Sensores Analogicos

Nos últimos posts foram abordados alguns dos sensores digitais, projetados para detectar a presença (ou ausência) de determinados objetos, indicando em sua saída o valor 0 ou 1.
Neste post, serão abordados os sensores analógicos, que são basicamente destinados a transformar o valor de uma variável qualquer em uma variável elétrica, possibilitando a integração desse valor a um sistema de controle.

Transdutor

Transdutor é o nome que se dá a um elemento capaz de transformar um tipo de energia em outro tipo de energia. Por exemplo, um alto falante é um transdutor, pois é capaz de transformar as variações da energia elétrica em energia sonora (vibrações mecânicas através do ar). Por outro lado, um microfone é também um transdutor, pois é capaz de transforma a energia sonora (vibrações mecânicas através do ar, provocadas por alguém falando ou cantando ou ainda por um instrumento musical) em energia elétrica, que poderá ser manipulada (amplificada, digitalizada e gravada).

Logo, o elemento principal na composição de um sensor analógico será o transdutor, acompanhado de um conjunto de circuitos eletrônicos para amplificar e condicionar os sinais, que em geral são sinais elétricos de corrente ou tensão.

Variáveis

Existem sensores para praticamente qualquer variável. Entretanto, as mais comuns no meio industrial são:

• Distância (ou posição);
• Inclinação;
  
• Nível;
  
• pH;
• Pressão;
• Temperatura;
• Velocidade (linear e angular);
• Vazão;

Os sensores aplicados à Automação Industrial geralmente fornecem em sua saída uma variável elétrica padronizada (0 a 20mA ou 4 a 20mA, 0 a 10V ou 2 a 10V).

A seguir são apresentadas algumas imagens de sensores analógicos:

Figura 1 - Sensor de pressão para líquidos e gases. Faixa de medição: -12,4 a 250 milibar, saída 4-20mA ou 0-10V. (Referência IFM Electronic PI2698)

Figura 2 - Sensor de vazão para líquidos. Faixa de medição: 3 a 300cm/s, saída 4-20mA
(referência IFM Electronic SI5004).

Figura 3 - Sensor de distância a Laser. Faixa de medição: 0,2 a 10 metros, saída 4-20mA ou 0-10V

(referência IFM Electronic O1D100). Veja uma animação deste sensor aqui.

Relação entre grandezas

As grandezas medidas pelos sensores analógicos possuem uma relação direta com o sinal elétrico disponibilizado pelos mesmos. Por exemplo, um sensor de temperatura pode medir temperaturas de 0 a 100ºC e disponibiliza na saída uma corrente de 0 a 20mA proporcional ao valor da temperatura medida, ou seja, quando a temperatura for 0ºC, a saída estará em 4mA e quando a temperatura for 100ºC a saída será 20mA.

A relação entre a grandeza medida pelo sensor e o sinal elétrico disponibilizado por ele nem sempre é possível de se determinar por uma "regra de três". O exemplo dado no parágrafo anterior é um caso em que é possível utilizar tal regra para, por exemplo, determinar qual será a saída do sensor em mA para uma temperatura de 26ºC. O cálculo será:


Tomando um outro exemplo, onde um sensor de temperatura de 0 a 100ºC disponibiliza uma saída de 4-20mA, qual seria a saída deste sensor para uma temperatura de 65ºC? Vejamos o cálculo com "regra de três":

O valor encontrado, embora pareça, não está correto. A relação correta nesse caso (e talvez seja melhor aplicá-la em todos os casos, na dúvida) será:

Onde:
X - Valor atual na escala 1.
Xi - Valor inicial da escala 1.
Xf - Valor final da escala 1.
Y- Valor atual na escala 2.
Yi - Valor inicial da escala 2.
Yf - Valor final da escala 2.

Refazendo o exemplo do sensor de temperatura de 0 a 100ºC com a saída de 4 a 20mA, para uma temperatura de 60º, considerando X os valores de corrente e Y os valores de temperatura, temos:



Assim, sempre que se for trabalhar com sensores analógicos, é importante conhecer esta relação entre as grandezas para efetuar conversão de escalas, verificar se as medições estão corretas, etc.

Sensores Digitais - Óticos e Ultra-sônicos

Sensores Óticos

Os sensores óticos utilizam algum tipo de luz para detectar a presença (ou ausência) ou passagem de objetos. O tipo de luz utilizada pode ser o infravermelho, o laser ou ainda a luz convencional (mais raros).

O princípio básico de funcionamento dos sensores ópticos está em emitir uma luz e monitorar se essa luz é recebida recebê-la de volta.

Para diferenciar a luz refletida da luz ambiente, a luz emitida pelo sensor é modulada, ou seja, são pulsos de luz em uma determinada frequência. Assim, a luz recebida passa por um filtro, de maneira que o sensor só será atuado se a luz recebida estiver na mesma faixa de frequência da luz emitida.

Os sensores óticos se dividem em três categorias, que são:

• Difusos

• Retro-reflexivos

• Emissor-receptor

Sensores óticos difusos

Nesta configuração, o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade, sendo que o acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor (ver Figura 1).

Figura 1 – Princípio de operação do sensor ótico difuso

Os sensores óticos difusos possuem um alcance menor em relação aos outros sensores óticos (reflexivo e emissor-receptor). Um exemplo são os sensores da IFM Electronic que possuem um alcance máximo de 4 metros.

Sensores óticos retro-reflexivos

O sensor ótico reflexivo, também conhecido como retro-reflexivo, assim como o difuso, tem o transmissor e o receptor montados em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor após a incidência em um espelho e o acionamento da saída ocorre quando o objeto interrompe o feixe (Figura 2).

Figura 2 – Princípio de operação do sensor ótico retro-reflexivo

Este tipo de sensor pode ser utilizado em segurança de áreas, conforme pode ser visto na Figura 3. Neste exemplo, um robô é cercado por um feixe luminoso que, após reflexões sucessivas, atinge o receptor. Caso um objeto interrompa esse feixe, o sensor será atuado, paralisando o trabalho do robô ou, no caso, indicando que uma peça de trabalho está ao alcance do robô.

Figura 3 – Exemplo de aplicação de um sensor óptico retro-reflexivo

Um cuidado a ser tomado com um sistema como este, é quanto a limpeza dos sensores e espelhos. A sujeira pode gerar acionamentos indevidos. Caso o ambiente seja muito rico em poeira ou qualquer outra partícula em suspensão (névoa de óleo, por exemplo), talvez seja mais indicado utilizar outro tipo de sensor.

O alcance desse tipo de sensor pode chegar a algumas dezenas de metros, lembrando que as características do ambiente (nuvens de poeira ou vapor), podem influenciar nesse valor de alcance.

Emissor-receptor

Este sensor, ao contrário dos dois anteriores, é montado em duas unidades distintas: uma emissora e outra receptora. Cada unidade fica de um lado da trajetória do objeto-alvo e, uma vez que este interrompa o feixe, e o sensor é ativado. Um exemplo de aplicação são as barreiras utilizadas em elevadores para impedir o fechamento da porta caso haja algum objeto (partes do corpo de um usuário ou outros objetos).

Figura 4 – Sensor óptico tipo emissor-receptor

Sensor ultra-sônico

O sensor ultra-sônico emite pulsos cíclicos de som em alta frequência que, quando refletidos por um objeto, retornam ao receptor, acionando a saída do sensor.

Tanto o emissor como o receptor estão montados na mesma unidade, portanto, é necessário que haja uma reflexâo (eco) do ultra-som de modo que este ative o receptor.

Figura 5 – Inclinações máximas para um sensor ultra-sônico

Neste caso também se deve ter um cuidado ao utilizar um sensor deste tipo devido ao alinhamento angular. Dependendo da inclinação do alvo o eco pode desviar-se para uma direção diferente do sensor, não chegando ao receptor (localizado no mesmo componente). Geralmente este tio de sensor permite uma inclinação máxima de mais ou menos 3º (Figura 5).

Assim como o óptico, o sensor ultra-sônico pode suprimir o fundo (desprezar o eco do que não é objeto alvo de detecção). Vale reparar que o sensor ultra-sônico pode operar tal qual um óptico, no que se refere a capacidade de detecção.

Figura 6 – Aplicações do sensor ultra-sônico

Sensores Digitais - Limites e Indutivos

Os sensores mais comumente utilizados em automação industrial podem ser, conforme já mostrado anteriormente, digitais e analógicos. Basicamente, podem ser citados os seguintes sensores digitais:

• Chaves fim-de-curso ou limites;
• Sensores indutivos;
• Sensores capacitivos;
• Sensores óticos; e
  
• Sensores ultra-sônicos;
  

Neste post serão mostrados as Chaves fim-de-curso ou limites e sensores indutivos. Os demais serão apresentados nos próximos posts:

Chaves fim-de-curso ou limites

As chaves fim-de-curso, também conhecidas como limits, são dispositivos eletromecânicos utilizados para detectar a passagem ou a posição de objetos através do contato mecânico da haste da chave com o objeto (ou dispositivo mecânico auxiliar). Esta haste aciona mecanicamente um contato elétrico, que pode ser utilizado num circuito de controle. Um exemplo desse tipo de sensor é mostrado na Figura 1 e um esquema do funcionamento é mostrado na Figura 2.

Figura 1 - Exemplo de uma chave fim-de-curso

Figura 2 - Vista da estrutura interna de uma chave fim-de-curso

Este dispositivo possui construção muito simples, sendo que pode trabalhar com um contato NA – Normalmente Aberto, ou seja, 0=Não Atuado e 1=Atuado, ou NF – Normalmente Fechado, ou seja, 0=Atuado e 1=Não Atuado. Dependendo da chave, pode haver uma combinação de vários contatos NA ou NF.

Sensores indutivos

O sensor indutivo, também conhecido como sensor de proximidade, é capaz de detectar a presença de um objeto metálico quando este estiver a uma determinada distância da sua face (distância sensora). Seu princípio de funcionamento, mostrado na Figura 3, é baseado na geração de um campo eletromagnético de alta frequência, que é desenvolvido por uma bobina instalada na face sensora.

Figura 3 - Ilustração do princípio de operação de um sensor indutivo

A bobina faz parte de um circuito oscilador, que em condição normal (não acionada), gera um sinal senoidal, cuja amplitude e frequência dependem do valor da indutância da bobina. Quando um metal entra na área de atuação do campo magnético (portanto, aproxima-se da bobina), ocorre uma variação da indutância da mesma e, consequentemente, redução da amplitude do sinal gerado no oscilador. Esta variação do valor original é, então, detectada e aciona o estágio de saída.

Na Figura 4 é apresentado um diagrama simplificado do circuito interno de um sensor indutivo. Geralmente, ao se falar em sensores indutivos, pode surgir a seguinte pergunta: “Qual a razão de utilizar sensores indutivos no lugar de chaves fim-de-curso convencionais?”

Várias, mas três são as principais:

1. Número de manobras: por não ter partes móveis (acionamento estático), a capacidade de operação de um sensor indutivo é muito maior que uma chave convencional;

2. Ausência de contato físico: como se trata de um sensor de proximidade, não há necessidade de contato físico com a parte em movimento. Novamente, isso contribui para o aumento significativo da vida útil do sensor;

3. Velocidade de atuação: ela é maior que a de uma chave mecânica, uma vez que não há inércia na sua operação.

Figura 4 - Diagrama interno de um sensor indutivo

A Figura 5 ilustra um exemplo do campo de atuação, tendo como referência sua superfície ativa. Já a Figura 6 traz alguns exemplos de aplicação.

Figura 5 - Campo de atuação de um sensor indutivo

Outra designação atribuída ao sensor indutivo é de sensor "não faceado". Essa denominação origina-se do aspecto de instalação, que por razões óbvias deve ter uma "zona livre" de metal ao seu redor. Através da Figura 7, podem ser estimadas as distâncias mínimas que um sensor deste tipo deve respeitar, caso seu alojamento seja metálico, a fim de que não ocorram comutações errôneas.

No próximo post, será apresentado o sensor capacitivo, que é um sensor para materiais não metálicos que são classificados como faceados, uma vez que "faceiam" seu alojamento sem correr riscos de acionamento indevido.

Figura 6 - Exemplos de aplicação de sensores indutivos

É importante lembrar que a figura 7 apresenta algumas distâncias recomendadas por um fabricante específico. Para utilizar um sensor, as recomendações do fabricante devem ser consultadas.

Figura 7 - Distância mínimas para instalação de sensores indutivos

Definição

No tópico Variáveis, foram conceituadas os dois tipos de variáveis em um processo industrial (ou qualquer outro processo), que são as variáveis digitais e analógicas.

Para que um sistema de automação possa efetuar medições ou detecção do estado de determinadas variáveis dentro de um dado processo, é necessário que seja instalado um dispositivo que converta a grandeza física medida em algum outro tipo de grandeza, geralmente elétrica, que possa ser interpretada pelo sistema de controle.

Nesse contexto estão presentes os sensores, que são dispositivos eletrônicos capazes de converter grandezas físicas (variáveis analógicas ou digitais) em grandezas elétricas, compatíveis com o sistema de controle do processo.

Exemplo 1: Uma câmara frigorífica pode ser desligada sempre que a temperatura no seu interior for -10ºC ou menos. Para isso, foi instalado um termostato (Contato térmico) e ajustado de maneira que ele acione um contato sempre que a temperatura for -10ºC ou menor. Assim, o sistema de controle recebe uma tensão através desse termostato que vale 110V quando a temperatura é superior a -10ºC (1) ou 0V quando inferior a -10ºC (0). A partir deste estado lógico (0 ou 1) enviado pelo sensor (termostato) o sistema de controle pode ligar ou desligar a câmara frigorífica.

Exemplo 2: Para se medir a temperatura de um líquido em um tanque pode ser utilizado um sensor de temperatura analógico, capaz de medir temperaturas de 0 a 250ºC. Essa faixa de valores de temperatura são convertidos em um sinal de corrente que varia de 4-20mA, onde 4mA corresponde a 0ºC e 20mA corresponde a 250ºC.


PARAMETROS DE UM SENSOR

Um sensor que será usado em um determinado processo para fazer a medição ou detecção de alguma variável deve ser especificado de acordo com um conjunto de parâmetros. A seguir são apresentados alguns desses parâmetros:

• Linearidade: É a proporcionalidade entre o grandeza física medida e o sinal elétrico emitido pelo sensor. Quanto maior for esta proporcionalidade, maior será a precisão e a fidelidade das medições. (Ver Figura 1)
  
• Faixa de atuação: É o intervalo de valores da grandeza medida em que o sensor pode ser utilizado sem que ocorra a sua destruição ou prejuízo de sua linearidade. Exemplo: Um medidor de distância a laser foi dimensionado para medir distâncias entre 0,2 e 10 metros. Caso seja necessário medir uma distância entre 0 e 15 cm ou superior a 10 metors, este sensor não poderá ser utilizado, pois tem sua faixa de atuação diferente do exigido pelo processo. (Ver Figura 1)
  
• Histerese (sensores digitais): Em sensores digitais, tais como os de proximidade, a histerese é definida como a distância entre os pontos de comutação de um sensor, quando um atuador dele se aproxima ou afasta. Exemplo: Um sensor indutivo liga sua saída (1) quando um objeto metálico se aproxima a 10mm de sua face sensora e somente desliga (0) quando esse objeto se afastar a mais de 12mm de sua face sensora. Logo, possui histerese de 2mm.
• Sensibilidade: É a menor variação na variável medida ou monitorada que provoca a mudança do estado ou alteração no sinal elétrico produzido pelo sensor.
• Frequência de comutação: É a quantidade máxima de mudanças de estado em um determinado intervalo de tempo (aplicável somente a sensores digitais).
• Distância sensora: É a distância em que, aproximando-se um objeto da face sensora, o dispositivo muda de estado (aplicável somente a sensores digitais).

Figura 1 - Exemplo de parâmetros de um sensor de temperatura