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SENSORES, INSTRUMETAÇÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS. 2 Sistemas de medidas Existe a necessidade do ser humano de obter informações do meio ambiente. A partir.

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1 SENSORES, INSTRUMETAÇÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS

2 2 Sistemas de medidas Existe a necessidade do ser humano de obter informações do meio ambiente. A partir destas informações será possível modelar os fenômenos observados. A maioria das informações são obtidas de forma experimental.

3 3

4 4 EXPERIÊNCIAS Qualitativa Observação Sem quantificação Quantitativa Constatar Examinar Medir Valor numérico

5 5 MEDIÇÃO É o processo empírico e objetivo de designação de números a propriedades de objetos ou eventos do mundo real de forma a descrevê-los. Comparação da quantidade ou variável desconhecida com um padrão definido para este tipo de quantidade, implicando então num certo tipo de escala, como mostrado pela Figura.

6 6 Objetivos da medição controle de processo quantidades consumidas investigação segurança verificaçã o

7 7 Sistema geral de medida

8 8 Malha fechada Sistema de controle que usa sensores para medir a variável controlada, calcula o quão distante a variável controlada está do valor de referência e corrige as suas ações para alcançá-lo. Malha aberta Sistema em que o controle ocorre sem que haja uma amostragem do resultado ao longo do processo, ou seja, sem a utilização de sensores.

9 9 Sensor Dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer direta ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza.

10 10 Transdutor Sistemas compostos por sensores mais algum dispositivo elétrico, eletrônico ou eletromecânico. É o complemento de um elemento sensor com o objetivo de tornar possível a medição de determinada grandeza ou mesmo melhorar as condições de medição do sensor.

11 11 Áreas de aplicação Automação industrial –Identificação de peças –Medição –Verificação de posição, etc. Automação bancária e de escritório –leitura de código de barras –leitura de tarja magnética –identificação de impressão digital, etc.

12 12 Áreas de aplicação Automação veicular –Sensores de composição dos gases do escapamento –Sensores de temperatura –Sensores de velocidade, etc Automação residencial (domótica) –Sistemas de alarme –Sensores para controle de temperatura ambiente –Sensores para controle de luminosidade –Sensores de vazamento de gás –Sensores de presença para acendimento automático de lâmpadas, etc

13 13 Exemplos de aplicação Verificação da presença de peça Contagem de peças

14 14 Exemplos de aplicação Verificação se o cilindro atingiu a posição desejada Seleção de peças

15 15 Exemplos de aplicação Medição de uma peça Identificação do perfil de uma peça

16 16 Exemplos de aplicação Verificação do nível de um reservatório Identificar o sentido de giro de um objeto

17 17 Exemplos de aplicação Medir a velocidade de um motor

18 18 Tipos de Sinais Gerados

19 19 Caracterização dos Sensores

20 20 Classificação dos Sensores Passivos x Ativos –Ex.: Chaves; Resistores Variáveis; Célula Fotoelétrica; Cristal Piezoelétrico. Sensor entradasaída Energia Auxiliar

21 21 Classificação dos Sensores Analógicos x Digitais –Ex.: Chaves; Potenciômetro; Encoder. Absolutos x Incrementais –Ex.: Potenciômetro; Servo como sensor.

22 22 Características estáticas Exatidão –Qualidade da medição que assegura que a medida coincida com o valor real da grandeza considerada. –O valor representativo deste parâmetro é o valor médio.

23 23 Precisão –Qualidade da medição que representa a dispersão dos vários resultados, correspondentes a repetições de medições quase iguais, em torno do valor central. Relação entre precisão e exatidão

24 24 RESOLUÇÃO Me nor intervalo possível entre duas medidas discretas adjacentes. A menor variação no sinal de entrada que resultará em uma variação mensurável na saída.

25 25 SENSIBILIDADE A razão entre a mudança y na saída, causada por uma mudança x na entrada. Ex. LM35 10 mv/ o C

26 26 REPETIBILIDADE Resultado de uma seqüência de medidas da saída com a mesma entrada nas condições de operação. Fator primário para se determinar a precisão de um instrumento

27 27 LINEARIDADE Quando a curva de saída se aproxima de uma reta. Levanta-se a curva que representa o comportamento do instrumento/sensor. Faz-se o ajuste, traçando-se uma reta V(v)

28 28 FAIXA Região entre os limites nos quais a grandeza é medida, recebida ou transmitida. Expresso em limites inferior e superior. Ex. Faixa temperatura de -20 a 200 o C

29 29 AMPLITUDE Diferença algébrica entre os limites superior e inferior da escala de medidas. Ex. Faixa de -20 a 200 o C tem-se uma amplitude de 220 São usualmente empregados na caracterização de transdutores, sensores ou mesmo instrumentos.

30 30 HISTERESE Dependência do valor de saída na história de excursões anteriores, para uma dada excursão de entrada

31 31 ZONA MORTA Faixa à qual a entrada varia sem dar início a mudança observável na saída

32 32 DERIVA (drift) Mudança indesejável que ocorre no sinal medido com o passar do tempo. Causada por fatores ambientais ou intrínsecos ao sistema.

33 33 Características Dinâmicas Dinâmica t(s) T(graus) Sensor Temperatura Real 63,2% f(hz) 1

34 34 Características Dinâmicas Atraso ou tempo morto t(s) Sensor Posição Real d X(m)

35 35 Tipos de Sensores

36 36 Funções dos Sensores Cinemáticos posição orientação velocidade aceleração proximidade Dinâmicos conjugado força tato Outros presença som luz temperatura tensão e corrente

37 37 Posição linear Posição angular De passagem: indicam que foi atingida uma posição no movimento, os detetores de fim-de-curso e contadores De posição: indicam a posição atual de uma peça, usados em medição e posicionamento. Sensores de posição

38 38 Chaves fim-de-curso Interruptores que são acionados pelo objeto monitorado. Também usados com motores para limitar movimento, como no caso de um plotter ou impressora, ou abertura / fechamento de um registro.

39 39 Fim-de-curso magnético Campo magnético num condutor distribui cargas: positivas de um lado e negativas do lado oposto da borda do condutor. Semicondutor: efeito é mais pronunciado. Surge pequena tensão nas bordas do material (Efeito Hall). Base do sensor magnético Hall: sensores em circuito integrado na forma de um transistor.

40 40 Pode ser usado como sensor de posição se usado junto a um pequeno imã, colocado no objeto. Quando se aproxima, o sensor atua, saturando o transistor Hall, fazendo a tensão entre coletor e emissor próxima de 0V. Sensores fim-de-curso magnético

41 41 Posição com interruptor de lâminas Usando um interruptor acionado por imã. Imã

42 42 Posição com sensores ópticos Por reflexão: detecta a posição pela luz que retorna a um fotosensor, emitida por um LED ou lâmpada e refletida pela peça. Por interrupção: a luz emitida é captada por um fotosensor alinhado, que percebe a presença da peça quando esta intercepta o feixe. (light dependent resistor)

43 43 Posição e orientação: potenciômetro. Tensão nos extremos de potenciômetro linear: tensão entre o extremo inferior e o centro (eixo) é proporcional à posição linear (potenciômetro deslizante) ou angular (rotativo).

44 44 Sensores de posição e orientação Potenciômetro Revolução Linear Vantagens: barato; simples; absoluto; robusto. Desvantagens: pouco exato; baixa resolução; impõe carga ao sistema.

45 45 Posição por sensor capacitivo A capacitância depende da área das placas A, da constante dielétrica do meio, K, e da distância entre as placas, d: C = K A / d Variação na capacitância convertida em desvio na freqüência de um oscilador, ou em desvio de tensão numa ponte de dois capacitores e dois resistores

46 46 Posição por sensores óticos. Por transmissão de luz Encoders determinam a posição através de um disco ou trilho marcado. Relativos (incremental): posição demarcada por contagem de pulsos acumulados. Absolutos: um código digital gravado no disco ou trilho é lido por um conjunto de sensores ópticos (fonte de luz e sensor).

47 47 Posição por sensores óticos A fonte de luz é geralmente o LED, e o sensor um fotodiodo ou fototransistor. São muito precisos e práticos em sistemas digitais (encoder absoluto), e usam-se em robôs, máquinas- ferramenta e outros.

48 48 Posição por sensores de luz Encoders incremental absoluto Vantagens: alta resolução; sem contatos mecânicos; alta repetibilidade. Desvantagens: frágil; necessita de circuitos para contar os pulsos; caro.

49 49 Posição absoluta

50 50 Encoder ótico (relativo)

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59 59 Entendendo melhor Rotação clockwise Rotação counter-clockwise 0 0

60 60 Sensores de posição e orientação LVDT (Linear Variable Differencial Transformers) Vantagens: alta resolução; boa sensibilidade. Desvantagens: necessita de freqüente calibração; caro; condicionamento do sinal é caro.

61 61

62 62 Velocidade: Interruptor de Lâminas reed-switch: duas lâminas de ferro próx., com pequeno envoltório de vidro. Ao se aproximar um imã ou solenóide as duas lâminas se encostam, fechando os contatos externos. Imã na periferia de uma roda fecha os contatos a cada volta, gerando pulsações numa freqüência proporcional à rotação da roda.

63 63 Outras aplicações do Interruptor de lâminas Além de seu uso como sensor de velocidade, é encontrado em alarmes, indicando porta ou janela fechada (um imã é instalado nesta, e o reeds-witch no batente), e em sensores de fim-de-curso, em máquinas industriais, gavetas de toca- discos CD e videocassete, etc.

64 64 Sensores Ópticos de velocidade Empregam foto-diodos ou foto- transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básico reflexão interrupção

65 65 Velocidade por reflexão da luz Disco com um furo ou marca de cor contrastante, que gira. Luz é emitida no disco e sensor recebe o feixe refletido. Na passagem do furo, a reflexão é interrompida, e é gerado um pulso pelo sensor.

66 66 Exemplo

67 67 Velocidade por interrupção de luz Um disco com um furo. Fonte de luz e sensor ficam em lados opostos. Na passagem pelo furo, o feixe atinge o sensor, gerando um pulso. A freqüência destes pulsos é igual à velocidade, em rps.

68 68 Conjugado e Força (strain gauge)

69 69 Sensores de Proximidade Óticos –Simples; –Barato; –muito bom detetor de presença (on-off); –Não é robusto com respeito à iluminação ambiente; –Calibração depende da textura. icic ieie + - v ce Lente Fonte de luz Detector

70 70 Sensores de Proximidade Ultra-som –Aplicação de pulsos de 40 a 60kHz por 1 msec. –Precisão de 1 % do valor máximo. –Ângulo de 30 graus que causa reflexões indesejadas.

71 71 Sensores de temperatura (diodo) Diodo de silício, polarizado diretamente com corrente de 1mA, tem queda de tensão próxima de 0.62V, a 25oC. Esta tensão cai aproximadamente 2mV para cada ºC de aumento na temperatura, e pode ser estimada por uma equação de reta do tipo Vd = A - BT Esta equação vale até uns 125 ºC, limite para o silício.

72 72 Temperatura usando termopar Quando dois metais encostados são submetidos a uma temperatura, surge nos extremos deles uma tensão proporcional à temperatura (efeito Seebeck). V = KT K é uma constante para cada par de metais, que é utilizável até seu limite térmico.

73 73 Temperatura e tensão Metal T. Máx Const. K Cobre-constantán 375ºC 0,1mV/ ºC Ferro-constantán 750ºC 0,0514mV/ ºC

74 74 Aplicações O custo dos termopares é elevado, e são empregados em aplicações profissionais, onde se requer alta confiabilidade e precisão.

75 75 Temperatura c/ sensores Integrados Há circuitos integrados sensores de temperatura, como o LM 335, da National. Oferecem alta precisão, por conterem circuitos linearizados. Operam de 0 a 100ºC aproximadamente.

76 76 Sensores de Luz Uso em fotometria (incluindo analisadores de radiações e químicos) Sistemas de controle de luminosidade, como os relés fotoelétricos de iluminação pública. Sensores indireto de outras grandezas, como velocidade e posição (fim de curso).

77 77 LDR O LDR (light dependent resistor) tem sua resistência diminuída ao ser iluminado. Material semicondutor, sulfeto de cádmio, CdS. A resistência varia de alguns M, no escuro, até centenas de, com luz solar direta.

78 78 Aplicações Os usos mais comuns do LDR são em relés fotoelétricos, fotômetros e alarmes. Sua desvantagem está na lentidão de resposta, que limita sua operação.

79 79 Foto-diodo Diodo semicondutor com junção exposta à luz. Energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons, que podem circular se aplicada polarização reversa. Corrente nos foto-diodos é da ordem de dezenas de mA com alta luminosidade, e a resposta é rápida. Há foto-diodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material.

80 80 Foto diodo

81 81 Usado como sensor em controle remoto; Sistemas de fibra óptica; Leitoras de código de barras; Scanner (digitalizador de imagens) Canetas ópticas (que permitem escrever na tela do computador); Toca-discos CD; Fotômetros; Como sensor indireto de posição e velocidade. Aplicações do foto-diodo

82 82 Foto-transistor É um transistor cuja junção coletor- base fica exposta à luz e atua como um foto-diodo. Fornece alguns mA com alta luminosidade. Velocidade é menor que a do foto-diodo. Aplicações iguais do foto-diodo, exceto sistemas de fibra-ótica - operação em alta freqüência.

83 83 Foto-transistor

84 84 SENSORES ANALÓGICOS Pode assumir qualquer valor no seu sinal ao longo do tempo desde que estejam dentro de sua faixa de operação Exemplos temperatura Força Pressão Corrente elétrica Tensão Umidade Quantidade de luz

85 85 SENSORES DIGITAIS Pode assumir apenas dois valores no seu sinal de saída ao longo do tempo. Podem ser interpretados como zero ou um. Exemplos Detectores de passagem Encoders

86 86 SENSORES DE PRESENÇA

87 87 SENSORES DE PRESENÇA Sensores ópticos Sensor óptico por retrorreflexão Sensor óptico por transmissão Sensor óptico por reflexão difusa Cabos de fibra óptica Sensor infravermelho ativo Sensor infravermelho passivo Janela de luz Barreira ultra-sônica

88 88 Sensor Óptico por Retrorreflexão Emissor e receptor -> no mesmo corpo; Ativado -> interrupção do feixe de luz Distância -> características do refletor

89 89 Sensor Óptico por Transmissão Detecção -> barreira de luz Trabalham alinhados Acionamento -> Interrupção do feixe

90 90 Óptico por Reflexão Difusa Emissor e receptor -> mesmo corpo Luz emitida -> cria uma região Luz refletida de forma difusa

91 91 Cabos de Fibra Ótica Aplicação -> em conjuntos com alguns modelos de sensores Função -> transmitir o sinal luminoso

92 92 Infravermelho Ativo Funcionamento -> mesmo do sistema ópticos do tipo barreira Constituído por emissor e receptor Utilizados em aplicações de segurança

93 93 Infravermelho Passivo Apenas o receptor tem ajuste de sensibilidade Aplicação -> alarmes de intrusão Distância -> 15 a 20 metros

94 94 Janela de Luz Funcionamento -> igual ao infravermelho ativo Monitora uma região bem maior Aplicação -> sistemas de segurança de máquinas Possui de 4 a 20 feixes de luz Pode ser usado na detecção de pessoas em elevadores

95 95 SENSORES DE POSIÇÃO

96 96 SENSORES DE POSIÇÃO Sensores de proximidade indutivo Sensores de proximidade capacitivo Sensores de proximidade magnéticos LVDT Transformador diferencial rotacional variável – RVDT Sensor potenciométrico Encoders Sensor incremental angular Ultra-sônico

97 97 Sensores de Proximidade Indutivo Detectam a presença de materiais metálicos sem contato Configuração -> 3 ou 4 fios Alimentação –> 2 + NA e/ou outro NF Sinal de saída -> PNP ou NPN PNP -> potencial positivo ligado a carga NPN -> potencial negativo ligado a carga Distância -> depende do material Grande repetibilidade

98 98 Substituem as chaves fim de curso Totalmente vedados Aplicação -> controle de ausência ou presença Aplicação recomendada Velocidade de acionamento elevada Condições severas - poeiras, óleo, etc. Detectar peças pequenas ou frágeis Usualmente usados em máquinas de montagem, operatrizes, sistemas de usinagem e prensas

99 99 Sensores de Proximidade Capacitivo Detectam materiais metálicos e não metálicos Distância -> depende do material Aplicação Controle de nível em silos Contagem de caixas em linha de produção Conferir a presença de líquidos

100 100 Sensores de Proximidade Magnéticos Uso do campo magnético para geração de um sinal elétrico Podem ser: eletrônicos ou ampolas Reed Reed -> contato mecânico Eletrônicos -> efeito Hall Comportamento elétrico influenciado por um campo magnético

101 101 LVDT Transformador linear diferencial variável Núcleo de material magnético móvel Movimento do núcleo gera uma ddp Vantagens Robusto Sem resistência por atrito Histerese desprazível Pequeno tempo de resposta Resolução infinitesimal

102 102 Aplicações Deslocamento Deflexão de vigas, fios ou anéis Variação de espessura Nível de fluido Velocidade e aceleração

103 103 Sensor Potenciométrico Transdutores de contato Especificação importante -> alcance Precisão e linearidade são avaliados como percentagem do fundo de escala

104 104 Encoders Convertem deslocamento linear ou angular em um trem de pulsos Tipos Incremental absoluto

105 105 Incremental -> deslocamento em relação a um ponto inicial de referência Absolutos -> medem deslocamento em relação a um ponto de referência interno do dispositivo

106 106 SENSORES DE TEMPERATURA

107 107 SENSORES DE TEMPERATURA Termistores Termopares Termoresistências Par bimetálico Sensores eletrônicos Pirômetros

108 108 TERMISTORES Resistores termicamente sensíveis Tipos PTC –> Positive Temperature Coefficient NTC -> Negative Temperature Coefficient

109 109 PTC Coeficiente térmico positivo apenas dentro de certa faixa de temperatura

110 110 NTC Coeficiente térmico negativo

111 111 Aplicações Química -> calorimetria, medição de condutividade térmica de gases Física -> medição de vazão de gases e líquidos Medicina -> termômetros Regulação de temperatura -> congelador, forno elétrico, sistema de aquecimento Veículos -> temperatura da água e óleo Sistemas de alarme contra incêndio

112 112 TERMOPARES Funcionamento -> geração de uma ddp causada por dois fios de materiais diferentes Tipos mais comuns: S, R, B, J, K, T e E Temperaturas -> -200 a o C Limites mínimos - ANSI MC > -200 o C para os tipos T, E e K, 0 o C para os tipos S e R e 800 o C para o tipo B Limite superior -> depende do diâmetro do fio utilizado na construção Limites válidos para uso contínuo com tubos de proteção

113 113 Tipos de Termopares

114 114 Termorresistências Filamento metálico de Platina ou Níquel Bastante utilizado na industria Ótima precisão - larga faixa de trabalho Faixa de trabalho -> -200 a 650 o C Corrente de excitação -> 1 a 2 mA Termorresistencias mais usuais Pt-25,5Pt-100Pt-120 Pt-130Pt-500Pt-1000 Medição a 2, 3 ou 4 fios

115 115 VANTAGENS Maior precisão dentro da faixa Não existe limitação para distância Dispensa fiação especial Protegido -> utilização em qualquer ambiente Boa reprodutibilidade Em alguns caso pode substituir o termopar com vantagens

116 116 DESVANTAGENS É mais caro que sensores nessa faixa Deteriora-se com mais facilidade Temperatura máxima 630 o C Todo o corpo do bulbo deve estar com a mesma temperatura Alto tempo de resposta

117 117 Medição a 2 fios Utilizada quando não se deseja precisão elevada Distância do sensor ao medidor menor que 3 m RL2 e RL2 -> podem induzir a erros graves Temperatura ambiente sobre os condutores induz a erros – maior comprimento maior o erro

118 118 Medição a 3 fios Método mais utilizado na indústria Permite que a fonte fique mais próxima do sensor O terceiro fio atua somente como condutor de compensação RL1 irá balancear o circuito

119 119 Medição a 4 fios Montagem mais precisa – ocorre um balanceamento total das resistências dos fios É mais usado em laboratórios de calibração Usa-se uma fonte de corrente constante

120 120 Temperatura x Resistência

121 121 Temperatura x Resistência

122 122 SENSORES DE FORÇA E PRESSÃO Células de carga Transdutor de pressão piezoelétrico Tubos de Bourdon Sensores de pressão ópticos Sensor de pressão integrado Sensor de pressão capacitivo

123 123 SENSORES DE VAZÃO Pressão diferencial Sensor de pressão diferencial capacitivo Rotâmetros Turbina Sensor óptico Magnéticos Ultra-sônicos Medidores de vazão vortex Sensor térmico Engrenagens ovais

124 124 SENSORES DE TENSÃO E CORRENTE Corrente CC Resistor shunt Sensor de efeito HALL Transformador CC Relé térmico Corrente CA Tipos de TC

125 125 O que é um sistema de Aquisição de Dados? Fenômeno físico Sensor sinal elétrico Interface (A/D) Processador A/D = analógico/digital

126 126 Por que utilizar um sistema de aquisição de dados? Observação puntual (Instrumento manual) Observação regional ou global (Sensoriamento Remoto) Observação por área: vários parâmetros e pontos de medida (Sistema de aquisição de dados)

127 127 Sistema de aquisição de dados: topologia em estrela Sensores Coletor de dados Limitações para a área agrícola: –Vários cabos, um para cada sensor –Tratamento especial do sinal para sensores distantes –Dificuldades de instalação e manutenção

128 128 Topologia em barramento Sensores Coletor de dados Coletor de dados Sensores inteligentes interligados por um barramento com transmissão digital de sinais

129 129 Sensores inteligentes Dispositivos miniaturizados construídos com microcontroladores (circuitos integrados que reúnem processador, memória, portas de I/O, temporizadores e conversor A/D em uma só pastilha) Sensor Amp Microcon- trolador Interface com o barramento Barramento Simples Compacto Robusto Versátil Baixo consumo Baixo custo

130 130 Sistema de aquisição de dados: estação climatológica automatizada Coletor de dados Coleta dos dados Microcomputador Transmissão dos dados Tx Dados

131 131 INDICADORES DIGITAIS

132 132 REGISTRADORES GRÁFICOS

133 133 REGISTRADORES COMPUTADORIZADOS

134 134 Arquivo de dados

135 135 Dados processados

136 136 FORÇA DE TRAÇÃO

137 137 Consumo de combustível

138 138 Força de tração x Velocidade

139 139 Temperatura do combustível

140 140 Análise – Conclusões

141 141 SINAL ANALÓGICO

142 142 SINAL DE PULSO


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