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Sensores Capacitivos e indutivos
Carla Silva Rocha Aguiar
Heiji Inuzuka
Leandro da Silva Lima
June 13, 2005
1 Introdu¸c˜ao
Os sensores capacitivos permitem medir com grande precis˜ao um grande n´umero de grandezas f´ısicas, tais como a posi¸c˜ao, o deslocamento, a velocidade e a acel- era¸c˜ao linear ou angular de um objeto; a umidade, a concentra¸c˜ao de gases e o n´ıvel de l´ıquidos ou s´oli- dos; a for¸ca, o torque, a press˜ao e a temperatura; mas tamb´em detectar a proximidade de objetos, a presen¸ca de ´agua e de pessoas, etc.
Hoje em dia existe uma grande variedade de apli- ca¸c˜oes que utilizam sensores capacitivos, de forma discreta ou integrada. Por exemplo, s˜ao bastante comuns os sensores capacitivos de press˜ao, de acel- era¸c˜ao, de fluxo de gases ou l´ıquidos, de umidade, de compostos qu´ımicos como o mon´oxido de car- bono, di´o xido de carbono, azoto, de temperatura, de v´acuo, de n´ıvel de l´ıquidos, de for¸ca, de desloca- mento, etc., uns detectando as varia¸c˜oes na espes- sura do diel´etrico, outros na constante diel´etrica. A detec¸c˜ao da varia¸c˜ao da capacidade ´e geralmente efe- tuada atrav´es da medi¸c˜ao da carga acumulada, por exemplo, atrav´es da aplica¸c˜ao de uma tens˜ao con- stante, ou ent˜ao indiretamente atrav´es da varia¸c˜ao da freq¨uˆencia de oscila¸c˜ao ou da forma de onda `a sa´ıda de um circuito, do qual o sensor ´e parte integrante.
Os sensores indutivos apresentados neste trabalho s˜ao sensores de aproxima¸c˜ao. Estes sensores s˜ao car- acterizados por detectarem a presen¸ca de obst´aculos met´alicos a partir da varia¸c˜ao do fluxo magn´etico. Para que estes sensores tenham um funcionamento correto, ´e necess´ario que se tenha uma ´area, em volta do sensor, livre de qualquer material que causa inter-
ferˆencia na medida. Estes sensores s˜ao destinados `a detec¸c˜ao de pe¸cas met´alicas. Eles tamb´em podem ser utilizados como sensores de fim de curso. Estes sen- sores s˜ao caracterizados pela freq¨uˆencia de comuta¸c˜ao (maior n´umero de vezes por segundo que a sa´ıda do sensor pode mudar de estado) e pelo tipo de sa´ıda (normalmente aberto-NA: sa´ıda que se fecha sempre que um objeto ´e detectado na ´area de detec¸c˜ao ativa; normalmente fechado-NF: sa´ıda que se abre sempre que um objeto ´e detectado na ´area de detec¸c˜ao ativa; NPN; PNP).
2 Sensores Capacitivos de
press˜ao
Um sensor capacitivo ´e um condensador que exibe uma varia¸c˜ao do valor nominal da capacidade em fun¸c˜ao de uma grandeza n˜ao el´etrica. Uma vez que um condensador consiste basicamente num con- junto de duas placas condutoras separadas por um diel´etrico, as varia¸c˜oes no valor nominal da capaci- dade podem ser provocadas por redu¸c˜ao da ´area frente a frente e da separa¸c˜ao entre as placas, ou por varia¸c˜ao da constante diel´etrica do material. O elemento sensitivo ´e um par de placas que for- mam um capacitor (figura 1). Uma placa ´e fixada num diafragma cerˆamico que se curva quando for aplicada uma press˜ao sobre ele. A outra placa ´e fix- ada, com uma r´ıgida veda¸c˜ao de vidro, num substrato cerˆamico que ´e invari´avel com mudan¸cas de press˜ao (figura 2). Com a varia¸c˜ao de press˜ao, o diafragma dobra e a distˆancia entre as placas muda. Esse el-
emento cerˆamico produz um capacitor vari´avel, al- tamente confi´avel e est´avel. Para press˜oes mais al- tas s˜ao utilizados diafragmas mais grossos para uma maior resistˆencia mecˆanica.
Figure 1: Esquema das placas do capacitor.
Figure 2: Press˜ao sendo aplicada sobre o diafragma.
2.1 Exemplos de alguns sensores ca-
pacitivos de press˜ao
- Texas Instruments 2CP5 1
- Sensor capacitivo cerˆamico
- Dur´avel, design compacto;
- Baixo custo;
- Prote¸c˜ao contra sobre-tens˜ao e curto cir- cuito; (^1) http://www.ti.com/snc/pdf/2cp.pdf
- Conector fˆemea 14 ”;
- Temperatura de opera¸c˜ao de -40 a 135◦C;
- Voltagem de entrada: 4.5 a 5.5 Vdc;
- Voltagem de sa´ıda: 0.5 a 4.5 Vdc;
- Corrente de entrada m´axima: 8 mA;
- Corrente de sa´ıda m´axima: 2.5 mA;
- Aplica¸c˜oes: ∗ Monitoramento da press˜ao do compres- sor de ´oleo; ∗ Controle do ventilador de condensa¸c˜ao; ∗ Monitoramento da press˜ao de descarga e suc¸c˜ao.
Figure 3: Sensor Texas Instruments 2CP5.
Figure 4: Sensor Texas Instruments 2CP5.
Keller (series 41 X) 2
- Al´em do sensor, inclui transmissor;
- Interface RS485;
- Conversor D/A;
- Tem como acess´orios dois programas: ∗ PROG30 para programar o transmis- sor; (^2) http://www.keller-druck.ch/picts/pdf/engl/41xe.pdf
mais este aumenta a capacitˆancia. Quanto menor a distˆancia entre a ponta e o alvo,maior a capacitˆancia.
Figure 9: Princ´ıpio de opera¸c˜ao do sensor capacitivo de posi¸c˜ao: Ponta de compensa¸c˜ao, oscilador, Filtro retificador e circuito de sa´ıda.
A escolha do melhor sensor capacitivo de posi¸c˜ao depende do tipo de aplica¸c˜ao que este ser´a inserido e o tipo de material o qual este sensor detectar´a a posi¸c˜ao. Pode-se dividir os sensores capacitivos de posi¸c˜ao em duas categorias principais: sensores ca- pacitivos de posi¸c˜ao blindados e n˜ao-blidados.
3.1 Sensores capacitivos de proximi-
dade blindados e n˜ao-blindandos
Os sensores blindados s˜ao constru´ıdos com uma faixa de metal ao redor do sensor. Isso ajuda a direcionar o campo eletrost´atico para a frente do sensor e resulta em um campo mais concentrado. Isso faz com que estes sensores sejam mais indi- cados para a detec¸c˜ao de materiais de constantes diel´etricas baixas (dif´ıceis de detectar), devido a seu campo eletrost´atico altamente concentrado. Isto per- mite que eles notem alvos que sensores n˜ao-blindados ignoram. Entretanto, isto tamb´em os torna mais suscet´ıveis `a comuta¸c˜ao falsa devido ao ac´umulo de sujeira ou umidade na face ativa do sensor. A constru¸c˜ao blindada permite que o sensor seja montado rente em um material sem causar uma falsa comuta¸c˜ao. O fabricante PEPPERL and FUCHS possui uma linha de sensores blindados, variando como especifica¸c˜ao o tamanho do sensor e a ´area da ponta capacitiva. A figura 11 mostra uma s´erie de sensores deste fabricante. As vers˜oes n˜ao-blindadas s˜ao equipadas com uma ponta de compensa¸c˜ao que permite que o sensor ig- nore n´evoa ´umida, poeira, pequenas quantidades de sujeira e pequenos respingos de ´oleo ou ´agua que se
Figure 10: Princ´ıpio de opera¸c˜ao do sensor capacitivo de proximidade blindado.
acumulem no sensor. A ponta de compensa¸c˜ao tam- b´em torna o sensor resistente a varia¸c˜oes da umidade ambiente. Vers˜oes n˜ao-blindadas s˜ao, portanto, uma melhor escolha para ambientes empoeirados e/ou ´umidos.
As vers˜oes n˜ao-blindadas s˜ao tamb´em mais ade- quadas que as vers˜oes blindadas para uso com su- portes pl´asticos para sensores, um acess´orio proje- tado para aplica¸c˜oes onde se faz a detec¸c˜ao de n´ıvel de l´ıquido. O suporte ´e montado atrav´es de um furo num tanque e o sensor ´e inserido no recept´aculo do su- porte. O sensor detecta o l´ıquido no tanque atrav´es da parede do suporte. Isto permite que o suporte sirva tanto para veda¸c˜ao do furo como para fixa¸c˜ao do sensor.
O fabricante Balluf possui uma linha de sensores capacitivos de proximidade n˜ao blindados, indicados para diversas aplica¸c˜oes como detec¸c˜ao do n´ıvel de l´ıquidos. A figura 13 mostra o sensor Balluf BCAW 030-NB-1-Y-03 e a figura 14 mostra o esquem´atico deste tipo de sensor na detec¸c˜ao de n´ıvel de l´ıquidos.
Figure 11: Conjunto de sensores capacitivos de proximidade blindados do fabricante PEPPERL and FUCHS.
4 Sensores capacitivos de prox-
imidade
4.1 Exemplos de alguns sensores
capacitivos de proximidade e
acess´orios
- linha 875C 3 Fios, CC da Allen Bradley 4
- Prote¸c˜ao contra polaridade reversa;
- Prote¸c˜ao contra curto-circuito e sobrecarga;
- Corrente de carga de 200 mA;
- Tens˜ao dee opera¸c˜ao: 10 `a 36 V;
- Temperatura de opera¸c˜ao de -25 `a 70 ◦C;
- Repetitibilidade: < 10 %;
- Histerese: < 20%;
- Sensores da marca IBS precision Engineering 5
- modelo de acordo com a forma e a ´area do sensor; (^4) http://www.ab.com/catalogs/C114-CA001A-PT- P/4capaive.pdf (^5) ibs noncontact uk.pdf
Figure 12: Princ´ıpio de opera¸c˜ao do sensor capacitivo de proximidade n˜ao blindado.
Figure 13: Sensor capacitivo BCAW 030-NB-1-Y- da marca Balluf.
- sem contato;
- bandwidth acima de 20 kHz;
- calibrado na f´abrica;
- resolu¸c˜ao nanom´etrica;
- alta linearidade de entrada/sa´ıda;
- driver Accumeasure TM System1500^6 : driver de condicionamento de sinais de sensores capaci- tivos de proximidade
- Alimenta¸c˜ao: 100/120 ou 220/240 Vac;
- Limite de corrente: 2 Amp;
- Sinal de sa´ıda: 0 `a 10 V;
- Sa´ıda RS232;
- sa´ıda Sa´ıda em BCD; (^6) ibs noncontact uk.pdf
Figure 18: Driver Accumeasure TM System1500 que condiciona o sinal do sensor capacitivo de proximi- dade.
Figure 19: Componentes do sensor indutivo.
tos quando o alvo entra e sai do campo de detec¸c˜ao. Este valor ´e sempre dependente do tamanho do alvo, distˆancia entre alvo e face ativa, velocidade do alvo e tipo de sensor.
5.1 Solu¸c˜oes de mercado
Existem in´umeros fabricantes deste tipo de sensor. Algumas solu¸c˜oes apresentadas por alguns destes fab- ricantes ser˜ao apresentadas a seguir.
Figure 20: Princ´ıpio de funcionamento.
5.1.1 Instrutech Sensores Eletrˆonicos
A Instrutech Sensores Eletrˆonicos ´e uma empresa na- cional que est´a a 20 anos no mercado. Esta em- presa ´e especializada na fabrica¸c˜ao de sensores para automa¸c˜ao industrial, comercial e prote¸c˜ao humana. Ela utiliza tecnologia avan¸cada com montagem au- tom´atica em SMD e componentes de ´ultima gera¸c˜ao. Est´a empresa apresenta v´arios modelos de sensores indutivos, classificados em trˆes categorias: Standard, Linha Curta e Linha Standard. O tipo de conex˜ao utilizado por eles s˜ao: cabo standard, conector M ou engate para mangueira. A sa´ıda pode ser do tipo: DC PNP NA(normalmente aberta), DC PNP NF(normalmente fechada), DC NPN NA, DC NPN NF, AC NA, AC NF ou AC program´avel NA ou NF. Operam com tens˜ao de entrada que variam de 10VDC a 30VDC ou 40VAC a 250VAC. A freq¨uˆen- cia de comuta¸c˜ao varia de 15HZ a 2000HZ, depen- dendo do modelo. Estes sensores s˜ao utilizados como chaveadores eletrˆonico digital com acionamento por detec¸c˜ao de proximidade e alguns deles possuem pro- te¸c˜ao contra curto circuito.
5.1.2 Festo
A Festo ´e uma empresa multinacional com sede na Alemanha e que possui representa¸c˜ao no Brasil. Esta empresa possui diversos componentes empregados em automa¸c˜ao industrial. Entre os modelos de sensores utilizados para detec¸c˜ao de objetos destacam se os sensores indutivos. Estes sensores est˜ao divididos em quatro categorias: SIEN - Com distˆancias de detec¸c˜ao padronizadas. SIEH - Com distˆancias de detec¸c˜ao maiores. SIEW - Para tens˜ao alternada. SIES - Formatos especiais. As principais vantagens destes sensores s˜ao:
- Grande durabilidade - Por n˜ao necessitar de con- tatos mecˆanicos para a detec¸c˜ao;
- Excelente precis˜ao e garantia da supervis˜ao;
- Altas freq¨uˆencias de comuta¸c˜ao at´e 3000Hz;
- Com indica¸c˜ao atrav´es de Led;
- Insens´ıvel a trepida¸c˜oes;
- Totalmente lacrado podendo ser utilizado em ambientes agressivos;
- Versatilidade de formatos e formas de fixa¸c˜ao;
- Facilidade de interface com os principais CLP’S.
Alguns modelos especiais apresentam as seguintes caracter´ısticas:
- Sa´ıda anal´ogica;
- Podem ser utilizados em ambientes de intenso campo magn´eticos - ambientes de solda;
- Detec¸c˜ao de materiais n˜ao ferrosos sem redu¸c˜ao da distˆancia sensora;
- Linha econˆomica de pl´astico;
- Modelos de a¸co inoxid´avel para ambientes mais agressivos.
As figuras 21 e 22 ilustra alguns modelos de sen- sores indutivos da Festo.
Figure 21: Sensores indutivos da Festo.
Figure 22: Sensores indutivos da Festo.
5.1.3 Metaltex A Metaltex ´e uma empresa nacional que oferece uma grande variedade de componentes eletro-eletrˆonicos e solu¸c˜oes completas tamb´em em Automa¸c˜ao Indus- trial. Entre os produtos de Automa¸c˜ao Industrial destacam se os sensores indutivos. As caracter´ısticas dos sensores indutivos da Metal- tex s˜ao:
- o Distˆancia de detec¸c˜ao de 1,5mm a 15mm;
- Alimenta¸c˜oes CC (10VCC a 36VCC) ou CA(90VCA a 240VCA);
- Sa´ıdas NPN ou PNP, NA ou NF;
- Freq¨uˆencia de comuta¸c˜ao variando entre 200HZ a 500Hz;
- Temperatura de opera¸c˜ao varia de -25oC a 75oC.
Na figura 23 s˜ao apresentados dois modelos de sen- sores indutivos da Metaltex.
Figure 23: Sensores indutivos da Metaltex.
5.1.4 Siemens A siemens ´e uma empresa multincional que possui representates no mundo todo, inclusive no Brasil. Ela possui uma classe de sensores denominada BERO, dentre os sensores BERO, destacam-se os sensores in- dutivos. Estes sensores s˜ao indicados onde se deseja
