Instrumentação Industrial

Instrumentação Industrial

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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.

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