Sensores Industriais - Fundamentos e aplicaçoes

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Respostas dos Exercícios Capítulo 1

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Resposta dos Exercícios

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2. a) Conjunto de componentes/elementos relacionados entre si para executar uma determinada tarefa b) Conjunto de procedimentos ou atuações que produzem em um processo a ação e o desempenho desejado. c) Atividade definida em um sistema, que a partir de informações de entrada, obtêm-se informações transformadas na saída, isto é, entidade dinâmica capaz de efetuar transformações de energia a partir da entrada, obtendo uma forma de energia transformada na saída. d) Valor preestabelecido (desejado) para a variável controlada. 3. Século IXX – controle de velocidade de máquinas a vapor de James Watt .

No início do século 20 - controles eram totalmente manuais do tipo on-off - Indicadores locais de temperatura e pressão - Atuadores pneumáticos de válvulas;

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Entre 1915 e 1930 - surgiram os primeiros controles proporcionais e registradores gráficos montados em campo. Após 1930 - surgiram os controles de ganho ajustável mais derivativos

- sala de controle central - transmissores pneumáticos utilizando pressão proporcional; Após a II Guerra Mundial - surgiram medidas analíticas em linha e analisadores de gás, tudo isso graças ao início do processo de miniaturização dos instrumentos; Final dos anos 40 - com o impulso produzido pelo advento dos transistores, utilização de controladores eletrônicos analógicos e transmissão de sinais em correntes, surgindo o padrão de sinal em corrente. Final dos anos 50 - surgimento do circuito integrado, foram utilizados os primeiros sistemas de controle por computador. - Padrões de transmissão de sinais analógicos em tensão e transmissão digital. No início dos anos 60 - grande evolução dos sensores e do chamado controle digital direto (DDC-Direct Digital Control). No final dos anos 60 - surgiram nas indústrias automotivas os primeiros controladores programáveis para substituir quadros de comando elétrico. Com introdução dos microprocessadores (1971),- Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s) passaram a ser utilizados em diversos tipos de aplicações para automação de processos industriais e não industriais.

Em 1976 - os CLP’s (CIM). foram utilizados como parte de um controle integrado de manufatura Uma década após a MODICON (Empresa americana pioneira na fabricação de CLP’s) ter introduzido os CLP’s em sua fabricação, iniciou-se a utilização de redes industriais de comunicação que permitiram a interface entre diversos dispositivos, somado ao rápido desenvolvimento dos microprocessadores e microcomputadores elevando a eficiência, confiabilidade e uma redução substancial dos preços.


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Nos anos 80, houve uma grande migração para os controles distribuídos. Nos anos 90, com o desenvolvimento dos CLP’s e dos componentes de rede, levou a tendência de utilizar os SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO (SDCD) como a melhor solução para sistemas integrados. Os sistemas integrados (CIM - Controle Integrado de Manufatura) possibilitaram a interligação dos níveis de gerenciamento, controle e supervisão dos sistemas de automação de forma hierárquica com a utilização de algoritmos complexos, distribuição do controle e centralização de macrodecisões, possibilitando o gerenciamento do processo tanto técnico como administrativamente.

Atualmente não se pode falar em CIM, SDCD e CLP’s sem ressaltar a importância dos programas de supervisão e aquisição de dados e controle (SCADA - Supervisory Control And Data Aquisition), redes industriais de comunicação padronizadas (FIELD BUSES), e os protocolos abertos (MODBUS, PROFIBUS, FOUDATION etc.). A integração destas tecnologias (SCADA, CLP e fieldbus) substitui com uma série de vantagens os SDCD convencionais. 4. Para o controle de temperatura de uma estufa a resistência elétrica, temos: Variável Controlada - Variável que se deve manter em um valor desejado, variável de saída do processo - Temperatura Variável Manipulada - Variável que recebe a ação controladora, ou seja, é variável de saída do atuador – Potencia dissipada pela resistência. Atuador (ativador) - Elemento que modifica a variável controlada – Chave que libera ou não corrente para a resistência. Variável Secundária - A que interfere na variável controlada (distúrbio) – Vazão de ar quente ou variação na tensão de alimentação. 4



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Meio controlador – Estufa Agente de controle – Resistência. 5. - Malha aberta: A ação de controle não depende das informações de saída.

Este tipo de controle é chamado controle com ajuste manual. Ex. : Uma fonte de alimentação regulada com transistor é, na realidade, um sistema de controle de malha aberta; se a corrente da carga variar, a tensão na saída pode variar até algumas dezenas de mV, devido à variação na tensão Vbe. A entrada, neste sistema, é a tensão de referência fornecida pelo diodo zener, na base do transistor; A saída, nesse mesmo sistema, no emissor é, aproximadamente 0,7V menor. O transistor, que é o controlador, amplifica a corrente, fornecendo à carga mais corrente que poderia ser obtida sobre o zener, na base. - Malha fechada: A ação de controle depende de informações da reação da saída (realimentação). Ex.: O operador de um reservatório verifica se o nível máximo foi atingido através deentre uma orégua nível, que O sinal de (set-point) erro é a diferença nívelde máximo, queé éo asensor. entrada desejada, e a saída, que é o nível atual. A comparação entre ambos é feita na mente do operador, que age abrindo ou fechando o registro conforme o erro seja para mais (excesso do fluído) ou menos. Ele é ao mesmo tempo o comparador, o controlador e o atuador neste sistema elementar.

6. Estabilidade: - capacidade de atingir a posição de equilíbrio e nela permanecer. Um sistema é estável se suas saídas mantém um certo valor em um tempo finito depois que a entrada é aplicada, quando a saída do sistema permanece constante e não muda em função do tempo. Exatidão: - Indica quanto a variável medida esta próxima da real. A exatidão indica a aproximação com que a variável controlada esta em relação ao valor desejado, a diferença chama-se erro. Resposta dos Exercícios

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característica era chamada de precisão (hoje esse termo está associado a repetitividade). Velocidade de resposta: - Capacidade do sistema para atingir uma nova posição de equilíbrio no menor intervalo de tempo. : - A mínima variação que pode ser lida (medida) peloSensibilidade sistema. 7. Pressão: 0,21 a 1,05kgf/cm2 – 3 a 15 PSI. Tensão: 0 a 10V Corrente: 4 a 20mA

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1.Conceitos de instrumentação 1. a) Um transdutor para controle industria sensibilidade, exatidão, precisão, linearidade em deve uma ter ampla faixa de medida, estabilidade, alta velocidade de resposta, além de baixo custo, robustez, grande vida útil, etc. b) Válvulas (Pneumáticas, Hidráulicas), Relés (Estático, Eletromecânico) e Cilindro (Pneumáticos, Hidráulicos). 2. Sensor: Termo empregado para dispositivos sensíveis a alguma forma de energia sensibilizante. Esta energia sensibilizante (luz ,calor, movimento) traz informação sobre uma grandeza que precisamos medir (temperatura, pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição, etc.). Transdutor: É a denominação de um dispositivo completo, usado para transformar uma grandeza qualquer em outra que pode efetivamente ser utilizada pelo dispositivo de controle. Neste sentido podemos considerar um transdutor como uma interface entre o sensor e o circuito de controle ou eventualmente entre o controle e o atuador. Os transdutores transformam uma grandeza física (temperatura, pressão, etc) em um sinal de tensão ou corrente que pode ser facilmente interpretado por um sistema de controle. Muitas vezes os termos “sensor” e “transdutor” são usados indistintamente, pois um dispositivo que contenha o elemento sensor e o transdutor integrados costuma ser chamado simplesmente de transdutor. Neste caso, é ointerface instrumento englobando sensor e todos oostransdutor circuitos de capazcompleto de ser usado numa aplicação industrial. Transmissor: Dispositivo que prepara o sinal de saída de um transdutor para utilização a distância, fazendo certas adequações ao sinal. Estas adequações são chamadas padrões de transmissões de sinais.

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3. Digital ou Binária: a saída do dispositivo (transdutor ou sensor) é discreta, ou seja, só assume valores “0” ou “1” lógicos (também denominadas saída liga-desliga ou On-Off). Este tipo de sensor só é capaz de indicar se uma grandeza física atingiu um valor prédeterminado (ex: Pressostatos, termostatos, chaves de nível, fluxostatos, etc.).

Existem sensores digitais cujas saídas são codificadas (BCD, código Gray, etc.) ou simplesmente uma seqüência de pulsos cuja freqüência nos informa quantitativamente a grandeza medida. : o transdutor possui saídada contínua. Neste casode a saídaAnalógicas do transdutor é quase umauma réplica grandeza física entrada.


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4. Segundo o capítulo 6.11 do dicionário internacionais de termos fundamentais e gerais de metrologia, baseado na 211ª edição do documento elaborado pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), pela IEC e pela ISO, entre outras organizações internacionais, Calibração (calibration, étalonnage) é atualmente sinônimo de aferição e é definido como sendo o conjunto de operações que estabelece, sob condições especificas a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por padrões. Em uma palavra: comparar com um padãro.

Capítulo 2 - Sensores de presença 1. c) Emissor e receptor . 2. V, V, V, V, V 3. Reflexão Difusa: Retro-Transmissão e Barreira de Luz. 4. Não utilizam elementos sensores físicos. 5. Vida útil é afetada pelo número de comutações.

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6. V, V, V 7. Identificar objetos. 8. Controle de qualidade. 9. Seleciona fluxo. 10. V, F, V, F, F 11. a, b 12. Somatório: 3

Capítulo 3 -Sensores de posição 1. b. 2. b. 3. a. 4. b. 5. e. 6. c.Assinale a opção verdadeira em relação aos tipos de instalação. 7. b. 8. d. 9. e. 10. a. 11. b. 12. c.

Capítulo 4 - Sensores Ópticos 1. Quando a elétricas luz incide determinadas resistências sãoem alteradas devido à substâncias, quantidade desuas luz que recebem, ocorrendo a criação de portadores de carga que promovem a condução da corrente elétrica. 2. Quando um fotorresistor é mantido no escuro por certo período de tempo antes do uso, sua condutância será maior se for comparado com um fotorresistor mantido num certo nível de luz. 3. O LDR é um dispositivo lento. Enquanto outros tipos de sensores

como os fotodiodos e os fototransistores podem perceber Resposta dos Exercícios

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variações muito rápidas de luz, em freqüências que chegam em dezenas ou mesmo centenas de megahertz, o LDR tem um "tempo de recuperação" muito longo. No fotodiodo energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons, que podem circular se aplicada polarização reversa. O fototransistor é um transistor cuja junção coletor-base fica exposta à luz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica a corrente através do circuito eletrônico e fornece alguns mA com alta luminosidade. A taxa de comutação do fototransistor é menor que a do fotodiodo. Os materiais usados na fabricação dos fotodiodos são semicondutores (pn), como o germânio e o silício. Sua sensibilidade luminosa se baseia no efeito fotoelétrico, no valor da resistência no sentido de bloqueio na camada semicondutora modificada pela incidência da luz. Para que o efeito fotoelétrico seja influenciado o menos possível por fontes externas de luz, o fotodiodo é encapsulado de maneira que a luz incida na área fotossensível apenas através de uma pequena abertura (de um mm de diâmetro).Quando uma junção é atingida pela energia luminosa, é produzida uma corrente chamada fotocorrente VLSI significa em inglês ‘Very Large Scale Integration’. No caso da produção de dispositivos CCD, está relacionado a produção de milhares de transistores em um chip de silício, formando uma rede interligada. É o armazenamento e transporte executado por elementos separados sem uma camada de depleção. Os dispositivos CMOS podem ser produzidos utilizando a mesma tecnologia de fabricação de transistores e diodos, tornando a manufatura destes componentes mais flexível, barateando o custo de produção. Os dispositivos CCD utilizam tecnologia dedicada, tornando seu processo de manufatura rígido, aumentando o custo de fabricação. As válvulas de ultra-violeta são sensíveis aos raios ultravioleta que se fazem presentes sempre que existe fogo.

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10. A eficiência do processo é baixa devido à pouca transparência da junção (somente as camadas superficiais são iluminadas).

Capítulo 6 - Sensores de Aceleração 1. c. 2. d. 3. d. 4. a. 5. c. 6. c. 7. a. 8. b. 9. a. 10. b.

Capítulo 9 -Sensores de Nível 1. São utilizados para o controle de tanques líquidos ou grãos tanques sólidos, contidos em reservatórios, silos, abertos, pressurizados na indústria. 2. São utilizados na medição de nível fixo, quando a saída do sensor muda de estado que o nível atinge um valor pré-determinado; ou medição contínua, quando o sensor indica o valor em tempo real do nível monitorado. 3. Sensores de nível do tipo flutuadores podem ser ampolas

acionados por mercúrio, por chaveamento de reed-switch ou bóia e por potenciômetro. 4. Nos flutuadores acionados por mercúrio o chaveamento ocorre pelo deslocamento do mercúrio dentro de uma ampola que contem dos eletrodos de contato. Quando a ampola se encontra na posição de repouso, o mercúrio aciona os eletrodos. Neste caso o nível medido é fixo. Nos flutuadores com acionamento por reed-switch, uma bóia com material magnético é acoplada a uma haste que contém vários Resposta dos Exercícios

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reed-switch, quando o nível muda, a posição da bóia é alterada,

chaveando diferentes elementos. Neste caso o nível pode ser medido em valores discretos. Nos flutuadores do tipo bóia, uma bóia é ligada a uma chave, que é acionada em função do nível do material. Neste caso, o nível a ser medido é fixo. No caso dos flutuadores potenciométricos, uma bóia é acoplada a um potenciômetro, que tem seu valor de resistência alterado em função do nível medido pela bóia. Neste caso o nível a ser medido é contínuo. 5. O eletrodo metálico pode ser aplicado na determinação de cotas no líquido a ser medido. 6. Boa repetibilidade, possui líquido diafragma com precisão proteçãoe de sobrecarga efácil nãoinstalação, requer nenhum de transmissão. 7. Sobre a MEDIÇÃO DE NÍVEL CAPACITIVA, explique seu princípio de funcionamento, suas vantagens e aplicações. 8. O sensor de nível vibratório é composto por uma haste piezoelétrica que vibra. Assim que o produto entra em contato com a haste vibratória, a vibração é amortecida e aciona um relé

de saída. Este tipo de sensor tem como vantagem a utilização em líquidos de baixa densidade e não requer ajuste de funcionamento. Ele pode ser aplicado na detecção de líquidos em áreas perigosas. As chaves são utilizadas para pós e granulados quando outros métodos falham devido à aderência ou ao baixo peso (por exemplo: gesso, cal, plástico em pó, açúcar, farinha, etc.). 9. Um emissor laser num dos lados do recipiente de modo que o raio atinja a superfície do líquido em ângulo, sendo então refletido para um detector. Variações na posição do nível modificam a direção do raio refletido e alteram o ponto que atinge o sensor, correspondendo a nova posição a um sinal de nível, obtido pelos circuitos eletrônicos de detecção. É um medidor de nível contínuo sem contato.. 10. Strain-gage um transdutor que utiliza as variações resistivas dos resistores submetidos à carga. Quando uma carga é aplicada na

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coluna suporte, a coluna é comprimida, sofrendo um aumento da área da seção transversal e uma diminuição no seu comprimento, diminuindo o valor da resistência. 11. O sensor ultra-sônico é baseado no princípio da reflexão das ondas sonoras. Quando uma onda sonora atravessa um meio capaz de absorver som e incide em outro meio como uma barreira, somente uma pequena porção é absorvida e a maior parte da onda é refletida pela barreira. A reflexão das ondas é um eco. Ele pode ser aplicado em medições de nível precisa, porém que não podem ter contato com o material. Tem como principais vantagens: não utiliza partes móveis sujeitas a desgaste; sua instalação é simples e total ausência de manutenção; sua instalação pode ser feita em qualquer posição e para vários níveis; não sofre interferência de turbulências, vibrações ou trepidações; e apresenta custo relativamente baixo. A principal desvantagem é a utilização de dispositivos automáticos de compensação de temperatura, quando está sujeito a variações acentuadas, pois variações na densidade do meio de propagação interfere no valor medido. 12. Um conjunto de pás é acionado por um eixo ligado a um motor que fica montado sobre uma placa ligada à base do instrumento por um sistema de mola e um eixo de torção. Se as pás giram livremente, o sistema de torção não é acionado. Se as pás encontram obstáculos, então o conjunto em que é montado o motor, ao tentar girar as pás, causa o torque suficiente para vencer a força da mola e girando toda a base (apenas o suficiente para atuar uma microchave ou outra forma de sinalização).

Capítulo 10 - Sensores de vazão 1. Sensor de vazão magnético indutivo- a condutividade do fluido pode influenciar na medição; Efeito de coriolis - A medição da vazão mássica varia com a viscosidade 2. Um obstáculo, denominado elemento primário, introduzido em uma tubulação na qual escoa um fluido, causa uma queda de pressão que varia com a vazão. Os tipos de elementos primários


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mais utilizados são: Placa de Orifício; Tubo Venturi; Bocal; Tubo de Pitot. 3. V, F, F, V 4. Esse dispositivo possibilita medição direta da diferença entre pressão dinâmica evazão. estática, bem como velocidade de fluxo e, conseqüentemente, 5. A perda de carga permanente é bem menor que nas placas de orifício chegando aos 10% 6. b. 7. Trata-se de um transmissor que emite um feixe de luz que é refletida pelas paletas da turbina e lidos por um foto-sensor. O número de pulsos recebidos pelo foto-receptor é proporcional à velocidade da turbina, que é proporcional à vazão. 8. Vazão mássica, pois baseia-se no princípio da variação da viscosidade 9. Os medidores de vazão ultra-sônicos são instrumentos que operam a partir de transdutores colocados externamente à tubulação, Possuem dois princípios de funcionamento de acordo com as formas de aplicação dos ultra-sons: o efeito Doppler e o do tempo de trânsito. Vantagens: Não é necessário a introdução de nenhum sensor em contato com o fluxo e dispensa o seccionamento e parada das linhas. Desvantagens: Preço elevado. 10. Engrenagens ovais (deslocamento positivo).

Capítulo 11 -Sensores de Tensão, Corrente e Potência 1. Consiste em uma resistência de baixo valor colocada em série com o circuito do qual se pretende medir a corrente. Mede-se então a queda de tensão entre os terminais do dispositivo. 2. Pelo fato do campo magnético necessário para gerar nas laterais da placa uma diferença de potencial (Lei de Lorentz), depende diretamente na corrente no circuito a ser medido. 3. Para que se tenha uma tensão induzida no secundário do transformador CC, é necessário que se aplique uma tensão

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variável que será responsável por um campo magnético que irá ser influenciado pelo campo gerado pela corrente CC, resultando em uma variação na tensão induzida nos secundário. O inconveniente dos relés é que são sensíveis à temperatura do ambiente, que pode ser evitada por um parafuso de regulação ou por meio de uma segunda lâmina bimetálica compensatória, não aquecida, que vem disposta no lado inverso daquela que determina o funcionamento do relé. F, V, F, F, F. A corrente I1 é fixada pela carga ligada ao circuito externo: se I2 = 0, isto é, secundário aberto, não haverá o efeito desmagnetizante dessa corrente e a corrente de excitação Io passa a ser a própria corrente I1, originando, em conseqüência, um fluxo "φ " muito elevado no núcleo. Conseqüência dessa imprecaução: Aquecimento excessivo causando a destruição do isolamento, podendo provocar contato do circuito primário com o secundário e com a terra; Uma FEM induzida E2 de valor elevado, com iminente perigo para o operador. Quanto ao T.P., não existe nenhum tipo de perigo em deixar o secundário aberto. d.

8. TC cujo enrolamento primário, constituído de uma ou maisenrolado: espiras, envolve mecanicamente o núcleo do transformador. Buchas de transformadores e disjuntores; TC barra: seu primário é constituído por uma barra, montada permanentemente pelo núcleo do transformador. Medição em baixa tensão; TC janela: sem primário próprio, construído com uma abertura no núcleo, por onde passa um condutor do circuito primário, formando uma ou mais espiras. Aplicação: Medição em baixa tensão; TC bucha: tipo especial de TC, projetado para ser instalado sobre uma bucha de um equipamento elétrico, sendo parte integrante dele. Aplicação: Buchas de transformadores e disjuntores; TC de núcleo dividido: tipo especial, em que parte do núcleo é separável ou basculante, para facilitar o enlaçamento do condutor primário. Aplicação: Amperímetro tipo "alicate" e medidores de grandezas instantâneos. 9. O TP esta especificado corretamente, visto que a tensão de fase é 2,2kV.


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10. O TC deverá ser especificado uma relação de no mínimo 100/5A. 11. Os transdutores de potência ativa (watt) e reativa (VAr) convertem a potência C.A. em uma saída proporcional(4 á 20mA) para serem usados com equipamentos de indicação, registradores, e em sistema de controle ligados a entradas digitais de CLPs. Em aplicações industriais a medição separadamente das grandezas elétricas certamente não é uma boa solução técnica/econômica. Nessas aplicações a melhor opção é a utilização de medidores microprocessados que fazem a medição de todas as grandezas elétricas de que se necessita para um controle industrial.

Capítulo 12 -Sensores de Umidade, Gases e pH 1. A manutenção dos níveis de umidade, na maioria desses processos, pode significar um aumento na qualidade do produto, maior produtividade e menores custos de produção. 2. Em qualquer situação em que o excesso de umidade pode induzir ou influenciar química, física ou biologicamente nos processos, é muito importante assegurar uma contínua e precisa monitoração e controle da umidade relativa do ar. 3. Medições Bulbo Úmido/Bulbo (Psicrométricas), de orvalho dodetipo de sal saturado eSeco sensores elétricos de ponto umidade relativa. 4. As principais desvantagens do psicrômetro são: A precisão é baixa a menos de 20% de UR, não funcionando abaixo de 10% de UR;Tem a tendência para congelar abaixo de 0°C; Não se presta a ambientes pequenos e fechados. 5. A umidade é um importante parâmetro de muitos processos

industriais, uma vezasque o vapor d'água no ar, ou ou serviço em um gás, pode alterar especificações de contido um produto afetando a sua qualidade e, conseqüentemente, a sua aceitação pelo mercado. - Alguns trabalhos laboratoriais e processos industriais - Controle ambiental incluem, entre outras, o conforto, a saúde, a conservação de produtos, o controle da estática em equipamentos eletrônicos, etc.

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- Controle de centrais de processamento de dados. Níveis de 40 a 60% de umidade relativa são especificados pela maioria dos fabricantes de computadores. - Secagem industrial. Em uma indústria de papel, um controle permanente das condições ambientais evita, de um lado. 6. Sensor de óxido de alumínio - são pequenos e prestam-se a uso local; O higrômetro eletrolítico - constitui melhor escolha para controle “em linha” ou para um sistema de sensor múltiplo; Higrômetros óticos de condensação - aplicações em que se requer a precisão máxima na determinação do teor de vapor d'água em uma faixa razoavelmente ampla de ponto de orvalho. 7. Os que seguem detalhados aparelhos de medições de gases, pelos quais se mede a concentração de um componente gasoso, e os que permitem análises quantitativas e qualitativas de misturas de matérias conhecidas e desconhecidas. 8. Eles são divididos em dois grupos:in loco; extrativos. 9. Analisadores de gases por absorção de radiação infravermelha não dispersiva NDIR (normalmente usados em gases heteroatômicos, por exemplo: CO,CO2, H2S, CnHm); Analisadores de gases pelo método paramagnético (oxigênio); Analisadores de gases método condutibilidade térmica TCD, normalmente usadospelo para gasesda como: H2, CH4, SO 2, etc.; Analisadores de gases por ionização de chama (normalmente para gases compostos de hidrocarbonetos); Analisadores de gases por célula eletroquímica (O2 de um modo geral); e Analisadores de gases por quimiluminescência: NO, NO2, NOx. 10. Eletrodos de leitura direta; medidores do tipo potenciométrico.


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