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Sensores
Fabrício Ramos da Fonseca
Introdução aos Sensores
Nas plantas automatizadas os sensores são elementos muito importantes. Na nossa vida cotidiana, os sensores estão presentes em várias situações, ainda que muitas vezes não nos damos conta. Vamos analisar, por exemplo, o funcionamento de um termômetro. Ele indica a temperatura do nosso corpo através do mercúrio, uma substância que se expande com o aumento da temperatura. Então, podemos dizer que o mercúrio é o sensor da temperatura do corpo.
Quando subimos numa balança analógica e observamos nosso peso, por exemplo, estamos diante de um processo que faz uso de um sensor. A balança indica nosso peso ou massa porque uma mola sofre uma deformação mecânica proporcional a ele. A informação da deformação é transformada (mecanicamente) e faz girar o ponteiro da balança.
Há outros inúmeros exemplos do uso de sensores como o velocímetro de um automóvel que indica a velocidade de deslocamento porque existe um sensor que é capaz de medir a velocidade das rodas. Ou então, a porta de uma geladeira que ao ser aberta acende a luz, porque há um sensor que indica que ela foi aberta.
Procure pensar em outros exemplos da nossa vida em que os sensores estão presentes.
O sensor percebe (ou "sente") uma determinada grandeza física/química e a transmite para um indicador (termômetro, ponteiro do velocímetro, ponteiro da balança, etc.) e, em muitos casos, também para um controlador. Na transmissão de uma grandeza física/química há uma transformação de sinal. A deformação da mola pelo peso transforma-se no acionamento do ponteiro da balança, por exemplo.
Sensoré, então, um dispositivo capaz de monitorar a variação de uma grandeza física e transmitir esta informação a um sistema em que a indicação seja inteligível para nós ou para o elemento de controle do sistema. No caso do automóvel, por exemplo, o elemento que controla o sistema é o motorista; no caso da geladeira é uma ligação elétrica que determina se a lâmpada deve ser acesa.
Todos os dispositivos sensores são compostos por elementos denominados transdutores, pois são capazes de transformar um tipo de energia em outro. A maior parte dos sensores é constituída por transdutores que convertem uma grandeza de entrada em uma grandeza elétrica, que pode ser processada por um circuito elétrico ou eletrônico.
Transdutor: é todo dispositivo que recebe um sinal de entrada na forma de uma grandeza física, e fornece uma resposta na saída, da mesma espécie ou diferente, que reproduz certas características do sinal de entrada a partir de uma relação definida.
Há vários tipos de sensores e, em um sistema, eles podem ser colocados em pontos diferentes.
Características e Tipos de Sinais
Os sensores podem ser classificados segundo o tipo de sinal que transformam. Assim, para estudar sensores é necessário começar pelos tipos de sinais.
Um sinal é uma informação na forma de um valor (ou de uma curva de valores) de uma grandeza física [DIN 19226]. Há diferentes representações para os diversos tipos de sinais, da mesma maneira que há diversas representações para uma grandeza física. Vamos ver, a seguir alguns tipos de sinais.
Sinal Digital
O sinal digital binário (“bi=dois”) só pode assumir dois valores. Estes valores são associados a estados que podem indicar, por exemplo, se uma pressão está acima ou abaixo de uma determinada referência. O valor 0 (zero) é geralmente utilizado para indicar estados como “falso”, “aberto”, “desligado” ou “abaixo da referência”, enquanto o valor 1 (um) pode indicar estados como “verdadeiro”, “fechado”, “ligado” ou “acima da referência”.
Observe o exemplo da Fig. 1.
Fig. 3 - Ligação de um sensor de corrente contínua a uma carga que pode ser representada pela entrada digital de um CLP
A seguir, na Fig.4, estão indicados exemplos de sensores industriais que geram sinais digitais (ou discretos) binários e algumas das suas aplicações.
Tipo de dispositivo Sinal gerado Aplicações Aspecto
Botão de comando Digital – Contato seco
Ligar e desligar equipamentos.
Chave de nível Digital – Contato seco ou corrente contínua
Detectar se o nível de um reservatório está acima ou abaixo de uma referência.
Sensor indutivo de proximidade (tipo P ou N)
Digital – Contato seco ou corrente contínua
Detectar a presença de objetos metálicos.
Pressostato Digital – Contato seco
Detectar se a pressão de um vaso está acima ou abaixo de uma referência.
Fig. 4 – Aplicações de sensores que geram sinais binários
Os sinais gerados por estes dispositivos podem ser ligados às entradas digitais de equipamentos industriais como CLPs para que possam ser interpretados e processados.
Na Fig. 5, a seguir, temos alguns exemplos de dispositivos industriais que são acionados por sinais digitais (ou discretos) binários e algumas das suas aplicações.
Tipo de dispositivo Sinal de ativação Aplicações Aspecto
Sinaleiro Digital – Tensão de CC ou CA
Indicação luminosa de equipamento ligado ou parado. Alarmes.
Contator Digital – Tensão de CC ou CA
Acionar circuitos elétricos de maior potência. Intertravar comandos elétricos.
Válvula direcional Digital – Tensão de CC ou CA
Comandar circuitos hidráulicos ou pneumáticos.
Fig. 5 - Dispositivos industriais acionados por sinais digitais binários.
Os sinais recebidos por estes dispositivos podem ser gerados por saídas digitais de equipamentos industriais como CLPs.
Sinal Analógico
Um sinal analógico é um sinal contínuo que representa a evolução de uma grandeza, de uma variável e que apresenta infinitos valores mesmo que estes valores estejam em uma faixa determinada. Vamos nos imaginar medindo o nível de um reservatório e que este nível pode variar de 0 a 10 metros de altura. Há infinitos valores de nível nesta faixa e um sinal analógico, por ser contínuo, pode representar todos estes valores. Por exemplo, o nível do reservatório pode ser de 2 metros, de 3,5 metros, de 9,75 metros, ou seja, qualquer valor entre 0 e 10 metros.
Transmissores de nível (como os ultra-sônicos, por exemplo) são instrumentos que medem uma variável analógica (nível) e que geram um sinal correspondente a esta variável em uma outra grandeza (em geral sinais de tensão ou corrente dentro de faixas padrões preestabelecidas) que possa ser interpretada por equipamentos de automação industrial como os CLPs, por exemplo. A Fig. 6 mostra o gráfico de variação de um sinal de nível ao longo do tempo.
A seguir, na Fig. 9, estão exemplos de dispositivos industriais que geram sinais analógicos e algumas das suas aplicações.
Tipo de dispositivo Sinal gerado Aplicações Aspecto
Potenciômetro Analógico – Resistivo (Ω)
Detectar deslocamento de conjuntos mecânicos
Transmissor de nível ultra-sônico
Analógico – Tensão (V) ou corrente (mA)
Medição de nível de reservatórios
Transmissor de pressão capacitivo
Analógico – Corrente (mA)
Medição de pressão de vasos pressurizados
Termopar Analógico – Tensão (mV)
Medição de temperatura em processos industriais
Fig. 9 – Aplicações que geram sinais analógicos
Os sinais gerados por estes dispositivos podem ser ligados às entradas analógicas de dispositivos industriais como CLPs para que possam ser interpretados e processados.
Na Fig. 10, a seguir, estão exemplos de dispositivos industriais que são acionados por sinais analógicos e algumas das suas aplicações.
Tipo de dispositivo Sinal recebido Aplicações Aspecto
Indicador analógico Analógico – Corrente (mA)
Indicar variáveis industriais como pressão, nível, temperatura, vazão, etc.
Posicionador de válvulas
Analógico – Corrente (mA)
Estabelecer a abertura exata de válvulas proporcionais
Inversor de freqüência
Analógico – Corrente (mA) ou tensão (V)
Estabelecer a velocidade de rotação de motores elétricos
Fig.10 - Dispositivos industriais acionados por sinais digitais analógicos.
Os sinais recebidos por estes dispositivos podem ser gerados por saídas analógicas de equipamentos industriais como CLPs
Tipos de sensores
Sensores Digitais - Princípio de Funcionamento
Os sensores apresentados a seguir medem variáveis digitais (ou discretas) binárias, ou seja, que só podem assumir dois valores.
- Detetor por Contato (microchave ou sensor de fim de curso): o tipo de sensor utilizado na porta da geladeira para acender e apagar a lâmpada é um detetor de contato. Os detetores de contato mais comuns são as microchaves.
Observe o funcionamento deste tipo de sensor na Fig. 11, a seguir.
Fig.11 - Funcionamento de uma microchave
As microchaves indicam somente dois estados (ligado ou desligado, aberto ou fechado, etc.). Na indústria, este tipo de sensor pode ser usado para indicar se um cilindro pneumático atingiu ou não a posição correta; pode ser usado também para indicar o número de peças que passam por uma esteira. A chave é acionada a cada vez que uma peça passa e então envia um sinal para um contador ou para uma entrada digital de um CLP, que irá contar as peças. Ele faz a contagem baseado nos sinais da microchave. Se passarem 10 peças, 10 vezes a chave será acionada e mandará 10 vezes o mesmo sinal para o CLP.
As microchaves ou detetores de contato são sensores que detectam presença somente se houver contato físico sobre eles.
Fig. 14 - Sensor indutivo industrial
A indutância depende da função da permeabilidade magnética do meio, do número de espiras (o enroladinho) e das características geométricas da bobina.
Quando se introduz um objeto metálico na região ativa do sensor (ver a Fig.
- ocorre a detecção do objeto. Instantaneamente, o sinal da saída do sensor (que é um sinal digital podendo ser de contato seco ou de corrente contínua) é modificado enviando a informação para o circuito ou para entrada digital de um equipamento que irá processá-la, como um CLP, por exemplo.
Região ativa do sensor
Fig. 15 - Detecção de placa metálica por um sensor indutivo
Há diversos modelos de sensores indutivos que variam, principalmente em relação à distância de acionamento. Os tipos mais comuns são de construção com corpo cilíndrico plástico ou metálico. Observe, na Fig. 16, a seguir, alguns modelos de sensores indutivos.
Fig. 16 - Modelos de sensores indutivos Fonte: Omron Eletrônica do Brasil, www.omron.com.br
Todos estes dispositivos geram sinais binários (ou discretos) que são representados pelos números 0 (zero) e 1 (um) correspondentes a situações como "falso", "aberto", "desligado", "abaixo da referência" para estados 0 ou "verdadeiro", "fechado", "ligado", "acima da referência" para estados 1, conforme apontado anteriormente neste documento.
Sensores Analógicos
Os sensores apresentados a seguir medem variáveis analógicas, ou seja, que podem representar quaisquer valores dentro de faixas contínuas pré-estabelecidas.
- Potenciômetro de Resistência: os potenciômetros de resistência são sensores que medem deslocamentos lineares ou angulares de acordo com a variação da resistência elétrica de um resistor. Os potenciômetros podem ser angulares ou lineares.
A tensão elétrica de saída do potenciômetro, indicapa por VR na Fig. 16, a seguir, é dada em função da posição de um terminal (um ponteiro) sobre a resistência.
Nessa figura do potenciômetro angular, observe que o terminal está pegando grande parte da resistência; quanto mais no "final" da resistência, maior é o deslocamento.
Fig. 16 - Indicação da relação entre resistência elétrica e deslocamento
Fig. 19 - Termômetros de resistência e termopares Fonte: Temperature Sensor Services Pte., www.tsspl.com
- Sensor ultra-sônico: ultra-som é um sensor eletrostático que emite impulsos periodicamente e capta seus ecos resultantes do choque das emissões com objetos situados no seu campo de ação. A distância do objeto é calculada por meio do tempo de atraso do eco em relação ao momento da emissão do sinal. Esta informação é convertida para uma faixa de sinal elétrico, como uma faixa de corrente de 4 miliamperes a 20 miliamperes, por exemplo, e enviada a um dispositivo que irá ler este sinal. Este tipo de sensor é utilizado com bastante eficácia em sistemas de medição de nível em reservatórios.
Com um princípio semelhante existe ainda o medidor do tipo radar que também mede a distância de um determinado objeto através da reflexão de ondas, porém este último trabalha com ondas eletromagnéticas ao invés de ondas mecânicas como as do ultra- som. As aplicações na medição de nível com estes dois sensores diferem de acordo com o tipo de fluido de processo que se utiliza ou se há formação ou não de espuma na superfície entre outros fatores.
Fig. 20 - Princípio de funcionamento do sensor ultra-sônico
Referência bibliográfica
SENAI/SP. Apostila de sensores. Extraído de do site http://intranet.sp.senai.br/ e acessado em 13/02/2006.
