Instrumentacao Aplicada Postado
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Colgio Tcnico Industrial de Santa Maria Este Material Didtico foi elaborado pelo Colgio Tcnico Industrial de Santa Maria para o Sistema Escola Tcnica Aberta do Brasil e-Tec Brasil.
Comisso de Acompanhamento e Validao - Colgio Tcnico Industrial de Santa Maria/CTISM Coordenador Institucional Paulo Roberto Colusso/CTISM Professor-autor Marcos Daniel Zancan/CTISM Coordenao Instrucional Leila Maria Arajo Santos/CTISM Coordenao Tcnica Iza Neuza Teixeira Bohrer/CTISM Coordenao de Design Erika Goellner/CTISM Reviso Pedaggica Andressa Rosemrie de Menezes Costa/CTISM Francine Netto Martins Tadielo/CTISM Marcia Migliore Freo/CTISM Mnica Paliarini/CTISM Reviso Textual Daiane Siveris/CTISM Lourdes Maria Grotto de Moura/CTISM Vera da Silva Oliveira/CTISM Reviso Tcnica Eduardo Lehnhart Vargas/CTISM Diagramao e Ilustrao Clarissa Felkl Prevedello/CTISM Leandro Felipe Aguilar Freitas/CTISM Marcel Jacques/CTISM Rafael Cavalli Viapiana/CTISM
Ficha catalogrca elaborada por Denise Barbosa dos Santos CRB10 /1456 Biblioteca Central - UFSM S458i Seidel, Alysson Raniere. Instrumentao aplicada / Alysson Raniere Seidel. - Santa Maria : Universidade Federal de Santa Maria : Colgio Tcnico Industrial de Santa Maria, 2010. 106 p.: il. 1. Engenharia eltrica. 2. Sensores. 3. Medidores. 4. Termopares. 5. Termmetros. 6. Circuitos integrados. I.Ttulo. CDU: 621.38
INSTITUTO FEDERAL
RIO GRANDE DO SUL
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Indicao de cones
Os cones so elementos grcos utilizados para ampliar as formas de linguagem e facilitar a organizao e a leitura hipertextual. Ateno: indica pontos de maior relevncia no texto.
Saiba mais: oferece novas informaes que enriquecem o assunto ou curiosidades e notcias recentes relacionadas ao tema estudado. Glossrio: indica a denio de um termo, palavra ou expresso utilizada no texto. Mdias integradas: sempre que se desejar que os estudantes desenvolvam atividades empregando diferentes mdias: vdeos, lmes, jornais, ambiente AVEA e outras. Atividades de aprendizagem: apresenta atividades em diferentes nveis de aprendizagem para que o estudante possa realiz-las e conferir o seu domnio do tema estudado.
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Sumrio
Palavra do professor-autor Apresentao da disciplina Projeto instrucional Aula 1 Tecnologia de sensores 1.1 Importncia da tecnologia de sensores 1.2 Sensores capacitivos e resistivos 1.3 Sensores magnticos 1.4 Sensores de efeito Hall 1.5 Sensores piezoeltricos 1.6 Strain gauges 1.7 Sensores ticos 1.8 Sensores ultrassnicos Aula 2 Seleo de sensores 2.1 Importncia da seleo dos sensores 2.2 Classicao dos sensores 2.3 Sensores de proximidade discretos 2.4 Sensores de proximidade indutivos 2.5 Sensores de proximidade capacitivos 2.6 Sensores de proximidade fotoeltricos 2.7 Sensores de proximidade magnticos 2.8 Sensores de proximidade ultrassnicos 2.9 Cuidados na instalao e operao de sensores 2.10 Transformador linear diferencial varivel (LVDT) 2.11 Transformador rotacional diferencial varivel (RVDT) 2.12 Synchros e Resolvers 2.13 Sensores potenciomtricos 2.14 Encoders Aula 3 Medida de temperatura 3.1 Importncia dos sensores de temperatura 9 11 13 15 15 15 15 17 18 19 19 20 23 23 23 25 30 31 32 39 40 44 47 48 48 49 50 55 55
3.3 Termmetros dilatao de lquido em recipiente metlico 56 3.4 Termmetros presso de gs 3.5 Termmetro bimetlico 3.6 Termopares 3.7 Montagem de termopares 3.8 Termorresistncias (RTD) 3.9 Termistores 3.10 Circuitos integrados 3.11 Comparaes entre sensores de temperatura Aula 4 Medida de presso 4.1 Importncia da medida de presso 4.2 Dispositivos de medida de presso 4.3 Coluna de lquido 4.4 Manmetro tubo de Bourdon 4.5 Sensores de presso capacitivos 4.6 Sensores de presso indutivos 4.7 Sensor de presso piezorresistivo 4.8 Sensor de presso piezoeltrico 4.9 Manmetros Aula 5 Medidores de vazo 5.1 Importncia dos medidores de vazo 5.2 Medidores de quantidade 5.3 Medidores volumtricos 5.4 Medidores de vazo eletromagntico 5.5 Medidores de vazo tipo turbina Aula 6 Medida de nvel 6.1 Importncia das medidas de nvel 6.2 Medida de nvel 6.3 Medida de nvel direta 6.4 Medida de nvel indireta Apndice A Referncias Currculo do professor-autor 57 58 59 63 64 64 65 65 69 69 69 69 70 71 72 73 73 74 77 77 77 78 81 81 85 85 85 86 87 97 103 105
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Palavra do professor-autor
O avano tecnolgico nas ltimas dcadas, especialmente em sensores, permitiu um avano considervel na automao industrial. O avano da microeletrnica, da eletrnica de potncia, da instrumentao, da automao associada a computadores e CLPs e ainda a grande variedade de sensores permitiu realizar tarefas antes no imaginadas pelo homem. Desse modo, tarefas de co cientca como a explorao de Marte, com o uso de sondas espaciais e robs como o Opportunity, de inspeo de tubulaes como o PIGs da Petrobrs foram possveis. Os sensores esto presentes diariamente quando entramos num banco e so detectados metais; na rua, para ligar a iluminao pblica atravs de fotoclulas; em lombadas eletrnicas; em carros com sensores para estacionamento e em diversas mquinas empregadas na indstria. Assim, o objetivo da disciplina oportunizar aos alunos de cursos tcnicos da rea industrial conhecimentos bsicos sobre os princpios e fundamentos de sensores e suas aplicaes. Dessa forma, o conhecimento desta temtica interligada com as demais disciplinas do curso e em conjunto com professores, tutores e alunos permitir a construo de parte do conhecimento necessrio para a formao do tcnico em automao industrial e a base para os mdulos subsequentes do curso.
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Apresentao da disciplina
A revoluo industrial no sculo XIX trouxe o desenvolvimento de novos instrumentos e tcnicas de medidas eltricas para satisfazer a produo industrial. Assim, houve um rpido crescimento das tecnologias aplicadas ao ramo industrial. Isso cou evidente no nal do sculo XX, com o desenvolvimento da eletrnica e dos computadores, o que possibilitou que crescesse paralelamente a variedade de novos instrumentos e tcnicas de medidas. Esse crescimento exige cada vez mais especializao na preciso, no registro e processamento de variveis a serem controladas que no poderiam ser realizadas de forma satisfatria pelo homem. Assim, o emprego de instrumentao em automao industrial foi fundamental para o xito no desenvolvimento de sistemas automticos, seja um sistema como o controle de temperatura de um ar-condicionado, ou um mais complexo, como o controle de um rob industrial ou espacial. A Figura A ilustra um diagrama de blocos que consiste na estrutura bsica de um sistema de controle. Nesse diagrama observa-se que existe uma dependncia do sensor e como consequncia tambm do sinal que o controlador recebe, o qual a diferena entre o valor da varivel controlada e o valor desejado que resulta no erro ou desvio. Assim, a partir do erro denido, a tarefa ser realizada de forma adequada atravs do atuador que manter o processo com suas variveis nos limites denidos. Observa-se, atravs da Figura A, que o controlador recebe o erro (desvio), para corrigir atravs do atuador, obtendo uma varivel manipulada e controlada. No entanto, vale ressaltar que vrios sistemas no apresentam realimentao, isto , no trabalham em malha fechada, (os chamados sistemas em malha aberta). Mesmo assim, determinadas tarefas so perfeitamente executadas.
Leia o artigo sobre a evoluo da automao relacionado ao desenvolvimento da indstria automobilstica: http://www.rep.org.br/pdf/23-6. pdf
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Num sistema em malha aberta o sensor e o condicionador de sinal so opcionais e no determinam o funcionamento do processo. Assim a realimentao, destacada na Figura A, inexistente. No sensor pode ser inserido um condicionamento de sinal para que este possa ser processado. Ao conjunto sensor e condicionador de sinal que converte uma forma de energia em outra d-se o nome de transdutor (ver Figura B). A gura C mostra um exemplo de um transdutor.
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Projeto instrucional
Disciplina: Instrumentao Aplicada (carga horria: 90h) Ementa: Apndice A. Fundamentos de mquinas eltricas. Tecnologia de sensores. Seleo de sensores. Medidores de temperatura. Medidores de presso. Medidores de vazo. Medidores de nvel.
AULA
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
Conhecer os tipos de mquinas eltricas. Entender o fundamento bsico de mquinas eltricas. Conhecer as caractersticasde motores eltricos. Identicar as aplicaes de motores eltricos. Conhecer o princpio de funcionamento de parte dos sensores existentes no mercado. Conhecer as caractersticas de cada sensor citado. Contextualizar a aplicao dos sensores de forma geral. Identicar os sensores conforme aplicaes. Identicar caractersticas e aplicao dos sensores. Selecionar e especicar sensores. Instalar sensores. Identicar os sensores de temperatura, conforme aplicaes. Identicar caractersticas e aplicao dos sensores. Selecionar e especicar os sensores. Conhecer o princpio de funcionamento dos medidores de presso. Conhecer as caractersticas dos sensores de presso. Conhecer e selecionar sensores e transmissores de presso.
MATERIAIS
Ambiente virtual: plataforma moodle; Apostila didtica; Recursos de apoio: links de leitura complementar indicados na apostila. Ambiente virtual: plataforma moodle; Apostila didtica; Recursos de apoio: links de leitura complementar indicados na apostila. Ambiente virtual: plataforma moodle; Apostila didtica; Recursos de apoio: links de leitura complementar indicados na apostila. Ambiente virtual: plataforma moodle; Apostila didtica; Recursos de apoio: links de leitura complementar indicados na apostila. Ambiente virtual: plataforma moodle; Apostila didtica; Recursos de apoio: links de leitura complementar indicados na apostila.
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1. Tecnologia de sensores
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2. Seleo de sensores
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3. Medida de temperatura
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4. Medida de presso
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AULA
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
Conhecer o princpio de funcionamento de parte dos sensores de vazo existentes no mercado; Conhecer as caractersticas dos sensores.
MATERIAIS
Ambiente virtual: plataforma moodle; Apostila didtica; Recursos de apoio: links de leitura complementar indicados na apostila. Ambiente virtual: plataforma moodle; Apostila didtica; Recursos de apoio: links de leitura complementar indicados na apostila.
5. Medidores de vazo
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6. Medida de nvel
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medida que o material ferromagntico aproximase do ncleo tipo E, o valor da indutncia alterado e empregado para detectar o movimento. O mdulo da corrente nesse circuito I = V/(ZL). Uma vez que L foi alterado, I ser modicado. Esse princpio pode ser empregado em transformadores diferenciais para medir deslocamentos lineares. As correntes parasitas alteram a indutncia da bobina exploradora (ponteira) e essa mudana pode ser transformada em uma tenso CC de sada proporcional a distncia entre a ponteira e o alvo. Medidas de resoluo de 0,1 m podem ser conseguidas.
Sensores indutivos transformam o movimento numa variao da indutncia entre os elementos magneticamente acoplados. Um exemplo disso mostrado na Figura 1.1(a). Em sensores de relutncia varivel, uma bobina pode ser enrolada num ncleo ferromagntico ou, preferencialmente, num im permanente como um sensor de indutncia varivel. Esses dispositivos so usados normalmente para medir velocidades angulares. Conforme mostra a Figura 1.1(b), medida que a roda dentada gira, produzida uma sequncia de pulsos proporcionais variao do uxo e assim varia a indutncia.
Figura 1.1: Sensores magnticos: (a) Princpio bsico de funcionamento do sensor indutivo, (b) Sensor derelutncia varivel e (c) Sensor de correntes parasitas.
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Sensores de correntes parasitas consistem de uma ponteira contendo uma bobina, conforme vemos na Figura 1.1(c), a qual excitada em alta frequncia, tipicamente em 1 MHz. Isto usado para medir a proximidade de um alvo metlico. Devido excitao em alta frequncia, elevada correntes parasita surgem na superfcie do alvo, e a amplitude reduz-se quase a zero em pequenas distncias do alvo. Isso permite que o sensor trabalhe com alvos bem pequenos, tais como diafragmas de ao de um sensor de presso. Esses sensores podem detectar, sem contato direto, os elementos metlicos que passam atravs de um campo magntico, convertendo em um sinal eltrico que pode ser interpretado por um CLP (Controlador Lgico Programvel) ou por uma mquina. Os sensores indutivos caracterizam-se por ter grande durabilidade, excelente preciso, alta frequncia de comutao, e por no serem sensveis a vibraes.
Leia textos sobre correntes parasitas e sensores indutivos em: http://www.feiradeciencias. com.br/sala13/13_32.asp http://www.automacoes. com/2008/10/sensores-digitais. html
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Os materiais piezoeltricos produzem uma tenso em seus terminais quando uma fora aplicada a eles. Esses so usados frequentemente como receptores ultrassnicos e tambm transdutores de deslocamento em dispositivos que medem acelerao, fora e presso. Para um material retangular, a tenso produzida denida por: V=KpFd/A e diretamente proporcional constante piezoeltrica do material Kp, fora F aplicada, espessura do material d, e inversamente proporcional rea A do material. Os materiais que exibem essa propriedade so o quartzo, materiais sintticos, como o sulfato de ltio e cermicas ferroeltricas como o titanato de brio. Certos lmes polimricos tais como polyvinylidine tambm exibem as propriedades piezoeltricas. Esses produzem maiores tenses de sada que a maioria dos cristais e so muito teis em aplicaes de deslocamento que devem ser transformadas numa tenso. No entanto, apresentam limitaes mecnicas de esforos e no so sujeitos em aplicaes em que pode ocorrer ressonncia. O princpio piezoeltrico reversvel, e, portanto, distores podem ocorrer aplicando uma tenso e vice-versa. Em receptores ultrassnicos, as variaes senoidais ultrassnicas so convertidas em foras aplicadas ao transdutor piezoeltrico. Da mesma forma, o movimento de um transdutor de deslocamento causado por meio mecnico pela aplicao de uma fora do transdutor piezoeltrico. Implantando eletrodos na superfcie desses materiais, pode ser medida uma diferena de potencial. A polaridade da tenso produzida depende de onde o material comprimido ou estendido, como mostrado na Figura 1.3.
Veja animaes e vdeos do efeito piezoeltrico: http://www.bestner.com/eng/ html/piezo_01.php http://www. morganelectroceramics.com/ resources/piezo-ceramictutorials/piezoelectric-voltage/ http://www.youtube.com/ watch?v=Jglork3SDck
Observe uma aplicao de materiais piezoeltricos utilizados como motores: http://www.youtube.com/ ach?v=wrqwcadym7q&nr=1 http://www.youtube.com/ watch?v=ga59hgjdqhm
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Veja animao de strain gauge usado como clula de carga juntamente com uma ponte de Wheatstone: http://www.rdpe.com/ex/hiwsglc.htm
Figura 1.4: Strain gauge: (a) tipo o; (b) tipo folha metlica
Esses sensores so amplamente empregados na medida de deformaes e, associados ponte de Wheatstone, podem ser empregados em uma srie de aplicaes que envolvem medidas de presso, tenso, fora, entre outras grandezas. Por ter um formato laminar, podem ser empregados em pequenos espaos e realizar medidas como limite de toro de um eixo metlico, sem grandes modicaes para adaptaes na medida.
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As fontes de luz (emissor) utilizadas so lmpadas com lamento de tungstnio, laser, e diodos emissores de luz (LEDs), usados preferencialmente por no serem afetados pela luz do sol. Foto-transistor e fotodiodos so tambm usados, porm fotoclulas e fototransistor so sensveis regio infravermelha. Os sensores ticos so usados comumente para medir proximidade, movimento e concentrao de gs.
Resumo
Ao nalizarmos o estudo de tecnologia de sensores, conhecemos os principais tipos de sensores, os materiais e as particularidades, para que nas prximas aulas possamos relacionar os tipos de sensores com as respectivas aplicaes.
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Atividades de aprendizagem
1. Descreva brevemente o princpio de funcionamento de sensores resistivos e capacitivos. 2. Descreva o funcionamento de sensores magnticos. 3. Como o sensor de efeito Hall empregado, isto , qual o princpio que permite us-lo como sensor? 4. Realize uma pesquisa rpida com buscador, na Web, e verique a variedade de aplicaes dos sensores que empregam o efeito Hall. 5. Em que aplicaes emprega-se o strain gauge? 6. Qual o princpio de funcionamento de sensores piezoeltricos, piezoresistivos, ultrassnicos e ticos? 7. Que caractersticas tornam o strain gauge bastante atrativo em diversas aplicaes que envolvam instrumentao industrial? 8. Que frequncias so normalmente empregadas em aplicaes com ultrassom?
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sinal discreto ou digital indica a existncia ou no de um evento. Pode assumir os valores zero ou um ou uma combinao destes. sinal analgico pode assumir qualquer valor dentro de determinada faixa.
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Figura 2.1: Sensor discreto (chave m de curso): (a) estados que a chave pode apresentar; (b) exemplo
Fonte: CTISM
Veja fotos de sensores discretos eletrnicos capacitivos e indutivos: http://www.supplierlist. com/product_view/ jasmine84/25935/100526/ capacitive_proximity_sensor.htm
A Tabela 2.1 mostra resumidamente caractersticas para seleo dos sensores eletrnicos e dos sensores eletromecnicos.
Tabela 2.1: Comparativo entre sensores eletromecnicos e eletrnicos
Caractersticas Necessidade de contato fsico com o alvo Velocidade de resposta Frequncia de comutao Vida til de contatos ou ciclos de operao Custo Eletromecnicos sim baixa baixa limitada (contatos) baixo Eletrnicos no alta alta sem limites (ciclo) elevado
Figura 2.2: Emprego de sensores analgicos: (a) Indicao de uma grandeza analgica e (b) potencimetro
Fontes: (a) www.onthedash.com, (b) CTISM
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Embora sejam conhecidas as caractersticas, o custo, e as aplicaes mais adequadas de cada sensor, algumas particularidades e denies so importantes para especicar e instal-los:
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b) Distncia sensora nominal (Sn): a distncia sensora terica, a qual utiliza um alvo padro como acionador e no considera as variaes causadas pela industrializao, temperatura de operao e tenso de alimentao. o valor em que os sensores de proximidade so especicados. Como utiliza o alvo padro metlico, a distncia sensora nominal informa a mxima distncia que o sensor pode operar. c) Distncia sensora operacional (Sa): a distncia segura de operao, considerando-se todas as variveis de industrializao, temperatura e tenso de alimentao.
d) Alvo padro: um acionador normalizado utilizado para calibrar a distncia sensora nominal durante o processo de fabricao do sensor. e) Histerese: a diferena entre o ponto de acionamento (alvo aproxima-se da face sensora) e o ponto de desligamento (alvo afasta-se). Isso garante uma diferena entre o ponto de acionamento e desacionamento, evitando que numa possvel vibrao do sensor ou acionador, a sada oscile. A Figura 2.5 ilustra a histerese, mostrando o ponto de acionamento (ON), a uma distncia Da, e o ponto de desacionamento (OFF), a uma distncia maior Dd.
O alvo padro consiste de uma chapa de ao de 1mm de espessura, formato quadrado. O lado deste quadrado igual ao dimetro do circulo da face sensora ou 3 vezes a distncia sensora nominal quando o resultado for maior que o anterior.
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corrente contnua e possuem, no estgio de sada, um transistor que comuta a carga conectada ao sensor, isto , liga ou desliga a carga de acordo com a sensibilizao do sensor. Existem ainda dois tipos de transistores de sada, um que comuta o terminal positivo da fonte de alimentao (PNP), e outro que comuta o terminal negativo da fonte de alimentao (NPN). As conguraes PNP e NPN apresentam um transistor de sada T1, conforme mostra a Figura 2.6.
Os sensores do tipo Namur so teis em atmosferas potencialmente explosivas de indstrias qumicas e petroqumicas, pois no comutam sadas de potncias elevadas. Podem ser construdos segundo as normas de segurana, que preveem a manipulao de baixa energia eltrica evitando a detonao da atmosfera qumica por fascas eltricas ou pelo efeito trmico de superfcie. Esses dispositivos foram especialmente projetados segundo as especicaes da Norma Tcnica DIN19234, que prev o sensor sem o estgio de sada. O circuito apresenta uma corrente de aproximadamente 3mA, quando est desacionado. A partir da aproximao do alvo metlico que absorve energia do campo eletromagntico a corrente reduz-se a aproximadamente 1mA. So empregados 2 os que na presena de um objeto metlico variam sua resistncia. A diferena entre esses sensores e os sensores tradicionais a inexistncia de estgio amplicador que aciona a sada.
Esses tipos de sensores apresentam caractersticas que dependem do conhecimento das denies detalhadas a seguir: Os sensores de CC geralmente possuem 3 ou 4 os, dois da alimentao e os demais conforme o nmero de funes de sada. Normalmente Aberto (NA): o transistor de sada est normalmente cortado, ou seja, com o sensor desativado (sem o acionador na regio de sensibilidade) a carga est desenergizada, pois o transistor de sada est aberto. A carga ser energizada quando o acionador entrar na regio de sensibilidade do sensor. Normalmente Fechado (NF): quando o transistor de sada est normalmente saturado (sensor desativado, sem o acionador na regio de sensibilidade) a carga est energizada, pois o transistor de sada est fechado (saturado). A carga ser desenergizada quando o acionador entrar na regio de sensibilidade do sensor.
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Sada reversora: em um mesmo sensor, podemos ter uma sada NA e outra NF que permutam quando o sensor acionado. Os principais parmetros eltricos que devem ser considerados nesse tipo de sensor so listados e denidos a seguir: Corrente de chaveamento: uma caracterstica importante dos sensores CC, pois determina a potncia da carga. Essa corrente consiste no valor mximo que pode ser comutado pelo transistor de sada (seguro). Se o sensor no possui um circuito de proteo contra curto-circuito, o transistor pode ser danicado. Tenso de alimentao: os sensores de proximidade indutivos apresentam, geralmente uma faixa para a tenso de alimentao entre 10 a 30 V em corrente contnua. Os sensores de corrente contnua do tipo Namur so bastante semelhantes aos sensores convencionais, exceto por no apresentarem o estgio de sada com o transistor de chaveamento. So usados em sensores indutivos de pequenas dimenses, nos quais circuitos eletrnicos mais complexos e maiores no poderiam ser montados. A Figura 2.7 mostra a curva de corrente versus a distncia nominal.
A fonte de alimentao em sensores CC determina a estabilidade de funcionamento e a vida til do sensor. Uma boa fonte de alimentao deve possuir ltros que diminuam os efeitos dos rudos eltricos gerados pelas cargas, os quais podem danicar os sensores de proximidade e outros equipamen-
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Nos sensores em corrente alternada, quando o estgio de sada est desligado, o tiristor permanece bloqueado e a carga desenergizada, com uma pequena corrente de fuga que ui atravs da carga, necessria para manter o sensor funcionando e insuciente para promover uma queda de tenso signicativa na carga. Quando o estgio de sada est acionado, o tiristor de sada conduz energizao da carga, apresentando uma pequena queda de tenso no sensor sem interferir no funcionamento e permite manter o sensor alimentado. Os modelos de 3 e 4 os utilizam tecnologia mais antiga, muito semelhantes aos sensores de CC, pois possuem dois os para alimentao interna e um terceiro que conectado carga, podendo ser NA, NF ou reversvel.
tos eletrnicos conectados mesma. Desse modo, deve-se preferir fontes reguladas ou chaveadas, as quais apresentam custo inicial superior, porm proporcionam maior conabilidade.
Veja mais de talhes de sensores indutivos em: http://www.instrutech.com. br/download/principios%20 de%20funcionamento%20 para%20sensores%20de%20 proximidade.pdf http://www.automatize sensores.com.br/indutivos.html
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A distncia sensora operacional depende do tipo de material (metal), ou seja, especicada para o Fe ou ao e deve ser multiplicada por um fator de reduo mostrado na Tabela 2.2. Ex 1: O ao inox tem um fator de reduo (FR) de 0,85. Com isso, o alcance num alvo de ao inox menor em relao a um alvo padro de ao.
Tabela 2.2: Fatores de reduo da distncia sensora normalizados em relao ao Fe e Ao
Material Ferro e Ao Cromo e Nquel Ao Inox FR 1,0 0,9 0,85 Material Lato Alumnio Cobre FR 0,5 0,4 0,3
O ajuste de sensibilidade dos sensores capacitivos protegido por um parafuso que impede a penetrao de lquidos e vapores no sensor. Esse ajuste destinase a reduzir a inuncia do acionamento lateral no sensor, reduzindo a distncia sensora. Permite ainda que se detectem alguns materiais dentro de outros, como por exemplo: lquidos dentro de garrafas ou reservatrios com visores de vidro, ps dentro de embalagens, ou udos em mangueiras plsticas.
Figura 2.9: Sensor capacitivo: (a) princpio bsico, (b) simbologia, (c) diagrama do sensor
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Figura 2.10: Sensor de proximidade capacitivo: (a) parafuso para ajuste de sensibilidade e (b) utilizao para deteco de lquido dentro em garrafas
O funcionamento desses tipos de sensores est relacionado com a transmisso e recepo de luz na regio infravermelha que invisvel para o ser humano, de forma a detectar (por reexo ou interrupo) a presena do acionador. Os sensores que apresentam transmissor e receptor de infravermelho so denominados ativos, enquanto, os que apresentam somente receptores so classicados passivos, pois no emitem ondas infravermelhas, apenas detectam a movimentao dessas nas suas reas de atuao. Assim, sensores fotoeltricos ativos de proximidade apresentam um transmissor que envia um feixe de luz atravs de um diodo emissor de luz. Esses emitem ashes de alta potncia e de curta durao, pois isso evita que o receptor seja sensibilizado pela luz ambiente. O receptor composto por
O emprego de sensores passivos recomendvel principalmente em ambientes fechados, pois a faixa de operao efetiva destes sensores inferior a dos ativos, normalmente no ultrapassa 20 metros. So usados principalmente para alarmes de intruso, pois detectam o calor humano a uma distncia na faixa de 15 a 20m.
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um fototransistor que sensvel luz que, em conjunto com um ltro sintonizado na mesma frequncia de pulsao dos ashes do transmissor, faz com que o receptor detecte somente a luz do transmissor, conforme mostra a Figura 2.11.
A seguir so apresentadas diversas conguraes desses sensores, conforme o sistema empregado para detectar a presena de um objeto ou produto.
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Figura 2.13: Sensor: (a) atuao por barreira direta e (b) simbologia
Deve-se car atento s dimenses mnimas recomendadas ao objeto, pois o feixe de luz pode contorn-lo e atingir o receptor, sem o acionamento conforme ilustra a Figura 2.14.
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Nos casos em que objetos apresentam dimenses menores utiliza-se sensores com distncia sensora menor e, assim, permitem detectar esses objetos
Figura 2.15: Sensor: (a) sistema tico por difuso e (b) simbologia
O alvo padro no caso dos sensores por difuso uma folha de papel fotogrco branco com ndice de reetividade de 90%, com dimenses especicadas para cada modelo de sensor, o qual empregado durante a industrializao para calibrar a distncia sensora nominal (Sn).
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A distncia sensora operacional (Sa), para modelos tipo fotossensor, tem fatores que inuenciam no seu valor, dado por:
A cor, o material e a rugosidade determinaro o valor de Sa. As tabelas 2.4 e 2.5 mostram os fatores de reduo em funo da cor e do material do objeto a ser detectado.
Tabela 2.4: Fatores de reduo em funo da cor (Fc)
Cor Branca Amarela Verde Vermelha Fc 0,95 - 1 0,9 - 0,95 0,8 - 0,9 0,7 - 0,8 Cor Azul Clara Violeta Preta Fc 0,6 - 0,7 0,5 - 0,6 0,2 - 0,5
Normalmente, os sensores ticos possuem imunidade iluminao ambiente, pois operam em frequncias diferentes. Mas podem ser afetados por uma fonte muito intensa como um raio solar incidindo diretamente sobre as lentes. Entende-se como meio de propagao, o meio em que a luz do sensor dever percorrer. A atmosfera em alguns casos pode dicultar a passagem da luz devido presena de partculas em suspenso.
Exemplo: madeira (0,7), branca (1) gera um fator 0,7. A zona morta denida como a rea prxima ao sensor na qual no se detecta o objeto, pois nessa regio no existe um ngulo de reexo da luz que chegue ao receptor. A gura 2.16 mostra uma ilustrao da zona morta que denida normalmente entre 10 e 20 % da distncia sensora nominal Sn.
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O espelho prismtico consiste de pequenos espelhos em forma de pirmide que facilitam a reexo do feixe na mesma direo de incidncia facilitando, assim, a instalao.
Figura 2.17: (a)Sensores retro reexivos de espelho prismtico; (b) simbologia e (c) exemplo de espelho prismtico
O espelho prismtico tem superfcies inclinadas com ngulo de 45 graus, o que permite que o feixe de luz emitida e reetida seja paralelo, o que no ocorre quando a luz reetida diretamente por um objeto, pois ocorre um espalhamento da luz em diversos ngulos. A distncia sensora para modelos reexivos funo da rea de reexo e o tipo de espelho prismtico.
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A deteco de objetos transparentes, tais como garrafas de vidro e vidros planos pode ser realizada com a angulao do feixe em relao ao objeto ou atravs de ajustes de sensibilidade por meio de potencimetros. Quando o sistema reexivo detecta objetos brilhantes ou de superfcies polidas, tais como engradados plsticos e etiquetas brilhantes, cuidados especiais devem ser tomados, pois o objeto pode reetir o feixe de luz e falhar na deteco. Para evitar a falha, aconselha-se a montagem angular. Na montagem angular ou ltro polarizado, o feixe de luz forma um ngulo de 10 a 30o em relao ao eixo perpendicular ao objeto, conforme mostra a gura 2.18.
A Figura 2.19 mostra sensores com ltros polarizados incorporados os quais servem para orientar a luz emitida, permitindo apenas a passagem dessa luz na recepo que diferente da luz reetida pelo objeto, a qual se espalha em todas as direes.
Figura 2.19: Filtro polarizado com orientao da luz e com luz espalhada
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Instrumentao Aplicada
Os sensores ticos normalmente possuem imunidade iluminao ambiente, pois operam em frequncias diferentes, porm podem ser afetados por uma fonte muito intensa como um raio solar incidindo diretamente sobre as lentes. O meio de propagao dene onde a luz do sensor dever percorrer, porm a atmosfera em alguns casos pode estar poluda com partculas em suspenso, dicultando a passagem da luz. A Tabela 2.6 apresenta os fatores de atmosfera que devem ser acrescidos para denir o valor da distncia sensora operacional Sa.
Tabela 2.6: Fatores de reduo em funo da atmosfera (Fatm)
Material Ar puro (com umidade e condensao) Fumaa e bras em suspenso (com alguma condensao) Fumaa pesada (muito p em suspenso muita condensao) Fatm 1 0,4 - 0,6 0 - 0,1
Figura 2.20: Sensor magntico reed-switch: (a) contatos abertos, (b) contatos fechados e (c) exemplo de reed-switch
Fonte: http://www.omron-ap.com
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Verique algumas aplicaes e detalhes de sensores ultrassnicos em: http://www. automatizesensores.com.br/ ultrasonicos.html
A inuncia da temperatura faz com que se dena uma distncia aparente entre o objeto e o transdutor.
Figura 2.21: Pulsos sendo emitidos e o eco sendo captado pelo sensor ultrassnico
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Instrumentao Aplicada
A Figura 2.22 mostra um sensor ultrassnico, o ngulo de seleo a rea de deteco do sensor ultrassnico, o cone de som, o ngulo de deteco e a rea de deteco do sensor.
Os sensores ultrassnicos apresentam como vantagem a variedade de materiais que so capazes de detectar, pois independe da forma e da cor e se slido, lquido ou p. Nem mesmo atmosferas poludas por fumaa, poeira ou umidade no impedem a deteco. Pode-se encontrar sensores ultrassnicos onde o emissor e o receptor fazem parte do mesmo conjunto. Entretanto, tambm existem as barreiras ultrassnicas onde emissor e receptor esto separados. Esses sensores apresentam vrias vantagens em relao a sensores fotoeltricos. Esses sensores no podem ser percebidos, o que no ocorre com a luz de sistemas fotoeltricos. Reetem em muitos objetos e no formam nenhum padro visvel como os sensores fotoeltricos. As aplicaes desses sensores so os sistemas de armazenagem; de transporte; a indstria alimentcia; processos que envolvem metais, vidro e plsticos; e monitoramento de presena de materiais. Desse modo, pode-se citar as seguintes vantagens dos sensores de proximidade ultrassnicos: - Deteco sem contato direto. - Deteco de objetos distncia (at alguns metros). - Deteco independente da cor.
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Os sensores ultrassnicos apresentam como desvantagens: - Difcil deteco se a superfcie do objeto a ser detectado apresentar irregularidades na reexo da onda acstica. - O sensor ultrassnico relativamente lento. - Apresentam um custo maior se comparados aos fotoeltricos. - Podem ser inuenciados pela temperatura.
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Instrumentao Aplicada
A seguir, so relacionadas algumas observaes prticas em relao ao emprego de sensores ultrassnicos considerando: - Tamanho mnimo do objeto: dependendo do tamanho do objeto a ser detectado, no ocorrer a reexo das ondas acsticas. Portanto, um teste prtico deve ser realizado para a aplicao. - Tipos de objetos: preferencialmente, o material deve ser slido, lquido, pulverizado ou granulado. O sensor no capaz de detectar materiais absorventes de som. Com o emprego de barreiras ultrassnicas, podem ser detectados tecido grosso, algodo, espuma de borracha e l de rocha. possvel detectar tambm materiais transparentes, pretos ou reexivos que, no caso de sensores fotoeltricos, podem causar problemas de deteco. - Distncia mnima do objeto: o sensor necessita de um tempo mnimo para detectar a onda reetida. Assim, existir uma zona morta prxima ao sensor que deve ser evitada. - Posio do objeto: o ngulo de reexo passa a ser limitado a uma variao de poucos graus em relao posio perpendicular ao anteparo conforme mostra a Figura 2.23. A mesma gura mostra tambm que superfcies irregulares como lquidos e a areia tambm podem provocar problemas na deteco.
Figura 2.23: Efeitos da superfcie do material para aplicaes com sensores ultrassnicos
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Instrumentao Aplicada
vem-se limpar os espelhos e lentes periodicamente. Embora o grau de proteo dos sensores pticos permita respingos de gua, deve-se evitar acmulo de lquidos junto a lentes, pois pode provocar um acionamento falso. - Sensores de CC: utilizados para acionar altas cargas indutivas podem danicar permanentemente o estgio de sada dos sensores sem proteo contra curto-circuito, alm de gerar altos picos de tenso na fonte. - Fontes de alimentao: no reguladas no se devem empregar sensores de proximidade e circuitos de acionamento com altas cargas indutivas ligadas mesma fonte. - Cablagem: deve ser realizada conforme as recomendaes das normas tcnicas. Os cabos de sensores de proximidade, instrumentos de medio e controle no devem utilizar os mesmos eletrodutos de circuitos de acionamento. - Sensores de CA: no se devem utilizar lmpadas incandescentes, pois a resistncia do lamento, quando frio, provoca alta corrente que pode danicar o sensor. As cargas indutivas, tais como contatores, rels, solenides devem ser bem especicadas, pois tanto correntes de chaveamento como de surto podem danicar o sensor. Os cabos dos sensores devem preferencialmente utilizar canaletas e eletrodutos separados dos elementos de potncia, evitando a induo de correntes parasitas. As gura 2.24 (a) e (b) ilustram os principais erros cometidos na operao e instalao de sensores discretos, respectivamente.
Figura 2.24a: Mal uso dos sensores: (a) condies inadequadas de operao, (b) condies inadequadas de instalao.
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Figura 2.24b: Mal uso dos sensores: (a) condies inadequadas de operao, (b) condies inadequadas de instalao.
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Figura 2.25: Transformador linear diferencial varivel LVDT: (a) deslocamento completo Vout (b) deslocamento parcial 0,5 Vout e (c) exemplo de LVDT
Fonte: (c) http://www.directindustry.es
Os sensores LVDT apresentam a possibilidade de medir deslocamentos, com ranges tpicos de 100 Pm a 25 cm e sensibilidade de 100mV/cm a 40 mV/Pm. So vantagens do LVDT o custo relativamente baixo, dispositivos slidos e robustos que apresentam grande vida til.
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Uma das principais desvantagens do LVDT o ncleo estar obrigatoriamente em contato com a superfcie para medir o deslocamento. O LVDT aplicado em deslocamentos, deexo de vigas, variao de espessuras de peas, nvel de uido (posio de cilindros hidrulicos) e em velocidade de acelerao (suspenso automotiva). O LVDT usado tambm em posicionadores de preciso, desde fraes de mm at dezenas de cm, como em mquinas ferramentas, CNC e robs industriais.
Figura 2.26: Transformador rotacional diferencial varivel RVDT: funcionamento; (b) exemplo de um RVDT
Fonte: (b) http://www.yorkinstrument.com
So empregados para obter posies angulares e informaes de rotaes precisas. A Figura 2.28 mostram diagramas tpicos de um synchro e de um resolver. Tanto synchros como resolvers empregam um enrolamento nico no rotor que envolve um estator.
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Instrumentao Aplicada
O synchro tem trs enrolamentos distribudos em 120 e so conectados em Y. O resolver apresenta dois enrolamentos posicionados a 90. Os synchros apresentam maior custo devido a maior diculdade de construo, razo pela qual tem sido reduzido sua aplicao na indstria. Os resolvers modernos tm sido fabricados sem escovas, de forma que empregam um transformador para acoplar o sinal do estator para o rotor. O enrolamento primrio do transformador ca no estator, e o secundrio no rotor. Outros resolvers usam as tradicionais escovas ou anis deslizantes para acoplar o sinal ao enrolamento do rotor, porm apresentam maior manuteno. A maioria dos resolvers so especicados para tenses de 2 a 40 VRMS e frequncias de 400 Hz at 10 kHz.
Figura 2.28: Sensor potenciomtrico: (a) rotacional (b) linear (c) smbologia
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2.14 Encoders
2.14.1 Encoders ticos rotativos
Verique detalhes sobre esquemas de encoder: http://robertobairros.sites. uol.com.br/encoder.html#_ Toc76130954 http://www.hohner.com.br/ serie67.pdf http://www.hohner.com.br/ serie92.pdf
Encoders so dispositivos que convertem deslocamento angular em pulsos. Produzem uma sada discreta, sem necessidade de um conversor A/D. A Figura 2.29 ilustra o emprego do emissor de luz (LED) e do receptor (fototransistor). Encoders ticos rotativos consistem de um diodo emissor de luz (LED), um disco, e de um detector de luz (fototransistor) no lado oposto ao disco. O disco ca montado no eixo e tem perfuraes regulares, as quais so repetidas continuamente formando segmentos codicados no disco com recepo ou no do sinal. medida que o disco gira, os segmentos bloqueiam ou permitem a passagem de luz. Isso gera pulsos de onda quadrada que podem ser interpretados como informao de velocidade e de posio.
Em encoders incrementais a defasagem de 90 graus entre os sinais possibilita determinar no apenas os incrementos, mas ainda o sentido da rotao.
Existem encoders do tipo incremental e absoluto. Os sensores incrementais medem o deslocamento somente em relao ao ponto de partida. Encoders absolutos medem o deslocamento em relao a um ponto de referncia interno xo.
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Encoder incremental: nesse tipo de encoder a posio demarcada por contagem de pulsos transmitidos acumulados ao longo do tempo. O encoder emprega trem de pulsos gerados como informao de posio. O nmero de segmentos determina a resoluo do movimento e, consequentemente, a preciso da posio. Um encoder tpico gera dois canais de informao (canais A e B), alm de um pulso a cada giro completo e que a referncia zero ou simplesmente Z. Esses dois canais esto defasados entre si em 90 graus, para que se tenha uma maior preciso na resoluo do sistema. Nos canais A e B a gerao da quantidade de pulsos por volta varia de 50 a 5000 pulsos, conforme a aplicao. A Figura 2.30 mostra a foto de encoders ticos.
Figura 2.31: Encoder linear magntico: (a) princpio de funcionamento e (b) exemplo
Fonte: www.renishaw.com
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A seguir so destacadas algumas consideraes sobre a instalao de encoders: O encoder tem sua resoluo denida na velocidade de seu eixo e frequncia de pulsos. No se deve aplicar foras radiais ou axiais no eixo alm da que foi especicada pelo fabricante. Utilizar cabo blindado com malha para transmisso de sinais e evitar fontes de rudos. O desalinhamento do dispositivo deve ser o menor possvel e nunca maior do que a tolerncia fornecida pelo fabricante.
Resumo
Ao nalizarmos o estudo de seleo de sensores, podem observar a grande variedade de sensores e os vrios parmetros que devem ser considerados na sua seleo, aplicao e instalao. Sendo assim, deve-se recorrer, sempre que possvel, ao manual ou folha de dados dos sensores, para que se conheam todas as informaes necessrias para instal-los ou selecion-los. A leitura das folhas de dados fornecer informaes mais precisas de caractersticas que podem ajudar a evitar futuros problemas ou o mau funcionamento dos sensores, assim como selecionar cada um deles para respectiva aplicao.
Atividades de aprendizagem
1. Como so classicados sensores considerando o tipo de sinal a ser controlado? 2. O que so sensores digitais e analgicos? 3. O que so sensores discretos? 4. O que so distncias sensora nominal e operacional? 5. O que alvo padro?
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6. O que histerese? Faa um esquema para explic-la. 7. Quais so os tipos de sadas de sensores a transistores? 8. O que o ajuste de sensibilidade de sensores capacitivos e como proced-lo? 9. O transistor pode acionar qualquer carga? Explique. 10. Quais so as caractersticas dos objetos empregados com sensor de proximidade indutivo? 11. Quais so as caractersticas dos objetos empregados com sensor de proximidade capacitivo? 12. O que signica fator de reduo, isto , para que serve? 13. Como funcionam os sensores ultrassnicos? 14. Quais as vantagens dos sensores ultrassnicos? 15. O que um sensor LVDT? Como funciona? 16. O que o sensor RVDT? 17. Para que servem resolvers e syncros? 18. O que so encoders? Quais so os principais tipos? 19. Quais os cuidados que devem ser considerados na instalao de sensores de proximidade? 20. Quais frequncias so normalmente empregadas em ultrassom? 21. Que cuidados devem ser observados na aplicao de sensores ultrassnicos? 22. Citar quais so as principais conguraes de sensores fotoeltricos e suas caractersticas?
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23. Assinalar V ou F. (__) Um sensor discreto interpreta a existncia ou no de grandezas, portanto permanece desligado ou ligado. (__) Um transdutor converte uma grandeza eltrica em outra. (__) Um sensor denominado transdutor quando converte uma grandeza em outra. (__) Os sensores podem ser impregnados de resina quando empregados em mquinas rotativas, porm devem ser xados juntos ao cabo. (__) Os sensores fotoeltricos so sujeitos poeira e umidade, portanto, devem-se limpar os espelhos e lentes periodicamente. (__) Sensores pticos permitem respingos dgua, porm isso no implica acionamento falso. (__) Os cabos de sensores de proximidade, instrumentos de medio e controle podem utilizar juntamente com eletrodutores cabos de circuito de fora. (__) Os sensores capacitivos de proximidade so ideais para detectarem materiais orgnicos. (__) Os sensores indutivos de proximidade so ideais para detectar materiais de natureza metlica. (__) As tenses tpicas de sensores com alimentao de corrente contnua de 10 V a 30 V de CC. (__) Sensores eletromecnicos em geral necessitam de contato fsico com o alvo. (__) Sensores eletrnicos apresentam velocidade de resposta maior que sensores eletromecnicos. (__) Sensores eletromecnicos apresentam vida til de seus contatos ilimitada.
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Ver fotos e denies de diversos tipos de manmetros correspondentes ilustrao da Figura 4.1 nas pginas 9-11 do arquivo em: http://www.dca.ufrn. br/~acari/sistemas%20 de%20medida/slides%20 INSTRUMENTACAO%20 PRESSAO.pdf Ver fotos de um tubo de Bourdon no mesmo arquivo, nas pginas 16-40.
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A equao simplicada da presso diferencial 'P = h x G sendo 'P = presso diferencial (kg/m), h = diferena de altura em metros (m) e Go peso especco em kg/m. Para o manmetro inclinado deve ser considerado o ngulo de inclinao em relao horizontal.
Figura 4.1: Elementos com base em coluna de lquido: (a) manmetro em U, (b) manmetro tipo reservatrio e (c) manmetro inclinado
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Figura 4.3: Sensor capacitivo de presso (a) funcionamento, (b) exemplo de um transmissor com sensor capacitivo de presso e (c) detalhe do diafragma sensor
Fonte: (b) http://www.yokogawa.com.br; (c) http://instrumentacao.net
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A Figura 4.3(b) mostra a foto de um transmissor eletrnico de presso capacitivo e a Figura 4.3(c) mostra o detalhe de um diafragma sensor. O emprego desse tipo de sensor elimina os problemas de sistemas com alavancas que formam os sistemas tradicionais, pois se baseia na deformao das armaduras do capacitor, porm cam sujeitos s condies de temperatura do processo.
Figura 4.4: Medida de presso: (a) empregando o LDVT e (b) transmissor indutivo de presso instalado
Fonte: (b) www.dca.ufrn.br
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Verique detalhes sobre os transmissores de presso piezor resistivo em: http://www.dca.ufrn.br/~acari/ sistemas%20de%20medida/ slides%20instrumentacao%20 pressao.pdf http://www.inotech.ind.br/ downloads/transmissor%20 industrial.pdf Figura 4.5: Sensor piezorresistivo para medir presso: (a)funcionamento simplicado de uso do strain-gauge (b) transmissor eletrnico piezoresistivo
Fonte: (b) www.ferret.com.au
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Figura 4.6: Medida de presso: (a) com sensor piezoeltrico e (b) transmissor de presso piezoeltrico
Fonte: (b) www.sae.org
4.9 Manmetros
Verique mais detalhes sobre manmetros do tipo membrana ou diafragma em: http://m.albernaz.sites.uol.com. br/manometro_diafragma.htm
O pressostato um dos elementos mais empregados que utiliza como sensor o diafragma. Apresenta mecanismo de ajuste e chave de duas posies (ligada
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e desligada). Normalmente, um mecanismo de mola permite seu ajuste. Em aplicaes sujeitas a presses elevadas num processo industrial, os equipamentos cam sujeitos a possveis deformaes. Desse modo, deve-se evitar danos e rupturas que podem causar acidentes e prejuzos. A manuteno da presso dentro de determinados limites de segurana pode ser realizada de forma automtica com o pressostato. Esse dispositivo pode controlar a presso em qualquer processo que necessita controle do tipo on-off ou ligadesliga, pois pode enviar ou cessar sinais para controle de bombas, atuadores, motores. Pode oferecer segurana, evitando a entrada em locais quando o nvel de presso no seguro ou comutar circuitos eltricos de acordo com a necessidade de um processo controlado.
Veja fotos de vrios pressostatos em: http://www.zurichpt.com. br/?pagina=produtos2. php&categoria_ d=18&categoria_ nome=pressostatos
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Resumo
Dentre as variveis que podem ser medidas, a presso no somente monitorada ou controlada, mas tambm permite monitoramento de nvel, de vazo e de velocidade, por exemplo. Assim, a medida de presso constitui-se um dos itens que devem ser considerados quando forem estudados outros tipos de medidas/controle.
Atividades de aprendizagem
1. Qual o instrumento utilizado para medir presso? 2. Por que a medida de presso uma das mais importantes? 3. Que dispositivos primrios podem ser empregados para medir presso? 4. O que um manmetro do tipo fole? 5. O que um manmetro do tipo membrana? 6. Qual o sinal padro geralmente empregado em transmissores de presso capacitivo?
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Instrumentao Aplicada
Veja fotos de vrios termmetros em: http://www.zurichpt.com. br/?pagina=produtos2. php&categoria_ id=24&categoria_nome= Term%F4metros+Industriais
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Faixa de temperatura empregada conforme o tipo de lquido utilizado: Mercrio: -35 a +550oC Tolueno -80 a +100oC lcool: 50 a +150oC
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Figura 3.4: Termmetro bimetlico: (a) corte, (b) exemplo e (c) detalhe do elemento bimetal helicoidal
Fonte: (b) www.almacenesarenal.com
3.6 Termopares
Para entender o funcionamento de termopares importante conhecer os efeitos termoeltricos. Quatro efeitos conhecidos ocorrem quando junes de materiais distintos so mantidas a temperaturas diferentes entre a juno de medio e a outra extremidade: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta. Destacam-se a seguir, os efeitos de Seebeck e Peltier.
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Efeito Termoeltrico de Seebeck Dois condutores ferro (Fe) e cobre (Cu) quando esto submetidos a temperaturas diferentes na JR (junta de referncia) e JM (junta de medio) surge uma fem nas suas extremidades, representado pelo voltmetro V na Figura 3.5.
Isso se deve ao comportamento de eltrons livres ser diferente de um material para outro, e dependentes da temperatura. Desse modo, a difuso dos eltrons se d de forma diferente e surge uma fem. Quando a temperatura da JR mantida constante, a fem trmica depende diretamente da temperatura T1 da JM. A relao entre temperatura e fem gerada de um termopar depende dos tipos de termoelementos que a compem. Uma grandeza conhecida a potncia termoeltrica ou coeciente de Seebeck. A unidade desse coeciente mV/oC, e essa informao se refere a sensibilidade do termopar. No entanto, a fem tem origem em dois fenmenos separados: o Efeito Peltier e o Efeito Thomson. Efeito Termoeltrico de Peltier Quando uma corrente eltrica i ui na juno entre dois metais diferentes, calor gerado ou absorvido nesse local em quantidade proporcional corrente. O circuito (ver Figura 3.6) poder gerar ou absorver calor, dependendo do sentido da corrente. Portanto, poder ser gerado a fem, tanto no aquecimento, como no resfriamento da juno, porm com sentidos opostos de conduo conforme pode ser observado na Figura 3.6(a) e (b). Um exemplo de aplicao do efeito Peltier a refrigerao termoeltrica.
Verique mais detalhes sobre termopares e leis termoeltricas em: http://www.salcas.com.br/ catalogo/2-Temperatura.pdf
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Figura 3.6: Efeito Peltier: (a) calor gerado; (b) calor absorvido
A Figura 3.7 mostra o esquema bsico de um termopar que consiste de dois metais, ou ligas, diferentes, unidos por uma juno soldada, chamada de junta quente ou de medio (JM). As extremidades dos os, chamadas de junta fria ou de referncia (JR), so levadas a um medidor de fem, formando um circuito eltrico. Ao ser submetido a uma temperatura diferente da outra extremidade, o termopar produz uma tenso proporcional variao de temperatura em seus terminais.
Em aplicaes industriais, o instrumento de medida e o termopar, geralmente esto afastados. Dessa forma, podem ocorrer erros de leitura devidos a longa conexo entre a JR e JM. Desse modo, necessrio que o termopar seja ligado com os capazes de compensar essa distncia. Assim, so adap-
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tados os de compensao, os quais tm, praticamente, as mesmas caractersticas dos os do termopar, porm com menor custo. Os os ou cabos de compensao que so fabricados com ligas diferentes dos termopares a que se destinam, apresentam uma curva de fem x temperatura equivalente aos dos termopares. Ex: Tipo SX e BX. Os os de extenso ou cabos de extenso so fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam. Ex: Tipo TX, JX. Esses apresentam custo inferior, pois so limitados a uma temperatura ambiente mxima de 200C. A maioria dos instrumentos utilizados para medir a temperatura geralmente faz a sua correo automtica.
No termopar do tipo Js, o TP composto por 90% de Platina(Pt) e 10% de Rhodio, enquanto TN composto de 100% de Pt. A faixa de utilizao de -50 a 1768C com fem produzida entre -0,236 mV a 19,693 mV.
Consultar tabelas de fem versus temperatura para os diversos tipos de termopares em: http://www.fsid.cvut.cz/cz/ u12110/tem/senzory/typk.pdf
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c) Termopares do tipo especial So termopares especcos desenvolvidos para atender a aplicaes restritas. Ex: Termopar com liga (Tungstnio-Rhnio)
O termopar apresenta uma correlao de fem em funo da temperatura. A partir de tabelas denidas na norma ANSI, pode-se plotar curvas de diversos termopares, nas quais so relacionadas as grandezas de tenso gerada (fem) e a temperatura, com a junta de referncia do termopar mantida a 0oC. A Figura 3.8 mostra essa correlao para vrios termopares.
As tabelas denidas em norma para termopares so obtidas mantendo a junta de referncia a 0o C. No entanto, na prtica, a JR normalmente encontra-se na temperatura ambiente, podendo sofrer variao de temperatura. Desse modo, necessrio fazer uma correo da JR, a qual poder ser manual ou automtica.
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Verique detalhes de termopares do tipo convencional e de isolao mineral em: http://www.alutal.com.br/ industria/produtos/termopar/ index.asp Observe as diversas formas de construo de termopares em: http://www.markare.com.br/ sensores_temperatura_tc_ po%e7o.html
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Os termopares com isolao mineral apresentam vantagens relacionadas aos materiais empregados, tais como: estabilidade da tenso, resistncia mecnica, dimenso reduzida, impermeabilidade gua, leo e gs, facilidade de instalao, resposta rpida, resistncia corroso, resistncia de isolao elevada e blindagem eletrosttica. As desvantagens consistem no custo superior, deteriorao com maior facilidade, excesso na temperatura mxima de utilizao que limitada a 630C.
Verique detalhes de RTDs em: http://www.alutal.com.br/ industria/produtos/termopar/ termorresistencias.asp http://www.markare.com.br/ sensores_temperatura_pt100_baionetas.html
Veja princpio de medio de 2, 3 e 4 os com ponte de Wheatstone com RTDs: http://www.edtec.com.br/ termoresistencias.htm
3.9 Termistores
So semicondutores que variam a resistncia em funo da temperatura. So fabricados com xido de nquel, cobalto, magnsio, sulfeto de ferro, alumnio ou cobre.
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Apresentam como caracterstica baixo custo e sensibilidade. So restritos a temperaturas menores que 300C. O tipo mais comum o NTC (Negative Temperature Coecient), que se caracteriza por reduzir a resistncia medida que a temperatura aumenta, ou seja, um coeciente de variao da temperatura negativo. No PTC (Positive Temperature Coecient) o aumento da temperatura faz com que sua resistncia aumente, tem custo maior e por isso apresentam-se em menor variedade comercialmente. (Ver Figura 3.9)
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Resumo
A variedade de sensores empregados para medir a temperatura ou controlar processos que dependem de temperatura bastante grande. A seleo de um ou outro tipo de sensor depende das caractersticas e da importncia do processo, pois diferentes sensores determinam diferentes custos. A qualidade e o tipo do sensor empregado dependem da aplicao ao qual se destina e o rigor das medidas/controle desejado. O quadro apresentado na ltima pgina dessa unidade resume bem qual o tipo de sensor que deve ser aplicado em medida/controle que envolve a grandeza temperatura.
Atividades de aprendizagem
1. Por que o tubo de Bourdon aplicado para medida/registro e no para controle de temperatura? 2. Como funcionam termmetros bimetlicos?
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3. O que so termopares? 4. Para que serve o o de compensao e extenso? 5. O que efeito termoeltrico de Seebeck? 6. O que efeito termoeltrico de Peltier? 7. O que efeito termoeltrico de Thomson? 8. O que o efeito termoeltrico de Volta? 9. Como pode ser obtida a temperatura mdia entre dois pontos com termopares? 10. Como pode ser obtida a soma da temperatura entre dois pontos utilizando termopares? 11. Quais so os principais tipos de termopares? 12. Pesquise folha de dados considerando um termopar de cada tipo. 13. Que tipos de erros so comuns ao empregar termopares? 14. O que so termorresistncias? 15. O que so termistores? 16. Pesquise a folha de dados do CI LM35 e observe seus dados e possveis aplicaes, segundo o fabricante. 17. Qual sensor voc empregaria se fosse necessrio utiliz-lo para temperatura em torno de 100C, sendo necessrio ainda uma tima linearidade de resposta? 18. O que um NTC? Citar exemplos de aplicao. 19. O que um PTC? Citar exemplos de aplicao.
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20. Que tipo de termopar voc empregaria se fosse necessria grande durabilidade, resistncia corroso e temperatura na faixa de 500C? 21. O que um PT100? 22. Em que aplicaes empregado o PT100?
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Medidores de quantidade volumtrica Esses dispositivos so empregados como elementos primrios de medida, pois medida que o uido passa em quantidades sucessivas pelo elemento de medio, um mecanismo de indicao acionado. As bombas de gasolina e hidrmetros empregam esses dispositivos. Assim, a vazo pode ser medida, conforme os dispositivos de medida volumtrica mostrados na Figura 5.1. Ex: disco nutante.
Medidores de vazo por presso diferencial utilizam a proporcionalidade da presso diferencial ao quadrado da vazo para determin-la. Assim, de forma geral Q pode ser determinada por Q = K . v'P sendo Q a vazo, K constante de proporcionalidade que depende do instrumento empregado e das dimenses da tubulao, e 'P presso diferencial devido a presena do instrumento.
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A placa perfurada e instalada perpendicularmente ao eixo da tubulao. As bordas do orifcio so perfeitas para garantir a preciso da medida. Os materiais empregados para fabricao so, geralmente, os aos inox, monel, lato, dependendo do udo empregado. Esse dispositivo caracterizado pela fcil instalao, baixo custo, pouca manuteno e troca simples, porm apresenta altas perdas de carga e baixo alcance. A Figura 5.3 mostra a forma de instalao da placa de orifcio para medir a diferena de presso entre os pontos P1 e P2
Assista a um vdeo sobre ilustrao de um sistema de medio de vazo em: http://www.youtube.com/wat ch?v=RqDTwP1a6bo&feature =related Ver ilustrao de um sistema de medida com placa de orifcio na gura 2 em: http://www.banasmetrologia. com.br/textos.asp?codigo=254 6&secao=revistaasp?codigo=2 546&secao=revista
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A Figura 5.4 mostra os tipos de orifcios empregados em placas de orifcio. O tipo concntrico utilizado para lquidos, gases e vapor sem slidos suspensos. O excntrico empregado em uido com slidos em suspenso, que podem ser retidos e acumulados na base da placa. Assim, o orifcio posicionado na parte inferior do tubo. No segmentado, a placa tem a abertura para passagem de uido, disposta num semicrculo, destinado a uidos laminados e com alta percentagem de slidos em suspenso.
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Instrumentao Aplicada
Figura 5.6: Sensor magntico de vazo: (a) funcionamento e (b) transmissor magntico de vazo.
Fonte: (b): www.krohne.com
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Verique mais detalhes do emprego de medidores de vazo ultrassnicos, medidor tipo vortex e efeito Coriollis em: http://www.editoravalete.com. br/site_controleinstrumentacao/ arquivo/ed_118/cv3.html http://www.nivetec.com.br/ nivetec2008/produto.asp?cat=2
Assista a vrios vdeos ilustrativos com o principio de medida atravs de: Tubo de Pitot: http://www.youtube.com/ watch?v=D6sbzkYq3_c Vortex http://www.youtube.com/ watch?v=GmTmDM7jHzA Efeito Coriolis http://www.youtube.com/ watch?v=XIIViaNITIw Ultrassnico http://www.youtube.com/ watch?v=Bx2RnrfLkQg Figura 5.7: Sensor tipo turbina: (a) funcionamento e (b) exemplo de transmissor de vazo tipo turbina
Fonte: (b): http://itron.tradeindia.com
O tubo de Pitot permite medir velocidade e consequentemente a vazo. Com tubo de Pitot ideal e uma coluna de mercrio para medir a diferena de presso tem-se V = v 2hg e Q = V. A sendo h = altura, v = velocidade, A = rea de seco transversal do tubo, g = acelerao da gravidade e Q = vazo.
Outros tipos de medidores e transmissores, utilizando tubo de Pitot, efeito Coriolis e ultrassnico, podem ser empregados para aplicaes que envolvem medida de vazo.
Resumo
Os medidores de vazo tm ampla aplicao tendo em vista os inmeros setores que empregam esses dispositivos, que vo desde tubulaes de esgoto, de gua, petrolferas entre outras. A especicao de um medidor de vazo depender de que tipo de uido ser empregado e das condies gerais de temperatura, presso, dimetro de tubulao, uido a ser medido, rangeabilidade, exatido, facilidade de manuteno. A importncia do que ser medido deve ser considerada para
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que se tenha xito na aplicao e nalmente, a relao custo-benefcio para decidir, a partir de informaes tcnicas, o que ser empregado considerando as restries impostas.
Atividades de aprendizagem
1. O que so medidores de quantidade por pesagem? 2. O que so medidores de quantidade volumtrica? 3. Por que a placa de orifcio um dos elementos mais empregados para medir vazo? 4. Quais so as desvantagens do emprego da placa de orifcio? 5. Quais so os tipos de orifcios empregados na placa de orifcio e em que so utilizados? 6. Quais so as principais aplicaes de medidores eletromagnticos? 7. Que tipo de sinal gerado no medidor do tipo turbina para realizar a medida? 8. Em que setores importantes so empregados medidores e transmissores de vazo?
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Tecnologia aplicada medio por capacitncia medio por empuxo medio por presso hidrosttica medio por clula d/p CELL medio indireta medio por caixa de diafragma medio por tubo em U medio por borbulhamento medio por radioatividade medio por ultrasson medio por vibrao medio por pesagem
Lquidos x x
Slidos x
x x x x
x x x x
A medida realizada tendo como referncia o nvel superior. So empregados rguas, visores de nvel e boias, podendo ser contnuo ou discreto.
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Figura 6.2: (a) Medio de Nvel com tanque aberto nivelado com a tomada de impulso e (b) transmissor de nvel
Fonte: (b): www.zenzorcontrol.pt
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Para facilidade de manuteno e acesso ao instrumento o transmissor pode ser instalado abaixo do tanque, porm o nvel indicado poder ser superior. A Figura 6.3 mostra a medida de nvel por presso hidrosttica com supresso zero.
Figura 6.3: Medida de nvel por presso hidrosttica em tanques abertos com transmissor abaixo da tomada de impulso.
Princpio de Arquimedes Todo corpo mergulhado em um uido sofre a ao de uma fora vertical dirigida de baixo para cima, igual ao peso do volume de uido deslocado E=V.G Sendo: E o empuxo, V o volume deslocado e Go peso especco do lquido.
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Na Figura 6.5 mostra-se um sistema de medida de nvel com selagem (para uidos corrosivos), no qual deve ser feita uma elevao, a qual consiste em anular a presso da coluna lquida na tubulao de impulso da cmara de baixa presso do transmissor de nvel.
Veja vrias fotos de medidores de nvel em: http://www.dca.ufrn.br/~acari/ sistemas%20de%20medida/ slides%20instrumentacao%20 nivel.pdf
Figura 6.5: (a) Medio de nvel com selagem e (b) transmissor de presso com selos remotos.
Fonte: (b): www.gdxgy.com
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Instrumentao Aplicada
Figura 6.7: Medida de nvel por empuxo: (a) funcionamento e (b) transmissor de nvel por empuxo.
Fonte: (b): www.naka.com.br
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Figura 6.8: Sistema de medida de nvel por capacitncia (a) funcionamento e (b) exemplo
Fonte: (b): www.nivetec.com.br
Figura 6.9: Sistema de medida com ultrassom (a) funcionamento e (b) transmissor de nvel por ultrassom
Fonte: (b): http://news.thomasnet.com
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Figura 6.10: Medida de nvel por radar (a) funcionamento e (b) exemplo
Fonte: (b): www.vegacontrols.co.uk
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Veja animao de sensores de nvel em: http://www.icos.com. r/?bnrkw=uxo&gclid=CLmyj 9G-tKECFQIf7god3jqYAw????c os/?bnrkw=uxo&gclid=CLmyj 9G-tKECFQIf7god3jqYAw
Figura 6.11: Medida de nvel descontnuo por condutividade: (a) funcionamento e (b) exemplo
Fonte: (b) www.smar.com
Acesse vrios sites com informaes importantes sobre instrumentao: http://www.markare.com.br/ produtos.html http://www.apgsensors.com/ application/process-monitoring. html http://www.yokogawa.com/d/ d-top-en.htm http://digital.ni.com/worldwide/ brazil.nsf/web/all/0F5C0417324 1865A8625745000511DFA Veja detalhes sobre transmissores no site: http://www.instrumentacao. com/transmissao.html Figura 6.12: Medida de nvel descontnua por bia lateral: (a) funcionamento, (b) medidor com transmissor e (c) outro exemplo
Fonte: (b) www.nei.com.br, (c) www.smar.com
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Resumo
Os medidores de nveis so muito empregados, desde as aplicaes mais simples, como o tanque de um carro e que envolvem grandes valores como um grande depsito de combustvel. A importncia desses medidores no se restringe ao monitoramento do nvel de caixas dguas, mas vai alm. So usados no controle de estoque, de nvel e em diversas aplicaes em que o nvel indica um alerta de que algo deve ser considerado na ocorrncia de um evento desse tipo. A rea de instrumentao bastante ampla e no se restringe aos tpicos apresentados at o momento. necessria atualizao constante do tcnico atravs de leituras de revistas tcnicas, catlogos, manuais de equipamentos e componentes. A variedade de sensores disponveis no mercado, o lanamento de novos componentes e novas funes obrigam o tcnico em automao industrial a estar em constante atualizao de forma a integrar a instrumentao com a automao de um processo. Desse modo, deve-se considerar o emprego do sistema como um todo, levando em conta as caractersticas dos sensores para determinada aplicao, o emprego de elementos controladores, conversores, transmissores, indicadores e atuadores que podem integrar um processo. Um exemplo da importncia da atualizao constante a diversidade de componentes que o tcnico poder encontrar no mercado de trabalho.
Acesse vrios sites com informaes importantes sobre instrumentao: http://www.markare.com.br/ produtos.html http://www.apgsensors.com/ application/process-monitoring. html http://www.yokogawa.com/d/ d-top-en.htm http://digital.ni.com/worldwide/ brazil.nsf/web/all/0F5C0417324 1865A8625745000511DFA Veja detalhes sobre transmissoresno site: http://www.instrumentacao. com/transmissao.html
Atividades de aprendizagem
1. O que uma medida de nvel contnua? 2. O que uma medida de nvel discreta? 3. Diferencie medidas feitas com rgua ou gabarito de visores de nvel. 4. Quais grandezas so usadas tambm para medida de nvel de forma indireta? 5. O que medida de nvel por presso hidrosttica?
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6. O que medida de nvel por presso diferencial em tanques abertos? 7. O que medida de nvel por presso diferencial em tanques pressurizados? 8. Como realizada a medida de nvel por empuxo? 9. Como realizada a medida de nvel por capacitncia? 10. Como realizada a medida de nvel por ultrassom? 11. Como realizada a medida de nvel por radar? 12. Para que aplicaes podem ser empregadas medidas de nvel descontnuas?
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Verique uma animao interativa de campo girante no site: http://pedagogie.ac-montpellier. fr:8080/disciplines/scphysiques/ qcmgiraud/qcmchamptournant/ sp36.htm Pressione Depart para iniciar. Observar o que ocorre com o campo mostrado no centro? Pressione Remise a zero (Zerar) e marque na bobine 1 e bobine 3 a alimentao pela mesma fase, isto , marque 1 para as duas e pressione novamente depart. Observe o que ocorre. Repita o processo com as trs bobinas alimentadas pela mesma fase (Marcar 1 para todos).O que ocorre?
motora, sendo a fora obtida por F = Bil (condio para mxima fora), a qual se denomina ao motora, sendo B a densidade de campo magntico,i a corrente eltrica, l o comprimento do condutor, v a velocidade do condutor.
Assista aos vdeos ilustrativos que descrevem o princpio de funcionamento de motores eltricos sncronos e assncronos em: http://www.youtube.com/ watch?v=rbU_JAT6VA4 http://www.youtube.com/ watch?v=lJPmwut73P4http:// www.youtube.com/ watch?v=ZRGlAu0uCHY
O escorregamento S est relacionado ao nmero de linhas de campo magntico que cruzam o rotor. Assim, quanto maior for o S maior ser a corrente eltrica, e medida que S reduz-se menor ser a corrente em funo do menor nmero de linhas de campo que atravessam o rotor.
As mquinas de induo trabalham com valores baixos de escorregamento. Na partida, o escorregamento 1 ou simplesmente 100%, pois o rotor est parado. Assim que o rotor se aproxima da velocidade sncrona, medida que o motor atinge o regime permanente, o escorregamento reduz-se para valores bem baixos, tipicamente entre 2 e 5%. A Figura A.1 mostra foto de um motor de induo trifsico em corte.
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Verique os detalhes construtivos de uma mquina CC pressionando em next e em cada componente que compe a mquina: http://www.wisc-online. com/objects/viewobject. aspx?id=iau9508.
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Pesquisar as formas de ligaes de mquinas eltricas cc do tipo srie, independente, shunt, compostos e suas variaes. Diferenciar o motor cc com escovas do sem escovas em: http://www.siemens. com.br/medias/ FILES/2910_20060505141908. pdf
Figura A.2: Motor de corrente contnua: (a) foto do motor e bornes de ligao e (b) detalhe de escovas e coletor
Fonte: CTISM
Resumo
Ao nalizarmos o estudo bsico de motores eltricos, estamos aptos a utilizar os conceitos abordados em eventuais aplicaes envolvendo mquinas eltricas.
Atividades de Aprendizagem
1. Monte um esquema com a classicao das mquinas eltricas. 2. O que ao geradora e ao motora? 3. Qual a diferena entre velocidade sncrona e mecnica? Do que depende a velocidade sncrona?
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4. Quais so as caractersticas de motores de induo trifsicos? 5. O que escorregamento? 6. Qual o valor de escorregamento tpico de um motor de induo na partida e em regime permanente? 7. Quais os principais tipos de mquinas eltricas de corrente contnua com escovas e quais so as caractersticas de cada uma delas? 8. O que diferencia um motor de passo em relao a outros motores eltricos que permitem realizar controle de posio, por exemplo? 9. Veja outros links semelhantes de campo girante. http://valery.bruniaux. chez-alice.fr/ChampsTournants/ChampTournant.htm). Pesquisar a forma que poderia inverter o sentido de rotao (giro) do motor de induo assncrono. Sugesto de pesquisa: O campo girante depende das fases nas quais as bobinas so alimentadas. As fases apresentam defasagem angular de 120. 10. Desenhe os esquemas de ligao de motores eltricos de corrente contnua. Com base nesses esquemas, verique como esses motores podem modicar o sentido de giro.
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Referncias
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Currculo do professor-autor
lysson Raniere Seidel natural de So Pedro do Sul e professor do Colgio Tcnico Industrial (CTISM) da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Possui graduao em Engenharia Eltrica pela UFSM (1999) e em Formao Pedaggica de Docentes pela Universidade de Passo Fundo (UPF) em 2005, doutorado em Engenharia Eltrica pela UFSM (2004). Atuou como professor do curso de Engenharia Eltrica na UPF de 2004 a 2008. Atualmente professor da UFSM no Colgio Tcnico Industrial e atua na Ps-graduao em Engenharia Eltrica da UFSM. Tem experincia na rea de Engenharia Eltrica, com nfase em circuitos eletrnicos, atuando, principalmente, nos seguintes temas: reatores eletrnicos, iluminao e eletrotcnica. No CTISM ministra as disciplinas de eletricidade e acionamentos eltricos. Atua em pesquisa e atualmente coordenador do curso tcnico subsequente de eletrnica do CTISM. Mais detalhes da produo cientca do professor podem ser encontrados no currculo lattes em http://lattes. cnpq.br/5764635299335289.
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