Instrumentação Industrial
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ÍNDICE Professor Reverson Reis - 2008
Instrumentação Industrial Sensores e Transdutores
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| INTRODUÇÃO | 05 |
| SENSORIAMENTO | 07 |
| DEFINIÇÕES FUNDAMENTAIS | 07 |
| Sensor | 0 8 |
| Transdutor | 08 |
| Sensores Discretos | 08 |
| Sensores Absolutos | 09 |
| CONCEITOS FUNDAMENTAIS | 10 |
| Sensibilidade | 10 |
| Exatidão | 1 |
| Precisão | 1 |
| Linearidade | 1 |
| Estabilidade | 1 |
| Alcance | 1 |
| Resolução | 1 |
| Velocidade de Resposta | 12 |
| Histerese | 12 |
| Outros | 12 |
| EXERCÍCIOS | 13 |
| MEDIDA DE PRESSÃO | 15 |
| Pressão Absoluta | 16 |
| Pressão Relativa ou Manométrica | 16 |
| Pressão Diferencial | 16 |
| Pressão Negativa ou à Vácuo | 16 |
| Pressão Estática | 17 |
| Pressão Dinâmica ou Cinética | 17 |
| MEDIDORES DE PRESSÃO DE COLUNA LÍQUIDA | 17 |
| Barômetro de Mercúrio | 17 |
| Barômetro de Aneróide | 17 |
| MEDIDORES DE PRESSÃO MECÂNICOS | 18 |
| Tubos de Bourdon | 18 |
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| Manômetro Diferencial | 20 |
| Manômetro Duplo | 20 |
| Manômetros com Selagem Líquida | 21 |
| Manômetros com Sensor do Tipo Diafragma | 21 |
| Manômetros do Tipo Fole | 23 |
| Outros Tipos de Manômetros | 23 |
| EXERCÍCIOS | 24 |
| MEDIDA DE VAZÃO | 27 |
| Vazão Volumétrica | 27 |
| Vazão Mássica | 28 |
| Vazão Gravitacional | 28 |
| PERDA DE CARGA VARIÁVEL (ÁREA CONSTANTE) | 29 |
| Placa de Orifício | 29 |
| Tubo de Venturi | 34 |
| Tubo de Pitot | 36 |
| Tubo de Dall | 38 |
| Annubar | 40 |
| ÁREA VARIÁVEL (PERDA DE CARGA CONSTANTE) | 41 |
| Rotâmetro | 41 |
| MEDIDORES DE VOLUME DO FLUIDO PASSANTE | 42 |
| Rodas Ovais | 42 |
| MEDIDORES DE VELOCIDADE (PELO IMPACTO DO FLUIDO | 43 |
| Turbina | 43 |
| MEDIDORES ESPECIAIS | 43 |
| Elétrico-Magnético Indutivo | 4 |
| EXERCÍCIOS | 45 |
| MEDIDA DE NÍVEL | 47 |
| MEDIDA DIRETA | 47 |
| Visores de Nível | 47 |
| Bóias | 47 |
| MEDIDA INDIRETA | 48 |
| Borbulhamento para Recipientes Abertos | 48 |
Página 3 de 119 Borbulhamento para Recipientes Fechados ............................................................ 49
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| Caixa de Diafragma | 49 |
| Corpo Imerso | 50 |
| MEDIDORES ESPECIAIS | 51 |
| Capacitância Variável | 51 |
| EXERCÍCIOS | 52 |
| MEDIDA DE FORÇA OU MOMENTO | 53 |
| Efeitos Mecânicos - Tração, Compressão | 53 |
| Tipos de Sensores - Flexão, Cisalhamento e Compressão | 54 |
| FORÇA OU MOMENTO? | 54 |
| FATOR DE GAUGE | 5 |
| APLICAÇÕES | 56 |
| MÉTODO DE MEDIÇÃO | 56 |
| ANÁLISE DE DEFORMAÇÃO | 57 |
| Montagem em ¼ de Ponte | 57 |
| Montagem em ½ Ponte | 58 |
| Montagem em Ponte Completa | 58 |
| EXERCÍCIOS | 60 |
| MEDIDA DE POSIÇÃO | 63 |
| Sensores Indutivos | 63 |
| Sensores Capacitivos | 65 |
| Sensores Magnéticos | 67 |
| LVDT | 6 7 |
| RVDT | 70 |
| Potenciométrico | 71 |
| Encoder | 73 |
| Encoders Incrementais | 74 |
| Encoders Absolutos | 75 |
| EXERCÍCIOS | 78 |
| MEDIDA DE TEMPERATURA | 81 |
| ESCALAS DE TEMPERATURA | 81 |
| Termistores NTC | 83 |
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| Termopar | 85 |
| Efeitos Termoelétricos | 85 |
| Tipos de Termopares | 87 |
| Compensação de Junta de Referência | 91 |
| Associação de Termopares | 92 |
| Associação Simples | 92 |
| Associação Simples Oposta | 93 |
| Associação em Paralelo | 94 |
| EXERCÍCIOS | 95 |
| SENSORES DE PRESENÇA | 100 |
| Sensores Ópticos | 100 |
| Sensor Óptico por Retrorreflexão | 102 |
| Sensor Óptico por Transmissão | 102 |
| Sensor Óptico por Reflexão Difusa | 103 |
| Sensor Infravermelho Ativo | 103 |
| Sensor Infravermelho Passivo | 104 |
| Janela de Luz | 104 |
| Sensores de Ultra Som | 104 |
| EXERCÍCIOS | 108 |
| SENSORES ÓPTICOS | 110 |
| Fotodiodos | 110 |
| Foto Acoplador | 110 |
| LDR | 1 |
| Foto Transistor | 113 |
| Foto Tiristor LASCR | 113 |
| Válvula Ultravioleta | 113 |
| Célula Fotovoltaica | 114 |
| EXERCÍCIOS | 115 |
| MEDIDA DE VELOCIDADE | 116 |
| Tacômetro | 116 |
| MEDIDA DE ACELERAÇÃO | 117 |
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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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