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3. Sensores Industriais Este capítulo examina os tipos e usos de sensores industriais. Discute sensores digitais e analógicos e o seu cabeamento. A NECESSIDADE DE SENSORES Os sensores tornaram-se vitais na indústria e os fabricantes estão mostrando uma tendência de integração de equipamentos controlados por computador. No passado, os operadores eram os cérebros de um equipamento e fonte de toda informação sobre a operação de um processo. O operador sabia se as peças estavam disponíveis, que peças estavam prontas, se eram boas ou más, se o trabalho feito com ferramentas estava aceitável, se o dispositivo elétrico estava ligado ou não, e assim por diante. O operador podia detectar problemas na operação vendo, ouvindo, sentindo (vibração, etc..), e cheirando problemas. A indústria está usando agora computadores (em muitos casos PLCs) para controlar os movimentos e as seqüências das máquinas. Um PLC é muito mais rápido e mais preciso do que um operador nestas tarefas. Um PLC não pode ver, ouvir, ter sensações, ou cheirar os processos mas pode usar sensores industriais para substituir estas capacidades. O PLC pode usar sensores simples para verificar se peças estão presentes ou ausentes, para medir peças, e mesmo para verificar se o produto está vazio ou cheio. O uso de sensores para monitorar processos é vital para o sucesso de uma manufatura e para assegurar a segurança do equipamento e do operador. De fato, os sensores executam tarefas simples mais eficientemente e mais precisamente do que pessoas. Os sensores são muito mais rápidos e cometem poucos erros. Estudos foram realizados para avaliar quão eficazes os seres humanos são em tarefas repetitivas como p.e., inspeção. Um estudo examinou pessoas que inspecionavam bolas de tênis de mesa. Uma correia transportadora trazia as bolas de tênis para um trabalhador. As bolas brancas eram consideradas boas, e as bolas pretas eram consideradas sucata. O estudo descobriu que as pessoas eram eficazes aproximadamente 70 por cento, para encontrar as bolas defeituosas. Certamente, os trabalhadores podiam descobrir todas as bolas pretas, mas ao executar tarefas simples, tediosas e repetitivas cometiam muitos erros. Um sensor simples poderia, entretanto, executar tarefas simples como esta quase sem cometer falhas. TIPOS DE SENSORES Contactores vs. Não-contactores Os sensores são classificados de várias maneiras; uma classificação comum é: sensores com contato ou sem-contato. Se o dispositivo precisa contactar uma peça para a detectar, o dispositivo é um sensor do contato. Um interruptor de limite simples em uma correia transportadora é um exemplo. Quando a peça move uma alavanca no interruptor, o interruptor muda de estado. O contato da peça e do interruptor cria uma mudança no estado que o PLC pode monitorar. Os sensores sem-contato podem detectar uma peça sem tocar nela fisicamente, o que evita o retardo ou a interferência no processo. Os sensores sem-contato (eletrônicos) não operam mecanicamente (i.e., não têm nenhuma peça móvel) e são mais confiáveis e menos sujeitos a falhas do que sensores mecânicos. Os dispositivos eletrônicos são também muito mais rápidos do que dispositivos mecânicos, assim, dispositivos sem-contato podem trabalhar em taxas muito elevadas de produção. O restante deste capítulo examina sensores sem-contato. Sensores Digitais Uma outra maneira classificar sensores é: digitais ou analógicos. As aplicações industriais necessitam tanto de sensores digitais quanto de analógicos. Um sensor digital tem dois estados: ligado ou desligado. A maioria de aplicações envolvem monitorar a presença/ausência de peças e procedimentos de contagem, o que um sensor digital faz de maneira perfeita e barata. Os sensores digitais são mais simples e mais fáceis de usar do que os analógicos, o que é um fator para seu largo uso.
Os sensores com saídas digitais podem estar ligados ou desligados. Geralmente possuem saídas transistorizadas. Se o sensor detectar um objeto, o transistor é ligado e permite a passagem de uma corrente elétrica. A saída do sensor é conectada geralmente a um módulo de entrada do PLC. Sensores estão disponíveis com contatos de saída normalmente fechados ou normalmente abertos. Os sensores com contatos normalmente abertos permanecem desligados até que detectem um objeto e então são ligados. Os sensores com contatos normalmente fechados permanecem ligados até que detectem um objeto, quando então se desligam. Quando se trata de fotosensores, os termos liga-na-luz e liga-no-escuro são usados frequentemente. Liga-no-escuro significa que a saída do sensor fica ligada enquanto nenhuma luz chega ao sensor, o que é similar a uma circunstância de normalmente fechado. Sensores tipo liga-na-luz apresentam a saída ligada enquanto a luz incidir sobre o receptor, similar a um sensor normalmente aberto. O valor limite para a corrente elétrica de saída da maioria dos sensores é bastante baixo. Geralmente a corrente de saída deve ser limitada a menos de 100 miliampères. Os usuários devem então verificar o sensor antes de liga-los à tomada de força. A corrente de saída deve ser limitada ou o sensor pode ser destruído! Este não é geralmente um problema se o sensor estiver sendo conectado a uma entrada de um PLC, já que o PLC limita a corrente na entrada a um valor seguro. Sensores analógicos, também chamados de sensores de saída linear, são mais complexos do que os digitais, mas podem fornecer muito mais informação sobre um processo. Imagine um sensor usado para medir temperatura. Uma temperatura é uma informação analógica. Um sensor analógico detecta a temperatura e emite uma corrente ao PLC. Quanto mais elevada a temperatura, mais elevada a saída do sensor. O sensor pode, por exemplo, apresentar na saída entre 4 e 20 miliampères dependendo da temperatura real, embora haja um ilimitado numero de temperaturas (e de correntes elétricas). Lembre-se que a saída de um sensor digital está ou ligada ou desligada. Por outro lado, a saída de um sensor analógico pode ser qualquer valor dentro da escala. Assim, o PLC pode monitorar a temperatura muito precisamente e controlar o processo. Sensores de pressão também estão disponíveis como dispositivos analógicos. Fornecem uma escala da tensão de saída (ou de corrente), dependendo da pressão a que estão submetidos. SENSORES DIGITAIS Sensores Óticos Todos os sensores óticos usam a luz para detectar objetos. Uma fonte de luz (emissor) e um fotodetector sentem a presença ou a ausência da luz. LEDs (diodos emissores de luz), que são diodos semicondutores que emitem luz, são usados tipicamente como fontes de luz porque são pequenos, resistentes, muito eficientes e podem ser ligados/desligados em velocidades extremamente elevadas. Operam em um comprimento de onda estreito e são muito confiáveis. Os diodos emissores de luz não são sensíveis à temperatura, choque, ou à vibração e tem uma vida útil quase infinita. O tipo de material usado para o semicondutor determina o comprimento de onda da luz emissora. Os diodos emissores de luz existentes nos sensores são usados normalmente em “pulsos”. O emissor de luz é pulsado (desligado e ligado repetidamente). O tempo de permanência “ligado” é pequeno comparado ao tempo “desligado”. Os LEDs são pulsados por duas razões: para impedir que o sensor seja afetado pela luz ambiental, e para aumentar a vida útil do diodo emissor de luz. Isto é também chamado de “modulação”. O fotodetector detecta a luz pulsante. O receptor e o emissor são ambos “ajustados” à freqüência da modulação. Assim, o fotodetector essencialmente ignora toda a luz ambiental e percebe somente a freqüência correta. As fontes de luz escolhidas são geralmente invisíveis ao olho humano e os comprimentos de ondas são escolhidos de modo que os sensores não sejam afetados por outras fontes de iluminação da fábrica. O uso de comprimentos de ondas diferentes permite que alguns sensores, chamados de sensores de marcação colorida, diferenciem diversas cores. O método de pulsar a luz e o comprimento de onda escolhido fazem dos sensores óticos dispositivos muito confiáveis. Algumas aplicações para sensores utilizam a luz emitido por materiais materiais aquecidos ao rubro, tais como o vidro ou o metal. Nestas aplicações, utilisam-se receptores sensíveis à luz infravermelha. Todos os vários tipos de sensores óticos funcionam basicamente da mesma maneira. As diferenças estão na maneira em que a fonte de luz (emissor) e o receptor são configurados e encapsulados.
Sensibilidade Claro/Escuro: Os sensores óticos são fabricados para serem sensibilizados pela luz ou pela escuridão, chamados também de liga-na-luz e liga-no-escuro. De fato, muitos sensores podem ser comutados entre estas duas modalidades. Sensibilidade à Luz (Light-on): A saída fica energizada (on) quando o sensor recebe o feixe de luz modulada. Ou seja, o sensor é ligado quando o feixe está desobstruído. Sensibilidade ao Escuro (Dark-on): A saída fica energizada (on) quando o sensor não recebe o feixe modulado. Ou seja, o sensor é ligado quando o feixe é obstruído. Luzes de rua são exemplos de ligano-escuro. Quando começar a anoitecer, a luz das luminárias nos postes são ligadas. Funções de Temporização: Funções de temporização estão disponíveis em alguns sensores óticos. Podem ser do tipo liga-no-atraso e desliga-no-atraso. Liga-no-atraso atrasa o acionamento da saída do sensor por um tempo pré-definido pelo usuário. Desliga-no-atraso segura a saída do sensor ligada por um tempo pré-determinado mesmo depois que o objeto se afastou do sensor. Tipos de Sensores Óticos Sensores de Reflexão: Um dos tipos mais comuns de sensores óticos é o tipo reflexivo ou de reflexão difusoa. O emissor e o receptor de luz são encapsulados na mesma peça. O emissor emite a luz, que incide no produto a ser detectado. A luz refletida retorna ao receptor onde é detectada (figura abaixo). Os sensores reflexivos têm menor poder de detecção (alcance) do que outros tipos de sensores óticos porque dependem da luz refletida no produto.
Sensor tipo Reflexivo. O emissor e o receptor de luz estão no mesmo pacote. Quando a luz do emissor bate em um objeto, o receptor detecta e a saída do sensor muda de estado. A distância de detecção (alcance) deste tipo de sensor é limitada pela capacidade do objeto de refletir a luz em direção ao receptor.
Fotosensor polarizado: Um fotosensor especial detecta objetos brilhantes usando um refletor especial. O refletor consiste de pequenos prismas que polarizam a luz do sensor. O refletor polariza verticalmente a luz e reflete-a para em direção ao receptor do sensor. O fotosensor emite luz polarizada horizontalmente. Assim, se um objeto muito brilhante se mover entre o fotosensor e o refletor e refletir de volta a luz em direção ao sensor, ela é ignorada porque não está polarizada verticalmente.
Um fotosensor polarizado. Notar o uso de um refletor especial.
Sensor de Retroreflexão: Este sensor é similar ao sensor de reflexão. O emissor e o receptor são ambos montados no mesmo pacote. A diferença é que a luz é refletida de um refletor em vez do produto. Este refletor é similar àqueles usados em bicicletas. Os sensores de retroreflexão possuem maior alcance do que sensores reflexivos comuns mas menor alcance do que sensores de ruptura-defeixe. São uma boa opção quando o “scanning” só pode ser feito a partir de um lado da aplicação, o que ocorre geralmente quando há limitação de espaço.
Sensor de retroreflexão. O emissor e o receptor de luz estão no mesmo pacote. A luz é rebatida em um refletor e é detetada pelo receptor. Se um objeto obstruir o feixe, a saída do sensor muda de estado.
Sensor de Ruptura de Feixe: Um outro sensor comum é o de ruptura-de-feixe. Nesta configuração o emissor e o receptor são empacotados separadamente. O emissor emite a luz através de um espaço e o receptor detecta a luz do outro lado. Se o produto passar entre o emissor e o receptor, a luz para de bater no receptor, dizendo ao sensor que um produto está interropendo o feixe. Esta é provavelmente a modalidade de detecção mais confiável para objetos opacos (não transparentes).
Sensor de Ruptura de Feixe. O emissor e o receptor estão em pacotes separados.
Fotosensor de Feixe Convergente: Um fotosensor convergente, sensor focal também chamado do comprimento, é um tipo especial de sensor reflexivo. Emite-se a luz a um ponto focal específico. A luz deve ser refletida do ponto focal a ser detetado pelo receptor do sensor.
Fotosensor do tipo feixe-convergente.
Sensor de Fibra-ótica: Um sensor de fibra ótica é simplesmente uma mistura dos outros tipos. O emissor e o receptor são os mesmos mas com um cabo de fibra ótica unido a cada um dos dois. Os cabos são muito pequenos e flexíveis e funcionam como uma “tubulação” para carregar a luz. Existem cabos disponíveis nas configurações ruptura-de-feixe e reflexiva.
Sensor de Fibra Ótica
Sensor de Marca de Cor: Um sensor da marca da cor é um tipo especial de sensor ótico reflexivo difuso que pode diferenciar cores; alguns podem mesmo detectar o contraste entre cores. É usado tipicamente para verificar etiquetas e classificar pacotes através de uma marca colorida. A cor de fundo do objeto é uma consideração importante. Os fabricantes do sensor fornecem cartas para a seleção apropriada de sensores de marca colorida. Sensor Laser: Um sensor a laser é usado também como uma fonte de luz para sensores óticos que executam funções de inspeções de precisão e qualidade que requerem medições muito exatas. Esta precisão pode chegar a ser tão pequena quanto alguns mícrons. Um LED de luz laser é usado como a fonte de luz. As saídas podem ser analógicas ou digitais. As saídas digitais podem ser usadas para sinalizar OK/Falha ou outras indicações. A saída analógica pode ser usada para monitorar e gravar medidas reais. Sensor Codificador: Um sensor codificador é usado para retroalimentação da posição e em alguns casos para retroalimentação da velocidade. Os dois tipos principais de codificadores são: incrementais e absolutos; incremental é o tipo o mais comum. A precisão de um codificador é determinada pelo número de linhas no disco do codificador. Quanto mais linhas, mais elevada é a precisão obtido. São comuns codificadores com 500, 1000 ou mesmo mais linhas. A luz de um LED brilha através das linhas no disco do codificador e em uma máscara e é detectada então por receptores (foto-transistores).
Vista expandida de um codificador
Codificador Incremental: Um codificador incremental cria uma série de ondas quadradas. Os codificadores incrementais estão disponíveis em várias resoluções, que são determinadas pelo número de frestas através das quais passa a luz. Por exemplo, um codificador 500-vezes produz 500 ondas quadradas em uma volta ou 250 pulsos em uma meia volta (180 graus). Os dois tipos principais de codificadores incrementais são: tacômetro (single-track) e de quadratura (multitrack).
Um Codificador Incremental
Codificador Tacômetro: Chamado às vezes de codificador single-track, um codificador tacômetro tem somente uma saída e não pode detectar o sentido do curso. Sua saída é uma onda quadrada; sua velocidade pode ser determinada pela freqüência dos pulsos. Codificadores Absolutos: O codificador absoluto fornece um byte de saída com um único padrão que representa cada posição. Os LEDs e os receptores são alinhados para ler o padrão do disco. Muitos tipos de esquemas de codificação podem ser usados para o padrão do disco; os mais comuns são: tons de cinza, natural, binário, e binary-coded-decimal (BCD). Tons de cinza e binário natural permitem até 256 contagens (8 bits). O código de cinzas é muito popular porque é um código nãoambíguo.
Fotodetectores leem a posição de um Codificador Absoluto.
Sensor Ultrasônico: Um sensor ultrasônico usa o som de alta freqüência para medir a distância emitindo ondas e medindo o tempo de retorno. A distância ao objeto é proporcional ao tempo de retorno. Um sensor ultra-sônico realiza medidas muito precisas; a precisão para objetos tão pequenos como 1.0 milímetro pode ser de mais ou menos 0.2 milímetro. Algumas câmeras fotográficas usam detecção ultra-sônica para determinar a distância ao objeto a ser fotografado. Utilizando técnicas de interferometria, pode-se detectar distâncias de uma fração do comprimento de onda emitido. Desta maneira consegue-se uma precisão enorme, já que a luz emitida tem comprimento de onda na escala de 0.0005 milímetros.
Sensor Ultrasonico em uma célula com PLC e um Sensor tipo “porta”.
SENSORES ELETRÔNICOS DE CAMPO Os sensores eletrônicos de campo detectam objetos produzindo um campo eletromagnético. Se o campo for interrompido por um objeto, o sensor é ligado. Os sensores de campo são uma ótima opção para ambientes sujos ou molhados onde um fotosensor pode ser afetado pela sujeira, líquidos, ou contaminação transportada por via aérea. Os dois tipos mais comuns de sensores de campo, capacitivo e indutivo, funcionam essencialmente na mesma maneira. Cada um tem um gerador de campo e um sensor para detectar quando o campo sofre uma interferência. O gerador de campo emite um campo similar ao campo magnético de um ímã. Sensor Indutivo Usados para detectar objetos metálicos, o sensor indutivo trabalha pelo princípio da indução eletromagnética. Funciona de maneira similar aos enrolamentos primários e secundários de um transformador. O sensor tem um oscilador e uma bobina; juntos produzem um campo magnético fraco. Quando um objeto entre no campo, pequenas correntes são induzidas na superfície do objeto. Por causa da interferência com o campo magnético, energia é extraida do circuito oscilador do sensor, diminuindo a amplitude da oscilação e causando uma queda de tensão (voltagem). O circuito de detecção do sensor percebe a queda de tensão do circuito do oscilador e responde mudando o estado do sensor.
Sensores Indutivos.
Diagrama de um sensor indutivo. O gerador indutivo de campo cría um campo indutivo na frente do sensor; o sensor de campo monitora este campo. Quando uma peça de metal penetra o campo, o rompimento no campo é detectado pelo sensor, e a saída muda de estado. O alcance de detecção destes sensores é determinado pelo tamanho do campo gerado. Isto significa que quanto maior o alcance desejado, maior deve ser o diâmetro do sensor.
Detecção de distâncias: O alcance da detecção está relacionado ao tamanho da bobina do indutor e se a bobina do sensor é blindada ou não-blindada. Neste caso, a blindagem do sensor é feita por uma faixa de cobre (ver figura a seguir). Isto impede que o campo se estenda além do diâmetro do sensor porém reduz a distância de detecção. O sensor blindado apresenta mais ou menos a metade do alcance de um sensor não-blindado. Entretanto, isto evita que o sensor detecte o próprio dispositivo ou estrutura em que esteja montado.
Uma faixa de cobre em um sensor blindado. Note que a distância de detecção é reduzida. Se o sensor não-blindado fosse instalado faceando um objeto, detectaria o próprio objeto em que foi montado.
Hysteresis: A histerese significa que um objeto deve estar mais perto de um sensor para liga-lo do que para desliga-lo (veja figura abaixo). O sentido e a distância de detecção são importantes. Se o objeto estiver se movendo em direção ao sensor, deve mover-se para o ponto mais próximo para liga-lo. Uma vez ligado (on-point), permanece ligado até que o objeto se mova para o ponto de liberação (off-ponto). A histerese permite este efeito. O princípio é usado eliminar a possibilidade de “enganar” o sensor. O sensor está sempre ligado ou desligado. A histerese é uma característica interna nos sensores de proximidade que ajuda a estabilizar a detecção de peças. Imagine um frasco movendo-se numa correia transportadora. A vibração faz com que o frasco balance enquanto se move ao longo da transportadora. Se o on-point for o mesmo que o off-point e o frasco balançar enquanto passar pelo sensor, poderia ser detectado muitas vezes. Quando a histerese for utilizada, entretanto, o on-point e o off-point ficam em distâncias diferentes do sensor. Para ligar o sensor, o objeto deve estar mais próximo do que o on-point. A saída do sensor permanece “on” até que o objeto se afaste além do off-point, evitando multiplas leituras indesejadas.
Examplo of histerese. On-point e Off-point estão em diferentes posições.
Sensores Capacitivos Os sensores capacitivos podem detectar objetos metálicos e não metálicos assim como produtos dentro de recipientes não metálicos. Estes sensores são usados geralmente na indústria de alimento e para verificar os níveis de fluidos e sólidos dentro de tanques. Os sensores capacitivos são mais sensíveis à flutuação da temperatura e da umidade do que o são os sensores indutivos, mas os sensores capacitivos não são tão precisos quanto os indutivos. A precisão pode variar de 10 a 15 por cento em sensores capacitivos.
Um sensor capacitivo
Os sensores capacitivos operam baseados no princípio da capacidade eletrostática de maneira similar às placas de um capacitor. O oscilador e o elétrodo produzem um campo eletrostático (nota: o sensor indutivo produz um campo eletromagnético). O alvo (objeto a ser detectado) age como uma Segunda placa do capacitor. Um campo elétrico é produzido entre o alvo e o sensor. Como a amplitude da oscilação aumenta, há um aumento da tensão do circuito do oscilador, e o circuito de detecção responde mudando o estado do sensor (ligando-o). Um sensor capacitivo pode detetar quase qualquer tipo de objeto. A entrada do alvo (objeto) no campo eletrostático perturba o equilíbrio da corrente do circuito do sensor, causando a oscilação do circuito do elétrodo e mantem esta oscilação enquanto o alvo estiver dentro do campo.
Diagrama de um sensor capacitivo.
Detecção de distâncias: Os sensores capacitivos são dispositivos não-blindados, não-empacotados. Isto significa que não podem ser instalados faceando uma estrutura de montagem porque neste a detectariam. Materiais condutores podem ser detectados mais afastados do que não-condutores porque os elétrons nos condutores estão mais livres para se mover. A massa do alvo afeta o alcance de detecção: Maior a massa, maior o alcance. Alguns sensores capacitivos estão disponíveis 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 não seja detectado mas o interior do produto o seja. SENSORES ANALÓGICOS Existem muitos tipos de sensores analógicos. Muitos dos tipos são disponibilizados com saída digital ou analógica. Os fotosensores e os sensores de campo estão disponíveis com saída análoga. Sensores analógicos fornecem muito mais informação sobre um processo do que sensores digitais. Suas saídas variam dependendo das condições a serem medidas. Acuidade, Precisão, e repetibilidade A acuidade pode ser definida como quão próxima é a medida fornecida pelo sensor da quantidade verdadeira que está sendo medida. A precisão determina quão próximos são os valores fornecidos por diversos sensores ao medir uma mesma variável. A repetibilidade é habilidade de um sensor de repetir suas leituras precedentes. Termopares O princípio do termopar foi descoberto por Thomas J. Seebeck em 1821. O termopar é um dos dispositivos mais comuns para a medida da temperatura em aplicações industriais. Um termopar é um dispositivo muito simples que possui duas partes de fio de metais diferentes unidas em uma ou ambas as extremidades. O termopar industrial típico é unido em uma extremidade (veja figura). As outras extremidades do fio são conectadas através de um fio de compensação às entradas analógicas de um dispositivo do controle tais como um PLC.
Um termopar pode ser feito torcendo o tipo desejado de fio e juntando as pontas com uma solda de prata. Para medir a mudança de temperatura, o fio é cortado ao meio para se introduzir um medidor. A tensão é proporcional à diferença na temperatura entre as junções quentes e frias. O fio que conecta o termopar ao módulo do PLC é um par trançado protegido por blindagem. A blindagem em torno do par trançado elimina problemas com o ruído elétrico. A blindagem é aterrada no dispositivo do controle.
O princípio da operação baseia-se em unir metais diferentes e produzir uma pequena tensão. A saída da tensão é proporcional à diferença na temperatura entre as partes frias e quentes.
A junção fria supostamente se encontra à temperatura ambiental. Na realidade, as temperaturas variam consideravelmente em um ambiente industrial. Se a junção fria variar com a temperatura ambiente, as leituras serão imprecisas, o que é inaceitável para a maioria das aplicações industriais. Tabelas para uso industrial de termopares geralmente consideram uma temperatura de referencia de 75 graus (veja figura abaixo), mas como é complicado tentar manter a junção fria em 75 graus, os termopares industriais devem ser compensados. Isto é realizado normalmente com o uso de redes resitoras sensíveis a temperatura. O resistor usado na rede tem um coeficiente negativo da resistência. Porque a resistência diminui quando a temperatura aumenta, a tensão se ajusta automaticamente de modo que as leituras permanesçam exatas. Os módulos PLC com termopares compensam automaticamente para a variação da temperatura.
A tensão de saída X temperatura para termopares do tipo J e K. A função é aproximadamente linear. Por exemplo, se a tensão de saída fosse 20 milivolts com um tipo J a temperatura seria aproximadamente 525 graus (600 - 75). O gráfico supõe uma temperatura ambiente de 75F.
A precisão de um termopar, que fornece medidas acuradas, é determinada pelo dispositivo que recebe a saída do termopar. O dispositivo é, normalmente, um módulo analógico de um PLC. A precisão típica de um módulo analógico industrial é 12 bits; Isto significa que se a escala da temperatura a ser medida for 1200 graus, a definição seria 0.29296875 grau/bit (1200/4096 = 0.29296875), o que significa que o PLC poderia dizer a temperatura a aproximadamente um quarto de um grau. Esta é uma precisão razoavelmente boa, mas há módulos analógicos com maior precisão para exigências mais elevadas. A figura anterior mostra uma comparação da tensão de saída em relação à temperatura para termopar do tipo J e um do tipo K. A tabela abaixo mostra três tipos de termopares e suas escalas de temperatura. O usuário escolhe o termopar adequado para a escala da temperatura na aplicação.
Resistance Temperature Device (RTDs) Um dispositivo da temperatura resistivo (RTD) é um resistor de precisão cuja resistência muda com a temperatura. RTDs são mais precisos do que termopares. A resistência mais comum de um RTD é de100 ohms a 0 graus Célsius; outros estão disponíveis na escala de 50 a 100 ohms. Uma das propriedades básicas dos metais é que sua resistividade elétrica muda com atemperatura. Alguns
metais apresentam uma mudança muito predizível na resistência para uma dada mudança na temperatura. O metal escolhido para um resistor apresenta uma resistência nominal conhecida em uma certa temperatura. A mudança na temperatura pode então ser determinada comparando a resistência para a temperatura desconhecida à resistência nominal conhecida na temperatura de referência. Há tabelas de relações temperatura-resistência para vários metais usados em RTDs. A platina é o material mais popular para RTDs. Apresenta um comportamento muito linear na resistência X temperatura e tem uma escala de operação bastante ampla. A platina é um elemento muito estável, o que assegura a estabilidade a longo prazo. Os sensores da platina estão sendo feitos agora com elementos de resistência muito finos, que usam muito pouca platina, o que faz RTDs de platina competirem em preço com outros metais. Outros materiais incluem o cobre, niquel, tungstênio e iridium. RTDs são mais precisos do que termopares. Cabeamento: RTDs podem ter três configurações diferentes de cabeamento. Os fios da ligação (terminais) do RTD podem afetar sua precição porque representam uma resitência adicional não compensada. Um terceiro fio pode ser adicionado para compensar a resistência do fio de ligação. Existem RTDs de quatro fios mas são usados geralmente apenas em aplicações de laboratório. Thermistors Um termistor é um sensor de medição de temperatura construído de materiais sintéticos. É mais sensível à temperatura do que um RTD. Um termistor tem um coeficiente negativo de temperatura. Sua resistência diminui com o aumento da temperatura. Jé que um termistor é um semicondutor, não pode operar acima de aproximadamente 300 graus Célsius. As vantagens principais de um termistor são sua precisão, estabilidade, e produção de uma mudança grande na resistência para uma mudança pequena na temperatura. Se a escala da temperatura a ser medida for relativamente pequena, o termistor é uma boa opção. Um dos problemas principais do termistor é que sua saída é linear somente dentro de uma escala de temperatura estreita (veja a figura). Sua resistência não varia proporcionalmente com uma mudança na temperatura, embora redes de termistores apresentem uma mudança muito linear da tensão com a mudança de temperatura.
Diferentes estilos de empacotamento estão disponíveis para variadas aplicações, como a monitoração da temperatura de motores elétricos. O termistor é prendido à carcaça do motor e conectado a um circuito em ponte cuja a saída é comparada a uma tensão de referência. A tensão de referência é escolhida por ser um valor seguro para a temperatura máxima de operação do motor. Sensores de Lingueta Magnetica Os sensores de lingüeta magnéticos têm geralmente dois jogos de contatos, um jogo normalmente fechado e um jogo normalmente aberto. Quando um pequeno ímã é trazido para próximo ao sensor de lingüeta, o contato comum se move em direção ao contato normalmente aberto e move-se para longe do contato normalmente fechado. Strain Gages Strain gages medem a força baseado no princípio que quanto mais fino é um fio, mais elevada sua resistência. Em outras paalvras, um fio com um diâmetro menor apresenta uma resistência mais elevada do que um fio com um diâmetro maior. Se pegamos um fio elástico, podemos esticá-lo e medir a mudança na resistência porque seu diâmetro diminui no meio, aumentando a resistência. A mudança na resistência comparada à mudança na voltagem apresenta um comportamnto bem linear. Se uma corrente constante for fornecida a um strain gage e a força
aplicada ao mesmo variar, a resistência do strain gage variará e a mudança na voltagem medida será proporcional à esta mudança na força. Este tipo de sensores têm muitos usos. São usados para a medida da pressão ligando-os a uma membrana que seja exposta à pressão e também são utilizados para medidas de cargas. Outra aplicação são em acelerômetros. A maioria dos strain gages têm o fio disposto em zig-zag e colado sobre um revestimento protetor de papel ou membrana (veja a figura a seguir). Devem ser aplicados corretamente porque são sensíveis à mudança das forças em apenas um sentido. Por isso, contêm normalmente uma seta que indica o sentido em que devem ser montados. São geralmente afixados com o uso adesivos.
Para aumentar a variação na resistência e para compensar possíveis flutuações de temperatura, são muitas vezes utilizados numa configuração “em ponte” (veja figura abaixo). Para isso, um strain gage “dummy” é introduzido e não fica sujeito à tensão aplicada, mas apenas à mudança de temperatura. Isto elimina o efeito da flutuação da temperatura na medida da carga.
Sensores de Pressão Sensores de pressão tipicamente medem e controlam fluidos tais como gáses e líquidos. Alguns sensores da pressão operam através de uma mudança na resistência, alguns através de uma mudança na capacitância e alguns através das mudanças na indutância. Um sensor da pressão tipo strain gage une um strain gage a uma membrana que é esticada proporcionalemte à pressão aplicada a ela. Se uma corrente constante for aplicada ao strain gage, sua tensão da saída muda de maneira corresponde à mudança na pressão.
Sensor de pressão do tipo Strain-gage. O círculo representa uma membrana à qual é aplicada a pressão.
CONSIDERAÇÕES PARA INSTALAÇÃO DE SENSORES Elétricas A consideração principal na instalação de sensores é o limite da corrente elétrica aplicável. A corrente de saída (carga) deve ser limitada para a maioria dos sensores a uma corrente de saída bastante pequena. O limite da saída fica geralmente entre 50 e 200 miliampères. Se a carga aplicada for superior ao limite do sensor, o sensor falha e precisa ser substituído. Na maioria das vezes, os sensores são inutilizados mais por cabeamento impróprio do que por defeito ou mau uso. É crucial que a corrente esteja limitada a um nível que o sensor possa suportar. Os módulos de entrada do PLC limitam a corrente a níveis aceitáveis. Por sua vez, sensores com saídas de relé podem suportar correntes mais elevadas (tipicamente 3 ampères). Se houver uma fiação de alta tensão na proximidade do cabo do sensor, este cabo deve ser protegido por uma canalização metálica para impedir que o sensor não detecte sinais falsos, não apresente mal funcionamento ou danos. Mecânicas Os sensores mecânicos devem ser montados horizontalmente sempre que possível para impedir o acúmulo das lascas e resíduos sobre o sensor, o que poderia causar falsas leituras. Em uma posição vertical, pequenas lascas, sujeira, óleo e assim por diante, podem acumular-se na superfície do sensor, causando mal funcionamento. Na posição horizontal, estes resíduos escorregam e caem. Se por acaso o processo exigir que o sensor deva ser montado verticalmente, deve ser previsto procedimentos e dispositivos para remover a sujeira periodicamente, normalmente através de sopros de ar ou banhos de óleo. Um cuidado importante a se tomar é evitar que o sensor detecte sua própria estrutura de montagem. Por exemplo, um sensor indutivo instalado impropriamente em um dispositivo de aço pode detectar o próprio dispositivo. Além disso, se dois sensores forem montados demasiado juntos, podem interferir um com o outro e causar detecções erráticas. APLICAÇÕES TÍPICAS Um dos usos os mais comuns de um sensor é na produção de onde há alimentação de peças que se movem ao longo de uma correia transportadora ou em algum outro tipo de alimentador. O sensor notifica o PLC quando uma peça está em posição e está pronta para ser usada. Isto é chamado geralmente de verificação de presença/ausência. O mesmo sensor pode também fornecer ao PLC informações adicionais que PLC usa para contar peças enquanto são detectadas. O PLC pode também comparar as peças terminadas e o tempo decorrido de produção das mesmas para computar os ciclos de tempo para determinar taxas da produção e eficiência. Um sensor simples permite que o PLC realize três tarefas: •
As peças estão presentes ?
•
Quantas peças foram utilizadas ?
•
Qual o tempo de ciclo para cada peça ?
Sensores simples podem ser usados para decidir se o produto está presente. Imagine um fabricante que produza três tamanhos diferentes de pacotes numa mesma linha de produção. Os tamanhos dos produtos são aleatórios ao longo de uma correia transportadora. Quando cada pacote chega na extremidade da linha produtiva, o PLC deve saber que tamanho de produto está presente. Isto pode ser feito muito fàcilmente utilizando três sensores simples. Se somente um sensor estiver ligado, um produto pequeno está presente. Se dois sensores estiverem ligados, trata-se de um produto médio. Se os três sensores estiverem ligados, o produto é de tamanho grande. A mesma informação poderia então ser usada para seguir a produção dos produtos de todos os tamanhos e tempos de ciclo para cada um deles. Sensores também podem ser usados para verificar se recipientes foram corretamente preenchidos. Imagine frascos de aspirina movendo-se ao longo de uma transportadora já lacrados e tampados. Sensores simples podem detectar através da tampa e do lacre e certificar que o frasco está
cheio. Um sensor, chamado frequentemente de “gate-sensor”, detecta quando um frasco estiver presente. Este tipo de sensor mostra quando um produto está no lugar. O PLC sabe então que um produto está presente e pode executar outras verificações. Um segundo sensor detecta a aspirina dentro do frasco. Se um frasco estiver presente, mas o sensor não detectar a aspirina em seu interior, o PLC sabe que o frasco da aspirina não foi preenchido. Como discutido anteriormente, os sensores podem monitorar temperaturas. Imagine por exemplo, um sensor monitorando a temperatura em um forno de uma padaria. O PLC pode então controlar o elemento calefator no forno para manter a temperatura ideal. A pressão é vital em muitos processos. Máquinas injetoras forçam o plástico aquecido em um molde sob uma dada pressão. Os sensores podem monitorar a pressão, a qual deve ser mantida com exatidão ou as peças sairão defeituosas. O PLC pode monitorar o sensor e controlar esta pressão. Taxas de fluxo são importantes em processos industriais tais como a fabricação de papel. Os sensores podem monitorar os fluxos de líquidos e de outras matérias primas. O PLC pode usar estes dados para ajustar e controlar o fluxo do sistema. Departamentos de fornecimento de água monitoram a vazão com que a água circula para calcular as contas de água dos consumidores. A figura abaixo é uma ilustração de uma aplicação de temperatura e vazão. O sensor de fluxo na parte superior à esquerda da máquina monitora o fluxo apropriado de água para refrigeração que entra no resfriador. Um mostrador interno indica o ajuste correto para o fluxo e o status do fluxo atual. O sensor à direita da máquina é um sensor de temperatura que pode ser ajustado para uma temperatura específica e a um alarme (acionado segundo um ajuste predeterminado da temperatura).
Ao escolher um sensor para uma aplicação em particular, diversas considerações importantes, como o material do objeto a ser detectado, são cruciais. O material é plástico? É metálico? É um metal ferroso? O objeto é transparente, ou reflexivo? É grande ou muito pequeno? Fatores físicos específicos da aplicação também determinam o tipo do sensor a se usar. Existe uma área grande disponível na qual pode-se montar o sensor? Contaminadores são um problema? Qual velocidade de resposta requerida? Qual o alcance de detecção requerido? Existe ruído elétrico excessivo? Qual a precisão requerida? Responder a estas questões auxilia no processo de escolha, que deve ser feita baseado em critérios tais como o custo e a confiabilidade do sensor assim como o custo da falha. O custo da falha é geralmente o guia de quando a detecção deve ser realizada. Se o custo for elevado, sensores devem ser usados para notificar o PLC dos problemas. A seguir você pode ver um sensor de nível. O microprocessador do sensor e uma tecla são usados para “ensinar” o PLC a reconhecer as condições “vazio” e “cheio” do recipiente.
Em seguida, duas aplicações típicas em que se utilizam sensores ultra-sônicos para medir distâncias são mostradas. A aplicação na esquerda usa a saída analógica do sensor para controlar precisamente a correia. A aplicação da direita mede a altura dos objetos. O sensor de fibra ótica é usado como uma “porta” para indicar a presença da peça. O sensor ultra-sônico realiza então o exame de leitura e a altura da peça é determinada.
Algumas aplicações são mostradas nas figuras a seguir. → uma aplicação que usa sensores de marcas coloridas para classificação de embalagens:
→ um fotosensor usado em uma aplicação de tamponagem de frascos. A saída deste sensor poderia ser usada para distinguir entre os frascos que estão tampados e aqueles que não estão:
→ três aplicações de fibra ótica usadas para detectar objetos pequenos. Na primeira, o sensor verifica para ver se há a presença de uma peça. A segunda usa um dispositivo especial de fibra ótica para espalhar o feixe. A terceira verifica o diâmetro em uma aplicação para enrrolarar fitas:
→ um sensor indutivo que está sendo usado para verificar o uso correto de parafusos:
→ sensores capacitivos que verificam uma caixa para determinar se todos os nove frascos foram carregados na caixa:
→ um sensor indutivo usado detectar os dentes da engrenagem enquanto a engrenagem gira. O usuário poderia dizer a posição pelo número dos dentes da engrenagem que passam ou a velocidade pelo número de dentes que passam pelo sensor indutivo em uma quantidade de tempo conhecida:
Nas figuras seguintes estão sintetizadas as principais aplicações para sensores óticos e sensores capacitivos.
Aplicações para Fotosensores Oticos
Aplicações para Sensores Capacitivos.
Escolhendo um sensor para uma aplicação especial Diversas aplicações apresentam problemas especiais para o técnico ou engenheiro. Um sensor pode falhar na detecção de uma peça ou pode apresentar falhas aleatórias. Neste caso, o uso de um tipo diferente ou um modelo diferente de sensor pode ser necessário. Os representantes de vendas e engenheiros contratados pelos fabricantes do sensor podem ser muito úteis em escolher um sensor para uma necessidade específica. Geralmente já viram o problema acontever antes e sabem como resolvê-lo. O número de tipos de sensores e a complexidade de usos aumenta diariamente. Novos sensores são introduzidos constantemente para resolver novas necessidades e problemas industriais. O uso inovativo de sensores pode ajudar aumentar a segurança, a confiabilidade, a produtividade e qualidade dos processos.
