UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL

CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL

DISCIPLINA DE ELETRICIDADE E INSTRUMENTAOSENSORES CAPACITIVOS E INDUTIVOSCaxias do Sul

2014SENSORES CAPACITIVOS E INDUTIVOSTrabalho apresentado como pr-requisito para aprovao na Disciplina de Eletricidade e Instrumentao, do Curso de Engenharia Ambiental, na Universidade de Caxias do Sul, sob orientao do professor Vinicius Zanolla.Caxias do Sul

2014LISTA DE FIGURAS8Figura 1 - Constituio de um sensor indutivo

8Figura 2 - Sensor indutivo

9Figura 3 Interferncias causadas pelos objetos

10Figura 4 Funcionamento do sensor

11Figura 5 - Modelos de sensores capacitivos

12Figura 6: Composio do sensor capacitivo

12Figura 7 - Linha de funcionamento de um sensor capacitivo

13Figura 8 Diagrama de um sensor capacitivo

16Figura 9: Vista lateral e representao eltrica equivalente do sensor

16Figura 10: Modelo bsico do sensor

SUMRIO

3LISTA DE FIGURAS

4SUMRIO

51INTRODUO

62SENSORES

62.1SENSORES INDUTIVOS

72.1.1Composio do sensor indutivo

82.1.2Princpio de funcionamento

92.1.3Aplicaes veiculares dos sensores indutivos

102.2SENSORES CAPACITIVOS

102.2.1Composio do sensor capacitivo

112.2.2Princpio de funcionamento

122.2.3Limitaes de uso, vantagens e desvantagens dos sensores capacitivos

132.2.4Aplicaes dos sensores capacitivos

18referncias

1 INTRODUO

Sensores servem para informar um circuito eletrnico a respeito de um evento que ocorra externamente, sobre o qual ele deve atuar, ou a partir do qual ele deva comandar uma determinada ao (WENDLING, 2010).

Sensores so dispositivos que mudam seu comportamento sob a ao de uma grandeza fsica podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Sistemas computacionais industriais podem usar sensores para verificar se peas esto presentes ou ausentes, para medir peas, e mesmo para verificar se o produto est vazio ou cheio.

Literalmente, podemos definir a palavra sensor como aquilo que sente. Na eletrnica, um sensor conhecido como qualquer componente ou circuito eletrnico que permita a anlise de uma determinada condio do ambiente, podendo ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade; uma medida um pouco mais complexa como a rotao de um motor ou a distncia de um carro at algum obstculo prximo ou at mesmo eventos distantes do nosso cotidiano, como a deteco de partculas subatmicas e radiaes csmicas (PATSKO, 2006).

Segundo Patsko (2006), o desenvolvimento de sensores e a sua aplicao trouxe como consequncia inmeras vantagens ou comodidades para a vida moderna. Desde a possibilidade de aumentar a eficincia no funcionamento de um motor ou de uma linha de produo, realizar uma pesquisa cientfica com maior preciso e em menor tempo, at o fato de poder estacionar o carro sem o perigo de bat-lo ou de ter a segurana de que qualquer tentativa de furto de sua casa poder ser frustrada, tais so as vantagens oferecidas pelo uso de sensores. Apesar de ser imensa a variedade de sensores eletrnicos, podemos dividi-los basicamente em dois tipos: sensores analgicos e sensores digitais. Essa diviso feita de acordo com a forma a qual o componente responde variao da condio.De fato, os sensores executam tarefas simples mais eficientemente e mais precisamente do que pessoas. Os sensores so muito mais rpidos e cometem poucos erros. Existem vrios tipos e modelos de sensores que variam conforme o objeto alvo de sensoriamento. Os mais comuns so: sensores indutivos, sensores capacitivos, sensores fotoeltricos, sensores magnticos e sensores de presso ou toque.

2 SENSORESSensor um termo empregado para designar dispositivos sensveis alguma forma de energia do ambiente, que pode ser luminosa, trmica, cintica, relacionando informaes sobre uma grandeza fsica que precisa ser mensurada, como: temperatura, presso, velocidade, corrente, acelerao, posio e etc.

2.1 SENSORES INDUTIVOS

So componentes eletrnicos capazes de detectar a aproximao de um objeto sem a necessidade de contato fsico entre sensor e o acionador, sendo assim, aumentando a vida til do sensor por no possuir peas mveis sujeitas a desgastes mecnicos. Eles tambm no necessitam de energia mecnica para operar e so imunes a vibrao e choques mecnicos. Graas elevada resistncia dos componentes de alta tecnologia utilizados em seu circuito eletrnico, os sensores so particularmente capazes de operar em condies severas de trabalho, como a presena de lubrificantes, leos, imersos na gua, etc. Tm largas aplicaes em mquinas operatrizes, injetoras de plstico, indstria cermica, mquinas de embalagens, indstria automobilstica, etc.

2.1.1 Composio do sensor indutivo

O sensor de proximidade indutivo tem internamente uma bobina que produz um campo eletromagntico, que utilizado pra detectar a presena de um objeto metlico.Este tipo de sensor composto por quatro elementos: Uma bobina; Um oscilador; Um circuito de sincronizao; Uma sada.

As figuras 1 e 2 ilustram um sensor indutivo e sua constituio.

Fonte: Mecaweb (2014)

Fonte: Mecaweb (2014)

2.1.2 Princpio de funcionamentoO sensor indutivo trabalha pelo princpio da induo eletromagntica, funciona de maneira similar aos enrolamentos primrios e secundrios de um transformador. O sensor tem um oscilador e uma bobina; juntos produzem um campo magntico fraco. Quando um objeto entra no campo, pequenas correntes so induzidas na superfcie do objeto. Por causa da interferncia com o campo magntico, energia extrada do circuito oscilador do sensor, diminuindo a amplitude da oscilao e causando uma queda de tenso, conforme mostrado na Figura 3. O circuito de deteco do sensor percebe a queda de tenso do circuito do oscilador e responde mudando o estado do sensor.

Figura 3 Interferncias causadas pelos objetos

Fonte: Mecaweb (2014)

Conforme mostra o diagrama de blocos, um sensor tem como corao" um oscilador. Esta oscilao modificada quando se introduz um objeto metlico dentro do campo magntico da bobina, retornando ao normal quando se retira o objeto.

As modificaes do comportamento do oscilador so interpretadas pelo trigger de modo a obter-se uma sada de sinais alto-baixo, ou seja,uma onda quadrada, capaz de excitar um circuito de potncia, tal como um transistor, obtendo assim uma chave liga-desliga em estado slido, com condies de efetuar um chaveamento sobre bobinas de reles, pequenos contatores, ou mesmo circuitos lgicos. A Figura 4 exibe o funcionamento do sensor indutivo.

Fonte: Mecaweb (2014)2.1.3 Aplicaes veiculares dos sensores indutivosPode-se utilizar o sensor indutivo solitariamente (single loop detectors) ou em pares (double loop detectors). Os sensores utilizados em pares, tambm conhecidos como speedtraps, permitem o clculo da velocidade dos veculos com boa preciso. Equipamentos de monitoramento de velocidade, como as lombadas eletrnicas, usam esta tcnica. A velocidade do veculo calculada a partir da obteno do tempo decorrido entre os acionamentos do primeiro e do segundo sensor. Como a distncia entre os dois sensores conhecida, a velocidade pode ser obtida atravs da equao bsica da cinemtica.

Onde:

d = distncia entre os laos;

t = tempo decorrido entre os acionamentos do primeiro e segundo lao.Outra informao obtida com duplos sensores o comprimento magntico do veculo. O comprimento dito magntico, pois com sensores indutivos possvel contabilizar apenas o comprimento das partes magnticas do veculo, ou seja, das partes metlicas. Extenses de carrocerias de madeira aps o trmino do chassi, por exemplo, no so detectadas. Com o conhecimento da velocidade e do tempo que o sensor permaneceu acionado, calcula-se o comprimento magntico do veculo utilizando a mesma equao do clculo da velocidade.

Os sistemas de apenas um sensor so utilizados em semforos acionados sob demanda, controle de abertura de cancelas em estacionamentos, para realizar a contagem do fluxo, determinar a taxa de ocupao e a velocidade mdia na via. A velocidade mdia pode ser estimada com apenas um lao caso se saiba o comprimento mdio dos veculos que trafegam por um determinado local (NISHIMOTO, 2006).

2.2 SENSORES CAPACITIVOS

Um sensor ou capacitivo um condensador que exibe uma variao do valor nominal da capacidade em funo de uma grandeza no eltrica. Uma vez que um condensador consiste basicamente num conjunto de duas placas condutoras separadas por um dieltrico, as variaes no valor nominal da capacidade podem ser provocadas por reduo da rea frente a frente e da separao entre as placas, ou por variao da constante dieltrica do material. Os sensores capacitivos podem detectar objetos metlicos e no metlicos assim como produtos dentro de recipientes no metlicos. Estes sensores so usados geralmente na indstria de alimento e para verificar os nveis de fluidos e slidos dentro de tanques. Os sensores capacitivos so mais sensveis flutuao da temperatura e da umidade do que o so os sensores indutivos, mas os sensores capacitivos no so to precisos quanto os indutivos. A preciso pode variar de 10 a 15 por cento em sensores capacitivos.

A 5 mostra alguns modelos de sensores capacitivos.

Figura 5 - Modelos de sensores capacitivos

Fonte: Wendling (2010)

2.2.1 Composio do sensor capacitivo

As partes internas do sensor consistem em uma ponta capacitiva, um oscilador, um retificador de sinal, um circuito de filtragem e um circuito de sada.

Figura 6: Composio do sensor capacitivo

Fonte: Allen - Bradlley 2.2.2 Princpio de funcionamentoA linha de sensores capacitivos constituda de modo geral nos seguintes blocos:

Figura 7 - Linha de funcionamento de um sensor capacitivo

Fonte: Damasceno e Franoso (2010)Segundo Damasceno e Franoso (2010), o funcionamento dos sensores capacitivos baseia-se no princpio da mudana de frequncia de oscilao de um circuito ressonante com a alterao do valor de capacitncia formada pela placa sensvel e o ambiente, devido aproximao de um corpo qualquer. Esta capacitncia pode ser alterada, praticamente por qualquer objeto que se aproxime do campo de atuao do sensor. A mudana de frequncia ocasionada pela alterao da capacitncia da placa sensvel enviada a um circuito detector que transforma a variao da frequncia em nvel de tenso. O circuito trigger, trata de receber o sinal de tenso gerado no detector e transform-lo em onda quadrada adequada excitar um circuito de comutao o que j o suficiente para acionar circuitos externos. Os sensores capacitivos so projetados para operar gerando um campo eletrosttico e detectando mudanas nesse campo, que acontecem quando um alvo se aproxima da face ativa. Na ausncia de um alvo, em um sensor capacitivo digital, o oscilador est inativo. Quando o alvo se aproxima, a capacitncia do circuito modificada, e ao atingir um valor determinado, ativa o oscilador que ativa o circuito de sada, comutando seu estado (WENDLING, 2010).

Partindo do mesmo princpio, que a capacitncia de um sensor capacitivo depende da distncia entre duas placas, do material dessas duas placas e do dieltrico entre elas, temos o sensor capacitivo analgico, no qual se uma das placas for mvel, podemos associar sua posio um valor de capacitncia que pode ser usado para processar informaes sobre a distncia em que ela se encontra (WENDLING, 2010).

Os sensores capacitivos operam baseados no princpio da capacidade eletrosttica de maneira similar s placas de um capacitor. O oscilador e o eltrodo produzem um campo eletrosttico .O alvo (objeto a ser detectado) age como uma segunda placa do capacitor. Um campo eltrico produzido entre o alvo e o sensor. Como a amplitude da oscilao aumenta, h um aumento da tenso do circuito do oscilador, e o circuito de deteco responde mudando o estado do sensor (ligando-o). Um sensor capacitivo pode detectar quase qualquer tipo de objeto. A entrada do alvo (objeto) no campo eletrosttico perturba o equilbrio da corrente do circuito do sensor, causando a oscilao do circuito do eltrodo e mantm esta oscilao enquanto o alvo estiver dentro do campo (ROSA E GRABBER, 2009). A Figura 7 mostra o diagrama de funcionamento de um sensor capacitivo.

Figura 8 Diagrama de um sensor capacitivo

Fonte: Rosa e Graber (2009)

2.2.3 Limitaes de uso, vantagens e desvantagens dos sensores capacitivos

Em relao s limitaes apresentadas pelos sensores capacitivos, pode-se destacar o fato de que esses so dispositivos no-blindados, no-empacotados. Isto significa que no podem ser instalados faceando uma estrutura de montagem porque neste a detectariam. Materiais condutores podem ser detectados mais afastados do que no-condutores porque os eltrons nos condutores esto mais livres para se mover. A massa do alvo afeta o alcance de deteco: Maior a massa, maior o alcance. Alguns sensores capacitivos esto disponveis com um parafuso de ajuste, que pode ser ajustado para detectar um produto dentro de um recipiente. A sensibilidade pode ser reduzida de modo que o recipiente no seja detectado, mas o interior do produto o seja (ROSA E GRABER, 2009).

Fruett (2014) tambm ressalta algumas vantagens e desvantagens dos sensores capacitivos, as quais so listadas abaixo:

Vantagens:

O funcionamento no necessita de contato;

Geralmente possuem alta estabilidade e repetibilidade, pois a capacitncia independente das propriedades condutoras das placas (resistncia de folha);

Apresentam baixa deriva trmica, pois a constante dieltrica varia pouco com a temperatura;

Normalmente no precisam de compensao em temperatura;

So adequados a grandes faixas de temperatura; So adequados para pequenos deslocamentos. Exemplo: Sensores para baixo nvel de presso, os quais geralmente possuem grande sensibilidade para uma pequena faixa.

Desvantagens:

Efeito de borda; Linearidade; Impedncia de sada;

Fora eletrosttica.

2.2.4 Aplicaes dos sensores capacitivos

Segundo Damasceno e Franoso (2010), os sensores capacitivos so largamente utilizados para a deteco de objetos de natureza metlica ou no, tais como: madeira, papelo, cermica, vidro, plstico, alumnio, laminados ou granulados, ps de natureza mineral como talco, cimento, argila e etc. Os lquidos de maneira geral so timos atuadores para os sensores capacitivos, no importando se so condutivos ou no, a viscosidade ou cor. Desta forma excelentes sistemas para controle de nveis mximos e mnimos de lquidos ou slidos so obtidos com a instalao de um ou dois sensores, mesmo que mergulhados totalmente no produto. Para outros fins de deteco, tais como contagem de garrafas, caixas, pacotes ou peas, o sensor capacitivo dotado de ajuste de sensibilidade "T" extremamente verstil, resolvendo problemas de automao, de difcil soluo com sistemas convencionais. Abaixo sero apresentadas mais detalhadamente as principais aplicaes dos sensores capacitivos. Sensor Capacitivo de deteco de Umidade

Os sensores capacitivos podem ser usados para medir o potencial de gua no solo. Para isso foram construdos sensores, atravs do uso de placas de cobre e alguns tipos de dieltrico como, por exemplo, gesso e papel.

Utilizando-se um capacitor no lacrado, dotado de um meio dieltrico poroso, a variao da capacitncia depende exclusivamente do tipo e da quantidade de matria presente entre as placas, uma vez que os demais parmetros que influenciam no valor da capacitncia podem ser considerados constantes para este caso. Desta forma, a medida que o solo ao redor do sensor se torna mais mido, o meio poroso que compe o dieltrico, absorve uma determinada quantidade de gua, proporcional umidade presente no substrato. Analogamente, quando o solo se torna mais seco, o meio dieltrico perde gua em funo da umidade presente ao redor do sensor. Este comportamento se deve ao fenmeno de difuso da gua atravs de meios porosos. Pode-se concluir que o valor da capacitncia do sensor varia linearmente com a permissividade eltrica do meio, uma vez que tanto a distncia entre as placas como a rea das mesmas so constantes.

Desta forma, a resposta eltrica do sensor depende exclusivamente das variaes ocorridas no meio dieltrico. Um elemento complicador surge devido s placas dos sensores serem completamente recobertas por um verniz isolante, para evitar a oxidao do cobre enquanto as mesmas estiverem imersas no solo. Porm, a principal propriedade deste isolamento a de eliminar o possvel efeito de conduo de cargas eltricas atravs do meio dieltrico que pode ocorrer dependendo da condutividade da gua ou do solo.

A Figura 7 apresenta a vista lateral do sensor de forma mais detalhada. O verniz um meio dieltrico presente entre as placas do sensor. Sabe-se que quando existem vrios meios dieltricos distintos colocados entre as placas, o capacitor resultante desta combinao possui comportamento anlogo a vrios capacitores associados em srie, onde cada um possui exclusivamente um dos dieltricos que compe a associao.

Figura 9: Vista lateral (esquerda) e representao eltrica equivalente do sensor (direita)

Fonte: Damasceno e Franoso (2010) Medio capacitiva de nvel

Sensores capacitivos podem ser usados para determinar nvel de lquidos de vrias densidades ou ps, por exemplo, tanto como interruptores on-off de nvel ou como indicadores contnuos de nvel.

Um sensor capacitivo tpico para medio contnua de nvel consiste em uma haste isolada, ou algum eletrodo similar. O sensor instalado em paralelo a uma parede vertical de um tanque feito de material condutor. medida que o espao entre a parede e o eletrodo preenchido pelo material retido pelo tanque, a capacitncia cresce na proporo do nvel do material. Para instalaes em tanques no-condutores, um segundo eletrodo necessrio. A capacitncia pode ser lida por uma ponte ou por um circuito que converta linearmente capacitncia em sada analgica ou digital.

O funcionamento do sensor poder ser observado na Figura 10.

Figura 10: Modelo bsico do sensor

Fonte: Quintanilha e Filho (2013)Interruptores de nvel so geralmente instalados atravs das paredes de tanque para detectar a presena ou a ausncia do material armazenado em uma dada altura.

Dois projetos bsicos so muito usados: um que usa a parede-tanque como uma placa do capacitor e outro que contm internamente ambas as placas. Em ambos os casos, funcionam atravs da deteco de mudana na capacitncia quando cobertos pelo material armazenado.

Anlise de composio

Apesar de no ser muito comum, medies capacitivas podem ser empregadas para medir a composio de ps ou lquidos dieltricos. Sua utilidade principal est em determinar as propores relativas de uma mistura com dois materiais diferentes ou em discriminar entre duas substncias diferentes. H, no entanto, limitaes para uso dessa tcnica, pois pode haver muitas substncias diferentes com constantes dieltricas parecidas, fazendo com que a anlise de composio capacitiva deva ser usada apenas em aplicaes especficas.

Sensor capacitivo de proximidade Podem ser usados para deteco de qualquer tipo de material, tais como: papel, madeira, plstico, farinha, metais e etc. Utiliza como princpio de funcionamento a variao do dieltrico, pois um

Oscilador alimenta um capacitor formado por duas placas em sua extremidade, que a parte sensvel do aparelho. Quando algum material ingressa nesta regio, provoca uma variao de capacitncia alterando o oscilador que detectada pelo circuito de acionamento do Sensor Capacitivo, atuando sua carga em srie.referncias

Coel Controles Eltricos Ltda. Sensores Indutivos e Capacitivos srie M12, M18, M30. Disponvel em:

http://www.syar.uy/pdf/coel/inductivos_capacitivos.pdf,2012.

NASHIMOTO, Rgis. Novas Geometrias de Laos Indutivos.2006. Dissertao de Mestrado. Programa de ps-graduao em engenharia eltrica e informtica industrial, UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN, Curitiba, 2006..

THOMAZINI, Daniel. ALBUQUERQUE, Pedro U.B. Sensores Industriais Fundamentos e Aplicaes. 5 ef. So Paulo: rica, 2005. 222p.

http://www.mecaweb.com.br/eletronica/deteccao/sensindu.phphttp://www.demar.eel.usp.br/eletronica/2010/Sensores_capacitivos.pdf

http://www2.feg.unesp.br/home/paginaspessoais/profmarcelowendling/4---sensores-v2.0.pdf

http://www.maxwellbohr.com.br/downloads/robotica/mec1000_kdr5000/tutorial_eletronica_-_aplicacoes_e_funcionamento_de_sensores.pdf

http://www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano/ie012/notas%20de%20aula/sensores%20capacitivos.pdfQUINTANILHA, I.M; FILHO, R. M. E.; Sensores de Nvel. Departamento de Engenharia Eletrnica e de computao. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO UFRJ. Rio de Janeiro, 2013.Figura SEQ Figura \* ARABIC 1 - Constituio de um sensor indutivo

Figura SEQ Figura \* ARABIC 2 - Sensor indutivo

Figura SEQ Figura \* ARABIC 4 Funcionamento do sensor