Sebenta De Sensores, Actuadores e Conversores sensores.pdf · Sensores, Actuadores e Conversores...

E.S.T. Abrantes 25/01/2005

SSeebbeennttaa

DDee

SSeennssoorreess,, AAccttuuaaddoorreess ee CCoonnvveerrssoorreess

Aulas Teóricas

Eng.º Toni dos Santos Alves

Sensores, Actuadores e Conversores 2004/2005

Eng. Toni Dos Santos Alves

1

Introdução aos sistemas de controlo Os seres humanos acharam que era necessário regular algumas das variáveis físicas externas no ambiente, para manter a vida, e assim iniciaram o controlo de processos artificial. Esta regulação foi acompanhada pela observação da variável, comparação com um valor desejado e actuação, para levar a variável ao valor desejado. Exemplo deste controlo são as fogueiras para iluminar e aquecer, cozinhar alimentos, fundir minérios, etc. Variável dinâmica é qualquer parâmetro físico que pode variar, ao longo do tempo, espontaneamente ou por influências externas.

Exemplos: • Temperatura; • Pressão; • Caudal; • Nível; • Força; • Luminosidade; • Humidade; • Etc.

Sistema de Controlo Sistema de Controlo é um conjunto de dispositivos que mantém uma ou mais grandezas físicas, dentro de condições definidas à sua entrada.

Os dispositivos que o compõe podem ser eléctricos, mecânicos, ópticos e até

seres humanos. Objectivo do controlo de processos: É fazer com que uma variável dinâmica fique fixa sobre ou perto de um valor específico desejado. Sistema básico de controlo de processos para regular o nível do líquido num tanque

?

Visor

Entrada Fluido

Válvula

Saída Fluido H



2

Operações envolvidas no processo Processo Os caudais de entrada e de saída do líquido no tanque, o próprio tanque e o

líquido constituem um processo a pôr sob controlo, no que diz respeito ao nível do fluido.

Medida Para efectuar o controlo de uma variável dinâmica num processo, temos de ter

informação sobre a própria variável. Esta informação é determinada através de uma medida da variável. Em geral uma medida é uma transdução (transdutor) de uma variável num correspondente analógico da variável que pode ser uma pressão pneumática, uma tensão ou uma corrente eléctrica.

Transdutor – é um dispositivo que efectua a medida inicial e a conversão de

energia de uma variável dinâmica numa informação analógica eléctrica ou pneumática Avaliação Consiste na comparação da medida da variável controlada com o ponto de

ajustamento (setpoint) e na determinação da acção necessária para trazer a variável controlada ao valor do ponto de ajustamento.

Esta avaliação aparece com o nome de controlador (ex.: processamento

electrónico) Elemento de controlo Elemento final da malha de um controlo de processos é o dispositivo que exerce

uma influência directa no processo, isto é, que faz as alterações necessárias na variável dinâmica para trazer ao ponto de ajustamento. (ex.: é a válvula que ajusta o caudal de saída do tanque).

O resultado da medida é uma transformação da variável dinâmica numa informação proporcional numa forma útil para os outros elementos da malha de controlo.

Controlador Elemento de controlo Processo

Medida



3

Tipos de Sistemas - Sistema em anel aberto

A entrada define o comportamento do controlador, “cérebro do sistema”, e este responde agindo no ambiente, sem verificar depois se o nível da grandeza física corresponde de facto à entrada; não existe sensor para observar algum eventual desvio, nem realimentação, para o corrigi-lo.

A variável controlada (de saída) depende da amplitude da variável de entrada

(referência) e de variações internas e externas ao processo. Exemplo: Aquecimento de um quarto A temperatura no quarto depende do valor da temperatura de referência, da

temperatura no exterior do quarto e se abre ou fecha uma porta ou janela. - Sistema de anel fechado Verificam a ocorrência de desvios, pois contém um sensor, que monitora a saída,

fornecendo um sinal que retorna à entrada, formando uma malha de realimentação. A entrada e realimentação junta-se num comparador, ambos combinam e fornecem um sinal de erro, diferença entre os sinais, que orienta o controlador.

Objectivo: Manter um sinal de saída constante em função de um determinado sinal de referência.

Actuador Processo ReferênciaSaída (variável

controlada)

Actuador Processo Referência

Saída Detector de erro

SensorSinal de realimentação

“Feedback”



4

Sistema real em anel fechado Erro do sistema – é a medida do erro existente entre o valor do ponto de ajustamento da variável controlada e o valor real da variável dinâmica mantido pelo sistema.

Variáveis de um Processo de Controlo

Perturbações – são quantidades cujo valor pode variar independentemente do operador ou do sistema de controlo e que influenciam as variáveis controladas. Variáveis manipuladas – são as quantidades cujo valor pode ser alterado ou estabelecido externamente ao processo. Variáveis controladas – são as quantidades ou condições que se pretende controlar ou manter a um certo nível.

Processo Variáveis controladas

Perturbações

Variáveis manipuladas

Actuador Processo Referência

Saída Detector de erro

SensorSinal de realimentação

“Feedback”

Condicionamento de sinal



Display



5

Tipo de controlo

- Controlo Manual

O operador observa o aparecimento de uma perturbação e o seu valor, face do seu conhecimento do processo, actua sobre a variável de entrada de forma a reduzir ou idealmente eliminar o efeito da perturbação na variável controlada.

- Controlo Automático por Avanço

São usados sensores para medir as perturbações e com base nestes valores medidos os controladores calculam os valores que as variáveis manipuladas devem tomar para compensar o efeito dessas perturbações.

Processo

Variável manipulada Variável controlada

Controlador

Processo Variáveis controladas

Perturbações

Variáveis manipuladas

Referência

Controlador

Valor v. manipuladas

Medidas das perturbações



6

- Controlo por Realimentação

O controlo por realimentação actua corrigindo os erros e o controlo por avanço actua prevenindo os erros. Caracterização de um sistema de controlo

Detector de erros Produz um sinal que é dado pela diferença entre a entrada de referência R(s) e o sinal de realimentação do sistema de controlo:

E(s) = R(s) – Y(s) Função de transferência

Y(s) = G(s) x E(s)

Processo

Perturbações

V. controlada

Medida

ControladorComparação Referência

R(s) + E(s) - Y(s)

G(s) E(s) Y(s)



7

Controladores Calcula com base no erro de saída do comparador as variações necessárias a introduzir na variável manipulada Classificação dos controladores:

Electrónicos; Pneumáticos; Mecânicos; Hidráulicos.

- Controlo Tudo ou Nada (ON - OFF)

Controlo “liga – desliga” – simples relé - Controlo Proporcional - P Saída de controlo é proporcional à entrada do erro no controlador. - Controlo Integral – I - Controlo Proporcional, Integral – PI - Controlo Proporcional, Derivativo – PD - Controlo Proporcional, Integral, Derivativo – PID

Kc E

Kc * E



8

Estabilidade

- O sistema é estável quando os pólos estão no semi-plano esquerdo (SPE);

- O sistema é instável, quando os pólos estão no semi-plano do lado direito

(SPD);

- O sistema é simplesmente estável, quando os pólos estão sobre o eixo imaginário. Exercício Dado o seguinte sistema, calcule a função de transferência em anel aberto e em anel fechado. Resolução

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

+=

==

+=

=

+==

+==

==

==

==

r*G1

G s

s -r e

G1r*G s

_____

G)(1 * s r *G_____

s*G s r *G_____

s*G -r *G s_____

s)-(r *G s_____

e *G ss -r e

Função de transferência em anel aberto ---- s = G * r

Função de transferência em anel fechado --- r*G1

G s+

=

r + e G

S

-

Imaginária

SPD

Real

SPE



9

Exercícios – Sistemas Controlo

1. Um motor eléctrico é modulado através da seguinte função de transferência.

2

1(s)(s)

s=

δθ

Calcule a função de transferência em anel aberto e em fechado, bem como, a sua estabilidade. Resolução: Controlador proporcional

Função transferência em anel aberto – F.T. em A.A. 2)()(

sKc

srefs

==θ

θ

referro θ=

=

=

erroKcs

ss

s

.)(

)(.1)( 2

δ

δθ

==

⇔=00

02

12

ss

s

O sistema é simplesmente estável, pois o s1 e s2, estão sob acção do eixo imaginário; como estão em cima do outro tem um efeito de atraso.

(s) refθ + erro 1/s2 (s)δ

-

Kc (s)θ

Binário do motor

Posição angular

erro 1/s2 (s)δKc (s)θ

Real

Imaginária

SPDSPE



10

Função transferência em anel fechado – F.T. em A.F.Kcs

Kcsref

s+

== 2)()(

θθ

+=⇔

=

+⇔

−=⇔

=

−=

⇔

=

=

−=

______________

1

1.)(

)(

_____________

)(.

____________

1).(

____________

___________

))()(.()(

___________

______________

.)(

)()(

.)(

..1)(

)()(

2

222

222

sKcs

Kcsref

ssrefsKc

sKcs

ssrefsKcserro

sKcs

ssreferro

erroKcs

erroKcs

s

ssreferro

θθθθ

θθθθ

θθ

δ

θ

θθ

Kcjs

Kcs

KcsKcs

±=⇔

−±=⇔

−=⇔=+ 22 0

O sistema é simplesmente estável com resposta oscilatória, respondendo muito mais depressa.

Real

Imaginária

Kcj

Kcj−

t

)( sθ



11

Circuitos para condicionamento de sinal

O condicionamento de sinal consiste em operações realizadas em sinais de saída de sensores/transdutores por forma a torná-los ajustados para ligação a outros elementos numa cadeia de regulação/controlo. Condicionamento de sinal:

• Amplificação de sinal; • Atenuação; • Filtragem; • Conversão D/A , A/D; • Circuitos “matching”.

“Circuitos matching”- Adaptação de impedâncias para diminuir perdas Variável controlada Variável associada à grandeza física do processo que se pretende controlar. Exemplos:

• Posição (linear ou angular); • Temperatura; • Pressão; • Variáveis de escoamentos; • Humidade; • Aceleração; • Luminosidade; • Som; • Etc….

Nota: O processo pode operar usando princípios pneumáticos, hidráulicos ou eléctricos, mas os sensores devem fornecer um sinal eléctrico para o uso no anel de controlo.

Para a conversão de um tipo de energia para outro, utilizam-se os transdutores.

Sensores transdutores de entrada; Actuadores transdutores de saída.



12

Divisor de tensão O divisor de tensão pode ser usado como conversor de variações das

resistências, em variações de tensões (largamente utilizados para condicionamento de sinal). VS tensão saída VE tensão entrada

Quer R1 quer R2 pode ser o sensor cuja resistência varia com uma grandeza

mensurável.

Utilizando um potenciómetro consegue-se converter a variação de resistência numa variação de tensão. Nota: • a variação de Vs é não-linear quer com R1 quer R2 • a impedância de saída é dada pelo paralelo de R1 e R2, o que pode ser significativa, podendo tornar o efeito de carga “importante” • num circuito divisor de tensão a corrente percorre ambas as resistências fazendo com que a potência dissipada deva ser considerada. Exemplo: Suponha que R2 é um transdutor cuja resistência varia de 4 a 12K com a variação numa certa gama de uma variável dinâmica, sabendo que R1=10K e VE=5V. Determine:

a) Variação de Vs;

Solução: Para R2=4K temos:

Para R2=12K, a tensão é:

Logo, a tensão varia de 1,43 a 2,73 volts

R2

R1

VE

VS E

21

2S V.

RRRV+

=

V43,15.410

4V.RR

RV E

21

2S =

+=

+=

V73,25.1210

12V.RR

RV E

21

2S =

+=

+=



13

Ponte de Wheatstone Os circuitos de ponte são redes passivas que servem para medir impedâncias por uma técnica de igualização de potências. Neste circuito, um conjunto de impedâncias conhecidas é acertado o seu valor, relativamente a uma impedância desconhecida, até se obter uma condição em que a diferença de potencial entre dois pontos da rede se anula. Quando a ponte está equilibrada: R3.R2 = R1.R4 Considerando que não existe o detector D ou com impedância alta, então:

( )( ) V.RR.RR

R.RR.RVVV4231

4123ba ++

−=−=∆

V.RR

RV

31

3a +

= ; V.RR

RV42

4a +

=

( )( )

( )( ) ( )( ) V.RR.RR

R.RR.RV.

RR.RR.RR.RR.RR.RR

V

V.RR.RR

).RR(R).RR(RV.

RRR

-V.RR

RVVV

4231

4123

4231

43413432

4231

431342

42

4

31

3ba

++−

=++

−−+=∆⇔

+++−+

=++

=−=∆

- Serve para medir impedâncias por uma técnica de igualização de potências. - Para determinar uma impedância da ponte, utiliza-se três impedâncias conhecidas e procura-se 0.V =∆ Exemplo: A ponte de Wheatstone fica equilibrada com R1=1000Ω, R2=842Ω e R3=500Ω, calcule o valor de R4.

Solução:

Ω===⇔= 4211000

500.842R

R.RR.RR .RR

1

3243241

R1

V b D a

R2

R4 R3



14

Circuitos Passivos Circuitos Passivos Filtros RC – Um filtro tem por função eliminar o ruído de um sinal, eliminando certas frequências ou bandas de frequências. Filtro RC “passa-baixo”

Frequência de corte: C.R..2

1

1π=cf [Hz]

- Passa somente as baixas frequências e “rejeita” as altas frequências. Exemplo: Um sinal de medida tem uma frequência <1KHz, mas há ruído indesejável a 1MHz. Projecte um filtro passa-baixo que atenue o ruído para 1%.

Solução: Sabendo que VS/VE=0,01 a 1MHz

C

R1

VE VS E

S

VV

cff

2E

S

1

1VV

+

=

cff

KHz10101

01,011

101,0111

01,0111

11

101,0

1

1VV

4

2

222

22

2

22E

S

=×=⇔+−

=⇔+−=

=

+⇔

+

=⇔

+

=

−cc

c

c

cc

fff

f

fff



15

Qualquer combinação de resistência e capacidade que dê esta frequência critica será uma solução correcta.

Supondo que: C=0,01µF, então: Ω=⇔=⇔= 59,1R01,0.R..2

110C.R..2

11

11 ππcf

O resultado pode ser visto pelo gráfico ou pelo cálculo de VS/VE determina-se o valor da rejeição.

1. Gráfico

É usado primeiro para determinar f/fc Pelo gráfico vê-se que a rejeição é muito pequena.

2. Equação VS/VE Logo, o sinal medido à frequência máxima é atenuada apenas 1-0,995=0,005 =>0,5%. Filtro RC Passa-Alto Passa somente as altas frequências e “rejeita” as baixas frequências.

C

R1VE VS E

S

VV

cff

2E

S

1VV

+

=

c

c

ff

ff

1,010KHz

KHz1==

cff

995,0

1011

1

1

1VV

22E

S =

+

=

+

=

cff



16

Exemplo: Os impulsos de um motor de passo são transmitidos a 2000Hz. Projecte um filtro para reduzir o ruído a 60Hz, mas não reduzir os impulsos mais de 3dB.

Solução:

Primeiro determinar a razão entre as tensões correspondentes a uma redução de 3dB.

( )

=

E

S

VV

log20dBP ; xy 10log= ⇔ yx 10=

Se diminuir 3dB =>P=-3

707,010VV 20

3

E

S ==−

A frequência crítica é a frequência para a qual a saída é atenuada de 3dB. Assim, neste caso fc=2KHz e o efeito no ruído a 60Hz obtém-se usando a equação VS/VE com f=60Hz. Vê-se que só fica 3% do ruído a 60Hz, isto é, é reduzido de1-0,03=0,97=> 97%. Filtro passa-banda - Dá passagem a sinais dentro de um intervalo de frequências. O filtro passa-banda deixa passar as componentes do sinal em torno de uma frequência intermédia fI que pode ser ajustada manualmente.

CR1

VE VS L

03,0

2000601

200060

1VV

22E

S =

+

=

+

=

c

c

ff

ff



17

Introdução aos amplificadores operacionais

O amplificador operacional é um amplificador de elevado ganho, de aplicação muito variada, capaz de reproduzir diversas funções lineares e não-lineares, apresentando-se normalmente na forma de circuito integrado.

É um dispositivo que apresenta duas entradas (entrada diferencial) e uma única saída u0. Responde ao modo diferencial e não ao modo comum, correspondendo este à introdução do mesmo sinal nas duas entradas. - Entrada inversora (-) : um sinal positivo aplicado nessa entrada produz na saída um sinal negativo; - Entrada não inversora (+): um sinal positivo aplicado nesta entrada produz na saída um sinal positivo.



18

Amplificador inversor ideal Como chegar à fórmula? Aplicando as leis das malhas e dos nós, teremos:

; ;

Das expressões anteriores, pode concluir-se:

Ganho de tensão (AV) =VS/VE=-R2/R1

Impedância de entrada (ZE) => -VE+Ii.R1=0 => ZE=VE/Ii=R1 Seguidor de tensão (Buffer) A tensão da entrada inversora está ao mesmo potencial da entrada não inversora.

E1

2S V.

RRV −=

ES VV =VS

VE

?

0R.IV- 1iE =+

VS

R2

R1VE

Ii

If

0=+ S2f VR.I )I (sendo IIIII SfiSfi 0===>+=

E1

2S

2

S

1

Efi V.

RRV

RV

RV II −==>−==>=



19

Amplificador somador Este circuito soma aritmeticamente duas parcelas (podendo incluir outro número de parcelas). Aplicando as leis das malhas e dos nós e sabendo-se que o potencial da entrada inversora está ao mesmo potencial da entrada não inversora (ui=0), então: Se R3=R1=R2, obtém-se outra expressão mais simplificada: VS = -(V1+V2) Amplificador não-inversora O sinal de entrada VE está aplicado à entrada não inversora. Considerando o amplificador operacional é ideal, a tensão na entrada inversora(VR1) é igual à tensão da entrada não inversora (VE). A tensão da entrada não inversora é a tensão na resistência R1. Temos na presença de um divisor de tensão!

+−= 2

2

31

1

3S V.

RRV.

RRV

VS

R2

R1

VE

EE1

2S VV.

RR

V +=

VS

R3

R1V1

R2V2

I1

I2 I If

RVI ;

RVI ;

RVI 0VR.I

2

22

1

11

3

SfS2f ==−=⇒=+

2

2

1

121 R

VRVI III +=⇒+=

+−=⇒−=+⇒=

2

2

1

13S

3

S

2

2

1

1f R

VRV.RV

RV

RV

RV II

?

R1

R2

VS

VR1

( ) ( )( )

EE1

2

1

21ESS

12

1ER1ES

12

1R1 VV.

RR

RRR.VV V.

RRRV VV como V.

RRRV +=

+=⇒

+

=⇒=

+

=



20

Ou

Amplificador diferencial

Considerando-se o amplificador ideal, a tensão na entrada não inversora será igual à tensão da entrada inversora, isto é: Aplicando as leis das malhas e dos nós e sabendo-se:

0VI.RV- ; 0VI.RV- S22bb111 =++=++

( ) Sbb11

2

2

Sb

1

b121

2

Sb2

1

b11 VVVV.

RR

RVV

RVV I I ;

RVVI ;

RVVI −=−⇔

−=

−⇒=

−=

−=

( )121

2S

11

2

1

22

21

2S1

1

2

1

2bS1

1

2b

1

2bS

VV.RRV

V.RR

RR1.V.

RRRVV.

RR

RR1.VVV.

RRV.

RRVV

−=⇔

−

+

+=⇔−

+=⇔−+=⇔

Fazendo R1 = R2 => VS = V2-V1

( )121

2S VV

RRV −=

VS

R2

R1

VE

I2

I1 VD

21

EE22ES21E111E21D R.

RVVR.IVV ; II ; VI.RV ; V V V0V +=−=−=====⇒=

VS

R2

R1V2

R1V1

R2

I1 I2 Va

Vb

R2

R1

V2

Vb 2

21

2ba V.

RRRVV+

==

x R1



21

Conversor tensão – corrente Conversor corrente-tensão

R2

R5

R1VE

R4

R3

RL

IE

31

2 V.R.R

RI −=

R

VE

R

VSI.RVS =



22

Integrador Exemplo: Desenvolva um circuito com Amp que dê uma tensão de saída relacionada com a tensão de entrada por: 5V.4,3V ES +=

Solução:

1º C. somador 2º C. inversor

in2224

351

41

35

2

2

1

13

4

5S V.4,35V.

94,2.1010.105.

10.1010.10V.

R.RR.R

V.R.RR.R

RV

RV

.R.RR

V +=+=+=

+−−=

RVE VS

C

∫−= dtES VR.C

1V

VS’=VE

R3=10K

R1=10K

V1=+5 R2=2,94K

Vin=V2

I1

I2 I If

VS

R5=10K

R4=10K

Ii

Ik

RVI ;

RVI ;

RV

I 0VR.I2

22

1

11

3

S'fS2f ==−=⇒=+

2

2

1

121 R

VRVI III +=⇒+=

+−=⇒−=+⇒=

2

2

1

13S'

3

S'

2

2

1

1f R

VRV

.RV RV

RV

RV

II

0R.IV- 4iE =+ 0VR.I S5K =+ )0I (sendo IIIII SKiSKi ===>+=

E4

5S

5

S

4

EKi V.

RR

VRV

RV II −==>−==>=



23

Conversores

Código Gray

A principal característica deste código reside no facto de ao passarmos de um valor decimal para o seguinte o equivalente em Gray apenas apresenta a variação de um bit. Normalmente é utilizado nalguns conversores analógicos – digitais.

Conversão Binário – Gray

Regra a utilizar:

1. o bit mais significativo em gray é o mesmo que corresponde em

binário. 2. da esquerda para direita, compara-se cada bit com o seguinte. Se

forem diferentes resultará um (1) em gray. Se forem iguais o resultado em gray será (0).

Exemplo: Equivalente em gray do valor binário (11001)

1.º 11001 2.º 11001 3.º 11001 4.º 11001 5.º 11001 1 10 101 1010 10101 Resultado em Gray 10101

Conversão Gray – Binário

Regra a utilizar:

1. o bit mais significativo em binário é o mesmo que

corresponde em gray. 2. da esquerda para direita, compara-se cada bit binário com o

gray que se encontra na posição adjacente. Se forem diferentes resultará um (1) em binário. Se forem iguais o resultante será (0).

Gray Decimal 000 001 011 010 110 111 101 100

0 1 2 3 4 5 6 7



24

Exemplo: Equivalente em binário do valor gray (11011)

1.º 11011 2.º 11011 3.º 11011 4.º 11011 5.º 11011 1 10 100 1001 10010

Resultado em Binário 10010

Exercícios: Código Gray

1. Encontre o equivalente binário dos seguintes números em gray ( 10101111; 11000110).

2. Encontre o equivalente gray dos seguintes números em binários ( 10110;

0010101). Razões para a utilização de sinais digitais • Diminuição da incerteza quando se utiliza informação codificada digitalmente, quando comparada com a informação analógica, relacionado com a imunidade ao ruído, offset de amplificadores, efeitos de carga, etc. • Utilização crescente de computadores na indústria, ligados a sistemas de controlo de processos multivariáveis; linearização através da programação, de saídas de sensores não lineares; resolução de sistemas de equações complexas; etc. • Comparadores (forma mais simples de ligação entre analógico e digital)

- comparador com histerese Conversores Digital-Analógico (DAC’s) e Analógico-Digital (ADC’s) A utilização de microcomputadores em aplicações de controlo, supervisão e instrumentação (aquisição de dados, imposição de valores de referência, etc) implica que estes tenham de agir com variáveis que representam grandezas as quais, no mundo real, são habitualmente analógicas (temperatura, pressão, humidade, velocidade, etc). Esta situação implica que seja necessário utilizar circuitos que permitam ao microcomputador obter, em formato digital, variáveis geradas no exterior. Implica ainda que seja necessário que o microcomputador possa enviar para o exterior variáveis do tipo analógico.



25

No primeiro caso surgem os conversores analógico-digitais (A/D) que transformam uma variável analógica, usualmente uma tensão compreendida entre limites bem definidos, numa palavra digital. A operação inversa é efectuada pelos conversores digitais-analógicos (D/A).

Conversor Digital-Analógico DAC - Sigla de Conversor Analógico Digital Um conversor Digital-Analógico (abreviado vulgarmente pela siglas D/A ou DAC) é um dispositivo electrónico que transforma uma entrada digital de N bits numa saída analógica proporcional. O sinal de entrada pode ser do tipo série ou paralelo. O sinal de saída pode ser um sinal de corrente ou um sinal de tensão. Latch – sistema de retenção de dados na entrada.

DAC

+V Terra -V

Latch

b0 b1 b2 b3 b4 . . .

bn

VR

Vo



26

Estrutura de um DAC De uma forma geral, um DAC é usado como uma caixa preta e não é necessário o conhecimento do funcionamento interno. O modelo mais usado é a rede de escada de resistências para dar a função de transferência.

Resolução da conversão A resolução da conversão é em função da tensão de referência e do n.º de bits da palavra. Quanto mais bits, menor a variação na saída analógica correspondente a uma variação de 1 bit na palavra binária e portanto maior a resolução. A variação mínima é dada por:

oV∆ - Menor alteração na saída

RV - Tensão de referência n - Número de bits na palavra

VS=V0

R

R

VR

RR

2R

2R

2R2R

2Rb4

b3

b2 b1

0010 2...2N aa n

n ++=



27

Circuito real de um conversor D/A Este conversor, cuja resolução é igual a 8 bits, possui duas saídas complementares em corrente sendo necessário utilizar um conversor corrente-tensão para obter na saída do circuito total um sinal de tensão.

Exemplo: Uma válvula de controlo tem uma variação linear na abertura, com a variação de tensão de entrada entre 0 e 10V. O microcomputador tem uma saída de palavras de 8 bits que controlam a abertura da válvula, por isso, usa-se um DAC de 8 bits para produzir a dada tensão na válvula.

a) Determine a tensão de referência necessária para obter a abertura completa da válvula (10V).

b) Determine a percentagem de abertura da válvula correspondente a uma variação de 1 bit na palavra de entrada.

Solução:

a)

( ) V039,109961,010V

2561...

41

21.V102.b...2.b2.b.VV RR

88

22

11Ro ==⇔

+++=⇔++= −−−

b)

%392,010

100.0392,00392,02561.039,102.039,102.VV 8

Ro ==⇒====∆ −− mpercentagen

DAC 8bits

VR

00000000

11111111

Válvula 0…10V



28

Conversor Analógico-Digital ADC - Sigla de Analogic to Digital Converter), que significa conversor analógico-digital. Um conversor analógico-digital (abreviado vulgarmente pela siglas A/D ou ADC) transforma um sinal de entrada analógico num sinal digital de N bits. Com o uso crescente de lógica digital e de computadores, em controlo de processos, é necessário usar um ADC para obter uma saída codificada para o PC. O sinal de entrada é, em geral, um sinal de tensão. Estrutura de um ADC A maioria dos ADC’s podem ser obtidos na forma de montagens de circuitos integrados que podem ser montados num único chip (caixa preta).

ADC

b0 b1 b2 b3 b4 . . .

bn

VR

VE=Vin

Clock



29

Exemplo: Determine a saída de um ADC de aproximações sucessivas para um conversor de 4 bits, com uma entrada de 3,217V e VR=5V.

Solução:

1. b1=1

Uma vez que: Vin<3,217 então b1=1

2. b2=1

Uma vez que: Vin>3,217 então b2=0

3. b3=1

Uma vez que: Vin<3,217 então b3=1

4. b4=1

Uma vez que: Vin>3,217 então b4=0 1100 3,75V 1011 3,4375V 1010 3,125V 1000 2,5V 0000 0V erro máximo do conversor erro absoluto da conversão 3,217-3,125=0,092 erro relativo da conversão (3,217-3,125)/3,217=2,9%

( )n−−− ++= 2.b...2.b2.b.VV n2

21

1Rin

n−=∆ 2.VV Rin

( ) ( ) V5,22.02.02.02.1.52.b...2.b2.b.VV 4321n

22

11Rin =+++=++= −−−−−−− n

( ) ( ) V75,32.02.02.12.1.52.b...2.b2.b.VV 4321n

22

11Rin =+++=++= −−−−−−− n

( ) ( ) V125,32.02.12.02.1.52.b...2.b2.b.VV 4321n

22

11Rin =+++=++= −−−−−−− n

( ) ( ) V4375,32.12.12.02.1.52.b...2.b2.b.VV 4321n

22

11Rin =+++=++= −−−−−−− n

V3125,02.52.VV 4Rin ===∆ −−n



30

Exemplo: Para a medição de temperatura usa-se um sensor com uma sensibilidade 6,5mV/ºC devendo medir até 100ºC. Use um ADC de 6 bits, com VRef=10V.

a) Projecte um circuito de interface entre o sensor e o ADC. b) Qual a resolução em temperatura

Solução: a) Interface

Circuito interface – Ganho 9,84375/0,65=15,14 b) Resolução em temperatura

( ) ( ) V84375,91.21.21.21.22.12.1.102.b...2.b2.b.VV 654321n

22

11Rin =+++++=++= −−−−−−−−− n

V15625,02.102.VV 6Rin ===∆ −−n

Sensor C.S.ADC 6bits

K…100ºC y…0,65V

6,5mV/ºC x15,14

VR=10V

Vin…9,84375V 000000

111111 ∆Vin ∆VT

10,32mVV01032,014,15

15625,0GV

V inT ===

∆=∆

C1,58º5,632,10

adesensibilid∆VT T ===∆



31

Introdução aos sensores Apresentação Num processo automático pode-se utilizar dois tipos de variáveis analógicas ou digitais, para que, após o processamento das informações contidas nessas variáveis, o controlador tome decisões como: ligar/desligar um motor, acender uma lâmpada, ligar/desligar um sistema de aquecimento, entre outras. O elemento que "sente" o que ocorre no processo, fornecendo informações sobre o estado das variáveis monitoradas é chamado de sensor. O elemento que executa a tarefa designada pelo controlador é chamado de actuador. Sensor Definição: Dispositivo de entrada que converte um sinal de qualquer espécie em outro sinal que possa ser transmitido ao elemento indicador, para que este mostre o valor da grandeza medida. Ou seja, O sensor é um elemento que "sente" uma grandeza física e a traduz para que ela possa ser vista ou utilizada por um sistema eléctrico ou electrónico. Por exemplo, um termómetro de mercúrio é um dispositivo que utiliza como elemento sensor o metal mercúrio. A grandeza física a ser medida, neste caso, é a temperatura e a grandeza física do elemento sensor, que varia proporcionalmente com a temperatura é o volume, que fará com que o mercúrio se dilate com o aumento da temperatura. Conhecendo-se a proporção dessas variações, podemos medir e identificar o valor da temperatura. Todo elemento sensor é também denominado de transdutor, pois converte a grandeza de entrada em sinal eléctrico, que pode ser medido e indicar a grandeza medida através de um medidor, ou utilizado por um circuito que vai efectuar o controle do processo. Classificação A primeira classificação que podemos fazer é quanto ao tipo de variável controlada. Assim temos:

• Sensores contínuos - efectuam medições contínuas de variáveis, fornecendo valores contínuos;

• Sensores discretos - podem apresentar somente dois estados : actuados

ou não.



32

Sensor contínuo

Sensor discreto Classificação quanto ao funcionamento

Auto alimentados (activos): Estes produzem um sinal eléctrico de saída sem a necessidade de alimentação externa. Um termopar é um exemplo deste tipo de sensor.



33

Com alimentação externa (passivos): Estes requerem entrada de energia para poder-se obter um sinal de saída. Um exemplo é um termo resistência, o qual requer uma entrada de energia. Características Estáticas dos Sensores

Exactidão – grau de proximidade entre o resultado da medição e o verdadeiro valor da grandeza medida. Precisão – é o grau de aproximação entre os resultados de medições sucessivas de uma mesma grandeza, efectuadas nas mesmas condições. Afere a repetibilidade de uma medida. Sensibilidade – quociente entre a variação dos valores da grandeza de saída pela correspondente variação da grandeza de entrada. Linearidade – grau de aproximação entre a curva de calibração do sensor e uma recta de aproximação. Determina a constância da Sensibilidade. Sendo linear é mais simples estabelecer a relação entrada saída. Resolução – define a mínima variação de entrada que produz uma variação da saída.



34

Características Dinâmicas dos Sensores

Descrevem o comportamento do sensor quando o sinal de entrada varia no tempo. Erro Dinâmico – traduz o erro introduzido pelo sensor quando o sinal de entrada varia no tempo, sabendo-se que o erro estático é nulo. Velocidade de Resposta – define o tempo de reacção do sensor às variações da entrada. Nota: Em sistemas de monitorização o tempo de resposta não é preponderante, mas em sistemas de controlo é quase sempre. Tipos de Sensores Em processos industriais para monitorizar um dado sistema temos de levar em conta três tipos de variáveis como: - Posição; - Velocidade (aceleração); - Força. Posição e velocidade (aceleração) Estes sensores são dedicados à medição de velocidade, aceleração e/ou posicionamento nos movimentos de máquinas e equipamentos. Podendo ser lineares ou rotativos. Os lineares, também conhecidos como réguas digitais, são instalados directamente no local onde se realiza o movimento e fornecem medidas de posicionamento directo e instantâneo do mesmo. Os rotativos são acoplados directamente ao eixo de motores para medir a posição do eixo.



35

Tipos de Sensores de Posição e Velocidade Influência da Resistividade Resistividade de um material é a resistência eléctrica de um fio desse material com um metro de comprimento e um metro quadrado de secção.

O valor da resistividade difere de material para material pois depende da maior ou menor facilidade com que se deixam circular os electrões livres. Nota:

- Quanto mais comprido é o condutor maior é a sua resistência; - Quanto mais elevada é a secção do condutor menor é a sua resistência; - A resistência depende também da estrutura atómica do material ( o que

influencia o número de choques dos electrões) e do número de electrões livres que este fornece.

Exemplo:

Uma resistência de precisão de uma ponte de medida, em manganina (ρ=0,42Ω.mm2/m), tem 110Ω. Calcule o diâmetro do fio utilizado, sabendo que o seu comprimento é de 8m.

Solução:

mmsdds

mmR

ss

R

2,04.03,04.4.

03,0110

8.42,0..

2

2

===⇔=

=====

πππ

ρρ



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Variação da resistência com a temperatura A resistividade e portanto a resistência de qualquer condutor metálico não é constante, mas aumenta à medida que a sua temperatura se eleva. A expressão desta variação é dada Por: Legenda: R1 Resistência inicial R2 Resistência final α Coeficiente de temperatura ( t2 - t1) Variação da temperatura Coeficiente de temperatura (α) de um material é a variação sofrida pela resistência de 1Ω desse material quando a sua temperatura aumenta de 1ºC. Exemplo: O fio de cobre da bobina de um electroíman tem um comprimento de 100m e uma secção de 0,5mm2. Em funcionamento a bobina aquece até 60ºC.

Sabendo que a resistividade do cobre a 20ºC é de 0,017Ω.mm2/m e com um coeficiente temperatura de 0,004. Calcule o valor da resistência a 20ºC e a 60ºC. Solução: L = 100m Resistência a 20ºC R1 = S = 0,5mm ρ = 0,017Ω.mm2/m

α = 0,004 t2 = 60ºC Resistência a 60ºC R2 = Numa estufa temos uma termorresistência de níquel que tem a 20ºC uma resistência de 50Ω. Em funcionamento normal da estufa a resistência é de 65Ω. Calcule a temperatura atingida nesta em funcionamento normal, sabendo que o coeficiente de temperatura do níquel é de 0,006. Solução: R1 = 50Ω Temperatura final (t2) t1 = 60ºC αNi= 0,004 R2 = 65Ω

( )[ ]1212 1. ttRR −+= α

( )[ ] ( )[ ] Ω=−+=−+ 94,32060004,014,31. 121 ttR α

Ω== 4,35,0100.017,0.

sρ

( )[ ]( )[ ]

Ct

ttttRR

º703,0

2163,05065

20006,0150651

2

2

2

1212

==

=−+==−+=

=−+= α



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Sensores Lineares Resistivos e Indutivos Os sensores resistivos e os indutivos são mais baratos e mais simples. Consistem na colocação de indutores ou resistências, conforme o caso, ao longo dos eixos de movimentação, sobre os quais são aplicadas tensões fixas. Um colector móvel mede as tensões em pontos intermediários. Devido à presença de contactos eléctricos móveis, a vida útil destes sensores é muito curta (não superior a 1 milhão de operações) e com precisão pequena nas medidas, sendo ainda sujeita a erros causados por ruídos induzidos, como por exemplo, ruídos de rede de alimentação e ruído branco (ruído ambiente, que cobre todo o espectro de frequências).

Sensores Lineares: (A) Resistivos, (B) Indutivos



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Sensor Potenciométrico O sensor potenciométrico é simples sensor que opera como um divisor de tensão, onde existe contacto físico entre as partes fixa e móvel. Sendo o seu tempo de vida útil limitado, aplicando-se a situações normalmente estáticas. Exemplo: Um transdutor potenciométrico de deslocamento vai ser usado para medir o movimento da peça na fresa entre 0 e 10cm. A resistência varia linearmente em toda a gama de 0 a 1KΩ. Desenvolva o condicionamento de sinal para dar uma saída linear entre 0 e 10V. Solução: Podemos utilizar um circuito de Ampop, porque o ganho e portanto a tensão de saída depende linearmente da resistência de realimentação.

VD

Vs

R1

R2

SD VRR

RV .21

2

+=



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Sensor LVDT O LVDT é um dispositivo electromecânico que produz um sinal eléctrico proporcional ao deslocamento da parte móvel – núcleo magnético. É composto por três enrolamentos cilíndricos, um primário (excitado normalmente por uma corrente a.c., normalmente na região dos 1 até 10KHz a 0.5 até 10V) e dois secundários espaçados de forma simétrica relativamente ao primário e estão ligados entre si, em série e em oposição. O núcleo magnético cilíndrico no interior dos enrolamentos encaminha o fluxo magnético através destes. Quando o núcleo se encontra na posição central (posição zero) relativamente aos enrolamentos secundários, as amplitudes das tensões induzidas em cada um dos enrolamentos secundários são iguais, sendo contudo as respectivas polaridades de sinais opostos, resultando assim num sinal de saída nulo.

O output de um LVDT tem uma forma sinusoidal (corrente a.c.) e por isso, não tem polaridade. A magnitude do output aumenta independentemente da direcção do movimento, a partir da posição zero estabelecida de início. Aplicações: - Sistemas de suspensões de automóveis - Sistemas de medidas de peso - Manipuladores robóticos



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Sensor Indutivo Os sensores ou transdutores indutivos associam a variação de uma grandeza não eléctrica a uma alteração da indutância ou coeficiente de auto-indução de uma bobina. Apesar de a indutância de uma bobina ser uma função da permeabilidade magnética do núcleo, da forma e dimensões físicas respectivas, é a primeira destas variáveis que geralmente se utiliza para detectar as variações nas grandezas a medir. A variação da indutância é uma consequência da variação do fluxo magnético total gerado pela corrente eléctrica na bobina, seja devido à variação da posição do núcleo no interior, seja devido à variação da distância entre aquela e um objecto externo constituído por uma material de elevada permeabilidade magnética. Num indutor, a indutância depende do número de espiras, da largura do enrolamento, ou área da espira, do comprimento do enrolamento e da permeabilidade do núcleo:

Legenda: L – indutância m – permeabilidade do núcleo N – número de espiras A – largura do enrolamento

– comprimento do enrolamento

ANmL .. 2

=

CAMPO ELECTROMAGNÉTICO

ACCIONADOR METÁLICO



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Sensor Capacitivo Funcionam analogamente como os sensores indutivos, porém para alterarmos as condições físicas da região sensível, pode-se usar qualquer material, tais como, vidro, madeira, grãos, pós, até mesmo líquidos, variando a capacitância do condensador.

em que, K - constante dieléctrica - permitividade = 8,85pF/m S - área comum das placas d – separação das placas A capacitância depende da área das placas S, da constante dieléctrica do meio, K, e da distância entre as placas,d. Curva Capacitância Analisando o gráfico de capacitância, podemos observar a quase total linearidade da variação da capacitância, devido à variação da humidade. Existe uma pequena diferença de valores se tomarmos o sentido inverso da curva devido a efeitos de histerese (cerca de 2%).

0εε += K dAKC .. 0ε=

0ε



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Exemplo: Pretende-se medir o nível de álcool etílico entre 0 e 5m usando um sistema capacitivo como na figura abaixo. O sistema é definido pelas especificações seguintes:

- Para o álcool etílico: K = 26 (para o ar, K = 1);

- Separação dos cilindros d = 0,5cm;

- Área das placas: A = 2.π.R.L;

em que: R = 5,75cm = raio médio L = distância ao longo do eixo do cilindro Determine a gama de variações da capacidade quando o nível do álcool varia de 0 a 5m. Solução:



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Sensor Extensométrico Estes tipos de sensores são utilizados para medir deformações de corpos sólidos, baseando-se no princípio em que a resistência de um condutor é proporcional ao seu comprimento. A tensão aplicada tende alongar os filamentos, aumentando assim, o seu comprimento e diminuindo a sua secção. Relembramos então a lei ohm, assim, , a resistência do filamento deverá aumentar.

Efeito força ; R0 resistência da amostra (resistência à temperatura inicial);

Efeito com variação de temperatura - na equação do efeito de força estamos a desprezar o efeito de temperatura, mas no real é necessário termos em conta que qualquer metal tem sempre um coeficiente de variação de temperatura. D =∆V diferença de potencial na ponte

IUR =

SR .ρ=

F

F

Inactivo (ENA)

Activo (EA)

R1

V b D a

R2

EA ENA



44

Factor extensométrico (sensibilidade) – FE

0

0 Deformação ; Deformação

RR

FE ∆=

∆

=

0RR∆ Variação relativa na resistência do sensor devido à deformação;

0

∆ Variação relativa no comprimento

1. Extensómetro activo - Varia com a deformação 2. Extensómetro não activo - Varia com a temperatura

R

V b Da

R

EA RR.EAR.R =

R

V b Da

R

EA ENA

R.EAENA.R =

0

FE..4

VEV ∆−=∆



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Exemplo: Qual a variação da resistência de um condutor de 120Ω quando sofre uma extensão de 1000µm/m? Solução: Exemplo: Considere um extensómetro com FE=2,03 e R0=350Ω. Para uma extensão de 1450µm/m.

a) Qual a diferença de potencial na ponte ∆V. b) Qual a relação entre ∆V e extensão. c) Qual a tensão para uma extensão de 1µm.

Solução:

a) V1035,7101450.03,2.4

10FE..4

VE-V 36

0

−− −=−=∆

=∆ xx

b) ( ) V075,503,2.4

10-FE.4

VE-VFE..4

VE-V0

0 −===∆

==∆ε

ε

c) Para ε0=1µm/m ∆V=-5,075µV

0ε

( ) ( )

( ) Ω==∆=

==∆

=

−

−

8,28120.102.120.1000R

101000.120.2120

R

6

6

x

x

00

0

.R.2R

R ∆=

∆

R1=350Ω

V=10V b ∆Va

R2=350Ω

EA ENA



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Sensores Ópticos São constituídos por foto-díodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básicos:

- Sensor de reflexão; - Interrupção de luz.

No sensor de reflexão um feixe luminoso atinge um furo do disco ou uma marca de cor contrastante, que está a girar. O sensor recebe o feixe reflectido, mas quando acerta no furo o feixe é interrompida (ou pode ser feita a reflexão do feixe se estivermos na presença de uma cor clara), onde é gerado um pulso pelo sensor. O sensor de interrupção de luz usa também um disco com furo, onde a fonte de luz e o sensor ficam em lados opostos. Na passagem pelo furo, o feixe atinge o sensor, gerando um pulso. Sensores Lineares ópticos São mais precisos e apresentam uma vida útil praticamente infinita, se alguns cuidados elementares forem tomados em relação à sua utilização. Estes consistem na colocação de emissores e receptores de luz na parte móvel de uma régua graduada, fixados à base do movimento ou vice-versa, que permite a passagem ou a reflexão apenas de feixes selectivos de luz, que são detectados pelos receptores e indicando assim a posição da parte móvel em relação à fixa.



47

Sensores Linear óptico ou régua óptica Sensores Rotativos ópticos Também conhecidos como encoders, têm o funcionamento aparecido com o caso linear, com o sensor em forma de disco com marcas ou perfurações. Possui características semelhantes ao sensor óptico linear, ou seja, longa vida útil, alta precisão e médio custo. Estes sensores fornecem medidas absolutas ou incrementais, de acordo com as necessidades de cada aplicação.

Sensores Fotoeléctricos



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Encoders Incrementais Este tipo de encoder fornece informações sobre o movimento executado e a direcção da rotação do motor. Estes geram um certo número de impulsos por rotação. O número de cada impulso é a medida da distância movida (angular ou linear), ou seja:

- Contando os pulsos e conhecendo o ângulo inicial, obtém-se por cálculo a posição;

- O sentido de rotação é determinado fornecendo um segundo sinal desfasado aproximadamente de 90º, em avanço ou atrasado em função da direcção.

No eixo é montado um disco codificado. Este disco é dividido em segmentos separados que são alternadamente opacos ou transparentes.

Fototransistor Led



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Sinais eléctricos

Marca de referência



50

Encoders absolutos Os encoders absolutos fornecem informações mais rigorosas que os encoders incrementais. Possuem a capacidade de informar a posição física de um elemento, assim que ele é activado, sem a necessidade de fixação da posição inicial. Isto é possível porque o encoder transmite para o controlador um sinal diferente para cada posição da junta. O disco é dividido em 2n sectores com n bits ( Leds) a serem detectados por n foto-transistores alinhados radialmente, permitindo definir 2n ângulos distintos. Neste tipo de sensor é utilizado o código gray e não o binário para codificar os números.



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Sensor de velocidade por efeito de Hall Os sensores magnéticos de efeito Hall têm seu princípio de funcionamento baseado na colocação de um imã fixo no eixo do rotor e no estator um sensor de efeito Hall que detectam a passagem do campo magnético, detectando a velocidade e a posição do eixo em movimento. Têm uma vida útil longa, são robustos e baratos, no entanto, sua instalação é difícil, o que limita sua aplicação, além de possuir sérias restrições quanto à temperatura de operação. Sensor Magnético São sensores que abrem ou fecham um contacto mediante a presença de um campo magnético externo, próximo e dentro da zona sensível do sensor, proveniente na maioria dos casos de um imã permanente. Estes sensores são sensíveis aos dois pólos do imã NORTE ou SUL ou apenas um pólo. Funcionamento: Ao aproximar-se um imã permanente ou uma bobina alimentada com uma corrente continua deste invólucro, o campo magnético formado atravessa a ampola, fazendo com as duas lâminas se juntem, estabelecendo um contacto eléctrico. Removendo-se o campo magnético, o contacto é imediatamente desfeito.



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Bobina alimentada Imã permanente



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Tipos de Sensores de Pressão Sensor de pressão tipo indutivo - LVDT O transdutor de pressão mais frequentemente utilizado é o transformador diferencial de núcleo variável, ou LVDT. Este sensor é constituído por um primário ( bp ), dois secundários ( bs1 e bs2 ) ligadas em oposição de fase e um núcleo de grafite disposto simetricamente com às bobinas. Quando o sistema está em repouso, as tensões induzidas em bs1 e bs2 são idênticas, sendo a resultante V2 igual a zero. Quando há pressão aplicada, ocorre um deslocamento do núcleo, provocando assim tensões diferentes em bs1 e bs2 e consequentemente V2 não será mais zero

Sensor de pressão tipo magnético ou LVDT

Estes sensores podem medir uma ampla faixa de pressão, porém são sensíveis a vibrações e campos magnéticos. O sinal gerado é da ordem de 1,5 V, o que dispensa o uso de pré-amplificadores.



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Sensor de pressão tipo capacitivo ou célula capacitiva: O sensor tipo capacitivo, ou célula capacitiva, mede a diferença entre as pressões aplicadas nos dois diafragmas. A distância entre o diafragma sensor e as placas capacitivas varia de acordo com a diferença entre as pressões aplicadas nos dois lados da cerâmica porosa.

Sensor de pressão tipo Piezoeléctrico Alguns cristais a sua rede cristalina desenvolvem cargas eléctricas, quando submetidos a um esforço mecânico. Os materiais mais utilizados são o quartzo, a turmalina e o monofosfato de amónia. A carga gerada tem um valor muito baixo, necessitando assim de um circuito amplificador e de um condicionamento do sinal. São utilizados para medir grandes variações de pressões, ou seja, para medições dinâmicas. Possuem alta estabilidade térmica e podem medir pressões desde 1 mbar até 10 kbar.

Cristal piezoeléctrico Cristal piezoeléctrico



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Sensor de pressão tipo Piezoresistivo – Extensómetro e Ponte Wheatstone Dá-se o nome de "efeito piezoresistivo", à alteração de resistência de um condutor eléctrico sob carga. Este condutor pode ser um fio ou um metal depositado numa placa de filme fino.

Este tipo de sensor é também conhecido por "strain gage" e é bastante utilizado em estruturas conhecidas, como células de carga (medição de peso). A configuração acima é chamada de "ponte de Wheatstone" e fará com que o medidor ao centro registe proporcionalmente a pressão aplicada no sensor.



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Transdutores temperatura Medida escalar que determina a direcção do fluxo de calor entre dois corpos; uma medição estatística. O controlo de temperatura é muito importante em processos industriais, como indústrias químicas, siderúrgicas, petroquímicas, etc... Medição Temperatura:

- Sensores Mecânicos; - Sensores Eléctricos.

Como é transferido o calor?

- Condução - Radiação - Convecção

Sensores Mecânicos Termómetro bimetálico - Forças devidas à expansão térmica - Dois metais diferentes firmemente unidos

• Fraca precisão • Histerese

A expansão térmica causa grandes problemas em outras aplicações:

• Interferência mecânica Termómetro líquido - Exacto numa gama reduzida; - Exactidão & resolução = f (comprimento);



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- Gama limitada pelo líquido; - Frágil; - Massa térmica grande; - Lento. Tinta Térmicas - Mudança irreversível; - Fraca resolução; - Úteis para grandes áreas. Sensores eléctricos Pirómetro Óptico - Sensível à radiação infravermelha; - Fotodiodo ou fototransistor; - Exactidão f emissão; - Útil para temperaturas elevadas; - Sem contacto; - Alto custo; - Pouca precisão. RTD’s (Resistance Temperature Detector) São sensores metálicos cuja resistência eléctrica varia com a alteração da temperatura. Esses sensores podem ser de platina, cobre ou níquel com diversos revestimentos de acordo com a utilização. O tipo usado na indústria é denominado Pt100, uma vez que a resistência eléctrica tem o valor de 100 °C a 0 °C.

• Mais exacta e estável; • Bom até 800 graus Celsius; • Resistência= fTemperatura absoluta; • O auto-aquecimento é um problema; • Baixa resistência; • Necessita fonte de I; • Não-linear.



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Termistores - Construído com material semicondutor São óxidos metálicos semicondutores, cuja resistência eléctrica varia com a temperatura. Podem ser classificados em duas categorias:

• Positivos (PTC) - Elevação do valor da resistência com o aumento da temperatura.

• Negativos (NTC) - Diminuição da resistência eléctrica com o aumento da temperatura. São utilizados, protecção de circuitos eléctricos, etc...

- Sensibilidade: 5 kΩ para 25 ºC; ∆R = 4%/ºC; - Gama limitada; - Baixa massa térmica: Alto auto-aquecimento; - Necessita fonte de I; - Pouco linear. Sensores Integrados AD590 - Saída elevada; - Muito linear; - Exactidão em ambientes fechados; - Gama limitada; - Necessita fonte V; - Barato.



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Termopar Define-se como termopar o conjunto de dois fios de metais ou ligas metálicas diferentes, unidos em uma das extremidades. O ponto de união dos fios é denominado junta de medida ou junta quente. A outra extremidade é chamada junta de referência ou junta fria. Quando submetemos as juntas a diferentes temperaturas, há uma geração de tensão (Força Eletromotriz ou f.e.m.), facilmente detectável por um milivoltímetro ligado à junta de referência. Verifica-se que quanto maior for a diferença de temperatura, maior será a f.e.m. gerada (Efeito Seebeck). Com base neste fenómeno é feita a medição da temperatura, desde que se conheça a temperatura da junta de referência e a correlação f.e.m. versus temperatura. É norma considerar-se a temperatura da junta de referência igual a 0°C, de modo que a f.e.m. gerada, corresponde sempre à temperatura medida. Os termopares são classificados em três grandes categorias:

• Básicos – São os mais usados na indústria, tendo preços mais acessíveis e precisão compatíveis com a maioria dos processos;

• Nobres – São utilizados em processos com temperaturas superiores a 1.200°C ou quando é requerida uma alta precisão;

• Especiais – São utilizados em laboratório.



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Sensor de luminosidade – LDR O LDR é um pequeno sensor capaz de detectar o grau de luminosidade que incide sobre a sua superfície. Ele tem um comportamento idêntico a uma resistência, o seu valor é inversamente proporcional à quantidade de luz que incide sobre a sua superfície sensível. Com a máxima luminosidade quase não há resistência eléctrica entre os dois terminais, elevando-se a muitos milhões de ohms na escuridão. Este é geralmente aplicado na regulação de luminosidade.



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Sensor Ultra-Sonicos Os ultra-sons são sensores formados por um emissor e um receptor que utilizam a variação da frequência para detectar a distância de um obstáculo. Estes têm aplicações na micro-robótica, onde são muito eficazes na detecção de obstáculos e para ajudar na tomada de decisões.



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Actuadores Dentro de uma malha de controlo, o elemento de controlo final, tem o objectivo de reposicionar uma variável, de acordo com um sinal gerado por um controlador, é chamado de actuador, pois actua directamente no processo, modificando as suas condições. São dispositivos utilizados para a conversão de sinais eléctricos provenientes dos controladores, em acções requeridas pelos sistemas que estão a ser controlados. Actuadores Pneumáticos Este tipo de actuador é normalmente empregado em sistemas onde se requer altas velocidades nos movimentos, onde é requerido pouco controlo sobre o posicionamento final, em aplicações onde o binário exigido é relativamente baixo. Os actuadores pneumáticos mais conhecidos e utilizados, são distribuídos pelos seguintes processos:

1. Processos de Manufacturados

Lineares – Cilindros de simples e duplo efeito.

Rotativos – Motores pneumáticos.

O accionamento é bastante simples, comandado é feito por electroválvulas que controlam os fluxos de ar, controlando os movimentos. O controlo neste tipo de actuador restringe-se ao comando destas válvulas e ao seu accionamento (circuito de relés).



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2. Processos Contínuos Em processos contínuos, a válvula de controlo é um actuador capaz de regular a quantidade de um fluído (líquido, gás ou vapor) que escoa através de uma tubagem, por meio do posicionamento relativo. Nestas válvulas a actuação é feita, na maioria das vezes, por dispositivos pneumáticos, por isto são chamadas também de válvulas de controlo pneumáticas.

Actuadores Hidráulicos São utilizados principalmente em sistemas onde são requeridos elevados binários, sobretudo no accionamento de máquinas de grande porte. Assim como no caso dos actuadores pneumáticos, estes podem ser lineares (cilindros simples ou duplo efeito) ou rotativos (motores hidráulicos).

O accionamento, assim como no caso dos pneumáticos, é bastante simples, o comando é feito por electroválvulas que controlam os fluxos de óleo, controlando os movimentos. O controlo neste tipo de actuador restringe-se ao comando destas válvulas e ao seu accionamento (circuito de relés).

Actuadores Eléctricos Este tipo de actuador é o mais empregado em aplicações industriais de uma forma geral. As facilidades de instalação, os baixos custos de instalação e o desenvolvimento de circuitos electrónicos para o seu accionamento, fizeram deste tipo de actuador o mais popular, não apenas de uso industrial mas também para uso geral. Aplicações

• Bombas; • Válvulas de controlo (actuador eléctrico); • Eixos de máquinas ferramenta; • Articulações de Robôs; • etc.



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Motor de passo Devido à simplicidade do accionamento admitido por este tipo de motor, foi o accionamento mais utilizado para controlo de posicionamento em máquinas-ferramenta, até o final da década de 70.

O motor de passo é um transdutor que converte energia eléctrica em energia mecânica. A diferença básica é que o motor de passo é alimentado com sinais digitais, o que proporciona muitas vantagens em relação aos outros motores eléctricos.

O motor de passo consiste num motor DC de magnetes permanentes ou de relutância variável que apresenta as seguintes características de desempenho:

• Rotação em ambas as direcções; • Variações incrementais de precisão angular; • Repetição de movimentos bastante exactos; • Um binário de sustentação à velocidade zero; • Possibilidade de controlo digital.

Um motor de passo pode mover-se por incrementos angulares bastante exactos, conhecidos como passos, em resposta a pulsos digitais aplicados a um driver a partir de um controlador digital. O número de pulsos e a cadência com que estes pulsos são aplicados controlam a posição e a velocidade do motor, respectivamente. Os motores de passo podem ser bipolares, que requerem duas fontes de alimentação ou uma fonte de alimentação de polaridade comutável, ou unipolares, que requerem apenas uma fonte de alimentação. Em ambos os casos as fontes utilizadas são de tensão contínua e requerem um circuito digital que produza as sequências de para produzir a rotação do motor. No controlo de um motor de passo nem sempre é necessária a implementação de uma estratégia de realimentação, mas a utilização de um encoder, ou de outro sensor de posição poderá assegurar uma melhor exactidão sempre que for essencial. A vantagem de operar sem realimentação é que deixa de ser necessário um sistema de controlo em malha fechada.



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Motores de passo unipolares Os motores de passo unipolares são facilmente reconhecidos pela derivação ao centro em cada um dos enrolamentos. O número de fases é duas vezes o número de bobinas, uma vez que cada bobina se encontra dividida em duas. Normalmente, a derivação central dos enrolamentos está ligada ao terminal positivo da fonte de alimentação e os extremos de cada enrolamento são ligados alternadamente à terra para assim inverter a direcção do campo gerado por cada um dos enrolamentos.

Motores de passo bipolares Ao contrário dos motores de passo unipolares, os motores bipolares requerem um circuito de actuação bem mais complexo. Os motores de passo bipolares são conhecidos pelo seu excelente rácio tamanho/binário: proporcionam um maior binário comparativamente a um motor unipolar do mesmo tamanho.



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Relé

Os relés são dispositivos comutadores electromecânicos Nas proximidades de um electroíman é instalada uma armadura móvel que tem por finalidade abrir ou fechar um conjunto de contactos. Quando a bobina é percorrida por uma corrente eléctrica é criado um campo magnético que actua sobre a armadura, atraindo-a. Nesta atracção ocorre um movimento que activa os contactos, os quais podem ser abertos ou fechados, dependendo de sua posição. Isso significa que, através de uma corrente aplicada à bobina de um relé, podemos abrir ou fechar os contactos de uma determinada forma, controlando assim, correntes externas. Quando a corrente deixa de circular pela bobina do relé, o campo magnético criado desaparece e com isso, a armadura volta a sua posição inicial pela acção da mola.



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Sistemas Autónomos Sonar

- é um dispositivo muito utilizado em algumas embarcações, principalmente militares, que emite ondas sonoras sob a água para detectar e localizar a posição de objectos submersos. É possível com o sonar, mapear o fundo do mar, localizar cardumes, navios, submarinos ou mergulhadores perdidos.

O Sonar pode ser utilizado também, para medir distâncias, detectar obstáculos, entre outras aplicações. O cientista inventor do sonar foi Paul Hangevin, em 1917.

Na figura abaixo, é possível observar as ondas emitidas pelo navio, que são

reflectidas quando incidem no fundo da água, atingindo o submarino e permitindo assim a sua localização. Principio de funcionamento O sonar baseia-se no princípio do eco. Um sinal ultra-sônico de curta duração é enviado e depois é medido o tempo até o eco seja recebido; sabendo-se assim a velocidade do som, pode-se então calcular-se a distância.



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Laser Light Amplification by Stimulate Emission of Radiation - Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação Processamento de Materiais com Laser Princípio de Funcionamento

O laser transforma uma forma de energia externa (descarga eléctrica, radiação de uma lâmpada de flash ou de um diodo de laser) em luz de um só comprimento de onda, o que pode ser feito de várias formas. O meio de actividade do laser pode ser, por exemplo, um gás ou um corpo sólido, daí as designações laser de gás ou laser de estado sólido. Num ressonador a laser, o meio de actividade do laser está localizado entre dois espelhos. A luz de laser produzida pela introdução de energia externa é reflectida entre os espelhos, concentrando-se durante este processo, e passando em seguida parte dela para o exterior, através do espelho parcialmente reflector. É esta a parte da radiação que é utilizada nos processos de laser. Em aplicações industriais, usam-se principalmente dois tipos de laser para o tratamento de materiais: o Laser Nd:YAG e o Laser de CO2.

Laser de CO2 Neste caso, a velocidade do fluxo do gás laser é superior a 500 m/s, que se alcançam com compressores Root ou ventiladores turbinados. O arrefecimento do gás é feito por permutadores de calor. Por cada metro de descarga obtêm-se no máximo 500 W de potência de laser. Desta forma conseguem-se lasers compactos com potência de saída mais elevada (até > 36kW). A excitação dá-se por corrente contínua ou alta frequência. A maioria dos laser de CO2, actualmente utilizados no tratamento de materiais, funcionam através deste princípio.



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Laser Nd:YAG O meio activo do laser Nd:YAG é um monocristal artificial dopado com iões Nd3+ (Neodym), que constitui o elemento activo. A energia é introduzida opticamente por lâmpadas de flash. A lâmpada de flash e o meio activo do laser encontram-se respectivamente nos focos dos cilindros elípticos espelhados. Desta forma, a energia das lâmpadas de flash é aproveitada ao máximo. Os laser Nd:YAG são accionados, na maioria dos casos, por impulsos. A potência média em sistemas de impulsos é de 1000 W. Podem, no entanto, obter-se lasers Nd:YAG, de funcionamento contínuo, até 4200 W. Tal como no laser de CO2 a radiação do laser Nd:YAG pode ser desviada por meio de espelhos e lentes. Devido ao comprimento de onda mais curto, 1,06µm, na transmissão de feixes podem, também, ser utilizadas fibras ópticas. Neste caso, a combinação com um robot de braço articulado pode ser de especial interesse. O laser Nd:YAG não precisa de gás para funcionar. Para trabalhar, e consoante a tarefa a ser executada, são necessários gases de corte ou gases de protecção. Os principais campos de aplicação do laser Nd:YAG são o corte, a soldadura e a furação de precisão, como também a realização de trabalhos em peças muito reduzidas.



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GPS GPS (Global Positioning System) é um sistema de

radionavegação baseado em satélites, desenvolvido e controlado pelo departamento de defesa dos Estados Unidos da América (U.S.DoD) que permite a qualquer utilizador saber a sua localização, velocidade e tempo, 24 horas por dia, sob quaisquer condições atmosféricas e em qualquer ponto do globo terrestre. Componentes do Sistema

O GPS tem três componentes: • Espacial; • Controlo; • Utilizador.

A componente espacial é constituída por uma constelação de 24 satélites em

órbita terrestre aproximadamente a 20200 km com um período de 12h siderais e distribuídos por 6 planos orbitais. Estes planos estão separados entre si por cerca de 60º em longitude e têm inclinações próximas dos 55º em relação ao plano equatorial terrestre. Foi concebida por forma a que existam no mínimo 4 satélites visíveis acima do horizonte em qualquer ponto da superfície e em qualquer altura.

A componente de controlo é constituída por 5 estações de rastreio distribuídas ao longo do globo e uma estação de controlo principal (MCS- Master Control Station). Esta componente rastreia os satélites, actualiza as suas posições orbitais, calibra e sincroniza os seus relógios. Outra função importante é determinar as órbitas de cada satélite e prever a sua trajectória nas 24h seguintes. Esta informação é enviada para cada satélite para depois ser transmitida por este, informando o receptor do local onde é possível encontrar o satélite.



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A componente do utilizador inclui todos aqueles que usam um receptor GPS para receber e converter o sinal GPS em posição, velocidade e tempo. Inclui ainda todos elementos necessários neste processo, como, as antenas e software de processamento. Funcionamento

Os GPS’s baseiam-se na determinação da distância entre um ponto, o receptor, outros referenciais e os satélites. Cada satélite transmite um sinal que é recebido pelo receptor, este por sua vez mede o tempo que os sinais demoram a chegar até ele. Multiplicando o tempo medido pela velocidade do sinal (a velocidade da luz), obtemos a distância receptor-satélite, (Distância = Velocidade x Tempo). Aplicações GPS

- Transportes A ligação do GPS com o SIG (Sistemas de Informação Geográfica) gerou um

grande interesse por parte do mundo empresarial ligado ao sector do transporte de mercadorias. Já muitas empresas adoptaram sistemas conjuntos GPS/SIG para fazer gestão e monitorização de frotas.

Como exemplo de uma aplicação GPS aos transportes, temos um sistema nas empresas de aluguer de automóveis “NeverLost”. Este sistema foi desenvolvido pela Rockwell Automotive e permite localizar um veículo em qualquer lugar geográfico. Este sistema equipa alguns veículos e está posicionado entre o condutor e o passageiro do banco da frente do automóvel.

O sistema funciona da seguinte forma: o condutor (ou o passageiro do lado) escolhe no ecrã o destino pretendido e o “NeverLost” calcula a rota; dando depois indicações visuais e verbais como “vire à direita, “vá em frente”, etc. Se por acaso o condutor se enganar no caminho o sistema pode recalcular a rota dando caminhos alternativos.

- Desporto Numa corrida de balões transatlântica. Os receptores foram usados para ajudar na navegação, onde as informações de

direcção e velocidade dadas pelo GPS ajudavam as tripulações, a identificar as correntes de ar e a posição. Permitiam aos salva-vidas encontrar rapidamente as tripulações em perigo, devido às descidas rápidas.



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- Protecção Civil Alguns serviços de protecção civil já estão também a utilizar GPS. Uma

esquadra de uma equipa de salvamento Norte Americana utiliza desde 1992 um receptor Trimble Transpak nas ambulâncias com o objectivo de guiar os helicópteros de serviços médicos até elas, muito mais rapidamente e em situações onde a visibilidade é reduzida.

- Topografia O GPS é hoje em dia utilizado em todas as aplicações topográficas, a sua

precisão milimétrica permite utiliza-lo para determinar ângulos, distâncias, áreas, coordenar pontos, efectuar levantamentos, etc.

- Militares Nos desertos devido à sua grande grandeza, o terreno parece-nos sempre igual

por muitos quilómetros. Sem um seguro sistema de navegação, as forças norte americanas não poderiam realizar a Operação tempestade do deserto, durante a guerra do Golfo. Com o GPS, os soldados estavam aptos a ir para qualquer lugar até mesmo à noite e sobre tempestades de areia.

AGV O AGV (Automatic Guided Vehicle), Veículo Guiado Automaticamente sem condutor, realiza desde as tarefas de transporte mais simples, até as mais complexas.

Trata-se de um dispositivo móvel utilizado no transporte automático de materiais em ambientes fabris, concebido para receber e executar instruções, seguir um caminho ou trajectória, e aceitar e distribuir materiais. As instruções para um AGV indicam para onde o veículo se deve dirigir, como deve chegar ao destino e o que deve fazer quando chegar ao destino.



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O AGV é capaz de identificar a sua localização e de comunicar essa informação, tomando como referência as secções ou troços em que se encontram divididas as pistas implantadas no seu layout de trabalho, permitindo dessa forma o mapeamento global da posição.

Controlo O sistema de navegação baseia-se no seguimento do campo magnético criado por condutores implantados no solo e percorridos por uma corrente eléctrica sinusoidal. O campo magnético é detectado por duas antenas, uma colocada à frente e outra atrás. Este sistema de navegação é o mais comum nos AGVs actualmente comercializados. Esses AGVs são tecnicamente designados por AGVs filoguiados.

Colisão

No lado esquerdo do AGV está montado um transmissor e do lado direito um receptor. O AGV que recebe um sinal STOP pára durante um determinado tempo.



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Glossário Transdutor – converte informação de um sistema de energia para outro. Sensor – mede a magnitude das variáveis do sistema. Quando convertem a variável medida para outro sistema de energia são também chamados transdutores. Actuador – aparelho que converte uma variável de um sistema de energia para outro, de forma a actuar no processo. Especificações – dados referentes às capacidades de performance e requisitos de um aparelho. Precisão – o erro existente entre um valor medido comparado com o valor real. Sensibilidade – a razão entre a amplitude do sinal de saída e a amplitude do sinal de entrada. Resolução – a maior variação no sinal de entrada que não produz variação detectável no sinal de saída. “Range” (intervalo de medida) – designação dos valores entre os quais o aparelho pode ser utilizado em conformidade com a precisão referida nas especificações. Largura de banda – intervalo de frequências do sinal de entrada no qual o aparelho pode operar segundo as especificações. Função de transferência – a relação matemática entre duas variáveis que estão relacionadas. Linear – a relação entre duas variáveis tem valor constante. Não-linear – a relação entre duas variáveis não pode ser descrita de uma forma linear. Linearidade – uma medida do desvio de uma medição em relação a uma resposta segundo uma linha recta ideal correspondente à mesma medição dentro do mesmo intervalo de medida. Tempo de resposta – o tempo necessário para que a saída atinja um determinado valor ou dentro de uma determinada %, após a entrada ter sido alterada. Amplificador – um circuito onde a relação entre a entrada e a saída está relacionada linearmente e com a saída maior que a entrada. Pode funcionar em AC ou DC. Off-Sett – considerando um amplificador DC com entrada nula, a saída pode ser diferente de zero. Este facto denomina-se off-set. Ganho – a razão entre a amplitude do sinal de saída e entrada de um circuito. Atenuador – circuito com características lineares em que o sinal de saída é menor que o de entrada.



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Somador – a saída é proporcional à soma das várias entradas do circuito. Inversor – um amplificador de tensão com a polaridade da saída inversa em relação ao sinal de entrada. Normalmente o ganho é -1. Amplificador de potência – um amplificador em que o sinal de saída é de corrente elevada. Seguidor – um amplificador com ganho =1. Grande impedância de entrada e baixa impedância de saída.

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