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Instrumentação Industrial e Medidas Eléctricas - IPT - DEE_________Carlos Ferreira
Sensores Amedição das grandezas físicas é uma necessidade. Para essa função são utilizados sensores estes convertem a grandeza a medir noutra. No caso da instrumentação a variável de saída é normalmente eléctrica. A informação adquirida pode servir para monitorização, controlo de processos ou mesmo protecção.
1 – batente 2 – parte móvel 3 – lingueta de contacto 4 – contacto Figura 1 – Sensor de fim de curso: constituição e funcionamento.
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Figura 2 – Sensor de fim de curso.
Figura 3 – Sensores de temperatura: termopares.
Figura 4 – Sensores de temperatura: câmara por infravermelhos.
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Instrumentação Industrial e Medidas Eléctricas - IPT - DEE_________Carlos Ferreira Detector capacitivo: C=uA/d, V=Q/C.
Figura 5 – Sensor capacitivo.
Figura 6 – Sensor capacitivo: aplicação para afetriação de nível de enchimento.
Detector indutivo: L=(u), Z=2pi.f.
Figura 7 – Sensor indutivo.
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Figura 8 – Sensor indutivo: aplicações.
Figura 9 – Extensómetro e método de aplicação para medição de forças.
Figura 10 – Aplicações de extensómetros.
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Figura 11 – Sensores fotoeléctricos: on-off ( esquerda), analógico (direita).
1 – detector 2 – tapete 3 - peça Figura 12 – Sensores fotoeléctricos: aplicação.
Figura 13 – Sensor magnético (reed).
Figura 14 – Interruptores de mercúrio: fechado (esquerda) e aberto (direita).
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Sensores de efeito de Hall, princípio de funcionamento: aparecimento de uma tensão – VH – num condutor, ou semicondutor, que é submetido a um campo magnético perpendicular à direcção da corrente que nele flúi.
Figura 15 – Sensor de efeito de Hall: princípio de funcionamento.
Figura 16 – Sensor de efeito de Hall: utilizado numa pinça amperimétrica; como sensor de corrente em aparelho electrónico.
Sensor de posição resistivo: R deve ser o mais linear possível com a distância d ou o ângulo θ. Este é constituído por um contacto que se move sobre um fio ou banda de material resistivo.
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Figura 17 – Resistência.
Sensores ultrasónicos para medição de distância: 1 – detector, 2 – objecto, 3 – propagação acústica v=342m/s, d=vt, medição do tempo
Figura 18 – Sensor de distância por ultrasons.
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Sensor
Figura 19 – Sensor de presssão.
Figura 20 – Kit de demonstração de vários tipos de sensores.
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Sistemas de protecção Na concepção de uma instalação eléctrica, é necessária a protecção das pessoas e da instalação. Sobreintensidades perigosas podem aparecer durante o funcionamento dos sistemas devido a sobrecargas, ou por curto-circuito na cablagem. Para se evitar que os dispositivos ou as instalações eléctricas que os alimentam avariem, devem ser previstos dispositivos de protecção contra sobrecargas e contra curto-circuitos. Na protecção dos sistemas eléctricos contra sobreintensidades utilizam-se fusíveis e ou disjuntores. FUSÍVEIS O fusível é um elemento cuja função é interromper, por fusão de um ou mais elementos concebidos e calibrados para o efeito, o circuito no qual está inserido, cortando a corrente quando esta ultrapassa, num tempo suficiente, um determinado valor. TIPOS DE FUSÍVEIS: - UTILIZADOS NA INDUSTRIA ELÉCTRICA: Os mais comuns mostram-se nas figuras. Internamente estão cheios de areia ou de material similar, uma vez que possuem alta capacidade de ruptura.
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Figura 21 – Fusível cilíndrico.
Figura 22 – Fusível de cartucho
Tipos: • gG: Fusíveis que protegem contra sobrecargas e contra curto-circuitos (acção lenta). f • aM: Fusíveis que protegem exclusivamente contra curto-circuitos (acção rápida). - UTILIZADOS EM ELECTRÓNICA: Os mais usuais possuem normalmente invólucro em vidro mas existem tb outros tipos (ver na figura seguinte). Também se fabricam com alta capacidade de ruptura, sendo neste caso cheios de areia ou de material similar.
Figura 23 – Fusíveis diversos.
Tipos: • FF: Fusíveis de acção ultrarápida, fundem rapidamente em caso de sobrecarga muito baixa; • F: Fusíveis de acção rápida (East), fundem rapidamente perante sobrecargas relativamente baixas, oferecendo, em condições nominais, um uso duradoiro e fiável; • M: Fusíveis de acção semiretardada (Moderate), fundem rapidamente perante sobrecargas moderadas, mas suportam, com alguma tolerância, correntes transitórias moderadas; • T: Fusíveis de acção retardada (Iemporizados), fundem rapidamente perante sobrecargas prolongadas, mas são capazes de resistir a transitórios de corrente de curta duração.
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Instrumentação Industrial e Medidas Eléctricas - IPT - DEE_________Carlos Ferreira DISJUNTORES Estes são aparelhos mecânicos de conexão capazes de estabelecer, suportar e interromper correntes nas condições normais do circuito e ainda de estabelecer e suportar num tempo especificado e de interromper automaticamente correntes em condições anormais especificadas para o circuito, tais como as correntes de curtocircuito. DISJUNTORES MAGNÉTICOS Os disjuntores magnéticos são utilizados na protecção contra curto-circuitos. Estes têm um nível de disparo, em média, 13 In (corrente nominal do circuito). O seu elemento principal é um relé electromagnético de máxima corrente que actua (desliga) quando a corrente atinge um valor predeterminado. Um aumento instantâneo do valor da corrente, devido a um curto-circuito, produz um forte campo magnético na bobina do relé, que provoca a atracção do seu núcleo. Este, por sua vez, provoca a abertura do circuito (disparo do disjuntor). O funcionamento é bastante rápido.
Figura 24 – Disjuntores magnéticos bi/tripolares.
São utilizados em aplicações que necessitem de separação das funções de protecção contra curto-circuito e contra sobrecargas. Neste caso, o relé de protecção térmica é utilizado separadamente. PROTECÇÁO TÉRMICA Estes protegem os sistemas contra sobrecargas. As protecções térmicas baseiam o seu funcionamento em lâminas bimetálicas que, devido ao aquecimento provocado por efeito de Joule, dobram e abrem contactos. Trata-se de um funcionamento temporizado.
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Figura 25 – Relé térmico tripolar.
Estes também podem ser embutidos em transformadores, secadores, etc., como protecção ou comando.
Figura 26 – Protecções térmicas utilizadas em electrodomésticos.
DISJUNTORES MAGNETO-TÉRMICOS Estes disjuntores são aparelhos magneto-térmicos e protegem contra sobrecargas, com os elementos de protecção térmica, e contra curto-circuitos, como os elementos de protecção magnética. Os elementos térmicos têm regulação no painel frontal, tendo os elementos magnéticos um nível de disparo não regulável e igual a cerca de 13 vezes a intensidade de regulação máxima dos sistemas de disparo térmicos.
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Figura 27 – Disjuntor magnetotérmico tripolar/bipolar.
Figura 28 – Disjuntor magnetotérmico associado a contactor.
São comandados manualmente, operando botões/manípulos na face frontal, ou automaticamente pelos dispositivos de protecção magneto-térmica. Quando o disjuntor é utilizado individualmente, o comando é manual e local. Quando associado a um contactor, o comando pode ser automático e realizado à distância.
Movimento de interrupção do circuito Figura 29 – Pormenor interno de um sistema magneto-térmico unipolar.
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Sistema magnético (bobina)
Sistema térmico (resistência e lâmina bimetálica) Figura 30 – Identificação do sistema térmico e do sistema electromagnético.
DISJUNTORES DIFERENCIAIS Para proteger as pessoas de contactos acidentais com uma fase do sistema de distribuição e da respectiva condução para a terra existem disjuntores de corrente diferencial. Estes disjuntores são aparelhos que com base na diferença da intensidade de corrente entre neutro e fase (será a corrente que se está a conduzir para a terra) cortam o circuito quando este valor excede valores considerados perigosos para o ser humano. Na figura encontram-se representados os efeitos da passagem de corrente no ser humano.
Figura 31 – Intensidades de corrente e respectivos efeitos no ser humano.
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Instrumentação Industrial e Medidas Eléctricas - IPT - DEE_________Carlos Ferreira Estes têm normalmente um botão de pressão de teste no painel frontal que permite testar o seu correcto funcionamento. Em sistema domésticos é típico a utilização de intensidades máximas na ordem das dezenas de mA.
Figura 32 – Protecção diferencial.
Atenção ao facto de estes sistemas protegerem unicamente as pessoas no caso de existirem correntes para a terra, o contacto acidental entre fase e neutro ou entre fases não é detectado!
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Sistemas de comando Para ligar/desligar sistemas utilizam-se interruptores com capacidade de corte das grandezas envolvidas. Para executar o controlo de sistemas (motores, autómatos, etc.) é bastante útil poderse controlar um interruptor/grupo de interruptores através de sinais de baixa potência provenientes de sensores, autómatos, etc. O elemento que o permite é o relé ou contactor. Este comanda mecanicamente uma série de interruptores através da actuação na excitação de um sistema magnético. Ao ser alimentado este atrai uma armadura que comanda os interruptores estando o sistema de comando electricamente isolado do sistema comandado. O sistema de interruptores (comandado) e o sistema de excitação (comando) pode estar preparado para várias tensões em função dos requisitos particulares do sistema. Na figura 13 está representado um cotactor e características do sistema de comando e dos interruptores coamandados.
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Opcções existentes Figura 33 – Contactor e especificações.
Figura 34 – Contactor para quadro eléctrico.
Figura 35 – Temporizador.
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