Sensor Es
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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MATO GROSSO DEPARTAMENTO DE ELETRO - ELETRÔNICA SENSORES Elaboração: Professor: Mário Anderson de oliveira 1
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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MATO GROSSO
DEPARTAMENTO DE ELETRO - ELETRÔNICA
SENSORES
Elaboração: Professor: Mário Anderson de oliveira
Cuiabá, 02 de fevereiro de 2009.
1
Sumário1. Eletricidade e Eletrônica..........................................................................................................................6
1.1. Corrente elétrica..........................................................................................................................................6
1.2. Eletricidade estática....................................................................................................................................9
1.3. Força eletromotriz.....................................................................................................................................10
1.4. Resistência elétrica...................................................................................................................................10
1.5. O resistor...................................................................................................................................................11
1.6. Resistência, Tensão e Corrente.................................................................................................................13
1.7. Lei de Ohms..............................................................................................................................................15
1.8. Circuitos resistivos....................................................................................................................................15
1.9. Indutância magnética................................................................................................................................19
1.10. Reatância Indutiva....................................................................................................................................21
1.11. Capacitância..............................................................................................................................................21
1.12. Montando um capacitor............................................................................................................................22
1.13. Ligando o capacitor ao circuito................................................................................................................23
1.14. Semicondutores.........................................................................................................................................24
1.14.1. Semicondutores P e N...............................................................................................................................26
1.15. Diodo........................................................................................................................................................27
1.16. Fotodiodo..................................................................................................................................................29
1.17. LED...........................................................................................................................................................30
1.18. Transistor..................................................................................................................................................31
1.18.1. Polarização direta emissor-base................................................................................................................32
1.18.2. Polarização simultânea.............................................................................................................................33
1.18.3. Fototransistor............................................................................................................................................34
1.18.4. Aplicações dos fototransistor....................................................................................................................35
1.19. Introdução à eletrônica digital..................................................................................................................36
1.19.1. Representações Numéricas.......................................................................................................................37
1.19.2. Sistemas Digitais e Analógicos................................................................................................................37
1.19.3. Vantagens das Técnicas Digitais..............................................................................................................38
1.19.4. Limitações das Técnicas Digitais.............................................................................................................39
1.19.5. Conversores A/D e D/A............................................................................................................................41
2. Introdução à automação.........................................................................................................................42
2.1. Conceito....................................................................................................................................................42
2
2.2. Desenvolvimento da automação...............................................................................................................42
2.3. Componentes da automação.....................................................................................................................46
2.4. Classificação.............................................................................................................................................46
2.5. Aplicações da automação.........................................................................................................................47
2.6. Outras aplicações......................................................................................................................................48
2.6.1. Categoria de descrição..............................................................................................................................48
2.7. O impacto da automação na sociedade.....................................................................................................49
2.8. Noções de controle de processos..............................................................................................................50
2.8.1. Conceitos básicos......................................................................................................................................50
2.8.2. Malha fechada x malha aberta..................................................................................................................52
2.8.3. Ações básicas de controle.........................................................................................................................53
3. Instrumentação Industrial.....................................................................................................................55
3.1. Conceitos..................................................................................................................................................56
3.2. Tipos de sinais em instrumentação...........................................................................................................58
3.3. Características Estáticas dos Instrumentos...............................................................................................58
4. Sensores de Pressão................................................................................................................................61
4.1. Pressão......................................................................................................................................................61
4.1.1. Classificação de Pressão...........................................................................................................................61
4.2. Princípio de medição da pressão...............................................................................................................62
4.2.1. Manômetros em tubo U............................................................................................................................62
4.2.2. Manômetro de Bourdon............................................................................................................................63
4.3. Tipos de Transdutores de Pressão – Princípios e Constituição................................................................65
4.3.1. Manômetro de Diafragma.........................................................................................................................65
4.3.1.1. Distribuição das tensões mecânicas..........................................................................................................66
4.3.2. Medição com balança de forças................................................................................................................67
4.3.3. Medição com extensômetro......................................................................................................................67
4.3.3.1. O diafragma como selante........................................................................................................................68
4.3.4. Transdutor de pressão indutivo.................................................................................................................69
4.3.5. Transdutor de pressão capacitivo..............................................................................................................70
4.3.6. Transdutor de pressão piezoresistivo........................................................................................................72
4.3.6.1. Quatro piezoresistores ligados em ponte..................................................................................................73
4.3.7. Transdutor de pressão Piezoelétrico.........................................................................................................74
4.4. Aplicações.................................................................................................................................................77
4.4.1. Na automação industrial...........................................................................................................................77
4.4.2. Na área automotiva...................................................................................................................................77
4.4.3. Aplicação do sensor de pressão na medição do nível de líquidos............................................................78
3
4.4.4. Sensor de Umidade Relativa do ar............................................................................................................79
5. Sensores de Umidade..............................................................................................................................80
5.1. Medição de umidade.................................................................................................................................81
6. Sensores de Temperatura.......................................................................................................................83
6.1. O RTD......................................................................................................................................................84
6.2. Termopar...................................................................................................................................................85
6.3. Termistor...................................................................................................................................................86
6.4. Sensores integrados..................................................................................................................................88
7. Sensores de Proximidade Capacitivos..................................................................................................90
7.1. Vantagens dos sensores capacitivos de proximidade...............................................................................90
7.2. Princípio de funcionamento......................................................................................................................90
7.3. Sensores embutíveis..................................................................................................................................91
7.4. Sensores não embutíveis...........................................................................................................................92
7.5. Sensibilidade.............................................................................................................................................93
7.6. Precauções de montagem..........................................................................................................................95
7.7. Exemplo de aplicação...............................................................................................................................95
8. Sensores de proximidade indutivos.......................................................................................................97
8.1. Vantagens da detecção indutiva:..............................................................................................................97
8.2. Princípio de funcionamento:.....................................................................................................................97
8.3. Tipos de saída...........................................................................................................................................99
8.4. Aplicação................................................................................................................................................100
8.5. Precauções na montagem........................................................................................................................100
9. Sensores Ópticos...................................................................................................................................101
9.1. Vantagens dos sensores ópticos:.............................................................................................................101
9.2. Sensores passivos....................................................................................................................................101
9.3. Sensores ativos........................................................................................................................................102
9.3.1. Sensores de barreira................................................................................................................................102
9.3.2. Sensores de reflexão...............................................................................................................................102
9.3.3. Sensores de retrorreflexão......................................................................................................................103
9.4. Aplicações...............................................................................................................................................104
10. Sensores Ultra-sônicos..........................................................................................................................105
11. Sensores de vazão..................................................................................................................................107
11.1. Medidores de vazão por pressão diferencial...........................................................................................109
11.1.1. Placas de Orifício....................................................................................................................................110
11.1.2. Tubo Venturi...........................................................................................................................................111
11.1.3. Tubo Pitot...............................................................................................................................................111
4
11.1.4. Medidor de Área Variável......................................................................................................................113
11.1.5. Medidores tipo turbina............................................................................................................................114
11.1.6. Magnéticos..............................................................................................................................................115
11.1.7. Ultra-sônicos...........................................................................................................................................115
11.1.8. Medidores tipo vórtices..........................................................................................................................116
11.1.9. Medidores tipo CORIOLIS.....................................................................................................................117
12. Sensores de Nível...................................................................................................................................119
12.1. Métodos de Medição de Nível de Líquido.............................................................................................119
12.1.1. Medição Direta.......................................................................................................................................119
12.1.1.1.Régua ou Gabarito..................................................................................................................................119
12.1.1.2.Visores de Nível.....................................................................................................................................120
12.1.1.3.Bóia ou Flutuador...................................................................................................................................121
12.1.2. Medição de Nível Indireta......................................................................................................................121
12.1.2.1.Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pressão diferencial)..........................................................121
12.1.2.2.Medição por Pressão Diferencial em Tanques Pressurizados................................................................122
12.1.2.3.Supressão de Zero...................................................................................................................................122
12.1.2.4.Elevação de Zero....................................................................................................................................123
12.1.2.5.Medição de Nível com Borbulhador.......................................................................................................124
12.1.2.6.Medição de Nível por Empuxo...............................................................................................................125
12.1.2.7.Medição de Nível por Radiação.............................................................................................................126
12.1.2.8.Medição de Nível por Capacitância........................................................................................................127
12.1.2.9.Medição de Nível por Ultra Som............................................................................................................128
12.1.2.10. Medição de Nível por Radar.........................................................................................................130
12.1.3. Medição de Nível Descontínua...............................................................................................................130
12.1.3.1.Medição de nível descontínua por condutividade..................................................................................130
12.1.3.2.Medição de Nível descontínua por bóia.................................................................................................131
12.1.3.3.Medição de Nível de Sólidos..................................................................................................................132
13. Encoder..................................................................................................................................................133
13.1. Princípio de funcionamento....................................................................................................................133
13.2. Tipos de encoders...................................................................................................................................134
13.2.1. Encoders Incremental.............................................................................................................................134
13.2.2. Encoders Absoluto..................................................................................................................................136
13.3. Aplicações...............................................................................................................................................142
14. Anexos....................................................................................................................................................143
14.1. Simbologia/ ligações...............................................................................................................................143
14.2. Folhas de dados.......................................................................................................................................146
14.2.1. Sensores Capacitivos..............................................................................................................................146
5
14.2.2. Sensores Indutivos..................................................................................................................................148
14.2.3. Sensores Ultra-Sônicos...........................................................................................................................149
14.2.4. Sensores de Nível Ultra-Sônicos............................................................................................................150
14.2.5. Sensores de temperatura e umidade........................................................................................................151
15. Bibliografia............................................................................................................................................152
6
1. Eletricidade e Eletrônica
Atualmente é muito difícil falar sobre tecnologia sem considerar a importância da
corrente elétrica e seu funcionamento. Todo processo que envolve a tecnologia das ciências
eletrônicas se baseia em suas principais ocorrências.
Exemplos de geradores de corrente elétrica são: as baterias, pilhas e usinas de
energia em geral. A outra ocorrência é denominada de receptor elétrico.
O receptor elétrico é na verdade o aparelho que recebe a eletricidade e converte
esta em alguma outra atividade. Quando ligamos o computador ele recebe a energia elétrica
através da tomada e transforma esta energia em atividades virtuais como jogos, planilhas de
cálculos e assim por diante.
De nada adiantaria conhecermos a eletricidade sem conseguir transformar ela em
algo útil, onde equipamento que usa energia elétrica para exercer uma determinada função é
um receptor elétrico.
1.1. Corrente elétrica
A corrente elétrica pode ser explicada através da teoria eletrônica, esta explica que
tudo que existe na natureza é composto de átomo. O átomo é composto por prótons, nêutrons
e elétrons. Os prótons e os nêutrons ficam agrupados no núcleo, e girando em sua volta ficam
os elétrons. Quanto mais próximo do núcleo estiver o elétron maior será à força de atração
sobre ele. Assim sendo, uma das forças que mantêm o átomo unido é a atração que existe
entre o próton do núcleo e os elétrons que o circulam.
Chamamos de elétrons livres aqueles que ficam na camada mais externa da órbita,
pois são eles que se separam mais facilmente do átomo. Os elétrons possuem carga negativa e
os prótons carga positiva, vide Figura abaixo.
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O átomo que possui o mesmo número de prótons e de elétrons, é considerado
neutro. O átomo que possui maior números de prótons que elétrons e considerado positivo. O
átomo que possui maior números de elétrons que de prótons é considerado negativo.
- Íon Negativo é o nome que se emprega para o átomo que ganhou elétrons.
- Íon Positivo é o nome que se emprega para o átomo que perdeu elétrons.
- Ionização é o processo pelo qual o átomo ganha ou perde elétrons.
- Prótons = elétrons (carga neutra)
- Prótons > elétrons (carga positiva)
- Prótons< elétrons (carga negativa)
A palavra eletrônica e eletricidade são derivadas da palavra elétron. Observe que
toda a matéria é composta de moléculas que são compostas de átomos que possuem em sua
órbita elétrons, estes podem ser livres ou fixos.
CONDUTORES: São as matérias com grande quantidade de elétrons livres.
ISOLANTES: São as matérias que possuem pouca quantidade de elétrons livres.
O cobre é um metal muito usado na confecção de condutores de eletricidade (fios
elétricos) é barato, de fácil aquisição e possui muitos elétrons livres. A borracha também é
muito usada como isolador de corrente elétrica por possuir poucos elétrons livres.
Os elétrons não são criados nem podem ser destruídos, estes apenas existem no
universo. É o movimento do elétron que gera a eletricidade.
Quando esfregamos dois materiais diferentes como lã e vidro o atrito faz com que
os elétrons livres passem de um material para outro, ao separar os objetos teremos um com
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maior quantidade de elétrons e outro com maior quantidade de prótons. A carga que cada
objeto ganhou é o que chamamos de eletricidade estática.
O corpo humano também produz carga estática que é o acúmulo de elétrons. Se
tocarmos em algum material que esteja carregado por prótons, os elétrons que se encontram
no corpo passarão para o material tocado. No momento que isso ocorre, existe a liberação de
energia elétrica que dependendo da sensibilidade do material, pode causar danos ao mesmo
como no caso de alguns componentes eletrônicos.
É por esse motivo que sempre que um técnico toca em algum hardware como a
memória, processador e demais peças é aconselhável usar pulseira antiestática ou tocar em
alguma base metálica para equilibrar (descarregar) os elétrons evitando um choque prejudicial
ao hardware.
Observe que estamos trocando elétrons com outros materiais diariamente, não
sentimos porque a carga é muito baixa e não nos afeta, mas em alguns componentes
eletrônicos basta milésimos de tensão para danificar os mesmos. Sempre que ligamos um
aparelho eletrônico ocorre a movimentação de elétrons e o resultado deste movimento é
chamado de corrente elétrica.
Existem dois tipos de corrente elétrica, uma chamada CA (corrente alternada) e a
outra denominada de CC (corrente continua).
No curso de eletrônica se trabalha largamente com a CC corrente continua que é
encontrada nas pilhas e nos conversores chamados de fontes.
CA é encontrada nas tomadas de residências normalmente em dois valores 110 e
220 volts e estudada principalmente nos cursos de eletricidade.
Para que ocorra o fenômeno da energia elétrica é necessário que existam dois
materiais condutores diferentes: um com maior carga de elétrons e outro, com maior carga de
prótons. Quando temos essa ocorrência chamamos de diferença de potencial.
O fenômeno da energia elétrica ocorre quando os elétrons se movimentam de um
lugar para outro, através de um material condutor, em um ambiente que possua diferença de
potencial.
Quando ligamos um receptor elétrico na tomada como um computador, ele recebe
energia elétrica alternada (corrente alternada) que é gerada em uma usina elétrica a kilômetros
de distância de sua residência e repassada para um conversor elétrico (fonte do micro) que
transforma esta energia alternada em corrente continua. A corrente continua passa pelos
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componentes elétrico do receptor e transforma a energia elétrica em atividades no
computador.
1.2. Eletricidade estática
Sabemos que toda a matéria é constituída de átomos e que os átomos são os
geradores de eletricidade. Quando esfregamos dois materiais diferentes como lã e vidro o
atrito faz com que os elétrons livres passem de um material para outro. Ao separar os objetos
teremos um com maior quantidade de elétrons enquanto o outro terá maior quantidade de
prótons. A carga que cada objeto ganhou é o que chamamos de eletricidade estática.
O corpo humano também produz estática que é o acúmulo de elétrons. Se
tocarmos em algum material que esteja carregado por prótons, os elétrons que se encontram
no corpo passarão para o material tocado. No momento que isso ocorre, existe a liberação de
energia elétrica que dependendo da sensibilidade do material, pode causar danos ao mesmo
como no caso de alguns componentes eletrônicos.
É por esse motivo que sempre que um técnico toca em algum hardware como a
memória, processador e demais peças é aconselhável usar pulseira antiestática ou tocar em
alguma base metálica para equilibrar (descarregar) os elétrons evitando um choque prejudicial
ao hardware.
Observe que estamos trocando elétrons com outros materiais diariamente, não
sentimos porque a carga é muito baixa e não nos afeta, mas em alguns componentes
eletrônicos basta milésimos de tensão para danificar os mesmos.
A eletricidade estática também ocorre em tensão elevada como no caso dos raios,
estes são de grande potência na faixa de milhares de volts. Os raios surgem através do atrito
do ar com as nuvens quando ocorre a troca acentuada de elétrons. Em determinado momento
desta troca, as nuvens adquirem uma grande diferença de potencial em relação a Terra, e uma
descarga elétrica surge. A maneira mais comum de gerar eletricidade estática é através do
atrito. A eletricidade estática não possui uso prático, é um fenômeno natural, sem controle.
Para nos beneficiarmos da eletricidade é importante controlar o fenômeno da
eletricidade, usamos os receptores elétricos para esta finalidade.
Um receptor elétrico é composto basicamente de dois elementos, os condutores de
eletricidade e os componentes elétricos. Os condutores são os caminhos por onde a corrente
elétrica flui e chega até os componentes elétricos como o transistor, resistores e vários outros.
10
Normalmente as trilhas que ligam os componentes eletrônicos são feitas de uma
fina camada de cobre, esse é um bom condutor elétrico além de possuir um custo menos
elevado.
1.3. Força eletromotriz
Sempre que algo se movimenta é preciso aplicar alguma forma de energia, quando
caminhamos aplicamos força nos músculos para movimentar as pernas, quando um carro se
move é aplicado força nas rodas para que elas girem e ao atirar uma pedra para o alto
aplicamos uma força de subida e a gravidade gera uma pressão de descida.
Observe que sempre existe uma forma de pressão (força) empregada para que
ocorra qualquer tipo de movimento.
Já estudamos que a corrente elétrica ocorre quando os elétrons livres se
movimentam.
Para que um elétron se movimente e percorra um condutor é preciso empregar
uma força ou pressão, esta força que provoca o movimento dos elétrons é denominada de
força eletromotriz, também chamada de diferença de potencial, tensão. A tensão, diferença de
potencial ou força eletromotriz é medida em Volts.
O volts é uma unidade de medida empregada para quantificar a força usada no
movimento dos elétrons ao percorrer um condutor.
A bateria do carro possui 12 volts, isso significa que a pressão (força) que
impulsiona os elétrons pelos fios (condutores) é de 12 volts.
O símbolo usado para representar a força eletromotriz é a letra “E”.
1.4. Resistência elétrica
A resistência elétrica e uma das grandezas que esta sempre presente na
eletricidade.
Conforme a quantidade de elétrons livre de um material ele será bom ou mal
condutor. Quanto mais elétrons livres um material possui, menor será a sua oposição a
passagem da corrente elétrica, dizemos que sua resistência é baixa. Se um material possui
poucos elétrons livres, dizemos que sua resistência é alta.
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A resistência de um material e medida em OHMS que é representado pela letra
grega “Ω”. O Ohm é a unidade de medida da resistência e a resistência elétrica é representada
pela letra “R”.
A resistência de um condutor depende de quatro fatores, são eles:
Comprimento do condutorQuanto maior for o comprimento do condutor maior será a sua resistência.
Área da seção retaQuando maior for a seção reta (grossura) de um condutor menor será a resistência.
Em outras palavras, quanto mais grosso o fio menos resistente ele será.
Natureza do material condutorCada material possui propriedades distintas e oferece maior ou menor resistência
a passagem da corrente elétrica, o ouro é um condutor melhor que o cobre.
Temperatura do condutorNa maioria dos materiais quanto mais alta a temperatura maior é a resistência que
ele apresenta.
1.5. O resistor
O resistor é um componente eletrônico usado para oferecer resistência a passagem
dos elétrons em um circuito. Os resistores mais comuns são os resistores de carbono também
chamados de resistores de carvão.
Existem basicamente dois tipos de resistores, os fixos cuja resistência oferecida
não se altera e os variáveis onde é possível modificar a resistência oferecida dentro de uma
escala pré-estipulada.
Vamos iniciar nosso estudo com os resistores fixos. Observe a figura abaixo:
O resistor acima é identificado por quatro faixas coloridas, no seu corpo.
Precisamos saber identificar o significado destas cores para podermos saber qual a resistência
oferecida pelo componente à passagem dos elétrons.
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As duas primeiras cores formam um numero a terceira cor é o agente
multiplicador e a quarta cor é a tolerância do resistor. Tolerância é na verdade uma margem
de erro, neste caso se o resistor possui tolerância de 5% e sua resistência é de 10 ohms ele
pode variar entre 9,5 e 10,5 ohms de resistência à passagem dos elétrons.
Vamos imaginar que estamos montando um circuito e precisamos de um resistor
que ofereça resistência à passagem dos elétrons de 4.500 ohms. Como identificar este
componente?
Já sabemos que o primeiro e segundo anéis são para a formação dos números,
então devemos procurar as cores no primeiro anel que represente o número quatro e no
segundo anel à cor que represente o número cinco. Observe que só os dois primeiros anéis se
relacionam com os números.
Ao olhar à Tabela abaixo vamos encontrar a cor AMARELA para o número
QUATRO e a cor VERDE para o numero CINCO formando assim o número 45. Precisamos
agora encontrar o multiplicador que em nosso exemplo é 100. 45x100 = 4.500 e na Tabela
notaremos que a cor referente ao multiplicado 100 é o VERMELHO. Como nosso circuito
não exige precisão podemos usar tolerância de 10% e a cor referente é o PRATEADO.
O resistor que precisamos usa as seguintes cores: AMARELO, VERDE,
VERMELHO e PRATA.
Equipamentos de medição em alguns casos possui a necessidade do uso de
resistores precisos, e para estes casos são usados resistores de filme ou resistores de precisão,
Para identificar a resistência destes componentes é usada uma identificação semelhante aos
resistores normais a única diferença está no número de anéis. Os resistores de precisão
possuem de cinco a seis anéis para sua identificação, mas o procedimento de identificação é o
mesmo acrescentando apenas um terceiro anel para a formação do número.
Lembre-se:
Resistores normais: dois anéis formam os números em um total de quatro.
Resistores de precisão: três anéis formam os números em um total de cinco ou seis.
A Tabela abaixo serve tanto para os resistores normais como os de precisão, onde
na parte superior da tabela vemos o esquema de funcionamento para os resistores normais e
na parte inferior para os de precisão.
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No início deste texto comentamos que existem dois tipos de resistores, fixos e
variáveis. Até o momento estudamos os resistores fixos e nos parágrafos abaixo serão
apresentados os variáveis.
Resistores variáveis possuem seus funcionamentos baseados em um contato
móvel que se desloca por uma base de carbono aumentando ou diminuindo a resistência
conforme a posição do contato, alavanca ou haste.
Um bom exemplo são os botões usados nas caixas de som para baixar o volume,
estes são resistores que variando a resistência à passagem dos elétrons modificam a potência
enviada ao alto-falante, aumentando ou diminuindo a intensidade do som (volume).
1.6. Resistência, Tensão e Corrente
Para montarmos qualquer circuito independente de sua complexidade teremos de
lidar com três fenômenos, são eles:
1- Resistência elétrica.(R)
2- Tensão do gerador ou Tensão elétrica.(E)
3- Corrente elétrica.(I)
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Resistência elétrica é a dificuldade que o meio condutor oferece a passagem do
elétron e sua unidade de medida é o ohm representado pela letra grega Ω. Em todos os
tratados de eletrônica a resistência elétrica é representada pela letra R.
Tensão elétrica é a força que impulsiona os elétrons por um condutor e sua
unidade de medida é o Volt representado pela letra V. Em todos os tratados de eletrônica a
tensão elétrica é representada pela letra E ou U. Também pode ser chamada de diferença de
potencial (ddp) ou Força Eletromotriz.
Corrente elétrica é o fluxo de elétrons em um circuito elétrico e sua unidade de
mediada é o Ampere representado pela letra A. Em todos os tratados de eletrônica a corrente
elétrica é representada pela letra I.
Vamos imaginar o circuito de uma lanterna, este possui um gerador de energia
(pilha) o meio condutor (fios) e o componente elétrico (lâmpada). Neste circuito o gerador
empurra os elétrons com uma força (tensão) de 1,5 volts e passam pelo condutor o fluxo de
elétrons de 0,5 Amperes enfrentando uma resistência elétrica de 3 ohms.
Sempre que montamos um circuito estas três situações ocorrem, naturalmente que
os valores mudam conforme o circuito, mas SEMPRE estarão presentes estas três medidas
elétricas.
Grave a frase: O REI sempre está no circuito.
R= Resistência
E= Tensão
I= Corrente
Outra questão muito importante que deve ser bem compreendida é o
funcionamento da Resistência de um condutor. Podemos afirmar que a resistência de qualquer
condutor é dada por:
R = ζ . L/A
1- Seu comprimento (L): Quanto maior for o comprimento de um condutor, maior
será a sua resistência. Afirmamos então que a resistência é diretamente proporcional ao
comprimento do condutor.
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2- Sua Largura (A): Quanto maior for a largura do condutor menor será a sua
resistência. Afirmamos que a resistência do condutor é inversamente proporcional a sua
largura ou em outras palavras quanto mais grosso for o condutor menor é a sua resistência.
3- Natureza do material: Conforme a estrutura do material ele terá maior ou
menor resistência à passagem dos elétrons, esta característica é chamada de resistividade. O
ouro é melhor condutor de eletricidade que o cobre e a prata estes por sua vez são melhores
condutores que o alumínio. Se pegarmos dois fios do mesmo tamanho sendo um de ouro e
outro de cobre e compararmos os dois, iremos observar que o fio de ouro possui menor
resistência à passagem do elétron em relação ao fio de cobre.
4- Temperatura do material: Na maioria dos materiais quanto mais alta a
temperatura, maior a resistência que ele apresenta.
Lembre-se:
1- Resistência é medida em Ohms.
2- Tensão é medida em Volts.
3- Corrente é medida em Ampere.
Resistividade (ζ) é a característica que toda a matéria possui e está relacionado à
capacidade de oferecer resistência na passagem dos elétrons.
1.7. Lei de Ohms
A lei de ohms é basicamente uma fórmula para se calcular o funcionamento de um
determinado circuito, é de grande importância o domínio desta regra para o entendimento da
eletrônica.
E= R.I
onde: E é a tensão elétrica, R resistência elétrica e I a corrente elétrica.
1.8. Circuitos resistivos
Podemos chamar de circuito a trajetória que a corrente elétrica percorre.
Normalmente um circuito é composto por componentes eletrônicos interligados de forma a
determinar o caminho da corrente elétrica para obter um resultado específico.
Para representar um circuito usamos desenhos, chamados de esquemas elétricos.
Os desenhos são fundamentais para a compreensão da eletrônica e dos circuitos.
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Um termo muito empregado para indicar que o circuito está ligado é a expressão
circuito fechado. Sempre que um circuito é fechado significa que o interruptor está permitindo
a passagem de corrente.
Quando o circuito está aberto significa que o interruptor não está ligado, e impede
a passagem de corrente, conforme Figura abaixo:
Na maioria dos circuitos práticos existem 5 elementos básicos que constituem um
circuito funcional, são estes elementos:
1 Uma fonte de força. Energia da tomada ou bateria.
2 Componentes eletrônicos. Resistor, transistores, etc...
3 Meio Condutor. Fio ou trilhas que interligam os componentes.
4 Componente de controle. Chave interruptora para abrir e fechar o circuito. (desligar e Ligar)
5 Componente de segurança. Fusível
Existem três tipos de circuitos eletrônicos, são eles:
Circuito série:
No circuito em série a corrente elétrica possui apenas um único caminho de
passagem. Este é o circuito mais elementar da eletrônica, todo o circuito por mais complexo
que seja inicia com os componentes em série.
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Uma das principais características do circuito em série é o fato da corrente elétrica
ser a mesma em todos os pontos do circuito. Então, se aplicarmos um amperímetro em
qualquer ponto do circuito verificaremos que a corrente será sempre a mesma.
Já a resistência total de um circuito em série é calculada através da soma de todos
os resistores do circuito ou da resistência oferecida pelos componentes.
Veja exemplo abaixo:
Circuito Paralelo
Ao contrário do circuito em série, no circuito paralelo existe dois ou mais
caminhos diferentes para a passagem da corrente elétrica.
A principal característica deste circuito está no fato da tensão ser a mesma em
todos os componentes, enquanto a corrente é distribuída entre os vários componentes.
No circuito paralelo a corrente divide-se entre os vários caminhos do circuito, de
maneira que o valor da corrente depende diretamente do valor da resistência de cada ramal.
Nos ramais de alta resistência a drenagem de corrente é menor se comparados
com os ramais de baixa resistência. Vide circuito abaixo:
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Para sabermos a corrente aplicada em cada um dos ramais devemos seguir a
formula I=E/R. Aplicando a fórmula teremos:
12 volts / 24 ohms = 0,5 Amperes
12 volts / 12 ohms = 1 Ampere
12 volts / 6 ohms = 2 Amperes
Na associação em paralelo a tensão é sempre a mesma e a corrente total é obtida
com a soma dos ramais, neste caso 0,5 + 1 + 3 A = 3,5 A. O total da corrente neste circuito
paralelo é de 3,5 A.
Circuito série-paralelo ou Misto:
O circuito misto é composto pelos circuitos série e os circuitos paralelos, neste
caso para calcular a resistência deste tipo de circuito transformamos o circuito em paralelo em
um único resistor.
No circuito abaixo, colocar o circuito paralelo em evidência e transforma o
mesmo em um único resistor.
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Sabemos agora que os resistores no circuito em paralelo equivalem a um resistor
de 2 ohms.
Podemos agora calcular a corrente deste circuito pois temos 3, 2 e 5 ohms em
série. Para calcular a resistência total em um circuito em série somamos todos os resistores e
neste caso teremos 3+2+5 = 10 ohms.
Sabendo a tensão é de 20 V e a resistência de 10 ohms, podemos calcular a
corrente I = E/R 20 Volts / 10 Ohms = 2 A.
1.9. Indutância magnética
A indutância esta presente em qualquer circuito, seu efeito é sentido toda vez que
a corrente varia. Mas o que é indutância?
A indução magnética é um fenômeno bastante interessante, basicamente o campo
eletromagnético quando está se expandindo e apenas neste breve momento gera uma oposição
à tensão elétrica. Para entendermos melhor vamos pensar em um eletro-imã. Podemos montar
um eletro-imã com uma pilha, um interruptor e uma bobina.
Ao ligarmos o interruptor a corrente passa pela bobina gerando o campo eletro-
magnético, é neste momento que ocorre a indutância.
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Logo que a corrente inicia sua passagem pela bobina, o campo eletro-magnético
inicia em zero e sobe gradualmente para sua potência total, isso ocorre em milésimos de
segundo. Neste espaço de tempo em que o campo magnético esta se expandindo de zero a sua
totalidade ocorre uma oposição à tensão que gera o próprio campo magnético. Assim que o
campo magnético atinge a potência total a indutância desaparece.
Se ficarmos ligando e desligando o interruptor a indutância estará sempre
presente, já que estaremos variando a tensão do circuito.
Então podemos afirmar que a indutância sempre se opõe a variação da corrente no
circuito. Sabemos que a corrente continua é sempre constante, não sofre variação em sua
freqüência. Já a corrente alternada é gerada pela oscilação da tensão e neste caso a indutância
ocorre permanentemente.
Para manipularmos o fenômeno da indutância usamos componentes eletrônicos
chamados de indutores, estes nada mais são que simples bobinas. Os símbolos do indutor são
mostrados na Figura abaixo.
A indutância é simbolizada pela letra “L” e sua unidade de medida é em
HENRYS (H).
Para se medir a indutância de uma bobina é preciso equipamentos de laboratório e
o estudo deste fenômeno é bastante complexo, na eletrônica de nível técnico o conhecimento
sobre indutores tem o propósito de manutenção. Por este motivo vamos abordar apenas o
essencial a esta tarefa.
Qualquer fator que modifica um campo magnético, também vai alterar a
indutância de um circuito.
21
1.10. Reatância Indutiva
É chamada de reatância indutiva a oposição que apresenta uma bobina à passagem
da corrente alternada, sendo representada pelas letras “XL”.
Observe que a reatância indutiva só esta presente na corrente alternada, esta
trabalha com oscilações de tensão. Na corrente contínua a freqüência é sempre a mesma
conseqüentemente a reatância é sempre zero.
A reatância indutiva pode ser calculada em Ohms pela fórmula abaixo:
XL = 2.3,14. f . L
XL = 2.3,14.f.L
XL = 6,28 . f . L
Onde:
F = freqüência da corrente alternada em Hertz
L = Indutância da bobina em Henry
XL = Reatância indutiva em Ohms
Lembre-se:
A reatância indutiva aumenta com o crescimento da indutância da bobina e com a
freqüência da corrente alternada.
1.11. Capacitância
Já estudado que a indutância é a propriedade de um circuito em se opor à variação
de corrente e reatância indutiva é a oposição ao fluxo de corrente alternada.
Capacitância é um fenômeno definido como a capacidade que um circuito elétrico
apresenta em se opor à variação de tensão.
Não esqueça:
Indutância e reatância indutiva são fenômenos relacionados com corrente elétrica.
Capacitância é relacionada com o fenômeno da tensão elétrica. Tensão e corrente
são fenômenos diferentes.
22
1.12. Montando um capacitor
Para montar um capacitor basta pegar duas placas de cobre e insira no meio de
cada uma das placas um fio condutor, agora aproxime as duas placas, mas não encoste uma na
outra. Se você seguiu a orientação corretamente terá algo semelhante a imagem abaixo.
As placas de cobre são chamadas de armadura e o conjunto todo (placa +
condutor) é denominado de capacitor. O símbolo do capacitor é mostrado na Figura abaixo.
O capacitor é um dispositivo capaz de armazenar carga elétrica e possui a
propriedade da capacitância. Em um determinado momento o capacitor devolve ao circuito a
carga acumulada.
Como podemos observar até o momento um capacitor é constituído de placas de
material condutor separadas por material isolante denominado de dielétrico, este material
isolante em nossa experiência foi o ar, mas poderia ser um produto químico ou qualquer tipo
de isolante com certas características.
A capacitância é dada por:
C = ε . A/ d,
Onde:
C é a Capacitância medida em Farad F
ε é a constante de proporcionalidade em F/m
A é a área das armaduras em m²
d é a distância entre as placas em m
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1.13. Ligando o capacitor ao circuito
Para montar um circuito básico com objetivo de observar o comportamento do
capacitor iremos usar uma chave interruptora, um medidor de corrente, nosso capacitor
montado na experiência anterior e uma bateria. Veja a imagem do circuito na Figura abaixo.
Quando acionamos a chave interruptora e ligamos o circuito é possível observar
que o medidor de corrente dá um salto e depois vai caindo a corrente até zerar o medidor. Isso
ocorre devido ao movimento dos elétrons em direção as placas do capacitor. Inicialmente o
capacitor possui as placas em estado neutro mas quando ligamos o circuito os elétrons vão se
acumular nas placas e durante este processo de passagem da bateria até as placas, ocorre o
salto no medidor. Depois do salto, as placas ficam com a mesma quantidade de elétrons que a
bateria e não ocorre mais a diferença de potencial.
Neste momento dizemos que o capacitor está carregado. Se tirarmos a bateria do
circuito e formos medir o capacitor ele estará com carga, semelhante a uma pilha. Observe
que estando as placas carregadas com elétrons de diferentes polaridades (uma placa com
elétrons positivos e outra com negativos) existe a diferença de potencial e conseqüentemente
corrente elétrica.
A unidade de medida do capacitor é o FARAD (F), este é definido com sendo a
capacidade de um capacitor quando aplicada entre suas placas a diferença de potencial de um
VOLT (V) armazena uma carga de um COULOMB (C).
Em eletrônica o uso do FARAD ocorre através de seus sub-multiplos, são eles:
microfarad, micromicrofarad, picofarad e nanofarad.
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1.14. Semicondutores
Silício e Germânio são materiais semicondutores. Semicondutor significa quase
um condutor. Os semicondutores são materiais em um estado intermediário entre os
condutores de energia elétrica, como o cobre, alumínio, ouro, prata etc., e os não-condutores,
ou isolantes, como a borracha e o vidro, por exemplo.
A energia elétrica nada mais do que o movimento dos elétrons. Para que um
elemento seja um bom condutor, portanto, ele precisa ter muitos elétrons livres.
Veja o modelo do átomo na Figura abaixo. Os elétrons ficam em órbitas ao redor
do núcleo. Essas órbitas têm números máximos de elétrons, determinados pela conjunção da
força de atração do núcleo, por um lado, e da força centrífuga, causada pela rotação do
elétron, de outra. Caso o átomo não tenha a sua última camada totalmente preenchida, ele
tende a uma de duas situações: perder os elétrons de sua camada "incompleta" ou capturar
elétrons de outro átomo para preencher sua última camada. Como os elétrons da última
camada estão mais afastados do núcleo, eles estão sob menor atração desse núcleo; portanto, é
mais fácil para eles escapar do átomo. Uma pequena energia é capaz de arrancá-los de suas
órbitas. Estando livres, esses elétrons determinam a facilidade de condução de um elemento:
quanto menor a energia necessária para arrancar os elétrons de um átomo e, portanto, quanto
mais elétrons livres, maior a capacidade de condução de um elemento.
Uma situação comum é o compartilhamento: ao invés de roubar o elétron de
outros átomos, dois átomos compartilham seus elétrons, utilizando-os para preencher sua
última camada. Esse compartilhamento é chamado de ligação covalente.
25
O silício possui 4 elétrons em sua 3ª e última órbita, sendo por isto chamado de
tetravalente. Desta forma, cada átomo de silício pode estabelecer até 4 ligações covalentes
com outros átomos. Unindo-se entre si desta forma, os átomos de silício formam uma rede
cristalina cúbica (vide Figura abaixo), semelhante à do diamante, muito estável. O cristal de
silício assim formado tem cor cinza escuro, lustrosa.
Mas se a eletricidade é o movimento dos elétrons, como pode haver condução
elétrica em um elemento onde os elétrons estão todos presos em uma forte estrutura
cristalina? Não é difícil. Veja:
- o elétron tem carga elétrica negativa;
- suponhamos que um elétron escape do seu átomo. Ele deixa o átomo carregado
positivamente (se o átomo perdeu uma carga negativa, ele passa a ter mais carga positiva).
Esse átomo recebe o nome de íon e possui uma lacuna, um buraco onde cabe mais um elétron.
- ao encontrar uma lacuna vizinha, um outro elétron tende a deixar sua posição
para ocupar a lacuna. Ele então pula para a lacuna, deixando seu lugar livre.
Ocorrendo esse movimento sucessivamente, verifica-se a ocorrência de corrente
elétrica. Por convenção, estabeleceu-se que a condução elétrica se dá, na verdade, pela
movimentação das lacunas.
Esse movimento das lacunas também ocorre nos materiais condutores mas, como
existem muitos elétrons livres naqueles materiais, o movimento das lacunas é desprezível.
Num semicondutor, porém, vimos que, para cada elétron que se liberta, há uma lacuna
correspondente. Portanto, o movimento das lacunas é muito importante.
26
1.14.1. Semicondutores P e N
No caso anterior, supomos que um elétron escaparia da rede cristalina. Isso
acontece normalmente, em pequena escala, pela ação do calor à temperatura ambiente. É
possível aumentar a ocorrência dessas "escapadas" através de uma técnica chamada dopagem.
Dopar um cristal significa introduzir um elemento estranho em sua rede cristalina. O elemento
estranho é chamado de elemento dopante.
Cristal tipo P Cristal tipo N
Como vimos, o silício é chamado de tetravalente por possuir 4 elétrons em sua
última órbita. O que acontecerá se introduzirmos no cristal um átomo de elemento
pentavalente (5 elétrons na última camada)?
O novo átomo se encaixará na estrutura, ligando-se a quatro átomos de silício. E
sobrará um elétron livre. Com um número adequadro de átomos "penetras" teremos um cristal
com mais elétrons do que lacunas. Ou seja, esse cristal terá energia predominantemente
negativa, porque negativa é a carga do elétron. Um cristal desse tipo recebe a denominação N
(de negativo).
O que acontecerá agora se doparmos o cristal com um elemento trivalente (três
elétrons na última camada)? Obviamente, o inverso ocorrerá: o elemento dopante conseguirá
estabelecer apenas três ligações com outros átomos. Um átomo de silício ficará, portanto, com
uma lacuna a mais. Com o número adequado de átomos trivalentes, teremos um cristal com
mais lacunas do que elétrons. Esse cristal terá energia predominantemente positiva. Um cristal
desse tipo recebe a denominação P (de positivo).
Os elementos pentavalentes (5 átomos na última órbita) mais utilizados na
construção de cristais N são o arsênio, o antimônio e o fósforo.
Os elementos trivalentes (3 átomos na última órbita) mais utilizados na construção
de cristais P são o alumínio, o boro e o gálio.
Normalmente, a dopagem consiste na introdução de 1 átomo do elemento dopante
para cada 100.000 átomos de silício.
27
Juntando P e N
Os semicondutores começam a substituir as válvulas no momento em que se une
um pedaço de material do tipo N com um pedaço de material do tipo P. Essa junção forma um
componente eletrônico chamado diodo, que substitui a válvula de mesmo nome. Como vimos,
a válvula diodo possibilita fazer a retificação, ou seja, a transformação da corrente alternada
em corrente contínua, permitindo separar-se o som da onda que o carrega. O mesmo pode ser
feito com o diodo semicondutor.
A característica básica do diodo é permitir a condução da corrente elétrica em
apenas um sentido.
1.15. Diodo
Ao se juntar um elemento P a um elemento N, temos a seguinte situação: o
elemento P tem excesso de lacunas; o elemento N tem excesso de elétrons. No ponto onde os
dois cristais se tocam, tende a haver uma migração de elétrons e lacunas, até que se estabeleça
um equilíbrio.
Observe que se forma um equilíbrio na região da junção, deixando de existir
portadores majoritários (elétrons livres ou lacunas). Essa camada, chamada camada de
depleção (sinônimo de diminuição), impede que se gere um equilíbrio completo entre os
cristais P e N. Isto porque os elétrons do cristal N não encontram lacunas para se movimentar
pela camada de depleção. O mesmo ocorre com as lacunas que ficaram isoladas no lado P. Ou
seja, a camada de depleção é uma espécie de "zona morta" onde não há espaço para
movimentação de elétrons e lacunas.
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Vamos agora submeter nosso diodo a uma tensão, ou seja, colocar uma bateria em
seus terminais. Vamos conectar o terminal negativo (fluxo de elétrons) da bateria à porção N
do diodo e o terminal positivo (fluxo de lacunas) à porção P. Desta forma, a região N, com
excesso de elétrons, recebe ainda mais elétrons, e a porção P recebe ainda mais lacunas.
Observe o que acontece:
Os elétrons do lado N recebem toda a energia do pólo negativo da fonte,
ganhando força suficiente para expulsar os elétrons que estão alojados na camada de
depleção. Rompendo essa camada, eles encontram um terreno fértil em lacunas no lado P.
Mas não param por aí: como eles são atraídos pelo pólo positivo da fonte, eles continuam a
pular de lacuna em lacuna, abrindo espaço para que outros elétrons possam vir atrás deles.
Com esse movimento, forma-se uma corrente elétrica. O semicondutor passa a se comportar
como um condutor normal.
Um dado técnico importante: para que ocorra o que está descrito na figura, é
necessário que a bateria supra mais do que 0,7 volts, que é o valor da barreira de potencial que
se forma na camada de depleção de um diodo de silício.
Vamos agora inverter a polaridade da bateria. Vamos conectar o terminal positivo
da bateria à porção N do diodo e o terminal negativo à porção P. Desta forma, os elétrons da
região N são atraídos pelas lacunas do pólo positivo da bateria e as lacunas da região P são
completadas pelos elétrons do pólo negativo. Observe o que acontece:
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A camada de depleção aumenta sensivelmente. Se ela já dificultava a passagem de
corrente, agora torna-se virtualmente impossível transpô-la. Os portadores majoritários de
cada lado ficam ainda mais isolados. O semicondutor, então, passa a se comportar como um
isolante. Não há passagem de corrente elétrica.
Esse foi um grande passo no desenvolvimento da eletrônica. As válvulas diodo
puderam ser substituídas com muitas vantagens pelo diodo semicondutor. E foi dado o passo
definitivo para a construção do transístor. As Figuras abaixo mostra um diodo e seu símbolo
respectivamente.
1.16. Fotodiodo
O fotodiodo é um diodo de junção construído de forma especial, de modo a
possibilitar a utilização da luz como fator determinante no controle da corrente elétrica. É um
dispositivo de junção pn semicondutor cuja região de operação é limitada pela região de
polarização reversa e caracteriza-se por ser sensível à luz. A aplicação de luz à junção
resultará em uma transferência de energia das ondas luminosas incidentes (na forma de
fótons) para a estrutura atômica, resultando em um aumento do número de portadores
minoritários e um aumento do nível da corrente reversa. A corrente negra é a corrente que
existirá sem nenhuma iluminação aplicada. A corrente retornará a zero somente se for
aplicada uma polarização positiva igual a Vo.
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Em resumo, podemos dizer então que um fotodiodo é um dispositivo que converte
a luz recebida em uma determinada quantidade de corrente elétrica.
A corrente reversa e o fluxo luminoso variam quase que linearmente, ou seja, um aumento na
intensidade luminosa resultará em um aumento semelhante na corrente reversa. Podemos
admitir que a corrente reversa é essencialmente nula na ausência de luz incidente. Como os
tempos de subida e de queda (parâmetros de mudança de estado) são da ordem de
nanossegundos, o dispositivo pode ser usado na aplicação de contagem ou comutação de alta
velocidade. O germânio é mais adequado para luz incidente na região infravermelha, já que
abrange um espectro mais amplo de comprimentos de onda do que o silício, apesar de sua
corrente negra ser maior. O nível de corrente gerada pela luz incidente sobre um fotodiodo
não é suficiente para que ele possa ser usado em um controle direto, sendo necessário para
isto que haja um estágio de amplificação.
O fotodiodo ser aplicado no foco automático de filmadora, na unidade ótica do
CD Player e em sistema contador de pulso. Outra aplicação muito usada na rede de
iluminação pública é o sensor crepuscular.
1.17. LED
LED é a sigla em inglês para Light Emitting Diode, ou Diodo Emissor de Luz. O
LED é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível. A luz é
monocromática e é produzida pelas interações energéticas do elétron. O processo de emissão
de luz pela aplicação de uma fonte elétrica de energia é chamado eletroluminescência. Em
qualquer junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à junção, ocorrem
recombinações de lacunas e elétrons. Essa recombinação exige que a energia possuída por
esse elétron, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de
luz. Na Figura abaixo temos exemplo de LED’s.
31
1.18. Transistor
Vimos que, quando polarizado diretamente, o diodo conduz eletricidade. O
transístor introduz uma capacidade nova, que é a possibilidade de se controlar quanto de
eletricidade é conduzida.
Tudo começa quando se acrescenta uma camada adicional a um diodo. Ao invés
de duas porções, P e N, de silício, vamos verificar o que acontece quando juntamos três
porções, fazendo um sanduíche de uma porção N.
Cada uma dessas camadas tem sua peculiaridade: primeira camada P (da
esquerda) tem largura média e é fortemente dopada, ou seja, tem muitos átomos trivalentes.
Isto torna essa camada um fornecedor de lacunas (cargas positivas). Por isso ela é chamada
emissor. A camada central N é muito fina e tem uma dopagem média. Como ela é fina, ela
não representa um empecilho muito grande para as cargas que vêm do emissor. Esta camada é
chamada base. A camada da direita é bastante larga em relação às demais e é fracamente
dopada. Por ser responsável por receber os elétrons que saem do emissor e atravessam a base,
esta camada é chamada coletor.
Como se pode observar na figura, o transístor resulta da união de dois diodos.
Apenas com a ressalva de que ambos os diodos compartilham a base, ou seja, o elemento N
32
nesse caso. Há nele, portanto, duas junções. Como é de esperar, em cada uma das junções
forma-se uma camada de depleção, em que os elétrons e lacunas se equilibram, gerando uma
barreira de potencial.
Primeiro, vamos colocar uma bateria entre o emissor e a base. Para fazer uma
polarização direta, ligamos o terminal negativo (fluxo de elétrons) da bateria ao emissor
(porção N - excesso de elétrons) e o terminal positivo (fluxo de lacunas) à base (porção P -
excesso de lacunas). Desta forma, a região N, com excesso de elétrons, recebe ainda mais
elétrons, e a porção P recebe ainda mais lacunas.
1.18.1. Polarização direta emissor-base
Como vimos no caso do diodo, a polarização direta faz com que a porção emissor-
base se comporte exatamente como um condutor.
Ao mesmo tempo, vamos polarizar inversamente o conjunto base-coletor. Para
isso, conectamos o terminal positivo (fluxo de lacunas) da bateria ao coletor (porção N -
excesso de elétrons) e o terminal negativo (fluxo de elétrons) à base (porção P - excesso de
lacunas). Desta forma, os elétrons do coletor serão atraídos pelas lacunas do pólo positivo da
bateria e as lacunas da base serão completadas pelos elétrons do pólo negativo. Como também
vimos no caso do diodo, essa polarização inversa faz com que a porção base-coletor não
conduza corrente.
Mas agora veja a parte mais importante: dissemos que iríamos fazer as duas
polarizações anteriores simultaneamente. Veja então o interessante efeito que obtemos:
33
1.18.2. Polarização simultânea
Na polarização emissor-base (a primeira que vimos), os elétrons se dirigiam para
a base, atraídos pelo pólo positivo da bateria. Mas agora o coletor, que é bem maior e está
com energia extra vinda do pólo negativo da bateria, exerce uma atração muito maior sobre
esses elétrons. Como a base é muito fina, os elétrons tendem muito mais a atravessar a base e
ir para o coletor do que fluir pela base para o pólo positivo da bateria. Desta forma, uma
pequena parte da corrente fluirá pela base; a maior parte da corrente fluirá para o coletor.
A "mágica" da amplificação já está acontecendo. Só nos falta entender o porquê: e
aumentarmos a corrente que flui pela base (emissor-base), haverá um aumento na corrente
que flui pelo coletor. Ou seja, podemos controlar a corrente vinda do emissor para o coletor
agindo sobre a corrente da base. Noutras palavras: a corrente da base controla a corrente entre
o emissor e o coletor. Como a corrente da base é muito pequena, basta aplicarmos uma
pequena variação na corrente da base para obtermos uma grande variação na corrente do
coletor. Pronto: entrando-se com uma pequena corrente (via base) e saímos com uma grande
corrente (via coletor).
Observação: Analisando-se um transístor do tipo PNP (Figura b). Ao inverter o
sanduíche, cria-se um transístor NPN (Figura a). O funcionamento é exatamente o mesmo,
apenas invertendo-se o fluxo da corrente.
Nos esquemas eletrônicos, que são os "mapas" de como um circuito eletrônico é
desenhado, os transístores são representados pelos seguintes símbolos:
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Esta é toda a mágica do transístor. Dê uma olhada à sua volta e com certeza você
encontrará uma série de dispositivos que lhe dão conforto que funcionam baseados justamente
nesse princípio. São os elétrons fluindo, permitindo tudo o que se conhece como eletrônico.
Esse foi o princípio da nossa Era Digital.
Na Figura abaixo tem-se uma aplicação para o uso do transistor.
1.18.3. Fototransistor
O fototransistor é mais um dispositivo que funciona baseado no fenômeno da
fotocondutividade. Ele pode, ao mesmo tempo, detectar a incidência de luz e fornecer um
ganho dentro de um único componente. Como o transistor convencional, o fototransistor é
uma combinação de dois diodos de junção, porém, associado ao efeito transistor aparece o
efeito fotoelétrico. Em geral, possui apenas dois terminais acessíveis, o coletor e o emissor,
sendo a base incluída apenas para eventual polarização ou controle elétrico.
Como nas outras células fotocondutivas, a incidência de luz (fótons) provoca o
surgimento de lacunas na vizinhança da junção base-coletor. Esta tensão conduzirá as lacunas
para o emissor, enquanto os elétrons passam do emissor para a base. Isso provocará um
aumento da corrente de base, o que por conseqüência implicará numa variação da corrente de
coletor beta vezes maior (lembrando que, para Ib sendo a corrente da base e Ic a do coletor,
temos a relação Ic = â.Ib, onde â é o ganho do transistor (fornecido pelo fabricante), sendo
essa variação proporcional à intensidade da luz incidente.
Como a base está normalmente desconectada, a corrente que circula por ela
dependerá apenas do fluxo luminoso incidente. Assim, na ausência de luz, a corrente de base
será zero e o fototransistor estará cortado, resultando na tensão do coletor igual à tensão de
35
polarização Vcc. Quando há luz incidindo, a tensão no coletor irá diminuir devido ao aumento
da corrente.
O fototransistor possui diversas aplicações, sendo mais encontrado em aplicações
on-off, onde a não linearidade do transistor não é um problema. A aplicação mais usual é a de
um interruptor. Enquanto não á luz incidindo no fototransistor, não haverá uma corrente no
emissor, e a tensão de saída será zero, estando ele em corte.
Com a incidência de luz, teremos uma corrente no emissor, provocando uma
tensão igual a IeRe. Tais como os transistores bipolares, os fototransistores estão sujeitos à
variações de temperatura. Com o aumento da temperatura em torno de 8 a 10 graus celsius, a
corrente Iceo (corrente que circula no componente enquanto não existe incidência de luz)
dobrará. Para elevadas temperaturas, essa corrente terá um valor significativo em relação à
corrente total.
Os fototransistores são dispositivos sensíveis a luz. A base do fototransistor é
sensível a luz, quando há presença da mesma o transistor conduz, entretanto quando não há
presença de luminosidade, o transistor fica cortado. Na Figura abaixo é representada uma
situação onde a presença de luz (LED) liga ou desliga o circuito acoplado ao receptor
(fototransistor). Quando um facho de luz é apontado para o receptor, este conduz, logo a saída
estará em nível lógico "0". No entanto, quando não há presença de luz, o receptor não está
conduzindo, logo a saída estará em nível lógico "1".
1.18.4. Aplicações dos fototransistor
Umas das principais utilidades do fototransistor é o acoplador óptico. Os
acopladores ópticos são componentes muito simples, porém de grande importância para a
36
eletrônica. Estes componentes são capazes de isolar com total segurança dois circuitos
eletrônicos, mantendo uma comunicação ou controle entre ambos.
O isolamento é garantido porque não há contato elétrico, somente um sinal
luminoso. O seu funcionamento é simples: há um emissor de luz (geralmente um LED) e um
receptor (fototransistor). Quando o LED está aceso, o fototransistor responde entrando em
condução. Com o LED apagado o fototransistor entra em corte. Sabendo que se pode alterar a
luminosidade do LED, obtêm-se assim diferentes níveis na saída. Pode-se também controlar o
fototransistor através de sua base, como se fosse um transistor normal.
Os Acopladores Ópticos possuem diversas vantagens sobre outros tipos de
acopladores: alta velocidade de comutação, nenhuma parte mecânica, baixo consumo e
isolamento total. Na Figura abaixo vemos o esquema de um opto acoplador.
1.19. Introdução à eletrônica digital
Quando se ouve o termo “digital”, pensa-se imediatamente em “relógio digital” ou
“calculadora digital”. Provavelmente, esta associação deve ser atribuída à popularidade que
estas máquinas adquiriram devido à queda acentuada em seus preços, tornando-as acessíveis à
grande maioria das pessoas. Apesar disso, é importante saber que as calculadoras e
computadores representam apenas uma parcela do grande leque de aplicações dos circuitos
digitais. Estes circuitos podem ser encontrados em produtos eletrônicos, como por exemplo,
videogames, fornos de microondas, sistemas de controle automotivos e equipamentos de
testes, como medidores, geradores e osciloscópios. As técnicas digitais vieram substituir
alguns dos antigos “circuitos analógicos” usados em produtos de consumo, como rádios, TVs
e equipamentos de áudio de alta fidelidade.
No decorrer deste texto, serão estudados os princípios e técnicas que são comuns a
todos os sistemas digitais. Inicialmente serão introduzidos alguns conceitos básicos vitais na
37
Eletrônica Digital. Novas terminologias aparecerão no início de cada assunto, sempre que for
preciso.
1.19.1. Representações Numéricas
Lida-se constantemente com quantidades, que são medidas, monitoradas,
gravadas, manipuladas aritmeticamente e utilizadas na maioria dos sistemas físicos. Quando
se lida com determinadas quantidades, é de extrema importância o conhecimento de como
representar seus valores de maneira eficiente e precisa. Basicamente, existem duas formas de
representação dos valores numéricos das quantidades: a analógica e a digital.
Representação Analógica – Analogicamente, uma quantidade é representada
por outra que é proporcional à primeira. No velocímetro de um automóvel, a deflexão do
ponteiro é proporcional à velocidade do veículo. A posição angular do ponteiro representa o
valor da velocidade do veículo, e qualquer variação é imediatamente refletida por uma nova
posição do ponteiro. Outro exemplo é o termômetro, em que a altura da faixa de mercúrio é
proporcional à temperatura do ambiente. Quando ocorrem mudanças na temperatura, a altura
da coluna de mercúrio também muda proporcionalmente.
Quantidades analógicas como as que acabamos de exemplificar têm uma
característica importante: elas variam continuamente dentro de uma faixa de valores. A
velocidade do automóvel pode assumir qualquer valor entre zero e, digamos, 100 km por
hora.
Representação Digital – Na representação digital, as quantidades são
representadas por símbolos chamados dígitos, e não por valores proporcionais. Um exemplo
clássico é o relógio digital, que apresenta as horas, minutos e às vezes os segundos, na forma
de dígitos decimais. Como se sabe, o tempo varia continuamente, mas o relógio digital não
mostra as variações de maneira contínua; pelo contrário, o valor é apresentado em saltos de
um em um segundo ou minuto.
Em virtude da natureza discreta da representação digital, as leituras neste sistema
não apresentam problemas de ambigüidade, em contraposição ao sistema analógico, em que
as leituras deixam margem à interpretação do observador.
1.19.2. Sistemas Digitais e Analógicos
38
Costuma-se dividir a Eletrônica em duas áreas: Eletrônica Analógica e Eletrônica
Digital. Uma maneira bem simples para se entender o conceito das palavras Analógico e
Digital, é a comparação de uma rampa com uma escada. Ao se analisar a rampa, percebe-se
que uma pessoa poderá ocupar cada uma das infinitas posições existentes entre o início e o
fim. No caso da escada, a pessoa poderá estar em apenas um dos seus degraus. Sendo assim, é
correto dizer que a rampa pode representar um sistema analógico, enquanto que a escada pode
representar um sistema digital. No voltímetro analógico o ponteiro pode ocupar infinitas
posições entre o maior e menor valor da escala, no voltímetro digital os valores mostrados no
display são discretos, isto é, existe um número finito de valores entre o maior e o menor valor
da escala. Outro exemplo pode ser encontrado no ajuste de volume de um televisor. Ajustando
o volume do televisor através de um botão conectado a um potenciômetro, teremos infinitas
posições para escolher dentro da escala permitida. Porém, no controle remoto observamos que
a intensidade do som muda em pequenos saltos e, em alguns modelos, aparece no vídeo o
valor selecionado em uma escala previamente definida. Podemos dizer então que o "botão de
volume" do televisor é uma entrada analógica, e que o ajuste de volume no controle remoto
representa uma entrada digital. Podemos concluir que a Eletrônica Analógica processa sinais
com funções contínuas e a Eletrônica Digital processa sinais com funções discretas. Na Figura
abaixo é mostrado um sinal analógico digitalizado.
1.19.3. Vantagens das Técnicas Digitais
O grande crescimento da eletrônica está relacionado com o uso de técnicas
digitais para implementar funções que eram realizadas usando-se os métodos analógicos. Os
principais motivos da migração para a tecnologia digital são:
39
Os sistemas digitais são mais fáceis de ser projetados. Isso porque os circuitos
utilizados são circuitos de chaveamento, nos quais não importam os valores exatos de tensão
ou corrente, mas apenas a faixa – Alta (High) ou Baixa (Low) – na qual eles se encontram.
Fácil armazenamento de informação. Técnicas de armazenamento digitais
podem armazenar bilhões de bits em um espaço físico relativamente pequeno. Já a capacidade
de armazenamento de um sistema analógico é extremamente limitada.
Maior precisão e exatidão. Nos sistemas analógicos, a precisão é limitada
porque os valores de tensão e corrente são diretamente dependentes dos valores dos
componentes do circuito, além de serem muito afetados por ruídos.
As operações podem ser programadas. É relativamente fácil e conveniente
desenvolver sistemas digitais cuja operação possa ser controlada por um conjunto de
instruções previamente armazenadas, denominado programa. Os sistemas analógicos também
podem ser programados, mas a variedade e a complexidade das operações envolvidas são
bastante limitadas.
Os circuitos digitais são menos afetados por ruídos. Flutuações espúrias na
tensão (ruído) não são tão críticas em sistemas digitais, desde que o ruído não tenha amplitude
suficiente que dificulte a distinção entre um nível Alto e um nível Baixo.
Os circuitos digitais são mais adequados à integração. É verdade que o
desenvolvimento da tecnologia de integração (CIs) também beneficiou os circuitos
analógicos, mas a sua relativa complexidade e o uso de dispositivos que não podem ser
economicamente integrados (capacitores de grande capacitância, resistores de precisão,
indutores, transformadores) não permitiram que os circuitos analógicos atingissem o mesmo
grau de integração dos circuitos digitais.
1.19.4. Limitações das Técnicas Digitais
Na verdade, há apenas uma grande desvantagem ao se utilizar as técnicas digitais:
o mundo é quase totalmente analógico. Grandezas que comprovam isso são a temperatura, a
pressão, a posição, a velocidade, o nível de um líquido e a vazão. Para obter as vantagens das
técnicas digitais quando se trabalha com entradas e saídas analógicas, três passos devem ser
seguidos:
Converter as entradas analógicas do mundo real para o formato digital.
Realizar o processamento da informação digital.
40
Converter as saídas digitais de volta ao formato analógico.
Na Figura abaixo é apresentado o diagrama de um sistema de controle de
temperatura típico. Conforme o diagrama, a temperatura analógica é medida e o valor medido
é em seguida convertido para digital. A informação digital é processada e convertida de volta
para o formato analógico. Essa saída alimenta um controlador que comanda alguma ação para
o ajuste da temperatura.
Para simplificar ainda mais o processamento de sinais digitais, utiliza-se a técnica
de numeração binária, que usa apenas dois símbolos para a representação de números. Esse
sistema de numeração será visto com maiores detalhes adiante. Se for utilizada a numeração
binária, ter-se-á um Conjunto Universo com apenas dois elementos distintos para representar
os sinais desejados. Isso quer dizer que num dispositivo digital eletrônico teremos o
processamento de elementos que se apresentam em apenas dois valores. A esses conjuntos dá-
se o nome de BITs (BInary DigiT) e BYTES (conjunto de 8 bits). Ao se trabalhar com
sistemas binários, são utilizadas abreviações para certas potências de dois, como detalhadas
na Tabela a seguir.
Número de Bits Valor Abreviação 10 Bits 210 = 1.024 1 Kb (Kilobit)16 Bits 216 = 65.536 64 Kb (Kilobit)20 Bits 220 = 1.048.576 1 Mb (Megabit)30 Bits 230 = 1.073.741.820 1 Gb (Gigabit)
A Tabela abaixo mostra os números de 0-7 em decimal e seus respectivos valores
em binário.
Decimal Binário0 0001 0012 0103 0114 1005 1016 1107 111
41
1.19.5. Conversores A/D e D/A
É possível converter um sinal analógico em digital e vice-versa por meio dos
conversores analógico-digital ou digital-analógico.
Quando a conversão é realizada, parte do sinal é perdida e pode haver pequenas
distorções na grandeza realmente medida, conforme Figura abaixo.
Ao transformar um sinal analógico em digital, o número de bits utilizado pelo
conversor deve ser previamente escolhido para não obter valores falsos da grandeza física e
nem superdimensionar o conversor, para não tornar o processo desnecessariamente caro, além
de poder torná-lo mais lento durante a conversão.
42
2. Introdução à automação
Você já reparou que a automação faz parte do dia-a-dia do homem moderno? Pela
manhã, o rádio-relógio automaticamente dispara o alarme para acordá-lo e começa a dar as
notícias do dia. Nessa mesma hora, alguém esquenta o pão para o café da manhã numa
torradeira elétrica, ajustando o tempo de aquecimento. Na sala, uma criança liga o
videocassete, que havia sido programado para gravar seu programa infantil predileto da
semana anterior. Quando a casa esquenta pela incidência dos raios solares, o ar condicionado
insufla mais ar frio, mantendo a temperatura agradável. Esses simples fatos evidenciam como
a automação faz parte da vida cotidiana.
2.1. Conceito
Automação é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos que controlam
seu próprio funcionamento, quase sem a intervenção do homem. Automação é diferente de
mecanização. A mecanização consiste simplesmente no uso de máquinas para realizar um
trabalho, substituindo assim o esforço físico do homem. Já a automação possibilita fazer um
trabalho por meio de máquinas controladas automaticamente, capazes de se regularem
sozinhas.
2.2. Desenvolvimento da automação
As primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuais ocorreram na
pré-história. Invenções como a roda, o moinho movido por vento ou força animal e as rodas
d’água demonstram a criatividade do homem para poupar esforço. Porém, a automação só
ganhou destaque na sociedade quando o sistema de produção agrário e artesanal transformou-
se em industrial, a partir da segunda metade do século XVIII, inicialmente na Inglaterra. Os
sistemas inteiramente automáticos surgiram no início do século XX. Entretanto, bem antes
disso foram inventados dispositivos simples e semi-automáticos.
43
Devido à necessidade de aumentar a produção e a produtividade, surgiu uma série de
inovações tecnológicas:
- máquinas modernas, capazes de produzir com maior precisão e rapidez em relação ao
trabalho feito à mão;
- utilização de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmente aplicado a
máquinas em substituição às energias hidráulica e muscular.
Por volta de 1788, James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo de
vapor em máquinas. Isto pode ser considerado um dos primeiros sistemas de controle com
realimentação. O regulador consistia num eixo vertical com dois braços próximos ao topo,
tendo em cada extremidade uma bola pesada. Com isso, a máquina funcionava de modo a se
regular sozinha, automaticamente, por meio de um laço de realimentação.
A partir de 1870, também a energia elétrica passou a ser utilizada e a estimular
indústrias como a do aço, a química e a de máquinas-ferramenta. O setor de transportes
progrediu bastante graças à expansão das estradas de ferro e à indústria naval.
No século XX, a tecnologia da automação passou a contar com computadores,
servomecanismos e controladores programáveis. Os computadores são o alicerce de toda a
tecnologia da automação contemporânea. Encontramos exemplos de sua aplicação
praticamente em todas as áreas do conhecimento e da atividade humana.
Por exemplo, ao entrarmos num banco para retirar um simples extrato somos
obrigados a interagir com um computador. Passamos o cartão magnético, informamos nossa
senha e em poucos segundos obtemos a movimentação bancária impressa.
A origem do computador está relacionada à necessidade de automatizar cálculos,
evidenciada inicialmente no uso de ábacos pelos babilônios, entre 2000 e 3000 a.C.
O marco seguinte foi a invenção da régua de cálculo e, posteriormente, da máquina
aritmética, que efetuava somas e subtrações por transmissões de engrenagens. George Boole
desenvolveu a álgebra booleana, que contém os princípios binários, posteriormente aplicados
às operações internas de computadores.
Em 1880, Herman Hollerith criou um novo método, baseado na utilização de cartões
perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulação do censo norte-americano. Os
resultados do censo, que antes demoravam mais de dez anos para serem tabulados, foram
obtidos em apenas seis semanas! O êxito intensificou o uso desta máquina que, por sua vez,
norteou a criação da máquina IBM, bastante parecida com o computador.
44
Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamente
eletrônico. O Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m² e pesava 30 toneladas.
Funcionava com válvulas e relês que consumiam 150.000 watts de potência para realizar
cerca de 5.000 cálculos aritméticos por segundo. Esta invenção caracterizou o que seria a
primeira geração de computadores, que utilizava tecnologia de válvulas eletrônicas.
A segunda geração de computadores é marcada pelo uso de transistores (1952). Estes
componentes não precisam se aquecer para funcionar, consomem menos energia e são mais
confiáveis. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma válvula, permitindo que os
computadores ocupassem muito menos espaço.
Com o desenvolvimento tecnológico, foi possível colocar milhares de transistores
numa pastilha de silício de 1 cm², o que resultou no circuito integrado (CI). Os CIs deram
origem à terceira geração de computadores, com redução significativa de tamanho e aumento
da capacidade de processamento.
Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande (VLSI). Os
chamados chips constituíram a quarta geração de computadores. Foram então criados os
computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricação. Para se ter idéia do
nível de desenvolvimento desses computadores nos últimos quarenta anos, enquanto o Eniac
fazia apenas 5 mil cálculos por segundo, um chip atual faz 50 milhões de cálculos no mesmo
tempo.
Voltando a 1948, o americano John T. Parsons desenvolveu um método de emprego
de cartões perfurados com informações para controlar os movimentos de uma máquina-
ferramenta. Demonstrado o invento, a Força Aérea patrocinou uma série de projetos de
pesquisa, coordenados pelo laboratório de servomecanismos do Instituto Tecnológico de
Massachusetts (MIT). Poucos anos depois, o MIT desenvolveu um protótipo de uma fresadora
com três eixos dotados de servomecanismos de posição. A partir desta época, fabricantes de
máquinas-ferramenta começaram a desenvolver projetos particulares. Essa atividade deu
origem ao comando numérico, que implementou uma forma programável de automação com
processo controlado por números, letras ou símbolos.
Com esse equipamento, o MIT desenvolveu uma linguagem de programação que
auxilia a entrada de comandos de trajetórias de ferramentas na máquina. Trata-se da
linguagem APT (do inglês, Automatically Programmed Tools, ou “Ferramentas Programadas
Automaticamente”).
45
Os robôs (do tcheco robota, que significa “escravo, trabalho forçado”) substituíram a
mão-de-obra no transporte de materiais e em atividades perigosas. O robô programável foi
projetado em 1954 pelo americano George Devol, que mais tarde fundou a fábrica de robôs
Unimation. Poucos anos depois, a GM instalou robôs em sua linha de produção para
soldagem de carrocerias.
Ainda nos anos 50, surge a idéia da computação gráfica interativa: forma de entrada de
dados por meio de símbolos gráficos com respostas em tempo real. O MIT produziu figuras
simples por meio da interface de tubo de raios catódicos (idêntico ao tubo de imagem de um
televisor) com um computador.
Em 1959, a GM começou a explorar a computação gráfica. A década de 1960 foi o
período mais crítico das pesquisas na área de computação gráfica interativa. Na época, o
grande passo da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, que tornou possível
criar desenhos e alterações de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catódicos.
No início dos anos 60, o termo CAD (do inglês Computer Aided Design ou “Projeto
Auxiliado por Computador”) começou a ser utilizado para indicar os sistemas gráficos
orientados para projetos.
Nos anos 70, as pesquisas desenvolvidas na década anterior começaram a dar frutos.
Setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importância da computação
gráfica como forma de aumentar a produtividade.
Na década de 1980, as pesquisas visaram à integração e/ou automatização dos diversos
elementos de projeto e manufatura com o objetivo de criar a fábrica do futuro. O foco das
pesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliados por
Computador). Desenvolveu-se também o modelamento geométrico tridimensional com mais
aplicações de engenharia (CAE – Engenharia Auxiliada por Computador). Alguns exemplos
dessas aplicações são a análise e simulação de mecanismos, o projeto e análise de injeção de
moldes e a aplicação do método dos elementos finitos. Hoje, os conceitos de integração total
do ambiente produtivo com o uso dos sistemas de comunicação de dados e novas técnicas de
gerenciamento estão se disseminando rapidamente. O CIM (Manufatura Integrada por
Computador) já é uma realidade.
46
2.3. Componentes da automação
A maioria dos sistemas modernos de automação, como os utilizados nas indústrias
automobilística e petroquímica e nos supermercados, é extremamente complexa e requer
muitos ciclos de realimentação. Cada sistema de automação compõe-se de cinco elementos:
- acionamento: provê o sistema de energia para atingir determinado objetivo. São o
caso dos motores elétricos, pistões hidráulicos, etc;
- 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;
- 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;
- 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;
- programas: contêm informações de processo e permitem controlar as interações entre
os diversos componentes.
2.4. Classificação
A automação pode ser classificada de acordo com suas diversas áreas de aplicação.
Por exemplo: automações bancárias, comerciais, industriais, agrícolas, de comunicações,
transportes. A automação industrial pode ser desdobrada em automação de planejamento, de
projeto, de produção. Essa automação pode ser classificada também quanto ao grau de
47
flexibilidade. A flexibilidade de um sistema de automação depende do tipo e da quantidade do
produto desejado. Isto significa que quanto mais variados forem os produtos e menor a sua
quantidade, mais flexível será o sistema de automação.
O quadro a seguir apresenta uma classificação de tipos de processo e de produção e
respectivos sistemas de produção.
2.5. Aplicações da automação
Para fixar os conceitos até aqui explicados, damos a seguir o exemplo de um sistema
automático de controle de fluxo de pessoas em academias de ginástica.
Este sistema tem um leitor óptico laser e um computador digital de alto desempenho.
Quando um associado quer utilizar a academia, passa um cartão pessoal, com um código de
barras, pelo leitor óptico (elemento sensor). O dado de entrada é convertido em sinais
elétricos e enviado ao computador. O cliente é identificado (programa). Caso sua situação
esteja em ordem (pagamento de mensalidades, exame médico etc.), o computador envia um
sinal para liberação da catraca (elemento de acionamento) e em seguida registra a ocorrência
num banco de dados, para consultas posteriores.
48
2.6. Outras aplicações
O desenvolvimento de elementos sensores cada vez mais poderosos e o baixo custo do
hardware computacional vêm possibilitando aplicar a automação numa vasta gama de
equipamentos e sistemas. Por exemplo:
Produtos de consumo:
- Eletroeletrônicos, como videocassetes, televisores e microcomputadores.
- Carros com sistemas de injeção microprocessada, que aumentam o desempenho e
reduzem o consumo de combustível.
Indústrias mecânicas:
- Robôs controlados por computador.
- CAD/CAM, que integra ambientes de projeto e manufatura.
- CNC.
Bancos:
- Caixas automáticos.
2.6.1. Categoria de descrição
Sistema de produção contínua de grandes quantidades de produto, normalmente pó ou
líquido. Exemplo: refinarias e indústrias químicas.
Sistema de produção de um produto com pouca variação. Exemplo: automóveis e
eletrodomésticos.
Sistema de produção de uma quantidade média de um produto que pode ser repetido
periodicamente. Exemplo: livros e roupas.
Sistema de produção freqüente de cada tipo de produto, em pouca quantidade.
Exemplo: protótipos, ferramentas e dispositivos.
Produção em lotes:
- Produção individualizada (ferramentaria)
Comunicações:
- Chaveamento de chamadas telefônicas.
- Comunicações via satélite.
- Telefonia celular.
- Correios.
49
Transportes:
- Controle de tráfego de veículos.
- Sistemas de radar.
- Pilotos automáticos.
- Sistemas automáticos de segurança.
Medicina:
- Diagnóstico e exames.
2.7. O impacto da automação na sociedade
O processo de automação em diversos setores da atividade humana trouxe uma série
de benefícios à sociedade. A automação geralmente reduz custos e aumenta a produtividade
do trabalho. Este aumento possibilita mais tempo livre e melhor salário para a maioria dos
trabalhadores.
Além disso, a automação pode livrar os trabalhadores de atividades monótonas,
repetitivas ou mesmo perigosas. O esquadrão antibomba da polícia americana, por exemplo,
dispõe de robôs para detectar e desarmar bombas e reduzir riscos de acidentes com explosões
inesperadas.
Apesar dos benefícios, o aumento da automação vem causando também sérios
problemas para os trabalhadores:
- aumento do nível de desemprego, principalmente nas áreas em que atuam
profissionais de baixo nível de qualificação;
- a experiência de um trabalhador se torna rapidamente obsoleta;
- muitos empregos que eram importantes estão se extinguindo: é o que vem ocorrendo
com as telefonistas, perfeitamente substituível por centrais de telefonia automáticas;
- aumento das ausências no trabalho, falta de coleguismo, alcoolismo ou consumo de
drogas, que alteram o comportamento dos indivíduos no ambiente de trabalho. De certa
forma, esse processo de alienação deriva do sentimento de submissão do trabalhador à
máquina, da falta de desafios.
Esses problemas, no entanto, podem ser solucionados com programas contínuos de
aprendizagem e reciclagem de trabalhadores para novas funções.
50
Além disso, as indústrias de computadores, máquinas automatizadas e serviços vêm
criando um número de empregos igual ou superior àqueles que foram eliminados no setor
produtivo.
2.8. Noções de controle de processos
O controle automático tem representado um papel vital no avanço da engenharia e da
ciência, além de sua estrema importância em sistemas de veículos espaciais, mísseis guiados.
Pilotagem de aviões, robóticos e outros mais. O controle automático tornou-se uma parte
importante e integral dos modernos processos industriais e de fabricação. Ele é também
essencial em operações industriais tais como controle de posição, velocidade, pressão,
temperatura, umidade, viscosidade e fluxo em processos industriais.
2.8.1. Conceitos básicos
•Sistemas: Um sistema é uma combinação de componentes que atuam conjuntamente
e realizam um certo objetivo.
•Perturbações (ou distúrbios): Uma perturbação é um sinal que tende a afetar
adversamente o valor da saída do sistema.
•Sistemas de controle realimentados: Um sistema que mantém uma relação prescrita
entre a saída e alguma entrada de referência comparando-as e utilizando a diferença como um
meio de controle.
•Servossistemas: Um servossistema (ou servomecanismo) é um sistema de controle
realimentado que controla, alguma posição mecânica, velocidade ou aceleração. Portanto, os
51
termos servossistema e sistema de controle de posição (ou de velocidade, ou de aceleração)
são sinônimos.
•Sistemas de controle em malha fechada: Em um sistema de controle em malha
fechada, o sinal de erro atuante, que é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal
realimentado (saída). É introduzido no controlador de modo a reduzir o erro e trazer a saída
do sistema a um valor desejado. O termo controle de malha fechada sempre implica o uso de
ação de controle realimentado a fim de reduzir o erro do sistema.
Exemplo
•Sistemas de controle em malha aberta: Aqueles sistemas em que a saída não tem
nenhum efeito sobre a ação de controle são chamados sistemas de controle em malha aberta.
Em outras palavras, em um sistema de controle em malha aberta à saída não é medida ne
realimentada para comparação com a entrada.
Ex: Máquina de Lavar Roupa
2.8.2. Malha fechada x malha aberta
52
•Nos sistemas em malha fechada, o fato de que o uso da realimentação torna a
resposta do sistema relativamente insensível a distúrbios externos;
•Deve ser enfatizado que para sistemas nos quais as entradas são conhecidas
antecipadamente e nas quais não há distúrbios é aconselhável usar controle em malha aberta
•Os sistemas de controle em malha fechada possuem vantagens somente quando
distúrbios imprevisíveis e/ou variações imprevisíveis nos componentes do sistema estão
presentes
•O número de componentes usados em um sistema de controle em malha fechada
é maior do que o de um correspondente sistema de controle em malha aberta.
•O sistema de controle em malha fechada é geralmente de custo e potência mais
altos.
O Sistema Controlado é o motor e a variável controlada é a velocidade do motor.
A diferença entre a velocidade desejada e a velocidade real é o sinal de erro. O sinal de
controle (a quantidade de combustível) a ser aplicado ao motor é o sinal atuante. A entrada
externa para perturbar a variável controlada é a perturbação (distúrbio). Uma mudança
inesperada na carga é uma perturbação. Exemplos de controle em malhas aberta e fechada são
mostrados na Figura abaixo.
53
2.8.3. Ações básicas de controle
•Controladores de duas Posições ou Liga-Desliga (ON-OFF)
Este controlador compara o sinal de entrada com a realimentação, e se a saída
supera a entrada, desliga o atuador, se a realimentação for menor, liga o atuador.
As vantagens deste controlador são a simplicidade e o baixo custo, as
desvantagens são a contínua oscilação da saída entre os limites de atuação do controlador,
histerese, não garantindo precisão e podendo desgastar controlador e atuador pelo excesso de
partidas.
Exemplo de aplicação: Nos fornos elétricos e geladeiras, o calefator ou
compressor é controlado por um termostato, que é um controlador liga-desliga com par
bimetálico (um dos metais se dilata mais que o outro, vergando-se e abrindo o contato). Ao se
desligar, o ambiente faz a temperatura mudar algum tempo depois e o bimetálico retorna à
posição, fechando o contato e ligando o atuador. Outro exemplo pode ser visto na Figura
abaixo, onde a válvula será fechada (ou aberta), dependendo do nível medido pela bóia.
Controladores Proporcionais;
54
A saída é proporcional ao sinal de erro (diferença entre entrada e realimentação),
de modo que o atuador opera continuamente, com potência variável. O controlador é
simplesmente um amplificador.
Este sistema é ainda simples e de baixo custo, tendo uma precisão boa, mas nem
sempre é rápido, e pode se tornar instável, se o ganho for muito alto. Instabilidade é a situação
em que o controlador reage muito rápido, e a saída passa do valor na entrada sem que haja a
reversão da tendência, o que pode levar à saturação do amplificador ou à oscilação contínua
em torno do valor na entrada (geração de onda senoidal na saída, sem entrada).
Exemplo: Muitos dos sistemas de controle de velocidade de motores são
proporcionais, inclusive o controle de automóveis por um motorista.
Note que, sendo um amplificador do sinal de erro, sempre tem que haver um erro
após o transitório, período inicial durante o qual o controlador reage intensamente, para
manter acionado o atuador. É o erro de regime permanente, que é inversamente proporcional
ao ganho do controlador. O regime permanente é a fase após o transitório, durante o qual a
saída permanece quase estável (controlada). Este erro limita a precisão do controle
proporcional.
•Controladores Proporcional, Integral e Derivativo;
Ação Integral: A ação integral resumidamente atua no sistema de forma a anular o
erro em regime permanente.
Ação Derivativa: A ação derivativa atua no sistema de forma a obter um
controlador com alta sensibilidade. Este controle antecipa o erro atuante e inicia uma ação
corretiva.
É a combinação do integral com o integral. Isto se faz somando os sinais de saída
de um amplificador, um diferenciador e um integrador, todos eles com o sinal de erro aplicado
na entrada. Assim, tem-se um compromisso entre a velocidade de atuação, devida ao
diferenciador, e erro de regime nulo (precisão), devido ao integrador.
Este é o mais usado dos tipos de controle eletrônicos. Os parâmetros deste sistema
podem ser alterados ajustando-se os potenciômetros (que alteram as constantes de integração
e diferenciação), o que dá flexibilidade a estes sistemas analógicos somente superadas pelos
digitais.
55
3. Instrumentação Industrial
Os seres humanos têm uma necessidade forte de sentir, medir e testar coisas. A
habilidade e capacidade para mensurar o estado de equilíbrio e movimento de sólidos,
líquidos e gases e dos sistemas que eles constituem é extremamente importante para o
entendimento e utilização das coisas e recursos do mundo real. O estudo da ciência de
sensores e da instrumentação é, portanto, fundamental para permitir avanços nas ciências,
tecnologia e na indústria. No contexto da engenharia, a instrumentação permite
melhoramentos nos projetos de máquinas, equipamentos e processos graças a um
conhecimento mais detalhado e preciso dos diversos processos físicos. Este conhecimento
apurado permite um controle mais efetivo da produção possibilitando o uso mais racional da
energia e melhoria na qualidade dos produtos.
No contexto de Controle e Automação Industrial é freqüente o uso de análises
simplificadoras em que se considera a instrumentação, tanto sensores quanto atuadores, como
sendo componentes ideais e, portanto relegados como “adendos auxiliares” no projeto de um
sistema de controle. Entretanto, é importante ressaltar que a instrumentação é o elo de
conexão entre o controlador e o processo e, portanto deve ser abordada com a mesma
importância dada ao projeto de controladores e estratégias de controle. Nesse sentido, há uma
tendência moderna de se utilizar instrumentos com funções de validação, comercialmente
referidos como instrumentos inteligentes, que incorporam além de funções de comunicação
digital, mecanismos que visam robustecer as malhas de controle tais como: calibração
automática, detecção e compensação de falhas, rótulos digitais para identificação automática,
reconciliação de dados locais, etc.
O conhecimento de princípios e técnicas de medição, de conceitos associados aos
instrumentos de medida (e.g. caracterização estática e dinâmica, calibração), e de
procedimentos relacionados a segurança e instalação apropriada de instrumentos são
fundamentais para técnicos e engenheiros de projeto, operação e manutenção que almejam
obter sistemas de controle com bom desempenho, confiabilidade, e custos otimizados de
instalação, operação e manutenção.
56
3.1. Conceitos
Processo Industrial é uma seqüência de operações, executadas por equipamentos,
que transformam matéria prima em um produto final.
Existem sensores baseados em princípios físicos diversos que possibilitam medir
as variáveis de processo básicas, quais sejam, temperatura, pressão, vazão de fluido, e nível,
propriedades físicas tais como viscosidade, calor de combustão e densidade, e composições
( fração de moles, concentrações).
Para o bom desempenho e segurança de um sistema de controle de processo é
necessário que a medição dessas variáveis seja a mais precisa possível.
Sendo assim, a partir dos conceitos anteriores, pode-se definir a Instrumentação
Industrial como sendo o conjunto de equipamentos (sensores, transmissores e
hardware/software para procedimento de validação) que possibilitam a medição, monitoração
e controle de variáveis de processo, propriedades físicas e composições dentro de um
processo industrial.
•Monitoração: Algumas aplicações de instrumentos de medida tem a simples
função de monitoração da variável medida, ou seja, suas medidas não são utilizadas para
controle.
Medidores de consumo de gás, água e energia elétrica utilizados em residências,
são bons exemplos desta classe de aplicação. Mas mesmo alguns processos industrias ainda
utilizam medidores para funções exclusivas de monitoração. Isto acontece quando uma
estratégia de controle adequada ainda não está definida para o processo, ou quando a
aplicação de técnicas de controle e automação ainda não é muito usual na área.
•Análise Experimental de Engenharia: Refere-se às aplicações onde a medição
fornecida por algum instrumento tem uso destinado à uma análise pós-medição, para
determinação de algum parâmetro, modelo e/ou validação do mesmo [Doeblin, 1990].
•Controle de Processos: o caso mais clássico, com o qual engenheiros e técnicos
trabalham no dia a dia, relaciona-se à especificação de instrumentos de medida como
elementos de uma malha de controle.
Para qualquer classe de aplicação, a seleção de um instrumento de medida deve
ser criteriosa, responsável e adequada aos objetivos definidos para a aplicação. Mas esta tarefa
não é fácil. Ela demanda um amplo espectro de informações a respeito da instrumentação
57
comercial disponível e de suas características técnicas, que precisam ser especificadas de
acordo com as condições operacionais a serem impostas ao instrumento (tipo de instrumento e
span, por exemplo) e com as demandas do processo em relação à medição (precisão e tempo
de resposta, por exemplo). Em outras palavras, demanda-se um bom conhecimento do
trabalho a ser desempenhado pelo instrumento e das características de desempenho passíveis
de serem atingidas.
A Figura abaixo apresenta um diagrama com os principais elementos envolvidos
na medição e utilização de uma variável de processo. Nela são apresentados os elementos
funcionais da medição, que são:
• Sensor Primário: é o elemento que primeiro recebe a ENERGIA do meio onde a
medida é feita;
• Conversão de Energia: é nesse elemento que a variável medida é convertida em
outra de mais fácil manipulação, sem entretanto modificar o conteúdo da informação original;
• Manipulação da Variável: é o elemento que produz uma mudança no valor
numérico da variável preservando sua natureza física (amplificação de tensão, por exemplo);
• Transmissão da Informação: é o elemento que transfere a informação de um
ponto do instrumento a outro;
• Apresentação: é o elemento que converte a informação em uma forma
reconhecível por um dos sentidos do ser humano.
Transdutor Passivo: é aquele em que a energia de saída é quase que interiamente
fornecida pelo sinal de entrada; a energia de saída pode ser da mesma forma que a de entrada
ou poderá haver conversão de uma forma para outra. Um exemplo de transdutor passivo é o
manômetro tipo Bourdon, já que toda a energia usada para mover o tubo de Bourdon e o
ponteiro vem da fonte de sinal.
• Transdutor Ativo: é aquele que necessita de uma fonte auxiliar de energia que
fornece a maior parte da potência de saída, quando o sinal de entrada contribui com uma
porção insignificante.
58
3.2. Tipos de sinais em instrumentação
Analógicos - sinais "contínuos" que podem ser pneumáticos (padrão de
transmissão em pressão 3 a 15 psi) ou eletrônicos (padrão de transmissão em corrente, 4 a 20
mA e padrão de transmissão em tensão 1 a 5 Vcc). Outro tipo de sinal analógico bastante
usado é o sinal em mV, obtido em termopares.
Sinais discretos - são sinais que só assumem dois estados: verdadeiro ou falso,
aberto ou fechado.
Esses sinais são provenientes de chaves de campo (chave de nível, de pressão, de
temperatura, fim de curso), alarmes e sistemas de segurança.
Sinais digitais - sinais discretos são sinais oriundos de sinais analógicos em que
se faz uma discretização no tempo, ao passo que sinais digitais envolvem discretização no
tempo e na amplitude.
3.3. Características Estáticas dos Instrumentos
O desempenho estático dos instrumentos de medida pode ser caracterizado a partir
dos conceitos apresentados a seguir:
Calibração Estática: Operação que tem por objetivo levar o instrumento de
medição a uma condição de desempenho e ausência de erros sistemáticos, adequados ao seu
uso.
Faixa (Range): é a região entre os limites máximo e mínimo nos quais a
quantidade medida, recebida ou transmitida pode variar. Toda variável medida e todo
instrumento possuem um determinado range. Por exemplo, se um processo pode ter sua
pressão variada entre 200 e 300 psi (Pounds per Square Inch, libras por polegada quadrada)
deve-se requerer um instrumento que seja capaz de medir entre 100 e 400 psi. Isto é o
instrumento possui um range com limite inferior de 100 e superior de 400 psi. O range é
determinado pelos valores máximos e mínimos. Deve-se cuidar para que a especificação do
instrumento propicie que o mesmo opere em torno de 30% da sua faixa máxima para o valor
nominal da variável medida, evitando-se leituras no início e no final da escala onde a
confiabilidade da medida é inferior.
59
Exatidão (Accuracy): indica o quanto o sensor é capaz de indicar um valor
próximo do valor real. A exatidão é indica em termos da "inexatidão", por exemplo: ±2 % ou
+1% ou -3 %. Obs.: Não há sentido em se falar de exatidão de um instrumento isoladamente.
Deve-se levar em consideração o meio e as entradas (perturbações).
Precisão: é a medida da consistência do sensor e indica a sua repetibilidade, isto é
qual a capacidade do sensor em indicar o mesmo valor, estando nas mesmas condições de
operação, em um dado período de tempo.
Em geral, os instrumentos são especificados em termos de sua exatidão (accuracy)
e não da sua precisão. A especificação informa o valor da exatidão em termos de percentagem
em torno do valor exato (para mais ou para menos), isto é, informa o desvio que o
instrumento pode proporcionar.
Por exemplo, um sensor de nível com exatidão de 10 cm , pode ter sua medida na
faixa de ±10 cm em torno do valor real, isto é pode variar de 10 cm para mais ou para menos.
Neste caso, uma indicação de nível de 3 m pode significar qualquer nível entre 2,9 e 3,1 m.
Ao contrário, precisão não é indicada pelo fabricante e está sempre na mesma
direção, isto é o desvio será sempre para mais ou para menos. Um instrumento preciso pode
informar o valor errado, mas ele é consistente com essa informação. Logo o desvio provocado
por um dispositivo preciso pode ser removido.
Repetibilidade: é a medida da capacidade de um instrumento repetir a mesma
saída (medida) para um dado valor, quando a mesma entrada precisa é aplicada várias vezes.
Existem duas definições matemáticas possíveis para repetibilidade:
Zona Morta: é a faixa onde o sensor não consegue responder. Ela define o valor
necessário de variação do processo (da variável em medição) para que o medidor comece a
percebê-lo.
Tempo Morto: é o tempo necessário para que o sensor comece a responder a
alterações na variável medida (entrada).
Resolução: é menor mudança na entrada do sensor que irá resultar em uma
mudança na saída do mesmo. A resolução dá uma indicação de quão pequena uma variação
na entrada de energia pode ser percebida por um sensor.
Linearidade: pode ser especificada de várias formas. Uma maneira simples e
usual é especificar a linearidade da reta de calibração de um sensor, traçada a partir da
60
estimativa da melhor reta, pelo método dos mínimos quadrados, proveniente dos dados de
entrada e saída do tal sensor para toda a faixa de medição.
Histerese: o efeito da histerese é notado em instrumentos que possuem
comportamento diferente para entrada crescente em relação a entrada decrescente.
Carga do Instrumento: Um instrumento de medida (elemento primário) sempre
extrai alguma energia do meio onde encontra-se instalado realizando suas medições. Sem isto
seria impossível realizar a medição. Mas a grandeza medida é sempre perturbada pelo meio
ou pelo ato da medição, o que torna uma medida perfeita, teoricamente, impossível de ser
alcançada. Portanto, bons instrumentos devem ser projetados para minimizar este efeito. Este
efeito de carga do instrumento está associado à sua rigidez ou impedância de entrada.
61
4. Sensores de Pressão
4.1. Pressão
Pressão é definida como a força exercida por unidade de área.
No Sistema Internacional, a unidade de pressão é o Pa (pascal), que, por
definição, é igual a 1 newton por metro quadrado (N/m2).
A pressão fisiológica geralmente é expressa em milímetro de
mercúrio (mmHg) ou centímetro de água (cmH2O). Estas unidades pode
ser convertidas em pascal. Como pascal, Pa, é muito pequena para usar
para pressão fisiológica, o kPa (103Pa) é geralmente usada. A conversão
para mmHg e cmH2O para kPa é:
1 mmHg = 133.322 Pa = 0,133322 kPa
1 cmH2O = 98.0665 Pa = 0, 0980665 kPa
No sistema Inglês a unidade usada é a libra por polegada
quadrada, lb./pol2, psi.
Convertendo, temos: 1 psi = 6.895 kPa.
Outra unidade é a atmosfera (atm.), que é igual a: 1 atm =
101.325 kPa.
4.1.1. Classificação de Pressão
A pressão pode ser classificada em:
Relativa: Quando essa usa como referência a pressão
atmosférica. É utilizada para medir a pressão fisiológica.
Diferencial: Quando utiliza como referência uma pressão
diferente da atmosférica e do vácuo.
Absoluta: Quando a medição usa como referência o vácuo. É
geralmente utilizada para medir pressão atmosférica (barômetro). Sendo
que a Figura abaixo mostra essa classificação.
62
4.2. Princípio de medição da pressão
O princípio mais usado para a medição da pressão é feito através
de um manômetro de tubo em U que tem uma coluna de líquido cuja
densidade é conhecida. Esse processo é mostrado abaixo.
4.2.1. Manômetros em tubo U
Este tipo de manômetro está representado na Figura abaixo.
Pode ser utilizado para medir pressões relativas e pressões diferenciais. A
diferença de pressão entre os extremos A e B do manômetro é dada pela
Equação abaixo:
p2 – p1 = k.d.h
onde:
p 1 - pressão aplicada à extremidade A;
p2 - pressão aplicada à extremidade B;
d - densidade do líquido manométrico;
h - diferença entre as cotas das superfícies livres;
k - constante, dependente do sistema de unidades.
63
Devido a sua fragilidade e a gama de medida pouco elevada este
tipo de manômetro não é utilizado em aplicações industriais. No entanto
são utilizados com muita freqüência em laboratórios, como padrão para
aferição de sensores de pressão de outros tipos.
4.2.2. Manômetro de Bourdon
Este dispositivo, também conhecido como tubo de Bourdon, pode
assumir vários aspectos.
Na sua configuração clássica é constituído por um tubo em forma
de C, fechado numa das extremidades, e com secção aproximadamente
elíptica, como se representa na Figura abaixo.
64
Quando se aplica pressão ao seu interior o tubo deforma-se. O
tipo de material de que o Bourdon é construído depende da aplicação, em
particular da pressão máxima e da agressividade do meio. São muito
usados o aço inox, o bronze fosforoso e o cobre/berílio, devido às suas
características elásticas. A repetibilidade destes dispositivos é melhor do
que 0,1% do máximo de escala. Podem ser construídos para uma gama de
pressões muito ampla, desde pressões máximas de frações de atmosfera
até pressões máximas de 500 kg/cm2.
Nos indicadores de pressão clássicos e nos indicadores locais o
movimento do extremo do tubo é comunicado a um ponteiro indicador
(Figura abaixo). Para pressões baixas e para aumentar a sensibilidade do
Bourdon este é por vezes construído em espiral ou então em hélice. Para a
conversão do movimento do extremo do tubo de Bourdon num sinal
elétrico podem utilizar-se vários dispositivos como o potenciômetro, o
LVDT, extensômetros, etc. A Figura abaixo representa um Bourdon
associado a um LVDT.
65
4.3. Tipos de Transdutores de Pressão – Princípios e Constituição
Os transdutores são dispositivos que converte uma forma de
energia em outra forma de energia, enquanto o sensor converte um
parâmetro físico num sinal elétrico e o atuador converte um sinal elétrico
numa “saída física”. Existem vários princípios de funcionamento para os
transdutores de pressão, dentre eles podem-se citar os manômetros de
diafragma.
4.3.1. Manômetro de Diafragma
Este manômetro é constituído por um disco, fixo pela periferia, e
ao qual se aplica a pressão em um dos lados conforme ilustra a Figura
abaixo. A força resultante exercida sobre a superfície do disco provoca a
sua deformação, que é medida por qualquer dos métodos utilizados, por
exemplo, o Bourdon. Neste caso é muito freqüente, para medir a
deformação da membrana, a utilização do método da capacidade variável.
O disco deste manômetro pode ser completamente liso, totalmente
anelado, ou misto de anelado e liso como o indicado na Figura abaixo.
66
4.3.1.1. Distribuição das tensões mecânicas
No caso do disco ser liso e de espessura homogênea, quando
submetido a uma pressão constante, fica sujeito a dois tipos de tensões:
uma tensão tangencial de tração, igual nas duas faces do disco, e outra,
tensão radial, com sinal contrário entre as faces conforme ilustra a Figura
abaixo.
67
Para pequenas deformações, os valores das tensões tangencial e
radial apresentados na figura podem ser obtidos pelas Equações 1.2 e 1.3
respectivamente.
onde:
p- pressão que se exerce sobre o diagrama t- espessura do diafragmar- raio corrente, onde se verificam as tensões t e r. R0 – raio exterior (fixação)v- coeficiente de Poisson do material do diafragma Y- módulo de elasticidade.
A Figura mostrada acima, ilustra que a tensão tangencial é
sempre positiva enquanto que a tensão radial tem uma zona positiva e
outra negativa, portanto se anula para um determinado valor do raio do
disco.
4.3.2. Medição com balança de forças
Neste método de medida utilizando o diafragma, em vez de se
medir a sua deformação e relacioná-la com a pressão, impede-se que o
68
diafragma se deforme, pela aplicação de uma força contrária. É o
chamado método da balança de força. A força é diretamente gerada por
meio da corrente de saída do transmissor (4 a 20 mA) e o seu valor é tal
que equilibra a força devido à pressão, impedindo a deformação da
membrana. Este tipo de circuito tem a propriedade de ser linear, uma vez
que a força de reação é proporcional à corrente elétrica do transmissor.
4.3.3. Medição com extensômetro
A utilização de extensômetro para a medida da deformação do
disco deverá levar em conta a distribuição de tensões indicada atrás. A
Figura abaixo mostra um extensômetro de quatro elementos utilizado com
um destes discos.
Os extensômetros da zona exterior destinam-se à medida de
tensão radial e os interiores à medida da tensão tangencial. Os
extensômetros são ligados em ponte de Wheatstone, sendo os exteriores
os dos ramos 1-4 e 3-6 e os interiores os dos ramos 2-3 e 5-6. Com esta
montagem, que tem quatro extensômetros ativos, aumenta-se a
sensibilidade da ponte de Wheatstone e cancela-se o efeito da
temperatura sobre os extensômetros.
69
A relação entre a tensão de saída e a pressão é linear, com erro
inferior a 0,3% desde que a deformação do disco na zona central seja
inferior a 1/4 da espessura da membrana. Os discos são dimensionados
para obedecer a este critério.
A freqüência máxima que é possível medir com este manômetro
depende da dimensão dos elementos mecânicos, havendo sensores
capazes de funcionar desde 0 até 10 kHz.
4.3.3.1. O diafragma como selante
Muitas vezes os diafragmas, além de serem usados para a
medida da pressão, são destinados a efetuar a separação entre o meio no
qual se quer medir a pressão e o dispositivo de medida, conforme Figura
abaixo. Esta separação, isolamento ou selagem é conveniente quando se
pretende:
1. Separar o sensor de ataques químicos, corrosivos, tóxicos, ou
inflamáveis;
2. Evitar o contato do sensor com elementos viscosos ou que
possam solidificar junto dele (Bourdon, foles, etc.);
3. Proteger o sensor de temperaturas extremas;
4. Proteger o sensor de vibrações;
5. Ter facilidade, em determinados casos em efetuar a instalação.
70
Este tipo de diafragma é colocado junto ao processo do qual se
pretende medir a pressão. A sua deformação é transmitida por meio de
um tubo capilar, cheio de um líquido incompressível, a um sensor que se
encontra localizado a alguns metros de distância. A Figura acima (a)
representa um sensor de pressão diferencial, antes de instalado, com dois
diafragmas de selagem. Na Figura acima (b) o sensor diferencial tem
apenas um diafragma, tendo a segunda tomada de pressão uma
configuração normal. O tubo capilar que contém o líquido transmissor da
pressão encontra-se revestido por uma proteção mecânica helicoidal. O
diafragma apresentados na Figura acima (a) possui a forma de bolacha e
deverão ser apertados a uma tomada do processo flangeado apenas por
aperto do anel exterior, devendo haver o cuidado de não apertar
mecanicamente os diafragmas. A utilização de diafragmas de selagem
afeta o desempenho do sensor, diminuindo o seu tempo de resposta. Este
é tanto maior quanto maior o comprimento dos capilares e o diâmetro dos
diafragmas. Depende também do fluido capilar utilizado. Por esta razão,
na utilização de diafragmas deverá atender-se ao seguinte:
1. Utilizar um tubo capilar o mais curto possível. Os comprimentos
normais variam entre 30 cm e 15 m;
2. Selecionar os diafragmas de selagem de maior diâmetro possível;
71
3. No caso de sistemas com 2 diafragmas, utilizá-los do mesmo
tamanho, com o mesmo comprimento de tubo capilar e com o
mesmo líquido;
4. Para aplicações com pressões relativas negativas colocar o
transmissor a um nível inferior ao do diafragma;
5. Selecionar o líquido transmissor da pressão do capilar de acordo
com a aplicação;
6. Em instalações onde haja perigo de incêndio, nas indústrias
alimentar e farmacêutica e em locais onde as temperaturas sejam
elevadas, os fluidos capilares deverão ser cuidadosamente
selecionados. Os fabricantes do equipamento dispõem de tabelas de
seleção para este efeito.
4.3.4. Transdutor de pressão indutivo
O transdutor de pressão mais freqüentemente utilizado é o
transformador diferencial de núcleo variável, ou LVDT. Este sensor
consiste em uma bobina primária (bp), duas bobinas secundárias (bs1 e
bs2) ligadas em oposição de fase e um núcleo de ferro-doce disposto
simetricamente com relação às bobinas, conforme mostra a Figura abaixo.
Quando o sistema está em repouso, as tensões induzidas em bs1
e bs2 são idênticas, sendo a resultante V2 igual a zero. Quando há
pressão aplicada, ocorre o deslocamento do núcleo, provocando tensões
diferentes em bs1 e bs2 e conseqüentemente, V2 não será mais zero.
72
Estes sensores podem medir uma ampla faixa de pressão, porém são
sensíveis a vibrações e campos magnéticos. O sinal gerado é da ordem de
1,5 V, o que dispensa o uso de pré-amplificadores.
4.3.5. Transdutor de pressão capacitivo
Um sensor capacitivo é um condensador que exibe uma variação
do valor nominal da capacidade em função de uma grandeza não elétrica.
Uma vez que um condensador consiste basicamente num conjunto de
duas placas condutoras separadas por um dielétrico, as variações no valor
nominal da capacidade podem ser provocadas por redução da área e da
separação entre as placas, ou por variação da constante dielétrica do
material. Semelhantes aos sensores indutivos, porém para alterar as
condições físicas da região sensível, qualquer material pode ser usado, ao
contrário do que ocorre com os sensores indutivos, onde apenas objetos
metálicos podem provocar uma comutação eletrônica (chaveamento).
Alguns materiais usados em sensores capacitivos são: vidro, grãos, pó e
até líquidos, pois ao contrário de variar o campo magnético, o objeto
alterará a capacitância de placas que são adotadas como face sensível.
Atualmente existe uma grande variedade de aplicações que
utilizam sensores capacitivos, de forma discreta ou integrada. A detecção
da variação da capacidade é geralmente efetuada através da medição da
carga acumulada, por exemplo, através da aplicação de uma tensão
constante, ou então indiretamente através da variação da freqüência de
oscilação ou da forma de onda à saída de um circuito, do qual o sensor é
parte integrante.
Um método muito utilizado para a medição da deformação da
membrana, consiste em formar um condensador com uma das armaduras
ligadas à membrana. A deformação da membrana provoca uma variação
na capacidade do condensador, que é transformada numa variação de um
sinal elétrico (tensão ou corrente). A Figura abaixo representa
esquematicamente um manômetro de membrana deste tipo.
73
Outro sensor capacitivo bastante utilizada é a célula capacitiva, que mede a
diferença entre pressões aplicadas nos dois diafragmas. A distância entre o diafragma o sensor
e as placas do capacitor varia de acordo com a diferença entre as pressões aplicadas dos dois
lados da cerâmica porosa conforme mostra a Figura abaixo
4.3.6. Transdutor de pressão piezoresistivo
Dá-se o nome de "efeito piezoresistivo", à alteração da
resistência de um condutor elétrico sob carga. Este condutor pode ser um
fio ou, como é mais comum ser encontrado, um metal ou depositado em
uma placa de filme fino.
Este tipo de sensor também é conhecido por "strain gauge" e é
bastante utilizado em estruturas conhecidas como células de carga, para
74
medidas de peso. A configuração mostrada na Figura abaixo é chamada
de "ponte de Wheatstone" e fará com que o medidor ao centro deflexione
proporcionalmente a pressão aplicada no sensor.
Os resistores estão precisamente localizados sobre o diafragma
flexível para corresponder com a máxima tensão de compressão e
dilatação. Com base na direção relativa dos componentes da tensão
mecânica s, o efeito elétrico E, e a densidade de corrente elétrica j, os
seguintes efeitos podem ser distinguidos: efeito longitudinal, efeito transversal e
efeito de tensão perpendicular:
Um indicador da magnitude do efeito piezo do material
dependente do fator K, também conhecido como fator Gauge, o qual é a
constante de proporcionalidade entre a mudança relativa na resistência,
que é constante, e a mudança relativa no comprimento conforme Equação
abaixo:
O fator Gauge é dado pela Equação abaixo:
K = Õ . E
Onde Õ é a constante piezo e E o módulo de elasticidade. O fator
K é aproximadamente 2 para metais e 50 a 100 vezes maior para
semicondutores, dependendo do nível de dopagem.
Os materiais piezoresistivos são também feitos de material
semicondutor extrínseco, isto é, ao qual se adicionam impurezas de
75
determinado tipo para se obterem materiais do tipo P ou do tipo N, seus
valores de resistividade podem ser ajustados controlando a concentração
de impurezas adicionadas. Obtêm-se assim resistividades da ordem de
500 μΩ.m, isto é cerca de 30.000 vezes superiores à resistividade do
cobre, o que permite realizar sensores miniaturizados. O material
semicondutor é depositado por estampagem sobre o diafragma, e nele
são implantadas as resistências cujo valor e variação se pretende medir,
para determinar a deformação do diafragma e a conseqüente pressão que
sobre este se encontra aplicada. Este sistema é no seu princípio muito
semelhante ao que utiliza extensômetro, apenas a sensibilidade é muito
superior. Um circuito muito comum utilizado com este dispositivo continua
a ser a conhecida ponte de Weathstone.
4.3.6.1. Quatro piezoresistores ligados em ponte
Para atingir a máxima precisão na medição, quatro
piezoresistores podem ser conectados para formar um circuito em ponte
conforme mostra a Figura abaixo. A posição dos resistores individuais é
escolhida de acordo com a deflexão no diafragma. Dois resistores situados
em lados opostos aumentam a resistência, enquanto os outros dois
diminuem. Esta configuração propicia a vantagem de minimização dos
efeitos da variação de resistência versus a temperatura.
76
A variação da resistência com a deformação é pequena, enquanto a
variação com a temperatura pode ser grande.
Estas mudanças na resistência resultam em uma saída de tensão
de acordo com a Equação abaixo:
Vout= Vin x [R1(p)xR3(p) - R2(P)XR4(p)]/ [R1(p) +R2(p)]x[R3(p)+R4(p)]
Onde:
Vin é a tensão de entrada e Ri(p) a resistência dependente da
pressão conforme Equação abaixo.
Ri(p)=Ri + DRi(p)
A Equação acima pode ser simplificada para as Equações abaixo:
Vout=Vin x DR/R
DR/R = K x e(p)
Onde:
e é a deflexão mecânica e K um fator de proporcionalidade
conhecido como “fator gauge”. Para uma primeira aproximação, a função
e(p) é linear para pequenas deflexões no diafragma e representa a relação
entre a tensão de saída e a pressão.
Com uma maior deflexão do diafragma a não-linearidade
aumenta porque uma expansão comum dos quatro resistores é adicionada
à mudança na resistência. Isto significa que dois resistores aumentam e os
outros dois diminuem a resistência. Este efeito limita a obtenção do sinal
de saída para um máximo de erro de linearidade permitido.
4.3.7. Transdutor de pressão Piezoelétrico
Certos materiais cristalinos, como o quartzo e o titanato de bário,
quando submetidos a uma pressão p nas suas faces, ficam polarizados. Se
as faces onde se desenvolvem as cargas elétricas forem revestidas por
elétrodos, é possível efetuar a sua medição, como se indica na Figura
abaixo.
77
A relação entre a carga elétrica e a pressão aplicada ao cristal é praticamente linear e dada pelas Equações abaixo:
q = Sq Ap
onde:
p - pressão aplicada; A - área do elétrodo; Sq – sensibilidade;q - carga elétrica; C - capacidade do cristal; vo - tensão de saída.
A maior parte destes transdutores utilizam o quartzo como
material piezoelétrico, devido à sua grande estabilidade, eles podem ser
utilizados em temperaturas elevadas, pois suas características variam
pouco com a mesma. A sensibilidade do quartzo depende do corte que é
feito ao cristal, como se pode observar pela Tabela abaixo:
Material Orientação do corte Sensibilidade Sq (pC/N)Quartzo (SiO2) X comprimento 2,2Quartzo (SiO2) X espessura -2,0Quartzo (SiO2) Y espessura 4,4
Titanato de bário (Ba TiO3) Paralelo à polarização 130
78
A carga gerada tem valor muito baixo, necessitando de um
circuito de amplificação e condicionamento do sinal. Trata-se de um
circuito de alta impedância de entrada e que não pode ler a componente
contínua. Conseqüentemente, este sensor só pode ler pressões que
variam rapidamente, ou seja, pressões dinâmicas, não sendo possível
determinação de valor estático. A faixa de freqüências vai desde 0,0001
Hz a 10 kHz. Por vezes o valor apresentado para a freqüência inferior
permite considerar o sensor como podendo ler pressões estáticas, desde
que o intervalo de tempo de medida não seja muito elevado.
Estes dispositivos são muito utilizados para a medida de
pressões, possui alta estabilidade térmica e pode medir pressões desde 1
mbar até mais de 10 kbar. No entanto a freqüência mínima chega a ser de
uma fração de hertz de tal modo baixa que a constante de tempo
correspondente pode ser da ordem de grandeza de um mês.
Tensões de compressão e dilatação no cristal semicondutor,
mostrado na Figura 1.16, são usados para produzir mudanças na
resistência:
a) Tensões de compressão no cristal causam uma redução na
máxima energia e conseqüentemente no aumento do número de
portadores de carga na direção da força de compressão. Este aumento na
condutividade reflete na diminuição da resistência.
b) Tensões de dilatação causam um aumento na energia máxima e
conseqüentemente uma diminuição no número de portadores de carga na
direção da força dilatadora. Isto reflete no aumento da resistência.
79
A mudança de resistência causada por mudanças na geometria
tem significância secundária. O efeito primário é a mudança de
condutividade, dependente do esforço mecânico no cristal.
4.4. Aplicações
Os sensores de pressão podem ser utilizados em diversas áreas,
dentre elas podem-se destacar: automação industrial, robótica, medicina,
agricultura, meteorologia, linha automotiva, dentre outras. Serão
apresentada abaixo algumas aplicações, de forma resumidas, desses
sensores.
4.4.1. Na automação industrial.
Os transdutores e sensores de pressão industrial são dispositivos para medir a
pressão de fluidos, líquidos ou gasosos, em todas as aplicações usadas na indústria. A Figura
abaixo mostra um sensor de pressão utilizado na automação industrial.
4.4.2. Na área automotiva
80
Uma das aplicações na área automotiva, é no controle eletrônico
da suspensão do carro. Para isso são aferidos para abrir ou fechar o
contato interno após receber uma determinada faixa de pressão. Se o
interruptor e NA (Normalmente Aberto), após receber uma determinada
pressão, o contato interno fecha. Se ele e NF (Normalmente Fechado),
após receber a pressão, o contato abre. Na Tabela abaixo é apresentada
parte de um catálogo mostrando a faixa de calibração dos interruptores.
Sendo que nesta faixa que o interruptor passa de NA para NF ou vice-
versa.A Figura abaixo mostra o sensor da linha automotiva da Siemens.
bar kgf/cm2 psi atm
1 bar 1 1,019716 14,50377 0,9869233
1 kgf/cm2 0,980665 1 14,2234 0,9678711
1 psi 0,068947 0,070307 1 0,068046
1 atm 1,01325 1,033227 14,69595 1
4.4.3. Aplicação do sensor de pressão na medição do nível de líquidos
Este sensor se baseia no princípio de que conhecendo a pressão
no fundo de um reservatório e a densidade de um liquido podemos
calcular a altura da coluna do mesmo. Esse é um sensor de pressão
relativa que tem como características: média sensibilidade do diafragma e
alta robustez do corpo do mesmo. A compensação com a pressão
81
atmosférica é feita por meio de um duto de ar (conhecido como capilar)
até a superfície, para que a variação na pressão atmosférica não
influencie na pressão medida, relativa a coluna de água conforme mostra
a Figura.
4.4.4. Sensor de Umidade Relativa do ar
Uma das aplicações em que o sensor de pressão possuir grande importância é na
Meteorologia, como exemplo na medição da Umidade Relativa do ar. A medição da Umidade
Relativa (RH) é definida como a razão entre a pressão do vapor d’água ou teor do vapor
d’água e a pressão do vapor de saturação ou teor máximo de vapor na temperatura do ar ou
gás. A pressão do vapor de saturação no ar varia com a temperatura do ar, quanto mais alta a
temperatura, mais vapor d’água ela pode reter. Quando saturada, a umidade relativa do ar é de
100% RH. A Figura abaixo mostra o sensor de pressão usado para medição da umidade
relativa do ar da empresa Hobeco.
82
83
5. Sensores de Umidade
O número de moléculas de água no ar varia. Por exemplo, o ar é muito seco no
deserto e muito úmido nos trópicos.
A máxima umidade possível e a umidade efetivamente existente no ar em um
dado instante são definidas através das pressões do vapor de água.
O limite superior para a umidade que o ar pode armazenar a certa temperatura é
dado pelo valor da pressão de vapor de água saturada. Se o nível de umidade ultrapassar este
limite, há a condensação, formando-se gotículas de água. Diz-se que a umidade relativa é a
porcentagem desta quantidade máxima de umidade contida no ar. A Figura abaixo mostra a
curva de pressão de vapor de água saturada em função da temperatura.
Matematicamente, a umidade relativa é expressa como sendo a relação entre a
pressão parcial do vapor de água e a pressão do vapor de água saturada conforme a Equação
abaixo.
Em um sistema fechado, se a temperatura aumentar, a pressão do vapor saturado
aumentará e, conseqüentemente, a umidade relativa diminuirá. A umidade absoluta do ar, não
obstante o nível de saturação, é dada pela razão entre a massa de vapor de água pela massa de
ar seco considerado.
84
A Equação abaixo, conhecida como lei de Dalton, define a pressão total do ar
como sendo a soma das pressões parciais dos elementos que compõe o ar, somado à pressão
do vapor de água.
Ptotal = Pvapor d 'água + Poxigênio + Pnitrogênio + Poutros gases
A pressão parcial do vapor de água varia com a pressão total do ar, porém a
pressão de vapor de água saturado não. Se a pressão total do ar em um sistema fechado
aumentar, a umidade relativa também aumentará, pois o aumento da pressão parcial do vapor
de água é proporcional ao aumento da pressão total de acordo com a Equação. Contudo, a
pressão do vapor saturado permanece inalterada.
5.1. Medição de umidade
A umidade pode ser medida através da alteração que esta produz nas
características elétricas de componente inserido num circuito, podendo este componente ser
um cristal, resistor ou capacitor.
Classicamente, a umidade relativa é medida utilizando-se um psicrômetro. Este
aparelho é constituído por dois termômetros idênticos posicionados um ao lado do outro. Um
dos termômetros trabalha com o bulbo seco e o outro com o bulbo úmido. O termômetro de
bulbo úmido tem o bulbo coberto por uma malha porosa (geralmente de algodão), que fica
mergulhada num recipiente contendo água destilada. Devido ao efeito da capilaridade esta
malha fica constantemente úmida. A evaporação da água contida na malha envolvente retira
calor do bulbo, fazendo com que o termômetro de bulbo úmido indique uma temperatura mais
baixa do que a do outro termômetro, que indica a temperatura ambiente. Essa evaporação e a
redução na temperatura de bulbo úmido são tanto maior quanto mais seco estiver o ar
atmosférico. Consequentemente, se o ar atmosférico estiver saturado de vapor de água a
evaporação resultante será nula. Em geral, o termômetro de bulbo úmido deve estar submetido
a um fluxo de ar com velocidade maior que 3,33m/s para que o calor transferido por
convecção seja maior, em comparação ao transferido por radiação. Após obter os valores de
temperaturas do bulbo seco e úmido, para se determinar da UR e umidade absoluta, a maneira
mais conveniente é utilizar a carta psicrométrica. Nos transdutores de umidade a cristal,
85
utiliza-se quartzo revestido por material higroscópico (geralmente um polímero) operando em
um circuito oscilador. A massa do cristal é alterada pela quantidade de vapor de água no
revestimento, o que altera a freqüência de oscilação do cristal, sendo essa variação da
freqüência, a saída do elemento transdutor.
O método resistivo utiliza alumínio revestido por filme de óxido de alumínio. A
estrutura desse filme apresenta poros cujo preenchimento por gotículas de vapor de água
produz alteração do valor da resistência. A variação da resistência do material pode ser
medida através de um circuito em ponte. Os sensores resistivos possuem limitações de
funcionamento em ambientes onde ocorre condensação, não trabalhando em níveis da
umidade relativa abaixo de 20%. Além disto, não possuem a mesma estabilidade dos sensores
capacitivos.
O método capacitivo baseia-se na alteração das características do dielétrico pela
umidade. Utiliza-se como dielétrico, um polímero que absorve ou libera a água de maneira
proporcional à umidade relativa do ambiente. Apresenta assim, alteração de sua capacitância
que pode ser medida por um circuito eletrônico, possibilitando determinar o valor da umidade
relativa do ambiente. A Figura abaixo mostra um sensor de umidade e temperatura comercial.
86
6. Sensores de Temperatura
Medidas de temperatura com exatidão e boa precisão são requeridas em muitos
sistemas de instrumentação e controle de processos. Na maioria dos casos, devido às respostas
não lineares e a baixa amplitude nas saídas dos sensores, torna-se necessário condicionar o
sinal, amplificando-o e compensando as não linearidades, antes de qualquer outro
processamento adicional.
Atualmente, existe grande gama de transdutores de temperatura integrados a
ADCs de alta resolução para disponibilizar saída digital. A linearização e a calibração são
executadas de forma digital, reduzindo o custo e a complexidade de utilização destes
circuitos. Outros sensores de temperatura apresentam função de transferência não-linear.
Circuitos relativamente complexos são projetados para compensar estas não linearidades,
requerendo resistores de precisão e calibração manual para proporcionar a exatidão desejada.
Como existem vários métodos para medição de temperatura, é necessário avaliar
qual deles melhor atende ao projeto proposto. Para tal, a Tabela abaixo apresenta um
comparativo entre os sensores mais comuns de temperatura.
Comparação de características de transdutores de temperatura.
Fonte: Omega Enginnering, 2007.
87
6.1. O RTD
O sensor resistivo (Resistance Temperature Detector - RTD) é
bastante difundido, possibilitando medidas de temperatura com grande
precisão.
Os RTDs utilizam metais (platina, níquel e cobre) que apresentam uma
reprodutível alteração da resistência com a temperatura de acordo com a Equação abaixo.
Onde: Ro é a resistência a 0 ºC, αn é o coeficiente de temperatura (ºC -1) e T (ºC) é
a temperatura à qual o RTD se encontra submetido.
Segundo a Equação acima, a resistência elétrica do metal aumenta ou diminui
com o aumento ou redução da temperatura, respectivamente. A platina é o metal mais
utilizado devido a sua alta estabilidade, ser quimicamente inerte e por trabalhar em
temperaturas elevadas. A Figura 3.2 compara a taxa de variação da resistência entre os
diversos metais utilizados em RTDs em função da temperatura. Na Figura abaixo tem-se
exemplos de RTD’s comerciais.
Os PTC-100 (termorresistência de platina) são sensores mais usados
industrialmente devido a sua grande estabilidade e precisão. Convencionou-se chamá-la de
88
PT-100, fio de platina com 100Ω a 0ºC. Eles possuem alta precisão e excelente repetibilidade
de leitura.Esses sensores se baseiam no principio de variação da resistência em função de
temperatura. Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura. Sua faixa de
utilização padrão vai de –200 a 650ºC. Devido a essas características são utilizados em
diversos setores como: Laboratórios, Farmacêutica, Petroquímica, Alimentícia. Exemplos de
PT-100 é mostrado na figura abaixo.
6.2. Termopar
O princípio de funcionamento do termopar é baseado nos efeitos Thomson, Peltier
e Seebeck. O termopar consiste de dois metais diferentes unidos e mantidos em temperaturas
diferentes. Deve-se então manter uma junção a temperatura conhecida T1 (temperatura de
referência) e submeter a outra junção à temperatura T2 (temperatura de teste). Assim, mede-se
o valor da tensão de Seebeck para determinar a temperatura T2, conforme figura abaixo.
A maior dificuldade na utilização do termopar é a baixa tensão de saída, sendo
necessário amplificá-la. Requer compensação da junção fria, porém possui uma maior
linearidade quando comparado a outros sensores. Os metais mais comuns usados na
fabricação de termopares são: ferro, platina, ródio, tungstênio, cobre, liga de níquel com
alumínio, liga de níquel e cromo, liga de cobre e níquel.
89
Os termopares apresentam baixo custo, possuindo a maior faixa de operação entre
os sensores de temperatura. São freqüentemente utilizados para medir altas temperaturas (até
2300ºC) em ambientes hostis.
6.3. Termistor
Da mesma forma que os RTDs, os termistores são resistores sensíveis às variações
na temperatura, possuem baixo custo e são construídos de materiais semicondutores. Na
figura abaixo temos exemplos de termistores comerciais.
Esses materiais têm coeficiente positivo (PTC) ou negativo de temperatura
(NTC). Na Figura abaixo temos uma ilustração das curvas dos PTC e NTC.
O preço de um termistor PTC é cerca de 20% maior que um NTC, justificando-se
a maior utilização dos NTCs. Por outro lado, os PTCs possuem algumas vantagens, tais como
maior linearidade e sensibilidade, sendo mais apropriados quando se exige melhor resolução
na medição. A Figura abaixo mostra a resistência de um termistor NTC de 10 kΩ, em função
da temperatura. O termistor não é linear, mas pode ser linearizado na faixa de temperatura
desejada. No entanto, o termistor apresenta maior sensibilidade quando comparado com os
termopares e RTDs.
90
O diferencial do NTC é ser muito mais sensível a variações de temperatura,
comparado com outros sensores de resistência variável com a temperatura, como os RTDs e
os termopares. Porém, o fato de ser mais sensível faz com que se comporte de forma não
linear. A curva que define o comportamento da temperatura pela temperatura tem um
comportamento exponencial.
O termistor PTC é um resistor termicamente sensível, feito de material cerâmico
a base de titanato de bário. Sua resistência elétrica aumenta rapidamente com o aumento da
temperatura, depois que uma determinada temperatura (temperatura de referência ou de
transição) tenha sido ultrapassada.
Características Elétricas do Termistor PTC:
A relação resistência x temperatura em um termistor PTC pode ser considerada
em três partes distintas. A região abaixo de zero grau até Rmax apresenta coeficiente de
temperatura positivo atingindo valores tão altos quanto 200%/C. Acima de Rmax o
coeficiente de temperatura volta a assumir valores negativos.
Característica Tensão / Corrente
A curva (VxI) de um PTC é fortemente influenciada pelas condições de
dissipação de potência do componente assim como pelas condições ambientes. Normalmente
adota-se a temperatura de 25°C sob ar circulante para se levantar a curva (VxI) para o PTC.
91
Aplicações do PTC:
- Sensores de temperatura: Medindo a temperatura de equipamentos
- PTC de aquecimento: Utilizado em equipamentos de aquecimentos como
chapinhas para cabelos, desumidificador de papel.
-PTC de proteção de motores ou termostatos: Usado junto ao enrolamento das
bobinas dos motores indicando a temperatura para um relé de proteção.
- PTC para surto de corrente: Quando acontece um curto-circuito ou uma
condição de elevação de corrente, o PTC sofre uma transição para seu estado de alta
resistência ohmica limitando o fluxo de corrente no circuito, mantendo-o em nível de
operação normal.
6.4. Sensores integrados
Os sensores semicondutores integrados de temperatura são fabricados usando as
características de temperatura da junção pn. Esses sensores são largamente utilizados para
medida de temperatura dentro da faixa de -55°C a +150°C. Na figura abaixo tem-se exemplo
destes sensores.
Isto se deve, principalmente, à pequena dimensão, baixo custo e alta resolução.
Oferecem alta exatidão e linearidade, amplificando o sinal de saída para faixas mais
adequadas (por exemplo, 10m V/°C) ao seu processamento. Esses sensores são também
utilizados para compensação da junção fria em termopares.
A maioria destes sensores utiliza a relação entre a tensão base-emissor de um
transistor bipolar e a sua corrente de coletor conforme Equação abaixo.
92
Figura acima mostra um circuito usado como sensor de temperatura baseado na
relação entre a tensão base-emissor de um transistor bipolar e sua corrente de coletor.
Onde: k é constante de Boltzman, T é a temperatura absoluta, q é a carga do
elétron e Is é a corrente de saturação do transistor que depende, basicamente, da geometria e
da temperatura do transistor.
93
7. Sensores de Proximidade Capacitivos
Os sensores capacitivos permitem medir com grande precisão um grande número
de grandezas físicas, tais como a posição, o deslocamento, a velocidade e a aceleração linear
ou angular de um objeto; a umidade, a concentração de gases e o nível de líquidos ou sólidos;
a força, o torque, a pressão e a temperatura; mas também detectar a proximidade de objetos, a
presença de água e de pessoas, etc. Atualmente existe uma grande variedade de aplicações
que utilizam sensores capacitivos, de forma discreta ou integrada. Por exemplo, são bastante
comuns os sensores capacitivos de pressão, de aceleração, de fluxo de gases ou líquidos, de
umidade, de compostos químicos como o monóxido de carbono, dióxido de carbono, de
temperatura, de vácuo, de nível de líquidos, de força, de deslocamento, etc., uns detectando as
variações na espessura do dielétrico, outros na constante dielétrica. A detecção da variação da
capacidade é geralmente efetuada através da medição da carga acumulada, por exemplo,
através da aplicação de uma tensão constante, ou então indiretamente através da variação da
freqüência de oscilação ou da forma de onda da saída de um circuito, do qual o sensor é parte
integrante.
7.1. Vantagens dos sensores capacitivos de proximidade
- Não possui contato físico com o objeto a ser detectado.
- Cadências elevadas de funcionamento.
- Produto estático, sem peças móveis (a vida útil não depende do número de
manobras).
- Detecção de qualquer objeto independente do material ou da condutividade, tais
como: metais, minerais, madeira, plástico, vidro, papelão, couro, cerâmica, fluidos, etc.
7.2. Princípio de funcionamento
Um sensor de proximidade capacitivo é constituído basicamente de um oscilador,
cujo capacitor é formado por 2 eletrodos localizados na face sensora do produto. No ar (ε0=
1), a capacitância do capacitor é C0, dada pela Equação abaixo:
94
C0 = ε0 . A/d
Onde: A é a área das placas do capacitor, d a distância entre as placas.
Todo material com εr > 2 será detectado. Quando um objeto de qualquer material
(εr > 2) estiver próximo à face sensora, ele modifica o valor da capacitância (C1). Esta
variação da capacitância (C1>C0) provoca o acionamento do oscilador. Após a formatação,
um sinal de saída é liberado.
Na ausência de objeto εr = 1 (no ar), conforme mostrado na Figura abaixo.
Quando um objeto de qualquer material (εr> 2) estiver próximo à face sensora, ele
modifica o valor da capacitância (C1), conforme Figura abaixo. Esta variação na capacitância
(C1>C0) provoca o acionamento do oscilador.
7.3. Sensores embutíveis
Modelos cilíndricos (invólucro metálico) ou retangulares (invólucro plástico).
Utilizados para a detecção de materiais isolantes (madeira, plástico, papelão, vidro, etc). Na
Figura abaixo é mostrado o principio desse sensor. Esse tipo é recomendado quando:
-As distâncias de detecção são relativamente pequenas;
-As condições de montagem necessitam que o sensor seja embutido;
95
-Deve-se efetuar a detecção de um material não condutor através de uma parede
que não seja condutora (exemplo: detecção de vidro através de uma embalagem de papelão).
7.4. Sensores não embutíveis
Modelos cilíndricos (invólucro plástico).
Utilizados para a detecção de materiais condutores (metal, água, líquidos, etc). Este tipo é
recomendado para:
- A detecção de um material condutor a grandes distâncias;
- A detecção de um material condutor através de uma parede isolante;
- A detecção de um material não condutor colocado sobre ou diante de uma peça
metálica aterrada.
O principio básico deste sensor é mostrado na Figura abaixo.
96
7.5. Sensibilidade
A distância nominal é definida com uma placa quadrada de aço doce, com 1 mm
de espessura. A dimensão da lateral da placa é igual à dimensão da face sensora. Os sensores
cilíndricos e os retangulares geralmente possuem um potenciômetro de ajuste (20 voltas) que
permite ajustar a sensibilidade do sensor ao tipo de objeto a ser detectado, conforme Figura
abaixo. Uma regulagem nominal da sensibilidade é efetuada em fábrica. Dependendo da
aplicação, um ajuste da sensibilidade poderá ser necessário, a saber:
- aumento da sensibilidade para os objetos de fraca influência (εr baixo): papel,
papelão, vidro, plástico,
- manutenção ou diminuição da sensibilidade para os objetos de forte influência
(εr elevado): metais, líquidos.
Os sensores capacitivos geralmente possuem eletrodos de compensação, que
permitem eliminar as influências das variações do meio ambiente (umidade, poluição).
Entretanto, quando houver variações acentuadas do meio ambiente, deve-se tomar a
precaução de que o aumento da sensibilidade não coloque o produto em uma faixa crítica de
funcionamento. O aumento da sensibilidade corresponde a um alongamento da histerese de
comutação.
Elas dependem da constante dielétrica (εr) do material a ser detectado. Quanto
maior for o valor de εr, mais facilmente o material será detectado. A distância de
funcionamento depende do material do objeto a ser detectado:
St = Sn x Fc
St = distância de trabalho,
Sn = distância sensora nominal,
Fc = fator de correção relacionado ao material do objeto a ser detectado.
97
Exemplo: sensor XT1-M30PA372 para detectar um objeto de borracha com Sn =
10 mm, Fc = 0,3.
Distância de trabalho St = 10 x 0,3 = 3 mm
Na Tabela abaixo têm-se as constantes dielétricas(εr) e os fatores de correção
desse sensor para vários materiais.
Materialεr Fc
Materialεr Fc
Ar1 0 Mica 6...7 0,5 ... 0,6
Álcool 24 0,85 Nylon 4…5 0,5…0,6
Araldite 4 0,36 Papel 2…4 0,3…0,4
Acetona20
0,8 Parafina 2…2,5 0,2…0,3
Amoníaco 15…25 0,75…0,85 Plexiglass 3,2 0,2
Madeira seca 2…7 0,2…0,6 Resina de poliéster 2,8…8 0,3
Madeira úmida 10…30 0,7…0,9 Poliestireno 3 0,2…0,6
Borracha 2,5…3 0,3 Porcelana 5…7 0,3
Cimento (pó) 4 0,35 Leite em pó 3,5...4 0,4…0,5
Cereais 3…5 0,3…0,4 Areia 3...5 0,3...0,4
Água 80 1 Sal 6 0,5
Gasolina 2,2 0,2 Açúcar 3 0,3
Etileno glicol 38 0,95 Teflon 2 0,2
Farinha 2,5…3 0,2…0,3 Vaselina 2...3 0,2...0,3
Óleo 2,2 0,2 Vidro 3...10 0,3...0,7
98
7.6. Precauções de montagem
Para evitar uma interferência mútua entre os sensores deve-se respeitar, durante a
montagem, as distâncias indicadas nas precauções de colocação em funcionamento dos
produtos.
Os modelos cilíndricos embutíveis podem ser montados com a face sensora rente
à superfície do suporte.
Os modelos cilíndricos não embutíveis requerem um espaço livre em torno do
sensor.
7.7. Exemplo de aplicação
Chegada do recipiente: Uma esteira transportadora carrega os recipientes para o
enchimento. Os sensores 1 (para materiais isolantes) e 2 (para materiais condutores) estão
inoperantes, conforme Figura abaixo.
99
Enchimento do recipiente: Assim que o recipiente entra na zona de detecção do
sensor 1, começa a operação de enchimento. O sensor 2 permanece inoperante, conforme
Figura abaixo.
Parada de enchimento: O sensor 2 detecta o líquido no nível desejado e
interrompe o enchimento, conforme Figura abaixo.
100
8. Sensores de proximidade indutivos
Os sensores indutivos apresentados neste trabalho são sensores de aproximação.
Estes sensores são caracterizados por detectarem a presença de obstáculos metálicos a partir
da variação do fluxo magnético.
Para que estes sensores tenham um funcionamento correto, é necessário que se
tenha uma área, em volta do sensor, livre de qualquer material que causa interferência na
medida. Estes sensores são destinados a detecção de peças metálicas. Eles também podem ser
utilizados como sensores de fim de curso. Estes sensores são caracterizados pela freqüência
de comutação (maior número de vezes por segundo que a saída do sensor pode mudar de
estado) e pelo tipo de saída (normalmente aberto-NA: saída que se fecha sempre que um
objeto é detectado na área de detecção ativa; normalmente fechado-NF: saída que se abre
sempre que um objeto é detectado na área de detecção ativa; NPN; PNP).
Permitem detectar sem contato físico, objetos metálicos a uma distância variável
de 0 a 60mm.
8.1. Vantagens da detecção indutiva:
- Não possuem contato físico com o objeto, portanto estão sujeitos a um menor desgaste
- Cadências de funcionamento elevadas
- Tomada de informações de curta duração
- Boa resistência aos ambientes industriais (produtos robustos, inteiramente encapsulados em
resina)
- Aparelhos estáticos: sem peças em movimento no seu interior;
- Vida útil independente do número de manobras.
8.2. Princípio de funcionamento:
O sensor indutivo consiste de uma bobina sobre um núcleo de ferrite, um
oscilador, um circuito de disparo de sinais de comando e um circuito de saída, conforme
Figura abaixo.
101
Princípio de funcionamento:
Quando um objeto metálico 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.
O funcionamento do sensor (Figura abaixo) é obtido com um campo
eletromagnético constante, gerado na frente do sensor. Quando um objeto metálico (alvo),
ferroso ou não-ferroso, entra no campo eletromagnético formado, são induzidas no objeto
correntes de fuga. Estas correntes causam perdas na energia armazenada no campo. A
intensidade das perdas de energia é percebida pelo sensor.
A freqüência de comutação é a velocidade máxima com que o sensor entrega
pulsos individuais discretos quando o alvo entra e sai do campo de detecção.
Este valor é sempre dependente do tamanho do alvo, distância entre alvo e face
ativa, velocidade do alvo e tipo de sensor.
102
8.3. Tipos de saída
A saída dos sensores indutivos pode ser do tipo NA (normalmente aberta) ou NF
(normalmente fechada) ou complementares (NA+NF) conforme Figura abaixo.
Na Tabela abaixo tem-se o resumo das principais características de acionamento
das saídas dos sensores indutivos.
103
8.4. Aplicação
Pode-se usar um sensor indutivo para contar a velocidade de um motor. O sensor
indutivo comutará sua saída sempre que detectar a presença do anteparo metálico, conforme
Figura abaixo.
8.5. Precauções na montagem
Para um funcionamento adequado dos sensores indutivos deve-se respeitar certas
distâncias, conforme ilustrado nas Figuras abaixo.
Anteparo metálico
Potenciômetro de ajuste de Fr
Material não metálico
104
9. Sensores Ópticos
Os sensores ópticos são componentes eletrônicos de sinalização e comando que
executam detecção de qualquer material sem que haja contato mecânico entre eles. Esses
podem ser divididos em dois tipos, os infravermelhos ativos e os passivos.
9.1. Vantagens dos sensores ópticos:
- não requerem sinal de referência
- monitoramento remoto (10 - 1000 m)
- monitoramento contínuo
- medidas em lugares de difícil acesso
- imunes à interferências eletromagnéticas
9.2. Sensores passivos
Os sensores são ditos passivos quando estes possuem apenas receptores, ou seja,
eles não emitem ondas infravermelhas, apenas detectam a movimentação destas nas suas áreas
de atuação. Ao se detectar um sinal infravermelho, este geralmente é transformado numa
variação de tensão ou de corrente e é interpretado por um circuito eletrônico. Seu uso é
recomendável principalmente em ambientes fechados, pois a faixa de operação efetiva destes
sensores é inferior a dos ativos, e raramente ultrapassa 20 metros. Esse é utilizado
principalmente para alarmes de intrusão, pois detecta o calor humano a uma distância
razoável (15 a 20m), vide Figura abaixo.
105
9.3. Sensores ativos
Dentro dos infravermelhos ativos, podem-se caracterizar três grupos principais, de
acordo com o seu princípio de funcionamento:
• sistema por barreira (ópticas alinhadas);
• sistema por reflexão;
• sistema por retroreflexão.
Um sensor é dito ativo quando este possui um emissor, por onde é emitida uma
onda infravermelha, esta invisível à visão humana, e por um receptor que detecta esta onda.
Sua utilização é recomendada tanto para ambientes internos como para ambiente externos,
pois possuem uma faixa de operação considerável (podem detectar objetos a mais de 100
metros de distância).
9.3.1. Sensores de barreira
Dentro dos infravermelhos ativos, temos aqueles que funcionam no sistema por
barreira, onde o elemento transmissor de irradiação infravermelha é alinhado frontalmente a
um receptor infravermelho, a uma distância pré-determinada para cada tipo de sensor. Se
ocorrer alguma interrupção desta irradiação, ocorrerá um chaveamento eletrônico, pois não
haverá sinal recebido pelo receptor. Um esquema de um sensor por barreira é mostrado na
Figura abaixo.
9.3.2. Sensores de reflexão
Os sistemas por difusão e por reflexão caracterizam-se pelos emissores e
receptores estarem dispostos lado a lado em um mesmo conjunto óptico.
106
Nos sistemas por difusão o emissor e o receptor são montados num mesmo
dispositivo. Os raios infravermelhos emitidos pelo emissor incidem diretamente sobre um
objeto, o qual retorna um feixe de luz em direção ao receptor.
De acordo com o tempo de resposta, determina-se à distância na qual o objeto está
disposto e então ocorre um chaveamento eletrônico correspondente. Um esquema é mostrado
na Figura abaixo.
9.3.3. Sensores de retrorreflexão
No sistema por retrorreflexão, os raios infravermelhos são emitidos em direção a
um espelho prismático. Neste caso, o chaveamento ocorrerá quando se retirar o espelho ou
quando se interromper a barreira dos raios infravermelhos entre o sensor e o espelho com um
objeto ou corpo de qualquer natureza, fazendo com que o receptor não receba mais um sinal
Este esquema é mostrado na Figura abaixo.
107
9.4. Aplicações
- contagem de números de objetos;
- detecção de presença;
- posicionamento de objetos;
Nas Figuras são apresentados exemplos dessas aplicações.
108
10. Sensores Ultra-sônicos
Os sensores ultra-sônicos de movimento ativam um cristal de quartzo, que emitem
ondas ultra-sônicas através do espaço. A unidade detecta então a freqüência das ondas
refletidas. Se houver movimento a freqüência da onda deslizará ligeiramente (efeito Doppler).
Os sensores ultra-sônicos funcionam a freqüências que estão acima da sensibilidade humana
(20 kHz). As freqüências de funcionamento típicas são de 25, 30 e 40 kHz. Os sensores ultra-
sônicos assim como os sensores capacitivos, indutivos e ópticos podem sem usados para
detecção de movimento. Os sensores ultra-sônicos de movimento ativam um cristal de
quartzo, que emite ondas ultra-sônicas através do espaço.
As ondas de ultra-sons cobrem toda a área de uma forma contínua: não existem
buracos ou vazios no padrão de cobertura.
Por este motivo, os sensores de ultra-sons são um pouco mais sensíveis ao
movimento. Por exemplo, o movimento de uma mão pode ser detectado a uma distância de
7.5 m, o movimento dos braços e parte superior do tronco podem ser detectados a uma
distância de 9 m, e o movimento do corpo inteiro pode ser detectado a mais de 12 m. A gama
de sensibilidade de diferentes produtos varia de forma significativa.
As variáveis que podem efetuar a operação de um sensor ultra-sônico: ângulo de
superfície do objeto, rugosidade da superfície, mudanças de temperatura ou umidade do ar. Os
objetos podem ter qualquer forma reflexiva, inclusive redonda.
A Figura abaixo mostra o padrão de detecção de um sensor ultra-sônico. As ondas
de ultra-sons cobrem toda a área de uma forma contínua: não existem buracos ou vazios no
padrão de cobertura.
As aplicações são praticamente as dos sensores ópticos, no entanto esses sensores
não podem ser percebidos, não sendo detectado pelos intrusos.
109
Exemplos de sensores ultra-sônicos comerciais são mostrados na Figura abaixo.
110
11. Sensores de vazão
Líquidos, vapores e gases em movimento, podem ser medidos com relação a sua
vazão e volume.
Vazões são volumes determinados por unidade de tempo e podem ser medidas na
forma de vazões volumétricas ( m3/h ; L/min ) , ou vazões mássicas ( ton/h ; kg/min ).
Medição de Vazão
A vazão de um fluido é a quantidade de material que flui por um determinado
local na unidade do tempo. Pode-se medir a vazão instantânea ou a vazão média do material
que está escoando, podendo-se ainda estabelecer as condições de pressão e temperatura em
que a medição da vazão foi feita.
Vazão em Volume ou Volumétrica - (Q)
A vazão em volume é dada pela relação entre o volume escoado V e o tempo t que
esse volume levou para escoar: A velocidade de escoamento v do fluido em uma distância h é
dada por:
v = h / t
No mesmo tempo t que o fluido levou para se deslocar, o volume V do fluido que
passou preenche toda a parte do conduto e é dado por:
V = A.h
fazendo t = h / v, temos:
Q = V / t ; Q = (A.h) / (h / v) ; então Q = A.v , ou seja, a vazão em volume é igual
ao produto da área de seção transversal do conduto pela velocidade de deslocamento do fluido
dentro desse conduto.
Vazão em Massa ou Mássica - (W)
A vazão em massa é dada pela relação entre a massa escoada m e o tempo t que
essa massa levou para escoar:
W = m / t
Como a massa específica ρ é a relação entre a massa m e o volume V, temos:
ρ = m / V e m = ρ .V ; então W = ρ.V / t ; como V / t = Q, temos:
W = ρ.Q
Regimes de escoamento de fluidos em tubulações / Regime Laminar e Regime Turbulento
O escoamento de um fluido numa tubulação pode ser caracterizado por um dos
seguintes regimes: o laminar e o turbulento.
Número de Reynolds (Re)
O escoamento em um tubo depende de quatro variáveis, elas são combinadas em
um valor numérico adimensional conhecido como número de Reynolds. O número de
Reynolds de uma instalação é dado por:
Re = v D ρ / μ
Onde:
v = velocidade de escoamento.
D = diâmetro da tubulação
ρ = densidade
μ = viscosidade absoluta
Se a instalação apresentar Re < 2300, o escoamento será laminar; se Re > 4000, o
escoamento será turbulento; se 2300 < Re < 4000, então o escoamento será uma transição
entre o regime laminar e o regime turbulento.
Distribuição de velocidades
Nas medições de vazões na indústria o regime de escoamento na maioria dos
casos é turbulento. O regime turbulento é caracterizado por um perfil de velocidades mais
uniforme que o perfil correspondente ao regime laminar.
Viscosidade
A viscosidade e uma característica das mais importantes dos fluidos já que
interfere diretamente no regime de escoamento do mesmo.
112
Viscosidade absoluta
A viscosidade pode ser definida como sendo a resistência que o fluido oferece ao
deslocamento de suas partículas em relação umas as outras.
Viscosidade Cinemática
A viscosidade cinemática ν de um fluido é a relação entre a viscosidade absoluta μ
e a massa específica do fluido ρ , à mesma temperatura:
ν = μ / ρ
No sistema internacional (SI) a unidade é o metro quadrado por segundo ( m²/ s).
No sistema CGS, a unidade é o stokes. 1 stokes = 1 cm² / s . O centistokes ( cSt ) é a unidade
usada geralmente para líquidos derivados do petróleo: 1 cSt = 10-6 m² / s.
11.1. Medidores de vazão por pressão diferencial
Para se medir a vazão de um fluido por pressão diferencial, são necessários dois
dispositivos:
a) Um elemento primário capaz de provocar uma perda de pressão no fluido;
b) Um medidor (geralmente transmissor) de pressão diferencial capaz de medir
essa perda de pressão.
Podem ser usados instrumentos tais como: manômetros em U, de foles opostos, de
diafragmas, ou transmissores por equilíbrio de forças, sejam estes eletrônicos ou pneumáticos,
etc.
A perda de pressão na linha é causada principalmente pelo aquecimento e ruído
que dissipam parte da energia inicial da linha, isto é, à montante. Os elementos primários de
medição de pressão diferencial mais usados são:
a) Placas de Orifício;
b) Tubos de Venturi;
c) Tubo Pitot;
d) Bocais.
113
11.1.1. Placas de Orifício
O tipo mais comum consiste numa chapa fina com um furo circular. Três tipos
padrões são conhecidos. A mais utilizada é a placa com furo circular concêntrico com a linha
central do tubo. Do lado da entrada do fluido a borda do furo deve ser em ângulo reto e do
outro lado deve se chanfrada 45º. Outro tipo de placa é a excêntrica, geralmente usada para
fluidos contendo material pesado. A placa com furo segmentado é empregada para fluidos
contendo sólidos em suspensão.
Tipos de placa de orifício:
a) orifício concêntrico; b) orifício excêntrico; c) orifício segmentado.
A placa é colocada entre flanges e as tomadas de pressão podem ser feitas nos
flanges, nos tubos (2 1/2D e 8D, antes e depois da placa, D = diâmetro interno do tubo), ou na
"vena contracta"(veia contraída), onde a tomada de alta pressão é feita.
Na figura a seguir, podemos observar a variação de pressão do fluido ao longo da
tubulação, nas proximidades de um elemento deprimogênio de uma placa de orifício.
114
11.1.2. Tubo Venturi
Como se vê na Figura abaixo, um tubo Venturi combina, em uma só unidade, um
estrangulamento na seção do tubo entre duas ligações para a medida da pressão diferencial.
Consta de três partes: uma seção cônica de entrada com diâmetro decrescente, uma seção
paralela central e uma seção cônica de saída, com diâmetro crescente. É geralmente usado na
medição de líquidos com sólidos em suspensão ou quando se requer uma pequena perda de
pressão na linha. A tomada de alta pressão é colocada meio diâmetro a montante do cone de
entrada e a de baixa no meio da seção central.
11.1.3. Tubo Pitot
Este instrumento mede a diferença entre a pressão estática e a pressão total dada
pela soma da pressão estática e aquela devida a velocidade do fluido. Um tubo Pitot possui
duas aberturas para a medição das pressões, uma perpendicular ao eixo do fluxo, sendo esta a
tomada de baixa pressão e a outra, com frente para o fluido, fornecendo o ponto de impacto é
a tomada de alta.
A diferença entre pressão total e a pressão estática da linha nos dará a pressão
dinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da velocidade.
115
Bocais
Situada na tubulação com duas tomadas, conforme Figura abaixo, permite a
medição de vazões 60% superiores as de placa de orifício nas mesmas condições de serviço.
A sua perda de carga é 30% a 80% da pressão diferencial. Sua principal aplicação
é na medição de vapor com alta velocidade e fluidos que arrastam sólidos em pequena
quantidade.
_____
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
116
________________________________________
11.1.4. Medidor de Área Variável
Um rotâmetro possui um flutuador colocado dentro de um tubo de diâmetro
variável, geralmente de vidro. O lado do diâmetro menor está na parte inferior e é a entrada do
fluido. O flutuador alcança uma posição de equilíbrio que é proporcional ao escoamento
quando a força ascendente do fluido, passando pelo espaço anular, torna-se igual ao peso
(força descendente) do flutuador. A vazão pode ser lida diretamente em uma escala graduada.
____
______ __________________________________________
117
__________________________________________________________
Existem vários tipos de flutuadores. Por exemplo:
11.1.5. Medidores tipo turbina
A turbina é um instrumento de excelente precisão, mas de confiabilidade limitada.
A turbina propriamente dita, peça móvel principal, está numa seção de passagem do fluido.
Este pode ser gás ou líquido, mas precisa ser limpo. Os sólidos em suspensão podem interferir
na livre rotação da turbina.
Existem dois tipos de turbina: as mecânicas e as eletrônicas. Nas turbinas
mecânicas existe a transmissão de movimento através da utilização de engrenagens de
precisão. Nas turbinas eletrônicas são usados pick-off , sensores de passagem das paletas de
turbinas.
118
11.1.6. Magnéticos
Consiste na aplicação da lei de FARADAY, em que o condutor móvel é o próprio
fluido que, colocado num campo magnético, provoca a geração de uma diferença de potencial
proporcional à velocidade média do fluido. A grande limitação de seu uso é que o fluido
medido precisa ser líquido e ligeiramente condutor de eletricidade, o que elimina os
hidrocarbonetos. Na Figura abaixo tem-se um esquema que ilustra o funcionamento deste
sensor.
11.1.7. Ultra-sônicos
Podem ser intrusivos, isto é, o feixe de ultra-som é emitido e recebido através de
furos na tubulação, podem ser também não intrusivos fazendo-se a medição por auscultação.
Nos medidores de tempo de trânsito, o medidor não pode conter partículas
estranhas. Um transdutor emissor/detector de ultra-som é fixado de cada lado do tubo,
formando com o eixo da tubulação um certo ângulo. Os transdutores transmitem e recebem,
alternativamente, um trem de ondas ultra-sônicas de pequena duração.
O tempo de duração de transmissão é levemente inferior quando a emissão é
orientada para jusante, e levemente superior quando orientada para montante. As diferenças
de tempo de trânsito servem de base para a medição de velocidade média do fluido na seção
considerada.
119
Nos medidores de efeito DOPPLER, são impurezas, partículas ou
descontinuidades do fluido que refletem as ondas sonoras. Os transdutores emissores projetam
um feixe contínuo de ultra-som na faixa de centenas de Hertz. Os ultra-sons refletidos por
partículas veiculadas pelo fluido têm sua freqüência alterada proporcionalmente à
componente da velocidade das partículas na direção do feixe.
A influência da concentração de partículas do fluido medido afeta sobremaneira a
medição de vazão. O resultado é uma medição de velocidade de determinada parcela da seção
de escoamento, nem sempre numa relação constante com a vazão. Exemplo de aplicação deste
sensor é mostrado na Figura abaixo.
11.1.8. Medidores tipo vórtices
Vórtices ou turbilhões aparecem quando se introduz um obstáculo ou quando se
provoca uma determinada mudança de direção no escoamento de um fluido. Nos medidores
de vórtice, uma barra de formato adequado é colocada transversalmente ao tubo. A partir de
uma certa velocidade, os turbilhões começarão a se formar alternadamente de cada lado da
barra.
120
_
________________A uma determinada realização corresponde um certo número de Strouhal (S),
função de freqüência de sucessão de dos turbilhões(f), do obstáculo (D) e da velocidade do
fluido (V). Sendo S uma constante e D fixada pelas dimensões do sensor, a freqüência de
sucessão dos turbilhões é diretamente proporcional à velocidade do fluido. A detecção dos
turbilhões pode ser feita por sensores térmicos, extensométricos ou eletromecânicos.
11.1.9. Medidores tipo CORIOLIS
Estes medidores possuem uma grande aplicação nas indústrias química, petróleo,
papel, alimentícia, farmacêutica, etc..., e sua medição é independente das variáveis de
processo tais como: densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do
fluido.
Um medidor CORIOLIS, possui dois componentes : tubos de sensores de medição
e transmissor. Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e ficam vibrando na sua
própria freqüência natural à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu.
O efeito Coriolis se manifesta toda vez que um corpo se movimenta sobre um
sistema em movimento, isto é, quando um fluido qualquer é introduzido no tubo em vibração,
causa uma deformação no tubo em forma de uma torção, que é captada por meio de sensores
magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoidais.
O sensor consiste basicamente de um par de tubos, convenientemente dobrados
montados em paralelo e conectados à linha percorrida pelo fluido a ser medido através de um
bloco de conexão.
121
Na entrada do bloco de conexão, o fluxo principal é separado em dois fluxos
parciais paralelos, que se deslocam uniformemente através do par de tubos, e quase se juntam
novamente na saída.
Os tubos, juntamente com as duas hastes e as barras de torção, formam um
sistema capaz de oscilar, quando for eletronicamente excitado através de bobinas, com uma
freqüência natural de vibração, como se fosse um diapasão. Nas extremidades dos
semicírculos formados pelos tubos, existem duas bobinas de indução, estas bobinas
convertem a oscilação mecânica induzida no sistema em oscilação elétrica gerando duas
ondas senoidais proporcionais à velocidade angular de um tubo em relação ao outro.
O transmissor é composto de um circuito eletrônico que gera um sinal para os
tubos de vazão, alimenta e recebe o sinal de medida, propiciando saídas analógicas de 4 à 20
mA, de freqüência ( 0 à 10 kHz ) e até digital RS 232 e/ou RS 485. Estas saídas são enviadas
para instrumentos receptores que controlam bateladas, indicam vazão instantânea e totalizada
ou para CLP’s, SDCD’s, etc...
122
12. Sensores de Nível
Nível é a altura do conteúdo de um reservatório que pode ser sólido ou líquido.
Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois
através de sua medição torna-se possível:
a) Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento.
b) Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou
sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, etc.
c) Segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode
ultrapassar determinados limites.
12.1. Métodos de Medição de Nível de Líquido
Os três tipos básicos de medição de nível são:
a) direto b) indireto c) descontínuo
12.1.1. Medição Direta
É a medição que tomamos como referência a posição do plano superior da
substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de
nível, bóia ou flutuador.
12.1.1.1. Régua ou Gabarito
Consiste em uma régua graduada a qual tem um comprimento conveniente para
ser introduzida dentro do reservatório a ser medido.
123
A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento
molhado na régua pelo líquido.
12.1.1.2. Visores de Nível
Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes, o nível é observado por um
visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor.
Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados.
12.1.1.3. Bóia ou Flutuador
124
Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um
contrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível em uma
escala.
Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos.
12.1.2. Medição de Nível Indireta
Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de grandezas
físicas como : pressão, empuxo , radiação e propriedades elétricas.
12.1.2.1. Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pressão diferencial)
Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida,
para medirmos indiretamente o nível, como mostra abaixo o Teorema de Stevin:
P = γ.h
Onde:
P = Pressão em mm H2O ou polegada H2O
h = nível em mm ou em polegadas
γ = densidade relativa do líquido na temperatura ambiente.
125
Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque
seja ele aberto ou pressurizado.
12.1.2.2. Medição por Pressão Diferencial em Tanques Pressurizados.
Neste tipo de medição, a tubulação de impulso da parte de baixo do tanque é
conectada à câmara de alta pressão do transmissor de nível. A pressão atuante na câmara de
alta é a soma da pressão exercida sob a superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna
de líquido no fundo do reservatório. A câmara de baixa pressão do transmissor de nível, é
conectada na tubulação de impulso da parte de cima do tanque onde mede somente a pressão
exercida sob a superfície do liquido.
12.1.2.3. Supressão de Zero
Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o
transmissor é instalado abaixo do tanque. Outras vezes a falta de plataforma fixadora em torno
126
de um tanque elevado resulta na instalação de um instrumento em um plano situado em nível
inferior à tomada de alta pressão.
Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro
da tomada de impulso, se o problema não for contornado, o transmissor indicaria um nível
superior ao real.
12.1.2.4. Elevação de Zero
Quando o fluido do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fluído se
condensa nas tubulações de impulso, ou ainda no caso do fluído ser corrosivo, devemos
utilizar um sistema de selagem nas tubulações de impulso, das câmaras de baixa e alta pressão
do transmissor de nível. Selam-se então ambas as tubulações de impulso, bem como as
câmaras do instrumento.
Na figura abaixo, apresenta-se um sistema de medição de nível com selagem, no
qual deve ser feita a elevação, que consiste em anular-se a pressão da coluna líquida na
tubulação de impulso da câmara de baixa pressão do transmissor de nível.
127
12.1.2.5. Medição de Nível com Borbulhador
Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos,
corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância. Neste sistema necessitamos de um
suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática
exercida pelo líquido. Este valor normalmente é ajustado para aproximadamente 20% a mais
que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma
válvula agulha, um recipiente com líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um
indicador de pressão.
Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em
pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso a qual
queremos medir seu nível, teremos então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no
líquido o qual queremos medir o nível. Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos
um indicador de pressão que indicará um valor equivalente a pressão devido ao peso da
coluna líquida. Nota-se que teremos condições de instalar o medidor a distância.
128
12.1.2.6. Medição de Nível por Empuxo
Baseia-se no princípio de Arquimedes: “Todo o corpo mergulhado em um fluido
sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do volume do
fluído deslocado.”
A esta força exercida pelo fluído do corpo nele submerso ou flutuante chamamos
de empuxo.
E = V . γ
onde:
E = empuxo
V = volume deslocado
γ = peso específico do líquido
Baseado no princípio de Arquimedes usa-se um deslocador (displacer) que sofre o
empuxo do nível de um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de
um tubo de torque.
O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo nível
estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade.
Através dessa técnica podemos medir nivel de interface entre dois líquidos não
miscíveis.
Na indústria muitas vezes temos que medir o nível da interface em um tanque
contendo 2 líquidos diferentes. Este fato ocorre em torres de destilação, torres de lavagem,
decantadores etc.
129
Um dos métodos mais utilizados para a medição da interface é através da variação
do empuxo conforme citaremos a seguir.
Consideremos um flutuador de forma cilíndrica mergulhado em 2 líquidos com
pesos específicos diferentes γ1 e γ2.
Desta forma, podemos considerar que o empuxo aplicado no flutuador, será a
soma dos empuxos E1 e E2 aplicados no cilindro, pelos líquidos de pesos específicos γ1 e γ2,
respectivamente. O empuxo será dado pôr:
Et = E1 + E2
onde:
E1 = V1 . γ1 e E2 = V2 . γ2
Assim para diferentes valores de altura de interface, teremos diferentes variações
de empuxo.
12.1.2.7. Medição de Nível por Radiação
Os medidores que utilizam radiações nucleares se distinguem pelo fato de serem
completamente isentos do contato com os produtos que estão sendo medidos. Além disso,
dispensando sondas ou outras técnicas que mantém contato com sólidos ou líquidos tornando-
se possível, em qualquer momento, realizar a manutenção desses medidores, sem a
interferência ou mesmo a paralisação do processo.
Dessa forma os medidores que utilizam radiações podem ser usados para
indicação e controle de materiais de manuseio extremamente difícil e corrosivos, abrasivos,
muito quentes, sob pressões elevadas ou de alta viscosidade.
130
O sistema de medição por raios gamas consiste em uma emissão de raios gamas
montado verticalmente na lateral do tanque do outro lado do tanque teremos um câmara de
ionização que transforma a radiação Gama recebida em um sinal elétrico de corrente contínua.
Como a transmissão dos raios é inversamente proporcional a altura do líquido do tanque, a
radiação captada pelo receptor é inversamente proporcional ao nível do líquido do tanque, já
que o material bloquearia parte da energia emitida.
12.1.2.8. Medição de Nível por Capacitância
A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre 2 superfícies condutoras
isoladas entre si.
O medidor de nível capacitivo mede as capacidades do capacitor formado pelo
eletrodo submergido no líquido em relação as paredes do tanque. A capacidade do conjunto
depende do nível do líquido.
O elemento sensor, geralmente é uma haste ou cabo flexível de metal. Em
líquidos não condutores se empregam um eletrodo normal, em fluídos condutores o eletrodo é
isolado normalmente com teflon. A medida que o nível do tanque for aumentando o valor da
capacitância aumenta progressivamente a medida que o dielétrico ar é substituído pelo
dielétrico líquido a medir.
131
A capacitância é convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica
sendo este sinal indicado em um medidor.
A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato , através
de sondas de proximidade . A sonda consiste de um disco compondo uma das placas do
capacitor. A outra placa é a própria superfície do produto ou a base do tanque.
12.1.2.9. Medição de Nível por Ultra Som
A medição pela tecnologia do ultra-som baseia-se no tempo de trânsito (transit
time) que uma onda sonora leva para se deslocar em um meio.
Um sensor ultra-sônico (transmissor/receptor) emite uma onda na freqüência do
ultra-som, que se desloca pelo ambiente até atingir a superfície do material que se quer medir;
132
ao atingir a superfície do material, o sinal é refletido de volta ao sensor. Pelo tempo decorrido
desde a emissão do sinal até o seu retorno pode-se obter a distância percorrida pelo mesmo
(vide Figura abaixo).
Assim, o sinal ultra-sônico refletido será enviado a um módulo eletrônico para ser
processado, e através de um algoritmo será convertido em nível, vazão, distância ou outra
variável associada. O módulo eletrônico é responsável não somente pelo cálculo, mas também
pelas outras funções inerentes ao equipamento, tais como: linearização de sinal, saída 4-20
mA, indicação da variável do processo em unidade de engenharia, totalização de vazão,
alarme, comunicação digital etc.
Os módulos eletrônicos podem ter a configuração integral ou remota, sendo que
em ambos os casos o usuário poderá realizar a parametrização de forma extremamente
simples.
133
Os dispositivos do tipo ultra-sônico podem ser usados tanto na detecção contínua
de nível como na descontínua.
Os dispositivos destinados a detecção contínua de nível caracterizam-se,
principalmente, pelo tipo de instalação, ou seja, os transdutores podem encontrar-se
totalmente submersos no produto, ou instalados no topo do equipamento sem contato com o
produto.
12.1.2.10. Medição de Nível por Radar
Possui uma antena cônica que emite impulsos eletromagnéticos de alta freqüência
à superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida será então
calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e a recepção do sinal.
Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e
sólidos em geral. A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultra-sônico é a
imunidade à efeitos provocados por gases, pó, e espuma entre a superfície e o detetor, porém
possuem um custo relativo alto.
12.1.3. Medição de Nível Descontínua
Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível
atinge certos pontos desejados como por exemplo em sistemas de alarme e segurança de nível
alto ou baixo.
12.1.3.1. Medição de nível descontínua por condutividade
Nos líquidos que conduzem eletricidade, podemos mergulhar eletrodos metálicos
de comprimento diferente. Quando houver condução entre os eletrodos teremos a indicação de
que o nível atingiu a altura do último eletrodo alcançado pelo líquido.
134
12.1.3.2. Medição de Nível descontínua por bóia
Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde simples
bóia acoplada a contatos elétricos a sensores eletrônicos do tipo capacitivo ou ultra-sônico,
onde diferenciam-se entre si pela sensibilidade, tipo de fluido, características operacionais
instalação e custo.
135
12.1.3.3. Medição de Nível de Sólidos
É necessário medir o nível dos sólidos, geralmente em forma de pó ou grãos, em
silos, alto-fornos etc., pelos mesmos motivos da medição de nível dos líquidos. Esta medição
é comumente feita por dispositivos eletromecânicos, onde é colocada uma sonda sobre a carga
ou conteúdo. O cabo da sonda movimenta um transdutor eletromecânico, que envia um sinal
para um indicador, cuja a escala é graduada para nível. Essa técnica apesar de simples tem
como desvantagem a grande incidência de manutenção tornando-a inviável em muitos casos.
Outros medidores como os radioativos, capacitivos, ultra-sônicos, radares e
sistemas de pesagem com células de carga podem ser utilizados com bastante eficiência e
precisão apesar de possuírem em alguns casos o custo elevado.
136
13. Encoder
(Este tópico foi extraído na íntegra da revista Mecatrônica Atual, Editora Saber. Autor: Juliano Matias).
Este é sem dúvida nenhuma um dos equipamentos mais usados em Automação
Industrial, pois com ele conseguimos converter movimentos angulares e lineares em
informações úteis à nossa máquina ou processo.
Os encoders são transdutores de movimento capazes de converter movimentos
lineares ou angulares em informações elétricas que podem ser transformadas em informações
binárias e trabalhadas por um programa que converta as informações passadas em algo que
possa ser entendido como distância, velocidade, etc. Em outras palavras, o encoder é uma
unidade de realimentação que informa sobre posições atuais de forma que possam ser
comparadas com posições desejadas e seus movimentos sejam planejados.
13.1. Princípio de funcionamento
Os encoders possuem internamente um ou mais discos (máscaras) perfurado, que
permite, ou não, a passagem de um feixe de luz infravermelha, gerado por um emissor que se
encontra de um dos lados do disco e captado por um receptor que se encontra do outro lado do
disco, este, com o apoio de um circuito eletrônico gera um pulso, conforme Figura abaixo.
Dessa forma a velocidade ou posicionamento é registrada contando-se o número de pulsos
gerados.
A quantidade de pulsos em uma volta, nos encoders rotativos, demonstra a relação
impulso/volta do mesmo. Quanto maior for esta relação maior a precisão obtida. Por exemplo,
um encoder que gera 50 pulsos por volta teria a seguinte relação angular: 360°/50 pulsos = 1
pulso a cada 7,2°.
Pode-se determinar o sentido da rotação utilizando duas fileiras de furos uma
defasada em 90° em relação à outra, sendo assim em um sentido a fileira mais próxima do
centro estará adiantada em relação à outra e no sentido inverso ocorre também o inverso.
137
13.2. Tipos de encoders
Basicamente há dois tipos de realimentação de posição: o encoder incremental e o
encoder absoluto, os quais serão explicados abaixo:
13.2.1. Encoders Incremental
O encoder ótico incremental possui apenas uma trilha com dentes igualmente
espaçados. A posição é determinada pela contagem do número de dentes que passam na frente
de um fotosensor, onde cada dente representa um ângulo conhecido. O sistema requer um
ponto de referência inicial, conforme Figura abaixo.
138
Um fotosensor apenas não permite determinar o sentido de rotação do disco. Um sistema com
dois fotosensores pode ser utilizado.
O encoder incremental fornece normalmente dois pulsos quadrados defasados em
90º, que são chamados usualmente de canal A e canal B. A leitura de somente um canal
fornece apenas a velocidade, enquanto que a leitura dos dois canais fornece também o sentido
do movimento. Um outro sinal chamado de Z ou zero também está disponível e ele dá a
posição absoluta "zero" do encoder. Este sinal é um pulso quadrado em que a fase e a largura
são as mesmas do canal A. Veja um exemplo na Figura abaixo.
A resolução do encoder incremental é dada por pulsos/revolução (normalmente
chamado de PPR), isto é, o encoder gera uma certa quantidade de pulsos elétricos por uma
revolução dele próprio (no caso de um encoder rotativo). Para determinar a resolução basta
dividir o número de pulsos por 360º, por exemplo, um encoder fornecendo 1024 pulsos/
revolução, geraria um pulso elétrico a cada 0,35º mecânicos. A precisão do encoder
incremental depende de fatores mecânicos, elétricos e ambientais, que são: erros na escala das
janelas do disco, excentricidade do disco, excentricidade das janelas, erro introduzido na
leitura eletrônica dos sinais, temperatura de operação e nos próprios componentes
transmissores e receptores de luz. Normalmente, nos encoders incrementais são
139
disponibilizados além dos sinais A, B e Z, também os sinais complementares, /A, /B e /Z . Na
Figura abaixo é mostrado um encoder incremental.
13.2.2. Encoders Absoluto
Este encoder se diferencia dos outros pois possui vários sensores óticos que
combinados entre si geram um código binário, para cada posição do disco.
O princípio de funcionamento de um encoder absoluto e de um encoder
incremental é bastante similar, isto é, ambos utilizam o princípio das janelas transparentes e
opacas, com estas interrompendo um feixe de luz e transformando pulsos luminosos em
pulsos elétricos. Exemplo de Um encoder absoluto é mostrado na Figura abaixo.
140
O elemento básico é um disco de vidro estampado por um padrão de trilhas
concêntricas. Vários feixes de luz atravessam cada trilha para iluminar fotosensores
individuais, conforme Figura abaixo.
O encoder absoluto possui um importante diferencial em relação ao encoder
incremental: a posição do encoder incremental é dada por pulsos a partir do pulso zero,
enquanto a posição do encoder absoluto é determinada pela leitura de um código e este é
único para cada posição do seu curso; conseqüentemente os encoders absolutos não perdem a
real posição no caso de uma eventual queda da tensão de alimentação (até mesmo se
deslocados). Quando voltar a energia ao sistema, a posição é atualizada e disponibilizada para
o mesmo (graças ao código gravado no disco do encoder) e, com isso, não se precisa ir até a
posição zero do encoder para saber a sua localização como é o caso do incremental. O código
de saída é utilizado para definir a posição absoluta do encoder. O código mais empregado é o
binário, pois este é facilmente manipulado por um circuito relativamente simples e, com isso,
não se faz necessário nenhum tipo de conversão para se obter a posição real do encoder. O
código é extraído diretamente do disco (que está em rotação). O sincronismo e a aquisição da
posição no momento da variação entre dois códigos tornam-se muito difíceis. Se nós
pegarmos como exemplo dois códigos consecutivos binários como 7 (0111) e 8 (1000),
notaremos que a variação de zero para um e um para zero ocorre em todos os bits, e uma
leitura feita no momento da transição pode resultar em um valor completamente errado
(Figura abaixo).
141
Para solucionar esse problema é utilizado um código binário chamado "Código
Gray", que tem a particularidade de na comutação de um número para outro somente um bit
ser alterado como podemos verificar na Tabela abaixo.
O código Gray pode ser convertido facilmente em código binário pelo simples
circuito de lógica combinacional da Figura abaixo.
142
A resolução do encoder absoluto é dada por contagem/revolução, isto é, se ele
tiver no seu disco (encoder rotativo) 12 faixas para o código Gray, então terá 212
combinações possíveis perfazendo um total de 4096 combinações. Fazendo algumas contas,
concluiremos que o encoder gera uma combinação de códigos a cada 0,0879º ou 0º8m79s.
Podemos verificar outras resoluções para encoders absolutos na Tabela abaixo.
143
Os encoders absolutos podem ter sua resolução definida em uma única revolução
(single turn) ou em várias revoluções (multi turn), ou seja, se um encoder é para uma
revolução, a cada revolução o valor da contagem é reinicializado, ao contrário de um encoder
para várias revoluções onde seu valor só é reinicializado depois de um certo número de voltas.
Seguem na Tabela abaixo algumas especificações de encoders absolutos.
144
Como poderão observar, existem resoluções múltiplas de 2 e também múltiplas de
360, portanto, a escolha de um ou de outro dependerá diretamente da sua aplicação.
Quando o número bits da resolução do encoder não é potência de 2, a propriedade de mudar
somente um único bit deixa de ser verdadeira no código Gray. Por exemplo, se tivermos um
encoder absoluto com 12 posições/revolução, o código é o ilustrado na Tabela abaixo.
Como podemos notar na passagem da posição 11 para a posição 0, existe uma
mudança de três bits e, como visto anteriormente, envolve erros de leitura que não são
aceitáveis. Com o intuito de não perder a característica de mudança de somente um bit, é feito
um “off-set” a partir do valor zero, que é calculado da seguinte forma:
145
N = X - NPOS / 2
onde: N é o valor do off-set.
X = 2 elevado a n = é o maior valor múltiplo de dois, logo após o NPOS.
NPOS é o número de posições do encoder absoluto. Para o nosso exemplo temos
(Tabela abaixo):
N = (X - 12) / 2 = (16 - 12) / 2 = 2.
X = 2 elevado a 4.
13.3. Aplicações
- em eixos de Máquinas Ferramentas NC e CNC;
- em eixos de Robôs;
- controle de velocidade e posicionamento de motores elétricos;
- posicionamento de antenas parabólicas, telescópios e radares;
- mesas rotativas; e
- medição das grandezas acima mencionadas de forma direta ou indireta.
146
14. Anexos14.1. Simbologia/ ligações
147
148
149
14.2. Folhas de dados
14.2.1. Sensores Capacitivos
150
151
14.2.2. Sensores Indutivosz
152
14.2.3. Sensores Ultra-Sônicos
153
14.2.4. Sensores de Nível Ultra-Sônicos
154
14.2.5. Sensores de temperatura e umidade
155
15. Bibliografia
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