instrumentação eletrônica sensores -...

29/07/2015

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Instrumentação EletrônicaInstrumentação Eletrônica

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Juazeiro Jul 28,2015

Prof. José Américo Moura – Eng. Elétrica

SENSORES

Prof. José Américo Moura

Características

Nível : 1 , 2 e 3


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Nível : 1

• A interface entre o controle do processo(NIVEL II) e o mundo físico é feita por:

Sensores dispositivo de entrada.

Atuadores dispositivo de saída.


Nível 1

• SENSOR é um dispositivo que converte umagrandeza física, presente em um processo, emum sinal elétrico ou qualquer outra forma deinteresse.

• ATUADOR é um dispositivo que converte um sinalelétrico em uma grandeza física de interesse no processo.


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Nível 1: sensores

• SENSOR é um dispositivo que converte umagrandeza física, presente em um processo, emum sinal elétrico ou qualquer outra forma deinteresse.


Nível 1: sensores


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Nível 1: sensores


Nível 1

• Existe uma grande variedade de especificações distintaspara estes dipositivos (atuadores/sensores) de modo anão existir, na maioriadas vezes, um consenso na suapadronização.

O projetista vai encontrar uma grandevariedade de especificações e interpretações dosparâmetros de desempenho.

Consequência:


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Nível 1

• É importante compreender o papel da FOLHA DEDADOS (DATA SHEET) destes componentes na hora delidar com esta variabilidade.

evidencia os atributos positivos e enfatiza potenciaisaplicações.

pode omitir comentários sobre característicasnegativas.

em muitos casos o dispositivo foi desenvolvido parauma aplicação e consumidor específico.

potenciais novos usuários precisam reconhecer isto : muitas das folhas de dados faltam informações paraaplicações em casos particulares.

O DATA SHEET é um documento de “marketing”.


Nível 1: Características dos sensores

mostra as relação funcional entre a grandeza física de entrada e o sinal de saída.

1. função de transferência

geralmente representanda por um gráfico mostrandosaída x entrada.

para sensores com aplicações especiais (caros), estessão calibrados individualmente e a função detransferência aprece como certificado de calibração .


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é também definida em termos da relação entre o sinal de saída e a grandezafísica de entrada.

é geralmente a resposta do sensor para pequenos sinais.

é expressa como a derivada da função de transferência com relação à entrada(sinal físico).

2. sensibilidade

Unidades típicas:

volts/kelvin, millivolts/kilopascal, mV/G. e,t.c..

Ex: Um termômetro tem “alta sensibilidade” se uma pequena variaçãona temperatuta resulta em uma grande mudança na tensão de saída.



é a faixa do sinal físico de entrada que pode ser convertido nosinal elétrico de saída.

sinais de entrada for a desta faixa podem não ser precisos.

é a diferença entre o mínimo e o máximo da faixa.

3. Alcance (span)

Unidades típicas:

Kelvin, Pascal, Newton.Volt e.t.c


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é o maior erro esperado qdo se faz uma medida (erro absoluto).

algumas vezes é expresso como erro relativo.

4. Precisão (accuracy)

Unidades típicas:

Kelvin, Pascal, Newton.Volt e.t.c

% FE (% FS ou % FSO) % do span % do VL. e.t.c

ABSOLUTA

RELATIVA



alguns sensores apresentam duas saídas para uma mesmaentrada. Em geral isto ocorre em processos cíclicos. A diferençaentre estas duas medidadas é o que chamamos de histerese.

algumas vezes é expresso como erro absoluto (unidade dagrandeza medida) ou erro relativo (% FSO).

5. Histerese (hysteresis)


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a sensibilidade depende da temperatura e é em geralespecificada em %/Tempetarura (< 0.025%/C), ouatravés de curvas.

6. coeficiente de temperatura





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é a diferença entre a resposta atual do dispositivo e a melhor reta que se ajusta a curva dentro da faixa de trabalhoespecificada.

em geral é especificado em < % FSO.

6. linearidade (linearity)



7. ruído (noise)

8. largura de banda(bandwidth)


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2. sensibilidade

3. Alcance (span)

4. Precisão (accuracy)

5. Histerese (hysteresis)


7. linearidade (linearity)

8. ruído (noise)

9. largura de banda(bandwidth)


•Analógica

• Digital ou binário.( sensores discretos )


•Além das características já citadas, uma tem um papelimportante na escolha do sensor: TIPO DE SAÍDA.

• de contato mecânico

• de proximidade ( sem contato mecânico)


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•Analógica o transdutor possui umasaída contínua, isto é, o sinal de saídaacompanha o sinal de entrada de acordocom sua função de transferência.


•TIPO DE SAÍDA.


•Digital ou binária a saída dodispositivo é discreta, isto é, sóassume valores lógicos “0” ou “1”.


•TIPO DE SAÍDA.


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•TIPO DE SAÍDA.



•TIPO DE SAÍDA.A carga nunca deve ser conectada do lado da linha no switch.


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•TIPO DE SAÍDA.Além dos limit switches, temos:

chaves operadas manualmente

chaves de nível



•TIPO DE SAÍDA.Além dos limit switches, temos:

chaves de pressão

chaves de temperatura


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Nível 1: Eletrônica dos sensores

A eletrônica que acompanha o sensor tem um papel importante no seu desempenho global.

Se projetada de maneira apropriada nos permite extrair boas informações de sinal ruidoso.



Muitos dos sensores não produzem uma tensão que possa ser usada nas entradas de conversão AD.

Para utilizá-los devemos polarizá-los (“bias”) e o sinal de saída amplificado.


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sensores resistivos



sensores resistivos


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Limitações dos sensores.

resistência dos terminais (lead resistence).

sol.: técnica das 4 pontas (fios).

impedância de saída (output impedance).




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sensores capacitivos



sensores capacitivos

tensão alternada C é relativamente pequeno (~100pF). correntes parasitas. amplificador próximo.


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capacitâncias parasitas.

1. Minimizar a distância do sensor ao restante do circuito.



sensores indutivos

XL =2πfL técnicas mais elaboradas de fabricação. são em geral 3D.


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FILTROS têm basicamente a função de separar o sinal desejado em uma medida do ruído.

passa baixa (low pass).

passa alta (high pass).

passa faixa (band pass).



filtro passa baixa


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filtro passa alta (HP)



filtro passa faixa (BP)


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Amplificadores operacionais

regras de ouro

1. Nenhuma corrente flui através da entradas (E+ e E-).

2. Quando em realimentação negativa, a saída será tal que as tensões das duas entradas sejam iguais.




seguidor de tensão (G=1)


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amplificador inversor.




amplificador não-inversor.


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Nível 1: Aplicações dos sensores

• São inúmeros os tipos e aplicações dos sensores.

•Variando desde os mais simples, de uso corriqueiro, atéos de uso mais complexos em ambientes sensíveis ehostis.



•Entre os mais utilizados temos:

1. posição e deslocamento

2. Presença

3. Temperatura

4. Pressão

5. Corrente, tensão e potência

6. ópticos


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•Entre os mais utilizados temos:

7. velocidade8. aceleração9. nível10. vazão11. umidade12. gases13. pH14. e.t.c


Nível 1: Sensores de posição e deslocamento

posição – coordenadas de um objeto em relação a determinado sistema de referência.

deslocamento – movimento de uma posição paraoutra por uma distância ou ângulo específico.

proximidade – distância crítica sinalizada por umasaída tipo on/off.


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•Aplicações



•Aplicações


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•Tecnologias utilizadas:

1. resistivos

2. Indutivos

3. capacitivos

4. eletromecânicos

5. piezoelétricos

6. ultrasônicos

7. encoders óptico

8. e.t.c



RESISTIVOS

são geralmente chamados de POTENCIÔMETROS ou “POTs”.

estão disponíveis numa grande variedade com aplicações específicas.

medidas de posição requerem potenciômetrosde precisão. Evite trimmers, reostatos, atenuadores, controle de volume, etc.


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RESISTIVOS



RESISTIVOS

para medirmos um delocamento/posição o “pot” é, em geral, montado numa configuração de divisor de tensão.

A saída do circuito é uma tensão analógicapronta para o uso ou para digitalização.

A calibração prévia permite converter a tensão de saída em unidades de deslocamento.


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RESISTIVOS



RESISTIVOS


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RESISTIVOS



RESISTIVOS


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RESISTIVOS



INDUTIVOS

são amplamente utilizados naindústria.

são robustos e compactos.

sofrem pouco a influência do meio (ex. umidade, poeira, e.t.c) em comparaçãocom o capacitivo.


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INDUTITIVO – aplicações típicas

Ideal para detecção sem contato de objetosmetálicos.

São usados em setores onde componentesmetálicos têm papel importante. Ex.:

a) indústria de motores.b) Engenharia mecânicac) Indústria robótica.d) Sistemas transportadorese) e.t.c



INDUTIVOS – como funciona

também conhecidos como sensores de “corrente parasitas”.

usam um campo eletromagnético que penetrano alvo.


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INDUTIVOS - alvos

Sensores indutivos são sensíveis ao material do alvo.

Existem basicamente dois tipos de alvos:

a) ferrosos (magnéticos) : ferro e aços.

b) não-ferrosos (não-magnéticos): alumínio, cobre, latão, zinco e outros.


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INDUTIVOS - alvos

Alguns sensores funcionam com os dois tiposde alvos.

!! Para uma bom desempenho o sensor deve

ser calibrado para o material do alvo.



INDUTIVO – aplicações típicas


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INDUTIVO – aplicações típicas


Automação IndustrialAutomação Industrial

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CAPACITIVOS

são amplamente utilizados naindústria e em aplicações científicas

Podem também ser utilizados nadetecção de humidade e misturas.



CAPACITIVOS

detectam materiais condutores e não condutores, nas formas: sólida, póou líquida.Ex.: cerâmicas, plásticos, madeira, óleo, água, papelão e papel.

!! O SENSOR opera quando o material está

a uma distância específica do material.


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CAPACITIVOS – como funciona

A face sensível do dispositivo é formada porduas placas metálicas concêntricas – formandoum capacitor “aberto” .



CAPACITIVOS – como funciona


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CAPACITIVO – aplicações típicas

controle de nível em containers de plástico ouvidro.

monitoração de nível em embalagenstransparentes.

rompimento de fio ou fita de sinalização.

contagem de vasilhames ou itens de qualquer espécie.



CAPACITIVO – aplicações típicas


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CAPACITIVO – especificações



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CAPACITIVO x INDUTIVO



FIM


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