Instrumentação Industrial

Universidade do Sul de Santa Catarina – UNISUL
Curso: Tecnólogo em Eletroeletrônica
Disciplina: Instrumentação Industrial
Semestre curricular: 2005/A
Professor: Edcarlo da Conceição

Apostila Instrumentação industrial

Tubarão, Fevereiro de 2005.

Revisão 2

1 - Introdução à Instrumentação

INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para
adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de
variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais.
Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia,
papel, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo,
fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do
produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no
processo são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA; as quais denominamos de
variáveis de um processo.

1.1 - Classificação de Instrumentos de Medição

Existem vários métodos de classificação de instrumentos de medição. Dentre os
quais podemos ter:

Classificação por:
• função
• sinal transmitido ou suprimento
• tipo de sinal

1.2 - Classificação por Função

Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados
entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação
desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma
função.
Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados por
função cuja descrição sucinta pode ser liga na tabela abaixo.

INSTRUMENTO DEFINIÇÃO

Tecnólogo em Eletroeletrônica ______________________________________(Prof. Edcarlo) 2

1.3 - Funções de Instrumentos

Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação
de acordo com a função que desempenham no processo.

Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na
qual podemos ler o valor da variável. Existem, também, os indicadores digitais que
mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas. A figura 1.3
ilustra dois tipos de indicadores.

Figura 1.3 – Tipos de indicadores analógico e digital

Registrador: Instrumento que registra a traço contínuo ou pontos em um gráfico.
Alguns destes registradores podem ser vistos na figura 1.4.

Figura 1.4 – Alguns tipos de registradores

Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no processo
através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou
eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo. A figura 1.5
mostra alguns transmissores típicos.


Figura 1.5 – Transmissores de pressão diferencial e de temperatura

Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais
quantidades físicas, modifica, caso necessário, estas informações e fornece um sinal de
saída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento
primário, um transmissor ou outro dispositivo. O conversor é um tipo de transdutor que
trabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados.

Figura 1.6 – Tipos de transdutores

Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor
desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor
específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida diretamente pelo
controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor.

Figura 1.7 – Alguns tipos de controladores

Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da
variável manipulada de uma malha de controle.

Figura 1.8 – Elementos finais de controle


1.4.1. Transmissores

Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e a
transmitem, à distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador ou
a uma combinação destes.
Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicos
e eletrônicos.

1.4.1.1. Transmissão Pneumática

Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável,
linear, de 3 a 15 psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas
de 0 a 100 % da variável. Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific
Apparatur Makers Association), Associação de Fabricantes de Instrumentos, e pela
maioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos.
Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais de
transmissão. Por exemplo: de 20 a 100 kPa.

Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, utilizam-se as faixas de
0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi.
O alcance do sinal no sistema métrico é, aproximadamente, 5 % menor que o
sinal de 3 a 15 psi. Este é um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentos
de uma malha (transmissor, controlador, elemento final de controle, etc.) sempre
utilizando uma mesma norma.
Note que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim, 3 psi ou
0,2 kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento,
comprovando sua correta calibração e detectando vazamentos de ar nas linhas de
transmissão.
Percebe-se que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura de
range de 0 a 200° e o mesmo tivesse com o bulbo a 0° e um sinal de saída de 1 psi,
C C
este estaria descalibrado.
Se o valor mínimo de saída fosse 0 psi, não seria possível fazermos esta
comparação rapidamente. Para que pudéssemos detectá-lo, teríamos de esperar um
aumento de temperatura para que tivéssemos um sinal de saída maior que 0 (o qual
seria incorreto).

1.4.1.2. Transmissão Eletrônica

Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os
mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discrepâncias nos sinais
de saída entre diferentes fabricantes, porque estes instrumentos estão preparados para
uma fácil mudança do seu sinal de saída.

A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15 psi
de um sinal pneumático.


O "zero vivo" utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a
vantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios, por
exemplo), que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo.

1.4.1.3. Protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer)

É um sistema que combina o padrão 4 a 20 mA com a comunicação digital. É um
sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1200 bits/s (BPS) e modulação FSK
(Frequency Shift Keying). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo a
existência de dois mestres na rede simultaneamente.

As vantagens do protocolo Hart são as seguintes:

· Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital.
· Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumentação analógica.
· Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes.

As desvantagens são que existe uma limitação quanto à velocidade de
transmissão das informações e a falta de economia de cabeamento (precisa-se de um
par de fios para cada instrumento).

1.4.1.4. Fieldbus

É um sistema de comunicação digital bidirecional, que interliga equipamentos
inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos localizados na
sala de controle, conforme mostra a Figura 1.10.

Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos, tais
como: transmissores, válvulas, controladores, CLPs, etc. Estes podem ser de
fabricantes diferentes (Interoperabilidade) e ter controle distribuído (cada instrumento
tem a capacidade de processar um sinal recebido e enviar informações a outros
instrumentos para correção de uma variável: pressão, vazão, temperatura, etc.).
Uma grande vantagem é a redução do número de cabos do controlador aos
instrumentos de campo, ou seja, apenas um par de fios é o suficiente para a interligação
de uma rede fieldbus.


Figura 1.10 – Sistema Fieldbus

1.5 - Sensores

Os sensores são transdutores eletrônicos que geram um sinal de saída quando
um objeto é introduzido em seu campo de atuação.
Os sensores surgiram para auxiliar nas automatizações de máquinas e
equipamentos, substituindo as chaves de acionamento mecânico dando maior
versatilidade e durabilidade às aplicações.

1.6 - Tipos de Sensores

- Indutivos
- Capacitivos
- Magnéticos
- Fotoelétricos
- Ultra-sônicos
- Laser

2- Sensores de Proximidade Indutivo

Os sensores de proximidade indutivos são equipamentos eletrônicos capazes de
detectar a proximação de peças, componentes, elementos de máquinas, etc, em
substituição as tradicionais chaves fim de curso. A detecção ocorre sem que haja o
contato físico entre o acionador e o sensor, aumentando a vida útil do sensor por não
possuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos.
Os sensores Indutivos são sensores de proximidade, ou seja, geram um sinal de
saída quando um objeto metálico (aço, alumínio, cobre, latão, etc) entra na sua área de
detecção, vindo de qualquer direção, sem que seja necessário o contato físico.


2.1 - Princípio de Funcionamento

Figura 1 - Sensor de proximidade indutivo

A bobina faz parte de um circuito oscilador que em condição normal
(desacionada) gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do campo, este
por correntes de superfície (Foucault), absorve a energia do campo, diminuindo a
amplitude do sinal gerado no oscilador.

A variação de amplitude deste sinal é convertida em uma variação contínua que
comparada com um valor padrão, passa a atuar no estágio de saída.
2.2 - Face Sensora

É a superfície onde emerge o campo eletromagnético.

2.3 - Distância Sensora (S)

É à distância em que se aproximando o acionador da face sensora, o sensor
muda o estado da saída.

2.4 - Distância de Acionamento

À distância de acionamento é função do tamanho da bobina. Assim, não
podemos especificar a distância sensora e o tamanho do sensor simultaneamente.

2.5 - Distância Sensora Nominal (Sn)

É à distância sensora teórica, a qual utiliza um alvo padrão como acionador e não
considera as variações causadas pela industrialização temperatura de operação e
tensão de alimentação. E o valor em que os sensores de proximidade são
especificados.

Como utiliza o alvo padrão metálico, a distância sensora nominal informa também
a máxima distância que o sensor pode operar.

2.6 - Distância Sensora Real

Valor influenciado pela industrialização, especificado em temperatura ambiente
o
(20 C) e tensão nominal, desvio de 10%:


2.7 - Distância Sensora Efetiva

Valor influenciado pela temp. de operação, possui um desvio máximo de 10%
sobre a distância sensora real.

2.8 - Distância Sensora Operacional (Sa)

É à distância em que seguramente pode-se operar, considerando-se todas as
variações de industrialização, temperatura e tensão de alimentação.

2.9 - Alvo Padrão (Norma DIN 50010)

É um acionador normalizado utilizado para calibrar a distância sensora nominal
durante o processo de fabricação do sensor. Consiste de uma chapa de aço de um mm
de espessura, formato quadrado. 0 lado deste quadrado é iqual ao diâmetro do circulo
da face sensora ou 3 vezes a distância sensora nominal quando o resultado for maior
que o anterior.

2.10 - Material do Acionador

À distância sensora operacional varia ainda com o tipo de metal, ou seja, é
especificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator de redução.

Material Fator
Aço (St 37) 1
Latão 0,35 0,5
Cobre 0,25...0,45
Alumínio 0,35...0,50
Aço inoxidável 0,6...1

2.11 - Histerese

É a diferença entre o ponto de acionamento (quando o alvo metálico aproxima-se
da face sensora) e o ponto de desacionamento (quando o alvo afasta-se do sensor).
Este valor é importante, pois garante uma diferença entre o ponto de acionamento e
desacionamento, evitando que em uma possível vibração do sensor ou acionador, a
saída oscile.


Figura 2 - Histerese em sensores

2.12 - Embutido (blindado)

Este tipo de sensor tem o campo eletromagnético emergindo apenas na face
sensora e permite que seja montado em uma superfície metálica.

2.13 - Não embutido (não blindado)

Neste tipo o campo eletromagnético emerge também na superfície lateral da face
sensora, sensível a presença de metal ao seu redor.

Figura 3 - Sensores embutido (direita) e não embutido (esquerda)

2.14 - Freqüência de Comutação

A freqüência de comutação é o máximo número de acionamentos por segundo
(Hz).

Figura 4 - Freqüência de comutação

2.15 - Aplicações

Os sensores indutivos substituem com muitas vantagens as chaves fim de curso.
Abaixo visuliza-se algumas das aplicações.


Posição por cames controle de rotação e sentido

Controle por transfer controlde de posição

controle do número de peças posição de comportas

Figura 5 - Algumas das aplicações dos sensores indutivos

2.16 - Vantagens

- Funcionam em condições ambientais extremas.
- Acionamento sem contato físico.
- Saída em estado sólido. (PNP ou NPN).
- Alta durabilidade quando bem aplicado.

3 - SENSORES DE PROXIMIDADE CAPACITIVOS

Os sensores de proximidade capacitivos são equipamentos eletrônicos capazes
de detectar a presença ou aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, líquidos,
madeiras, papéis, metais, etc.
Os sensores Capacitivos são semelhantes aos Indutivos, porém sua diferença
básica é exatamente no princípio de funcionamento, o qual baseia-se na mudança da
capacitância da placa detectora localizada na região denominada face sensível do
sensor.
Estes sensores podem detectar praticamente qualquer tipo de material, por
exemplo, Metais, madeira, plásticos, vidros, granulados, pós-minerais tipo cimento,
talco, etc. Os líquidos de maneira geral são ótimos acionadores para os sensores
capacitivos.


3.1 - Principio de Funcionamento

O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo elétrico,
desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor.
O capacitor é formado por duas placas metálicas, carregadas com cargas
elétricas opostas, montadas na face sensora, de forma a projetar o campo elétrico para
fora do sensor, formando desta forma um capacitor que possui como dielétrico o ar.

Figura 6 - Princípio de funcionamento

Quando um material aproxima-se da face sensora, ou seja, do campo elétrico o
dielétrico do meio se altera, alterando também o dielétrico do capacitor frontal do sensor.
Como o oscilador do sensor é controlado pelo capacitor frontal, quando aproximamos
um material a capacitância também se altera, provocando uma mudança no circuito
oscilador. Esta variação é convertida em um sinal contínuo que comparado com um
valor padrão passa a atuar no estágio de saída.

Figura 7- Diagrama em blocos dos elementos do sensor

3.2 - Face sensora

É a superfície onde emerge o campo elétrico. É importante notar que os modelos
não embutidos, com região sensora lateral, são sensíveis aos materiais a sua volta.


Figura 8 - Face sensora do embutido e do não embutido

3.3 - Distância Sensora Nominal(Sn)

É à distância sensora teórica a qual utiliza um alvo padrão como acionador e não
considera as variações causadas pela industrialização temperatura de operação e
tensão de alimentação. E a distância em que os sensores são especificados.
3.4 - Alvo Padrão

À distância sensora nos capacitivos são especificados para o acionador metálico
de aço SAE 1020 quadrado, com lado igual a três vezes a distância sensora para os
modelos não embutidos (na grande maioria) e em alguns poucos casos de sensores
capacitivos embutidos utiliza-se o lado do quadrado igual ao diâmetro do sensor.

3.5 - Distância Sensora Efetiva (Su)

Valor influenciado pela industrialização e considera as variações causadas pela
temperatura de operação.

3.6 - Distância Sensora Operacional (Sa)

É a distância que observamos na prática, sendo considerados os fatores de
industrialização (81% Sn) e um fator que é proporcional ao dielétrico do material a ser
detectado, pois o sensor capacitivo reduz sua distância quanto menor o dielétrico do
acionador.

Sa = 0,81 . Sn . F(εr)


3.7 - Material a ser Detectado

A tabela abaixo indica o dielétrico dos principais materiais, para efeito de
comparação; sendo indicado sempre um teste prático para determinação da distância
sensora efetiva para o acionador utilizado. Deve-se, no entanto considerar que em caso
de materiais orgânicos deve-se considerar a que a distância de detecção está
fortemente influenciada pela presença de água.

εr
Material
ar, vácuo 1
óleo, papel, petróleo, poliuretano, parafina, 2a3
silicone, teflon
araldite, baquelite, quartzo, madeiras 3a4
vidro, papel grosso, borracha, porcelana 4a5
mármore, pedras, madeiras pesadas 6a8
álcool 26
água 80

3.8 - Ajuste de sensibilidade

O ajuste de sensibilidade presta-se principalmente para diminuir a influência do
acionamento lateral no sensor, diminuindo-se a distância sensora. Permite ainda que se
detecte alguns materiais dentro de outros, como por exemplo: Iíquidos dentro de
garrafas ou reservatórios com visores de vidro, pós dentro de embalagens, ou fluidos
em canos ou mangueiras plásticas.


Figura 9 – Ajuste de sensibilidade

Deve se tomar em conta de que existe a possibilidade de que se o detector está
regulado de maneira muito sensível, que este seja influenciado por uma modificação do
meio (temperatura, umidades, ou poluição).

3.9 - Aplicações

Pode-se destacar que os sensores capacitivos são mais versáteis do que os
indutivos, porem podemos ressaltar que são mais sensível a perturbações externas o
que torna mais atraente usar os sensores indutivos se existem metais a serem
detectados.

Controle de nível detecção de ruptura de fio

sinalização de corte de esteira controle de nível de garrafas

controle de tensão em esteira Contador e controle de nível

Figura 10 - Aplicações de sensores capacitivos


3.10 - Vantagens

- Detectam praticamente todos os tipos de materiais.
- Saída em estado sólido.
- Alta durabilidade quando bem aplicado.

4 - SENSORES ÓTICOS

Os sensores fotoelétricos, também conhecidos por sensores ópticos, manipulam
a luz de forma a detectar a presença do acionador, que na maioria das aplicações é o
próprio produto.

4.1 - Princípio de Funcionamento

Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha (invisível ao ser
humano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado.
Os fotoelétricos são compostos por dois circuitos básicos: um responsável pela
emissão do feixe de luz, denominado transmissor e outro responsável pela recepção do
feixe de luz, denominado receptor.
Os Sensores Ópticos funcionam pelo princípio de emissão e recepção de feixes
de luz modulada e são divididos em 3 princípios distintos: Sistema por Óticas alinhadas,
Difusão e Sistema Reflectivo.

Figura 11 - Princípio de funcionamento dos sensores fotoelétricos

O transmissor envia o feixe de luz através de um fotodiodo, que emite flashes,
com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor confunda a luz emitida
pelo transmissor com a iluminação ambiente.

O receptor é composto por um fototransistor sensível a luz, que em conjunto com
um filtro sintonizado na mesma freqüência de pulsação dos flashes do transmissor, faz
com que o receptor compreenda somente a luz vinda do transmissor.

4.2 - Sistema por Barreira

O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um
frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do


transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado
interromper o feixe de luz.

Figura 12 - Sistema por barreira

4.2.1 - Distância Sensora Nominal(Sn)

À distância sensora nominal (Sn) para o sistema por barreira é especificada como
sendo a máxima distância entre o transmissor e o receptor, o que não impede o
conjunto de operar com distâncias menores.

4.2.2 - Dimensões Mínimas do Objeto

Quando um objeto possui dimensões menores que as mínimas recomendadas, o
feixe de luz contorna o objeto e atinge o receptor, que não acusa o acionamento. Nestes
casos devem-se utilizar sensores com distância sensora menor e conseqüentemente
permitem a detecção de objetos menores.

Figura 13 - Dimensão insuficiente para ser detectada

4.3 - Sistema por Difusão Óptica (Fotosensor)

Neste sistema o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade.
Sendo que o acionamento da saída ocorre quando a objeto a ser detectado entra na
região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor.


Figura 14 - Sistema por difusão

4.3.1 - Sistema por Difusão Óptica Convergente

Neste princípio o sensor tem seu funcionamento análogo ao princípio Difuso,
diferenciando-se por possuir um ponto focal, sendo, portanto muito mais preciso.

Figura 15 - Sistema por difusão convergente

4.3.2 - Sistema por Difusão Óptica Campo Fixo ( fixed-field )

Semelhante ao princípio convergente, por possuir também um único ponto focal,
diferencia-se por executar a função de supressão ao plano de fundo.


Figura 16 - Sistema por difusão campo fixo

4.3.3 - Distância Sensora Nominal (Sn)

À distância sensora nominal no sistema por difusão é a máxima distância entre o
sensor e o alvo padrão.

4.3.4 - Alvo Padrão

O alvo padrão no caso dos sensores por difusão é uma folha de papel fotográfico
branco com índice de refletividade de 90%, com dimensões especificadas para cada
modelo de sensor. Utilizado durante a industrialização para calibração da distância
sensora nominal (Sn).

4.3.5 - Distância Sensora Efetiva (Su)

Valor influenciado pela industrialização e considera as variações causadas pela
temperatura de operação.

4.3.6 - Distância Sensora Operacional (Sa)

Para os modelos tipo fotosensor existem vários fatores que influenciam o valor da
distância sensora operacional (Sa), explicados pelas leis de reflexão de luz da física.

Sa = 0,81 . Sn . FC (cor, material, rugosidade, outros)

Abaixo apresentamos duas tabelas que exemplificam os fatores de redução em
função da cor e do material do objeto a ser detectado.

Cor FC Material Fc
branco 0,95 a 1 metal polido 1,20 a 1,80
amarelo 0,90 a0,95 metal usinado 0,95 a 1,00
verde 0,80 a 0,90 papeis 0,95 a 1,00


vermelho 0,70 a 0,80 madeira 0,70 a 0,80
azul claro 0,60 a 0,70 borracha 0,40 a 0,70
violeta 0,50 a 0,60 papelão 0,50 a 0,60
preto 0,20 0,50 pano 0,50 a 0,60

Nota: Em casos onde há a necessidade da determinação exata do fator de
redução deve-se fazer um teste prático, pois outros fatores podem
influenciar a distância sensora, tais como: rugosidade, tonalidade, cor,
dimensões, etc. Lembramos também que os fatores são acumulativos, como
por exemplo: papelão (0,5) preto (0,5) gera um fator de 0,25.

4.3.7 -Zona Morta

É a área próxima ao sensor, onde não é possível a detecção do objeto, pois
nesta região não existe um ângulo de reflexão da luz que chegue ao receptor. A zona
morta normalmente é dada por: 10 a 20% de Sn.

Figura 17 - Zona morta onde não ha detecção

4.4 - Sistema Refletivo

Este sistema apresenta o transmissor e o receptor em uma única unidade. O feixe
de luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho prismático, e o
acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper este feixe.

Figura 18 - Sistema refletivo

4.4.1- Distância Sensora Nominal(Sn)


À distância sensora nominal (Sn) para o sistema refletivo é especificada como
sendo a máxima distância entre o sensor e o espelho prismático, sendo possível montá-
los com distância menor. Disponíveis para até 10m.

4.4.2 - Espelho Prismático

O espelho permite que o feixe de luz refletido para o receptor seja paralelo ao
feixe transmitido pelo transmissor, devido às superfícies inclinadas a 45º o que não
acontece quando a luz é refletida diretamente por um objeto, onde a luz se espalha em
vários ângulos. À distância sensora para os modelos refletivos é função do tamanho
(área de reflexão) e o tipo de espelho prismático utilizados.

Figura 19 - Funcionamento do espelho prismático

4.4.3 - Detecção de Transparentes

A detecção de objetos transparentes, tais como: garrafas de vidro, vidros planos,
etc; podem ser detectados com a angulação do feixe em relação ao objeto, ou através
de potenciômetros de ajuste de sensibilidade, mas sempre se aconselha um teste
prático. A detecção de garrafas plásticas tipo PET, requerem sensores especiais para
esta finalidade.

Figura 20 - Detecção de transparentes


4.4.4 - Detecção de Objetos Brilhantes

Quando o sistema refletivo for utilizado na detecção de objetos brilhantes ou com
superfícies polidas, tais como: engradados plásticos para vasilhames, etiquetas
brilhantes, etc; cuidados especiais devem ser tomados, pois o objeto neste caso pode
refletir o feixe de luz. Atuando assim, como se fosse o espelho prismático, ocasionando
a não interrupção do feixe, confundindo o receptor que não aciona a saída, ocasionando
uma falha de detecção, para se prevenir aconselha-se utilizar um dos métodos:

4.4.4.1 - Montagem Angular

Consiste em montar o sistema sensor espelho de forma que o feixe de luz forme
um ângulo de 10O a 30O em relação ao eixo perpendicular ao objeto.

Figura 21 - Opção para detecção de objetos brilhantes

4.4.4.2 - Filtro Polarizado

Existem sensores com filtros polarizados incorporados, que dispensam o
procedimento anterior. Estes filtros mecânicos servem para orientar a luz emitida,
permitindo apenas a passagem desta luz na recepção, que é diferente da luz refletida
pelo objeto, que se es palha e m todas as direções.


Figura 22 - Polarização do feixe de luz

4.4.5 - Imunidade à Iluminação Ambiente

Normalmente, os sensores ópticos possuem imunidade à iluminação ambiente,
pois operam em freqüências diferentes. Mas podem ser afetados por uma fonte muito
intensa (exatamente como acontece com as rádios FM), como por exemplo, uma
Iâmpada incandescente de 60W a 15cm do sensor, ou um raio solar incidindo
diretamente sobre as lentes.

Figura 23 - Espectro de iluminação

4.4.6 - Meio de Propagação

Entende-se como meio de propagação, o meio onde a luz do sensor deverá
percorrer. A atmosfera em alguns casos pode, estar poluída com partículas em
suspensão, dificultando a passagem da luz. A tabela abaixo apresenta os fatores de
atmosfera que devem ser acrescidos no cálculo da distância sensora operacional Sa.


Condições Fatm
Ar puro, podendo ter umidade sem condensação 1
Fumaça e fibras em suspensão, com alguma condensação 0,4 a 0,6
Fumaça pesada, muito pó em suspensão e alta condensação 0 a 0,1

4.4.7 - Acessórios para sensores ópticos

Uma das grandes vantagens de se trabalhar com sensores ópticos é que eles
são muito mais flexíveis do que os outros sensores. Abaixo temos uma lista de alguns
acessórios que podem ajudar a solucionar vários problemas de aplicação:

- Espelhos prismáticos ultra-reflectivos.
- Fibras ópticas em diversos diâmetros.
- Fibras ópticas para alta temperatura.
- Temporização.
- Ajuste remoto e inteligente.

4.4.8 - Vantagens

- Detectam todos os tipos de materiais.
- Modelos com Saída em estado sólido, relê ou analógica.
- Maior durabilidade quando bem aplicado.
- Trabalha em grandes distâncias (Mais de 200mt E/R)

5 - SENSORES ULTRA-SÔNICOS

Sensores Ultra-sônicos emitem ondas de som com freqüência acima da audível
pelo ouvido humano. Os objetos a serem detectados refletem estas ondas e os
sensores às recebem e interpretam.
Com estes sensores podemos detectar com facilidade objetos transparentes de
plástico, vidros ou superfícies liquidas, diferente dos sensores fotoelétricos que
dependem da opacidade ou refletividade do material.

5.1- Princípio de Funcionamento

O emissor envia impulsos ultra-sônicos sobre o objeto a analisado. As ondas
sonoras voltam ao detector depois de um certo tempo, proporcional à distância. O tempo
de resposta é então dependente da velocidade do som e também da distância do
objeto. Os detectores ultra-sônicos podem detectar líquidos, sólidos e granulados.


Figura 24 - princípio de funcionamento do sensor ultra-sônico

5.2 – Aplicações

Medição de espessura de chapas Detecção de frascos de vidros

Figura 25 - Aplicação do sensor ultra-sônico
5.3 - Vantagens

- Detectam todos os tipos de materiais.
- Modelos com Saída em estado sólido, relê ou analógica.
- Possui circuito inteligente

6 - Sistema Touch Control

Permite os ajustes dos sensores digitais através de dois botões montados, na
lateral do sensor.


Figura 25 – Sistema touch control

Procedimento de Ajuste: Touch Control

Pressione os Botões T1 e T2 simultaneamente por mais de 3 segundos, até, o
LED D1 piscar na cor amarela, então solte os botões.
Pressione o botão T1 para aumentar ou o botão T2 para diminuir a distância de atuação,
observe que o LED para de piscar quando um objeto é detectado, se possível teste a
detecção do objeto.
O armazenamento da distância ajustada ocorre caso nenhum botão for
pressionado por um intervalo de 20s. O acionamento da saída pode ser monitorado
através do LED de sinalização que permanece verde sem objeto e torna-se laranja
quando o objeto permanece na zona válida de detecção.

7 - Qual o melhor sensor?

Determinando a aplicação:

Observar:

- Qual o material a ser detectado?
- Qual à distância do alvo ao sensor?
- Qual o princípio ativo do sensor que melhor se adapta a identificar o alvo?
- Existe algum obstáculo que possa interferir na resposta do sensor?
- Qual a freqüência de acionamento do sensor?
- Quais as condições ambientais ao qual o sensor será submetido?


8 - Cuidados básicos com os sensores

Nunca:

Utilize lâmpadas incandescentes como carga ou teste. O filamento
quando frio apresenta um alto consumo de corrente, causando a queima
do sensor.

Manuseie o sensor estando o circuito energizado. Qualquer descuido
(curto - circuito), poderá ser fatal para o sensor e para você.

Acione um motor diretamente com o sensor, use dispositivos
apropriados como, por exemplo: Relês, Chaves - Contatoras, etc.

Observar:

Sempre a Tensão ( AC/DC) de alimentação , sua polaridade (
PNP / NPN ) , respeitar a capacidade de Corrente do sensor e
sua Temperatura de trabalho.

A existência de peças e ou partes móveis que possam atingir e
danificar a face do sensor e ou seu cabo.

A incidência de água, óleo, sujeira produtos químicos e ou
elementos que possam danificar ou interferir em seu
funcionamento.

Figura 26 – Cuidados básicos com os sensores


9 - Para a escolha apropriada de sensores eletrônicos, a seguinte terminologia é
adotada

a) Faixa de medida (RANGE): conjunto de valores da variável medida que estão
compreendidos dentro dos limites inferiores e superior da capacidade de medida ou
de transmissão do instrumento. Se Expressa determinando os valores extremos;

b) Alcance (SPAN): é a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa
de medida do instrumento. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida de
100ºC a 250ºC, possui um alcance de 150ºC.

c) Erro: é a diferença entre o valor medido ou transmitido pelo instrumento, em relação
ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente,
estável, chamaremos de "erro estático" que será positivo ou negativo, dependendo
da indicação do instrumento que poderá estar indicando a mais ou a menos. Quando
tivermos a variável se alterando, teremos um atraso na transferência de energia do
meio para o medidor, onde o valor medido estará geralmente atrasado em relação ao
valor real da variável. Esta diferença é chamada de "erro dinâmico";

d) Precisão: define-se como sendo o maior valor de erro estático que um instrumento
pode ter ao longo de sua faixa de trabalho. Pode ser expressa de diversas maneiras
como: porcentagem do alcance, unidade da variável e porcentagem do valor medido;

e) Zona morta: é a não alteração na indicação ou no sinal de saída de um instrumento
ou em valores absolutos da faixa de medida do mesmo, apesar de ter ocorrido uma
sensível variação da variável. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida
entre 0ºC a 200ºC possui uma zona morta de ±0,1% do alcance, ou seja, ±0,2ºC.
Portanto, para variações inferiores a este valor, o instrumento não apresentará
alteração da medida;

f) Sensibilidade (linearity): é a razão entre a variação do valor medido ou transmitido
para um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o
estado de repouso. Pode ser expressa em unidades de medida de saída e de
entrada. Por exemplo, um termômetro de vidro com faixa de medida de 0ºC a 500ºC
possui uma escala de leitura de 50cm, portanto, a sua sensibilidade é de 0,1cm/ºC;

g) Histerese: é a diferença máxima apresentada por um instrumento, para um mesmo
valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a
escala nos sentidos ascendente e descendente;

h) Repetibilidade: é a máxima diferença entre diversas medida de um mesmo valor da
variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Se Expressa em
porcentagem do alcance;

i) Resolução: é a menor variação que se pode detectar. A resolução está relacionada
com o número de "bit" do instrumento: quanto maior o número de "bit" melhor a
resolução. O cálculo da resolução de um instrumento é dado pelo quociente da faixa


de medida por 2número de "bit" do mesmo. Por exemplo, para um transdutor linear de
100mm e 12 bit, tem-se uma resolução de 0,024mm.

10 - Célula de Carga

As células de carga são sensores projetados para medir cargas estáticas e
dinâmicas de tração e compressão, princípio extensométrico e cargas de 0 a 300t.
As células são totalmente estanques (proteção IP67) e podem ser utilizadas em
atmosferas agressivas. Externamente o transdutor é usinado a partir de um único bloco
de aço inoxidável sem qualquer parte soldada. As células de carga são, ainda,
resistentes à vibração e impacto. O seu tamanho compacto permite sua aplicação em
pequenos espaços e em locais de difícil acesso.
O uso de células de carga como transdutores de medição de força abrange hoje
uma vasta gama de aplicações: desde nas balanças comerciais até na automatização e
controle de processos industriais.A popularização do seu uso decorre do fato que a
variável peso é Interveniente em qrande parte das transações comerciais e de medição
das mais frequentes dentre as grandezas físicas de processo. Associa-se, no caso
particular do Brasil, a circunstância que a tecnologia de sua fabricação, que antes era
restrita a nações mais desenvolvidas, é hoje amplamente dominada pelo nosso País,
que desponta como exportador importante no mercado internacional.
Um tipo de célula de carga é a Doc 438, modelo TU-K5C, para cargas de tração e
compressão da Gefran Brasil, com flange para a aplicação de cargas suspensas,
FLA703, e articulação esférica, SND022. A figura 27 apresenta as dimensões
mecânicas da célula de carga Doc 438 e sua montagem com junta esférica dupla e
flange para cargas suspensas. Algumas especificações técnicas desta célula:

- Precisão: 0,2%;
- Faixa de medição: 0 a 500Kg;
- Sensibilidade: 2mV/V;
- Erro combinado - não linearidade/histerese/repetibilidade: ±0,2% do fundo de escala;
- Tensão nominal de alimentação: 10V;
- Tensão máxima de alimentação: 15V;
- Faixa de temperatura permissível: -20ºC a 60ºC;
- Carga estática máxima: 130% a capacidade máxima;
- Carga dinâmica máxima: 100% a capacidade máxima;
- Carga máxima aplicável: 150% a capacidade máxima;
- Carga de ruptura: 300% a capacidade máxima;
- Grau de proteção (DIN 40050): IP67;
- Ligações elétricas: cabo blindado 4x0,25 / 3m;
- Material do elemento elástico: aço inoxidável.


Figura 27 - Célula de Carga

Embora a resolução da célula de carga seja infinita, pois depende da IHM
(GEFRAN, 1997), o conjunto célula de carga – IHM (figura 28) permitirá uma resolução
de 0,015Kg.

Figura 28 – Indicador de alta freqüência (IHM)

10.1 - Princípios de Funcionamento
O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da
resistência ôhmica de um sensor denominado extensômetro ou strain gage (Fig. 29),
quando submetido a uma deformação. Utiliza-se comumente em células de carga quatro
extensômetros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone (Fig. 30) e o
desbalanceamento da mesma, em virtude da deformação dos extensômetros, é
proporcional à força que a provoca. É através da medição deste desbalanceamento que
se obtém o valor da força aplicada.

Figura 29 - Extensômetro ou strain gage
Os extensômetros são colados a uma peça metálica (alumínio, aço ou liga cobre-
berílio), denominada corpo da célula de carga e inteiramente solidários à sua
deformação. A força atua, portanto sobre o corpo da célula de carga e a sua
deformação é transmitida aos extensômetros, que por sua vez medirão sua intensidade.


Figura 30 - Ponte de Wheatstone
Obviamente que a forma e as características do corpo da célula de carga devem
ser objeto de um meticuloso cuidado, tanto no seu projeto quanto na sua execução,
visando assegurar que a sua relação de proporcionalidade entre a intensidade da força
atuante e a conseqüente deformação dos extensômetros seja preservada tanto no ciclo
inicial de pesagem quanto nos cilcos subsequentes, independentemente das condições
ambientais. A forma geométrica, portanto, deve conduzir a uma "linearidade" dos
resultados (fig. 31).

Figura 31 - Gráfico de deformação x carga, mostrando histerese,
repetibilidade e não linearidade
Considerando-se que a temperatura gera deformações em corpos sólidos e que
estas poderiam ser confundidas com a provocada pela ação da força a ser medida, há
necessidade de se "compensar" os efeitos de temperatura através da introdução no
circuito de Wheatstone de resistências especiais que variem com o calor de forma
inversa a dos extensômetros.
Um efeito normalmente presente ao ciclo de pesagem e que deve ser controlado
com a escolha conveniente da liga da matéria-prima da célula de carga é o da
"histerese" decorrente de trocas térmicas com o ambiente da energia elástica gerada
pela deformação, o que acarreta que as medições de cargas sucessivas não coincidam


com as descargas respectivas (Fig. 31).
Outro efeito que também deve ser controlado é a "repetibilidade" ou seja,
indicação da mesma deformação decorrente da aplicação da mesma carga
sucessivamente, também deve ser verificada e controlada através do uso de materiais
isotrópicos e da correta aplicação da força sobre a célula de carga (Fig. 31).

Figura 32 - Gráfico de deformação x tempo mostrando a fluência ou creep
Finalmente, deve-se considerar o fenômeno da "fluência" ou creep, que consiste
na variação da deformação ao longo do tempo após a aplicação da carga. Este efeito
decorre de escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do material e
apresenta-se como variações aparentes na intensidade da força sem que haja
incrementos na mesma (Fig. 32).
10.2 - Alguns critérios devem ser utilizados na escolha de uma célula de carga
10.2.1- Capacidade nominal
A força máxima que ela deverá medir (OS fatores de segurança, 50% de
sobrecarga contra danos de funcionamento e 300% para a ruptura, são intrínsecos a
própria célula).
10.2.2 - Sensibilidade
A medição do desbalanceamento da ponte de Wheatstone é feita através da
variação da tensão de saída em função da tensão de excitação aplicada na entrada da
ponte.
Quando a célula de carga esta carregada, este valor é dado em milivolt por volt
aplicado e, normalmente, entre 2 e 3 mV/V. Isto significa que uma céluLa de carga de
30kg de capacidade nominal e 2mV/V de sensibilidade, com uma tensão de excitação
na entrada de 10 V, quando sujeita a uma força de 30Kg apresentará na saída uma
variação de tensão de 20mV.

10.2.3 - Precisão
É o erro máximo admissível relacionado em divisões da capacidade nominal. As
células de carga neste caso podem ser divididas em:


Baixa precisão: até 1.000 divisões (ou 0,1% da capacidade nominal)
Média precisão: de 3.000 a 5.000 divisões (ou 0,03 a 0,02% da capacidade nominal).
Alta precisão: 10.000 divisões (ou 0,01% da capacidade nominal)
10.2.4 - Formato
De acordo com a aplicação, determinados formatos são requeridos,
considerando-se se a carga é apoiada (células tipa viga) ou se a carga é sustentada
(célula tipo Z), ou ainda se a carga introduz momentos torsores na célula (células tipo
single point).

10.2.5 - Ambiente de trabalho
Ambientes úmidos quimicamente agressivos requerem células de carga
herméticas, com grau de proteção IP67, que se consegue normalmente nas do tipo
shear-beam. Dever ser evitado o uso de células de carga em ambientes sujeito à
vibração intensa, apesar do projeto das mesmas incluir uma verificação de freqüência
natural, no sentido de se evitar o fenômeno de ressonância.
O uso de células de carga em ambientes explosivos deve ser acompanhado por
barreiras de segurança intrínseca. Alerta-se que o uso de barreiras de segurança
intrínseca inserem resistências em série nos circuitos, o que poderia baixar as tensões
da excitação. É recomendável o uso de indicadores que compensem esta diminuição
através de ligações a 7 fios (tipo Kelvin).
10.2.6 - Dispositivos de montagem
Devem ser escolhidos visando não transmitir à célula de carga nenhum outro
esforço que não seja o da força a medir e, portanto, visando assegurar para a carga
todos os graus de liberdade de deslocamento possíveis, à excessão do relativo à
direção da força a medir.
10.2.7 - Tempo da pesagem
Muitas vezes dispõe-se de um tempo limitado para se efetuar a pesagem. Neste
caso deve-se considerar 1 segundo como um tempo mínimo para cada pesagem,
considerando-se o amortecimento das oscilações que a célula sofre ao receber o
carregamento. Eventualmente este tempo pode ser reduzido através do uso de sistemas
de amortecimento.

10.2.8 - Limites de sobrecarga e deslocamentos
Em células de carga tipo flexão ou bending, normalmente de baixa capacidade, é
necessário prever-se limites de sobrecarga que impeçam a célula de carga de deformar-
se além de um dado valor. Nas células tipo cisalhamento (shear beam) e compressão
(canister), são difíceis aplicar limites de sobrecarga, tendo em vista o pequeno valor da


flecha produzida em função da carga nominal aplicada e, portanto, cabe ao usuário
precaver-se quanto a eventualidade do uso de cargas excessivas.
Outros limites de deslocamento usados são os tirantes, necessários para limitar o
deslocamento de tanques e silos, quando as células de carga estão situadas abaixo do
centro de gravidade dos mesmos (portanto, não são autocentrantes), sujeitos a ação
dos ventos ou com misturadores instalados. O objetivo destes tirantes é obstar
deslocamentos não verticais.

10.2.9 - Conclusão
As células de carga são transdutores bastante precisos e de vida útil muito longa
(são projetados e testados em protótipo para dez milhões de ciclos de pesagem). Esta
longetividade e precisão podem ser facilmente obtidas desde que sejam
convenientemente especificadas e instaladas. A assessoria técnica do fabricante é
sempre muito útil e evita falhas de projeto muito custosas. Procurou-se dar aqui algumas
informações fundamentais,
que não excluem, porém a eventual necessidade daquela consulta, a qual fortemente
recomenda-se não renunciar.

10.3 – Exemplos de Células de Cargas

Célula de carga para compressão em corte

Dispositivos para utilização de Células de Carga,
aplicadas no mundo inteiro.


Modelo de Célula para Compressão

Modelo de Célula para tração
Figura 33 – Modelos de Células de Carga

11 - Encoders

Podemos definir este equipamento como sendo um transdutor que executa a
transformação (decodificação) de um movimento mecânico em um sinal eletrônico. Seu
funcionamento está baseado na interrupção ou não de um sinal óptico, normalmente um
feixe luminoso, conseguido comumente através de um emissor e um sensor separados
pôr um nônio e um disco de vidro, plástico ou metais estriados que alternadamente
permitem ou não a passagem de luz do emissor para o receptor.
Quando o disco sofre um deslocamento angular interrompe a passagem de luz,
gerando um pulso. Este pulso representa um certo ângulo mínimo, que define a
resolução do sistema. Podermos dividir estes equipamentos em dois tipos:
• Encoders incrementais;
• Encoders absolutos.


11.1 – Encoder Absoluto

Em um encoder absoluto cada posição representada unicamente pôr um código
padrão. Este código prove de trilhas independentes e está gravado no disco do encoder,
onde para cada trilha existe um sensor óptico correspondente. Cada sensor irá fornecer
um sinal de nível lógico “1” ou “0” dependente do código padrão do disco para cada
posição (ver figura abaixo). Uma vantagem deste tipo de encoder é que não haverá
perda da posição no caso de falta de energia, pois não é necessário indexar ou
referenciar a partir de um determinado ponto.

Figura 34 – Disco codificado de um encoder absoluto

Cada trilha do disco codificado significa um bit, dependendo então do número
de trilhas verificaremos a resolução deste sistema. Pôr
exemplo, um disco com 8 trilhas poderá identificar 256
posições diferentes. A expressão (8) mostra
analiticamente como podermos determinar a resolução
de um encoder absoluto em função do número de bits
do disco codificado.

∆θ = 360° (8)
N
2
Onde: N é o número de bits ou trilhas do disco.

O disco do encoder pode ser codificado de
varias maneiras diferentes, porém, existem dois
códigos que são os mais utilizados: o código binário e o
código de Gray. O código binário é amplamente
utilizado nas aplicações para automação industrial e o
código de Gray, possui como principal vantagem a que
de uma posição para outra apenas um bit é alterado. Assim, fica possível encontrar
erros provocados pôr ruídos elétricos ou eletromagnéticos através de software.
Podemos ainda, dividir os encoders absolutos em dois tipos: single turn e
multi turn. Os encoders do tipo single turn repetem o código da posição a cada 360°


para uma volta do eixo. Normalmente estes encoders são fornecidos até a resolução de
14 bits, ou seja, 16384 posições por volta, ou ainda, o menor ângulo que pode ser
representado é o de 0,02I9°. Já os do tipo multi turn possuem discos codificados
adicionais que permitem a leitura de varias voltas. A figura Abaixo pode nos dar uma
idéia de como isto é realizado.

Figura 35 – Disco codificado de um encoder absoluto multi-turn

A resolução do encoder absoluto é dada por contagem/revolução, isto é, se
ele tiver no seu disco (encoder rotativo) 12 faixas para código de gray, então terá 2¹²
combinações possíveis perfazendo um total de 4096 combinações.
Com relação à saída destes encoders podemos encontrar: saída paralela,
saída serial ou comunicação em rede. Para os encoders com saída paralela, para cada
bit existe um condutor, e o elemento de controle
deverá obviamente possuir uma porta paralela
para leitura destes sinais. Os encoders com saída
serial são muito utilizados, pois a grande maioria
dos processadores no mercado utilizam este
sistema de transmissão de dados.


Existem algumas vantagens, dentre as quais:

• Baixo custo em função do cabeamento;
• Maior velocidade de transmissão (até 1,5 G bps);
• Reduzido número de componentes;
• Maior imunidade a ruídos.

Os encoders com saída para comunicação em rede também são seriais,
porém adotam protocolos amplamente conhecidos no mercado de automação, como pôr
exemplo: CAN (Devicenet), Interbus, Profibus (DP) e entre outros.

11.2 – Aplicações dos Encoders Absolutos

As aplicações para este tipo de encoder seriam aquelas onde necessitamos
fazer posicionamentos em uma única volta e que podem permanecer desativadas pôr
um longo período de tempo, tais como:

• Radares;
• Telescópios;


• Guindastes;
• Manipuladores;
• Robôs;
• Comportas;
• Sistemas de nível;
• Posicionamento de eixos;
• Posicionamento de válvulas;
• Mesas planas, etc.

11.3 – Encoder Incremental

Nestes encoders cada deslocamento angular é representado pela geração de um
pulso. É possível ainda determinar o sentido de rotação do eixo através do nônio ou de
duas faixas regularmente defasadas (ver figura 36). Na verdade um circuito eletrônico
poderá detectar o sentido de giro através de operações lógicas. O encoder incremental
fornece normalmente dois pulsos quadrados defasados
em 90º, que são chamados usualmente de canal A e
canal B. A leitura de apenas um canal fornecendo
somente a velocidade, enquanto que a leitura dos dois
canais fornece também o sentido do movimento. Um
outro sinal chamado de Z ou zero também está
disponível e ele dá a posição absoluta zero do encoder.
Este sinal é um pulso quadrado em a fase e a largura é
as mesmas do canal A.

Figura 36 – Encoder Incremental

A resolução é determinada através do número de pulsos que o encoder gera pôr
volta ou pelo número de pulsos pôr rotação (PPR). A máxima resolução que
encontrarmos para estes casos está pôr Volta de 10000 pulsos/rotação (podendo
chegar a 40000 com alguns recursos adicionais), pois acima disto fica muito difícil
construir ranhuras tão próximas umas das outras.
O que não devemos nunca esquecer é que a resolução do encoder deve ser
igual, ou melhor, do que aquela requerida pela aplicação.
Como todo transdutor o encoder incremental possui duas velocidades inerentes: a


mecânica e a eletrônica, que pôr sua vez impõem limites a velocidade de operação. A
combinação de vários fatores tais como, rolamentos, freqüência de resposta, PPR
para cada aplicação, também influencia nestas questões. De modo geral, a máxima
velocidade de operação para um encoder incremental depende diretamente da
aplicação. Podemos determinar a velocidade de operação para nina dada aplicação
através da seguinte expressão:

f = PPR x n
60

Onde: f é a freqüência de operação [Hz];
PPR é a resolução do encoder;
n é a rotação [rpm].
Para os terminais de saída é adotada uma terminologia própria. Os sinais são
transmitidos utilizando circuitos de corrente continua, para que sejam atingidas altas
velocidades de transmissão. Esta transmissão é feita pôr uma corrente que pode fluir do
encoder para o circuito (NPN) ou do circuito para o encoder (PNP), embora a maioria
dos encoders possa ser configurada em outros padrões, além do PNP ou NPN, tais
como: Push Pull, Line Drive ou RS422.
Os encoders incrementais ainda podem ser unidirecionais ou bidirecionais ou
ainda com sinal de referencia. Adicionalmente podem ser transmitidos também como
sinal singular “sigle ended” ou com seus sinais complementares “diferenciais”.

Para a especificação de encoders incrementais devem ser informadas algumas
características, que podemos dividir em:

• Mecânicas: flange, diâmetro do eixo ou eixo vazado, máxima carga do
eixo, pulsos pôr volta, velocidade, momento de inércia, temperatura de operação,
proteção [IP], dimensões e tipo de conexão (elétrica).

• Eletrônicas: freqüência, tipo de eletrônica, formato da saída, imunidade a
ruído, proteção do circuito (inversão de polaridade, sobretensão, curto-circuito na saída)
e alimentação.

As aplicações para encoders incrementais abrangem vários processos entre os quais
podemos citar:

• Realimentação de sistemas digitais de controle de velocidade;
• Maquinas de embalagens;
• Ajustes de fusos para preparação de espessura de um produto;
• Robôs;
• Misturadores;
• Mesas rotativas.


12 – Sensor de Umidade

As medições de umidade é feitas desde o século XV com relação à atmosfera.
Não é difícil se fazerem medições de umidade, a menos que se exija muita precisão e
controle rigoroso. Há três métodos gerais para se medir a umidade relativa do ar: o
psicrômetro, o sensor eletrônico e o ponto de orvalho.
No método do psicrômetro é utilizado como sensor um fio de cabelo humano ou
uma membrana animal que muda de dimensões com a umidade. Durante muitos anos
estes elementos higromecânicos foram usados como indicadores e como chaves de
controle.
O sensor elétrico satisfaz a necessidade industrial quanto a velocidade,
versatilidade, precisão e alta sensibilidade, usando massa pequena e componentes não-
metálicos.
Onde é importante o teor real de água do ar, ou onde a condensação da umidade
deve ser evitada, aplica-se com mais eficiência o controle do ponto de orvalho.

12.1 – Sensor Eletrônico

Um sensor eletrônico de umidade é um dispositivo de precisão capaz de detectar
uma variação de 1% na umidade relativa.
Um tipo de sensor eletrônico é constituído de duas grades de ouro entrelaçadas,
estampadas sobre plástico e cobertas com uma complexa camada de sais
higroscópicos. Conforme aumenta a umidade relativa (UR), a camada se torna mais
condutiva e a resistência entre as grades diminui. A variação de resistência é calibrada
em unidades de UR, e o controlador associado interpreta as variações de modo a ativar
o equipamento adequado de controle de umidade.

12.2 – Sensor Ponto de Orvalho

Um tipo de sensor de ponto de orvalho consiste em eletrodos de fio bifilar,
enrolados sobre uma luva de pano, que cobre um tubo oco ou carretel. (Bifilar significa
um enrolamento de dois fios enrolados lado a lado, separados de uma distância
uniforme). A luva de pano é impregnada com uma solução de cloreto de lítio e deixada
secar. Os fios bifilares são ligados ao secundário de um transformador integral. Os
eletrodos bifilares não estão interligados. Dependem da condutividade do cloreto de lítio
atmosfericamente umedecido para que haja um fluxo de corrente.
O cloreto de lítio possui duas características únicas que o tornam apropriado às
medidas de ponto de orvalho. Ë altamente higroscópico, isto é, tem uma grande
afinidade com o vapor d’água e tem uma habilidade inerente para manter-se em um
valor constante pouco acima dos 11%, quando presente em uma atmosfera úmida e
aquecida por uma corrente elétrica que o percorra. Para valores de 11% ou abaixo, o
cloreto de lítio da luva seca-se e se transforma em sólido cristalino e não é condutor.
Um segundo tipo de detector de ponto de orvalho usa uma câmara de
observação onde é introduzida uma amostra de gás que contém vapor úmido. Um
manômetro indica diretamente a relação entre a amostra do gás e a pressão
atmosférica. A amostra de gás é mantida a uma pressão um pouco acima da
atmosférica. Quando se abre uma válvula de operação, o gás escapa para a câmara de


observação e se expande à pressão atmosférica. Quando o gás é libertado acende-se
uma lâmpada, de modo que quando o gás se resfria, abaixo do ponto de orvalho, forma-
se uma névoa característica na câmara. O procedimento é repetido de modo a
estabelecer o ponto final ou o ponto de fuga da neblina. Este ponto final pode ser
determinado com precisão quando medido pela relação de pressão do ponto de fuga.
Outras técnicas do ponto de orvalho envolvem a observação da formação do
orvalho sobre uma superfície polida, e diminuindo a temperatura por técnicas de
refrigeração obtém-se um depósito de orvalho dos gases confinados.
A medição e/ou controle da umidade é desejável ao se estabelecer um ambiente
confortável ao homem (como as áreas de temperatura e umidade controladas para
trabalhos especiais), em áreas de armazenamento, em gases comprimidos usados em
instrumentação e trabalhos analíticos, em fornalhas de atmosfera controlada e em
fornos de secagem. O controle da umidade é também essencial na indústria do papel,
para que o mesmo possa ser calandrado na espessura correta e armazenado sem
expansão dimensional. Sem o controle adequado da umidade, o papel poderia ser
esticado no processo de calandragem e depois ser contraído até se quebrar.

12.3 – Sensores Capacitivos de Umidade

O tipo mais usado para medida de umidade relativa em higrômetros de uso
doméstico, comercial ou industrial é o capacitivo.
Este sensor é formado por uma folha de material não condutivo coberta nas duas
faces por uma finíssima camada de ouro (condutor) numa estrutura que corresponde
justamente a um capacitor plano.
A construção desse capacitor, entretanto, é tal que a umidade do ar pode
penetrar com facilidade no material dielétrico, alterando sua capacitância. Com a
penetração da umidade a capacitância aumenta.
Para um sensor típico, a capacitância se altera de aproximadamente 112 pF para
uma umidade relativa de 10% para 144 pF para uma umidade relativa de 90% (que é a
faixa de utilização do sensor).
Para dar acesso à umidade ao dielétrico, o conjunto é montado num invólucro
dotado de pequenos orifícios.

Figura 37 - Sensor de temperatura e umidade


12.3.1 – Sensor de Umidade da Philips Components

Com um número de catálogo bastante complicado para ser utilizado numa loja, o
sensor 2322 691 90001 da Philips Components possui características que permitem sua
utilização em higrômetros de boa precisão. Algumas publicações técnicas tratam este
sensor como um "umidistor", mas não achamos que este seja um nome conveniente.

As principais características deste sensor são:

· Faixa de umidades medidas: 10% a 90%
· Sensibilidade entre 12 e 75% de umidade relativa: 0,4 pF / %
· Faixa de freqüências de operação : 1 kHz a 1 MHz
· Tensão máxima AC ou DC: 15 V
· Faixa de umidade para armazenamento: 0 a 100%
· Faixa de temperatura de operação: 0 a 85 graus centígrados

13 – Sensor de PH

O princípio de funcionamento dos sensores de pH é muito simples.

Figura 38 – Sensor de PH
O bulbo de vidro detecta íons de H+ e gera uma corrente elétrica (59,2 mV por
unidade de pH a 25 oC). O gel interno recebe a corrente elétrica (+) e transmite ao
interior do sensor. O fio de prata pura (tratado com cloreto de prata AgCl) capta a
corrente e transmite ao cabo de conexão, que leva o sinal do sensor ao
leitor/controlador.
13.1 - Sensor de referência:

Figura 39 – Sensor de Referência


O septo poroso isola o gel ou solução interna de KCl do meio externo. A
concentração constante de íons de cloreto dentro do sensor gera uma corrente elétrica
(-) com o fio de prata. O fio de prata pura (tratado com cloreto de prata AgCl) capta a
corrente e transmite ao cabo de conexão, que leva o sinal do sensor ao
leitor/controlador.

Figura 40 – Sensores de PH

13.2 – Sensor combinado de pH e referência

Figura 41– Sensor Combinado
Um sensor combinado consiste de um sensor de pH e um sensor de referência
dentro de um mesmo corpo.
13.3 – Aplicações típicas para estes sensores são:
• Efluentes oleosos ou gordurosos;
• Lodo calcário;
• Refinamento de açúcar;
• Emulsões;


• Lavagem de gases;
• Coagulação de floculantes;
• Fabricação de papel e celulose;
• E muitas outras;

13.4 – Especificações
Banda de pH: 0 - 12 pH
o
Banda de temperatura: 0 - 50 C.
Banda de pressão: 0 - 100 psi.
Sensor de referência: Duplo septo poroso com Ag/AgCl

14 – Interferômetro

O interferômetro é um aparelho inventado pelo norte-americano Albert Michelson
que permite calcular a velocidade da luz.

Figura 42 – Interferômetro
14.1 – Funcionamento

O interferômetro de Michelson (1852 - 1931, prêmio Nobel em 1907), é a forma
fundamental da grande variedade de interferômetros de 2 feixes. No esquema a seguir
(fig.43), a luz vem expandida da fonte L, incide na placa paralela P, sofre uma refração
até incidir na outra superfície semi-espelhada, aonde irá se dividir em 2 feixes, os quais
irão atingir os espelhos A1 e A2 perpendicularmente.


Figura 43 - Esquema óptico do interferômetro

Os retornos dos feixes irão atingir a face semi-espelhada da placa P, e as franjas
de interferência podem ser vistas diretamente a olho nu, ou através de um telescópio F.
Notar que a luz refletida por A2 passa através da placa P 3 vezes, enquanto que a luz
refletida por A1 passa apenas 1 vez. A placa compensadora P1 é idêntica na espessura
e no paralelismo à placa P.
Sua inserção vai equalizar os caminhos dos dois feixes.
Quando os espelhos estiverem a distâncias iguais e perpendiculares, o campo de
interferência será uniforme. Quando as superfícies refletoras não estiverem
perpendiculares, as franjas passam de circulares a linhas. Quanto maior a diferença
entre as distâncias dos espelhos A1 e A2 à placa P, mais círculos concêntricos de
interferência serão observados. Assim toda vez que o deslocamento do espelho móvel
atingir um valor múltiplo de l /2, o valor da intensidade se repete.
A presença das lâminas de vidro trazem também um sistema paralelo de
reflexões na segunda face e conseqüentemente de franjas. A intensidade deste sistema
secundário é fraca, e dificilmente é possível observá-lo.

Figura 44 - Sugestão para o alinhamento


14.2 – Objetivos

Familiarização c/ o instrumento e alinhamento de seus elementos. Uso do
interferômetro para medidas precisas de pequenos deslocamentos, l de fontes
monocromáticas, comparação de superfícies planas, medida de comprimento de
coerência de diversas fontes luminosas e índice de refração de gases.

14.3 - Procedimento experimental

14.3.1 – Alinhamento

O feixe direto emitido pelo Laser constitui um fino raio intenso, monocromático e
coerente que facilita o alinhamento (fig.44). A idéia aqui é a de alinhar os espelhos de
modo que a reflexão de cada um deles volte exatamente pelo mesmo caminho, o que
pode ser verificado observando as reflexões sobre o cartão c/ furo.
Quando os espelhos estão alinhados (Perpendiculares entre si) as duas reflexões
sobre S, voltam passando pelo furo.
Observe que o espelho A2 possue apenas 1 grau de liberdade e o espelho A1
possue 2. Logo para que as reflexões retornem ao Laser, a reflexão do espelho 2 só
pode ser ajustada deslocando todo o equipamento ( A base toda), só depois ajusta-se a
reflexão do espelho 1 através dos parafusos.
Na condição de alinhamento perfeito, devem-se observar círculos de
interferência. Para ligeiros desalinhamentos se observam franjas aproximadamente
retas e paralelas. Estas figuras de interferência são mais fáceis de se observar com uma
fonte extensa ou com um feixe expandido. Por esta razão, depois do alinhamento inicial
utilizamos uma lente divergente para expandir o feixe Laser, permitindo assim observar
no anteparo o padrão de interferência. O ajuste é feito alinhando com cuidado o espelho
1, de modo a se observar o padrão na forma de círculos.
É importante lembrar que a distribuição luminosa do feixe Laser não é uniforme,
mas sim Gaussiana, ou seja, mais intensa no centro do que nas bordas. Assim, o
encontro da borda de um feixe com o centro de outro produz franjas de menor
visibilidade.

14.3.2 – Escala do parafuso micrométrico

Devido à ordem de grandeza dimensional que é operada no interferômetro
(350nm) é necessários um sistema mecânico que permita o deslocamento do espelho
com bastante suavidade.
Conforme pode ser observado no equipamento, o espelho é deslocado através de um
sistema de redução por alavanca, conjugado com um parafuso micrométrico.
A cada duas voltas do parafuso, sua ponta desloca 1mm, e o espelho através da
alavanca caminha aproximadamente 5 vezes menos ( Os equipamentos não são
exatamente iguais).
A cada duas voltas do parafuso, sua ponta desloca 1mm. (0,5mm por volta)
A escala do tambor do parafuso divide 1mm em 100 partes (0.01 mm por divisão).


14.3.3 – Calibração do parafuso micrométrico

Determinação da relação de redução
R = D Lparafuso / D Lespelho ou
R = no divisões parafuso /D Lespelho. I

Iluminando o interferômetro com a luz extensa do Laser de He-Ne e inclinando
levemente o espelho para se obter franjas quase retas, desloca-se o parafuso do
espelho móvel um certo número de divisões e conta-se o número de franjas de
interferência que passam pelo centro do campo de visão.

Figura 45 - Sistema de redução dos movimentos

Cada interferômetro possue uma razão de redução R entre os movimentos do
parafuso micrométrico e o espelho móvel, o valor desta razão deverá ser determinada
com precisão (Fazer várias leituras e depois um tratamento estatístico).
Obs.1 - Cada franja que aparece ou desaparece no campo de visão, representa um
deslocamento do espelho móvel de l/2.
Obs. 2 - O Laser de He-Ne tem l = 632.8 nm (6328 A)

14.3.4 – Determinação do l de uma fonte espectral

Depois de conhecida a geometria do equipamento, é possível através de um
processo inverso ao que foi feito, determinar-se o l de uma outra linha espectral, através
da contagem das franjas interferométricas (R = D L parafuso / D L espelho).
Substituindo-se o Laser por uma lâmpada espectral, selecione o l que se deseja
determinar, interpondo um filtro para selecionar uma faixa desejada, coloque no suporte
do interferômetro uma placa de vidro despolido para espalhar a luz e incline levemente o
espelho móvel para tornar as franjas aproximadamente retas. As franjas não serão mais
projetadas na parede, só poderão ser vistas diretamente no equipamento.


14.3.5 – Determinação do Dl das linhas do Na

Substituindo-se a fonte de luz por uma lâmpada de sódio, coloque no suporte do
interferômetro uma placa de vidro despolido para difundir a luz e incline levemente o
espelho móvel para tornar as franjas mais ou menos retas.

Figura 46 - Curva de contraste dos anéis

Devido à proximidade dos ls das duas linhas amarelas do sódio, aparece um
padrão de franjas cuja visibilidade aumenta e diminui periodicamente (Fig. 46) ao
variarmos bastante a distância entre os espelhos através do parafuso micrométrico.
Observando a distância que o espelho móvel caminha, determine T usando o DL
do parafuso micrométrico e a R já aferida entre os máximos de contraste (ou mínimos
que são mais fáceis de discriminar), para calcular o Dl das duas linhas amarelas do
sódio .
Obs. Para o cálculo usar o lmédio medido ou consultar uma tabela.

14.4 – Resumo do roteiro sugerido

a) - Alinhar o interferômetro (Observe os reflexos no Laser).
b) - Encontrar as franjas de interferência usando-se o Laser de He-Ne com um
expansor.
c) - Contar aproximadamente 300 franjas, note que o erro será menor se o no de franjas
coincidir com um no de divisões no parafuso completas e plotando um gráfico de várias
medidas. Determinar a razão de redução parafuso/espelho.
d) - Usando a razão encontrada no item anterior, determine o l de alguma das linhas
espectrais do Hg ou o lmédio do Na (Contar aproximadamente 200 franjas). Observe que
as franjas não serão mais projetadas, e sim observadas dentro do equipamento - Usar
um filtro p/ (selecionar a faixa espectral desejada).
e) - Usando a lâmpada de Na, determine a diferença de comprimento de onda Dl do
"dublet", não contar as franjas, apenas observar os ciclos de contraste.
f) – Usando um Laser ou uma lâmpada de luz branca, encontre a condição de Diferença
de caminho ótico nulo (DCON) onde haverá franjas policromáticas.
g) – Determinar o índice de refração do ar.
h) – Se a placa compensadora for removida, o que ocorrerá – explique.


14.4.1 – Medidas de pequenas diferenças de comprimento de onda

A figura 47 representa num esquema resumido, alguns elementos importantes
para a formação da figura de interferência pelo interferômetro de Michelson.
S1 e S2 são as duas imagens virtuais, formadas pelos dois espelhos, da fonte de luz a
ser analisada pelo instrumento. A figura de interferência, na forma de anéis concêntricos
claros e escuros forma-se no anteparo A e é centrada no ponto P. Imaginemos agora
que cada uma das fontes virtuais (de mesma potência) emita em duas freqüências muito
próximas w1 e w 2, sendo w 1>w2.

Figura 47 - Formação da figura de interferência

Suponhamos que para a freqüência w1 a intensidade no ponto P seja máxima, o
que implica (ver equações para o interferômetro) em:
d = (m + 1/2) l1 m = 0,1,2,... (1)
Onde d é à distância entre as duas imagens (S1 e S2) e l1 é o comprimento de onda
associado à freqüência w1.
Suponha que ao mesmo tempo em que isto acontece, a intensidade em P para a
freqüência w2 seja mínima (zero), o que implica em:
d = m l2 = 2m l2/2 m = 0,1,2,... (2)
onde l2é o comprimento de onda associado à w2.
Estas duas últimas equações, quando satisfeitas simultaneamente para a
distância d significam que o anteparo está uniformemente iluminado pelas duas fontes,
pois onde existe um mínimo de interferência para w2 (anel escuro), existirá um máximo
para w1 (anel claro) e vice-versa. Chamaremos esta condição de condição de
anticoincidência de anéis.
Nesta condição, podemos afirmar que no comprimento d cabe exatamente um
número ímpar de meios comprimentos de onda l1 e um número par de meio
comprimento de onda l2. [Ver eqs. (1) e (2)].
Como a razão d/(l1/2) é um número ímpar, e d/(l2/2) é um número par, teremos
evidentemente:
[d/(l1/2)] - [d/(l2/2)] = número ímpar = N. (3).
Se o espelho móvel do interferômetro for agora deslocado de tal forma que surja a nova
condição de anti-coincidência, teremos:
[d’/(l1/2)] - [d’/(l2/2)] = N + 2 (4)
porquê N + 2 é o número ímpar mais próximo que se segue a N. Nesta equação, d’ é a
nova distância entre as imagens virtuais S1 e S2.
Subtraindo a eq. (3) da eq. (4) e fazendo D = d’- d, teremos:
(2D/l1) - (2D/l2) = 2 . (5)


Como l1 = l m - Dl /2 e l2 = l m + Dl /2, onde lm = (l1 + l2)/2, e Dl = l2 - l1, deduz-se
imediatamente que:
D l»(lm)2/D (6)
onde se considerou (Dl )2 » 0 devido D l<<lm.
Finalmente, lembrando-se que ao se deslocar o espelho móvel de uma distância
x qualquer a imagem se desloca de 2x, podemos escrever:
D l» (lm)2/2T (7)
onde T é a distância que o espelho do interferômetro efetivamente se move para que
ocorram duas anti-coincidências sucessivas no anteparo.

14.4.2 – Franjas de luz branca - Equalização dos dois braços do interferômetro
(DCON)

Deslocando-se o espelho móvel, ou seja, variando a distância entre os dois
braços do interferômetro, pode-se observar que o tamanho dos anéis varia. Isto
depende se a diferença de caminho óptico está aumentando ou diminuindo, (Se a
diferença entre os dois diminui, o raio dos anéis aumenta) e pode, portanto ser
aproveitada para achar o ponto, onde a diferença de caminho óptico é nula (DCON).
Nesta situação o tamanho dos anéis é tão grande que não cabe mais no campo de
observação.
Retirando-se a lâmpada de Na, coloca-se uma lâmpada de luz branca com um
filtro interferencial ( 5 nm de largura de passagem), o que torna a luz "quase"
monocromática.
Como na situação anterior, as franjas não serão projetadas, mas sim observadas
diretamente no equipamento.
Variando-se a posição do espelho móvel, quando se atinge a condição de DCON
surgirão franjas, sendo que seu aparecimento e desaparecimento não são periódicos
(Ocorrerá apenas uma vez).
Na posição de máximo contraste, pode-se retirar o filtro deixando-se apenas a
fonte de luz, que ainda haverá franjas, porém não mais monocromáticas, mas sim
policromáticas (Apresenta apenas um máximo de visibilidade com uma franja preta e
umas poucas coloridas de cada lado) ao se atingir exatamente o DCON.
Note que ao substituir ou deslocar a fonte de luz, as franjas de interferência não mudam
de posição.

14.4.3 – Medida do índice de refração de gases

Figura 48 - Esquema para a medida com gases


Para que seja possível fazer a medida do índice de refração de um gás, uma cela
deve ser fixada firmemente no lado do braço variável do interferômetro, de modo que
não haja nenhum movimento principalmente devido à tração das mangueiras (fig. 48).
O interferômetro deverá ser alinhado com um Laser ou uma lâmpada de Hg até
que as franjas se tornem circulares.
Ligar a bomba de vácuo e abra a válvula lentamente para que haja tempo de registrar
os dados até que o sistema esteja vazio,
A sugestão do procedimento, é que um observador conte as franjas e outro anote a
pressão do gás, o que pode ser feito a cada 5 franjas.
Um termômetro poderá ser acoplado à cela para anotar variações de sua
temperatura. A leitura do manômetro plotada com o número de franjas nos fornecerá
uma reta de onde poderemos obter o valor dN/dP ( dN é a variação do no de franjas e o
dP é variação de pressão).
Se o comprimento da cela for l, a variação do caminho óptico com a admissão do gás de
índice de refração n será de 2 l ( n -1 ) e o número de franjas contadas será de 2 l ( n-1 )
/l ,
onde l é o comprimento de onda da luz usada no experimento.

O índice de refração do gás depende quase que inteiramente da densidade e não
da pressão e da temperatura separadamente.
Notar que somente as diferenças de pressão devem ser consideradas
Um outro método, consiste em determinar o DCON antes de introduzir o gás na cela
(cela com ar ou vácuo) , e o novo DCON com o gás a ser determinado, então a partir do
deslocamento do espelho entre as duas situações, é possível calcular o índice de
refração do gás.
Para que as medidas sejam confiáveis não esquecer de:
a) Desvios da lei de gás ideal assumida no modelo matemático.
b) Mudança nas dimensões da cela devido à pressão atmosférica quando estiver em
vácuo.
c) Influência da umidade relativa do ar.
d)Variações dimensionais do interferômetro durante as medidas.

15 - Sensores de Temperatura

O controle de temperatura é necessário em processos industriais ou comerciais,
como a refrigeração de alimentos e compostos químicos, fornos de fusão (produção de
metais e ligas, destilação fracionada (produção de bebidas e derivados de petróleo),
usinas nucleares e aquecedores e refrigeradores domésticos (fornos elétricos e
microondas, freezers e geladeiras)).


15.1 - Medição de temperatura com Termopar

Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma
de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual
se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é
levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito
elétrico por onde flui a corrente.
O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de
medição é chamado de junta fria ou de referência.

Figura 49 – Partes de um Termopar

O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m. Este
princípio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a
medição de temperatura. Nas aplicações práticas o termopar apresenta-se
normalmente conforme a figura acima.
O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura (∆T) existente entre as
juntas quente e fria, será de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.

15.1.2 – Efeitos Termoelétricos

Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções
mantidas a diferentes temperaturas, quatro fenômenos ocorrem simultaneamente: o
efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta.
A aplicação científica e tecnológica dos efeitos termoelétricos é muito importante e
sua utilização no futuro é cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades
termoelétricas dos semicondutores e dos metais levam, na prática, à aplicação dos
processos de medições na geração de energia elétrica (bateria solar) e na produção de
calor e frio. O controle de temperatura feito por pares termoelétricos é uma das
importantes aplicações do efeito Seebeck.
Atualmente, busca-se o aproveitamento industrial do efeito Peltier, em grande
escala, para obtenção de calor ou frio no processo de climatização ambiente.


15.1.2.1 – Efeito termoelétrico de Seebeck

O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck
quando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A
e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir um diferença de temperatura
∆T entre as suas junções. Denominamos a junta de medição de Tm, e a outra, junta de
referência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida como
efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante,
verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste.
Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro.

Figura 50 – Efeito Termoelétrico Seebeck

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal
diferem de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando dois condutores
diferentes são conectados para formar duas junções e estas são mantidas a diferentes
temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos diferentes.

15.1.2.2 – Efeito termoelétrico de Peltier

Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoelétrico com ambas as
junções à mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma
corrente no termopar, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não
inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variação adicional de temperatura é o efeito
Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria
exterior como pelo próprio par termoelétrico.

Figura 51 – Efeito Termoelétrico Peltier

O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma
junção, sendo independente da temperatura da outra junção.O calor Peltier é reversível.
Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor
Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto.


15.1.2.3 – Efeito termoelétrico de Thomson

Em 1854, Thomson conclui, através das leis da termodinâmica, que a condução
de calor, ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta
corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio.
Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura em
uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional na
distribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson.
O efeito Thomson depende do metal de que é feito o fio e da temperatura média
da pequena região considerada. Em certos metais há absorção de calor, quando uma
corrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de calor
quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito,
isto é, há liberação de calor quando uma corrente elétrica flui da parte quente para a
parte fria do metal. Conclui-se que, com a circulação de corrente ao longo de um fio
condutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto pelo calor
dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.

15.1.2.4 – Efeito termoelétrico de Volta

A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado a
seguir:
“Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre
eles uma diferença de potencial que pode ser da ordem de Volts”.
Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida
diretamente.

15.1.3 – Leis Termoelétricas

Da descoberta dos efeitos termoelétricos partiu-se através da aplicação dos
princípios da termodinâmica, a enunciação das três leis que constituem a base da teoria
termoelétrica nas medições de temperatura com termopares, portanto, fundamentados
nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os fenômenos que ocorrem na
medida de temperatura com estes sensores.

15.1.3.1 – Lei do circuito homogêneo

“A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais
diferentes, com suas junções as temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de
temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios". Em outras palavras, a f.e.m.
medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e
das temperaturas existentes nas junções.


Figura 52 – Lei do circuito homogêneo

Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grande
variação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares,
que esta não influirá na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre as
juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com
os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas.

15.1.3.2 – Lei dos metais intermediários

“A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um número
qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura".
Deduz-se daí que um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m.
produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal
genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

Figura 53 – Lei dos metais Intermediário

Onde se conclui que:

T3 = T4 --> E1 = E2
T3 = T4 --> E1 = E2

Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão
ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.


15.1.3.3 – Lei das temperaturas intermediárias

Figura 54 – Lei das Temperaturas Intermediaria

“A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e
diferentes entre si, com as suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a
soma algébrica da f.e.m. deste circuito, com as junções às temperaturas T1 e T2 e a
f.e.m. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e T3”.
Um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção da
temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

15.1.4 – Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura

Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos
condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de
variação de temperatura, podemos observar uma variação da f.e.m. gerada pelo
termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlação entre temperatura e a
f.e.m., por uma questão prática padronizou-se o levantamento destas curvas com a
junta de referência à temperatura de 0°C.

Figura 55 – Gráfico de Temp X mV


Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e
levantadas de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968
(IPTS-68), recentemente atualizada pela ITS-90, para os termopares mais utilizados.
A partir dessas tabelas podemos construir um gráfico conforme a figura a seguir,
onde está relacionadas a milivoltagem gerada em função da temperatura, para os
termopares segundo a norma ANSI, com a junta de referência a 0° C.

15.1.5 – Tipos e Características dos Termopares

Existem várias combinações de dois metais condutores operando como
termopares. As combinações de fios devem possuir uma relação razoavelmente linear
entre temperatura e f.e.m. devem desenvolver uma f.e.m. por grau de mudança de
temperatura, que seja detectável pelos equipamentos normais de medição.
Foram desenvolvidas diversas combinações de pares de Ligas Metálicas, desde os
mais corriqueiros de uso industrial, até os mais sofisticados para uso especial ou restrito
a laboratório.
Essas combinações foram feitas de modo a se obter uma alta potência
termoelétrica, aliando-se ainda as melhores características como homogeneidade dos
fios e resistência a corrosão, na faixa de utilização, assim cada tipo de termopar tem
uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para que se tenha
a maior vida útil do mesmo. Podemos dividir os termopares em três grupos, a saber:

- Termopares Básicos
- Termopares Nobres
- Termopares Especiais

15.1.5.1 – Termopares básicos

São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são
de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior.

15.1.5.1.1 – TIPO T

Nomenclaturas:
T - Adotado pela Norma ANSI
CC - Adotado pela Norma JIS
Cu - Co
Cobre - Constantan
Liga: (+) Cobre - (99,9 %)
(-) Constantan - São as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo entre Cu (50 %)
e Ni (35 %). A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu (58 %) e
Ni (42 %).
Características:
Faixa de utilização: - 200 ° a 370 °
C C
F.e.m. produzida: - 5,603 mV a 19,027 mV


Aplicações: Criometria (baixas temperaturas), Indústrias de refrigeração,
Pesquisas agronômicas e ambientais, Química e Petroquímica.

15.1.5.1.2 – TIPO J

Nomenclaturas:
J - Adotada pela Norma ANSI
IC - Adotada pela Norma JIS
Fe-Co
Ferro - Constantan
Liga: (+) Ferro - (99,5 %)
(-) Constantan - Cu (58 %) e Ni (42 %), normalmente se produzem o ferro a partir
de sua característica casa-se o constantan adequado.
Características:
Faixa de utilização: -40 ° a 760 °
C C
Aplicações: Centrais de energia, Metalúrgica, Química, Petroquímica, indústrias
em geral.

15.1.5.1.3 – TIPO E

Nomenclatura:
E - Adotada pela Norma ANSI
CE - Adotada pela Norma JIS
NiCr-Co
Liga: (+) Chromel - Ni (90 %) e Cr (10 %)
(-) Constantan - Cu (58 %) e Ni (42 %)
Características:
Faixa de utilização: -200 ° a 870 °
C C
Aplicações: Química e Petroquímica

15.1.5.1.4 – TIPO K

Nomenclaturas:
K - Adotada pela Norma ANSI
CA - Adotada pela Norma JIS
Liga: (+) Chromel - Ni (90 %) e Cr (10 %)
(-) Alumel - Ni (95,4 %), Mn (1,8 %), Si (1,6 %), Al (1,2 %)
Características:
Faixa de utilização: - 200 ° a 1260 °
C C
Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e Cal,
Vidros, Cerâmica, Indústrias em geral.


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