Apostila de sensore, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Baixe Apostila de sensore e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity!

UNED SERRA

CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

MÓDULO: SENSORES DE PROXIMIDADE

1ª EDIÇÃO

Janeiro 2006

SUMÁRIO

• 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................
• 2. CLASSE DE PROTEÇÃO DOS SENSORES............................................................................
  • Grau de proteção contra sólidos...................................................................................................
  • Grau de proteção contra líquidos .................................................................................................
• 3. FATORES INICIAIS NA ESCOLHA DO SENSOR DE POSIÇÃO .........................................
• 4. CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES..........................................................................................
  • 4.1) Sensores Analógicos ..............................................................................................................
  • 4.2) Sensores Digitais....................................................................................................................
• 5. CARACTERÍSTICAS DOS SENSORES ....................................................................................
  • 5.1) Faixa (Range).........................................................................................................................
  • 5.2) Resolução...............................................................................................................................
  • 5.3) Sensibilidade ..........................................................................................................................
  • 5.4) Linearidade ............................................................................................................................
  • 5.5) Histerese.................................................................................................................................
  • 5.6) Exatidão ou Erro ....................................................................................................................
  • 5.7) Relação Sinal / Ruído.............................................................................................................
  • 5.8) Resposta em Freqüência ........................................................................................................
• 6. SENSORES MAGNÉTICOS, INDUTIVOS E CAPACITIVOS.................................................
  • 6.1) Chaves Fim-de-Curso .................................................................................................................
  • 6.2) Sensores Magnéticos Reed .........................................................................................................
  • 6.3) Sensores Indutivos......................................................................................................................
  • 6.4) Sensores Capacitivos ................................................................................................................
  • 6.5) Tipo de Ligação dos Sensores ..................................................................................................
• 7. SENSORES ÓPTICOS................................................................................................................
  • 7.1) INTRODUÇÃO........................................................................................................................
  • 7.2) CONCEITOS BÁSICOS..........................................................................................................
  • 7.3) MODOS DE DETECÇÃO FOTOELÉTRICOS ......................................................................

3) FATORES INICIAIS NA ESCOLHA DO SENSOR DE POSIÇÃO

Existem diversas tecnologias de detecção de posição para uso em automação, e a decisão de utilização entre uma ou outra depende de diversos fatores, tais como:

3.1) O objeto a ser detectado – tipo de material, cor, dimensões, velocidade, número de operações por hora e etc;

3.2) Local de instalação – distância do sensor ao objeto, restrições quanto ao espaço para montagem do sensor, etc;

3.3) Condições ambientais – este é um ponto crucial na escolha do sensor correto. Deve-se observar se há presença de água no ambiente, poeira, óleo ou produtos químicos. Isto influenciará no grau de proteção adequado do sensor. Deve-se ficar atento também à temperatura ambiente, pois a maioria dos sensores com eletrônica embutida trabalha até 55ºC;

3.4) Tipo de detecção a ser feita – deve-se definir se o sensor deve indicar somente a presença ou ausência do objeto, ou se deseja saber a posição do objeto de um modo analógico;

3.5) Tensão de alimentação – deve-se saber a tensão de alimentação disponível e que tipo de saída se deseja do sensor;

3.6) Características dos sensores – deve-se saber a precisão, a repetibilidade e tempo de resposta desejados;

3.7) Custo do sensor e sua vida útil – o custo do produto sempre é um fator decisivo na escolha. Deve-se, porém, avaliar se o custo baixo inicial não acarretará um alto custo de manutenção futuro.

4) CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES

Os sensores normalmente convertem um valor físico em sinal elétrico. Os sensores podem ser divididos de acordo com o tipo de sinal de saída em sensores analógicos e digitais.

4.1) Sensores Analógicos – os sensores analógicos geram um sinal elétrico de

saída de acordo com a mudança contínua do valor da variável física. Esta relação não necessariamente é linear, mas sempre indica o valor da variável física. Sensores analógicos sempre oferecem mais informações que sensores digitais;

4.2) Sensores Digitais – os sensores digitais geram dois diferentes sinais de saída,

ou seja, “on” ou “off”. A mudança de um estado para outro ocorre para um valor específico da variável física, e este valor pode normalmente ser ajustado.

Figura 1 – Diferença entre Sensores Analógicos e Digitais

Em resumo, os sensores medem uma grandeza física e entregam um sinal elétrico como saída. Se esse sinal puder tomar qualquer valor dentro de certos limites ao longo do tempo, esse sensor é chamado de analógico. Se esse sinal elétrico só puder tomar dois valores ao longo do tempo, sejam estes sinais de qualquer amplitude, o sensor é chamado de digital.

5) CARACTERÍSTICAS DOS SENSORES

As principais características dos sensores, tanto analógicos quanto digitais são apresentadas a seguir.

5.1) Faixa (Range) – define-se como faixa ou range a todos os níveis de amplitude

da grandeza física medida nos quais se supõe que o sensor pode operar dentro da precisão especificada. Assim, como exemplo, um sensor de pressão pode ser fabricado para operar de 60 mmHg até 300 mmHg. A amplitude dessa escala é definida como faixa.

5.2) Resolução – define-se como resolução o menor incremento da grandeza física

medida que provoca uma mudança no sinal de saída do sensor. No caso de sensores digitais, a resolução vai estar dada pelo menor incremento da grandeza física medida que provoca uma mudança de 1 bit na leitura de saída do sensor digital.

5.3) Sensibilidade – a sensibilidade é a transferência do sensor, quer dizer, a

relação entre a variação do sinal elétrico entregue na saída e a variação da grandeza física medida. Um sensor de pressão pode ter uma sensibilidade de 3 mV/mmHg, o qual significa que por cada mmHg que mude a pressão medida, o sinal elétrico entregue na saída mudará de 3 mV.

se vê que é necessário o contato físico entre o objeto a ser detectado e o atuador do sensor. Por isso, deve-se verificar se a força que o objeto poderá efetuar sobre o atuador é suficiente para acioná-lo, e esse será um dos fatores importantes na escolha da chave correta. Uma das grandes vantagens das chaves fim-de-curso é o seu baixo custo. Por isso o seu uso é corriqueiro, mas deve-se considerar o número de operações por hora a que será submetida. Como a chave possui partes mecânicas e o contato elétrico que se desgastam, deve-se calcular a sua vida útil de modo a evitar trocas constantes. Atualmente, as chaves fim-de-curso vêm sendo utilizadas em locais de baixo número de operações bem como em aplicações de segurança.

Figura 1 – Exemplo de chave fim-de-curso

6.2) Sensores Magnéticos Reed

Os sensores magnéticos reed são compostos de duas partes, uma ampola reed encapsulada em invólucro plástico e um ímã. Quando o ímã se aproxima da ampola, o contato desta se fecha. Este tipo de dispositivo tem dimensões reduzidas e pode substituir chaves fim-de-curso com a vantagem de não haver desgaste mecânico, pois não há contato entre o ímã e a ampola reed. Devem ser respeitados os limites elétricos de capacidade de comutação dela.

Figura 2 – Sensor de proximidade magnético reed

Figura 3 – Circuito do sensor de proximidade magnético reed

Tabela 1 – Código de cores para os fios dos sensores reed

Figura 4 – Resposta característica de um sensor de proximidade magnético reed

6.3) Sensores Indutivos

Os sensores de proximidade indutivos são amplamente utilizados nos dias de hoje. Muitas das aplicações onde eram empregadas chaves fim-de-curso passaram a optar pelos sensores indutivos devido a sua detecção sem contato e alta vida útil.

6.3.1) Princípio de Funcionamento

Os sensores de proximidade indutivos funcionam gerando um campo eletromagnético à sua frente. Eles consistem de uma bobina sobre um núcleo de ferrite, um oscilador, um circuito de disparo de sinais de comando e um circuito de saída. Quando um objeto-alvo metálico ferroso ou não-ferroso penetra no campo, a perda de energia ocasionada pelas correntes de fuga no objeto resulta numa amplitude de oscilação menor. O circuito de disparo então reconhece esta mudança específica de amplitude e, dependendo da magnitude da mudança, gera um sinal de comando para o circuito de saída (dispositivo de estado sólido).

6.3.4) Distância Sensora Real (Sr)

E o valor influenciado pela industrialização, especificado em temperatura ambiente (20º C) e tensão nominal, com desvio de 10%.

0,9 Sn <= Sr <= 1,1 Sn

6.3.5) Distância Sensora Efetiva (Su)

Valor influenciado pela temperatura de operação. Possui um desvio máximo de 10% sobre a distância sensora real.

0,81 Sn <= Su <= 1,21 Sn

6.3.6) Distância Operacional (Sa)

E a distância em que seguramente se pode operar o sensor, considerando todas as variações de industrialização, temperatura e tensão de alimentação.

0 <= Sa <= 0,81 Sn

6.3.7) Fator de Correção ou Fator de Redução

Um fator de redução é usado para determinar o alcance quando se quer detectar outros materiais que não o aço doce padrão. A composição química do objeto-alvo tem grande efeito no alcance de detectores de proximidade indutivos. Caso o material de seu objeto-alvo seja de um outro material, deve-se multiplicar a distância sensora informada por um fator de redução (segundo a Tabela 2), para se determinar o alcance específico para aquele alvo.

Material do Objeto

Fator de Redução

Aço Doce 1, Aço Inoxidável 0, Latão 0, Alumínio 0, Cobre 0,

Tabela 2 – Tabela de fatores de redução para outros materiais

(Alcance Específico) = (Fator de Correção) x (Alcance Nominal)

Exemplo:

Um sensor indutivo possui distância de detecção nominal de 8 mm. Qual seria o alcance específico para um alvo de cobre com as mesmas dimensões que um alvo padrão? Resolução : AEsp-cobre = ANom-sensor x Fatorcobre => AEsp-cobre = 8 mm x 0,40 = 3,2 mm

Conclusão: Se usarmos um alvo de cobre, ele somente será detectado a 3,2 mm de distância do sensor.

6.3.8) Relação entre Alvo e Alcance de Detecção

O tamanho e a forma do alvo também podem afetar o alcance. Os seguintes pontos devem ser usados como orientação geral quanto ao tamanho e à forma de um objeto:

a) Alvos planos são preferíveis; b) Alvos arredondados podem diminuir o alcance; c) Materiais não-ferrosos normalmente diminuem o alcance (válido somente para as versões de sensores que detectam todos os metais); d) Alvos menores que a face ativa tipicamente reduzem o alcance; e) Alvos maiores que a face ativa podem aumentar o alcance; f) Películas, folhas e filmes metálicos podem aumentar o alcance.

6.3.9) Sensores Blindados versus Não-Blindados

Os sensores indutivos podem ser do tipo blindados e não blindados. A construção blindada inclui uma faixa metálica que envolve o conjunto núcleo de ferrite / bobina. Já os sensores não blindados não possuem essa faixa.

Figura 8 – Diferença entre sensores indutivos blindados e não-blindados

6.3.10) Histerese

Para um alvo que executa movimento cíclico, aproximando e afastando-se do sensor (especialmente para sensores digitais), a histerese pode tornar-se uma característica necessária, uma vez que irá evitar oscilações (comutação /descomutação) na saída do sensor quando o mesmo estiver sujeito a choques e vibrações ou quando o alvo estiver posicionado exatamente no ponto de alcance nominal do sensor.

Figura 9 – Histerese no sensor

6.3.11) Diversidade de Modelos Indutivos

Atualmente há uma ampla gama de modelos com dimensões e formatos diferentes de sensores, o que permite a aplicação destes sensores em locais de dimensões reduzidas.

Figura 12 – Circuito interno do sensor de proximidade capacitivo

As partes internas do detector consistem em uma ponta capacitiva, um oscilador, um retificador de sinal, um circuito de filtragem e um circuito de saída. Na ausência de um alvo, o oscilador está inativo (não oscila). Quando o objeto a ser detectado se aproxima da face sensora ele aumenta a capacitância do circuito com a ponta de compensação até atingir um determinado valor, ativando o circuito oscilador e conseqüentemente o circuito de saída, fazendo com que o sensor comute seu estado, de “aberto” para “fechado” e vice- versa.

Figura 13 – Princípio de funcionamento do sensor de proximidade capacitivo

A capacitância do circuito com a ponta de compensação é determinada pelo tamanho do alvo, sua constante dielétrica e a distância até a ponta. Quanto maior o tamanho e a constante dielétrica de um alvo, mais este aumenta a capacitância. Quanto menor for a distância entre a ponta de compensação e o alvo, também maior será a capacitância.

6.4.2) Constantes Dielétricas Segue abaixo uma lista parcial de constantes dielétricas (K) para alguns materiais típicos encontrados na indústria.

Tabela 3 – Constantes dielétricas de materiais industriais conhecidos

6.4.3) Sensores Blindados versus Não-Blindados

Os detectores de proximidade capacitivos também podem ser blindados e não blindados. Os detectores blindados são mais indicados para a detecção de materiais de constantes dielétricas baixas (difíceis de detectar), devido a seu campo eletrostático altamente concentrado. Entretanto, isto também os torna mais suscetíveis a comutação falsa devido à acumulação de sujeira ou umidade na face ativa do detector. Os detectores não – blindados são mais indicados para a detecção de materiais de constantes dielétricas altas (fáceis de detectar), pois seu campo eletrostático é menos concentrado do que o campo da versão blindada. Os detectores não – blindados também são mais adequados para aplicações de detecção do nível de líquido através de um suporte plástico, onde o sensor detecta o líquido no tanque através da parede do suporte.

Figura 14 – Diferença entre sensores capacitivos blindados e não blindados

6.4.5) Aplicação dos Sensores de Proximidade Capacitivos

A seguir, podemos ver algumas aplicações típicas para os sensores de proximidade capacitivos não descartando quaisquer outras aplicações.

Figura 15 – Aplicações diversas dos sensores de proximidade capacitivos

6.5) Tipo de Ligação dos Sensores

6.5.1) Alimentação Alternada

Se a alimentação disponível for corrente alternada poderemos encontrar sensores a 2 fios ou a 3 fios. O primeiro tem a vantagem da facilidade de instalação, pois o sensor é ligado em série com a carga. Caso o sensor escolhido não tenha a opção de alimentação em corrente alternada, poderá ser usada uma fonte para sensores.

Figura 16 – Sensor de proximidade a dois fios

Figura 17 – Sensor de proximidade a três fios

6.5.2) Alimentação Contínua

Se a alimentação disponível for corrente contínua, usualmente 10 a 30 VCC, também teremos a opção de ligação a 2fios ou a 3 fios. No caso de ligação a 3 fios torna- se importante verificar o tipo de entrada da carga (PLC ou circuito eletrônico): se ele

possuir entrada positiva deverá ser usado um sensor PNP , mas se a entrada for negativa, o sensor deve ser NPN.

Figura 18 – Sensor de proximidade a dois fios

Figura 19 – Sensor de proximidade a três fios

Figura 20 – Sensor de proximidade a três fios

6.5.3) Sensores Conectados em Série

Os detectores podem ser conectados em série com uma carga. Para o funcionamento adequado em conjunto, a tensão de carga deve ser menor ou igual à mínima tensão de alimentação menos as quedas de tensão ao longo dos detectores de proximidade conectados em série. Nesse caso, a carga é acionada para todos os sensores em “on”.

Figura 21 – Sensores conectados em série

7) SENSORES ÓPTICOS

7.1) INTRODUÇÃO

Os sensores fotoelétricos ou ópticos utilizam a luz infravermelha para detectar um objeto. O seu princípio de funcionamento baseia-se em dois circuitos eletrônicos: um emissor do feixe de luz e outro receptor do mesmo. O emissor envia um feixe de luz de forma pulsada através de um fotodiodo de modo a evitar que o receptor confunda esta luz com a luz ambiente. O receptor possui um fototransistor sensível a luz, e um circuito que reconhece somente a luz vinda do emissor.

7.2) CONCEITOS BÁSICOS

7.2.1) Fontes de Luz

Um diodo emissor de luz (LED) é um componente eletrônico semicondutor em estado sólido que emite luz quando percorrido por corrente elétrica. Os LEDs são feitos para emitir luz com comprimentos de onda ou cores específicas, e oferecem diferentes características de detecção em função da cor. Os LEDs infravermelhos são os mais eficientes, pois geram mais luz e menos calor que qualquer LED de outra cor, sendo usado em detectores onde a máxima saída de luz é necessária para um alcance estendido.

Figura 1 – Diodo emissor de luz (LED)

Em muitas aplicações, um feixe de luz visível é desejável para facilitar a instalação ou confirmar o funcionamento do detector. A luz vermelha visível é a mais eficiente para atender a este requisito. Os LEDs são componentes resistentes e confiáveis, o que os torna ideais para uso em detectores fotoelétricos. Eles operam em uma larga faixa de temperatura e são muito resistentes a danos decorrentes de vibração e choques mecânicos.

7.2.2) Sensor de Luz

O sensor de luz (ou fototransistor) é o componente eletrônico usado para detectar a luz vinda (direta ou refletidamente) do emissor. Fotodiodos ou fototransistores são componentes robustos em estado sólido que causam uma mudança na corrente conduzida dependendo da quantidade de luz detectada. Para melhorar a eficiência de detecção o LED e o fotosensor são freqüentemente casados espectralmente. O fotosensor e os circuitos associados são chamados de receptor.

7.2.3) Lentes

Os LEDs emitem luz sobre uma grande área e os fotosensores percebem esta luz também em uma grande área. Lentes são usadas em frente ao emissor de luz LED e ao fotosensor para estreitar esta área. À medida que a área é estreitada, o alcance do LED ou do fotosensor aumenta, aumentando o alcance de funcionamento para detectores fotoelétricos.

Figura 2 – Lentes no LED e fototransistor

Os detectores fotoelétricos otimizados para grande alcance emitem o feixe de luz bastante estreito, o que pode dificultar o alinhamento devido ao campo de visão também ser conseqüentemente estreito. Outros detectores fotoelétricos são projetados para a detecção de objetos sobre uma grande área, tendo um campo de visão mais largo e um alcance total mais curto.

7.2.4) Saída

Uma vez que uma mudança suficiente no nível de luz é detectada, o detector fotoelétrico comuta um dispositivo de saída para prover um sinal para o controlador lógico a que o detector está conectado. Muitos tipos de saídas de sinal discreto (digital) ou variável (analógico) estão disponíveis, cada uma com vantagens e desvantagens particulares.

7.2.5) Margem

Margem (margem de operação, ganho excedente) é um conceito importante que deve ser bem entendido quando se aplicam detectores fotoelétricos. A necessidade de reajustes e intervenções do usuário numa aplicação pode ser minimizada quando se obtém os melhores níveis de margem para aquela aplicação. A margem expressa a quantidade de luz emitida pelo LED que é percebida pelo receptor. Por exemplo: Uma margem 0 ocorre quando nenhuma luz gerada pelo emissor é detectada pelo receptor. Uma margem 1 é obtida quando a luz detectada é exatamente suficiente para comutar o estado do dispositivo de saída de “ON” para “OFF” e vice-versa. Uma margem 20 é alcançada quando o receptor detecta 20 vezes mais luz que a quantidade necessária para comutar o estado do dispositivo de saída. Normalmente é expressa como uma relação (20:1) ou como um número inteiro seguido por “X” (20X).

7.2.6) Modulação do LED

Para aumentar o alcance de um detector fotoelétrico, a quantidade de corrente que o LED conduz deve ser aumentada. Entretanto, os LEDs também geram calor e há uma quantidade de calor que pode ser gerado sem danificar ou destruir o LED. Assim sendo, nos detectores fotoelétricos, o emissor é comutado rapidamente, interrompendo-se sua corrente numa cadência acelerada chamada de modulação do emissor LED. A taxa ou freqüência de modulação é muitas vezes maior que 5 KHz, muito mais rápido que o olho humano pode detectar.

Figura 3 – Modulação do LED