Sensores de Posição e de Nível - Instrumentação e Controle (1).pdf

Instrumentação e
Controle
Professor Me. Murillo Magan
Engenharia Mecânica

Características Básicas
Engenharia Mecânica - Instrumentação e Controle
• Distância Sensora (Sn):
É a distância de acionamento o objeto acionado e a face ativa do sensor no
momento em que a saída muda de estado.
• Tensão de Alimentação (C.C. ou C.A.);
Sensores Digitais
• Faixa de Medição da Variável Física;
• Sinais de Saída (Digital: NPN, PNP ou à relé);
• Função de Saída (NA e NF);
• Tipo de Aplicação de Uso (área classificada, ambientes corrosivos, etc.);
• Grau de Proteção IP;

• É definido pela IEC como:
“Um sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso
em uma ambiente industrial, que usa uma memória programável
para a armazenagem interna de instruções orientadas para o
usuário com o objetivo de implementar funções específicas, tais
como lógica, sequencial, temporização, contagem e aritmética.
Controlam, através de entradas e saídas digitais, ou analógicas,
vários tipos de máquinas ou processos.”
CLP – Controlador Lógico Programável

CLP – Controlador Lógico Programável
Estrutura de um CLP

• São dispositivos que enviam informações (sinais elétricos) ao sistema por meio de
uma ação muscular, mecânica, elétrica, eletrônica ou uma combinação entre elas;
• Alguns exemplos desses elementos são: botoeiras, chaves fim-de-curso, sensores
de proximidade, pressostatos, termopares, chaves de nível, contatos auxiliares de
bobinas, etc.;
Dispositivos de Entrada de Sinal

Sensores Digitais – Diagramas Elétricos
Sensores Digitais e Analógicos

Sensores Digitais – Diagramas Elétricos
Relé Acoplador (ou de Interface):
usado para acionar cargas elétricas de baixa
tensão (220Vca) com o uso de extra baixa
tensão (24 Vcc), isolando eletricamente o
RL1
+ 24 Vcc
0 Vcc
Bobina
13
14
RL1
11
12
RL1
Contatos
Bobina: 24 Vcc
Contatos: 5 A – 250 Vca
circuito de comando do circuito de potência.
É recomendado o seu uso na interface de
sensores digitais com controladores e
também na interface dos controladores com
as cargas de tensões maiores (contatores) a
serem acionadas pelo mesmo.

Sensores/Transmissores Analógicos – Diagramas Elétricos
São dispositivos que enviam a informação da variável medida de forma contínua,
através de um sinal padrão de transmissão de sinais (4 à 20mA, 0 à 10Vcc, 0 à 5
Vcc, 0 à 20mA, -10 à 10Vcc);

Sensores/Transmissores
Transmissor
4 mA
20 mA
0 m³/h
50 m³/h
Controlador (CLP)
0 m³/s
50 m³/s
4 mA
20 mA
Sinal elétrico
Sinal elétrico
Variável Física Ref. Variável Física

Transmissor
4 mA
20 mA
-50 °C
250 °C
Controlador (CLP)
-50°C
250 ºC
4 mA
20 mA
+
-
+
-
0
32767
Conversor A/D (15bits)
Conversão de
Escalas (lógica)
Ent. Analog.
𝟐𝒏
= 𝒏º 𝒄𝒐𝒎𝒃𝒊𝒏𝒂çõ𝒆𝒔
𝟐𝟏𝟓
= 𝟑𝟐𝟕𝟔𝟖 𝒄𝒐𝒎𝒃𝒊𝒏𝒂çõ𝒆𝒔

Entrada_Mín
Entrada_Máx
Saída_Mín
Saída_Máx
Entrada Saída
=
𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 − 𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂𝑴í𝒏
𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂𝑴á𝒙 − 𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂𝑴í𝒏
=
𝑺𝒂í𝒅𝒂 − 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏
𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴á𝒙 − 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏
(𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 − 𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂𝑴í𝒏)
(𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂𝑴á𝒙 − 𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂𝑴í𝒏)
. (𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴á𝒙 − 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏) = 𝑺𝒂í𝒅𝒂 − 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏
𝑺𝒂í𝒅𝒂 =
. 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴á𝒙 − 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏 + 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏

0
32767
-50°C
250°C
Entrada Saída
=
=
𝑺𝒂í𝒅𝒂 − 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏
𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴á𝒙 − 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏
. (𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴á𝒙 − 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏) = 𝑺𝒂í𝒅𝒂 − 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏
𝑺𝒂í𝒅𝒂 =
. 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴á𝒙 − 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏 + 𝑺𝒂í𝒅𝒂𝑴í𝒏

Sensores Analógicos – Diagramas Elétricos
Transmissor Passivo
Tensão/Corrente Tensão

Transmissor Ativo
Tensão/Corrente

Sensores de Posição e de Nível
Sensores de Proximidade
Ópticos
• Esse sensor possui o emissor e o receptor montados em dispositivos separados. Ao
serem alinhados, os dois componentes criam entre si um barreira de luz. A presença
de um objeto interrompe essa barreira fazendo com que o sensor seja ativado;
Barreira

Ópticos
Reflexão Difusa
• Esse sensor possui o emissor e o receptor montados no mesmo dispositivo. A luz
enviada pelo emissor cria uma região ativa cuja presença de um objeto faz com que
a luz seja refletida de forma difusa, de volta ao receptor, ativando o sensor;

• Nesse sensor, o emissor e receptor também estão montados no mesmo corpo. Um
feixe de luz é estabelecido entre o emissor e o receptor por intermédio do refletor. O
sensor é ativado quando o objeto interrompe o feixe de luz. O objeto detectado pode
deixar passar uma baixa intensidade luminosa desde que o limiar de detecção seja
atingido;
Ópticos
Retro reflexão

Indutivos
• São sensores que utilizam um campo de frequência com um oscilador e uma
bobina. A presença de um objeto metálico altera esse campo e o circuito eletrônico
do sensor pode descobrir a alteração, detectando então a passagem do objeto
metálico;

Capacitivos
• São sensores projetados para operar gerando um campo eletrostático e detectando
mudanças nesse campo, que acontecem quando um objeto se aproxima da face
ativa. Nesse momento, aumenta a capacitância do circuito com a ponta de
compensação, e ao atingir o valor determinado, o oscilador é ativado, o que ativa o
circuito de saída e faz com que o sensor comute seus contatos;

Magnéticos
• São sensores que se baseiam no uso de campos magnéticos, convertendo esses
campos em um sinal elétrico do tipo digital ou analógico. Baseiam-se no efeito Hall e
na ampola Reed;

Magnéticos
• A ampola Reed é projetada de modo que a presença de um ímã permanente na
região do sensor ative a chave (fecha ou abre o contato), enviando um sinal para o
sistema de controle;
• Já sensores de efeito Hall atuam quando aplicamos na superfície do sensor uma
determinada tensão, e na aproximação de algum ímã (objeto), é gerada uma
intensidade de fluxo magnético, variando a corrente nas extremidades do sensor;

Ultrassônicos
• São sensores que operam enviando sinal de ultrassom da face do sensor. Se um
alvo é colocado na frente do sensor e está dentro de sua escala, o sinal é refletido
pelo alvo e retorna ao sensor. O retorno desse sinal chama-se eco e, quando
acontece, o sensor detecta se um alvo está presente pela medida do tempo de
atraso entre o sinal transmitido e o eco;

Chave de Nível
• Baseiam-se na mudança de altura de um flutuador colocado na superfície do
líquido. Seu movimento pode transmitir uma informação contínua, que possibilita o
conhecimento da altura efetiva, realizado por roldanas, contrapesos e escalas.
Também pode transmitir informações discretas, como a chave de nível, que possui
braço de alavanca e flutuador;

Chave Bóia
• Baseiam-se na mudança de altura de um flutuador colocado na superfície do
líquido, transmitindo informações discretas (digitais) para um acionamento;

Chave Bóia

Bóia de Nível

Nível a Laser
• Usado para medições de nível de substâncias
abrasivas, líquidos opacos e sólidos a granel.
O princípio de funcionamento é similar ao
ultrassônico, porém medem a velocidade da
luz para obter o nível, em vez de usar a
velocidade do som.
• Oferecem medições precisas, mesmo em vapor e
espuma, pois não é influenciado por condições do
processo. Em função do feixe de luz, podem ser
direcionados através de espaços pequenos (2”);

Nível por Radar
• Um feixe de microondas eletromagnéticas é
direcionado para baixo a partir de uma antena
com haste colocada no topo de um tanque. A
superfície do fluido reflete o sinal de volta para a
antena, e a distância é calculada pelo circuito que
mede o tempo de ida e volta, com onda livre;
• Possui uma grande precisão e confiabilidade na
medição de sólidos e líquidos de alta constante
dielétrica;

Nível por Radar
• Se a constante dielétrica (𝐸𝑟) estiver baixo, o líquido permitirá que a maior
parte da energia do radar passe. Para valores altos de 𝐸𝑟, a reflexão sobre a
mudança é alta.
• Nessa tecnologia, o fator crítico é a constante dielétrica do fluido, pois a
quantidade de energia refletida nas frequências de microondas varia com a
constante dielétrica do fluido.

Nível por Radar de Onda Guiada
• Tem-se também o radar por onda guiada, que
insere um cabo flexível ou sonda rígida e
canaliza os microondas da parte superior do
recipiente até o nível do líquido e depois de
volta ao transmissor.
• A eficiência desse método é 20 vezes maior do
que a do radar aéreo, a partir da transmissão
guiada focalizando a energia. Permite a instalação
vertical e horizontal, dobrando a guia até o ângulo
de 90°;

Nível por Pressão Diferencial
• A diferença entre a pressão total na parte inferior
do tanque e a pressão no topo é o indicativo do
nível. O produto da densidade do fluido e a altura
do fluido no recipiente fornecem a diferença de
pressão hidrostática. A pressão atmosférica é a
referência.
𝑃𝑇 𝑡 = 𝑃𝑒𝑥𝑡 + 𝜌. 𝑔. ℎ(𝑡)
• Normalmente instalado por submersão ou
diretamente no processo. Se houver mudanças de
densidade, pode influenciar os resultados de
medição.

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