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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
Instrumentação EletrônicaInstrumentação Eletrônica
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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.
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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.
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Nível 1: sensores
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Nível 1: sensores
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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”.
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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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Nível 1: Características dos sensores
1. função de transferência
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Nível 1: Características dos sensores
1. função de transferência
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Nível 1: Características dos sensores
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.
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Nível 1: Características dos sensores
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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Nível 1: Características dos sensores
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
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Nível 1: Características dos sensores
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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Nível 1: Características dos sensores
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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Nível 1: Características dos sensores
6. coeficiente de temperatura
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Nível 1: Características dos sensores
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)
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Nível 1: Características dos sensores
7. ruído (noise)
8. largura de banda(bandwidth)
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Nível 1: Características dos sensores
1. função de transferência
2. sensibilidade
3. Alcance (span)
4. Precisão (accuracy)
5. Histerese (hysteresis)
6. coeficiente de temperatura
7. linearidade (linearity)
8. ruído (noise)
9. largura de banda(bandwidth)
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•Analógica
• Digital ou binário.( sensores discretos )
Nível 1: Características dos sensores
•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.
Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.
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•Digital ou binária a saída dodispositivo é discreta, isto é, sóassume valores lógicos “0” ou “1”.
Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.
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Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.
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Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.A carga nunca deve ser conectada do lado da linha no switch.
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Nível 1: Características dos sensores
•TIPO DE SAÍDA.Além dos limit switches, temos:
chaves operadas manualmente
chaves de nível
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Nível 1: Características dos sensores
•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.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
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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Nível 1: Eletrônica dos sensores
sensores resistivos
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
sensores resistivos
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
Limitações dos sensores.
resistência dos terminais (lead resistence).
sol.: técnica das 4 pontas (fios).
impedância de saída (output impedance).
Nível 1: Eletrônica dos sensores
Limitações dos sensores.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
sensores capacitivos
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
sensores capacitivos
tensão alternada C é relativamente pequeno (~100pF). correntes parasitas. amplificador próximo.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
Limitações dos sensores.
capacitâncias parasitas.
1. Minimizar a distância do sensor ao restante do circuito.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
sensores indutivos
XL =2πfL técnicas mais elaboradas de fabricação. são em geral 3D.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
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).
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
filtro passa baixa
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
filtro passa alta (HP)
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
filtro passa faixa (BP)
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
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.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
Amplificadores operacionais
seguidor de tensão (G=1)
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
Amplificadores operacionais
amplificador inversor.
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
Amplificadores operacionais
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.
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Nível 1: Aplicações dos sensores
•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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Nível 1: Aplicações dos sensores
•Entre os mais utilizados temos:
7. velocidade8. aceleração9. nível10. vazão11. umidade12. gases13. pH14. e.t.c
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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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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
•Aplicações
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
•Aplicações
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
•Tecnologias utilizadas:
1. resistivos
2. Indutivos
3. capacitivos
4. eletromecânicos
5. piezoelétricos
6. ultrasônicos
7. encoders óptico
8. e.t.c
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
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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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
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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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
RESISTIVOS
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
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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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
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
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
INDUTIVOS – como funciona
também conhecidos como sensores de “corrente parasitas”.
usam um campo eletromagnético que penetrano alvo.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
INDUTIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
INDUTIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
INDUTIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
INDUTIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
INDUTIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
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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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
INDUTIVOS - alvos
Alguns sensores funcionam com os dois tiposde alvos.
!! Para uma bom desempenho o sensor deve
ser calibrado para o material do alvo.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
INDUTIVO – aplicações típicas
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
INDUTIVO – aplicações típicas
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Automação IndustrialAutomação Industrial
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
CAPACITIVOS
são amplamente utilizados naindústria e em aplicações científicas
Podem também ser utilizados nadetecção de humidade e misturas.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
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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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
CAPACITIVOS – como funciona
A face sensível do dispositivo é formada porduas placas metálicas concêntricas – formandoum capacitor “aberto” .
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
CAPACITIVOS – como funciona
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
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.
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
CAPACITIVO – aplicações típicas
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
CAPACITIVO – especificações
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Nível 1: Sensores de posição e deslocamento
CAPACITIVO x INDUTIVO
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Nível 1: Eletrônica dos sensores
FIM
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