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AULA 5 - SENSORES DE PRESENÇA E TEMPERATURA
Prof. Fabricia
SENSORES DE PRESENÇA
• Sensores de Presença; • Sensores e Posição; • Sensores Ópticos; • Sensores de Velocidade.
Sensores Industriais • Sensores Ópticos; • Sensor óptico por retrorreflexão; • Sensor óptico por transmissão; • Sensor óptico por reflexão difusa; • Sensor infravermelho ativo; • Sensor infravermelho passivo; • Sensor janela de luz; • Barreira ultrassônica.
Sensores de Presença
Sensores Ópticos
Ø Componentes eletrônicos de sinalização e comando que detectam qualquer material sem contato mecânico;
Ø o princípio de funcionamento baseia-se na existência de um emissor e um receptor;
Ø A luz do emissor deve atingir o receptor com intensidade suficiente para fazer com que o sensor comute na saída;
Sensores de Presença – Sensores Ópticos
• O sinal de luz gerado pelo emissor do sensor óptico é modulado em uma determinada freqüência e o receptor de sinal do sensor é acoplado a um filtro que só considera sinais da mesma freqüência do emissor.
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Sensores Ópticos
Ø Oscilador: gera o sinal elétrico modulado e envia ao emissor;
Ø Emissor: transforma o sinal do oscilador em um feixe de luz pulsante;
Ø Receptor: converte o sinal de luz pulsante em sinal elétrico modulado;
Ø Pré-amplificador: amplifica o sinal do receptor para níveis compatíveis com circuito eletrônico do sensor;
Sensores de Presença – Sensores ópticos
Ø Discriminador: compara o nível do sinal recebido do analisador da freqüência com níveis preestabelecidos;
Ø Estágio de saída: recebe o sinal do discriminador e comuta a carga;
Ø LED: indicador de estado, sendo acionado pelo discriminador;
Ø Fonte de alimentação: a alimentação do circuito sensor é feito por um regulador interno.
Sensores ópticos Aplicações: Contagem e posicionamento de objetos Aplicações: Contagem e posicionamento de objetos
Sensores Ópticos
Sensores ópticos por retrorreflexão
Ø O emissor e o receptor estão montados juntos;
Ø O feixe de luz é estabelecido entre o emissor e o receptor por intermédio do refletor;
Ø O sensor é ativado quando o objeto interrompe o feixe de luz.
Sensores ópticos por retrorreflexão
Ø Objetos transparentes, claro ou brilhantes podem não são detectados por esse tipo de sensor;
Ø A distância de acionamento é dependente das características do refletor;
Ø Uma falha no emissor pode ser interpretada como se um objeto estivesse presente.
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Sensores ópticos por transmissão
• Emissor e receptor montados em dispositivos separados;
• Quando alinhados criam uma barreira de luz; • A presença de um objeto interrompendo essa barreira faz com que o sensor seja ativado.
Sensores ópticos por reflexão difusa
• Emissor e receptor montados no mesmo dispositivo; • A luz enviada pelo emissor cria uma região ativa; • A presença de um objeto faz com que essa luz seja refletida de forma difusa, de volta ao receptor, ativando o sensor.
Sensor infravermelho ativo
• Esses sensor tem o mesmo princípio de funcionamento dos sensores ópticos do tipo barreira, porém usados em outro tipo de aplicação (alarmes, sistema de controle de intrusão);
• Podem ser do tipo retrorreflexivos utilizados em instalações
prediais; • Podem do tipo transmissão (transmissor e receptor)
utilizados em aplicações como alarmes , iluminação automática e portas de garagens.
Sensor infravermelho passivo
• Apenas um receptor infravermelho com ajuste de sensibilidade;
• Utilizado em alarmes de intrusão.
Janela de luz
• Funciona da mesma forma que o sensor infravermelho ativo; • Possuem desde 4 até 24 feixes de luz entre os elementos;
sensores • São usados em sistema de segurança de máquinas industriais;
• Podem ser usados na detecção de pessoas nos elevadores (sistema antifechamento de portas)
Barreira Ultrassônica • Sinais ultrassônicos são como ondas de som audíveis, porém
com frequências muito mais altas; • Possuem cristais piezelétricos que ressonam a uma frequência
desejada e convertem energia elétrica em energia acústica e vice-versa;
• As ondas sonoras são transmitidas e refletidas na forma de um
cone de um objeto para o transdutor.
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Barreira Ultrassônica • Podem detectar objetos de diversos formatos;
• Eles não são percebidos como acontece nos sistemas de luz; • Na reflexão (em objetos) não formam nenhum padrão visível; • A distância máxima entre receptor e transmissor é na ordem de
15m, variando de acordo com as condições do ambiente;
• Utilizado para: detecção de pessoas, medidas de diâmetros de rolos.
• Sensores de proximidade indutivos; • Sensores de proximidade capacitivos; • Sensores de proximidade magnéticos; • Encoders.
Sensor de Posição
Sensores Indutivos • São sensores de proximidade sem contato que utilizam
um campo de frequência de rádio com um oscilador e uma bobina;
• A presença do objeto altera o campo e o circuito eletrônico detecta essa alteração.
Sensores indutivos Precauções: ü Quando o sensor for instalado em um painel metálico ou ao instalar duas ou mais unidades do mesmo sensor frente a frente ou lado a lado é necessário deixar uma distância mínima.
Sensores indutivos Características Gerais: ü Não possuem peças móveis e atuam sem contato físico; ü São totalmente vedados, tornando possível o uso em água, óleos, poeira etc; ü Têm grande precisão na repetição ponto de comutação (repetibilidade); ü Substituem com vantagens as chaves fim de curso e microchaves.
Sensores indutivos Aplicações - detectores de proximidade: ü Controle de presença ou ausência, fim de curso; ü Detecção de passagem, de posicionamento; ü Contagem de peças.
Aplicações – recomendações de uso: ü Em condições ambientais severas, presença de poeira,
óleo de corte, agentes químicos, umidade, vapores, choques e vibrações;
ü Peças de pequenas dimensões; ü Automatismo estático.
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• São projetados para operar através de um campo eletrostático e detectando as alterações nesse campo quando algo se aproxima da face ativa;
• Quando o alvo se aproxima ele aumenta capacitância
atinge determinado valor o sensor comuta de aberto para fechado.
Sensores Capacitivos • Blindados: usados quando os objetos difíceis de detectar
por possuírem campo eletrostático muito concentrado, no entanto está sujeito comutações falsas se houver acumulo de resíduos na face ativa do sensor;
• Não Blindados: usado com objetos fáceis de detectar e pode ser instalado em locais que apresentam condições adversas de poeira, umidade e temperatura.
Sensores Capacitivos
• Utilizado para detectar metais, plásticos, madeira, papelão entre outros;
• Aplicações: controle do nível de silo, contagem de caixas.
Sensores Capacitivos Encoders • Dispositivos que convertem um deslocamento linear ou
angular em um trem de pulsos, e ainda podem ser interpretados como um byte;
• Divididos em dois tipos: ü Incremental: indicam o deslocamento somente em relação a um ponto inicial de referência; ü Absoluto: medem o deslocamento em relação a um ponto de referência interno do dispositivo.
Encoders Encoders Aplicações : ü Controle numérico; ü Controle numérico de máquinas operatrizes ü Impressoras e Plotters X-Y; ü Controle de posição de disco de computadores; ü Controle de posições de radares.
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LDR (Light Dependent Resistor) • O LDR possui a interessante característica de ser um
componente eletrônico cuja resistência elétrica diminui quando sobre ele incide energia luminosa. Isto possibilita a utilização deste componente para desenvolver um sensor que é ativado (ou desativado) quando sobre ele incidir energia luminosa.
LDR (Light Dependent Resistor)
• A resistência do LDR varia de forma inversamente proporcional à quantidade de luz incidente sobre ele, isto é, enquanto o feixe de luz estiver incidindo, o LDR oferece uma resistência muito baixa. Quando este feixe é cortado, sua resistência aumenta.
• Aplicações: ü medidores de luz; ü detetores de incêndio ou de fumo; ü controladores de iluminação.
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 u dispositivo de junção pn semicondutor cuja região de operação é limitada pela região de polarização reversa e caracteriza-se por ser sensível à luz.
Fotodiodo • Aplicações: ü o foco automático de filmadora, ü na unidade ótica do CD Player e em sistema contador de
pulso; ü rede de iluminação pública como sensor crepuscular; ü Temperatura; ü Vazão.
SENSORES DE TEMPERATURA
• Quando Galileu inventou o primeiro termômetro no Séc. XVII eles eram util izados para fins médicos e meteorológicos;
• Eram tubos de vidro abertos em um dos lados parcialmente preenchidos com ar e completados com água;
Introdução
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• Somente cerca de 50 anos depois surgiram os primeiros termômetros de vidro com líquidos fechados desenvolvidos por Leopoldo, Cardinal dei Medici. Conhecidos como termômetros fiorentinos eram graduados entre 50, 100 e 300 graus;
• Em meados do Século XVIII o termômetro de mercúrio era o mais usado pela sua expansão uniforme.
Introdução
• São os termômetros de álcool ou mercúrio; • O álcool tem a vantagem de ter um coeficiente de
expansão maior que o mercúrio mas tem o limite de temperatura mais baixo;
• Esses termômetros baseiam-se no coeficiente de dilatação térmica
• Podem ser o tipo: imersão parcial (apenas parte do instrumento entra em contado) ou total (todo instrumento entra em contato).
Termômetros de expansão de líquidos em bulbos de vidro
• Os termômetros do tipo imersão parcial está sujeito a erros maiores devido a diferença entre uma das partes do corpo do instrumento;
• A precisão desse tipo de instrumento é maior que 1º C.
Termômetros de expansão de líquidos em bulbos de vidro Termômetros de imersão parcial
• Constituem-se de duas tiras de metal com coeficientes de dilatação térmica diferente, fortemente fixadas;
• Quando a temperatura aumenta as tiras de metal começam a expandir e uma vai expandir mais que a outra resultando em uma deformação do conjunto;
• Utilizado para chavear um circuito ou para indicar uma determinada temperatura em uma escala;
• Usados em termostatos e em alguns disjuntores.
Termômetros Bimetálicos Termômetros Bimetálicos
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• Utilizam a variação de pressão obtida pela expansão de algum gás ou vapor como meio físico para relacionar temperatura;
• Termômetros de mercúrio cobrem a faixa de -38°C a 590°C;
• Termômetro manométricos preenchidos com gás cobrem a faixa de -240°C a 645°C
Termômetros Manométricos • Os sensores de temperaturas são os mais utilizados em
indústrias, veículos, eletrodomésticos e instalações prediais.
Sensores de Temperatura
Sensores de Temperatura -Termistores • Resistores termicamente sensíveis.; • São semicondutores eletrônicos que a resistência elétrica
varia com a temperatura; • Usados nas indústrias para detecção automática,
medição e controle de energia física; • Sensíveis a pequenas variações de temperatura.
Sensores de Temperatura -Termistores • Existem duas variedades básicas de termissores: ü os de coeficiente positivo de temperatura (PTC) – resistência
aumenta com a temperatura; ü Os de coeficiente negativo de temperatura (NTC) –
resistência reduz com aumento de temperatura.
Sensores de Temperatura -Termistores • Aplicações termissores: ü Química: regulação de nível de líquidos; ü Física: medição de vazão de gases e líquidos e radiometria; ü Medicina: termômetros; ü Regulação de temperatura: congelador, forno elétrico,
sistema de ar condicionado e sistemas de aquecimento. ü Veículos: medição da temperatura da água e óleo; ü Projetos elétricos: compensação de variação de temperatura
e medição de potência; ü Sistema de detecção e alarmes contra incêndio.
Sensores de Temperatura –Termistores NTC
• Mais usual para medições de temperatura; • Não é muito usado em aplicações industriais; • É um dos sensores de temperatura que fornecem a maior
variação na saída por variação de temperatura, mas a relação não é linear;
• São elementos cuja resistência decresce com o aumento da temperatura.
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Sensores de Temperatura –Termistores PTC
• São resistores que apresentam um coeficiente térmico positivo, isto é, sua resistência aumenta com a temperatura;
• O coeficiente de temperatura do PTC é positivo apenas dentro de uma certa faixa de temperatura, fora dessa faixa o coeficiente é negativo ou nulo.
Sensores de Temperatura –Termopares • Um termopar funciona medindo a diferença de potencial
causada por fios diferentes. Isso pode ser usado para medir diretamente a diferença de temperaturas ou para medir uma temperatura absoluta, colocando uma junção a temperatura conhecida;
• Existem oito tipos se termoelementos: S, R, B, J, K, N, T e E;
• Após a descoberta do circuito termoelétrico, muitas combinações de elementos foram estudas.
Sensores de Temperatura –Termopares • TERMOPARES T: ü Composição : Cobre(+) / Cobre – Níquel(-) ü Faixa de utilização: -200 a 350 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo. ü Adequados para medições abaixo de zero grau; ü Apresentam boa precisão na sua faixa de utilização.
• TERMOPARES J: ü Composição : Cobre(+) / Cobre – Níquel(-) ü Faixa de utilização: -40 a 750 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes, redutoras, inertes e no vácuo
e não devem ser usados em atmosfera sulfurosas; ü Não adequados para medições abaixo de zero grau; ü Baixo custo.
Sensores de Temperatura –Termopares • TERMOPARES E: ü Composição : Cromo(+) / Cobre – Níquel(-) ü Faixa de utilização: -200 a 900 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Em ambientes redutores ou vácuo perdem suas características termoelétricas; ü Adequados para medições abaixo de zero grau;
• TERMOPARES K: ü Composição : Cromo(+) / Níquel - Alumínio(-) ü Faixa de utilização: -200 a 900 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Ocasionalmente podem ser usados abaixo de zero grau; ü Não devem ser utilizados em atmosferas redutoras e sulfurosas; ü Seu uso no vácuo é por curto período de tempo.
Sensores de Temperatura –Termopares • TERMOPARES S-R: ü Composição : S 90% Platina -10% Ródio(+) / Platina(-) R 87% Platina -13% Ródio(+) / Platina(-)
ü Faixa de utilização: 0 a 1600 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Não adequados para medições abaixo de zero grau em ambientes redutores ou vácuo
ou atmosferas com vapores metálicos; ü Apresentam boa precisão em temperaturas elevadas. • TERMOPARES B: ü Composição : 70% Platina -30% Ródio(+) 94% Platina -06% Ródio(+)
ü Faixa de utilização: 600 a 1700 °C ü Podem ser utilizados em atmosfera oxidantes e inertes; ü Não adequados para medições abaixo de zero grau em ambientes redutores ou
atmosferas com vapores metálicos; ü Mais adequados para altas temperaturas do que os tipo S/R.
Sensores de Temperatura –Termopares
• TERMOPARES N: ü Composição : Níquel –Cromo-Silício(+)/Níquel-Silício(-) ü Faixa de utilização: -200 a 1200 °C ü Excelente resistência à oxidação até 1200 °C. ü Apresentam maior estabilidade.
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Sensores de Temperatura –Termopares
• Limite de erros dos termopares: ü O erro pode ser representado em graus Celsius ou em porcentagem da
temperatura medida.
Sensores de Temperatura –Termopares
• Termopares com isolação mineral: ü O termopar com isolação mineral é composto por um ou dois
pares de fios isolados da bainha metálica por um pó isolante de óxido de magnésio altamente compactado;
ü Devido essa construção eles ficam totalmente isolados do meio, resultando em maior vida útil;
ü Os termopares com isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de carga metálica para garantir sua integridade em qualquer ambiente corrosivo.
Sensores de Temperatura – Termopares • Termopar com junção exposta ü Neste caso a junção quente fica exposta na ponta do sensor; ü Proporciona o tempo de resposta extremamente pequeno e grande sensibilidade
a pequenas alterações de temperatura; ü Drástica redução de vida útil, especialmente em ambientes agressivos.
• Termopar com junção aterrada ü Neste caso a junção é soldada junto com a bainha; ü Proporciona tempo de resposta intermediário entre a junção exposta e a isolada; ü Suscetível a ruídos.
• Termopar com junção isolada ü Neste caso a junção é isolada e interna; ü Proporciona boa proteção e imunidade a ruídos; ü Tempo de resposta maior quando comparado com os anteriores
Termoelementos ou Termopares Montagem de Termopares -Termopar com Isolação Mineral
Sensores de Temperatura –Termopares • Cabos de extensão: Na maioria das aplicações industriais de
medição de temperatura por meio de termopares o elemento sensor não se encontra junto com o instrumento receptor. Por esse motivo torna-se necessário que o instrumento seja ligado ao termopar por fios.
• Cabos e fios de extensão: ü São condutores fabricados com as mesmas ligas de fios dos termopares; ü Apesar de serem dos mesmos materiais apresentam um custo menor devido as
limitações temperatura às quais podem ser submetidos;
• Cabos e fios de compensação: ü São condutores fabricados com ligas diferentes de fios dos termopares; ü São usados em termopares do tipo S e R.
Sensores de Temperatura –Termoresistência RTD
• São sensores de temperatura cujo pr incípio de funcionamento baseia-se na variação da resistência elétrica do elemento condutor em função da temperatura;
• São sensores de temperaturas muito utilizados na indústria por suas condições de estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso, além de possuir uma larga faixa de trabalho e permitir ligações a longa distância;
• Os mais usados são: Pt-100; Pt-1000, • Ni-100 e Ni-1000
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Sensores de Temperatura –Termoresistência
• Termoresistência de platina (Pt-100): ü A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido à grande
estabilidade e precisão; ü Faixa de trabalho: Classe A (-200 a 650 °C) e Classe B (-200 a 850 °C – a mais
usada)
Sensores de Temperatura –Termoresistência X Termopar
• Vantagens do Pt-100 ü Possui maior precisão dentro da faixa de utilização; ü Possui melhor estabilidade e repetibilidade quando comparado com os
termopares; ü Quando ligados corretamente não existe limite de distância; ü Dispensa o uso de cabos de extensão e compensação para ligação, sendo
necessário somente fios comuns; ü Se adequadamente protegido, permite a utilização em qualquer ambiente; ü Curva de resistência x temperatura mais linear; ü Menos influenciados por ruídos elétricos.
Sensores de Temperatura –Termoresistência X Termopar
• Desvantagens do Pt-100 ü É mais caro que os demais sensores; ü Range de temperatura menor do que os termopares; ü Deteriora-se com maior facilidade quando ultrapassa a temperatura máxima de
utilização; ü É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada
para a correta indicação; ü Possui um tempo de resposta mais alto que dos termopares; ü Mais frágil mecanicamente; ü Ele se autoaquece, exigindo instrumentação sofisticada.
Referências Bibliográficas • BALBINOT, A., BRUSAMARELLO, V. J., "Instrumentação
e Fundamentos de Medidas", Volume 1, 2a Edição, LTC, Rio de Janeiro, 2011;
• BALBINOT, A., BRUSAMARELLO, V. J., "Instrumentação e Fundamentos de Medidas", Volume 2, 2a Edição, LTC, Rio de Janeiro, 2011.
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