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Como funcionam os Sensores Industriais (ART1029)

Máquinas industriais, dispositivos de controle e contagem, utilizam diversos tipos de sensores eletrônicos. Os sinais destes sensores devem ter características que permita sua utilização pelos circuitos eletrônicos comuns que vão desde simples acionadores de relés até microcontroladores e DSPs. Neste artigo focalizamos o princípio de funcionamento e a utilização de alguns dos principais tipos de sensores utilizados em aplicações industriais e de controle.

O controle de processos industriais, instrumentação e mesmo monitoração de processos distantes exige o uso de sensores especiais que devem convertes as mais diversas grandezas físicas em sinais elétricos.

Com o aumento da quantidade de dispositivos inteligentes embutidos ou não (embedded) nas máquinas industriais e mesmo em equipamentos de uso doméstico ou embarcado, a necessidade de se conhecer o princípio de funcionamento de todos os sensores associados é fundamental para o profissional moderno.

Neste artigo, focalizamos de forma bastante didática o princípio de funcionamento de alguns sensores mais comuns nas aplicações industriais. Trata-se de artigo de importância vital para os profissionais que desejam reciclar seus conhecimentos e principalmente para os estudantes de escolas técnicas e de engenharia.

 

TRANSDUTORES

Para converter uma grandeza física como pressão, posição, temperatura, intensidade luminosa ou outra, em energia elétrica utilizamos dispositivos denominados transdutores.

Um transdutor é, portanto definido como um dispositivo que converte uma forma de energia em outra.

Em especial interessam-nos os transdutores eletro-eletrônicos, ou seja, os que convertem uma forma de energia determinada em sinais elétricos (energia elétrica).

Estes transdutores podem ser usados para sentir modificações num determinado meio, fornecendo um sinal elétrico que pode ser utilizado por um circuito para efeito de controle, medição ou monitoração.

Pelo fato dos transdutores deste tipo serem usados para "sentir" modificações num processo ou local através de alterações em alguma grandeza física eles também são chamados de "sensores".

Assim, um potenciômetro comum pode ser tratado como um transdutor, no sentido de que ele pode "sentir" a posição de um objeto acoplado ao seu cursor, fornecendo um sinal elétrico correspondente, conforme sugere a figura 1.

 

Usando um potenciômetro como sensor de posição.
Usando um potenciômetro como sensor de posição.



 Nas aplicações que exijam o sensoriamento de algum tipo de grandeza física como por exemplo a posição (ângulo ou distância) como no caso dos potenciômetros, são usados diversos tipos de sensores.

A seguir, vamos analisar o princípio de funcionamento de alguns sensores usados em aplicações industriais, encontrados em equipamentos de consumo (eletro-eletrônicos) e mesmo no carro.

 

a) Sensores de Temperatura

Existem diversos tipos de transdutores para a medida ou sensoriamento de temperaturas, os quais são escolhidos de acordo com a faixa de temperaturas de operação, a precisão desejada e a prontidão.

Lembramos que prontidão é a característica de um sensor que faz com que ele responda rapidamente às mudanças de temperatura. Esta prontidão está diretamente ligada às suas dimensões e capacidade térmica.

O tipo mais comum de transdutor, indicado para sensoriamento na faixa de temperaturas que vai de aproximadamente -50 graus centígrados até 125 graus centígrados é o termistor.

Os termistores podem ser do tipo NTC (Negative Temperature Coefficient) ou PTC (Positive Temperature Coefficient).

Na figura 2 temos os aspectos destes componentes e também as curvas características.

 

Sensores de temperatura.
Sensores de temperatura.



 Observe que os NTCs são componentes cuja resistência diminui quando a temperatura aumenta enquanto que os PTCs são componentes cuja resistência aumenta com a elevação da temperatura.

Os tipos denominados termométricos, com um elemento sensor de capacidade térmica muito pequena, apresentam uma elevada prontidão sendo indicados para o sensoriamento de variações rápidas da temperatura.

 

 Um sensor termométrico resistivo usados em   aplicações industriais
Um sensor termométrico resistivo usados em aplicações industriais



 Um segundo tipo de sensor, utilizado para o sensoriamento de temperaturas numa faixa mais ampla que vai de -200 graus centígrados até mais de 2000 graus centígrados é o termo-par ou par termoelétrico.

Este sensor baseia no fato de que uma junção entre dois metais diferentes ou ainda ligas gera uma tensão elétrica se for submetida a uma diferença de temperatura, conforme mostra a figura 3.

 

Princípio de operação do par termoelétrico.
Princípio de operação do par termoelétrico.



 Na figura 4 temos os gráficos que mostram as tensões geradas em alguns tipos de termopares que podem ser usados no sensoriamento de temperaturas elevadas.

 

Faixas de operação dos termopares, conforme material empregado.
Faixas de operação dos termopares, conforme material empregado.



 Neste gráfico também temos as faixas de temperaturas para as quais os diversos tipos de pares termoelétricos são indicados.

Uma das grandes vantagens do uso do par termoelétrico no sensoriamento de temperaturas é que a junção usada pode ser muito pequena permitindo assim que se use o sensor para sentir temperaturas em locais de reduzidas dimensões além do que a prontidão é bastante alta.

Para a medida de temperaturas muito elevadas, como por exemplo do interior de fornos, utilizamos para a medida os pirômetros ópticos, que na verdade não são transdutores.

Com a utilização de sensores ópticos acoplados a estes dispositivos, no entanto, pode-se obter um sinal que corresponda a temperatura do objeto sensoriado.

Na figura 5 mostramos como funciona este sensor.

 

Princípio de operação do pirômetro óptico.
Princípio de operação do pirômetro óptico.



 Um filamento é aquecido por uma bateria que tem um controle que permite ajustar a corrente circulante. Sua temperatura e portanto seu brilho vai depender da corrente circulante.

Olhando por uma ocular o objeto aquecido, que pela elevada temperatura também emite luz (uma peça em brasa ou um forno por exemplo), podemos vê-lo ao fundo, tendo na sua frente o filamento.

Se a temperatura do filamento for menor do que a do objeto observado, ele aparece mais escuro e se for maior, aparece mais claro.

O observado ajusta então a corrente no filamento para que o filamento tenha o mesmo brilho que o objeto observado.

Como existe no potenciômetro uma escala ajustada em função da temperatura, quando esta posição de igual brilho é alcançada é só ler o valor da temperatura.

 

b) Sensores de Posição

O tipo mais simples de sensor de deslocamento é o potenciômetro que pode ser tanto do tipo rotativo como deslizante, conforme mostra a figura 6.

 

Sensor de posição usando potenciômetro deslizante.
Sensor de posição usando potenciômetro deslizante.



 O deslocamento do objeto acoplado ao eixo ou cursor do potenciômetro é convertido numa variação de tensão que pode ser utilizada pelos circuitos eletrônicos.

O mesmo potenciômetro também pode ser utilizado para medir pressões quando utilizados na configuração da figura 7.

 

Medindo pressões com um potenciômetro.
Medindo pressões com um potenciômetro.

 

O cursor do potenciômetro, neste caso, é movimentado por uma membrana de uma câmara hermética. A diferença entre a pressão interna e externa fazem com que esta membrana tenha sua posição alterada movimentando assim o eixo do potenciômetro.

Um outro tipo de sensor de deslocamento é o "transdutor de indutância" que é mostrado na figura 8.

 

Transdutores de indutância.
Transdutores de indutância.

 

Uma bobina tem sua indutância na dependência da posição de um núcleo móvel que se desloca no seu interior. A posição deste núcleo determina portanto a indutância que a bobina vai apresentar num circuito.

Na figura 9 mostramos um circuito em que esta bobina faz parte de uma ponte em que o sinal de saída ou nulo depende da posição do núcleo.

 

Circuito para transdutor de indutância.
Circuito para transdutor de indutância.

 

Uma configuração mais sofisticada deste sensor é o transformador diferencial variável linear (LVDT) que é mostrado na figura 10.

 

O transformador diferencial variável linear.
O transformador diferencial variável linear.


 

Este transformador possui três bobinas sendo as duas externas interligadas. A bobina central é alimentada com um sinal, normalmente uma corrente alternada. As outras duas bobinas são enroladas de tal forma que, quando o núcleo se encontra na posição central, as tensões induzidas nas outras duas bobinas se cancelam, não havendo portanto sinal na saída do circuito.

No entanto, dependendo do deslocamento do núcleo passamos a ter tensões de saída cujo valor depende de sua posição. O nome linear vem do fato de que esta tensão induzida é diretamente proporcional ao deslocamento do núcleo.

Outro tipo de sensor de posição bastante usado em aplicações industriais é o magneto-restritivos ou MTS. Como exemplo vamos tomar o sensor MTS da Temposonics que é destribuido no Brasil pela Metaltex.

Na figura 11 temos o aspecto deste sensor.

 

Figura 11 - Sensor Magneto-Restritivo em corte - a frequência de operação típica está em torno de 28 MHz.
Figura 11 - Sensor Magneto-Restritivo em corte - a frequência de operação típica está em torno de 28 MHz.


 

Neste sensor, um pulso contínuo, denominado pulso de interrogação, é aplicado a uma guia de onda magneto-restritiva gerando um campo magnético ao longo de seu comprimento. Esse campo magnético vai interagir com o campo magnético de um imã permanente que é preso à parte móvel do sistema.

A interação entre os dois campos cria um pulso distensivo de torção na guia de onda. Este pulso se desloca pela guia de onda numa velocidade sônica podendo então ser detectado por um sensor eletrônico.

Pelo tempo em que o pulso de interrogação e o éco sônico retorna é possível determinar a posição do imã com precisão.

O importante neste tipo de sensor é que não existem contactos físicos envolvidos.

 

c) Sensores de Ópticos

Os sensores ópticos são muito importantes nas aplicações industriais tanto pela sua eficiência como pelo fato de não haver necessidade de contactos elétricos ou peças móveis.

Existem diversos tipos de sensores ópticos que basicamente são usados para detectar a presença de objetos, sua passagem ou sua remoção.

Na figura 12 temos as aplicações possíveis destes sensores.

 

Aplicações dos sensores ópticos.
Aplicações dos sensores ópticos.

 

No primeiro caso (a) o sensor detecta um objeto ou a pssagem de uma parte móvel da peça de uma máquina pela incidência de luz. No segundo caso (b) o sensor detecta quando a luz que incide num sensor é interrompida. Finalmente, no terceiro caso (c) temos a detecção pela alteração das condições de reflexão da luz emitida por uma fonte (às vezes incorporada ao próprio sensor) se altera (quando o objeto se afasta, se aproxima ou sai do alcance do sensor).

Os tipos comerciais usados nas máquinas industriais como por exemplos os fornecidos pela Aromat, são projetados para condições específicas de operação, indicadas pela distância em que o objeto vai ser monitorado, o tipo de operação, etc.

 

 Sensor Fotoelétrico de passagem da Aromat que utiliza como fonte de luz um emissor LASER.
Sensor Fotoelétrico de passagem da Aromat que utiliza como fonte de luz um emissor LASER.



 

d) Sensores de Proximidade

Um outro tipo de sensor que é muito usado em aplicações industriais é o que detecta a aproximação de uma peça de metal ou de parte desta peça.

O tipo mais comum é o indutivo que consiste numa bobina cuja indutância depende da presença de metais ferrosos nas proximidades.

 

e) Sensores de pressão

Pressão é definida em física como força por unidade de área. Assim, quando falamos em sensores de pressão podemos estar nos referindo desde simples dinamômetros que medem a força que uma peça mecânica exerce sobre o transdutor ou ainda uma balança até sensores que medem a pressão de um líquido ou de um gás num reservatório.

Para o primeiro caso, em que tratamos de forças mecânicas, um sensor simples é mostrado na figura 13, em que combinamos um sensor de deslocamento com algum tipo de mecanismo que torne este deslocamento proporcional à força exercida sobre ele.

 

Sensor de pressão usando sensor de deslocamento.
Sensor de pressão usando sensor de deslocamento.



 Uma mola, cujas características vão determinar a faixa de esforços ou de pressões exercidas é a solução mais comum.

Um tipo de sensor encontrado em aplicações que envolvem a medição de esforços é o "calibre de tensão". Este dispositios s ebaseia no fato de que um fio metálico ao ser tracionado (esticado) diminui sua espessura e aumenta seu comprimento de modo a haver um aumento de sua resistência elétrica, conforme sugere a figura 14.

 

Um calibre de tensão.
Um calibre de tensão.

 

Montando em configurações apropriadas é possível utilizar a variação da resistência do fio para medir o esforço mecânico (tração ou pressão) sobre o sensor.

No entanto, soluções mais modernas incluem o uso de dispositivos sensores piezoelétricos.

Na figura 15 temos um dispositivo deste tipo que é muito utilizado em sensores de pressão de líquidos e gases em reservatórios.

 

Um sensor piezoelétrico.
Um sensor piezoelétrico.

 

Um elemento acoplado a um diafragma pressiona um material com propriedades piezoelétricas. A pressão exercida modifica a resistência do material o que pode ser utilizado para a sua medida com grande precisão.

A grande vantagem deste tipo de dispositivo é a possibilidade dele ser fabricado em dimensões extremamente pequenas facilitando assim sua montagem no local cuja pressão deve ser monitorada.

Relógios que medem a pressão atmosférica, profundidade ou altura fazem uso deste tipo de sensor.

 

Sensores de Pressão da Entran - estes sensores são do tipo piezoelétrico
Sensores de Pressão da Entran - estes sensores são do tipo piezoelétrico

 

 

 

 

Folha de dados de um sensor de pressão mostrando a configuração em ponte dos elementos internos.
Folha de dados de um sensor de pressão mostrando a configuração em ponte dos elementos internos.



 

OUTROS TIPOS DE SENSORES

Além dos sensores que focalizamos neste artigo existem muitos outros que se aplicam a casos específicos e mesmo dispositivos especiais que apresentam características que os tornam muito úteis em determinados campos de trabalho.

Em especial temos os sensores de temperatura do tipo semicondutor que aproveitam a mudança da resistência no sentido inverso de uma junção PN com a temperatura.

A National Semiconductor, por exemplo, fabrica uma série destes circuitos integrados que tanto podem ser usados em sensoriamento preciso da temperatura como circuitos de referência.

Também encontramos outros tipos de sensores como os que detectam fluidos, gases, radiação nuclear, etc. e que já foram abordados inclusive em artigos publicados neste site.

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