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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