Apostila de instrumentação_industrial_-_senai

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Instrumentação industrial SENAI

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Apostila de instrumentação_industrial_-_senai

  1. 1. Universidade do Sul de Santa Catarina – UNISULCurso: Tecnólogo em EletroeletrônicaDisciplina: Instrumentação IndustrialSemestre curricular: 2005/AProfessor: Edcarlo da Conceição Apostila Instrumentação industrial Tubarão, Fevereiro de 2005. Revisão 2
  2. 2. 1 - Introdução à Instrumentação INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas paraadequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle devariáveis físicas em equipamentos nos processos industriais. Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia,papel, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo,fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração doproduto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia noprocesso são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos devariáveis de um processo.1.1 - Classificação de Instrumentos de Medição Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre osquais podemos ter: Classificação por: • função • sinal transmitido ou suprimento • tipo de sinal1.2 - Classificação por Função Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligadosentre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associaçãodesses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa umafunção. Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados porfunção cuja descrição sucinta pode ser liga na tabela abaixo. INSTRUMENTO DEFINIÇÃOTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 2
  3. 3. 1.3 - Funções de Instrumentos Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentaçãode acordo com a função que desempenham no processo. Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada naqual podemos ler o valor da variável. Existem, também, os indicadores digitais quemostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas. A figura 1.3ilustra dois tipos de indicadores. Figura 1.3 – Tipos de indicadores analógico e digital Registrador: Instrumento que registra a traço contínuo ou pontos em um gráfico.Alguns destes registradores podem ser vistos na figura 1.4. Figura 1.4 – Alguns tipos de registradores Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no processoatravés de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático oueletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo. A figura 1.5mostra alguns transmissores típicos.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 3
  4. 4. Figura 1.5 – Transmissores de pressão diferencial e de temperatura Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou maisquantidades físicas, modifica, caso necessário, estas informações e fornece um sinal desaída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elementoprimário, um transmissor ou outro dispositivo. O conversor é um tipo de transdutor quetrabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados. Figura 1.6 – Tipos de transdutores Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valordesejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valorespecífico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida diretamente pelocontrolador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor. Figura 1.7 – Alguns tipos de controladores Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor davariável manipulada de uma malha de controle. Figura 1.8 – Elementos finais de controleTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 4
  5. 5. 1.4.1. Transmissores Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e atransmitem, à distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador oua uma combinação destes. Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicose eletrônicos.1.4.1.1. Transmissão Pneumática Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável,linear, de 3 a 15 psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidasde 0 a 100 % da variável. Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (ScientificApparatur Makers Association), Associação de Fabricantes de Instrumentos, e pelamaioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos.Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais detransmissão. Por exemplo: de 20 a 100 kPa. Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, utilizam-se as faixas de0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi. O alcance do sinal no sistema métrico é, aproximadamente, 5 % menor que osinal de 3 a 15 psi. Este é um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentosde uma malha (transmissor, controlador, elemento final de controle, etc.) sempreutilizando uma mesma norma. Note que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim, 3 psi ou0,2 kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento,comprovando sua correta calibração e detectando vazamentos de ar nas linhas detransmissão. Percebe-se que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura derange de 0 a 200° e o mesmo tivesse com o bulbo a 0° e um sinal de saída de 1 psi, C Ceste estaria descalibrado. Se o valor mínimo de saída fosse 0 psi, não seria possível fazermos estacomparação rapidamente. Para que pudéssemos detectá-lo, teríamos de esperar umaumento de temperatura para que tivéssemos um sinal de saída maior que 0 (o qualseria incorreto).1.4.1.2. Transmissão Eletrônica Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo osmais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discrepâncias nos sinaisde saída entre diferentes fabricantes, porque estes instrumentos estão preparados parauma fácil mudança do seu sinal de saída. A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15 pside um sinal pneumático.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 5
  6. 6. O "zero vivo" utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece avantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios, porexemplo), que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo.1.4.1.3. Protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer) É um sistema que combina o padrão 4 a 20 mA com a comunicação digital. É umsistema a dois fios com taxa de comunicação de 1200 bits/s (BPS) e modulação FSK(Frequency Shift Keying). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo aexistência de dois mestres na rede simultaneamente. As vantagens do protocolo Hart são as seguintes: · Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital. · Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumentação analógica. · Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes. As desvantagens são que existe uma limitação quanto à velocidade detransmissão das informações e a falta de economia de cabeamento (precisa-se de umpar de fios para cada instrumento).1.4.1.4. Fieldbus É um sistema de comunicação digital bidirecional, que interliga equipamentosinteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos localizados nasala de controle, conforme mostra a Figura 1.10. Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos, taiscomo: transmissores, válvulas, controladores, CLPs, etc. Estes podem ser defabricantes diferentes (Interoperabilidade) e ter controle distribuído (cada instrumentotem a capacidade de processar um sinal recebido e enviar informações a outrosinstrumentos para correção de uma variável: pressão, vazão, temperatura, etc.). Uma grande vantagem é a redução do número de cabos do controlador aosinstrumentos de campo, ou seja, apenas um par de fios é o suficiente para a interligaçãode uma rede fieldbus.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 6
  7. 7. Figura 1.10 – Sistema Fieldbus1.5 - Sensores Os sensores são transdutores eletrônicos que geram um sinal de saída quandoum objeto é introduzido em seu campo de atuação. Os sensores surgiram para auxiliar nas automatizações de máquinas eequipamentos, substituindo as chaves de acionamento mecânico dando maiorversatilidade e durabilidade às aplicações.1.6 - Tipos de Sensores - Indutivos - Capacitivos - Magnéticos - Fotoelétricos - Ultra-sônicos - Laser2- Sensores de Proximidade Indutivo Os sensores de proximidade indutivos são equipamentos eletrônicos capazes dedetectar a proximação de peças, componentes, elementos de máquinas, etc, emsubstituição as tradicionais chaves fim de curso. A detecção ocorre sem que haja ocontato físico entre o acionador e o sensor, aumentando a vida útil do sensor por nãopossuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos. Os sensores Indutivos são sensores de proximidade, ou seja, geram um sinal desaída quando um objeto metálico (aço, alumínio, cobre, latão, etc) entra na sua área dedetecção, vindo de qualquer direção, sem que seja necessário o contato físico.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 7
  8. 8. 2.1 - Princípio de Funcionamento Figura 1 - Sensor de proximidade indutivo A bobina faz parte de um circuito oscilador que em condição normal(desacionada) gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do campo, estepor correntes de superfície (Foucault), absorve a energia do campo, diminuindo aamplitude do sinal gerado no oscilador. A variação de amplitude deste sinal é convertida em uma variação contínua quecomparada com um valor padrão, passa a atuar no estágio de saída. 2.2 - Face Sensora É a superfície onde emerge o campo eletromagnético.2.3 - Distância Sensora (S) É à distância em que se aproximando o acionador da face sensora, o sensormuda o estado da saída.2.4 - Distância de Acionamento À distância de acionamento é função do tamanho da bobina. Assim, nãopodemos especificar a distância sensora e o tamanho do sensor simultaneamente.2.5 - Distância Sensora Nominal (Sn) É à distância sensora teórica, a qual utiliza um alvo padrão como acionador e nãoconsidera as variações causadas pela industrialização temperatura de operação etensão de alimentação. E o valor em que os sensores de proximidade sãoespecificados. Como utiliza o alvo padrão metálico, a distância sensora nominal informa tambéma máxima distância que o sensor pode operar.2.6 - Distância Sensora Real Valor influenciado pela industrialização, especificado em temperatura ambiente o(20 C) e tensão nominal, desvio de 10%:Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 8
  9. 9. 2.7 - Distância Sensora Efetiva Valor influenciado pela temp. de operação, possui um desvio máximo de 10%sobre a distância sensora real.2.8 - Distância Sensora Operacional (Sa) É à distância em que seguramente pode-se operar, considerando-se todas asvariações de industrialização, temperatura e tensão de alimentação.2.9 - Alvo Padrão (Norma DIN 50010) É um acionador normalizado utilizado para calibrar a distância sensora nominaldurante o processo de fabricação do sensor. Consiste de uma chapa de aço de um mmde espessura, formato quadrado. 0 lado deste quadrado é iqual ao diâmetro do circuloda face sensora ou 3 vezes a distância sensora nominal quando o resultado for maiorque o anterior.2.10 - Material do Acionador À distância sensora operacional varia ainda com o tipo de metal, ou seja, éespecificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator de redução. Material Fator Aço (St 37) 1 Latão 0,35 0,5 Cobre 0,25...0,45 Alumínio 0,35...0,50 Aço inoxidável 0,6...12.11 - Histerese É a diferença entre o ponto de acionamento (quando o alvo metálico aproxima-seda face sensora) e o ponto de desacionamento (quando o alvo afasta-se do sensor).Este valor é importante, pois garante uma diferença entre o ponto de acionamento edesacionamento, evitando que em uma possível vibração do sensor ou acionador, asaída oscile.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 9
  10. 10. Figura 2 - Histerese em sensores2.12 - Embutido (blindado) Este tipo de sensor tem o campo eletromagnético emergindo apenas na facesensora e permite que seja montado em uma superfície metálica.2.13 - Não embutido (não blindado) Neste tipo o campo eletromagnético emerge também na superfície lateral da facesensora, sensível a presença de metal ao seu redor. Figura 3 - Sensores embutido (direita) e não embutido (esquerda)2.14 - Freqüência de Comutação A freqüência de comutação é o máximo número de acionamentos por segundo(Hz). Figura 4 - Freqüência de comutação2.15 - Aplicações Os sensores indutivos substituem com muitas vantagens as chaves fim de curso.Abaixo visuliza-se algumas das aplicações.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 10
  11. 11. Posição por cames controle de rotação e sentido Controle por transfer controlde de posição controle do número de peças posição de comportas Figura 5 - Algumas das aplicações dos sensores indutivos2.16 - Vantagens - Funcionam em condições ambientais extremas. - Acionamento sem contato físico. - Saída em estado sólido. (PNP ou NPN). - Alta durabilidade quando bem aplicado.3 - SENSORES DE PROXIMIDADE CAPACITIVOS Os sensores de proximidade capacitivos são equipamentos eletrônicos capazesde detectar a presença ou aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, líquidos,madeiras, papéis, metais, etc. Os sensores Capacitivos são semelhantes aos Indutivos, porém sua diferençabásica é exatamente no princípio de funcionamento, o qual baseia-se na mudança dacapacitância da placa detectora localizada na região denominada face sensível dosensor. Estes sensores podem detectar praticamente qualquer tipo de material, porexemplo, Metais, madeira, plásticos, vidros, granulados, pós-minerais tipo cimento,talco, etc. Os líquidos de maneira geral são ótimos acionadores para os sensorescapacitivos.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 11
  12. 12. 3.1 - Principio de Funcionamento O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo elétrico,desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor. O capacitor é formado por duas placas metálicas, carregadas com cargaselétricas opostas, montadas na face sensora, de forma a projetar o campo elétrico parafora do sensor, formando desta forma um capacitor que possui como dielétrico o ar. Figura 6 - Princípio de funcionamento Quando um material aproxima-se da face sensora, ou seja, do campo elétrico odielétrico do meio se altera, alterando também o dielétrico do capacitor frontal do sensor.Como o oscilador do sensor é controlado pelo capacitor frontal, quando aproximamosum material a capacitância também se altera, provocando uma mudança no circuitooscilador. Esta variação é convertida em um sinal contínuo que comparado com umvalor padrão passa a atuar no estágio de saída. Figura 7- Diagrama em blocos dos elementos do sensor3.2 - Face sensora É a superfície onde emerge o campo elétrico. É importante notar que os modelosnão embutidos, com região sensora lateral, são sensíveis aos materiais a sua volta.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 12
  13. 13. Figura 8 - Face sensora do embutido e do não embutido3.3 - Distância Sensora Nominal(Sn) É à distância sensora teórica a qual utiliza um alvo padrão como acionador e nãoconsidera as variações causadas pela industrialização temperatura de operação etensão de alimentação. E a distância em que os sensores são especificados.3.4 - Alvo Padrão À distância sensora nos capacitivos são especificados para o acionador metálicode aço SAE 1020 quadrado, com lado igual a três vezes a distância sensora para osmodelos não embutidos (na grande maioria) e em alguns poucos casos de sensorescapacitivos embutidos utiliza-se o lado do quadrado igual ao diâmetro do sensor.3.5 - Distância Sensora Efetiva (Su) Valor influenciado pela industrialização e considera as variações causadas pelatemperatura de operação.3.6 - Distância Sensora Operacional (Sa) É a distância que observamos na prática, sendo considerados os fatores deindustrialização (81% Sn) e um fator que é proporcional ao dielétrico do material a serdetectado, pois o sensor capacitivo reduz sua distância quanto menor o dielétrico doacionador. Sa = 0,81 . Sn . F(εr)Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 13
  14. 14. 3.7 - Material a ser Detectado A tabela abaixo indica o dielétrico dos principais materiais, para efeito decomparação; sendo indicado sempre um teste prático para determinação da distânciasensora efetiva para o acionador utilizado. Deve-se, no entanto considerar que em casode materiais orgânicos deve-se considerar a que a distância de detecção estáfortemente influenciada pela presença de água. εr Material ar, vácuo 1 óleo, papel, petróleo, poliuretano, parafina, 2a3 silicone, teflon araldite, baquelite, quartzo, madeiras 3a4 vidro, papel grosso, borracha, porcelana 4a5 mármore, pedras, madeiras pesadas 6a8 álcool 26 água 803.8 - Ajuste de sensibilidade O ajuste de sensibilidade presta-se principalmente para diminuir a influência doacionamento lateral no sensor, diminuindo-se a distância sensora. Permite ainda que sedetecte alguns materiais dentro de outros, como por exemplo: Iíquidos dentro degarrafas ou reservatórios com visores de vidro, pós dentro de embalagens, ou fluidosem canos ou mangueiras plásticas.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 14
  15. 15. Figura 9 – Ajuste de sensibilidade Deve se tomar em conta de que existe a possibilidade de que se o detector estáregulado de maneira muito sensível, que este seja influenciado por uma modificação domeio (temperatura, umidades, ou poluição).3.9 - Aplicações Pode-se destacar que os sensores capacitivos são mais versáteis do que osindutivos, porem podemos ressaltar que são mais sensível a perturbações externas oque torna mais atraente usar os sensores indutivos se existem metais a seremdetectados. Controle de nível detecção de ruptura de fio sinalização de corte de esteira controle de nível de garrafas controle de tensão em esteira Contador e controle de nível Figura 10 - Aplicações de sensores capacitivosTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 15
  16. 16. 3.10 - Vantagens - Detectam praticamente todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato físico. - Saída em estado sólido. - Alta durabilidade quando bem aplicado.4 - SENSORES ÓTICOS Os sensores fotoelétricos, também conhecidos por sensores ópticos, manipulama luz de forma a detectar a presença do acionador, que na maioria das aplicações é opróprio produto.4.1 - Princípio de Funcionamento Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha (invisível ao serhumano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado. Os fotoelétricos são compostos por dois circuitos básicos: um responsável pelaemissão do feixe de luz, denominado transmissor e outro responsável pela recepção dofeixe de luz, denominado receptor. Os Sensores Ópticos funcionam pelo princípio de emissão e recepção de feixesde luz modulada e são divididos em 3 princípios distintos: Sistema por Óticas alinhadas,Difusão e Sistema Reflectivo. Figura 11 - Princípio de funcionamento dos sensores fotoelétricos O transmissor envia o feixe de luz através de um fotodiodo, que emite flashes,com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor confunda a luz emitidapelo transmissor com a iluminação ambiente. O receptor é composto por um fototransistor sensível a luz, que em conjunto comum filtro sintonizado na mesma freqüência de pulsação dos flashes do transmissor, fazcom que o receptor compreenda somente a luz vinda do transmissor.4.2 - Sistema por Barreira O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos umfrente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz doTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 16
  17. 17. transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectadointerromper o feixe de luz. Figura 12 - Sistema por barreira4.2.1 - Distância Sensora Nominal(Sn) À distância sensora nominal (Sn) para o sistema por barreira é especificada comosendo a máxima distância entre o transmissor e o receptor, o que não impede oconjunto de operar com distâncias menores.4.2.2 - Dimensões Mínimas do Objeto Quando um objeto possui dimensões menores que as mínimas recomendadas, ofeixe de luz contorna o objeto e atinge o receptor, que não acusa o acionamento. Nestescasos devem-se utilizar sensores com distância sensora menor e conseqüentementepermitem a detecção de objetos menores. Figura 13 - Dimensão insuficiente para ser detectada4.3 - Sistema por Difusão Óptica (Fotosensor) Neste sistema o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade.Sendo que o acionamento da saída ocorre quando a objeto a ser detectado entra naregião de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 17
  18. 18. Figura 14 - Sistema por difusão4.3.1 - Sistema por Difusão Óptica Convergente Neste princípio o sensor tem seu funcionamento análogo ao princípio Difuso,diferenciando-se por possuir um ponto focal, sendo, portanto muito mais preciso. Figura 15 - Sistema por difusão convergente4.3.2 - Sistema por Difusão Óptica Campo Fixo ( fixed-field ) Semelhante ao princípio convergente, por possuir também um único ponto focal,diferencia-se por executar a função de supressão ao plano de fundo.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 18
  19. 19. Figura 16 - Sistema por difusão campo fixo4.3.3 - Distância Sensora Nominal (Sn) À distância sensora nominal no sistema por difusão é a máxima distância entre osensor e o alvo padrão.4.3.4 - Alvo Padrão O alvo padrão no caso dos sensores por difusão é uma folha de papel fotográficobranco com índice de refletividade de 90%, com dimensões especificadas para cadamodelo de sensor. Utilizado durante a industrialização para calibração da distânciasensora nominal (Sn).4.3.5 - Distância Sensora Efetiva (Su) Valor influenciado pela industrialização e considera as variações causadas pelatemperatura de operação.4.3.6 - Distância Sensora Operacional (Sa) Para os modelos tipo fotosensor existem vários fatores que influenciam o valor dadistância sensora operacional (Sa), explicados pelas leis de reflexão de luz da física. Sa = 0,81 . Sn . FC (cor, material, rugosidade, outros) Abaixo apresentamos duas tabelas que exemplificam os fatores de redução emfunção da cor e do material do objeto a ser detectado. Cor FC Material Fc branco 0,95 a 1 metal polido 1,20 a 1,80 amarelo 0,90 a0,95 metal usinado 0,95 a 1,00 verde 0,80 a 0,90 papeis 0,95 a 1,00Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 19
  20. 20. vermelho 0,70 a 0,80 madeira 0,70 a 0,80 azul claro 0,60 a 0,70 borracha 0,40 a 0,70 violeta 0,50 a 0,60 papelão 0,50 a 0,60 preto 0,20 0,50 pano 0,50 a 0,60 Nota: Em casos onde há a necessidade da determinação exata do fator de redução deve-se fazer um teste prático, pois outros fatores podem influenciar a distância sensora, tais como: rugosidade, tonalidade, cor, dimensões, etc. Lembramos também que os fatores são acumulativos, como por exemplo: papelão (0,5) preto (0,5) gera um fator de 0,25.4.3.7 -Zona Morta É a área próxima ao sensor, onde não é possível a detecção do objeto, poisnesta região não existe um ângulo de reflexão da luz que chegue ao receptor. A zonamorta normalmente é dada por: 10 a 20% de Sn. Figura 17 - Zona morta onde não ha detecção4.4 - Sistema Refletivo Este sistema apresenta o transmissor e o receptor em uma única unidade. O feixede luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho prismático, e oacionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper este feixe. Figura 18 - Sistema refletivo4.4.1- Distância Sensora Nominal(Sn)Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 20
  21. 21. À distância sensora nominal (Sn) para o sistema refletivo é especificada comosendo a máxima distância entre o sensor e o espelho prismático, sendo possível montá-los com distância menor. Disponíveis para até 10m.4.4.2 - Espelho Prismático O espelho permite que o feixe de luz refletido para o receptor seja paralelo aofeixe transmitido pelo transmissor, devido às superfícies inclinadas a 45º o que nãoacontece quando a luz é refletida diretamente por um objeto, onde a luz se espalha emvários ângulos. À distância sensora para os modelos refletivos é função do tamanho(área de reflexão) e o tipo de espelho prismático utilizados. Figura 19 - Funcionamento do espelho prismático4.4.3 - Detecção de Transparentes A detecção de objetos transparentes, tais como: garrafas de vidro, vidros planos,etc; podem ser detectados com a angulação do feixe em relação ao objeto, ou atravésde potenciômetros de ajuste de sensibilidade, mas sempre se aconselha um testeprático. A detecção de garrafas plásticas tipo PET, requerem sensores especiais paraesta finalidade. Figura 20 - Detecção de transparentesTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 21
  22. 22. 4.4.4 - Detecção de Objetos Brilhantes Quando o sistema refletivo for utilizado na detecção de objetos brilhantes ou comsuperfícies polidas, tais como: engradados plásticos para vasilhames, etiquetasbrilhantes, etc; cuidados especiais devem ser tomados, pois o objeto neste caso poderefletir o feixe de luz. Atuando assim, como se fosse o espelho prismático, ocasionandoa não interrupção do feixe, confundindo o receptor que não aciona a saída, ocasionandouma falha de detecção, para se prevenir aconselha-se utilizar um dos métodos:4.4.4.1 - Montagem Angular Consiste em montar o sistema sensor espelho de forma que o feixe de luz formeum ângulo de 10O a 30O em relação ao eixo perpendicular ao objeto. Figura 21 - Opção para detecção de objetos brilhantes4.4.4.2 - Filtro Polarizado Existem sensores com filtros polarizados incorporados, que dispensam oprocedimento anterior. Estes filtros mecânicos servem para orientar a luz emitida,permitindo apenas a passagem desta luz na recepção, que é diferente da luz refletidapelo objeto, que se es palha e m todas as direções.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 22
  23. 23. Figura 22 - Polarização do feixe de luz4.4.5 - Imunidade à Iluminação Ambiente Normalmente, os sensores ópticos possuem imunidade à iluminação ambiente,pois operam em freqüências diferentes. Mas podem ser afetados por uma fonte muitointensa (exatamente como acontece com as rádios FM), como por exemplo, umaIâmpada incandescente de 60W a 15cm do sensor, ou um raio solar incidindodiretamente sobre as lentes. Figura 23 - Espectro de iluminação4.4.6 - Meio de Propagação Entende-se como meio de propagação, o meio onde a luz do sensor deverápercorrer. A atmosfera em alguns casos pode, estar poluída com partículas emsuspensão, dificultando a passagem da luz. A tabela abaixo apresenta os fatores deatmosfera que devem ser acrescidos no cálculo da distância sensora operacional Sa.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 23
  24. 24. Condições Fatm Ar puro, podendo ter umidade sem condensação 1 Fumaça e fibras em suspensão, com alguma condensação 0,4 a 0,6 Fumaça pesada, muito pó em suspensão e alta condensação 0 a 0,14.4.7 - Acessórios para sensores ópticos Uma das grandes vantagens de se trabalhar com sensores ópticos é que elessão muito mais flexíveis do que os outros sensores. Abaixo temos uma lista de algunsacessórios que podem ajudar a solucionar vários problemas de aplicação: - Espelhos prismáticos ultra-reflectivos. - Fibras ópticas em diversos diâmetros. - Fibras ópticas para alta temperatura. - Temporização. - Ajuste remoto e inteligente.4.4.8 - Vantagens - Detectam todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato físico. - Modelos com Saída em estado sólido, relê ou analógica. - Maior durabilidade quando bem aplicado. - Trabalha em grandes distâncias (Mais de 200mt E/R)5 - SENSORES ULTRA-SÔNICOS Sensores Ultra-sônicos emitem ondas de som com freqüência acima da audívelpelo ouvido humano. Os objetos a serem detectados refletem estas ondas e ossensores às recebem e interpretam. Com estes sensores podemos detectar com facilidade objetos transparentes deplástico, vidros ou superfícies liquidas, diferente dos sensores fotoelétricos quedependem da opacidade ou refletividade do material.5.1- Princípio de Funcionamento O emissor envia impulsos ultra-sônicos sobre o objeto a analisado. As ondassonoras voltam ao detector depois de um certo tempo, proporcional à distância. O tempode resposta é então dependente da velocidade do som e também da distância doobjeto. Os detectores ultra-sônicos podem detectar líquidos, sólidos e granulados.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 24
  25. 25. Figura 24 - princípio de funcionamento do sensor ultra-sônico5.2 – AplicaçõesMedição de espessura de chapas Detecção de frascos de vidros Figura 25 - Aplicação do sensor ultra-sônico5.3 - Vantagens - Detectam todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato físico. - Modelos com Saída em estado sólido, relê ou analógica. - Possui circuito inteligente6 - Sistema Touch Control Permite os ajustes dos sensores digitais através de dois botões montados, nalateral do sensor.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 25
  26. 26. Figura 25 – Sistema touch controlProcedimento de Ajuste: Touch Control Pressione os Botões T1 e T2 simultaneamente por mais de 3 segundos, até, oLED D1 piscar na cor amarela, então solte os botões.Pressione o botão T1 para aumentar ou o botão T2 para diminuir a distância de atuação,observe que o LED para de piscar quando um objeto é detectado, se possível teste adetecção do objeto. O armazenamento da distância ajustada ocorre caso nenhum botão forpressionado por um intervalo de 20s. O acionamento da saída pode ser monitoradoatravés do LED de sinalização que permanece verde sem objeto e torna-se laranjaquando o objeto permanece na zona válida de detecção.7 - Qual o melhor sensor?Determinando a aplicação:Observar: - Qual o material a ser detectado? - Qual à distância do alvo ao sensor? - Qual o princípio ativo do sensor que melhor se adapta a identificar o alvo? - Existe algum obstáculo que possa interferir na resposta do sensor? - Qual a freqüência de acionamento do sensor? - Quais as condições ambientais ao qual o sensor será submetido?Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 26
  27. 27. 8 - Cuidados básicos com os sensoresNunca: Utilize lâmpadas incandescentes como carga ou teste. O filamento quando frio apresenta um alto consumo de corrente, causando a queima do sensor. Manuseie o sensor estando o circuito energizado. Qualquer descuido (curto - circuito), poderá ser fatal para o sensor e para você. Acione um motor diretamente com o sensor, use dispositivosapropriados como, por exemplo: Relês, Chaves - Contatoras, etc.Observar: Sempre a Tensão ( AC/DC) de alimentação , sua polaridade ( PNP / NPN ) , respeitar a capacidade de Corrente do sensor e sua Temperatura de trabalho. A existência de peças e ou partes móveis que possam atingir e danificar a face do sensor e ou seu cabo. A incidência de água, óleo, sujeira produtos químicos e ou elementos que possam danificar ou interferir em seu funcionamento. Figura 26 – Cuidados básicos com os sensoresTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 27
  28. 28. 9 - Para a escolha apropriada de sensores eletrônicos, a seguinte terminologia éadotadaa) Faixa de medida (RANGE): conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro dos limites inferiores e superior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Se Expressa determinando os valores extremos;b) Alcance (SPAN): é a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida de 100ºC a 250ºC, possui um alcance de 150ºC.c) Erro: é a diferença entre o valor medido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, estável, chamaremos de "erro estático" que será positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento que poderá estar indicando a mais ou a menos. Quando tivermos a variável se alterando, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor, onde o valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença é chamada de "erro dinâmico";d) Precisão: define-se como sendo o maior valor de erro estático que um instrumento pode ter ao longo de sua faixa de trabalho. Pode ser expressa de diversas maneiras como: porcentagem do alcance, unidade da variável e porcentagem do valor medido;e) Zona morta: é a não alteração na indicação ou no sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos da faixa de medida do mesmo, apesar de ter ocorrido uma sensível variação da variável. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida entre 0ºC a 200ºC possui uma zona morta de ±0,1% do alcance, ou seja, ±0,2ºC. Portanto, para variações inferiores a este valor, o instrumento não apresentará alteração da medida;f) Sensibilidade (linearity): é a razão entre a variação do valor medido ou transmitido para um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser expressa em unidades de medida de saída e de entrada. Por exemplo, um termômetro de vidro com faixa de medida de 0ºC a 500ºC possui uma escala de leitura de 50cm, portanto, a sua sensibilidade é de 0,1cm/ºC;g) Histerese: é a diferença máxima apresentada por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente;h) Repetibilidade: é a máxima diferença entre diversas medida de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Se Expressa em porcentagem do alcance;i) Resolução: é a menor variação que se pode detectar. A resolução está relacionada com o número de "bit" do instrumento: quanto maior o número de "bit" melhor a resolução. O cálculo da resolução de um instrumento é dado pelo quociente da faixaTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 28
  29. 29. de medida por 2número de "bit" do mesmo. Por exemplo, para um transdutor linear de 100mm e 12 bit, tem-se uma resolução de 0,024mm.10 - Célula de Carga As células de carga são sensores projetados para medir cargas estáticas edinâmicas de tração e compressão, princípio extensométrico e cargas de 0 a 300t. As células são totalmente estanques (proteção IP67) e podem ser utilizadas ematmosferas agressivas. Externamente o transdutor é usinado a partir de um único blocode aço inoxidável sem qualquer parte soldada. As células de carga são, ainda,resistentes à vibração e impacto. O seu tamanho compacto permite sua aplicação empequenos espaços e em locais de difícil acesso. O uso de células de carga como transdutores de medição de força abrange hojeuma vasta gama de aplicações: desde nas balanças comerciais até na automatização econtrole de processos industriais.A popularização do seu uso decorre do fato que avariável peso é Interveniente em qrande parte das transações comerciais e de mediçãodas mais frequentes dentre as grandezas físicas de processo. Associa-se, no casoparticular do Brasil, a circunstância que a tecnologia de sua fabricação, que antes erarestrita a nações mais desenvolvidas, é hoje amplamente dominada pelo nosso País,que desponta como exportador importante no mercado internacional. Um tipo de célula de carga é a Doc 438, modelo TU-K5C, para cargas de tração ecompressão da Gefran Brasil, com flange para a aplicação de cargas suspensas,FLA703, e articulação esférica, SND022. A figura 27 apresenta as dimensõesmecânicas da célula de carga Doc 438 e sua montagem com junta esférica dupla eflange para cargas suspensas. Algumas especificações técnicas desta célula:- Precisão: 0,2%;- Faixa de medição: 0 a 500Kg;- Sensibilidade: 2mV/V;- Erro combinado - não linearidade/histerese/repetibilidade: ±0,2% do fundo de escala;- Tensão nominal de alimentação: 10V;- Tensão máxima de alimentação: 15V;- Faixa de temperatura permissível: -20ºC a 60ºC;- Carga estática máxima: 130% a capacidade máxima;- Carga dinâmica máxima: 100% a capacidade máxima;- Carga máxima aplicável: 150% a capacidade máxima;- Carga de ruptura: 300% a capacidade máxima;- Grau de proteção (DIN 40050): IP67;- Ligações elétricas: cabo blindado 4x0,25 / 3m;- Material do elemento elástico: aço inoxidável.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 29
  30. 30. Figura 27 - Célula de Carga Embora a resolução da célula de carga seja infinita, pois depende da IHM(GEFRAN, 1997), o conjunto célula de carga – IHM (figura 28) permitirá uma resoluçãode 0,015Kg. Figura 28 – Indicador de alta freqüência (IHM)10.1 - Princípios de Funcionamento O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação daresistência ôhmica de um sensor denominado extensômetro ou strain gage (Fig. 29),quando submetido a uma deformação. Utiliza-se comumente em células de carga quatroextensômetros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone (Fig. 30) e odesbalanceamento da mesma, em virtude da deformação dos extensômetros, éproporcional à força que a provoca. É através da medição deste desbalanceamento quese obtém o valor da força aplicada. Figura 29 - Extensômetro ou strain gage Os extensômetros são colados a uma peça metálica (alumínio, aço ou liga cobre-berílio), denominada corpo da célula de carga e inteiramente solidários à suadeformação. A força atua, portanto sobre o corpo da célula de carga e a suadeformação é transmitida aos extensômetros, que por sua vez medirão sua intensidade.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 30
  31. 31. Figura 30 - Ponte de Wheatstone Obviamente que a forma e as características do corpo da célula de carga devemser objeto de um meticuloso cuidado, tanto no seu projeto quanto na sua execução,visando assegurar que a sua relação de proporcionalidade entre a intensidade da forçaatuante e a conseqüente deformação dos extensômetros seja preservada tanto no cicloinicial de pesagem quanto nos cilcos subsequentes, independentemente das condiçõesambientais. A forma geométrica, portanto, deve conduzir a uma "linearidade" dosresultados (fig. 31). Figura 31 - Gráfico de deformação x carga, mostrando histerese, repetibilidade e não linearidade Considerando-se que a temperatura gera deformações em corpos sólidos e queestas poderiam ser confundidas com a provocada pela ação da força a ser medida, hánecessidade de se "compensar" os efeitos de temperatura através da introdução nocircuito de Wheatstone de resistências especiais que variem com o calor de formainversa a dos extensômetros. Um efeito normalmente presente ao ciclo de pesagem e que deve ser controladocom a escolha conveniente da liga da matéria-prima da célula de carga é o da"histerese" decorrente de trocas térmicas com o ambiente da energia elástica geradapela deformação, o que acarreta que as medições de cargas sucessivas não coincidamTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 31
  32. 32. com as descargas respectivas (Fig. 31). Outro efeito que também deve ser controlado é a "repetibilidade" ou seja,indicação da mesma deformação decorrente da aplicação da mesma cargasucessivamente, também deve ser verificada e controlada através do uso de materiaisisotrópicos e da correta aplicação da força sobre a célula de carga (Fig. 31). Figura 32 - Gráfico de deformação x tempo mostrando a fluência ou creep Finalmente, deve-se considerar o fenômeno da "fluência" ou creep, que consistena variação da deformação ao longo do tempo após a aplicação da carga. Este efeitodecorre de escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do material eapresenta-se como variações aparentes na intensidade da força sem que hajaincrementos na mesma (Fig. 32).10.2 - Alguns critérios devem ser utilizados na escolha de uma célula de carga10.2.1- Capacidade nominal A força máxima que ela deverá medir (OS fatores de segurança, 50% desobrecarga contra danos de funcionamento e 300% para a ruptura, são intrínsecos aprópria célula).10.2.2 - Sensibilidade A medição do desbalanceamento da ponte de Wheatstone é feita através davariação da tensão de saída em função da tensão de excitação aplicada na entrada daponte. Quando a célula de carga esta carregada, este valor é dado em milivolt por voltaplicado e, normalmente, entre 2 e 3 mV/V. Isto significa que uma céluLa de carga de30kg de capacidade nominal e 2mV/V de sensibilidade, com uma tensão de excitaçãona entrada de 10 V, quando sujeita a uma força de 30Kg apresentará na saída umavariação de tensão de 20mV.10.2.3 - Precisão É o erro máximo admissível relacionado em divisões da capacidade nominal. Ascélulas de carga neste caso podem ser divididas em:Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 32
  33. 33. Baixa precisão: até 1.000 divisões (ou 0,1% da capacidade nominal)Média precisão: de 3.000 a 5.000 divisões (ou 0,03 a 0,02% da capacidade nominal). Alta precisão: 10.000 divisões (ou 0,01% da capacidade nominal)10.2.4 - Formato De acordo com a aplicação, determinados formatos são requeridos,considerando-se se a carga é apoiada (células tipa viga) ou se a carga é sustentada(célula tipo Z), ou ainda se a carga introduz momentos torsores na célula (células tiposingle point).10.2.5 - Ambiente de trabalho Ambientes úmidos quimicamente agressivos requerem células de cargaherméticas, com grau de proteção IP67, que se consegue normalmente nas do tiposhear-beam. Dever ser evitado o uso de células de carga em ambientes sujeito àvibração intensa, apesar do projeto das mesmas incluir uma verificação de freqüêncianatural, no sentido de se evitar o fenômeno de ressonância. O uso de células de carga em ambientes explosivos deve ser acompanhado porbarreiras de segurança intrínseca. Alerta-se que o uso de barreiras de segurançaintrínseca inserem resistências em série nos circuitos, o que poderia baixar as tensõesda excitação. É recomendável o uso de indicadores que compensem esta diminuiçãoatravés de ligações a 7 fios (tipo Kelvin).10.2.6 - Dispositivos de montagem Devem ser escolhidos visando não transmitir à célula de carga nenhum outroesforço que não seja o da força a medir e, portanto, visando assegurar para a cargatodos os graus de liberdade de deslocamento possíveis, à excessão do relativo àdireção da força a medir.10.2.7 - Tempo da pesagem Muitas vezes dispõe-se de um tempo limitado para se efetuar a pesagem. Nestecaso deve-se considerar 1 segundo como um tempo mínimo para cada pesagem,considerando-se o amortecimento das oscilações que a célula sofre ao receber ocarregamento. Eventualmente este tempo pode ser reduzido através do uso de sistemasde amortecimento.10.2.8 - Limites de sobrecarga e deslocamentos Em células de carga tipo flexão ou bending, normalmente de baixa capacidade, énecessário prever-se limites de sobrecarga que impeçam a célula de carga de deformar-se além de um dado valor. Nas células tipo cisalhamento (shear beam) e compressão(canister), são difíceis aplicar limites de sobrecarga, tendo em vista o pequeno valor daTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 33
  34. 34. flecha produzida em função da carga nominal aplicada e, portanto, cabe ao usuárioprecaver-se quanto a eventualidade do uso de cargas excessivas. Outros limites de deslocamento usados são os tirantes, necessários para limitar odeslocamento de tanques e silos, quando as células de carga estão situadas abaixo docentro de gravidade dos mesmos (portanto, não são autocentrantes), sujeitos a açãodos ventos ou com misturadores instalados. O objetivo destes tirantes é obstardeslocamentos não verticais.10.2.9 - Conclusão As células de carga são transdutores bastante precisos e de vida útil muito longa(são projetados e testados em protótipo para dez milhões de ciclos de pesagem). Estalongetividade e precisão podem ser facilmente obtidas desde que sejamconvenientemente especificadas e instaladas. A assessoria técnica do fabricante ésempre muito útil e evita falhas de projeto muito custosas. Procurou-se dar aqui algumasinformações fundamentais,que não excluem, porém a eventual necessidade daquela consulta, a qual fortementerecomenda-se não renunciar.10.3 – Exemplos de Células de Cargas Célula de carga para compressão em corte Dispositivos para utilização de Células de Carga, aplicadas no mundo inteiro.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 34
  35. 35. Modelo de Célula para Compressão Modelo de Célula para tração Figura 33 – Modelos de Células de Carga11 - Encoders Podemos definir este equipamento como sendo um transdutor que executa atransformação (decodificação) de um movimento mecânico em um sinal eletrônico. Seufuncionamento está baseado na interrupção ou não de um sinal óptico, normalmente umfeixe luminoso, conseguido comumente através de um emissor e um sensor separadospôr um nônio e um disco de vidro, plástico ou metais estriados que alternadamentepermitem ou não a passagem de luz do emissor para o receptor. Quando o disco sofre um deslocamento angular interrompe a passagem de luz,gerando um pulso. Este pulso representa um certo ângulo mínimo, que define aresolução do sistema. Podermos dividir estes equipamentos em dois tipos: • Encoders incrementais; • Encoders absolutos.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 35
  36. 36. 11.1 – Encoder Absoluto Em um encoder absoluto cada posição representada unicamente pôr um códigopadrão. Este código prove de trilhas independentes e está gravado no disco do encoder,onde para cada trilha existe um sensor óptico correspondente. Cada sensor irá fornecerum sinal de nível lógico “1” ou “0” dependente do código padrão do disco para cadaposição (ver figura abaixo). Uma vantagem deste tipo de encoder é que não haveráperda da posição no caso de falta de energia, pois não é necessário indexar oureferenciar a partir de um determinado ponto. Figura 34 – Disco codificado de um encoder absoluto Cada trilha do disco codificado significa um bit, dependendo então do númerode trilhas verificaremos a resolução deste sistema. Pôrexemplo, um disco com 8 trilhas poderá identificar 256posições diferentes. A expressão (8) mostraanaliticamente como podermos determinar a resoluçãode um encoder absoluto em função do número de bitsdo disco codificado.∆θ = 360° (8) N 2Onde: N é o número de bits ou trilhas do disco. O disco do encoder pode ser codificado devarias maneiras diferentes, porém, existem doiscódigos que são os mais utilizados: o código binário e ocódigo de Gray. O código binário é amplamenteutilizado nas aplicações para automação industrial e ocódigo de Gray, possui como principal vantagem a quede uma posição para outra apenas um bit é alterado. Assim, fica possível encontrarerros provocados pôr ruídos elétricos ou eletromagnéticos através de software. Podemos ainda, dividir os encoders absolutos em dois tipos: single turn emulti turn. Os encoders do tipo single turn repetem o código da posição a cada 360°Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 36
  37. 37. para uma volta do eixo. Normalmente estes encoders são fornecidos até a resolução de14 bits, ou seja, 16384 posições por volta, ou ainda, o menor ângulo que pode serrepresentado é o de 0,02I9°. Já os do tipo multi turn possuem discos codificadosadicionais que permitem a leitura de varias voltas. A figura Abaixo pode nos dar umaidéia de como isto é realizado. Figura 35 – Disco codificado de um encoder absoluto multi-turn A resolução do encoder absoluto é dada por contagem/revolução, isto é, seele tiver no seu disco (encoder rotativo) 12 faixas para código de gray, então terá 2¹²combinações possíveis perfazendo um total de 4096 combinações. Com relação à saída destes encoders podemos encontrar: saída paralela,saída serial ou comunicação em rede. Para os encoders com saída paralela, para cada bit existe um condutor, e o elemento de controle deverá obviamente possuir uma porta paralela para leitura destes sinais. Os encoders com saída serial são muito utilizados, pois a grande maioria dos processadores no mercado utilizam este sistema de transmissão de dados.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 37
  38. 38. Existem algumas vantagens, dentre as quais: • Baixo custo em função do cabeamento; • Maior velocidade de transmissão (até 1,5 G bps); • Reduzido número de componentes; • Maior imunidade a ruídos. Os encoders com saída para comunicação em rede também são seriais,porém adotam protocolos amplamente conhecidos no mercado de automação, como pôrexemplo: CAN (Devicenet), Interbus, Profibus (DP) e entre outros.11.2 – Aplicações dos Encoders Absolutos As aplicações para este tipo de encoder seriam aquelas onde necessitamosfazer posicionamentos em uma única volta e que podem permanecer desativadas pôrum longo período de tempo, tais como: • Radares; • Telescópios;Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 38
  39. 39. • Guindastes; • Manipuladores; • Robôs; • Comportas; • Sistemas de nível; • Posicionamento de eixos; • Posicionamento de válvulas; • Mesas planas, etc.11.3 – Encoder Incremental Nestes encoders cada deslocamento angular é representado pela geração de um pulso. É possível ainda determinar o sentido de rotação do eixo através do nônio ou de duas faixas regularmente defasadas (ver figura 36). Na verdade um circuito eletrônico poderá detectar o sentido de giro através de operações lógicas. O encoder incremental fornece normalmente dois pulsos quadrados defasados em 90º, que são chamados usualmente de canal A e canal B. A leitura de apenas um canal fornecendo somente a velocidade, enquanto que a leitura dos dois canais fornece também o sentido do movimento. Um outro sinal chamado de Z ou zero também está disponível e ele dá a posição absoluta zero do encoder. Este sinal é um pulso quadrado em a fase e a largura é as mesmas do canal A. Figura 36 – Encoder Incremental A resolução é determinada através do número de pulsos que o encoder gera pôr volta ou pelo número de pulsos pôr rotação (PPR). A máxima resolução que encontrarmos para estes casos está pôr Volta de 10000 pulsos/rotação (podendo chegar a 40000 com alguns recursos adicionais), pois acima disto fica muito difícil construir ranhuras tão próximas umas das outras. O que não devemos nunca esquecer é que a resolução do encoder deve ser igual, ou melhor, do que aquela requerida pela aplicação. Como todo transdutor o encoder incremental possui duas velocidades inerentes: aTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 39
  40. 40. mecânica e a eletrônica, que pôr sua vez impõem limites a velocidade de operação. A combinação de vários fatores tais como, rolamentos, freqüência de resposta, PPR para cada aplicação, também influencia nestas questões. De modo geral, a máxima velocidade de operação para um encoder incremental depende diretamente da aplicação. Podemos determinar a velocidade de operação para nina dada aplicação através da seguinte expressão: f = PPR x n 60 Onde: f é a freqüência de operação [Hz]; PPR é a resolução do encoder; n é a rotação [rpm]. Para os terminais de saída é adotada uma terminologia própria. Os sinais sãotransmitidos utilizando circuitos de corrente continua, para que sejam atingidas altasvelocidades de transmissão. Esta transmissão é feita pôr uma corrente que pode fluir doencoder para o circuito (NPN) ou do circuito para o encoder (PNP), embora a maioriados encoders possa ser configurada em outros padrões, além do PNP ou NPN, taiscomo: Push Pull, Line Drive ou RS422. Os encoders incrementais ainda podem ser unidirecionais ou bidirecionais ouainda com sinal de referencia. Adicionalmente podem ser transmitidos também comosinal singular “sigle ended” ou com seus sinais complementares “diferenciais”. Para a especificação de encoders incrementais devem ser informadas algumas características, que podemos dividir em: • Mecânicas: flange, diâmetro do eixo ou eixo vazado, máxima carga doeixo, pulsos pôr volta, velocidade, momento de inércia, temperatura de operação,proteção [IP], dimensões e tipo de conexão (elétrica). • Eletrônicas: freqüência, tipo de eletrônica, formato da saída, imunidade aruído, proteção do circuito (inversão de polaridade, sobretensão, curto-circuito na saída)e alimentação. As aplicações para encoders incrementais abrangem vários processos entre os quais podemos citar: • Realimentação de sistemas digitais de controle de velocidade; • Maquinas de embalagens; • Ajustes de fusos para preparação de espessura de um produto; • Robôs; • Misturadores; • Mesas rotativas.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 40
  41. 41. 12 – Sensor de Umidade As medições de umidade é feitas desde o século XV com relação à atmosfera.Não é difícil se fazerem medições de umidade, a menos que se exija muita precisão econtrole rigoroso. Há três métodos gerais para se medir a umidade relativa do ar: opsicrômetro, o sensor eletrônico e o ponto de orvalho. No método do psicrômetro é utilizado como sensor um fio de cabelo humano ouuma membrana animal que muda de dimensões com a umidade. Durante muitos anosestes elementos higromecânicos foram usados como indicadores e como chaves decontrole. O sensor elétrico satisfaz a necessidade industrial quanto a velocidade,versatilidade, precisão e alta sensibilidade, usando massa pequena e componentes não-metálicos. Onde é importante o teor real de água do ar, ou onde a condensação da umidadedeve ser evitada, aplica-se com mais eficiência o controle do ponto de orvalho.12.1 – Sensor Eletrônico Um sensor eletrônico de umidade é um dispositivo de precisão capaz de detectaruma variação de 1% na umidade relativa. Um tipo de sensor eletrônico é constituído de duas grades de ouro entrelaçadas,estampadas sobre plástico e cobertas com uma complexa camada de saishigroscópicos. Conforme aumenta a umidade relativa (UR), a camada se torna maiscondutiva e a resistência entre as grades diminui. A variação de resistência é calibradaem unidades de UR, e o controlador associado interpreta as variações de modo a ativaro equipamento adequado de controle de umidade.12.2 – Sensor Ponto de Orvalho Um tipo de sensor de ponto de orvalho consiste em eletrodos de fio bifilar,enrolados sobre uma luva de pano, que cobre um tubo oco ou carretel. (Bifilar significaum enrolamento de dois fios enrolados lado a lado, separados de uma distânciauniforme). A luva de pano é impregnada com uma solução de cloreto de lítio e deixadasecar. Os fios bifilares são ligados ao secundário de um transformador integral. Oseletrodos bifilares não estão interligados. Dependem da condutividade do cloreto de lítioatmosfericamente umedecido para que haja um fluxo de corrente. O cloreto de lítio possui duas características únicas que o tornam apropriado àsmedidas de ponto de orvalho. Ë altamente higroscópico, isto é, tem uma grandeafinidade com o vapor d’água e tem uma habilidade inerente para manter-se em umvalor constante pouco acima dos 11%, quando presente em uma atmosfera úmida eaquecida por uma corrente elétrica que o percorra. Para valores de 11% ou abaixo, ocloreto de lítio da luva seca-se e se transforma em sólido cristalino e não é condutor. Um segundo tipo de detector de ponto de orvalho usa uma câmara deobservação onde é introduzida uma amostra de gás que contém vapor úmido. Ummanômetro indica diretamente a relação entre a amostra do gás e a pressãoatmosférica. A amostra de gás é mantida a uma pressão um pouco acima daatmosférica. Quando se abre uma válvula de operação, o gás escapa para a câmara deTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 41
  42. 42. observação e se expande à pressão atmosférica. Quando o gás é libertado acende-seuma lâmpada, de modo que quando o gás se resfria, abaixo do ponto de orvalho, forma-se uma névoa característica na câmara. O procedimento é repetido de modo aestabelecer o ponto final ou o ponto de fuga da neblina. Este ponto final pode serdeterminado com precisão quando medido pela relação de pressão do ponto de fuga. Outras técnicas do ponto de orvalho envolvem a observação da formação doorvalho sobre uma superfície polida, e diminuindo a temperatura por técnicas derefrigeração obtém-se um depósito de orvalho dos gases confinados.A medição e/ou controle da umidade é desejável ao se estabelecer um ambienteconfortável ao homem (como as áreas de temperatura e umidade controladas paratrabalhos especiais), em áreas de armazenamento, em gases comprimidos usados eminstrumentação e trabalhos analíticos, em fornalhas de atmosfera controlada e emfornos de secagem. O controle da umidade é também essencial na indústria do papel,para que o mesmo possa ser calandrado na espessura correta e armazenado semexpansão dimensional. Sem o controle adequado da umidade, o papel poderia seresticado no processo de calandragem e depois ser contraído até se quebrar.12.3 – Sensores Capacitivos de Umidade O tipo mais usado para medida de umidade relativa em higrômetros de usodoméstico, comercial ou industrial é o capacitivo. Este sensor é formado por uma folha de material não condutivo coberta nas duasfaces por uma finíssima camada de ouro (condutor) numa estrutura que correspondejustamente a um capacitor plano. A construção desse capacitor, entretanto, é tal que a umidade do ar podepenetrar com facilidade no material dielétrico, alterando sua capacitância. Com apenetração da umidade a capacitância aumenta. Para um sensor típico, a capacitância se altera de aproximadamente 112 pF parauma umidade relativa de 10% para 144 pF para uma umidade relativa de 90% (que é afaixa de utilização do sensor). Para dar acesso à umidade ao dielétrico, o conjunto é montado num invólucrodotado de pequenos orifícios. Figura 37 - Sensor de temperatura e umidadeTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 42
  43. 43. 12.3.1 – Sensor de Umidade da Philips Components Com um número de catálogo bastante complicado para ser utilizado numa loja, osensor 2322 691 90001 da Philips Components possui características que permitem suautilização em higrômetros de boa precisão. Algumas publicações técnicas tratam estesensor como um "umidistor", mas não achamos que este seja um nome conveniente.As principais características deste sensor são:· Faixa de umidades medidas: 10% a 90%· Sensibilidade entre 12 e 75% de umidade relativa: 0,4 pF / %· Faixa de freqüências de operação : 1 kHz a 1 MHz· Tensão máxima AC ou DC: 15 V· Faixa de umidade para armazenamento: 0 a 100%· Faixa de temperatura de operação: 0 a 85 graus centígrados13 – Sensor de PH O princípio de funcionamento dos sensores de pH é muito simples. Figura 38 – Sensor de PH O bulbo de vidro detecta íons de H+ e gera uma corrente elétrica (59,2 mV porunidade de pH a 25 oC). O gel interno recebe a corrente elétrica (+) e transmite aointerior do sensor. O fio de prata pura (tratado com cloreto de prata AgCl) capta acorrente e transmite ao cabo de conexão, que leva o sinal do sensor aoleitor/controlador.13.1 - Sensor de referência: Figura 39 – Sensor de ReferênciaTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 43
  44. 44. O septo poroso isola o gel ou solução interna de KCl do meio externo. Aconcentração constante de íons de cloreto dentro do sensor gera uma corrente elétrica(-) com o fio de prata. O fio de prata pura (tratado com cloreto de prata AgCl) capta acorrente e transmite ao cabo de conexão, que leva o sinal do sensor aoleitor/controlador. Figura 40 – Sensores de PH13.2 – Sensor combinado de pH e referência Figura 41– Sensor Combinado Um sensor combinado consiste de um sensor de pH e um sensor de referênciadentro de um mesmo corpo.13.3 – Aplicações típicas para estes sensores são:• Efluentes oleosos ou gordurosos;• Lodo calcário;• Refinamento de açúcar;• Emulsões;Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 44
  45. 45. • Lavagem de gases;• Coagulação de floculantes;• Fabricação de papel e celulose;• E muitas outras;13.4 – Especificações Banda de pH: 0 - 12 pH o Banda de temperatura: 0 - 50 C. Banda de pressão: 0 - 100 psi. Sensor de referência: Duplo septo poroso com Ag/AgCl14 – Interferômetro O interferômetro é um aparelho inventado pelo norte-americano Albert Michelsonque permite calcular a velocidade da luz. Figura 42 – Interferômetro14.1 – Funcionamento O interferômetro de Michelson (1852 - 1931, prêmio Nobel em 1907), é a formafundamental da grande variedade de interferômetros de 2 feixes. No esquema a seguir(fig.43), a luz vem expandida da fonte L, incide na placa paralela P, sofre uma refraçãoaté incidir na outra superfície semi-espelhada, aonde irá se dividir em 2 feixes, os quaisirão atingir os espelhos A1 e A2 perpendicularmente.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 45
  46. 46. Figura 43 - Esquema óptico do interferômetro Os retornos dos feixes irão atingir a face semi-espelhada da placa P, e as franjasde interferência podem ser vistas diretamente a olho nu, ou através de um telescópio F.Notar que a luz refletida por A2 passa através da placa P 3 vezes, enquanto que a luzrefletida por A1 passa apenas 1 vez. A placa compensadora P1 é idêntica na espessurae no paralelismo à placa P.Sua inserção vai equalizar os caminhos dos dois feixes. Quando os espelhos estiverem a distâncias iguais e perpendiculares, o campo deinterferência será uniforme. Quando as superfícies refletoras não estiveremperpendiculares, as franjas passam de circulares a linhas. Quanto maior a diferençaentre as distâncias dos espelhos A1 e A2 à placa P, mais círculos concêntricos deinterferência serão observados. Assim toda vez que o deslocamento do espelho móvelatingir um valor múltiplo de l /2, o valor da intensidade se repete. A presença das lâminas de vidro trazem também um sistema paralelo dereflexões na segunda face e conseqüentemente de franjas. A intensidade deste sistemasecundário é fraca, e dificilmente é possível observá-lo. Figura 44 - Sugestão para o alinhamentoTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 46
  47. 47. 14.2 – Objetivos Familiarização c/ o instrumento e alinhamento de seus elementos. Uso dointerferômetro para medidas precisas de pequenos deslocamentos, l de fontesmonocromáticas, comparação de superfícies planas, medida de comprimento decoerência de diversas fontes luminosas e índice de refração de gases.14.3 - Procedimento experimental14.3.1 – Alinhamento O feixe direto emitido pelo Laser constitui um fino raio intenso, monocromático ecoerente que facilita o alinhamento (fig.44). A idéia aqui é a de alinhar os espelhos demodo que a reflexão de cada um deles volte exatamente pelo mesmo caminho, o quepode ser verificado observando as reflexões sobre o cartão c/ furo. Quando os espelhos estão alinhados (Perpendiculares entre si) as duas reflexõessobre S, voltam passando pelo furo. Observe que o espelho A2 possue apenas 1 grau de liberdade e o espelho A1possue 2. Logo para que as reflexões retornem ao Laser, a reflexão do espelho 2 sópode ser ajustada deslocando todo o equipamento ( A base toda), só depois ajusta-se areflexão do espelho 1 através dos parafusos. Na condição de alinhamento perfeito, devem-se observar círculos deinterferência. Para ligeiros desalinhamentos se observam franjas aproximadamenteretas e paralelas. Estas figuras de interferência são mais fáceis de se observar com umafonte extensa ou com um feixe expandido. Por esta razão, depois do alinhamento inicialutilizamos uma lente divergente para expandir o feixe Laser, permitindo assim observarno anteparo o padrão de interferência. O ajuste é feito alinhando com cuidado o espelho1, de modo a se observar o padrão na forma de círculos. É importante lembrar que a distribuição luminosa do feixe Laser não é uniforme,mas sim Gaussiana, ou seja, mais intensa no centro do que nas bordas. Assim, oencontro da borda de um feixe com o centro de outro produz franjas de menorvisibilidade.14.3.2 – Escala do parafuso micrométrico Devido à ordem de grandeza dimensional que é operada no interferômetro(350nm) é necessários um sistema mecânico que permita o deslocamento do espelhocom bastante suavidade.Conforme pode ser observado no equipamento, o espelho é deslocado através de umsistema de redução por alavanca, conjugado com um parafuso micrométrico.A cada duas voltas do parafuso, sua ponta desloca 1mm, e o espelho através daalavanca caminha aproximadamente 5 vezes menos ( Os equipamentos não sãoexatamente iguais). A cada duas voltas do parafuso, sua ponta desloca 1mm. (0,5mm por volta)A escala do tambor do parafuso divide 1mm em 100 partes (0.01 mm por divisão).Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 47
  48. 48. 14.3.3 – Calibração do parafuso micrométricoDeterminação da relação de reduçãoR = D Lparafuso / D Lespelho ouR = no divisões parafuso /D Lespelho. I Iluminando o interferômetro com a luz extensa do Laser de He-Ne e inclinandolevemente o espelho para se obter franjas quase retas, desloca-se o parafuso doespelho móvel um certo número de divisões e conta-se o número de franjas deinterferência que passam pelo centro do campo de visão. Figura 45 - Sistema de redução dos movimentos Cada interferômetro possue uma razão de redução R entre os movimentos doparafuso micrométrico e o espelho móvel, o valor desta razão deverá ser determinadacom precisão (Fazer várias leituras e depois um tratamento estatístico).Obs.1 - Cada franja que aparece ou desaparece no campo de visão, representa umdeslocamento do espelho móvel de l/2.Obs. 2 - O Laser de He-Ne tem l = 632.8 nm (6328 A)14.3.4 – Determinação do l de uma fonte espectral Depois de conhecida a geometria do equipamento, é possível através de umprocesso inverso ao que foi feito, determinar-se o l de uma outra linha espectral, atravésda contagem das franjas interferométricas (R = D L parafuso / D L espelho). Substituindo-se o Laser por uma lâmpada espectral, selecione o l que se desejadeterminar, interpondo um filtro para selecionar uma faixa desejada, coloque no suportedo interferômetro uma placa de vidro despolido para espalhar a luz e incline levemente oespelho móvel para tornar as franjas aproximadamente retas. As franjas não serão maisprojetadas na parede, só poderão ser vistas diretamente no equipamento.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 48
  49. 49. 14.3.5 – Determinação do Dl das linhas do Na Substituindo-se a fonte de luz por uma lâmpada de sódio, coloque no suporte dointerferômetro uma placa de vidro despolido para difundir a luz e incline levemente oespelho móvel para tornar as franjas mais ou menos retas. Figura 46 - Curva de contraste dos anéis Devido à proximidade dos ls das duas linhas amarelas do sódio, aparece umpadrão de franjas cuja visibilidade aumenta e diminui periodicamente (Fig. 46) aovariarmos bastante a distância entre os espelhos através do parafuso micrométrico. Observando a distância que o espelho móvel caminha, determine T usando o DLdo parafuso micrométrico e a R já aferida entre os máximos de contraste (ou mínimosque são mais fáceis de discriminar), para calcular o Dl das duas linhas amarelas dosódio .Obs. Para o cálculo usar o lmédio medido ou consultar uma tabela.14.4 – Resumo do roteiro sugeridoa) - Alinhar o interferômetro (Observe os reflexos no Laser).b) - Encontrar as franjas de interferência usando-se o Laser de He-Ne com umexpansor.c) - Contar aproximadamente 300 franjas, note que o erro será menor se o no de franjascoincidir com um no de divisões no parafuso completas e plotando um gráfico de váriasmedidas. Determinar a razão de redução parafuso/espelho.d) - Usando a razão encontrada no item anterior, determine o l de alguma das linhasespectrais do Hg ou o lmédio do Na (Contar aproximadamente 200 franjas). Observe queas franjas não serão mais projetadas, e sim observadas dentro do equipamento - Usarum filtro p/ (selecionar a faixa espectral desejada).e) - Usando a lâmpada de Na, determine a diferença de comprimento de onda Dl do"dublet", não contar as franjas, apenas observar os ciclos de contraste.f) – Usando um Laser ou uma lâmpada de luz branca, encontre a condição de Diferençade caminho ótico nulo (DCON) onde haverá franjas policromáticas.g) – Determinar o índice de refração do ar.h) – Se a placa compensadora for removida, o que ocorrerá – explique.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 49
  50. 50. 14.4.1 – Medidas de pequenas diferenças de comprimento de onda A figura 47 representa num esquema resumido, alguns elementos importantespara a formação da figura de interferência pelo interferômetro de Michelson.S1 e S2 são as duas imagens virtuais, formadas pelos dois espelhos, da fonte de luz aser analisada pelo instrumento. A figura de interferência, na forma de anéis concêntricosclaros e escuros forma-se no anteparo A e é centrada no ponto P. Imaginemos agoraque cada uma das fontes virtuais (de mesma potência) emita em duas freqüências muitopróximas w1 e w 2, sendo w 1>w2. Figura 47 - Formação da figura de interferência Suponhamos que para a freqüência w1 a intensidade no ponto P seja máxima, oque implica (ver equações para o interferômetro) em:d = (m + 1/2) l1 m = 0,1,2,... (1)Onde d é à distância entre as duas imagens (S1 e S2) e l1 é o comprimento de ondaassociado à freqüência w1.Suponha que ao mesmo tempo em que isto acontece, a intensidade em P para afreqüência w2 seja mínima (zero), o que implica em:d = m l2 = 2m l2/2 m = 0,1,2,... (2)onde l2é o comprimento de onda associado à w2. Estas duas últimas equações, quando satisfeitas simultaneamente para adistância d significam que o anteparo está uniformemente iluminado pelas duas fontes,pois onde existe um mínimo de interferência para w2 (anel escuro), existirá um máximopara w1 (anel claro) e vice-versa. Chamaremos esta condição de condição deanticoincidência de anéis. Nesta condição, podemos afirmar que no comprimento d cabe exatamente umnúmero ímpar de meios comprimentos de onda l1 e um número par de meiocomprimento de onda l2. [Ver eqs. (1) e (2)].Como a razão d/(l1/2) é um número ímpar, e d/(l2/2) é um número par, teremosevidentemente:[d/(l1/2)] - [d/(l2/2)] = número ímpar = N. (3).Se o espelho móvel do interferômetro for agora deslocado de tal forma que surja a novacondição de anti-coincidência, teremos:[d’/(l1/2)] - [d’/(l2/2)] = N + 2 (4)porquê N + 2 é o número ímpar mais próximo que se segue a N. Nesta equação, d’ é anova distância entre as imagens virtuais S1 e S2.Subtraindo a eq. (3) da eq. (4) e fazendo D = d’- d, teremos:(2D/l1) - (2D/l2) = 2 . (5)Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 50
  51. 51. Como l1 = l m - Dl /2 e l2 = l m + Dl /2, onde lm = (l1 + l2)/2, e Dl = l2 - l1, deduz-seimediatamente que:D l»(lm)2/D (6)onde se considerou (Dl )2 » 0 devido D l<<lm. Finalmente, lembrando-se que ao se deslocar o espelho móvel de uma distânciax qualquer a imagem se desloca de 2x, podemos escrever:D l» (lm)2/2T (7)onde T é a distância que o espelho do interferômetro efetivamente se move para queocorram duas anti-coincidências sucessivas no anteparo.14.4.2 – Franjas de luz branca - Equalização dos dois braços do interferômetro(DCON) Deslocando-se o espelho móvel, ou seja, variando a distância entre os doisbraços do interferômetro, pode-se observar que o tamanho dos anéis varia. Istodepende se a diferença de caminho óptico está aumentando ou diminuindo, (Se adiferença entre os dois diminui, o raio dos anéis aumenta) e pode, portanto seraproveitada para achar o ponto, onde a diferença de caminho óptico é nula (DCON).Nesta situação o tamanho dos anéis é tão grande que não cabe mais no campo deobservação. Retirando-se a lâmpada de Na, coloca-se uma lâmpada de luz branca com umfiltro interferencial ( 5 nm de largura de passagem), o que torna a luz "quase"monocromática.Como na situação anterior, as franjas não serão projetadas, mas sim observadasdiretamente no equipamento.Variando-se a posição do espelho móvel, quando se atinge a condição de DCONsurgirão franjas, sendo que seu aparecimento e desaparecimento não são periódicos(Ocorrerá apenas uma vez). Na posição de máximo contraste, pode-se retirar o filtro deixando-se apenas afonte de luz, que ainda haverá franjas, porém não mais monocromáticas, mas simpolicromáticas (Apresenta apenas um máximo de visibilidade com uma franja preta eumas poucas coloridas de cada lado) ao se atingir exatamente o DCON.Note que ao substituir ou deslocar a fonte de luz, as franjas de interferência não mudamde posição.14.4.3 – Medida do índice de refração de gases Figura 48 - Esquema para a medida com gasesTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 51
  52. 52. Para que seja possível fazer a medida do índice de refração de um gás, uma celadeve ser fixada firmemente no lado do braço variável do interferômetro, de modo quenão haja nenhum movimento principalmente devido à tração das mangueiras (fig. 48). O interferômetro deverá ser alinhado com um Laser ou uma lâmpada de Hg atéque as franjas se tornem circulares.Ligar a bomba de vácuo e abra a válvula lentamente para que haja tempo de registraros dados até que o sistema esteja vazio,A sugestão do procedimento, é que um observador conte as franjas e outro anote apressão do gás, o que pode ser feito a cada 5 franjas. Um termômetro poderá ser acoplado à cela para anotar variações de suatemperatura. A leitura do manômetro plotada com o número de franjas nos forneceráuma reta de onde poderemos obter o valor dN/dP ( dN é a variação do no de franjas e odP é variação de pressão).Se o comprimento da cela for l, a variação do caminho óptico com a admissão do gás deíndice de refração n será de 2 l ( n -1 ) e o número de franjas contadas será de 2 l ( n-1 )/l ,onde l é o comprimento de onda da luz usada no experimento. O índice de refração do gás depende quase que inteiramente da densidade e nãoda pressão e da temperatura separadamente.Notar que somente as diferenças de pressão devem ser consideradasUm outro método, consiste em determinar o DCON antes de introduzir o gás na cela(cela com ar ou vácuo) , e o novo DCON com o gás a ser determinado, então a partir dodeslocamento do espelho entre as duas situações, é possível calcular o índice derefração do gás. Para que as medidas sejam confiáveis não esquecer de:a) Desvios da lei de gás ideal assumida no modelo matemático.b) Mudança nas dimensões da cela devido à pressão atmosférica quando estiver emvácuo.c) Influência da umidade relativa do ar.d)Variações dimensionais do interferômetro durante as medidas.15 - Sensores de Temperatura O controle de temperatura é necessário em processos industriais ou comerciais,como a refrigeração de alimentos e compostos químicos, fornos de fusão (produção demetais e ligas, destilação fracionada (produção de bebidas e derivados de petróleo),usinas nucleares e aquecedores e refrigeradores domésticos (fornos elétricos emicroondas, freezers e geladeiras)).Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 52
  53. 53. 15.1 - Medição de temperatura com Termopar Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na formade metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qualse dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios élevada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuitoelétrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento demedição é chamado de junta fria ou de referência. Figura 49 – Partes de um Termopar O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m. Esteprincípio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para amedição de temperatura. Nas aplicações práticas o termopar apresenta-senormalmente conforme a figura acima. O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura (∆T) existente entre asjuntas quente e fria, será de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.15.1.2 – Efeitos Termoelétricos Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junçõesmantidas a diferentes temperaturas, quatro fenômenos ocorrem simultaneamente: oefeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta. A aplicação científica e tecnológica dos efeitos termoelétricos é muito importante esua utilização no futuro é cada vez mais promissora. Os estudos das propriedadestermoelétricas dos semicondutores e dos metais levam, na prática, à aplicação dosprocessos de medições na geração de energia elétrica (bateria solar) e na produção decalor e frio. O controle de temperatura feito por pares termoelétricos é uma dasimportantes aplicações do efeito Seebeck. Atualmente, busca-se o aproveitamento industrial do efeito Peltier, em grandeescala, para obtenção de calor ou frio no processo de climatização ambiente.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 53
  54. 54. 15.1.2.1 – Efeito termoelétrico de Seebeck O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeckquando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes Ae B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir um diferença de temperatura∆T entre as suas junções. Denominamos a junta de medição de Tm, e a outra, junta dereferência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida comoefeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante,verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste.Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro. Figura 50 – Efeito Termoelétrico Seebeck O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metaldiferem de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando dois condutoresdiferentes são conectados para formar duas junções e estas são mantidas a diferentestemperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos diferentes.15.1.2.2 – Efeito termoelétrico de Peltier Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas asjunções à mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se umacorrente no termopar, as temperaturas das junções variam em uma quantidade nãointeiramente devida ao efeito Joule. Esta variação adicional de temperatura é o efeitoPeltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateriaexterior como pelo próprio par termoelétrico. Figura 51 – Efeito Termoelétrico Peltier O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam umajunção, sendo independente da temperatura da outra junção.O calor Peltier é reversível.Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calorPeltier é o mesmo, porém em sentido oposto.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 54
  55. 55. 15.1.2.3 – Efeito termoelétrico de Thomson Em 1854, Thomson conclui, através das leis da termodinâmica, que a conduçãode calor, ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico, que não transportacorrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio. Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura emuma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional nadistribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson. O efeito Thomson depende do metal de que é feito o fio e da temperatura médiada pequena região considerada. Em certos metais há absorção de calor, quando umacorrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de calorquando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito,isto é, há liberação de calor quando uma corrente elétrica flui da parte quente para aparte fria do metal. Conclui-se que, com a circulação de corrente ao longo de um fiocondutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto pelo calordissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.15.1.2.4 – Efeito termoelétrico de Volta A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado aseguir:“Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entreeles uma diferença de potencial que pode ser da ordem de Volts”. Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medidadiretamente.15.1.3 – Leis Termoelétricas Da descoberta dos efeitos termoelétricos partiu-se através da aplicação dosprincípios da termodinâmica, a enunciação das três leis que constituem a base da teoriatermoelétrica nas medições de temperatura com termopares, portanto, fundamentadosnestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os fenômenos que ocorrem namedida de temperatura com estes sensores.15.1.3.1 – Lei do circuito homogêneo “A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metaisdiferentes, com suas junções as temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente detemperatura e de sua distribuição ao longo dos fios". Em outras palavras, a f.e.m.medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais edas temperaturas existentes nas junções.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 55
  56. 56. Figura 52 – Lei do circuito homogêneo Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grandevariação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares,que esta não influirá na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre asjuntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos comos termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas.15.1.3.2 – Lei dos metais intermediários “A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um númeroqualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura".Deduz-se daí que um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m.produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metalgenérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais. Figura 53 – Lei dos metais IntermediárioOnde se conclui que:T3 = T4 --> E1 = E2T3 = T4 --> E1 = E2 Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latãoou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 56
  57. 57. 15.1.3.3 – Lei das temperaturas intermediárias Figura 54 – Lei das Temperaturas Intermediaria “A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos ediferentes entre si, com as suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é asoma algébrica da f.e.m. deste circuito, com as junções às temperaturas T1 e T2 e af.e.m. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e T3”. Um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção datemperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.15.1.4 – Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química doscondutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau devariação de temperatura, podemos observar uma variação da f.e.m. gerada pelotermopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlação entre temperatura e af.e.m., por uma questão prática padronizou-se o levantamento destas curvas com ajunta de referência à temperatura de 0°C. Figura 55 – Gráfico de Temp X mVTecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 57

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