saída e proporcional à grandeza física medida, no entanto um transdutor digital faz corresponder uma sucessão de sinais digitais.” Resumidamente podemos dizer que os sensores podem ser de dois tipos: ¾ Digital : é aquele cuja saída assume apenas dois estados, ON / OFF.

¾ Analógico : É aquele cuja saída varia proporcionalmente a variação física percebida pelo sensor. Os sinais elétricos de saída mais comuns são:

Corrente → 4 a 20 ma Tensão → 0 a 10 V

Características técnicas dos Sensores (transdutores)

1. Linearidade : É o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física.

Quanto maior, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores mais usados são os mais lineares, conferindo maior precisão ao sistema de controle. Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas, em que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais que corrigem o sinal. 2. Distância de Comutação (S) : É a distância registrada quando ocorre uma comutação aproximando-se o atuador padrão paralelamente à face sensível do sensor. 3. Distância Normal de Comutação (SN) : É a distância de comutação determinada em condição normais de temperatura e tensão, utilizando o atuador padrão. 4. Distância de Comutação de Trabalho (AS) : É a distância entre o elemento a ser detectado e a face sensível do sensor, que irá assegurar um acionamento seguro, levando-se em consideração os desvios de temperatura e tensão, bem como vibrações mecânicas que poderiam alterar o posicionamento do elemento a ser detectado. Esta distância deve ser no máximo 85% da distância normal de comutação (SN). 5. Distância de Comutação de Operação : Além de levar em consideração a distância de comutação de trabalho (AS), devemos observar em que aplicações normais na indústria não é utilizado o atuador padrão na comutação do sensor, sendo assim, devemos considerar o tipo de material de que é feito o elemento a ser detectado, o que acarretará num valor menor na distancia de atuação do sensor. 6. Repetibilidade : É o percentual de desvio da distância de comutação entre dois acionamentos consecutivos.

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7. Freqüência de Comutação : É o número máximo de acionamentos por segundo que um sensor pode responder, sem alterações ou falhas de pulsos, para a maioria dos sensores de aproximação este valor situa-se em torno de 1KHz.

Sensores Digitais podem apresentar as seguintes saídas :

O estágio da saída é composto por um transistor NPN, fazendo o chaveamento do pólo negativo da carga.

O estágio da saída é composto por um transistor PNP, fazendo o chaveamento do pólo positivo da carga.

CA a dois fios O sensor possui apenas dois fios que são ligados em série com a carga.

Corrente contínua Namur

Utilizado em atmosferas potencialmente explosivas, não possuem em sua saída o estágio de amplificador incorporado, transmitindo apenas um sinal de corrente de que deve ser amplificado.

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Tipo de Sensores Digitais

Sensores de Contato Físico (mecânicos)

São sensores que necessitam estar em contato com a grandeza a ser monitorada. Por exemplo: chaves fim de curso, chave bóia, etc. Tais sensores não são muito confiáveis, uma vez que estão sujeitos a desgastes mecânicos, forças de atração e reação, oxidação, etc. Além de não manterem constantes o ponto de acionamento e desacionamento.

Sensores de Aproximação

São sensores que detectam o evento ou a grandeza sem que haja necessidade de estar em contato físico com a mesma, além do que, são blindados, são a prova de vibração, ect. Podem ser:

Sensores Indutivos

São sensores que executam uma comutação eletrônica, quando um objeto metálico entra dentro de um campo eletromagnético de alta freqüência, produzido por um oscilador eletrônico. Sua instalação se dá em máquinas ferramentas, máquinas operatrizes, de embalagens, têxteis, correias transportadoras e na indústria automobilística, para resolver problemas gerais de automação. Abaixo é visto o esquema construtivo, em blocos, de um sensor indutivo.

Onde:

¾ Oscilador: diminui a freqüência de oscilação quando um evento for detectado. ¾ Demodulador: converte o sinal do oscilador em nível de tensão c.

¾ Detector de nível de disparo: dispara quando o oscilador diminui a freqüência.

¾ Amplificador de saída: amplifica o sinal gerado pelo sensor e entrega-o a carga.

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Funcionamento:

O oscilador com auxílio de uma bobina, gera um campo magnético de alta freqüência. Este campo é direcionado para fora do elemento ativo, formando uma região de sensibilidade denominada de face sensível, chamada de distancia de comutação. Quando um corpo metálico esta distante da face sensível e, dentro da distância de comutação, este metal amortece a oscilação, provocando a comutação eletrônica, ou seja, faz o sensor mudar de estado. Com a retirada do corpo metálico da distância de comutação, o oscilador volta a trabalhar normalmente e o sensor volta a seu estado normal.

Sensores Capacitivos

Assim como os sensores indutivos, os capacitivos também podem efetuar um chaveamento eletrônico sem qualquer contato físico. Estes sensores foram desenvolvidos para atuarem na presença de materiais orgânicos, plásticos, vidro, líquido, além de metais. Sua aplicação se dá em detectores de nível em tanques, contagem de garrafas ( cheias ou vazias ), contagem de embalagens plásticas, limitadores de carretéis, etc. Abaixo é visto o esquema construtivo, em blocos, de um sensor indutivo.

Onde:

¾ Oscilador: diminui a freqüência de oscilação quando um evento for detectado. ¾ Demodulador: converte o sinal do oscilador em nível de tensão c.

¾ Detetor de nível de disparo: dispara quando o oscilador diminui a freqüência.

¾ Amplificador de saída: amplifica o sinal gerado pelo sensor e entrega-o a carga.

Funcionamento:

Conforme pode ser notado na figura acima o esquema em blocos de um oscilador capacitivo é igual ao do indutivo. A diferença entre eles reside no fato de que no sensor capacitivo o principio de funcionamento está baseado na variação do dielétrico no meio em que o sensor está inserido. Quando nesta região penetrar algum objeto, este provoca a

Automação e Controle variação do dielétrico e, conseqüentemente a variação da freqüência do oscilador. Variação esta que é detectada e transformada em um nível de tensão c. Com a retirada do objeto da distância de comutação, o oscilador volta a trabalhar normalmente e o sensor volta ao seu estado normal.

Sensores de Luz

Além de seu uso em fotometria (incluindo analisadores de radiação e químicos), é a parte do sistema de controle de luminosidade, como os relês fotoelétricos de iluminação pública e sensores indiretos ou de outra grandeza, como velocidade e posição (fim de recurso).

O LDR (resistor dependente de luz) tem sua resistência diminuída ao ser iluminado. É composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS. A energia luminosa desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o numero destes, diminuindo a resistência. A resistência varia de alguns MΩ, no escuro até centenas de Ω, com luz solar direta. Os usos mais comuns do LDR são os relês fotoelétricos, fotômetros e alarmes. Sua desvantagem está na lentidão de resposta, que limita sua operação.

Fotodiodo

É um diodo semicondutor em que a junção está exposta á luz. A energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons que podem circular. A corrente nos foto-diodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material. Foto-diodo é usado como sensor em controle remoto, em sistemas de fibra ótica, leitoras de códigos de barra, scanner (digitalizador de imagens para computador), canetas óticas (que permitem escrever na tela do computador), toca discos CD, fotômetros e como sensor indireto de posição e velocidade.

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Fototransistor

É um transistor, cuja junção coletor/ base fica exposta à luz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns mA com alta luminosidade. Sua velocidade é menor que a do fotodiodo. Suas aplicações são as do fotodiodo, exceto sistemas de fibra ótica, pela operação em alta freqüência.

Sensores Ópticos

São sensores fabricados segundo a tecnologia da emissão de irradiação infravermelha modulada, sendo divididos em três sistemas. Independente do sistema que um sensor óptico é construído, ele é totalmente imune à iluminação ambiente, quer ele seja manual ou artificial, pelo motivo de ser o sensor sintonizado na mesma freqüência de modulação do emissor.

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