Instrumentação em Eletroeletrônica - Livro Didático

Indaial 2022 ElEtroElEtrônica Prof Eduardo José Nogueira Prof Luiz Fernando Marquez Arruda 1a Edição instrumEntação Impresso por Elaboração Prof Eduardo José Nogueira Prof Luiz Fernando Marquez Arruda Copyright UNIASSELVI 2022 Revisão Diagramação e Produção Equipe Desenvolvimento de Conteúdos EdTech Centro Universitário Leonardo da Vinci UNIASSELVI Ficha catalográfica elaborada pela equipe Conteúdos EdTech UNIASSELVI N778i Nogueira Eduardo José Instrumentação eletroeletrônica Eduardo José Nogueira Luiz Fernando Marquez Arruda Indaial UNIASSELVI 2022 235 p il ISBN 9786556465296 1 Eletrônica Brasil I Arruda Luiz Fernando Marquez II Centro Universitário Leonardo da Vinci CDD 620 Caro acadêmico a partir de agora conheça o Livro Didático de Instrumentação em Eletroeletrônica Este livro trará até você os principais conceitos referentes às transformações da energia elétrica por meio da eletrônica O livro será dividido em três unidades de modo a se ter uma divisão didática dos conteúdos a serem estudados ao longo do curso Em cada uma das unidades você encontrará materiais tendo como base as principais literaturas da área incluindo inúmeras experiências de modo a permitir a você acadêmico uma compreensão ampla a respeito dos processos embutidos no contexto da Instrumentação Eletroeletrônica O livro didático também trará inúmeras recomendações de leituras complementares a fim de ampliar e aprofundar os conceitos vistos ao longo dos tópicos permitindo assim uma autonomia de aprendizado o que favorece o explorar do conhecimento para além do ambiente da academia A Unidade 1 abarcará os conceitos introdutórios referentes a instrumentos de medida sensores e atuadores Nesta unidade serão apresentados os principais dispositivos além das principais características e aplicações deles A Unidade 2 terá como foco os tipos de sinais envolvidos com o sensoriamento e os conceitos de resolução sensibilidade exatidão precisão linearidade alcance estabilidade e velocidade de resposta A Unidade 3 se dedicará aos estudos dos transdutores das técnicas de conversão AD e DA e dos tratamentos matemático e estatístico que envolvem sinais de instrumentação Com esta proposta de material pretendese entregar a você discente uma vasta e rica experiência de ensinoaprendizado na área de Instrumentação Eletroeletrônica assim que sejam excelentes estudos Prof Eduardo José Nogueira Prof Luiz Fernando Marquez Arruda APRESENTAÇÃO Olá acadêmico Para melhorar a qualidade dos materiais ofertados a você e dinamizar ainda mais os seus estudos nós disponibilizamos uma diversidade de QR Codes completamente gratuitos e que nunca expiram O QR Code é um código que permite que você acesse um conteúdo interativo relacionado ao tema que você está estudando Para utilizar essa ferramenta acesse as lojas de aplicativos e baixe um leitor de QR Code Depois é só aproveitar essa facilidade para aprimorar os seus estudos GIO QR CODE Olá eu sou a Gio No livro didático você encontrará blocos com informações adicionais muitas vezes essenciais para o seu entendimento acadêmico como um todo Eu ajudarei você a entender melhor o que são essas informações adicionais e por que você poderá se beneficiar ao fazer a leitura dessas informações durante o estudo do livro Ela trará informações adicionais e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto estudado em questão Na Educação a Distância o livro impresso entregue a todos os acadêmicos desde 2005 é o materialbase da disciplina A partir de 2021 além de nossos livros estarem com um novo visual com um formato mais prático que cabe na bolsa e facilita a leitura preparese para uma jornada também digital em que você pode acompanhar os recursos adicionais disponibilizados através dos QR Codes ao longo deste livro O conteúdo continua na íntegra mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com uma nova diagramação no texto aproveitando ao máximo o espaço da página o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel por exemplo Preocupados com o impacto de ações sobre o meio ambiente apresentamos também este livro no formato digital Portanto acadêmico agora você tem a possibilidade de estudar com versatilidade nas telas do celular tablet ou computador Preparamos também um novo layout Diante disso você verá frequentemente o novo visual adquirido Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos para que você nossa maior prioridade possa continuar os seus estudos com um material atualizado e de qualidade ENADE LEMBRETE Olá acadêmico Iniciamos agora mais uma disciplina e com ela um novo conhecimento Com o objetivo de enriquecer seu conheci mento construímos além do livro que está em suas mãos uma rica trilha de aprendizagem por meio dela você terá contato com o vídeo da disciplina o objeto de aprendizagem materiais complementa res entre outros todos pensados e construídos na intenção de auxiliar seu crescimento Acesse o QR Code que levará ao AVA e veja as novidades que preparamos para seu estudo Conte conosco estaremos juntos nesta caminhada Acadêmico você sabe o que é o ENADE O Enade é um dos meios avaliativos dos cursos superiores no sistema federal de educação superior Todos os estudantes estão habilitados a participar do ENADE ingressantes e concluintes das áreas e cursos a serem avaliados Diante disso preparamos um conteúdo simples e objetivo para complementar a sua compreensão acerca do ENADE Confira acessando o QR Code a seguir Boa leitura SUMÁRIO UNIDADE 1 INSTRUMENTAÇÃO MEDIDAS E MEDIDORES ELÉTRICOS SENSORES E ATUADORES 1 TÓPICO 1 ASPECTOS INTRODUTÓRIOS DE INSTRUMENTAÇÃO 3 1 INTRODUÇÃO 3 2 CONCEITOS BÁSICOS 6 21 MÉTODO CIENTÍFICO 6 22 GRANDEZAS FÍSICAS 7 23 UNIDADES DE MEDIDA 8 24 UNIDADES DO SISTEMA INTERNACIONAL SI 9 25 UNIDADES DERIVADAS SI 9 3 TIPOS DE INSTRUMENTOS 10 4 SINAIS 11 41 REPRESENTAÇÃO DOS SINAIS 12 42 ALEATORIEDADE DE UM SINAL 13 43 CONDICIONADORES DE SINAIS 13 431 Amplificação 14 432 Linearização 16 433 Conversão 16 434 Isolação 17 435 Excitação 17 436 Filtragem 17 437 Casamento de impedâncias 18 5 PAPEL DO INSTRUMENTISTA NO MERCADO DE TRABALHO 18 51 CALIBRAÇÃO 19 52 MANUTENÇÃO 20 RESUMO DO TÓPICO 1 21 AUTOATIVIDADE 22 TÓPICO 2 MEDIDAS E MEDIDORES ELÉTRICOS 25 1 INTRODUÇÃO 25 2 INSTRUMENTOS ELETROMECÂNICOS 25 21 GALVANÔMETROS E INSTRUMENTOS FUNDAMENTAIS 26 22 PARALAXE 26 23 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO 26 231 Ferro móvel 27 232 Bobina móvel 28 3 INSTRUMENTOS DIGITAIS 30 31 FATOR DE CRISTA 31 4 INCERTEZA DEVIDO AOS INSTRUMENTOS ANALÓGICOS E DIGITAIS 32 5 INSTRUMENTOS PURAMENTE ELETROELETRÔNICOS 34 51 VOLTÍMETROS 34 511 Voltímetro analógico 35 512 Voltímetro digital 37 52 AMPERÍMETROS 38 521 Amperímetro analógico 39 522 Amperímetro digital 42 53 OHMÍMETRO 45 54 WATTÍMETRO 46 541 Wattímetro analógico 46 542 Wattímetros digitais 48 RESUMO DO TÓPICO 2 49 AUTOATIVIDADE 50 TÓPICO 3 SENSORES E ATUADORES 53 1 INTRODUÇÃO 53 2 SENSORES 54 21 SENSORES ANALÓGICOS 54 22 SENSORES DIGITAIS 54 23 TRANSDUTORES 55 24 CONVERSORES AD E DA 55 25 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DOS SENSORES 57 251 Saída binária 57 252 Saída NPN 57 253 Saída PNP 58 254 Saída a relé 59 255 Saída analógica 60 3 TIPOS DE SENSORES 61 31 SENSOR MECÂNICO FIM DE CURSO 62 32 SENSOR MAGNÉTICO REED SWITCH 63 33 SENSOR MAGNÉTICO POR EFEITO HALL 63 34 SENSOR INDUTIVO 63 35 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SENSOR INDUTIVO 64 36 SENSOR CAPACITIVO 65 37 SENSOR DE VAZÃO 67 38 SENSOR DE VELOCIDADE 67 39 SENSOR DE ACELERAÇÃO 67 310 SENSOR DE TEMPERATURA 67 311 SENSOR DE UMIDADE 68 312 SENSOR DE PH 68 4 TRANSMISSORES 69 5 TERMINOLOGIA EMPREGADA 69 51 DISTÂNCIA E FACE SENSORA 70 52 HISTERESE 70 6 ATUADORES 70 61 ATUADORES PNEUMÁTICOS 71 62 ATUADORES HIDRÁULICOS 71 63 ATUADORES ELÉTRICOS 71 LEITURA COMPLEMENTAR 73 RESUMO DO TÓPICO 3 79 AUTOATIVIDADE 80 REFERÊNCIAS 83 UNIDADE 2 TIPOS DE SINAIS DE ENTRADA E SAÍDA RESOLUÇÃO SENSIBILIDADE EXATIDÃO PRECISÃO LINEARIDADE ALCANCE RANGE ESTABILIDADE E VELOCIDADE DE RESPOSTA 85 TÓPICO 1 TIPOS DE SINAIS DE SAÍDA 87 1 INTRODUÇÃO 87 2 TIPOS DE SINAIS 87 21 SENSORES ATIVOS E PASSIVOS 88 22 SENSORES DIGITAIS E ANALÓGICOS90 23 PADRONIZAÇÃO DAS TENSÕES DE TRABALHO 91 3 LEITURA DOS SENSORES 93 31 SENSORES DIGITAIS PASSIVOS 94 32 SENSORES DIGITAIS ATIVOS 97 33 SENSORES ANALÓGICOS 98 4 SINAIS DIGITAIS E PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO 100 41 ALGUNS PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAIS 101 5 SUPERVISÃO DE SENSORES E ATUADORES 104 RESUMO DO TÓPICO 1 106 AUTOATIVIDADE 107 TÓPICO 2 RESOLUÇÃO SENSIBILIDADE EXATIDÃO PRECISÃO LINEARIDADE ALCANCE RANGE ESTABILIDADE E VELOCIDADE DE RESPOSTA 109 1 INTRODUÇÃO 109 2 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS 109 21 RESOLUÇÃO 109 22 SENSIBILIDADE 110 23 EXATIDÃO 110 24 PRECISÃO 111 25 LINEARIDADE 112 26 ALCANCE RANGE 113 27 ESTABILIDADE 114 28 VELOCIDADE DE RESPOSTA 114 29 HISTERESE 114 210 ZONA MORTA 115 3 CALIBRAÇÃO 116 4 CONVERSÃO DE UMA GRANDEZA EM UM SINAL 119 41 SENSORES LINEARES 119 42 SENSORES NÃO LINEARES 122 RESUMO DO TÓPICO 2 125 AUTOATIVIDADE 126 TÓPICO 3 ATUADORES ELÉTRICOS 129 1 INTRODUÇÃO 129 2 ATUADORES 129 3 TIPOS DE SINAIS 131 31 ATUADORES DIGITAIS 132 32 ATUADORES ANALÓGICOS 133 4 ACIONAMENTO DOS ATUADORES 134 5 NOMENCLATURA DE INSTRUMENTOS 135 LEITURA COMPLEMENTAR 141 RESUMO DO TÓPICO 3 148 AUTOATIVIDADE 149 REFERÊNCIAS 151 UNIDADE 3 CONVERSORES E TRANSDUTORES 153 TÓPICO 1 TRANSDUTORES 155 1 INTRODUÇÃO 155 2 TRANSDUTORES 157 21 TRANSDUTORES DE TEMPERATURA 157 211 Termopares 157 212 Termistores 159 213 Termorresistências RTDs 161 22 TRANSDUTORES DE POSIÇÃO 162 221 Transdutores potenciométricos 163 222 Transdutores indutivos 163 223 Transdutores capacitivos 167 23 TRANSDUTORES DE FORÇA 169 231 Transdutores de força piezoelétricos 169 232 Transdutores de força capacitivos 170 233 Transdutores de força resistivos 171 234 Extensômetro semicondutor 172 RESUMO DO TÓPICO 1 174 AUTOATIVIDADE 175 TÓPICO 2 CONVERSORES ANALÓGICOSDIGITAIS DIGITAISANALÓGICOS 177 1 INTRODUÇÃO 177 2 CONVERSÃO DIGITAL ANALÓGICA 178 21 PESOS DE ENTRADA 180 22 RESOLUÇÃO 180 23 DAC BIPOLAR 182 24 CIRCUITOS CONVERSORES DE DA 183 241 DAC com amplificador somador com resistores com ponderação binária 183 242 DAC do tipo R2R 184 243 Circuitos integrados DACs 185 3 CONVERSÃO ANALÓGICA DIGITAL 186 31 ADC DE RAMPA DIGITAL 187 311 Precisão e resolução de ADCs 188 312 Tempo de conversão tC 189 32 AQUISIÇÃO DE DADOS 190 33 ADC DE APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS 193 331 Circuito quantizador 196 RESUMO DO TÓPICO 2 199 AUTOATIVIDADE 200 TÓPICO 3 APLICAÇÃO DE SENSORES NA INDÚSTRIA 203 1 INTRODUÇÃO 203 2 APLICAÇÕES INDUSTRIAIS 203 21 SENSORES INDUTIVOS 203 22 SENSORES FOTOELÉTRICOS 204 221 Tipos de sensores fotoelétricos e aplicações na indústria 204 23 SENSORES ULTRASSÔNICOS 205 24 SENSORES CAPACITIVOS 205 25 RFID 205 3 ESTATÍSTICA E PROPAGAÇÃO DE ERRO 206 31 ERROS DE MEDIÇÃO 207 311 Erros grosseiros 208 312 Erros sistemáticos 208 313 Erros aleatórios 209 314 Histerese H 211 LEITURA COMPLEMENTAR 213 RESUMO DO TÓPICO 3 218 AUTOATIVIDADE 219 REFERÊNCIAS 223 1 UNIDADE 1 INSTRUMENTAÇÃO MEDIDAS E MEDIDORES ELÉTRICOS SENSORES E ATUADORES OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade você deverá ser capaz de compreender os principais conceitos e exigências relativos à instrumentação eletroeletrônica analisar o papel do instrumentista na indústria estudar os princípios de funcionamento e aplicação dos principais instrumentos de medição elétrica entender as funções dos sensores e dos atuadores Esta unidade está dividida em três tópicos No decorrer dela você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado TÓPICO 1 ASPECTOS INTRODUTÓRIOS DE INSTRUMENTAÇÃO TÓPICO 2 MEDIDAS E MEDIDORES ELÉTRICOS TÓPICO 3 SENSORES E ATUADORES Preparado para ampliar seus conhecimentos Respire e vamos em frente Procure um ambiente que facilite a concentração assim absorverá melhor as informações CHAMADA 2 CONFIRA A TRILHA DA UNIDADE 1 Acesse o QR Code abaixo 3 ASPECTOS INTRODUTÓRIOS DE INSTRUMENTAÇÃO 1 INTRODUÇÃO A instrumentação pode ser definida como a ciência que estuda desenvolve e aplica instrumentos de medição e controle de processos É empregada em processos simples como no controle de temperatura de uma residência e até mesmo no controle de processos críticos como reatores nucleares FRANCHI 2015 A importância da instrumentação poderia ser resumida em uma frase A medição é a base do processo experimental Seja em um processo que deve ser controlado em uma pesquisa ou em uma linha de produção de dentro de uma indústria o processo de medição de grandezas físicas é fundamental BALBINOT 2019 A história da instrumentação assim como qualquer outro tema que envolve tecnologia está relacionada com os desenvolvimentos e questionamentos de épocas passadas As invenções que de alguma maneira revolucionaram o estilo de vida das pessoas ou mesmo aqueles pequenos inventos que facilitaram algum processo trouxeram avanço à ciência e aos meios de se medirem grandezas físicas BALBINOT 2019 Diversos tipos de variáveis podem ser medidas como temperatura pressão vazão nível tensão e corrente Os elementos finais de controle também devem ser medidos A obtenção de medidas precisas confiáveis e com o menor custo possível depende do instrumento empregado da qualificação do usuário e do tratamento matemático que as medições sofrem Assim para o emprego de instrumentos e a interpretação correta dos resultados deles é fundamental que a pessoa encarregada dessa tarefa entenda os princípios de medição dos instrumentos para que eles sejam confiáveis dentro das faixas possíveis e das características FRANCHI 2015 Entendese por medição um conjunto de operações que tem como objetivo determinar o valor de uma grandeza ou seja a expressão quantitativa dela geralmente na forma de um número multiplicado por uma unidade de medida Por exemplo medir a altura de uma pessoa 175 m avaliar a velocidade de um carro 80 kmh conhecer o número de defeitos de uma linha de produção 1 peça por 100 mil calcular o tempo de espera em uma fila de banco etc 30 min NETO 2018 TÓPICO 1 UNIDADE 1 4 Instrumento de Medição é o dispositivo utilizado para realizar uma medição No âmbito da Metrologia Legal os instrumentos de medição são utilizados no comércio nas áreas de saúde segurança e meio ambiente e para a definição ou aplicação de penalidades efeito fiscal De uma forma simplificada um instrumento é um dispositivo que transforma uma variável física de interesse como pressão ou temperatura por exemplo em um formato passível de medição por um instrumento A Figura 1 descreverá o modelo simplificado de um instrumento típico FRANCHI 2015 Nas indústrias de processos como siderúrgica petroquímica alimentícia de papel etc a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo fazendo com que o máximo da energia utilizada seja transformado em trabalho para a elaboração do produto desejado As principais grandezas que traduzem transferências de energia em um processo são PRESSÃO NÍVEL VAZÃO e TEMPERATURA as quais denominamos de variáveis de um processo Ao contrário do que muitas pessoas acreditam a palavra INSTRUMENTAÇÃO significa muito mais do que sugere Na verdade a maioria dos cursos de instrumentação deveria ter no título um nome genérico o suficiente para relacionar a medição de grandezas em qualquer processo A instrumentação está presente por exemplo em uma instalação elétrica na simples medida da tensão elétrica de uma residência 127 V ou 220 V Está presente no controle do sistema que está gerando essa tensão elétrica na usina seja por exemplo na medição da velocidade da turbina que gira devido à força da água de uma hidrelétrica na medição da pressão do vapor de uma usina termelétrica ou no controle das reações nucleares que ocorrem em uma usina nuclear A medição dos processos determina os padrões e permite que sejam referenciadas unidades às diversas grandezas BALBINOT 2019 FIGURA 1 MODELO SIMPLIFICADO DE UM INSTRUMENTO FONTE Adaptada de Franchi 2015 5 A importância da instrumentação poderia ser resumida em uma frase A medição é a base do processo experimental Seja em um processo que deve ser controlado em uma pesquisa ou em uma linha de produção de dentro de uma indústria o processo de medição de grandezas físicas é fundamental BALBINOT 2019 As técnicas experimentais têm mudado profundamente nos últimos anos devido ao desenvolvimento de instrumentos eletrônicos e controladores inteligentes de processos Essa tendência deve se manter e para atender à demanda o operador precisa estar familiarizado com os princípios básicos de instrumentação e as ideias que governam o desenvolvimento e a utilização Obviamente o conhecimento de muitos princípios de instrumentação é necessário para realizar um experimento bemsucedido e essa é a razão pela qual a experimentação deve respeitar procedimentos experimentais criteriosos beneficiandose de uma bem planejada metodologia Ao projetar um experimento o indivíduo precisa ser capaz de especificar a variável física e de conhecer as leis da física Depois é necessário o projeto ou a aplicação de algum instrumento quando se torna necessário o conhecimento dessa aplicação Por fim para analisar os dados o indivíduo deve combinar as características do processo físico que está sendo medido com as limitações dos dados coletados BALBINOT 2019 Antes de iniciar o procedimento o experimentalista precisa conhecer o processo e estimar as incertezas das medidas toleráveis para o bom andamento do sistema como um todo O objetivo do experimento dita a precisão necessária os custos e o tempo que deve ser empregado nessa tarefa Uma calibração de um termômetro de mercúrio pode ser considerada um processo relativamente simples e que depende de tempo e equipamentos limitados Por outro lado medir a temperatura de um jato de gás a 1600 C com precisão envolveria muito mais cuidados Medições executadas por laboratoristas inexperientes frequentemente supõem que um experimento é fácil de ser executado Tudo de que precisam é conectar alguns fios além de ligar o instrumento para que os dados comecem a ser armazenados Mal sabem que um instrumento que faz parte do processo pode estar mandando dados errados ou com níveis de erros muito altos os quais podem comprometer todo o experimento BALBINOT 2019 Além disso mesmo que todos os instrumentos estejam funcionando perfeitamente se os dados não forem tratados corretamente ou ainda se não fizerem parte de um processo de coleta projetado adequadamente o experimento poderá estar perdido Enfim um cauteloso planejamento dos procedimentos experimentais é um ponto de extrema importância BALBINOT 2019 Com o avanço da ELETRÔNICA nas últimas décadas grande parte do que era mecânico vem sendo substituída por circuitos eletrônicos com muita eficiência e baixo custo Para entender a instrumentação e a automação são necessários sólidos conhecimentos de eletrônica analógica e digital principalmente no tocante a amplificadores operacionais e conversões AD e DA Eletrônica e mecânica estão cada vez mais integradas 6 2 CONCEITOS BÁSICOS Inicialmente introduziremos alguns conceitos indispensáveis para a compreensão do que será abordado neste livro 21 MÉTODO CIENTÍFICO Para que um cientista investigue os fenômenos da natureza é preciso que ele conheça os processos envolvidos Depois de levantar todas as informações possíveis a respeito do fenômeno o experimentador deverá medir variáveis que estão relacionadas a esse fenômeno Com as informações colhidas será construída uma hipótese que segue um raciocínio lógico e coerente com a observação e a base de dados BALBINOT 2019 FIGURA 2 PROCEDIMENTO GENÉRICO DE MÉTODO CIENTÍFICO FONTE Adaptada de Balbinot 2019 7 22 GRANDEZAS FÍSICAS As grandezas físicas são as variáveis ou quantidades a serem medidas São usados os termos variável de medida variável de instrumentação e variável de processo tendo os três o mesmo significado Essas variáveis podem ser os objetivos diretos ou indiretos de uma determinada medida Um exemplo de medida indireta é a detecção de uma deformação mecânica causada por uma força quando o objetivo é determinar a intensidade da força aplicada BALBINOT 2019 Segundo o Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia VIM1 grandeza é definida como Propriedade de um fenômeno de um corpo ou de uma substância que pode ser expressa quantitativamente sob a forma de um número e de uma referência O valor de uma grandeza consiste no conjunto formado por um número e por uma referência os quais formam a expressão quantitativa BALBINOT 2019 Essas variáveis podem ser classificadas quanto às características físicas delas conforme o Quadro 1 Fatores como custo possibilidades físicas incerteza dentre outros determinam a escolha do método de medição É preciso ter clareza de que cada processo tem as próprias peculiaridades e que o custo e o tempo envolvidos são menos relevantes quando o objetivo é a coleta de dados confiáveis QUADRO 1 CLASSIFICAÇÃO DAS VARIÁVEIS POR CARACTERÍSTICAS FÍSICAS CLASSES DAS VARIÁVEIS EXEMPLOS Variáveis térmicas relacionadas à condição ou à característica do material Dependem da energia térmica do material Temperatura temperatura diferencial calor específico entropia e entalpia Variáveis de radiação relacionadas à emissão propagação reflexão e absorção de energia através do espaço ou de materiais Emissão absorção e propagação corpuscular Radiação nuclear Radiação eletromagnética infravermelho luz visível ultravioleta Raios X raios cósmicos e radiação gama Variáveis fotométricas e variáveis acústicas Variáveis de força relacionadas à alteração de repouso ou de movimento dos corpos Peso força total momento de força ou torque tensão mecânica força por unidade de área pressão pressão diferencial e vácuo Taxa de variáveis relacionada à taxa a partir da qual um corpo ou uma variável medida afastase ou se aproxima de um determinado ponto de referência ou à taxa de repetição de um determinado evento O tempo é sempre um componente da medida de taxas Massa e peso a uma gravidade local Vazão integrada em um tempo volume espessura e mols de material 8 CLASSES DAS VARIÁVEIS EXEMPLOS Variáveis de quantidade relacionadas às quantidades de material existente dentro de limites específicos ou que passam sobre um ponto em um determinado período Massa e peso a uma gravidade local Vazão integrada em um tempo volume espessura e mols de material Variáveis de propriedades físicas relacionadas às propriedades físicas de materiais exceto propriedades relacionadas à massa ou à composição química Densidade umidade viscosidade consistência características estruturais como ductibilidade dureza plasticidade Variáveis de composição química relacionadas às propriedades químicas e à análise de substâncias Medidas quantitativas de CO2 CO H2S NOx S SOx C2H2 CH4 pH qualidade do ar vários solventes e químicos etc Variáveis elétricas relacionadas às variações de parâmetros elétricos Tensão elétrica corrente elétrica resistência elétrica condutância indutância capacitância impedância FONTE Adaptado de Balbinot 2019 23 UNIDADES DE MEDIDA A criação do sistema métrico decimal na época da Revolução Francesa e a origem de dois padrões de platina para as unidades do metro e do quilograma em 22 de junho de 1799 tornaramse o primeiro passo para o desenvolvimento do Sistema Internacional de Unidades atual BALBINOT 2019 O sistema métrico era um elegante sistema decimal a partir do qual unidades de tipo semelhante eram definidas pela potência de dez O grau de separação era relativamente simples pois as várias unidades eram nomeadas com prefixos que indicavam a ordem de magnitudeseparação HELMENSTINE 2019 Em contraste com o sistema inglês a partir do qual 1 milha equivale a 5280 pés e 1 galão equivale a 16 xícaras 1229 drams ou 10248 jiggers o sistema métrico tinha um apelo óbvio para os cientistas Em 1832 o físico Karl Friedrich Gauss promoveu fortemente o sistema métrico e o utilizou em um trabalho definitivo para o eletromagnetismo HELMENSTINE 2019 BALBINOT 2019 No caso da padronização das unidades no Brasil durante o primeiro Império foram feitas diversas tentativas de uniformização das unidades de medida brasileiras mas apenas em 26 de junho de 1862 Dom Pedro II promulgou a Lei Imperial nº 1157 e com ela oficializou em todo o território nacional o sistema métrico decimal francês O Brasil foi uma das primeiras nações a adotar o novo sistema o qual seria utilizado em todo o mundo NETO 2018 9 24 UNIDADES DO SISTEMA INTERNACIONAL SI O sistema de unidades SI consiste em sete unidades básicas com várias outras unidades derivadas dessas fundações Seguem as unidades SI de base com as definições precisas delas mostrando por que houve tanta demora para serem definidas algumas HELMENSTINE 2019 metro m a unidade básica de comprimento determinada pelo comprimento do caminho percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1299792458 de segundo quilograma kg a unidade básica de massa igual à massa do protótipo internacional do quilograma encomendado pela CGPM em 1889 segundo s a unidade básica de tempo duração de 9192631770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiper finos do estado fundamental nos 133 átomos de césio ampere A a unidade básica de corrente elétrica uma corrente constante que se mantida em dois condutores paralelos retos de comprimento infinito de seção transversal desprezível do circuito e colocada a um metro de distância no vácuo produziria entre esses condutores uma força igual a 2 x 107 Newtons por metro de comprimento Kelvin graus K A unidade básica de temperatura termodinâmica a fração 127316 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água o ponto triplo é o ponto em um diagrama de fases a partir do qual três fases coexistem em equilíbrio mole mol a unidade básica da substância a quantidade de substância de um sistema que contém tantas entidades elementares quantas são os átomos em 0012 quilogramas de carbono 12 Quando o mol é usado as entidades elementares devem ser especificadas e podem ser átomos moléculas íons elétrons outras partículas ou grupos específicos de tais partículas candela cd a unidade básica de intensidade luminosa a intensidade luminosa em uma determinada direção de uma fonte que emite radiação monocromática de frequência 540 x 1012 hertz e que tem uma intensidade radiante nessa direção de 1683 watt por estereofonia 25 UNIDADES DERIVADAS SI A partir dessas unidades básicas muitas outras são derivadas Por exemplo a unidade SI para velocidade é m s metro por segundo Usamse a unidade base de comprimento e a unidade base de tempo para determinar o comprimento percorrido em um determinado período HELMENSTINE 2019 Listar todas as unidades derivadas aqui não seria impraticável mas em geral quando um termo é definido as unidades SI relevantes são introduzidas com ele 10 Em Instrumentação Eletroeletrônica daremos mais ênfase às unidades de medida das grandezas elétricas como tensão cuja unidade é o Volt V corrente com o Ampère A resistência com o Ohm Ω e potência com o Watt W ATENÇÃO 3 TIPOS DE INSTRUMENTOS Conforme o Vocabulário Internacional de Metrologia VIM um instrumento de medição consiste em um dispositivo utilizado para realizar medições individualmente ou associado a um ou a mais dispositivo s suplementar es Pode ser um sistema mecânico eletromecânico ou eletrônico que integra um ou mais sensores eou um ou mais transdutores a dispositivos com funções específicas de processamento de determinada variável BALBINOT 2019 Alguns exemplos de instrumentos são Paquímetro instrumento utilizado para medições dimensionais Amperímetro instrumento utilizado para medições de correntes elétricas Voltímetro instrumento utilizado para medições de tensões elétricas Ohmímetro instrumento utilizado para medições de resistência elétrica Termômetro instrumento utilizado para medições de temperaturas Medidor de pH instrumento utilizado para caracterização da acidez alcalinidade e neutralidade de soluções Os instrumentos estão aptos a apresentar um mostrador ou indicador A indicação de um instrumento pode ser analógica contínua ou descontínua ou digital O instrumento de medição é denominado de analógico quando o sinal de saída ou a indicação é uma função contínua do mensurando ou do sinal de entrada Já digital quando fornece um sinal de saída ou uma indicação em forma digital Os termos analógico e digital são relativos à forma de apresentação do sinal de saída ou da indicação e não ao princípio de funcionamento do instrumento Esse instrumento de medição ainda pode fornecer um registro de indicação analógico linha contínua ou descontínua ou digital BALBINOT 2019 Segundo Balbinot 2019 o instrumento de medição é denominado de totalizador quando determina o valor do mensurando por meio da soma dos valores parciais dessa grandeza obtidos simultânea ou consecutivamente de uma ou mais fontes Também pode ser denominado de instrumento de medição integrador quando se determina o valor de uma medida por integração de uma grandeza em função de outra como no caso de um medidor de energia elétrica que mede em kWh 11 Os medidores de tensão corrente e resistência elétrica são instrumentos que podem ser simples baratos e apresentar outras funções medindo também capacitâncias ganhos de transistores testes de diodos e temperatura Esses equipamentos geralmente são denominados de multímetros A integração de componentes eletrônicos como a variedade de funções implementadas em processadores proporcionou a melhoria da qualidade e a garantia de uma constante inovação de equipamentos dessa natureza Instrumentos para a medição de grandezas elétricas como o multímetro e o osciloscópio são ferramentas necessárias em qualquer laboratório de desenvolvimento ou manutenção de produtos BALBINOT 2019 4 SINAIS Sensores transdutores ou instrumentos de medida convertem um estímulo físico em uma forma conveniente de sinal Sinais físicos que variam no tempo fazem o sistema de medida se comportar de um modo dinâmico O comportamento do sistema em relação a esses sinais depende da frequência do sinal e da ordem do sistema Portanto as respostas dos instrumentos de medida podem ser conhecidas a partir do conhecimento do sinal e do sistema BHUYAN 2013 QUADRO 2 GRANDEZAS ELÉTRICAS DERIVADAS FONTE Adaptado de Souza et al 2018 12 41 REPRESENTAÇÃO DOS SINAIS Um sinal conhecido pode ser representado graficamente como uma função do tempo Alguns sinais conseguem ser representados explicitamente por funções matemáticas e são chamados de determinísticos Esses sinais determinísticos podem ser periódicos ou aperiódicos Sinais periódicos são aqueles que se repetem por intervalos regulares enquanto são considerados aperiódicos os que aparecem apenas uma vez em uma perspectiva alargada de tempo como mostrado nos Gráficos 2a e 2b respectivamente BHUYAN 2013 GRÁFICO 1 SINAL NO DOMÍNIO DO TEMPO FONTE Adaptado de Bhuyan 2013 GRÁFICO 2 SINAIS A DETERMINÍSTICO PERIÓDICO B DETERMINÍSTICO APERIÓDICO E C ALEATÓRIO FONTE Adaptado de Bhuyan 2013 13 Sinais não determinísticos ou aleatórios não podem ser representados por uma função matemática Sinais aleatórios estão aptos a ser estudados por meio de técnicas estatísticas como pela probabilidade ou pela teoria de correlação A Figura 2c mostrou um sinal cerebral aleatório de EEG BHUYAN 2013 42 ALEATORIEDADE DE UM SINAL Embora não seja possível dizer se um sinal é aleatório ou periódico sem observá lo por um longo período o comportamento de excursão dele em relação a um nível de referência e em um intervalo de tempo específico pode dar uma pista BHUYAN 2013 Um sinal é determinístico quando é possível equacionálo e prever o que deve acontecer ao longo do tempo É aleatório quando não é possível encontrar uma função matemática que o represente Embora não seja possível equacionálo podese fazer tratamentos estatísticos dele 43 CONDICIONADORES DE SINAIS Muitas aplicações necessitam de medições em ambientes ou estruturas como temperatura e vibração a saber A aquisição dessas informações é realizada a partir de sensores ou transdutores porém muitas vezes os instrumentos precisam que os dados sejam transformados em um sinal elétrico compatível a fim de que possam realizar a medição correta da grandeza SOUZA et al 2018 O processo de alteração da grandeza física para adequála à medição ao controle e à proteção é chamado de condicionamento de sinal Da mesma forma existem transformadores de tensão e de corrente que além de diminuir o valor da grandeza elétrica para patamares que não gerem riscos de acidentes isolam o circuito primário do circuito de medição SOUZA et al 2018 Neste item falaremos das características dos condicionadores de sinais utilizados na instrumentação eletroeletrônica Discutiremos ainda a respeito dos atenuadores de tensão e de corrente incluindo a aplicação de transformadores de instrumentação O condicionamento de sinais analógicos possibilita uma operação necessária a fim de adequar a saída de um sensor aos outros elementos que incorporam o sistema de medição e controle SOUZA et al 2018 14 FIGURA 3 PROCESSO BÁSICO DO SISTEMA DE MEDIÇÃO E CONTROLE FONTE Adaptada de Souza et al 2018 Existem diversas formas de alterar o sinal de entrada sendo o efeito do condicionamento descrito normalmente uma função de transferência Portanto um simples amplificador de tensão com função de transferência igual a uma constante fornece um sinal de saída que nada mais é que a multiplicação do sinal de entrada pela constante O objetivo do condicionamento de sinal é garantir que o sinal tenha níveis de tensão adequados com uma boa relação sinalruído e com uma mínima distorção harmônica SOUZA et al 2018 Dentre as principais categorias de condicionamento de sinais podemos citar amplificação linearização conversão isolação excitação filtragem casamento de impedância 431 Amplificação É o método mais empregado para o condicionamento de sinais Os amplificadores elevam o nível de tensão melhoram a resolução e a sensibilidade da medição e reduzem o ruído Com a amplificação do sinal também é possível processálo em conversores analógicos e digitais e com mais precisão quando coincide com a máxima tensão suportada pelo conversor AD 15 Existem diferentes amplificadores para distintos fins mas o mais usual em instrumentação é o uso do amplificador operacional devido à versatilidade Amplificadores operacionais O amplificador operacional AOP ou OpAmp ou AmpOp ou AO é um dos componentes mais versáteis e amplamente utilizados em aplicações lineares de circuitos eletrônicos Os AOPs são muito populares devido ao baixo custo e à facilidade de uso A utilização não requer que se conheça a funcionalidade interna deles tornandoa ainda mais simplificada Foram desenvolvidos na década de 1940 e a implementação se dava com base no emprego de válvulas Com o advento do transistor no final da década de 1940 um novo modelo de amplificador foi implementado o qual apresentava características técnicas superiores aos sistemas valvulados A partir do final da década de 1960 os amplificadores operacionais são blocos básicos dos chamados circuitos integrados analógicos ou lineares em oposição aos chamados circuitos integrados digitais ou lógicos portas lógicas flipflops etc A palavra operacional como demonstra devese ao fato da aptidão para realizar operações matemáticas A princípio os amplificadores eram utilizados para realizar operações como adição subtração multiplicação e até mesmo para resolver equações diferenciais Essa foi a base dos antigos computadores analógicos Posteriormente essas operações passaram a ser realizadas por circuitos digitais e sistemas microprocessados O amplificador operacional é uma unidade eletrônica que se comporta como uma fonte de tensão controlada por tensão É basicamente um amplificador de tensão de altíssimo ganho com alta impedância de entrada e baixa impedância de saída Seria extremamente difícil enumerar todas as aplicações que envolvem o uso de amplificadores operacionais De um modo geral as áreas de aplicação compreendem sistemas eletrônicos de controle industrial instrumentação industrial instrumentação médica telecomunicações sistemas de áudio sistemas de aquisição de dados etc Os amplificadores operacionais cuja simbologia geral será apresentada na Figura 4 são projetados e implementados com diferentes técnicas de fabricação Originalmente eram constituídos somente por transistores bipolares mas hoje em dia há uma gama de componentes que utiliza transistores de efeito de campo 16 FIGURA 4 SÍMBOLO ESQUEMÁTICO DO AMPLIFICADOR OPERACIONAL FONTE Os autores 432 Linearização Quando o sensor produz um sinal que não está linearmente relacionado com a medição física é necessária a linearização Um exemplo que requer a linearização é o sensor termopar pois a relação entre a temperatura e a tensão fornecida é uma equação polinomial de 5ª a 9ª ordem dependendo do tipo do termopar SOUZA et al 2018 433 Conversão O próprio nome sugere que o condicionamento de sinais é utilizado para converter um tipo de variação elétrica em outro Como uma grande quantidade de sensores altera a própria resistência com a mudança da variável que se deseja controlar é necessário um circuito eletrônico que converta a variação da resistência para um sinal de corrente ou tensão Outros tipos de conversão são realizados por imposição do sistema Por exemplo quando o monitoramento do sinal de interesse é realizado a distância é normal converter o sinal em uma corrente padronizada de 4 a 20 mA utilizando conversores de corrente para tensão e de tensão para corrente SOUZA et al 2018 Também utilizase a conversão na telemetria ou seja quando é realizada a medição remotamente sem o uso de fios Nesse caso a conversão do sinal se dá através de uma forma fácil de propagação como ondas de rádio usando modulações AM e FM por exemplo Por fim em algumas aplicações que não exigem alta precisão o sinal é convertido em um sinal digital de um intervalo de tempo ou em um sinal digital PWM Modulação de Largura de Pulso em português Isso elimina a necessidade de uma conversão analógica digital e reduz os custos da aplicação SOUZA et al 2018 17 FIGURA 5 OPTOACOPLADOR 4N25 FONTE Os autores 434 Isolação Visando à segurança frente ao condicionamento muitos sinais dos sensores transdutores são isolados pois no sistema monitorado podem existir sinais de alta tensão os quais danificariam o sistema de medição Outro motivo é garantir que as medições estejam imunes a diferenças de potencial de terra ou de tensões de modo comum Quando as entradas do sinal medido se referem a um potencial de terra podem ocorrer problemas caso haja uma diferença de potencial entre dois pontos de terra as chamadas correntes de loop Isso consegue causar um curto de terra com a imprecisão do sinal medido ou até mesmo danificar o sistema de medição SOUZA et al 2018 A utilização de transformadores e dos acopladores capacitivos ou ópticos permite que os sinais da fonte cheguem aos dispositivos de medição sem uma conexão física com o bloqueio de surtos de alta tensão através da isolação protegendo assim os operadores e o caro equipamento de medição SOUZA et al 2018 Na Figura 5 veremos o optoacoplador mais usado na indústria Na esquerda será demonstrada a aparência física no centro o esquema interno e na direita as dimensões em polegadas no leiaute placa de circuito impresso PCB layout 435 Excitação Alguns transdutores como extensômetros acelerômetros termistores e medidores de temperatura por resistência RTDs do inglês Resistance Temperature Detectors necessitam de uma tensão externa ou de uma corrente de excitação O condicionamento de sinais fornece essa excitação Por exemplo medições com RTDs e termistores são normalmente realizadas com uma fonte de corrente a qual converte a variação da resistência em um valor de tensão mensurável SOUZA et al 2018 436 Filtragem A filtragem do sinal da fonte é outra forma de condicionamento de sinais utilizada principalmente na presença de sinais com considerável quantidade de sujeiras Como exemplos são os encontrados em ambientes industriais com sinais da 18 linha de 60 Hertz transientes de motores e máquinas de soldas além de outros sinais indesejados SOUZA et al 2018 Essa filtragem normalmente é feita com filtros ativos os quais empregam amplificadores operacionais 437 Casamento de impedâncias A impedância interna do sensor ou até mesmo a impedância da linha pode causar erros nas medições dos sinais com interesse de controle Por isso é importante que exista o casamento das impedâncias entre os sistemas conectados sendo empregadas malhas passivas ou ativas para garantir tal casamento 5 PAPEL DO INSTRUMENTISTA NO MERCADO DE TRABALHO Você como estudante em diversos momentos já deve ter se perguntado Por que eu estou estudando isso Será que isso é realmente importante ou uma série de outras perguntas que todos enquanto estudantes fazem a si mesmos Logo qual é o papel de um instrumentista no mercado de trabalho A palavra técnico muito empregada neste momento designa todos os profissionais técnicos que trabalham com instrumentação podendo ser um técnico de nível superior engenheiro ou tecnólogo ou de nível médio eletrotécnico eletrônico eletromecânico eletroeletrônico etc Para Roure 2021 dentre as capacidades do profissional de engenharia elétrica que exerce a função de instrumentista destacamse as habilidades de especificar diagnosticar e calibrar no que se refere a instrumentos de medição sensores e FIGURA 6 INSTRUMENTISTA INDUSTRIAL FONTE httpsbitly3LzjnM2 Acesso em 30 abr 2022 19 atuadores no eixo tecnológico industrial Assim para exercer tal função o profissional deve possuir um alto conhecimento de eletroeletrônica uma vez que todos os sensores e atuadores funcionam através de um sinal digital ou analógico Os sensores utilizam um sinal de controle para desempenhar corretamente a função deles Tal sinal pode ser lido a partir de níveis de tensão ou corrente elétrica O profissional de Instrumentação Industrial Engenheiro Técnico ou Tecnólogo tem fundamental importância para as Indústrias de Transformação Química e de Alimentos porque a Instrumentação é a base para o controle de processos na indústria É a área responsável por sustentar toda a Pirâmide da Automação Industrial ROURE 2021 O controle de processos na indústria é usado para detectar muitas variáveis Variáveis físicas como vazão temperatura pressão e nível são controladas simultaneamente em boa parte desses processos O papel do profissional de Instrumentação Industrial é justamente atuar diante dessas variáveis O técnico de Instrumentação Industrial é um dos profissionais mais bem qualificados que se encontram no chão de fábrica pois está atuando diretamente nas áreas de eletroeletrônica pneumática hidráulica mecânica química e informática ROURE 2021 É o responsável por entender como funciona um processo industrial ou no mínimo parte dele para conseguir contemplar satisfatoriamente a produção interferindo diretamente na qualidade do produto nos impactos ambientais na redução de custos e perdas na proteção do processo e na segurança operacional ROURE 2021 Além disso esse técnico realiza a instalação o comissionamento e a manutenção de equipamentos utilizados para o controle de processos industriais com atuação nos diversos segmentos da indústria É por fim de responsabilidade do técnico de Instrumentação Industrial adequar as próprias instalações para que a performance dos instrumentos atenda às necessidades que a produção possa vir a ter Ele faz parte da equipe que dá o chamado startup de um sistema equipamento ou instrumento ROURE 2021 51 CALIBRAÇÃO A calibração é outro passo de extrema importância do processo no qual o técnico de Instrumentação Industrial atua Ela estabelece sob condições específicas em um primeiro momento uma relação entre os valores e as incertezas de medição fornecidos pela instrumentação Já em um segundo momento a calibração utiliza essa informação gerada para estabelecer uma outra relação visando à obtenção de um resultado É uma rotina desse profissional incluindo o comissionamento 20 52 MANUTENÇÃO Além de tudo o técnico de Instrumentação Industrial é o profissional que faz a manutenção em laboratório de sistemas industriais Ele executa serviços elétricos eletrônicos eletromecânicos eletrohidráulicos eletropneumáticos e de redes industriais e implementa propostas técnicas instalando configurando mantendo e inspecionando sistemas e equipamentos De forma resumida o técnico de Instrumentação Industrial procede à execução e ao controle das manutenções corretiva e preventiva de sistemas industriais É de suma importância que o técnico em Instrumentação Industrial encontre fabricantes e fornecedores idôneos comprometidos com medições e instrumentos de qualidade IMPORTANTE 21 RESUMO DO TÓPICO 1 Neste tópico você adquiriu certos aprendizados como A instrumentação pode ser definida como uma ciência É importante conhecer o histórico da instrumentação O conceito de instrumento deve estar claro para o instrumentista O conhecimento das grandezas físicas é indispensável para mensurálas Existem unidades de medida que precisam ser bem conhecidas na instrumentação eletroeletrônica É preciso saber analisar circuitos eletrônicos na instrumentação O profissional instrumentista na indústria tem um papel primordial 22 1 A palavra engenharia é derivada do latim ingenium que significa algo como ideia brilhante lampejo de gênio Foi criada no século XVI e originalmente descreveu uma profissão que provavelmente chamaríamos de inventor artístico Os engenheiros aplicam os conhecimentos das ciências matemáticas e naturais biológicas e físicas com discernimento e criatividade para desenvolver formas de utilizar os materiais e as forças da natureza em benefício da humanidade Os assuntos são diversos e incluem nomes como bioengenharia engenharias da computação elétrica eletrônica financeira industrial de internet de sistemas etc FONTE httpwwwiaengorgaboutIAENGhtml Acesso em 24 abr 2021 No tocante à instrumentação o Engenheiro Eletricista na indústria deve a Apenas fazer projetos b Apenas propor soluções c Apenas efetuar medidas d Ser responsável pelo desenvolvimento de sistemas de medição controle e confiabilidade e aplicálos em processos industriais e Deixar a manutenção totalmente a cargo dos técnicos 2 Segundo o engenheiro Marcel de Roure 2021 o engenheiro e o técnico de Instrumentação Industrial são profissionais importantíssimos para a Indústria de Transformação Química e de Alimentos pois a instrumentação é a base para o controle de processos na indústria É a área responsável por sustentar toda a pirâmide de automação industrial O controle de processos industriais é usado para detectar muitas variáveis Variáveis físicas como vazão temperatura pressão e nível são controladas simultaneamente em boa parte desses processos O papel do engenheiro ou do técnico de Instrumentação Industrial é justamente atuar diante dessas variáveis FONTE ROURE M O profissional de instrumentação industrial 2021 Disponível em https instrumentacaoecontrolecombrtecnicodeinstrumentacaoindustrial Acesso em 24 abr 2021 Esse profissional com certeza deve aplicar no próprio trabalho conhecimentos de a Física eletricidade e eletrônica b Biologia química e ciências do ambiente c Matemática biologia e linguagem de programação d Amplificadores operacionais química e programação em Ladder e Física biologia e matemática AUTOATIVIDADE 23 3 Como vimos alguns sinais podem ser representados explicitamente por funções matemáticas chamados de sinais determinísticos São periódicos ou aperiódicos Sinais periódicos são aqueles que se repetem em intervalos regulares enquanto os aperiódicos aparecem apenas uma vez em uma perspectiva alargada de tempo Sinais não determinísticos ou aleatórios não podem ser representados por uma função matemática Estão aptos a ser estudados por meio de técnicas estatísticas como pela probabilidade ou pela teoria de correlação Dos sinais de tensão no domínio de tempo representados a seguir qual quais é são determinístico s e aleatório s Assinale a alternativa CORRETA a Somente o da esquerda é determinístico b Os três são aleatórios c Os três são determinísticos d O primeiro e o segundo são aleatórios e Somente o do centro é aleatório 4 O amplificador operacional também chamado por alguns de ampop ou op amp do inglês nada mais é que um Circuito Integrado CI capaz de amplificar um sinal de entrada Como o próprio nome sugere é capaz de realizar operações matemáticas como soma subtração derivação integração e multiplicação Apresenta uma gama de aplicações na instrumentação eletrônica O CI LM35 Sensor de Temperatura é o circuito integrado mais utilizado atualmente por projetistas e hobistas que buscam um sensor de temperatura confiável preciso e de fácil utilização Pode ser utilizado em ambientes diversos com uma faixa de temperatura entre 50C e 150C Entrega na saída uma tensão proporcional à temperatura na razão de 10 mVC O circuito integrado LM 358 é um duplo amplificador operacional muito utilizado em instrumentação No circuito esquematizado a seguir ele será usado como um amplificador não inversor de ganho 10 a tensão de saída é 10 vezes maior do que a de entrada e o sensor de temperatura LM35 fornecerá o sinal a ser amplificado Lembre se de que o sinal de saída será aplicado ao resistor R3 Assim sabendo que o LM35 está em um ambiente onde a temperatura é de 27C qual deve ser a tensão nos terminais de R3 Assinale a alternativa CORRETA 24 a 12 V b 84 V c 27 V d 5 V e 270 mV 5 Segue a definição da unidade de medida da corrente elétrica O Ampere A é a unidade básica da corrente elétrica uma corrente constante que se mantida em dois condutores paralelos retos de comprimento infinito de seção transversal desprezível do circuito e colocada a um metro de distância no vácuo produziria entre esses condutores uma força igual a 2 x 107 Newtons por metro de comprimento O Ampere também pode ser definido como a taxa de escoamento de cargas elétricas em Coulomb C por segundo s Seguindo esse raciocínio uma corrente de 5 A corresponde a a 10 Cs b 55 Cs c 5 Cs d 05 Cs e 5 x 103 Cs 25 MEDIDAS E MEDIDORES ELÉTRICOS 1 INTRODUÇÃO Quando falamos de instrumentos para medidas elétricas é normal nos lembrarmos apenas do multímetro ou do alicate amperímetro afinal são alguns dos equipamentos mais usados Ainda a maioria dos profissionais de eletrotécnica ou eletrônica possui pelo menos um dos dois instrumentos Além desses podemos citar vários outros como Terrômetro Voltímetro Amperímetro Ohmímetro Wattímetro Frequencímetro Capacímetro Indutímetro Osciloscópio Analisador de espectro Existe uma grande quantidade uma variedade de instrumentos de medidas elétricas sendo que cada um deles possui aplicações e características distintas mesmo tendo tipos iguais como os multímetros que ao mesmo tempo em que são capazes de medir as mesmas grandezas servem para um tipo de serviço mas para outro não Exemplo disso são as categorias dos multímetros 2 INSTRUMENTOS ELETROMECÂNICOS Os primeiros instrumentos utilizados para medidas de grandezas elétricas eram analógicos Através dos efeitos magnético térmico dinâmico etc ocasionados pela corrente elétrica de um circuito interno um ponteiro acoplado a uma parte móvel indicava o valor da medição SOUZA et al 2018 UNIDADE 1 TÓPICO 2 Com relação às categorias de multímetros acesse httpsbitly3Kqf0S9 DICA 26 21 GALVANÔMETROS E INSTRUMENTOS FUNDAMENTAIS Os primeiros instrumentos tinham os princípios de funcionamento baseados em engenhosos efeitos eletromagnéticos e com a função de movimentar um ponteiro sobre uma escala graduada e calibrada O fato de os valores lidos serem mostrados através de ponteiros caracteriza os medidores analógicos Apesar de terem surgido há muito tempo muitos medidores analógicos são utilizados ainda hoje principalmente em quadros de controle nos quais é necessária uma monitoração rápida a longas distâncias e com poucos recursos financeiros Mesmo sendo ainda muito utilizados esses instrumentos perderam a popularidade para os digitais principalmente devido à quantidade de recursos que pode ser inserida no processo por eles BALBINOT 2019 A Figura 7 mostrará exemplos de instrumentos analógicos 22 PARALAXE O erro de leitura mais comum nos instrumentos analógicos é o de paralaxe quando a vista do observador a ponta do ponteiro e o valor indicado na escala não se situam no mesmo plano veja a Figura 8 Esse é o motivo de se utilizarem espelhos no fundo da escala Nesse caso o operador da Figura 8 b deve se posicionar de modo que o ponteiro coincida exatamente com o reflexo dele garantindo o ângulo de 90 entre observador e instrumento BALBINOT 2019 Em outras palavras o observador necessita olhar para o instrumento de modo que o ponteiro impeça a visão do reflexo dele Se o observador estiver vendo o reflexo do ponteiro será gerado erro de paralaxe 23 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO Os instrumentos de medidas elétricas analógicos são construídos a partir de um instrumento fundamental denominado de galvanômetro sensível ao fluxo de baixas correntes A partir desses instrumentos fundamentais são acrescidos componentes como resistores dentre outros a fim de tornálos medidores de corrente de tensão ou de resistência elétrica Os galvanômetros podem ser construídos de diferentes maneiras sendo que os mais comuns são os de ferro móvel e de bobina móvel BALBINOT 2019 27 231 Ferro móvel Esse galvanômetro tem como uma das principais características a simplicidade de construção Consiste basicamente em duas barras metálicas paralelas adjacentes imersas em um campo eletromagnético gerado por uma bobina pela qual passa uma corrente elétrica As barras metálicas estão sob a ação de um campo e elas têm uma magnetização cuja polaridade é determinada pelo sentido da corrente na bobina Como as polaridades nas barras surgem em lados coincidentes é ocasionada uma força de repulsão Na prática uma das barras é fixa e a outra é móvel A barra móvel também é ligada a uma mola que exerce uma força no sentido contrário à força gerada pelo campo magnético Essa mola é calibrada com uma escala sobre a qual se desloca um ponteiro fixado no ferro ou na placa móvel As Figuras 9 a e b demonstrarão o esboço de um galvanômetro de ferro móvel e o símbolo dele respectivamente Uma característica interessante desse tipo de galvanômetro é que independentemente da polaridade para a magnetização das placas elas sempre repelemse Podese fazer uma análise mais detalhada além de determinar que esse FIGURA 7 INSTRUMENTOS ANALÓGICOS A BANCADA CORTESIA DE MINIPA DO BRASIL LTDA B DETALHE DO GALVANÔMETRO E C PAINEL FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FIGURA 8 ERRO DE PARALAXE FONTE Adaptada de Balbinot 2019 28 galvanômetro tem saída proporcional ao quadrado da corrente que passa pela bobina Por esse motivo ele é utilizado para medir correntes e tensões contínuas e alternadas indicando valores eficazes ou RMS BALBINOT 2019 232 Bobina móvel Esse galvanômetro utiliza um ímã permanente Os polos desse ímã são montados com uma bobina presa apenas em dois extremos de modo que ela possa se movimentar livremente sobre um eixo Quando uma corrente é injetada na bobina um novo campo eletromagnético é gerado de modo que surge uma interação entre as forças causadas pelo ímã permanente e pela corrente impressa A bobina denominada de bobina móvel fica fixada em um ponteiro e em uma mola A força resultante faz com que essa bobina se movimente assim que a força da mola é vencida Nesse tipo de instrumento o movimento do ponteiro é proporcional à intensidade da corrente elétrica F i BALBINOT 2019 Ao ser alterado o sentido da corrente invertese o sentido da força e em consequência o sentido de deslocamento do ponteiro Quando uma corrente alternada é injetada nesse instrumento a saída é proporcional à média desse sinal de entrada Consequentemente se o componente DC é zero o ponteiro permanece imóvel Com frequências baixas o movimento do ponteiro é o de uma excursão em torno de um valor médio As Figuras 10 a e b mostrarão detalhes da construção de um galvanômetro de bobina móvel e do símbolo dele respectivamente A maioria dos instrumentos analógicos de bancada é construída a partir de um galvanômetro de bobina móvel Isso acontece porque esses instrumentos podem fornecer respostas mais precisas do que os de ferro móvel BALBINOT 2019 FIGURA 9 A PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO GALVANÔMETRO DE FERRO MÓVEL E B SÍMBOLO FONTE Adaptada de Balbinot 2019 29 FIGURA 10 A PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO GALVANÔMETRO DE BOBINA MÓVEL E B SÍMBOLO FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FIGURA 11 RETIFICADOR DE MEIA ONDA USADO PARA PERMITIR A MEDIÇÃO DE GRANDEZAS AC USANDO GALVANÔMETRO DE BOBINA MÓVEL FONTE Os autores FONTE Os autores FIGURA 12 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE USADO PARA PERMITIR A MEDIÇÃO DE GRANDEZAS AC USANDO GALVANÔMETRO DE BOBINA MÓVEL Apesar de o galvanômetro do tipo bobina móvel ler apenas sinais de baixa frequência ou sinais DC é possível a utilização dele para as medidas de sinais AC Isso é feito ao serem utilizados retificadores de meia onda ou de onda completa com diodos semicondutores 30 3 INSTRUMENTOS DIGITAIS Atualmente a maioria das medições elétricas é obtida por instrumentos digitais os quais são construídos e funcionam inteiramente com componentes eletrônicos não possuindo partes móveis exceto os seletores de escala e as teclas Esses instrumentos digitais são baseados em conversores analógicosdigitais e facilmente adaptáveis à leitura remota Ainda demostramse mais precisos estáveis e principalmente duráveis quando comparados aos analógicos SOUZA et al 2018 Os medidores digitais fornecem a leitura em forma de dígitos ao contrário da grandeza em função da posição de um ponteiro em uma escala Fundos de escala típicos em instrumentos digitais apresentam valores como 20 mA 200 mA 2 V 20 V 200 V etc e quando por exemplo é medida uma tensão de 2 V no instrumento de 3½ dígitos o visor indica 1999 Mostra 19999 caso haja a presença de 4½ dígitos BALBINOT 2019 O Quadro 3 elencará uma relação de especificação do display e do número de contagens FIGURA 13 MULTÍMETRO PORTÁTIL DIGITAL DE 3 ½ DÍGITOS FONTE httpsbitly3J3Ypnh Acesso em 24 abr 2021 FIGURA 14 MULTÍMETRO DIGITAL DE BANCADA FONTE httpsbitly375dYxg Acesso em 24 abr 2021 31 Segundo Balbinot 2019 existem ainda instrumentos cujo fundo de escala do primeiro dígito é diferente de 1 Nesses casos a especificação é diferente dizse que o instrumento tem outras relações de resolução de display Por exemplo se o multímetro apresenta 3¾ dígitos pode fazer 4000 contagens de 0 a 3 999 Frente a 4¾ dígitos então está apto a realizar 40000 contagens de 0 a 39 999 31 FATOR DE CRISTA A maioria dos multímetros ao medir tensão corrente ou correntes DC fornece valores médios Ao medir tensão ou corrente alternada entrega valores RMS desde que nesse caso o sinal seja senoidal puro Esses multímetros não podem ser utilizados para medir sinais não senoidais Conforme Balbinot 2019 os sinais periódicos variáveis no tempo e não senoidais devem ser medidos com multímetros TRUE RMS porém com um limite especificado pelo chamado Fator de Crista FC O Fator de Crista é a proporção entre um pico do sinal Vpico e o valor RMS VRMS Outra limitação de multímetros está relacionada com a frequência faixas de frequências típicas em multímetros digitais de 50 Hz a 500 Hz Assim o Fator de Crista é determinado por O Fator de Crista é um parâmetro importante que deve ser levado em conta quando há o emprego de um instrumento pois fornece uma ideia do impacto de um pico no sinal Considere um exemplo hipotético um multímetro digital apresenta uma precisão de 002 para medidas em sinais senoidais porém se observarmos a especificação ele pode adicionar uma incerteza de 02 para Fatores de Crista entre 1414 e 5 Assim a incerteza total da medida de uma onda triangular Fator de Crista igual a 173 é uma composição geralmente fornecida nos manuais do fabricante entre as duas incertezas BALBINOT 2019 QUADRO 3 RELAÇÃO ENTRE RESOLUÇÃO DE DISPLAY E CONTAGENS FONTE Adaptado de Balbinot 2019 Dígitos Contagens Total 3 ½ 0 a 1999 2000 3 ¾ 0 a 3999 4000 4 ½ 0 a 19999 20000 4 ¾ 0 a 39999 40000 4 45 0 a 49999 50000 32 Na área de acústica o Fator de Crista é geralmente especificado em dB por exemplo o sinal senoidal 20 log2 3 dB A maior parte do ruído do ambiente possui um Fator de Crista de 10 dB enquanto disparos de armas de fogo chegam a aproximadamente 30 dB A seguir serão fornecidos alguns Fatores de Crista de alguns sinais a sinais senoidais e senoidais retificados em onda completa possuem FC 2 1414 b sinais retificados em meiaonda possuem FC 2 c sinais com forma de onda triangular possuem 1 732 d sinais com forma de onda quadrada possuem FC 1 4 INCERTEZA DEVIDO AOS INSTRUMENTOS ANALÓGICOS E DIGITAIS A incerteza é um parâmetro que fornece uma estimativa quantitativa da distribuição dos valores medidos em determinado processo A incerteza é portanto uma descrição aproximada da distribuição dos erros desse processo Embora essa distribuição não seja necessariamente gaussiana ela é geralmente uma consideração aceitável A incerteza de medida é dada com um nível de confiança que caracteriza o intervalo de confiança A composição do parâmetro de incerteza deve levar em conta os principais fatores que de alguma forma influenciam no processo de medida Basicamente há erros de naturezas aleatória e sistemática Os erros sistemáticos são minimizados pelos processos de calibração e assim as incertezas herdadas desse processo devem compor a incerteza de medida Fatores que influenciam a instabilidade do processo de medida como variação de temperatura ou temporal também são levados em conta Por fim as incertezas ou as fontes de variabilidade do próprio instrumento com a incerteza herdada da calibração e com aquelas advindas de fontes de instabilidade compõem a incerteza de medida BALBINOT 2019 Dessa forma devemos ser capazes de identificar as incertezas dos próprios instrumentos Para isso podese compor essa parcela com a resolução do sistema de medida incerteza tipo B incluindo uma parcela estatística incerteza tipo A contra um padrão Se nos concentramos apenas na incerteza do instrumento essas são as duas parcelas básicas embora cada caso possa apresentar peculiaridades e fontes de variabilidade A parcela de incerteza tipo A é dependente do número de experimentos ou ensaios de medidas e a parcela do tipo B depende da resolução No caso de instrumentos analógicos é comum assumir que a resolução é dada pela menor divisão do mostrador e por consequência a incerteza dessa parcela é calculada com distribuição considerada retangular BALBINOT 2019 33 Em um display a resolução é dada pela menor variação do dígito menos significativo DMS por isso a incerteza dessa parcela é calculada a partir da distribuição considerada retangular Esse método para determinar a parcela de incerteza do instrumento e não da medida necessita de um padrão com precisão de 3 a 10 vezes melhor do que o instrumento em um processo de calibração incluindo toda a análise demandada desse processo Outra forma de determinar a mesma incerteza é considerála do tipo B fornecida pelo fabricante obviamente desde que o instrumento seja rastreado Os instrumentos são classificados em função da própria precisão de acordo com padrões internacionais como IEC International Electrotechnical Commission ou ANSI American National Standards Institute Por exemplo a IEC751 define a precisão de temperatura de sensores de classe B em 015 ºC O padrão ANSI C1220 determina a precisão de medidores elétricos por exemplo de classe 05 em 0 05 do fundo de escala de leitura e de classe 02 em 02 Esse valor representa o limite do erro sendo então necessário o cálculo da incerteza no caso levandose em conta uma distribuição retangular BALBINOT 2019 Muitos instrumentos digitais são flexíveis os quais medem várias grandezas frente a diferentes condições Isso faz com que a utilização de um parâmetro que indique precisão seja mais complicada Por exemplo um multímetro de 7 e 12 dígitos tem uma determinada precisão a uma determinada taxa de leituras provavelmente mais lenta do que o mesmo multímetro usado com cinco e 12 dígitos o qual obviamente apresenta uma precisão menor devido à resolução BALBINOT 2019 As especificações de multímetros digitais DMM em relação a incertezas são usualmente fornecidas com percentagem de leitura número de variação do dígito menos significativo ou então percentagem de leitura número de contagens do dígito menos significativo O segundo termo de ambas as equações tem o mesmo significado indica a faixa de variação do dígito menos significativo Se a faixa é 200000 então um dígito ou uma contagem significa 00001 Como se trata de uma incerteza do tipo B o usuário deve buscar informações com o fabricante a respeito de como as especificações foram feitas Por exemplo em uma Application note de instrumentos 34 FLUKE é registrado que as incertezas fornecidas por essas equações utilizam um intervalo de confiança de 99 ou seja é preciso dividir a incerteza por 26 para obter a incerteza tipo padrão BALBINOT 2019 5 INSTRUMENTOS PURAMENTE ELETROELETRÔNICOS A seguir serão apresentados os instrumentos de medida puramente elétricos ou seja os equipamentos utilizados durante a aferição de medidas em sistemas elétricos Tais medidas podem ser obtidas com a finalidade de observar se um determinado sensor ou atuador está recebendo adequadamente o sinal tensãocorrente enviado ou fornecido pelo dispositivo 51 VOLTÍMETROS Os medidores de tensão elétrica são denominados de voltímetros Esses instrumentos têm como principal característica alta impedância de entrada De fato um voltímetro ideal tem uma impedância de entrada infinita Esse conceito é importante uma vez que todo instrumento de medida deve medir sem interferir no processo Se a impedância de entrada é infinita a corrente desviada do circuito é nula e em consequência o processo não percebe a presença do instrumento durante a medida No caso experimental podese esperar uma impedância elevada porém finita e quanto maior a impedância de entrada do voltímetro melhor é o instrumento Por fim o voltímetro precisa ser conectado de forma paralela aos pontos nos quais a medida é feita O símbolo esquemático mais usual para o voltímetro é um círculo e com a letra V maiúscula no interior A corrente que circula pelo voltímetro é quase nula desprezível e em consequência toda a tensão elétrica disponível nos dois pontos de conexão é medida A maneira correta de ligar o voltímetro é em paralelo com um circuito ou com um elemento do circuito a fim de conhecer a tensão NOTA 35 511 Voltímetro analógico A construção do voltímetro analógico consiste em ligar um resistor em série com o galvanômetro O valor desse resistor com as características elétricas do galvanômetro como resistência elétrica interna e corrente elétrica máxima ou corrente de fundo de escala da deflexão do ponteiro determina a tensão elétrica máxima suportada pelo instrumento BALBINOT 2019 A partir do conhecimento das características do galvanômetro e da tensão elétrica de fundo de escala a ser medida basta calcular o valor do resistor Rs FIGURA 15 VOLTÍMETRO MEDINDO A TENSÃO NOS TERMINAIS DA LÂMPADA L2 FONTE Os autores FIGURA 16 SÍMBOLO ESQUEMÁTICO MAIS USUAL PARA VOLTÍMETRO A VOLTÍMETRO COM OS TERMINAIS NA HORIZONTAL E EM B NA VERTICAL FONTE Os autores 36 Os multímetros comerciais apresentam diferentes escalas de medida No caso do voltímetro essas escalas podem ser implementadas simplesmente ao serem adicionadas resistências que podem ser conectadas através de uma chave rotativa conforme as Figuras 18 e 19 Exemplo 1 Suponha que no esquema da Figura 17 o galvanômetro tenha corrente de fundo de escala de 1mA e resistência interna de 20Ω Calcule o valor do resistor Rs para que ele trabalhe como voltímetro capaz de medir tensões de 0 a 20V Solução Aplicaremos a fórmula FIGURA 17 ESQUEMA DE UM VOLTÍMETRO CONSTRUÍDO COM GALVANÔMETRO G1 É O GALVANÔMETRO E Ri É A RESISTÊNCIA INTERNA DELE FONTE Os autores FIGURA 18 ESQUEMA DE UM VOLTÍMETRO DE QUATRO ESCALAS FONTE Os autores Muitos autores chamam Rs de resistor multiplicador NOTA 37 512 Voltímetro digital A construção de um voltímetro digital depende de um conversor analógico digital AD e de um display de visualização o qual pode ser de cristal líquido LCD ou de led normalmente de 7 segmentos A Figura 20 mostrará o diagrama em blocos de um voltímetro digital que utiliza o conversor AD 7107 que já tem saída codificada para o display de sete segmentos Os detalhes de construção incluindo as características do instrumento dependem basicamente das características do conversor AD Em geral um voltímetro não necessita de velocidades altas de leitura e atualização do display mas de precisão Assim o conversor AD do tipo dupla rampa ou integrador é muito utilizado Esse conversor usa os tempos de carga e de descarga de um capacitor Como apenas a relação desse tempo é utilizada a medida independe do capacitor e da não idealidade dele BALBINOT 2019 FIGURA 19 MULTÍMETRO ANALÓGICO CUJO VOLTÍMETRO POSSUI OITO ESCALAS FONTE httpsbitly3FhHM6B Acesso em 24 abr 2021 FIGURA 20 DIAGRAMA EM BLOCOS DE UM MULTÍMETRO DIGITAL USANDO DISPLAYS DE 7 SEGMENTOS FONTE Adaptada de Balbinot 2019 38 52 AMPERÍMETROS O amperímetro é um instrumento cuja função é medir a corrente elétrica Esse instrumento tem como principal característica uma baixa impedância de entrada O amperímetro ideal tem uma impedância de entrada zero Esse conceito é importante uma vez que todo instrumento de medida deve medir sem interferir no processo Se a impedância de entrada é zero a queda de tensão do circuito no instrumento é nula e consequentemente o processo não percebe a presença do instrumento durante a medida Em uma aplicação experimental podese esperar uma impedância baixa porém não nula e quanto menor melhor é o instrumento BALBINOT 2019 O amperímetro deve ser conectado em série com o circuito ao medir a corrente Figura 21 A Figura 22 mostrará o símbolo esquemático mais usual para o amperímetro Se ligarmos um amperímetro em paralelo com um circuito a corrente é toda desviada pelo instrumento e como consequência surge um curtocircuito o que pode danificar o instrumento ou o circuito sob medição ou ambos NOTA FIGURA 21 AMPERÍMETRO LIGADO EM SÉRIE COM A CARGA FONTE Os autores FONTE Os autores FIGURA 22 SÍMBOLO ESQUEMÁTICO DO AMPERÍMETRO 39 521 Amperímetro analógico A construção do amperímetro analógico consiste em ligar um resistor em paralelo com o galvanômetro O valor desse resistor com as características elétricas do galvanômetro como resistência interna e corrente de fundo de escala da deflexão do ponteiro determina a corrente máxima suportada pelo instrumento Figura 23 sendo RI a resistência interna do galvanômetro e RP o resistor ligado em paralelo aos terminais do galvanômetro Conforme a Figura 24 a partir do conhecimento da resistência interna do galvanômetro da corrente de fundo de escala iFE dele e da corrente de fundo de escala a medir Im é possível calcular o resistor Rp Os multímetros analógicos comerciais geralmente vêm com diferentes escalas de medidas Na medição de corrente amperímetro essas escalas podem ser implementadas simplesmente ao serem adicionados resistores em paralelo que podem ser conectados por meio de uma chave seletora conforme as Figuras 24 e 25 No caso da Figura 24 o cálculo dos resistores é individual e a equação geral anterior pode ser aplicada Observe no entanto que no caso da Figura 25 os resistores que determinam as escalas são associados em série em um ramo paralelo de modo que o cálculo é determinado por meio da resolução de um sistema linear de equações O resistor Rp recebe a denominação de resistor de shunt o qual está sempre ligado em paralelo com o galvanômetro NOTA FIGURA 23 ESQUEMA DE UM AMPERÍMETRO CONSTRUÍDO COM UM GALVANÔMETRO FONTE Os autores 40 FIGURA 24 ESQUEMA DE UM AMPERÍMETRO DE QUATRO ESCALAS CONSTRUÍDO COM UM GALVANÔMETRO FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FIGURA 25 OUTRA CONFIGURAÇÃO DE AMPERÍMETRO COM DUAS ESCALAS DE CORRENTE FONTE Adaptada de Balbinot 2019 Exemplo extraído de Balbinot 2019 Determine as resistências do amperímetro analógico da Figura 28 sabendo que a corrente de fundo de escala de deflexão do galvanômetro é iFE 1 mA e a resistência interna é Ri 10 Ω As escalas das correntes desejadas são 2 A 20 A Solução Montase o sistema com as duas equações uma para cada situação A equação da malha do caso 1 2 A é 1999 R1 1999 R2 10 0001 41 FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FIGURA 27 OUTRA CONFIGURAÇÃO DE AMPERÍMETRO COM DUAS ESCALAS DE CORRENTE FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FIGURA 26 ESQUEMA DE UM AMPERÍMETRO DE QUATRO ESCALAS CONSTRUÍDO COM UM GALVANÔMETRO A equação da malha do caso 2 20 A é 19999 R1 0001 R2 10 0001 Resolvendo o sistema R1 00005 Ω R2 00045 Ω O circuito final poderá ser visto na Figura 28 42 FIGURA 28 CIRCUITO DO AMPERÍMETRO PARA ESCALAS DE CORRENTE DE 2A E 20A FONTE Adaptada de Balbinot 2019 522 Amperímetro digital A construção de um amperímetro digital a exemplo do voltímetro digital depende apenas de um conversor analógico digital e de um display de visualização que pode ser de cristal líquido LCD ou de led A principal diferença é que o sinal de corrente deve ser transformado em tensão por um circuito intermediário Esse circuito pode ser simples como um resistor fazse a função denominada shunt nesse caso medese a queda de tensão sobre esse resistor mas também está apto a ser implementado de outras maneiras como um circuito com elementos de amplificação como um amplificador operacional Existem várias formas de implementar um sensor para medir uma corrente elétrica Os melhores resultados são alcançados se são utilizados sensores de alta precisão com boa resposta de frequência e mínimo deslocamento de fase Seguem alguns tipos de sensores utilizados para detectar uma corrente elétrica BALBINOT 2019 Os sensores de corrente resistivos apresentam como vantagem a simplicidade de utilização e como desvantagem os fatos de gerar perdas calor de precisar ser introduzidos no circuito método intrusivo e de não apresentar isolamento elétrico Além disso esse tipo de sensor tem capacitâncias e indutâncias parasitas que limitam a utilização dele diante de altas frequências BALBINOT 2019 Os sensores de corrente implementados com transformadores de corrente TC podem ser uma ótima opção devido a perdas desprezíveis e à não necessidade de uma fonte externa Entretanto a grande desvantagem é o fato de funcionarem apenas em correntes alternadas Os sensores magnetoresistivos são sensíveis às variações de campo magnético e portanto servem para medir uma corrente Contudo apresentam uma relação de linearidade muito fraca e são dependentes da temperatura BALBINOT 2019 43 FIGURA 29 SENSOR BASEADO EM TC PARA ACOPLAMENTO EM CIRCUITO ELETRÔNICO DIGITAL PARA MEDIÇÃO DE CORRENTE FONTE httpsbitly34Cg8mQ Acesso em 24 abr 2021 FIGURA 30 TC PARA MEDIÇÃO DE ALTAS CORRENTES UTILIZADO EM SUBESTAÇÕES FONTE httpsptwikipediaorgwikitransformadordecorrente Acesso em 24 abr 2021 Os sensores de efeito Hall são sensíveis à variação de campo magnético e podem ser utilizados na medição de correntes desde DC até dezenas de kHz Têm como principais vantagens a versatilidade o baixo custo a confiabilidade e a facilidade de utilização A principal desvantagem desse tipo de sensor é a dependência dele à temperatura BALBINOT 2019 44 FIGURA 31 DOIS TIPOS DE SENSOR DE CORRENTE POR EFEITO HALL FONTE httpswwwseconcombrgrupophpid14 Acesso em 24 abr 2021 FIGURA 32 SENSOR DE CORRENTE BASEADO NO CI ACS 714 MUITO FREQUENTE EM MEDIDORES DE CORRENTE QUE UTILIZAM MICROCONTROLADOR OU ARDUINO FONTE httpsbitly37OI5JL Acesso em 24 abr 2021 FIGURA 33 EXEMPLO DE AMPERÍMETRO DE ALICATE QUE USA TC FONTE httpsbitly3KqokW9 Acesso em 24 abr 2021 O amperímetro do tipo alicate se caracteriza por proporcionar uma medida sem contato Isso pode ser especialmente interessante em circuitos nos quais é necessário realizar uma medida com isolamento elétrico ou mesmo por questão de facilidade uma vez que não é necessário interromper o circuito para executar a medição Geralmente esse instrumento é formado pelo secundário de um transformador de corrente elemento sensor encontrado no gancho do medidor Existem também amperímetros tipo alicate para a medição de correntes DC os quais ao invés de usar TC utilizam transdutores de efeito hall 45 FIGURA 34 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UM OHMÍMETRO ANALÓGICO FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FIGURA 35 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UM OHMÍMETRO ANALÓGICO COM DIFERENTES ESCALAS O início e o fundo da escala de um ohmímetro são atingidos portanto em duas situações BALBINOT 2019 Quando os terminais do instrumento estão abertos neste caso o indicador mostra resistência infinita Obviamente o valor dessa resistência não é infinito mas indica que supera a capacidade do instrumento de indicar a resistência 53 OHMÍMETRO Tratase de um instrumento analógico ou digital que tem como objetivo medir a resistência elétrica de um determinado elemento Esse instrumento deve ter no interior uma fonte de energia elétrica geralmente uma bateria responsável por manter uma corrente fluindo quando os terminais do ohmímetro são fechados através de um curtocircuito resistência 0 ou através de um corpo do qual desejamos conhecer a resistência um resistor por exemplo As Figuras 34 e 35 mostrarão esquemas simplificados de ohmímetros 46 Quando os terminais do instrumento são curtocircuitados neste caso a corrente de fundo de escala passa pelo galvanômetro Uma vez que se sabe que essa resistência é aproximadamente nula essa posição é utilizada como ponto de zero R 0 Ω É importante salientar que mesmo quando dois condutores estão em curtocircuito a resistência entre eles é diferente de zero porém para medir valores de resistência tão baixos é necessário utilizar outras técnicas Nos ohmímetros analógicos o ponteiro se desloca em sentido inverso aos do voltímetro e do amperímetro uma vez que a corrente que faz o galvanômetro se deslocar aumenta à medida que a resistência diminui e viceversa Outro fato importante é que o deslocamento do ponteiro em um ohmímetro analógico é não linear devido ao fato de a corrente ser proporcional ao inverso da resistência 54 WATTÍMETRO Para medir a potência em um circuito DC são necessários apenas um voltímetro e um amperímetro ligados adequadamente conforme a Figura 36 Nessas configurações são registradas a tensão e a corrente da carga as quais são multiplicadas para se obter a potência Com a utilização do voltímetro e do amperímetro a potência calculada é simplesmente Entretanto esse método apresenta alguns pontos inconvenientes como o fato de utilizar dois instrumentos para medir uma grandeza Além disso em qualquer uma das configurações são introduzidos erros devido ao próprio instrumento pelo voltímetro flui uma corrente e acontece a queda de tensão no amperímetro Além disso a incerteza associada pelas duas medidas se propaga com relação de multiplicação das grandezas medidas BALBINOT 2019 541 Wattímetro analógico Um instrumento comum para medidas de potência elétrica é o dinamômetro instrumento eletrodinâmico ou apenas wattímetro analógico Tratase de um instrumento construído com duas bobinas fixas ligadas em série e posicionadas coaxialmente Entre essas duas bobinas existe ainda uma terceira bobina que é móvel e equipada com um ponteiro responsável por fazer a indicação do valor medido sobre uma escala graduada A Figura 37 entregará um esquema simplificado desse instrumento 47 O wattímetro analógico é construído de tal forma que o ponteiro indica o produto dessas duas grandezas multiplicado ainda pelo cosseno da defasagem entre elas fator de potência Em outras palavras o aparelho mede a potência expressa pela Equação P VIcosϕ FIGURA 36 MEDIÇÃO DE POTÊNCIA POR MEIO DE UM VOLTÍMETRO E UM AMPERÍMETRO FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FIGURA 37 ESQUEMA SIMPLIFICADO DO INSTRUMENTO ELETRODINÂMICO WATTÍMETRO ANALÓGICO FIGURA 38 ASPECTO FÍSICO DE UM WATTÍMETRO ANALÓGICO E ESQUEMA DE LIGAÇÃO FONTE httpmedidoreseletricosblogspotcom201403wattimetrohtml Acesso em 24 abr 2021 48 542 Wattímetros digitais Existe no mercado uma grande quantidade de marcas e de modelos de wattímetros digitais sendo que cada um tem as próprias especificidades O manual fornecido pelo fabricante deve ser sempre consultado FIGURA 39 EXEMPLO DE WATTÍMETRO DIGITAL E LIGAÇÃO FONTE wwwpolitermcombr Acesso em 24 abr 2021 Com relação ao wattímetro digital recomendamos assistir aos dois vídeos a seguir httpsbitly3MEigL5 e httpsyoutubeygYLEHD24BI DICA 49 RESUMO DO TÓPICO 2 Neste tópico você adquiriu certos aprendizados como As grandezas elétricas podem ser medidas por instrumentos analógicos ou digitais Os voltímetros medem a tensão elétrica e devem ser ligados em paralelo com a carga ou o circuito sob medição Os amperímetros medem a corrente elétrica e devem ser ligados sempre em série nunca em paralelo Os ohmímetros são usados para medir a resistência elétrica O multímetro é um instrumento que incorpora no mínimo três medidores em um só voltímetro amperímetro e ohmímetro Existem multímetros analógicos e digitais de diversos modelos e para diversas finalidades no mercado A instrumentação eletroeletrônica é fundamental para o engenheiro eletricista em qualquer um dos segmentos nos quais ele venha a trabalhar 50 1 Saber utilizar os instrumentos de medição elétrica é uma condição indispensável aos engenheiros eletricistas e aos técnicos da área eletroeletrônica Cada aparelho tem uma maneira correta de ser ligado para efetuar uma medição Assim nos esquemas a seguir os resistores são as cargas sob medição Em um deles existe um instrumento ligado de forma errada Qual é 2 Os instrumentos de medidas elétricas analógicos são construídos em sua grande maioria a partir de um instrumento básico que é o galvanômetro Existem diferentes tipos de galvanômetros assim para construirmos um instrumento de medição a partir de um deles precisamos conhecer as características eletromecânicas e principalmente a resistência interna e a corrente de fundo de escala Imagine que você tem em mãos um galvanômetro de bobina móvel com resistência interna de 70Ω e corrente de fundo de escala de 50mA O valor do resistor a ser ligado em série com ele para transformálo em um voltímetro com escala de 0 a 20V é de a 470Ω b 580Ω c 330Ω d 180Ω 3 Os instrumentos de medidas elétricas analógicos são construídos em sua grande maioria a partir de um instrumento básico que é o galvanômetro Um mesmo galvanômetro pode ser usado como voltímetro amperímetro ou ohmímetro dependendo apenas da troca de arranjos de resistores como acontece com o multímetro analógico AUTOATIVIDADE 51 Um galvanômetro de bobina móvel tem resistência interna de 70Ω e corrente de fundo de escala de 50mA assim qual é o valor do resistor Rp a ser ligado em paralelo com ele para transformálo em um amperímetro com escala de 0 a 10 A a 1 Ω b 05 Ω c 22056 mΩ d 35176 mΩ 4 Uma das atribuições do engenheiro eletricista no campo da instrumentação é a aquisição de medidas elétricas Dentre elas podemos citar a corrente a tensão e a potência elétricas É indispensável ao profissional da área eletroeletrônica saber relacionar as grandezas elétricas entre si e determinar a forma correta de medilas Os instrumentos de medição elétrica analógicos ou digitais recebem denominações que lembram as unidades de medida envolvidas Assim o instrumento que mede a potência elétrica é o a Potenciômetro b Voltímetro c Ohmímetro d Wattímetro 5 Ainda no que se refere às atribuições do engenheiro eletricista para a aferição da potência elétrica são necessárias as aquisições de tensão e de corrente por instrumentos específicos incluindo cálculos matemáticos ou a utilização de um wattímetro O voltímetro deve ser ligado em paralelo com a carga ou circuito sob medição o amperímetro em série e o wattímetro em sérieparalelo Antes de ligar um instrumento é necessário ter uma estimativa do valor máximo a ser medido mas nem sempre é obtida essa estimativa por não existirem informações da carga ou do circuito sob medição Imagine a seguinte situação Existe a necessidade de medir a potência elétrica que um circuito precisa solicitar da rede porém não há informações prévias desse circuito e se dispõe apenas de um voltímetro além de um amperímetro AC ambos multiescalas Assim elabore o procedimento adequado para a medição da potência elétrica através dos dois equipamentos individuais 53 TÓPICO 3 SENSORES E ATUADORES 1 INTRODUÇÃO No estudo da automação em sistemas industriais comerciais automobilísticos domésticos etc é preciso determinar as condições ou variáveis do sistema É necessário obter os valores das variáveis físicas do ambiente a ser monitorado Esse é o trabalho dos sensores THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 Fazse necessária inicialmente a distinção entre alguns elementos presentes em um sistema de automação de qualquer natureza Os principais elementos que atuam na automação são os sensores e atuadores pois eles verificam e interferem no ambiente planta automatizada O termo sensor é empregado para designar dispositivos sensíveis a alguma forma de energia a qual pode ser luminosa térmica ou cinética O objetivo é relacionar informações de uma grandeza que precisa ser medida como temperatura pressão velocidade corrente aceleração posição etc THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 Observe a Figura 40 UNIDADE 1 FIGURA 40 ILUSTRAÇÃO DAS FORMAS DE ENERGIA EM UM SENSOR FONTE Adaptada de Thomazini e Albuquerque 2020 54 Com relação ao sensor ao ser sensibilizado por uma energia externa ela apresenta na grande maioria dos casos um nível de tensão muito baixo Portanto faz se necessária uma interface condicionador de amplificação Essa interface deve ser um amplificador capaz de elevar o nível do sinal para a efetiva utilização Em instrumentação eletroeletrônica é muito utilizado o amplificador operacional 2 SENSORES Existem no mercado diversos tipos de sensores Cada um pode ser utilizado em uma ou mais aplicações desde que respeitadas as orientaçõeslimitações do fabricante Dessa forma a Unidade 2 focará nos principais tipos de sensores existentes 21 SENSORES ANALÓGICOS É o tipo de sensor que pode assumir qualquer valor no sinal de saída ao longo do tempo desde que esteja dentro da faixa de operação dele Além disso várias das grandezas físicas são capazes de ter algum valor em algum momento pressão temperatura velocidade umidade vazão força ângulo distância torque luminosidade Essas variáveis são mensuradas por elementos sensíveis associados a circuitos eletrônicos com saídas não digitais THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 O Gráfico 3 ilustrará a variação de uma grandeza física temperatura de forma analógica 22 SENSORES DIGITAIS Um sensor digital pode assumir apenas dois valores no sinal de saída dele ao longo do tempo os quais podem ser interpretados como zero ou um desligado OFF ou ligado ON Não existem naturalmente grandezas físicas que assumam esses valores mas eles são assim mostrados ao sistema de controle após a conversão pelo circuito eletrônico de sensores pressostato termostato chave de nível etc ou transdutores encoders para determinação da posição ou da velocidade A saída se apresenta por GRÁFICO 3 VARIAÇÃO DE UMA GRANDEZA FÍSICA DE UM SENSOR ANALÓGICO FONTE Adaptado de Thomazini e Albuquerque 2020 55 GRÁFICO 4 LEITURA DA POSIÇÃO DE UM OBJETO POR ENCODER INCREMENTAL FONTE Adaptado de Thomazini e Albuquerque 2020 meio de pulsos encoder incremental ou códigos binários BCD Gray etc no caso de encoders absolutos THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 O Gráfico 4 demonstrará a variação da posição de um objeto lida por um encoder incremental 23 TRANSDUTORES Como já vimos sensores são dispositivos que captam algum tipo de parâmetro físico Já os transdutores são dispositivos que convertem o sinal captado pelo sensor em um sinal elétrico mecânico óptico ou de outra natureza que possa ser medido e processado Na grande maioria dos casos os sensores que entregam um sinal elétrico proporcional ao parâmetro de entrada são transdutores A saída desses sinais pode ser uma variação de tensão corrente resistividade capacitância ou indutância Transdutor é o nome que recebe um dispositivo completo que contém o sensor usado para transformar uma grandeza qualquer em outra que pode ser utilizada nos dispositivos de controle Ele pode ser considerado uma interface para a energia recebida do ambiente e o circuito de controle ou muitas vezes para o controle e o atuador o qual será estudado mais adiante Muitas vezes os termos sensor e transdutor são usados indistintamente No caso o transdutor é o instrumento completo que engloba o sensor e todos os circuitos de interface capazes de ser utilizados em uma aplicação industrial THOMAZINI 2020 24 CONVERSORES AD E DA É possível converter um sinal analógico em digital por meio dos conversores analógicodigital AD Reciprocamente conseguese converter um sinal digital em analógico por meio de um conversor digitalanalógico DA 56 O sinal analógico é aquele que pode assumir infinitos valores entre um máximo e um mínimo vide Figura 41 O sinal digital é aquele que pode assumir um número finito de valores entre um máximo e um mínimo vide Figura 41 NOTA FIGURA 41 SINAL ANALÓGICO REPRESENTADO PELA COR VERDE E CORRESPONDENTE DIGITAL REPRESENTADO PELA COR AZUL FONTE Os autores FIGURA 42 ERRO DE QUANTIZAÇÃO FONTE Os autores Quando uma conversão AD é realizada parte do sinal é perdida e pequenas distorções erros são introduzidas no valor da grandeza realmente medida Tal erro é denominado de erro de quantização que é a diferença entre o sinal analógico e o digital correspondente Ao transformar um sinal analógico em digital o número de bits utilizado pelo conversor deve ser previamente escolhido pelo projetista para não obter valores falsos da grandeza física superdimensionar o conversor e não tornar o processo desnecessariamente caro além de poder tornálo mais lento durante a conversão THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 57 FIGURA 43 SENSOR BINÁRIO SAÍDA SÓ VARIA QUANDO A ENTRADA ATINGE UM VALOR DETERMINADO FONTE Adaptada de Thomazini e Albuquerque 2020 Os sensores de saída binária normalmente são de saída NPN PNP ou a relé 252 Saída NPN Os sensores com saída NPN são usados para comutar uma carga ligada entre o positivo da fonte normalmente 24V e o cabo de sinal do sensor O módulo de saída possui um transistor NPN que chaveia a carga para o terra 0 V 25 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DOS SENSORES Existem muitas características relacionadas aos sensores que devem ser levadas em conta no momento de selecionar o mais indicado para uma determinada aplicação 251 Saída binária A saída do dispositivo transdutor ou sensor é discreta ou seja só assume valores 0 ou 1 lógicos Esse tipo de sensor só é capaz de indicar se uma grandeza física atinge um valor determinado Observe a seguir a saída de um sensor digital de acordo com a variação de entrada ao longo do tempo THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 Entrada grandeza física Saída binária 58 Se você tem dúvidas em relação ao funcionamento do transistor bipolar de junção BJT recomendamos o estudo dos Capítulos 6 e 7 de Malvino e Bates 2016 e 3 4 e 5 de Boylestad e Nashelsky 2013 Ambos podem ser encontrados na Biblioteca Virtual Pearson Recomendamos ainda dois vídeos no Youtube httpsyoutube UV0q2MA8jLs e httpsyoutube0sCc6hlujg DICA 253 Saída PNP Os sensores com saída PNP são usados para comutar uma carga ligada entre o fio de sinal do sensor e o negativo da fonte o qual é aterrado O módulo de saída possui um transistor PNP que chaveia a carga ao positivo 24 V FIGURA 44 SENSOR COM SAÍDA NPN FIGURA 45 SENSOR COM SAÍDA PNP FONTE Adaptada de Silva 2010 FONTE Adaptada de Silva 2010 59 Explicações lúdicas porém esclarecedoras a respeito dos sensores com saídas NPN e PNP podem ser encontradas em httpsyoutu be0cnmYLNKVvI e httpsyoutuberU3tWcadxrQ Já abordagens mais aprofundadas estão em httpswwwcitisystemscombrpnpnpn DICA O sensor do tipo PNP e o do tipo NPN podem ser NA ou NF Com relação ao sensor NA o transistor está no corte OFF enquanto o alvo se mantém fora da distância sensora No caso do NF ocorre o oposto 254 Saída a relé Nos sensores binários com saída a relé o chaveamento não é eletrônico mas eletromecânico Na maioria dos casos é usado um relé com um contato reversível sendo disponibilizados além dos dois fios de alimentação três terminais Comum NA e NF A saída a relé aciona as cargas conectadas em uma tensão AC Corrente Alternada e em DC Corrente Contínua A vantagem desse tipo de saída é a de diminuir o risco de danificação do módulo de saída do CLP causado por um surto elétrico porém os contatos possuem uma vida útil menor se comparados aos outros tipos Segue uma saída a relé com apenas um contato NA FIGURA 46 SENSOR COM SAÍDA A RELÉ FONTE Os autores 60 FIGURA 47 SAÍDA A RELÉ COM APENAS UM CONTATO NA FONTE Os autores GRÁFICO 5 SAÍDA DE UM TRANSDUTOR ANALÓGICO EM TENSÃO OU CORRENTE RÉPLICA DO SINAL DE ENTRADA FONTE Adaptado de Thomazini e Albuquerque 2020 255 Saída analógica O sensor possui uma saída contínua Nesse caso a saída do transdutor é quase uma réplica da grandeza física de entrada A seguir será elencado um exemplo de um gráfico da saída de um sensor analógico de acordo com a variação da entrada ao longo do tempo Exemplos célula de carga transdutor de pressão analógico etc THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 A saída analógica pode ser com tensão ou corrente Quando é com corrente o mais usual é o loop de 4 a 20 mA Segue um loop de corrente para sensores com uma saída de 4 a 20 mA a partir de tensões de entrada de 1 a 5 V VISHAY 2011 Esse sistema é usado no interfaceamento de sensores industriais com a grande vantagem do uso de um acoplador linear IL300 que isola completamente o circuito sensor da linha de dados Grandeza física Tensão ou corrente 61 FIGURA 48 SAÍDA DE 4 A 20 MA A PARTIR DE TENSÕES DE ENTRADA DE 1 A 5 V FONTE Adaptada de Vishay 2011 3 TIPOS DE SENSORES Ao especificar um sensor precisamos conhecer o material do objeto a ser detectado Os tipos de sensores mais comuns serão listados a seguir Mecânicos Operam de forma mecãnica Necessitam de contato não importa o tipo de material Magnéticos Operam por campo magnético Detectam a presença de ímãs Indutivos Operam por campo magnético alternado de alta frequência Detectam apenas metais Capacitivos Operam por variação de capacitância Detectam todos os tipos de material O princípio básico é o de que a informação do sensor produz uma tensão proporcional à grandeza física sob medição Vin na Figura 48 Essa informação de tensão deve ser convertida em informação de corrente a qual pode variar na faixa de 4 a 20 mA Io na Figura 48 Em httpsbitly3y15L8k é possível encontrar um interpretação em português do circuito esquematizado DICA 62 Ópticos Operam a partir da emissão e da recepção de luz Detectam todos os tipos de material Ultrassônicos Operam por emissão e reflexão de feixes de ondas acústicas com frequências acima de 20 kHz A saída comuta quando o feixe é refletido ou interrompido pelo material detectado alvo Por pressão pressostatos Operam pela comparação entre duas pressões Uma é de referência préfixada e a outra é em um determinado ponto A seguir focaremos no princípio de funcionamento dos sensores citados e nas principais aplicações deles 31 SENSOR MECÂNICO FIM DE CURSO Dentre os sensores mecânicos destacamos as chaves fim de curso Estas são posicionadas geralmente ao longo do percurso de cabeçotes móveis de máquinas e equipamentos industriais e das hastes e cilindros hidráulicos eou pneumáticos SILVA 2010 FIGURA 49 CHAVE FIM DE CURSO FONTE Adaptada de Silva 2010 FIGURA 50 ALGUNS MODELOS DE CHAVE FIM DE CURSO FONTE httpswwwsabereletricacombrchavefimdecurso Acesso em 24 abr 2021 63 32 SENSOR MAGNÉTICO REED SWITCH O pequeno sensor chamado de Reed Switch é utilizado para se detectar a presença de um campo magnético O funcionamento dele é muito simples quando é exposto a um campo magnético os dois filetes de ferro dentro da ampola de vidro são atraídos juntos e o contato se fecha Já no momento em que o campo magnético é removido os filetes se separam novamente e o contato se abre 33 SENSOR MAGNÉTICO POR EFEITO HALL Um sensor de efeito hall é um transdutor que quando sob a aplicação de um campo magnético responde com uma variação na tensão de saída 34 SENSOR INDUTIVO Os sensores indutivos são muito comuns na indústria têm baixo custo em comparação aos sensores capacitativos porém são bem mais caros do que os citados anteriormente O funcionamento é baseado na variação da indutância de uma bobina quando ocorre a aproximação de objetos metálicos Observe o aspecto físico típico na figura a seguir e logo após o diagrama em blocos FIGURA 51 REED SWITCH TÍPICO FONTE httpsbitly37QK00q Acesso em 24 abr 2021 FIGURA 52 SEMICONDUTOR SOB A APLICAÇÃO DE UM CAMPO MAGNÉTICO EFEITO HALL FONTE httpsptwikipediaorgwikisensordeefeitohall Acesso em 24 abr 2021 64 FIGURA 53 ASPECTO EXTERIOR DE UM SENSOR INDUTIVO FONTE Adaptada de Silva 2010 FIGURA 54 DIAGRAMA EM BLOCOS DE UM SENSOR INDUTIVO FONTE Adaptada de Silva 2010 FIGURA 55 SITUAÇÕES DE OSCILAÇÃO COM ALVO DISTANTE E ALVO PRÓXIMO FONTE Adaptada de Silva 2010 O oscilador fornece energia para a geração do campo magnético alternado nas bobinas A bobina produz o campo magnético alternado na frequência do oscilador O circuito de disparo detecta as mudanças que ocorrem quando o alvo se aproxima da face sensora O circuito de saída entrega um sinal binário para uma interface para um CLP ou para um microcontrolador indicando se o alvo é detectado ou não 35 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SENSOR INDUTIVO O oscilador excita a bobina e esta produz um campo magnético alternado de alta frequência Esse campo perde força quando um objeto metálico se aproxima da face sensora o que reduz a amplitude da oscilação Essa diminuição da amplitude se dá devido à indução de correntes parasitas no alvo que é metálico 65 FIGURA 56 VARIAÇÃO DA OSCILAÇÃO COM VARIAÇÃO DA DISTÂNCIA DO ALVO E COMPORTAMENTO DA SAÍDA EM UMA SITUAÇÃO DE SET POINT SEM HISTERESE FONTE Adaptada de Silva 2010 FIGURA 57 DIAGRAMA EM BLOCOS DE UM SENSOR CAPACITIVO FONTE Adaptada de Silva 2010 Há uma condição hipotética de ausência de histerese porém os sensores práticos necessitam de histerese por razões explicadas anteriormente 36 SENSOR CAPACITIVO São capazes de detectar objetos metálicos e não metálicos diferentemente dos indutivos que só detectam metálicos Podem ainda detectar através de paredes não metálicas interior de recipientes São muito utilizados na indústria de alimentos para a verificação de líquidos e sólidos dentro de reservatórios Uma desvantagem em relação aos sensores indutivos é o fato de apresentarem pouca precisão Os sensores capacitivos possuem um oscilador que só começa a funcionar quando o alvo se aproxima ou se ele se aproxima do alvo Quanto mais próximo está o alvo maior é a amplitude da oscilação Dois vídeos esclarecedores a respeito do sensor indutivo podem ser vistos em httpsyoutubewOp11R0DSnw e httpsyoutubeqJ1AG8f0gOk DICA 66 FIGURA 58 APARÊNCIA EXTERNA DE UM SENSOR CAPACITIVO DE INVÓLUCRO METÁLICO FONTE Adaptada de WEG 2020 FIGURA 59 VARIAÇÃO DA AMPLITUDE DA OSCILAÇÃO COM DISTÂNCIA DO ALVO FONTE Adaptada de Silva 2010 À medida que o objeto se aproxima a capacitância do oscilador aumenta além da amplitude da oscilação até que o ON point seja atingido e que se comute a saída para ON A escolha do sensor capacitivo depende basicamente do material que se deseja detectar da relação custobenefício e obviamente do projeto Apesar de o sensor capacitivo detectar todos os materiais devemos nos atentar à constante dielétrica do material a ser identificado SILVA 2010 Para um determinado tamanho de objetoalvo os fatores de correção para sensores capacitivos são determinados segundo a constante dielétrica do material do alvo Materiais com constantes dielétricas altas são mais fáceis de detectar do que aqueles com valores mais baixos Observe uma lista parcial de constantes dielétricas para alguns materiais industriais típicos na tabela exibida na página 26 de Thomazini e Albuquerque 2020 Dois vídeos esclarecedores a respeito do sensor capacitivo podem ser vistos em httpsyoutubeoqJjyCSzsU e httpsyoutubetDywsJ7ElWw DICA 67 37 SENSOR DE VAZÃO A vazão representa a quantidade de líquidos gases ou vapores que passa em um determinado ponto durante um certo período Pode ser medida sob a forma de vazão volumétrica quantidade em volume que escoa através de certa secção em um intervalo de tempo dado em m3h litromin Nm3h etc ou vazão de massa quantidade em massa de um fluido que escoa através de certa secção em um intervalo de tempo dado em th kgh kgs lbh etc Os medidores de vazão são na realidade indiretos pois medem outro tipo de grandeza a qual é transformada por um transdutor em vazão THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 38 SENSOR DE VELOCIDADE São utilizados em alguns dispositivos como leitores de CDROM DVD players bombas centrífugas transportadores medidores de fluxo de líquidos máquinas operatrizes robótica equipamentos automáticos de soldagem etc São importantes para o controle do processo produtivo e da segurança do trabalho THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 39 SENSOR DE ACELERAÇÃO Os sensores de aceleração acelerômetros e giroscópios fornecem um sinal elétrico proporcional à aceleração do sistema Esses componentes são do tipo inercial e dão uma indicação do movimento do sistema em relação a uma fixada variável do eixo inercial Um acelerômetro é uma configuração de diversos componentes que convertem a aceleração em uma tensão elétrica analógica De um ponto de vista geral pode ser considerado um transdutor que converte a energia mecânica associada ao movimento na forma elétrica THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 310 SENSOR DE TEMPERATURA Os sensores citados aqui são os mais utilizados em indústrias veículos eletrodomésticos e instalações prediais Falaremos resumidamente de termistores termopares termorresistores par bimetálico sensores eletrônicos e pirômetros Para se aprofundar nos estudos siga as recomendações constantes das GIOs Termistores são resistores termicamente sensíveis São semicondutores eletrônicos cuja resistência elétrica varia com a temperatura São úteis industrialmente para 68 detecção automática medição e controle de energia física Ainda mostramse extremamente sensíveis a mudanças relativamente pequenas de temperatura São classificados em PTCs e NTCs Termopares medem a diferença de potencial causada por fios diferentes Podem ser usados para medir também diretamente as diferenças de temperaturas ou uma temperatura absoluta colocando uma junção à temperatura conhecida Quando vários termopares são ligados em série o efeito é somado e passam a ser chamados de termopiles 311 SENSOR DE UMIDADE Assim como temperatura pressão vazão e nível a umidade é uma das variáveis fundamentais nos processos industriais A manutenção dos níveis de umidade na maioria desses processos pode significar um aumento da qualidade do produto mais produtividade e baixos custos de produção THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 O princípio de medição da umidade relativa se baseia em um sensor que opera de acordo com o princípio capacitivo de um filme fino composto por uma lâmina de tântalo e outra de cromo e tendo como dielétrico um polímero A capacidade varia de acordo com a umidade relativa do ambiente A partir da variação o instrumento faz a conversão eletronicamente ao indicar a umidade relativa no display de cristal líquido THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 312 SENSOR DE PH A medida de pH é feita por dois eletrodos o eletrodo de vidro glass electrode e o de referência reference electrode Uma combinação particular de materiais de vidro produz uma superfície sensível a um pH O potencial desenvolvido é dado por V R 0059 pH R é uma constante que depende da escolha do eletrodo de referência THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 Para um aprofundamento do assunto que envolve os sensores recomendamos as leituras relacionadas a seguir BALBINOT A BRUSAMARELLO V J Instrumentação e fundamentos de medidas 2019 Disponível em httpsbitly3vS8K01 Acesso em 24 abr 2021 THOMAZINI D ALBUQUERQUE P U B Sensores industriais 9 ed São Paulo Editora Saraiva 2020 DICA 69 4 TRANSMISSORES O transmissor é o dispositivo que prepara o sinal de saída de um transdutor para ser utilizado a distância através de adequações denominadas de padrões de transmissão de sinais Um exemplo muito conhecido é o loop de 4 a 20 mA o padrão de transmissão de sinais analógicos em corrente mais utilizado na indústria O termo transmissor é utilizado também para dispositivos que integram sensor transdutor e transmissor no mesmo dispositivo THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 Na indústria os padrões mais utilizados para a transmissão de sinais analógicos são além do 4 a 20 mA 3 a 15 PSI 0 a 20 mA e 0 a 10 V Para a transmissão de sinais digitais utilizamse protocolos de comunicação para redes industriais fieldbus Os protocolos mais utilizados para transmissores e atuadores são HART Asi Fieldbus Foundation e PROFIBUSPA THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 Os protocolos de comunicação abertos mais conhecidos para a comunicação entre controladores lógicos programáveis e outros depósitos são Modbus PROFIBUS DP Fieldbus Foundation CAN LonWorks InterbusS e Industrial Ethernet Os padrões de comunicação serial mais utilizados na camada física desses protocolos são RS232 RS422 e principalmente RS485 THOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 Há protocolos de comunicação industriais proprietários que também são muito utilizados Alguns exemplos são ControlNET DH DH485 e Remote IO A Siemens criou o Protocolo IOLink específico para sensores e atuadores Esse protocolo não é utilizado para a ligação de dispositivos em rede mas para a comunicação serial ponto a ponto entre sensoresatuadores diretamente com o Controlador Lógico Programável CLP ou com o módulo de expansão que utiliza alguns protocolos de redes industriais A saída do dispositivo transdutor ou sensor é discreta ou seja só assume valores 0 ou 1 lógicos conforme descrito anteriormente Esse tipo de sensor só é capaz de indicar se uma grandeza física atinge um valor determinado Na Figura 45 é mostrada a saída de um sensor digital de acordo com a variação da entrada ao longo do tempo Esse protocolo é importantíssimo para a Indústria 40 5 TERMINOLOGIA EMPREGADA Abordaremos os termos correntes relativos a sensores de posição utilizados na indústria 70 51 DISTÂNCIA E FACE SENSORA A face sensora é o lado do sensor que detecta o objeto e a distância é o espaçamento linear entre a face sensora e o objeto a ser detectado Com esse parâmetro podemos definir a maior distância para posicionar o objeto SILVA 2010 52 HISTERESE A histerese pode ser traduzida como um retardo que tem como objetivo evitar falsas comutações na saída Esse efeito faz com que o sensor tenha uma faixa banda de segurança entre o ligar ON point e o desligar OFF point A seguir será elencado um sensor com as seguintes características distância sensora SN 10 mm e histerese H 20 Assim se o objeto está se movendo em direção ao sensor é preciso ligálo quando a distância para a face sensora é de 8 mm Uma vez ligado só desliga quando essa distância da face chega a 12 mm 6 ATUADORES Os atuadores têm a função de converter um sinal geralmente elétrico em uma ação de algum tipo de energia predominantemente mecânica No caso das válvulas de controle um atuador é o elemento responsável por fornecer a força para que a válvula realize o trabalho BRITO 2019 FIGURA 60 DISTÂNCIA SENSORA E FACE SENSORA FIGURA 61 SENSOR COM SET POINT DE 10 MM E HISTERESE DE 20 FONTE Adaptada de Silva 2010 FONTE Adaptada de Silva 2010 71 Um atuador é o dispositivo destinado a executar uma ação a qual pode ser uma ligação de um motor movimentação de uma esteira aberturafechamento de uma válvula dosagem de material etc Essa ação é o resultado do controle de um processo de produção na maioria dos casos feito por um CLP 61 ATUADORES PNEUMÁTICOS Um atuador pneumático é um dispositivo usado para converter o ar comprimido em um movimento eou força Promovese um movimento para sistemas de automação em máquinas e processos É uma opção relativamente mais simples e barata se comparada com os atuadores elétricos ou mesmo com os hidráulicos Pode ser do tipo linear rotativo ou oscilante O atuador pneumático é limpo de fácil instalação razão pela qual ainda é muito utilizado em uma variedade de aplicações industriais O atuador pneumático rotativo é utilizado principalmente para a automação de válvulas de processo de ¼ de volta como válvulasborboleta ou de esfera O atuador pneumático oscilante faz parte de um subgrupo de atuadores pneumáticos industriais disponíveis no mercado Possui a capacidade de converter a energia pneumática em energia mecânica com máxima eficiência além de aproveitamento A diferença do atuador oscilante comparado ao rotativo e ao linear é o movimento já que a transformação se dá de forma rotativa com o ângulo de rotação limitado 62 ATUADORES HIDRÁULICOS Um atuador hidráulico é um dispositivo mecânico capaz de converter a energia hidráulica em energia mecânica com o intuito de gerar um movimento linear ou rotativo A energia mecânica produzida é utilizada geralmente para levantar e transportar objetos em uma operação que requer muita energia 63 ATUADORES ELÉTRICOS Um atuador elétrico é um mecanismo que transforma energia elétrica em movimentos energia cinética com um custo favorável em comparação aos correspondentes no caso hidráulico e pneumático Apresenta ainda uma transmissão de potência mais limpa mais simples e com eficiência energética Por fim facilita a integração com CLPs e outros controladores 72 Os motores elétricos também podem ser considerados a principal classe dos atuadores elétricos como de corrente contínua de corrente alternada de indução de corrente alternada síncrona e especiais como os servomotores e os motores de passo Podemos encontrar a exemplo dos hidráulicos e pneumáticos atuadores elétricos lineares rotativos e oscilantes lembrando que em todos esses o principal componente é o motor elétrico Relé apesar de existirem controvérsias os relés eletromecânicos e os contatores também são considerados atuadores elétricos Válvula solenoide é um dispositivo eletromecânico usado para controlar o fluxo de líquido ou de gás É controlada por uma corrente elétrica que passa por uma bobina Quando a bobina é energizada um campo magnético é criado fazendo com que um êmbolo dentro dessa bobina movase Existem do tipo normalmente aberta e normalmente fechada Sensores e atuadores são indispensáveis em qualquer automação desde um simples eletrodoméstico como uma lavadora de roupas até uma grande indústria O estudo dos motores elétricos fica a cargo de outra disciplina mas para uma visão resumida acesse httpsyoutube5s07bQcpEnA httpsyoutube AaotMxbemU httpsyoutubeVitG0Sq6kNY e httpsyoutubeVDXyA20gs0 Para finalizar para um aprofundamento do entendimento das válvulas solenoides assista httpsyoutubexL9QKE0uOV0 Com relação ao funcionamento de um relé eletromecânico há um vídeo fundamental em httpsyoutubeStBCiTJfG4k Para o contator em httpsyoutubeJHKL6CwKntQ DICA DICA DICA 73 MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIA DE ATERRAMENTO Lucas Duarte Neotti Resumo Os aterramentos hoje são fundamentais no sistema elétrico e cada vez mais devem possuir pouca resistência Eles podem ser divididos em funcionais ou de proteção Rotineiramente os aterramentos de proteção passam por medições de resistência porém nem sempre temse conhecimento do método correto ou das influências e interferências que podem vir a prejudicar a medição com o terrômetro No procedimento de medição conhecido como queda de potencial que consiste em uma haste de corrente e outra de tensão é recomendado aplicar o método denominado de zona de patamar Esse método basicamente faz variar o eletrodo de potencial a fim de detectar discrepâncias nas leituras encontradas Os alicates terrômetros parecem uma solução eficiente para substituir o terrômetro comum porém muitos usuários não sabem que ele não substitui inteiramente o equipamento convencional e não deve ser aplicado em determinadas situações o que pode gerar medidas errôneas PalavrasChave Aterramentos Resistência Terrômetro Queda de potencial Zona de patamar 1 INTRODUÇÃO Os avanços dos estudos e da tecnologia na área elétrica trouxeram evidências suficientes da importância de se possuir um sistema de aterramento com pouca resistência porém hoje ainda existem equívocos quanto aos métodos de medição ou valores encontrados Grande parte dos profissionais que operam os terrômetros segue as recomendações dos manuais de instruções porém alguns fabricantes não utilizam normas ou métodos de medição corretos além de não contemplarem certas influências que prejudicam as medições 2 METODOLOGIA A superfície do planeta Terra é o caminho natural de escoamento de cargas elétricas indesejáveis como relâmpagos nas tempestades Quase todos os sistemas de distribuição de energia elétrica possuem um condutor chamado de neutro em ligação com a Terra Podemos definir como aterramento a ligação intencional para a terra da estrutura ou circuito elétrico através de condutores e hastes apropriadas Atualmente LEITURA COMPLEMENTAR 74 O aterramento de proteção consiste em interligar a massa de equipamentos ou partes metálicas à terra por meio do condutor denominado de PE Protection Earth ou Proteção Equipotencial O objetivo é garantir a segurança contra choques elétricos causados pelo contato direto com partes que podem vir a estar energizadas Como principais exemplos é possível citar o aterramento do Sistema de Proteção de Descargas Atmosféricas SPDA e a interligação da carcaça de um determinado equipamento à terra Atualmente são exigidos inspeções e laudos técnicos dos aterramentos de proteção Um dos principais itens durante uma inspeção é a medição da resistência de aterramento normalmente realizada com um instrumento denominado de terrômetro Há diversas dúvidas quanto aos métodos utilizados e aos valores obtidos Em algumas leituras ficam evidentes os erros devido às discrepâncias encontradas Assim para entender melhor o método que será apresentado devese primeiramente conhecer o funcionamento do equipamento utilizado Os terrômetros basicamente utilizam para a medição da resistência o método denominado de queda de potencial como demonstrado na Figura 2 O método queda de potencial se baseia no princípio de injetar uma corrente através do aterramento ou malha por meio do eletrodo H e ao mesmo tempo medir a tensão entre o eletrodo S e o aterramento conseguimos dividir os aterramentos em funcionais e de proteção sendo um exemplo dos primeiros a ligação do neutro com a terra para garantir o funcionamento correto em instalações trifásicas desequilibradas conforme a Figura 1 75 Encontramse nos manuais dos fabricantes de terrômetros procedimentos quanto às medições como a distância entre o terminal E em relação às hastes S e H Entretanto muitas vezes malhas de aterramentos complexas causam interferências nas medições devido à proximidade do eletrodo de tensão ou corrente da própria malha a ser medida diminuindo o valor de resistência Os eletrodos de medição devem estar alinhados e entre a sonda H e o aterramento não devem existir condutores de eletricidade ou tubulações metálicas enterradas Podese utilizar o método conhecido como zona de patamar para verificar se a medição está sob influência de alguma interferência ou se o solo sofre alterações significativas de resistência Na Figura 3 será identificada a zona de patamar que consiste na região na qual não há influência da malha de aterramento ou do eletrodo de corrente na sonda de tensão O valor verdadeiro de resistência de aterramento estará representado por RV no gráfico enquanto R indicará o valor de resistência em função da distância d Na prática devem ser realizadas medições até que se obtenha um trecho horizontal na curva resistência em função da distância Quando não se conhecem as periferias da malha de aterramento é recomendado realizar no mínimo três medições distintas em diferentes direções sempre afastandose do sistema de aterramento Na prática para iniciar a medição da resistência de aterramento ao ser utilizado um termômetro como exposto na Figura 4 tornase necessário posicionar a haste da corrente H com uma distância em relação ao ponto E de três vezes a maior dimensão do aterramento Já o eletrodo de potencial S deve estar posicionado em relação a E com cerca de 62 da distância entre H e E 76 A fim de verificar se as medições estão dentro da zona de patamar deve ser realizado o deslocamento da haste S cerca de 5 da distância entre E e H para a direita S1 e o mesmo para a esquerda S2 sendo feitas três medições como demonstrará a Figura 5 A diferença entre as medições em S1 e S2 deve ser menor que 10 com a garantia de que não ocorram sobreposições das áreas de influência Caso o valor encontrado seja superior a 10 uma nova medição precisa ser colocada em prática com uma direção diferente Se a medição esteja dentro da zona de patamar a resistência do aterramento é a média aritmética das três medições 77 Um dos instrumentos que vem sendo muito utilizado nas medições da resistência de aterramento é o alicate terrômetro Consiste em uma bobina que induz uma tensão conhecida no sistema de aterramento enquanto outra bobina mede a corrente que circula onde está conectado o alicate como representado na Figura 6 Esse tipo de equipamento possui algumas restrições Certas configurações de aterramento não podem ser medidas com o alicate terrômetro Podese citar como exemplos múltiplas descidas de um SPDA onde não se pode aplicar um método para determinar a resistência do conjunto além de não ser aplicável em aterramentos simples 78 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS Antes de iniciar qualquer medição de aterramento é importante conhecer as configurações do sistema em questão e a abrangência O método descrito neste artigo reduz as possibilidades de erro identifica a discrepância nas medições de resistência e consequentemente torna os valores mais fidedignos Muitas situações cotidianas podem trazer obstáculos e dúvidas durante as medições por isso tornase fundamental o conhecimento dos métodos e das dificuldades que venham a prejudicar o trabalho antes mesmo do início Assim poupa se tempo e se garantem funcionalidade e segurança do sistema de aterramento FONTE Adaptada de httpsbitly3KqyTsh Acesso em 24 abr 2021 79 RESUMO DO TÓPICO 3 Neste tópico você adquiriu certos aprendizados como Para a automação em qualquer sistema é preciso determinar as condições ou variáveis dele Sensores e atuadores são indispensáveis no processo Existem vários tipos de sensores e atuadores para distintas finalidades Há diferentes tipos de saída para um sensor de saída digital Os sensores industriais de saída analógica em sua maioria entregam um sinal de 4 a 20 mA Os tipos de atuadores são pneumáticos hidráulicos e elétricos 80 1 Quase todo tipo de automação necessita de sensores e atuadores assim imagine a seguinte situação um reservatório inferior de 1000 litros deve abastecer outro reservatório superior também de 1000 litros através de uma bomba centrífuga acionada por um motor elétrico monofásico cuja corrente nominal é de 3 A O reservatório inferior tem uma boia na entrada de água para impedir o transbordamento e um sensor na parte inferior para proibir que o nível de água caia abaixo do mínimo No reservatório superior existem dois sensores um para detectar a água no nível máximo e outro para identificála abaixo do nível mínimo Os tanques são de polipropileno AUTOATIVIDADE Com base no conteúdo estudado na situação e na figura responda às perguntas Quantos sensores e quantos atuadores existem nesse pequeno sistema automatizado Qual é o tipo de sensor exceto chaveboia mais adequado para monitorar os níveis de água Existe algum sensor que não seja elétrico nem eletromecânico no sistema Por que o uso de sensores indutivos não é adequado para monitorar os níveis de água Quais são os atuadores do processo 2 Um sensor digital pode assumir apenas dois valores no sinal de saída ao longo do tempo os quais podem ser interpretados como zero ou um desligado OFF ou ligado ON Não existem naturalmente grandezas físicas que assumam esses valores mas eles são assim mostrados ao sistema de controle após convertidos pelo circuito eletrônico de sensores pressostato termostato chave de nível etc ou transdutores 81 encoders para determinação da posição ou da velocidade Assim a respeito dos sensores assinale a alternativa falsa dentre as relacionadas a seguir a Um sensor indutivo pode ter saída NPN ou PNP b Um sensor capacitivo de saída PNP pode ser NA ou NF c A saídas NPN ou PNP podem acionar diretamente cargas que solicitem correntes de 30 A ou mais desde sejam DC d Os sensores indutivos e capacitivos apresentam histerese para a detecção do alvo e O reed switch é um tipo de sensor magnético 3 O transmissor é o dispositivo que prepara o sinal de saída de um transdutor para ser utilizado a distância através de adequações desse sinal Essas adequações são denominadas de padrões de transmissão de sinais Na indústria os padrões mais utilizados para a transmissão de sinais elétricos analógicos são corrente de 4 a 20 mA corrente de 0 a 20 mA e tensão de 0 a 10 V Assim qual dos três é considerado menos propenso a falhas Explique o porquê 4 O efeito Hall está relacionado ao surgimento de uma diferença de potencial em um condutor elétrico transversal ao fluxo de corrente e um campo magnético perpendicular à corrente Esse fenômeno foi descoberto em 1879 por Edwin Herbert Hall e é extremamente importante para o estudo da condutividade pois a partir do coeficiente de Hall é possível determinar o sinal e a densidade dos portadores de carga em diferentes tipos de materiais O efeito Hall é a base de diversos métodos experimentais utilizados para a caracterização de metais e de semicondutores Ainda esse efeito é utilizado em alguns sensores eletrônicos Então com relação ao efeito Hall assinale a alternativa falsa a Os sensores de efeito Hall são muito utilizados na eletrônica automotiva b O efeito Hall é usado nos conversores correntetensão c O sensor Hall é considerado um tipo de sensor magnético d O sensor Hall é considerado um tipo de sensor indutivo e Sensores capacitivos não empregam o efeito Hall 5 As correntes de Foucault também conhecidas como correntes parasitas ou correntes de fuga do inglês eddy currents são correntes elétricas induzidas dentro de um material condutor quando sujeito a um campo magnético variável devido à Lei de Indução de Faraday Elas podem ser consideradas nocivas ou úteis a depender da aplicação Assim no que diz respeito à relação das correntes de Foucault podemos afirmar que a São aproveitadas nos sensores de efeito Hall b São aproveitadas nos sensores indutivos c São aproveitadas nos sensores capacitivos d São muito úteis para melhorar o rendimento dos motores elétricos e São muito úteis para melhorar o rendimento dos transformadores elétricos 83 REFERÊNCIAS BALBINOT A Instrumentação e fundamentos de medidas v 1 3 ed São Paulo Grupo GEN 2019 BHUYAN M Instrumentação inteligente Princípios e aplicações São Paulo Grupo GEN 2013 BOYLESTAD R L NASHELSKY L Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos 11 ed Pearson 2013 BRITO F Sensores e atuadores 1 ed São Paulo Editora Saraiva 2019 FRANCHI C M Instrumentação de processos industriais Princípios e aplicações São Paulo Editora Saraiva 2015 HELMENSTINE A M Como compreender o Sistema Internacional de medição SI 2019 Disponível em httpsbitly3OGZfcG Acesso em 24 abr 2021 MALVINO A P BATES D J Eletrônica v 1 8 ed Porto Alegre AMGH 2016 NETO J Metrologia e controle dimensional Conceitos normas e aplicações 2 ed São Paulo Grupo GEN 2018 ROURE M O profissional de instrumentação industrial 2021 Disponível em httpsinstrumentacaoecontrolecombrtecnicodeinstrumentacaoindustrial Acesso em 24 abr 2021 SILVA C Sensores industriais 2010 Disponível em httpwwwclubedaeletronicacom br Acesso em 24 abr 2021 SOUZA G D et al Medidas em engenharia elétrica Porto Alegre SAGAH 2018 THOMAZINI D ALBUQUERQUE P U B Sensores industriais 9 ed São Paulo Editora Saraiva 2020 VISHAY Application Note 54 2011 Disponível em httpswwwvishaycom docs83710appn54pdf Acesso em 24 abr 2021 WEG Industrial sensors 2020 Disponível em httpsbitly3vY4Hzi Acesso em 24 abr 2021 85 TIPOS DE SINAIS DE ENTRADA E SAÍDA RESOLUÇÃO SENSIBILIDADE EXATIDÃO PRECISÃO LINEARIDADE ALCANCE RANGE ESTABILIDADE E VELOCIDADE DE RESPOSTA UNIDADE 2 OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade você deverá ser capaz de compreender o range de operação de cada sensoratuador diferenciar sensores digitais e analógicos cada tipo de sinal de saída sensor e de entrada atuador analisar a velocidade de resposta do sensoratuador e a melhor resolução para cada sensoratuador estudar a sensibilidade e calcular a precisão perceber o tipo de cartão para ligação dos sensoresatuadores interpretar um diagrama de instrumentação Esta unidade está dividida em três tópicos No decorrer dela você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado TÓPICO 1 TIPOS DE SINAIS DE SAÍDA TÓPICO 2 RESOLUÇÃO SENSIBILIDADE EXATIDÃO PRECISÃO LINEARIDADE ALCANCE RANGE ESTABILIDADE E VELOCIDADE DE RESPOSTA TÓPICO 3 ATUADORES ELÉTRICOS Preparado para ampliar seus conhecimentos Respire e vamos em frente Procure um ambiente que facilite a concentração assim absorverá melhor as informações CHAMADA 86 CONFIRA A TRILHA DA UNIDADE 2 Acesse o QR Code abaixo 87 TÓPICO 1 TIPOS DE SINAIS DE SAÍDA UNIDADE 2 1 INTRODUÇÃO No âmbito industrial existem diversos sensores dentre eles de presença de nível infravermelho capacitivo indutivo e outros Cada sensor pode ser utilizado em um ou mais tipos de aplicação desde que respeitada a documentação fornecida pelo fabricante datasheet Dentre as mais diversas habilidades e competências exigidas do profissional de engenharia elétrica a capacidade de definir o elemento sensor ideal para cada aplicação é sem sombra de dúvidas uma das mais importantes fundamental em um projeto industrial No Tópico 1 apresentaremos os diversos tipos de sinais utilizados pelos sensores no âmbito industrial e para cada tipo de sinal serão elencados um cartão de leitura e uma unidade de processamento desse sinal No fim do tópico faremos um resumo geral com o objetivo de fixar o assunto apresentado 2 TIPOS DE SINAIS Dentro do sistema elétrico existem duas grandezas fundamentais a tensão elétrica medida em Volts V e a corrente elétrica medida em Ampere A Logo todos os dispositivos eletroeletrônicos existentes no mercado optam por utilizar uma ou as duas grandezas para desempenhar a função A exemplo um transmissor de pressão conforme ilustrado na figura a seguir possui alimentação em tensão e uma saída proporcional em corrente elétrica Tal sensor utiliza essa alimentação para o funcionamento interno dele capaz de transformar a grandeza física pressão em um sinal proporcional em nível de corrente elétrica Tal sinal varia entre 4mA e 20mA sendo 4mA o valor mínimo e 20mA o máximo do transmissor dentro da área de atuação É importante compreender que todo sensor eletrônico existente no mercado deve transformar uma grandeza física qualquer pressão vazão temperatura ou outros em uma medida de tensão ou corrente elétrica Entenda que o sistema eletrônico só é capaz de trabalhar com a ausência a presença ou a variação de algum sinal elétrico de forma a levar as informações do mundo real ao virtual do processamento de informações Todos os dispositivos que conhecemos hoje funcionam assim desde um simples brinquedo até aeronaves mais sofisticadas 88 Todos os sensores eletrônicos existentes no mercado devem transformar uma grandeza física qualquer pressão vazão temperatura ou outros em uma medida de tensão ou corrente elétrica NOTA FIGURA 1 TRANSMISSOR DE PRESSÃO TP20 FIGURA 2 EXEMPLO DE SENSOR ATIVO FONTE HTTPSBITLY37DRH3D Acesso em 11 abr 2020 FONTE httpsbitly3DZQHZD Acesso em 11 abr 2020 Dentro da vasta opção de sensores existentes no meio industrial podemos classificálos em ativos alimentação externa e passivos autoalimentados e ainda dividilos em sensores com sinal digital e com sinal analógico 21 SENSORES ATIVOS E PASSIVOS Os sensores ativos são aqueles que dependem de uma fonte externa de energia elétrica para funcionar De modo geral na indústria os sensores são alimentados em 24 VDC porém existem alguns com outras tensões de alimentação Para saber com exatidão a tensão de alimentação do elemento sensor é necessária a leitura do manual do fabricante Nesse manual encontramse todas as informações necessárias à instalação e à aplicação do sensor 89 FIGURA 3 EXEMPLO DE SENSOR PASSIVO FONTE Adaptada de Senai 2014 Notase que o sensor possui o sinal de alimentação no fio marrom positivo e no fio azul negativo uma saída digital NA normalmente aberta no fio branco e outra saída digital NF normalmente fechada no fio de cor preta Esse sensor é do tipo NPN ou seja a carga é alimentada com tensão positiva diretamente da fonte e o sensor é responsável por fornecer a tensão negativa que nesse caso ocorre somente quando o elo sensitivo é acionado Por outro lado os sensores passivos não necessitam de alimentação e se encontram em grande abundância na indústria brasileira através de um botão de acionamento de emergência de chavesfim de curso e outros Foi apresentado um dispositivo mecânico chamado de chavefim de curso nesse caso do tipo rolete Observe que o funcionamento interno não necessita de alimentação Possui uma haste que fica recuada por uma mola e se fecha contato entre os bornes superiores que no caso são identificados por NF Quando a haste é deslocada por algum objeto como por uma caixa em uma esteira transportadora o contato NF se abre e o NA fechase com o acionamento dos sensores ativos Uma questão interessante é se existem sensores que não necessitam de alimentação para funcionar por que optar por um que consome energia elétrica A resposta é simples há sensores robustos que no interior deles utilizam circuitos eletrônicos para que possam funcionar Podese citar como exemplo o sensor capacitivo que usufrui da variação do campo elétrico para identificar a presença de um objeto na frente do eletrodo do sensor Nesse caso é necessária a alimentação a fim de possibilitar a criação desse campo elétrico 90 Os sensores ativos necessitam de alimentação externa já os passivos não No mercado existem diversos sensores ativos e passivos assim cabe ao instrumentista verificar a viabilidade do sensor em cada aplicação além de optar por aquele que melhor contempla a planta industrial NOTA NOTA FIGURA 4 SENSOR CAPACITIVO FIGURA 5 DETECÇÃO DE PRODUTO EM ESTEIRA TRANSPORTADORA FONTE HTTPSBITLY3UVM9QB Acesso em 11 abr 2020 FONTE HTTPSBITLY3KYN6ZI Acesso em 11 abr 2020 22 SENSORES DIGITAIS E ANALÓGICOS Um sensor identificado como digital tem como saída um sinal discreto ou seja dois níveis binário presença ou ausência de energia Podese citar como exemplo os sensoresfim de curso de presença tipo barreira rolete estados lógicos pressostatos termostatos chaves de níveis e outros Segue um detector de produto em uma esteira transportadora o qual pode ser utilizado para efetuar a contagem dos produtos produzidos durante determinado período 91 FIGURA 6 TERMOPAR TIPO J FONTE HTTPSBITLY3JR3VCP Acesso em 29 dez 2020 O sensor identificado como analógico por sua vez conta com uma região de operação Como exemplo podemos citar sensores de temperatura de vazão de pressão de nível e outros O sensor de temperatura converte a temperatura de um determinado processo em um valor proporcional elétrico Como exemplo desse tipo de sensor há os termopares O termopar tipo J converte um valor de temperatura entre 210 ºC e 760ºC em um nível de tensão variante de 8096 mV a 42919 mV 23 PADRONIZAÇÃO DAS TENSÕES DE TRABALHO Em 2015 o Ministério do Trabalho e Emprego publicou pela Portaria nº 857 uma alteração na legislação brasileira mais especificamente na Norma Regulamentadora 12 NR12 ao definir regras para as tensões a serem utilizadas nas interfaces de máquinas e equipamentos conforme descrito a seguir 1236 Os componentes de partida parada acionamento e controles que compõem a interface de operação das máquinas e equipamentos fabricados a partir de 24 de Março de 2012 devem a possibilitar a instalação e o funcionamento do sistema de parada de emergência quando aplicável conforme itens e subitens do capítulo sobre dispositivos de parada de emergência desta norma e b operar em extrabaixa tensão de até 25VCA vinte e cinco Volts em Corrente Alternada ou 60VCC sessenta Volts em Corrente Contínua ou ser adotada outra medida de proteção contra choques elétricos conforme Normas Técnicas oficiais vigentes BRASIL 2015 Dessa forma os sensores digitais e passivos ou seja que não possuem alimentação e que têm como saída um contato que comuta entre normalmente aberto e normalmente fechado devem trabalhar com uma tensão igual ou inferior a 60VCC ou 25VCA porém ainda é possível encontrar no cenário brasileiro outros valores de operação Para equipamentos desenvolvidos antes da alteração da Norma há a possibilidade de se encontrarem em uma eventual manutenção equipamentos com tensão de operação em 220VCA duzentos e vinte Volts em Corrente Alternada 92 No que tange aos sensores analógicos inicialmente não havia uma padronização e cada fabricante criava o próprio padrão Com o passar do tempo americanos padronizaram com variações de 4 20mA algo mais utilizado atualmente no mercado incluindo europeus de 0 20mA Vale destacar que também existem os equipamentos padronizados em níveis de tensão como de 0V a 10V Alguns equipamentos como o inversor de frequência CFW500 fabricado pela WEG permitem ao instrumentista escolher o tipo de sinal de entrada que deseja utilizar Uma vez que no mercado marcam presença várias opções de sinal por que o sinal de 4 20mA se sobressai aos demais Geralmente os painéis de controle estão a dezenas de metros às vezes centenas de um determinado sensor e portanto possuem um cabo muito extenso Se lembrarmos das aulas de eletricidade um condutor possui no próprio corpo uma resistência mínima mas existente Então o que ocorre quando utilizamos um cabo muito longo Se você pensou que quanto maior o cabo maior a queda de tensão você acertou ou seja se utilizarmos sinais em nível de tensão para um sensor que está muito distante uma parcela da tensão é dissipada o que interfere na qualidade do sinalresposta do sensor Entretanto se é analisado o funcionamento da corrente elétrica não oferece variação pela distância do condutor ou seja não surge algum problema de queda de tensão por grandes distâncias Ao analisarmos os sinais de 0mA 20mA e 4mA 20mA percebemos que o sinal de 4mA 20mA possui uma menor área de trabalho Contudo detém um sinal chamado de zero vivo que quer dizer que ele sempre reporta o valor de 4mA quando a leitura é mínima o que ajuda a identificar uma possível falha no sensor Vamos supor que um sensor de nível de um reservatório esteja danificado e não esteja respondendo Caso se utilize um sinal de 4mA 20mA ele deve apresentar uma falha pois 0mA não está na região de trabalho Por outro lado se é utilizado um sinal de 0mA 20mA o sistema interpreta que o reservatório está vazio A mesma lógica vale para interpretações de nível de qualquer sensor analógico QUADRO 1 PARAMETRIZAÇÃO CFW500 FONTE httpsbitly3cpspwb Acesso em 29 dez 2020 93 3 LEITURA DOS SENSORES Os sensores mencionados podem ser utilizados para acionar uma carga de forma direta como um relé e estão aptos a ser levados a uma unidade de processamento chamada de Controlador Lógico Programável CLP ou também conhecido pelo nome em inglês Programmable Logic Controller PLC Como exemplo podemos citar um sensor de presença que aciona um contador responsável por atuar em um determinado processo Conta a quantidade de produção de um determinado produto Nesse caso não há a necessidade de um CLP pois existem dispositivos eletrônicos com a mesma função de contador no mercado os quais exibem a quantidade de leitura em um visor Já os sensores analógicos obrigatoriamente necessitam ser levados a uma unidade de processamento Tais unidades podem ser dispositivos fixos como controladores de temperatura que possuem no próprio sistema um canal de entrada para a leitura do sensor Esse tipo de sistema é muito utilizado em um freezer por exemplo O mercado adota o sinal de 4mA 20mA padrão como sinal analógico devido à capacidade dele de funcionar a grandes distâncias e possuir um zero vivo ou seja quando o valor mensurado tem um mínimo apresenta uma corrente de 4mA na linha NOTA FIGURA 7 CONTADOR DIGITAL FONTE httpsbitly3cqsp3k Acesso em 24 abr 2021 94 FIGURA 8 CONTROLADOR DE TEMPERATURA K103 FIGURA 9 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL FONTE httpsbitly2mzkclb Acesso em 24 abr 2021 FONTE httpsbitly3MJ5KKd Acesso em 02 maio 2022 Os CLPs são dispositivos muito utilizados na indústria para a automatização de processos produtivos Aumentam a confiabilidade melhoram a produtividade e trabalham sem interrupções Isso ocorre porque o CLP é programado de acordo com cada processo Possuem entradas digitais responsáveis pela leitura dos sensores digitais incluindo analógicas com a tarefa de leitura dos sensores analógicos Os CLPs são os principais responsáveis pela existência da automação industrial 31 SENSORES DIGITAIS PASSIVOS Os sensores digitais passivos conforme abordado não necessitam de uma alimentação externa para funcionar e durante esse funcionamento comutam contatos elétricos de NA para NF e vice versa Tais contatos quando fechados são utilizados como caminho para que surja uma tensão nos terminais de um solenoide ou em uma entrada digital de um CLP Esses dispositivos são ligados em série entre a fonte e o elemento a ser acionado com a formação de uma malha fechada O terminal positivo da fonte fica conectado a um dos terminais do sensor O outro terminal do sensor se mantém ligado ao solenoide e o que sobra do solenoide ao terminal negativo da fonte Fechase assim a malha 95 FIGURA 10 SENSOR ACIONA SOLENOIDE FIGURA 11 MINICONTATOR WEG FIGURA 12 LIGAÇÃO SENSOR DIGITAL CLP FONTE O autor FONTE httpsbitylicomoutdc Acesso em 24 abr 2021 FONTE O autor Quando o sensor S1 comuta passa de NA para NF e surge uma tensão nos terminais do solenoide responsável por excitálo e por acionar os contatos de força dele Foi elencado um minicontator da marca WEG que possui três contatos NA 1L1 2L1 3L2 4L2 5L3 6L3 de potência um contato NA 13 14 para controle e um solenoide 24 VDC nos terminais A1 A2 No contato de potência é possível ligar uma carga trifásica como um motor ao utilizar um sistema de partida direta simples 96 Observase que o sensor tem um dos terminais alimentado pelo contato positivo da fonte de 24VDC e outro ligado diretamente à entrada digital do CLP sem a presença do terminal negativo da fonte Isso ocorre porque o CLP necessita de alimentação para funcionar logo é conectado ao terminal negativo da fonte É importante observar se existe mais de uma fonte de alimentação Caso exista os terminais negativos utilizados como referência devem ser interligados Existem ainda os CLPs cujo cartão de entrada fornece um pino de alimentação a ser ligado no sensor não necessitando assim de uma fonte externa positiva Como exemplo podese citar os cartões digitais de entrada da Siemens para o modelo de CLP S7300 O cartão a seguir é o cartão digital 6ES73221BL000AA0 Ele é alimentado pelo barramento e disponibiliza ao usuário um pino com a tensão de alimentação para o sensor além de um pino de retorno do sensor digital o que dispensa a fonte externa FIGURA 13 COMPARTILHAMENTO DE FONTE FIGURA 14 CARTÃO DIGITAL DE ENTRADA SIEMENS SM321 FONTE O autor FONTE httpsbitly3kyftni Acesso em 24 abr 2021 97 32 SENSORES DIGITAIS ATIVOS Os sensores digitais ativos por sua vez possuem de três a quatro fios dois de alimentação e um ou dois de saída Quando há três fios um representa um contato NA e quatro um contato NA e outro NF Nesse tipo de sensor devese observar se o terminal negativo da fonte utilizada no dispositivo a receber a informação é o mesmo utilizado pelo sensor Caso não o sistema não funciona Devese analisar também se o sensor é do tipo PNP ou NPN pois cada modelo deve ser ligado de uma maneira diferente A diferença entre os sensores digitais dos tipos PNP e NPN é que quando acionado o sensor do tipo PNP fornece uma tensão positiva e o NPN uma tensão negativa FIGURA 15 SENSORES DIGITAIS NPN E PNP FONTE httpsbitly3OQpy0d Acesso em 11 abr 2022 Caso exista mais de uma fonte de alimentação elas devem estar com os terminais negativos interligados Assim têm a mesma referência para qualquer que seja a fonte de origem do sinal NOTA 98 Embora esses sensores tenham essa particularidade de NPN ou PNP o funcionamento deles é igual ao do sensor digital passivo Há um terminal ou cabo que em determinado momento fica em um nível lógico alto com tensão de alimentação positiva e em outra situação baixo com tensão de alimentação negativa podendo ser ligado diretamente à carga ou ao cartão do CLP 33 SENSORES ANALÓGICOS Os sensores analógicos utilizam uma fonte de alimentação para conseguir gerar um sinal de saída proporcional à grandeza física medida e devem ser ligados em série ao equipamento a ser utilizado como processamento de sinal Os que trabalham com resposta em corrente elétrica operam com uma carga variável e quando submetidos a uma fonte de tensão permitem a passagem dessa corrente elétrica A alteração do valor da corrente é diretamente proporcional à variação da grandeza medida pelo sensor sendo que quando uma medida aumenta a corrente também elevase Como exemplo desse modelo podese citar o cartão 6ES7331 7KF020AB0 fabricado pela Siemens no CLP S7 300 A unidade de processamento controlador trabalha como um medidor de corrente Posteriormente a corrente elétrica é convertida em um valor digital Uma das maneiras de se testarem os sensores analógicos em corrente é justamente remover o controlador e colocar um amperímetro O valor medido deve ser proporcional à medição pelo sensor Os sensores analógicos precisam de uma alimentação para funcionar Alguns cartões não possuem alimentação portanto é necessária a alimentação externa NOTA FIGURA 16 LEITURA ANALÓGICA CLP FONTE httpsbitly3s70xUD Acesso em 24 abr 2021 99 Em geral a maioria dos cartões de leitura é do tipo passivo e segue um esquema de ligação Podem ser ligados em mais de um CLP Existem sensores mais comumente sensores de temperatura que utilizam transdutorestransmissores ou cartões específicos de leitura Estes são dispositivos responsáveis por fazer a leitura do sensor e a conversão em um sinal analógico padronizado normalmente de 4mA a 20mA Será elencado um sensor de temperatura que utiliza um desses dispositivos para a conversão do sinal Existem também os CLPs com cartão ativo ou seja são ligados diretamente ao sensor sem a necessidade de uma fonte externa Como exemplo pode se citar o cartão analógico da fabricante WAGO modelo 750496 Para se testarem os sensores que utilizam esse tipo de sistema devese colocar um amperímetro em série além de aferir o valor medido FIGURA 17 LEITURA EM MAIS DE UMA UNIDADE FIGURA 18 TRANSMISSOR DE TEMPERATURA FIGURA 19 LEITURA ANALÓGICA FONTE Adaptada de httpsbitly3KyDAA3 Acesso em 24 abr 2021 FONTE Adaptada de httpsbitly3KBrRkz Acesso em 24 abr 2021 FONTE Adaptada de httpsbitly3KyDAA3 Acesso em 24 abr 2021 100 Para a ligação de mais de uma unidade de processamento é necessária a implementação de isoladores de sinal Eles têm a função de replicar o sinal para outra malha Veja 4 SINAIS DIGITAIS E PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Dentre os sinais conhecidos por sinais digitais existe uma classe especial que utiliza protocolos de comunicação para enviar e receber dados de sensores e atuadores Todavia a utilização de protocolos nem sempre consegue estabelecer comunicação entre equipamentos de fabricantes diferentes Isso ocorre devido a cada fabricante possuir a autonomia de escolha dos próprios protocolos de comunicação Esse tipo de comunicação com os elementos possui algumas vantagens e desvantagens Imunidade a ruídos Utilização de cabo de dados Diagnóstico e ajuste Equipamentos de marcas diferentes com rara comunicação Em caso de rompimento de cabo várias malhas sem comunicação e fora de operação FIGURA 20 REPETIDOR DE SINAL FONTE Adaptada de httpsbitly3KyDAA3 Acesso em 24 abr 2021 Com relação a um sensor analógico sempre haverá a ligação de dois fios no cartão seja para o fechamento da malha seja como fonte de alimentação NOTA 101 FIGURA 21 BARRAMENTO PLANTA INDUSTRIAL FONTE httpswwwsmarcompublicimghartfig24jpg Acesso em 24 abr 2021 41 ALGUNS PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAIS Dentre os sinais conhecidos por sinais digitais existe uma classe especial que utiliza protocolos de comunicação Todavia a utilização de protocolos nem sempre consegue estabelecer comunicação entre equipamentos de fabricantes diferentes Isso ocorre devido a cada fabricante possuir a autonomia de escolha dos próprios protocolos de comunicação 102 Indicouse a ligação de sensores e atuadores em uma planta industrial Observe a existência de diversos níveis de comunicação É possível notar também a existência de diversos protocolos de comunicação incluindo a exibição em um sistema conhecido por sistema supervisório Antecedendo os protocolos e em busca de levar uma informação de um ponto a outro surgem os meios de comunicação dentre os quais podemos destacar os cabeados como o cabo coaxial o par trançado e a fibra ótica e os de transmissão sem fio como o infravermelho o Bluetooth e o WiFi Como protocolos existentes há os a nível de controlador Modbus TCPIP CAN Modbus RS485 OPC PROFIBUS DP dentre outros e a nível de campo FOUNDATION FIELDBUS H1 PROFIBUS PA WirelessHART HART PROFINET etc O protocolo HART é um dos que possui uma variedade de aplicações e como vantagem a utilização da comunicação através do formato 420mA para parametrização e monitoramento Ele foi o primeiro protocolo bidirecional a ser criado e que não afeta o sinal de controle analógico O protocolo CAN foi desenvolvido por Robert Bosh em 1986 para aplicações automobilísticas Tem como finalidade simplificar a comunicação entre os diversos dispositivos existentes no veículo O meristema de comunicação dele se baseia na comunicação serial que permite o controle distribuído em tempo real e com um elevado nível de segurança CARVALHO 2006 O protocolo Modbus pode ser encontrado em sistemas cabeados serialmente como RS232 RS485 ou TCPIP mas a aplicabilidade é a mesma Muda apenas o meio de comunicação Ele foi desenvolvido em 1970 pela Modicon e adquirido pela Schineider Vale destacar que no modo RS232 a comunicação é feita entre dois dispositivos um mestre e um escravo e com no máximo 30m de distância Já em rede RS485 é possível ligar até 32 dispositivos com até 1200m Para a comunicação baseada em TCP IP depende do meio de instalação se direto ou através de uma infraestrutura de rede ALFACOMP 2019 O protocolo Profibus DP também é um dos mais utilizados na indústria Pode ser encontrado em plataformas de petróleo fábricas de bebidas e de automóveis indústrias farmacêuticas etc Foi criado em 1987 pela parceria de 21 empresas na Alemanha na criação de um barramento de comunicação para atender às necessidades da indústria A família Profibus pode ser dividida em i Profibus DP ii Profibus PA e iii Profinet A Profibus DP é caracterizada pela alta velocidade de comunicação podendo chegar entre 1 e 5 ms Nessa categoria encontramos CLP IHM interfaces de IO remotas inversores softstarters sensores e atuadores Observe uma rede de Profibus 103 A Profbus PA é utilizada no controle de processos industriais e instrumentação e dispensa o uso de CLP Ela poderá ser vista a seguir Nesse caso as funções de controle são exercidas pelos próprios equipamentos Tem uma velocidade de 3125 Kbits e pode ligar até 32 dispositivos Já a nível de comprimento consegue chegar a até 1900 e sem repetidores ou 95 Km ao utilizar até quatro repetidores FIGURA 22 REDE PROFIBUS DP FIGURA 23 REDE PROFIBUS PA FONTE httpsbitly37YNzl8 Acesso em 24 abr 2021 FONTE httpsbitly383fsZ8 Acesso em 24 abr 2021 104 Por fim a Profinet é um protocolo baseado em ethernet a fim de conectar dispositivos e processos como sensores e atuadores aos sistemas de controle Como abordado existem diversos outros protocolos de comunicação e interligação dos dispositivos fazendo assim com que os profissionais de instrumentação e controle busquem constantemente atualizações das tecnologias disponíveis e das aplicações delas 5 SUPERVISÃO DE SENSORES E ATUADORES A supervisão dos sensores e dos atuadores existentes na planta é feita através de sistemas supervisórios Esses sistemas também conhecidos como SCADA Supervisory Control and Data Acquisition são muito comuns na indústria cujo papel é importante Podese destacar a leitura de dados o monitoramento e o armazenamento deles para a composição de um relatório a respeito do funcionamento da planta industrial FIGURA 24 REDES DE COMUNICAÇÃO FONTE httpsbitly3xkHsSf Acesso em 11 abr 2022 A calibração dos dispositivos e a manutenção das redes industriais cabem ao instrumentista dessa forma é importante a atualização dos protocolos utilizados em cada indústria na qual se deseje trabalhar NOTA 105 Há também alguns dispositivos como os da Wago que permitem a comunicação através de um cabo de rede para a gravação e o monitoramento do CLP Possuem um servidor interno para a criação de telas de supervisório FIGURA 25 BARRAMENTO PLANTA INDUSTRIAL FONTE httpsbitly38Hftls Acesso em 24 abr 2021 O sistema gratuito para supervisório ScadaBr está disponível para download em httpswwwscadabrcombr DICA Existem diversos sistemas supervisórios que se comunicam com um CLP para a coleta de informações os quais exibem para o usuário através de telas iterativas Contudo vale destacar o software ScadaBR um software brasileiro que roda em um servidor web assim torna possível o acesso em qualquer dispositivo conectado a uma rede industrial até mesmo por um smartphone 106 RESUMO DO TÓPICO 1 Neste tópico você adquiriu certos aprendizados como Os sensores podem ser classificados como ativos ou passivos Os ativos necessitam de alimentação externa para exercer funcionamento já os passivos não Os sensores digitais se comportam como uma chave de duas posições Quando não excitados ficam na posição normalmente aberta ou com tensão negativa e quando excitados na posição normalmente fechada ou com tensão positiva da fonte Podem ser de contato seco chave fim de curso ou tipos NPN e PNP Os sensores analógicos utilizam a variação do sinal analógico para representar a variação da grandeza mensurada Os sensores analógicos de 4mA a 20mA são os mais utilizados pois não apresentam queda de tensão a longas distâncias e possuem detecção por falha no sensor através da corrente mínima de 4mA Diversos protocolos industriais são voltados à comunicação entre dispositivos Geralmente equipamentos de fabricantes distintos não se comunicam Os sistemas supervisórios são utilizados de forma a acessar informações da planta e processos de forma dinâmica em telas de computador Podem também ser acessadas por um smartphone por exemplo Sistemas supervisórios gratuitos com o ScadaBR podem contemplar pequenas indústrias e processos 107 RESUMO DO TÓPICO 1 1 No meio industrial existem diversos sensores cada um com uma determinada função São divididos em digitais e analógicos Dessa forma assinale a sentença CORRETA a Os sensores analógicos são sensores que nunca necessitam de alimentação para funcionar Tais sensores podem medir valores como pressão vazão e temperatura b Os sensores digitais são sensores que sempre necessitam de alimentação para funcionar Tais sensores operam como chaves normalmente aberto e normalmente fechado c Os sensores digitais são sensores que podem ou não necessitar de alimentação para funcionar Tais sensores podem medir valores como pressão vazão e temperatura d Os sensores digitais são sensores que podem ou não necessitar de alimentação para funcionar Tais sensores operam como chaves normalmente aberto e normalmente fechado 2 Um modelo de sensor muito utilizado na indústria é o capacitivo Tal sensor usufrui da alimentação para criar um campo elétrico e pode estar presente em uma esteira transportadora para a contagem de produtos para a existência de itens na linha de produção se há alguma garrafa a ser envasada ou outras aplicações nas quais seja necessária a identificação da presença de um objeto Com base nas definições de um sensor capacitivo analise as sentenças a seguir I O sensor capacitivo é um sensor analógico II O sensor capacitivo é um sensor digital III O sensor capacitivo trabalha como uma chave com no mínimo um contato NA Assinale a alternativa CORRETA a As sentenças I e III estão corretas b As sentenças II e III estão corretas c Somente a II está correta d Somente a III está correta 3 No ano de 2015 uma alteração na Norma NR12 propôs uma adequação para a fabricação de máquinas Buscouse o aumento da segurança de dispositivos que utilizam energia elétrica em painéis de acionamento Assim é CORRETO afirmar AUTOATIVIDADE 108 a É permitida a fabricação de máquinas e de equipamentos com tensão de comando inferior a 25 VCA e 60 VCC b É permitida a fabricação de máquinas e de equipamentos com tensão de comando inferior a 220 VCA e 24 VCC c É permitida a fabricação de máquinas e de equipamentos com tensão de comando inferior a 25 VCA e 100 VCC d É permitida a fabricação de máquinas e de equipamentos com tensão de comando inferior a 60 VCA e 100 VCC 4 A indústria brasileira necessita de mão de obra qualificada principalmente na parte da instrumentação Tal profissional trabalha para levantar sensores para projetos novos e para a adequação de equipamentos Assim quais são os tipos de sinais de sensores mais comuns para sensores analógicos Aponte o mais indicado para aplicações industriais e diga o porquê 5 Existem diversos sensores digitais que podem ser utilizados para a identificação da posição de determinado produto ou estágio do processo como fim de curso do tipo rolete barreira indutivo capacitivo etc Os sensores indutivos podem ser encontrados com 3 NA ou 4 NA NF fios e do tipo NPN ou PNP Diferencie o esquema de ligação para sensores do tipo NPN e do tipo PNP 109 1 INTRODUÇÃO Os sensores e atuadores elétricos possuem características que devem ser consideradas durante a seleção do instrumento o que permite precisão e confiabilidade no processo Nesse sentido no Tópico 2 falaremos das características mais importantes dos sensores resolução sensibilidade exatidão precisão linearidade alcance range estabilidade e velocidade de resposta Abordaremos a necessidade de verificação de calibração de um sensor descobrindo se os valores de saída estão em conformidade com os dados do fabricante Além disso aprenderemos como converter uma grandeza física em sinais de corrente e tensão Ao fim do tópico apresentaremos um resumo geral com objetivo de fixar o assunto abordado 2 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS Para escolher um sensor não basta apenas verificar o sinal de saída e a grandeza que ele mede mas também observar algumas características consideradas importantes para um sistema as quais influenciam na qualidade da informação a ser utilizada durante um determinado processo Características como resolução sensibilidade exatidão precisão linearidade alcance range estabilidade e velocidade de resposta são consideradas pelos instrumentistas as mais importantes durante a seleção de um sensor 21 RESOLUÇÃO A resolução corresponde ao menor valor de grandeza medido pelo sensor necessário para que haja uma alteração no sinal de saída RESOLUÇÃO SENSIBILIDADE EXATIDÃO PRECISÃO LINEARIDADE ALCANCE RANGE ESTABILIDADE E VELOCIDADE DE RESPOSTA UNIDADE 2 TÓPICO 2 110 Como exemplo suponhamos que um sensor de temperatura tenha resolução de 01 ºC Tal informação indica que para que aconteça uma alteração no sinal de saída do sensor é necessária uma variação de no mínimo 01 ºC ou seja a cada 01 ºC o sensor sofre uma alteração Por outro lado se a resolução fosse de 10 ºC o sensor somente seria capaz de reconhecer variações de temperatura a cada 10 ºC Portanto percebese que quanto melhor a resolução mais próxima do real é a medida 22 SENSIBILIDADE A sensibilidade também conhecida como ganho k é a razão entre o sinal de saída e o de entrada Para sensores analógicos a sensibilidade é calculada pela relação da variação das grandezas Sensores muito sensíveis são aqueles nos quais uma pequena variação na grandeza de leitura do sensor fornece uma variação na saída Em casos de sensores lineares o sinal de saída é apresentado em formato de uma reta 23 EXATIDÃO Segundo o vocabulário internacional de termos fundamentais e gerais de metrologia a exatidão é quão próxima a resposta de um sensor chega do valor verdadeiro A característica de exatidão de um sensor está relacionada com a capacidade do sensor de fornecer uma saída com a menor diferença possível em comparação ao valor real da grandeza física FIGURA 26 SENSIBILIDADE FONTE Adaptada de Fermo et al 2019 111 TABELA 1 SENSORES DE UMIDADE HONEYWELL FONTE httpsbitly3KC34wH Acesso em 24 abr 2021 Para melhor entender essa analogia vamos a uma situação hipotética Nos dias atuais existem no mercado alguns veículos elétricos autônomos Para que eles possam executar tal ação contam com uma série de sensores que o ajudam a se orientar e a manobrar com exatidão sem colidir com outro veículo pessoa ou objeto Nesse tipo de aplicação os sensores de orientação necessitam possuir a maior exatidão possível levando o usuário ao local desejado e sem causar uma colisão inesperada Já existem veículos aéreos não tripulados capazes de lançar mísseis a uma longa distância Tais mísseis contam com sensores de orientação que os levam a colidirem com o objetivo demarcado Embora o veículo elétrico autônomo e o aéreo não tripulado possuam sensores de orientação esse autônomo precisa de uma exatidão latente pois uma divergência entre o valor de saída do sensor e o verdadeiro pode causar uma colisão inesperada Entretanto os mísseis devido ao poder explosivo deles não podem contar com tanta exatidão e ainda assim atingir o objetivo 24 PRECISÃO Podese afirmar que a precisão de um sistema é uma das características mais importantes dele Está relacionada à capacidade do sensor de fornecer uma saída constante e com a menor variação possível independentemente da distância entre ela e o valor real Representa o erro variação que um sensor pode apresentar Vale lembrar que em todo sensor há uma variação de saída e cabe ao instrumentista encontrar o sensor que apresente o melhor desempenho ao sistema Alguns fatores podem influenciar na variação desse sinal de saída como a grandeza a ser medida a qualidade do sensor as condições de operação etc 112 Alguns tipos de grandezas são difíceis para a medição como a umidade A maioria dos sensores de umidade apresenta uma variação de saída de 2 e 10 Se a exatidão e a precisão tratam da variação do sinal entre a saída do sensor e o valor real qual é a diferença entre elas Para exemplificar utilizaremos um jogo de dardos Se ao lançarmos o dardo acertarmos o alvo seremos exatos porém não necessariamente precisos Logo a exatidão significa dizer que se chega próximo ao valor esperado Já a precisão está ligada à variação do lançamento de um dardo quanto mais próximo um dardo fica do outro mais preciso é o sistema Concluise então que a precisão está relacionada à variação entre as saídas para um mesmo valor de entrada e a exatidão com a proximidade do valor esperado Embora existam diversos sensores com precisões o projetista deve procurar o sensor que melhor atenda às necessidades da planta eou do projeto Nem todo sensor preciso é exato e nem todo sensor exato é preciso Um instrumentista deve encontrar sempre sensores com exatidão e precisão NOTA NOTA FIGURA 27 DIFERENÇA ENTRE PRECISÃO E EXATIDÃO FONTE httpsbitly3vCf6SA Acesso em 24 abr 2021 113 Entretanto existem sensores que não são considerados lineares como no caso dos de temperatura NTC e PTC que variam a resistência de acordo com a variação da temperatura Eles são conhecidos pela precisão e pela sensibilidade ao aumento da temperatura 25 LINEARIDADE A linearidade é válida somente para sensores analógicos Para afirmar que um sensor é linear o cruzamento das informações entre a grandeza física medida e o sinal de saída do sensor deve ter uma proporcionalidade com a formação de uma reta GRÁFICO 1 LINEARIDADE FONTE O autor 26 ALCANCE RANGE O alcance ou range do sensor corresponde à área de trabalho dele Todo sensor possui limitações dos valores máximo e mínimo assim consegue converter uma determinada grandeza em um sinal elétrico Esse range de operação é definido pela subtração do valor máximo pelo valor mínimo GRÁFICO 2 SENSOR NTC FONTE Adaptado de httpsbitly3LFRpOO Acesso em 24 abr 2021 114 QUADRO 2 SENSOR DE OXIGÊNIO FONTE httpsbitly3kx0yNv Acesso em 24 abr 2021 27 ESTABILIDADE A estabilidade é a taxa de variação da saída do sensor Com a variação muito presente ou seja com a baixa estabilidade do sensor a atuação do dispositivo de controle pode ser prejudicada em outras palavras a estabilidade está na capacidade do sensor de manter a própria saída ao longo do tempo 28 VELOCIDADE DE RESPOSTA Uma das características mais importantes a serem observadas durante a seleção dos sensores é quanto tempo um sensor demora para responder a uma variação de grandeza física É desejável uma resposta instantânea ou mais rápida possível pois a lentidão pode prejudicar a eficiência do sistema Para exemplificar tal situação imagine que você enche um tanque com um determinado produto químico A bomba que joga o produto no tanque tem uma vazão capaz de subir o nível em 10cm por segundo Assim caso o sensor tenha um tempo de resposta de 10s é necessário que ele seja instalado com a distância de pelo menos 100cm da borda ou o tanque transborda Agora suponha que você trabalhe com rastreamento de veículos e na maioria dos casos os reportes de localização são efetuados a cada três minutos Se o sensor de geolocalização demora 30 segundos para obter a localização real ele não causa perdas ao processo Compreendese que embora a resposta instantânea seja o ideal existem sistemas que suportam um determinado tempo A seguir o sensor SOXX001 trabalhará com leituras entre 10 ppm partes por milhão e 1000 ppm e o alcance poderá ser definido por 1000 10 990 ppm 115 GRÁFICO 3 HISTERESE FONTE httpsbitly3KCt0YO Acesso em 24 abr 2021 210 ZONA MORTA Uma característica indesejada pelo sensor é a zona morta Pode ser definida como uma região na qual a variação da grandeza física não proporciona uma variação na saída do sensor 29 HISTERESE Quando se coloca um sensor analógico em funcionamento ele pode apresentar curvas de resposta diferentes para crescimento e decrescimento da grandeza física medida Essa diferença é chamada de histerese GRÁFICO 4 ZONA MORTA FONTE Adaptado de httpsbitly3OTR6BG Acesso em 24 abr 2021 116 3 CALIBRAÇÃO Após analisar todas as características dos sensores é possível verificar através de ensaios laboratoriais se um sensor está apto a ser colocado em funcionamento ou se é necessário realizar a substituição dele Inicialmente devese analisar a faixa de medida do sensor Como exemplo utilizaremos um sensor de pressão que mede de 10 a 160 PSI e que de acordo com informações do fabricante possui uma exatidão de 04 e uma histerese de 1 Antes de iniciarmos os ensaios definiremos o cenário de teste conforme apresentado a seguir Esse cenário representa a que valores de pressão o sensor deve ser submetido a fim de obter a leitura Após a elaboração da sequência do ensaio o sensor necessita ser submetido a cada pressão definida e ao valor de leitura anotado Os valores são inseridos em uma tabela no campo PSI ascendente durante a rampa de subida do sensor e na rampa de descida no campo PSI descendente QUADRO 3 SEQUÊNCIA DO ENSAIO FONTE O autor Leitura PSI 1 10 2 25 3 50 4 85 5 100 6 150 7 160 Existem diversas características importantes a serem consideradas no momento da seleção de um sensor Por isso tenha sempre em mãos a folha de dados datasheet do fabricante para auxiliálo a escolher o sensor que melhor atende à necessidade do projeto ou planta NOTA 117 Ao obter o valor do SPAN ou área de trabalho SPAN 160 10 150 Ao obter o valor do ERRO PSI para ascendente e descendente ERRO PSI 10610 06 ERRO PSI 10910 09 Como calcular o SPAN SPAN 100 100 040 SPAN 100 100 060 A histerese é calculada pelo valor absoluto da subtração dos erros Histerese abs06 09 03 QUADRO 4 CALIBRAÇÃO SENSOR FONTE Adaptado de Brandão 2019 ERRO PSI SPAN ERRO PSI SPAN 118 O cálculo de histerese é Histerese 100 03150 100 020 O equacionamento anterior deve ser realizado para todos os valores do ensaio Em seguida é preciso verificar a exatidão e a histerese do sensor Essa verificação é necessária para garantir que o sensor atue conforme as condições apresentadas pelo fabricante Um erro superior ao esperado pode por exemplo ocasionar a perda de uma produção Para a verificação da exatidão observase o maior valor de SPAN para ascendente e descendente e se verifica se é menor que a de exatidão apresentada pelo fabricante Caso o valor seja menor o sensor é aprovado no teste de exatidão caso contrário reprovado Para a certificação da histerese verificase o valor máximo de histerese apresentado na tabela se menor que a histerese do fabricante Novamente se o valor é menor do que o exposto o sensor tem aprovação no teste de histerese caso contrário reprovação Vale destacar que o sensor somente pode ser considerado apto se a função obtém a aprovação em ambos os testes Um dos testes mais importantes que pode ser feito a fim de validar e de atestar o funcionamento dos sensores é a calibração Através dela é possível encontrar sensores cuja resposta diverge da documentação apresentada pelo fabricante o que pode interferir na qualidade do sinal esperado pelo projeto NOTA QUADRO 5 CALIBRAÇÃO SENSOR Histerese SPAN 119 4 CONVERSÃO DE UMA GRANDEZA EM UM SINAL Os sensores conforme apresentados anteriormente podem ter uma saída linear ou não e portanto possuem maneiras diferentes de calcular a resposta da variação de uma grandeza Os sensores lineares apresentam uma reta como resposta sendo necessário apenas que se obtenha a equação da reta para transformar uma grandeza física em um sinal de saída analógico Por outro lado os não lineares entregam uma curva não linear com a resolução de equações especiais para a obtenção da resposta do sensor 41 SENSORES LINEARES Agora que já compreendemos como funciona um sensor linear podemos analisar como uma grandeza física é convertida em um sinal de saída proporcional Uma vez que a saída de um sensor linear é uma reta podemos utilizar as fórmulas de equação da reta aprendidas no ensino médio para obter a fórmula para a saída do sensor y m x z n x representa a grandeza física z representa a constante do valor mínimo da grandeza física n representa a constante do valor mínimo da saída analógica m representa o coeficiente angular O coeficiente angular pode ser calculado através da seguinte fórmula FONTE Adaptado de Brandão 2019 120 m y2 representa o valor máximo de saída analógica y1 representa o valor mínimo de saída analógica x1 representa o valor máximo da grandeza física x2 representa o valor mínimo da grandeza física Exemplo 1 Considerando que um sensor de pressão trabalhe com uma área de atuação que varie entre 10 PSI e 160 PSI caso utilize uma saída de 4mA a 20mA encontre a equação da reta que apresente a resposta do sensor e calcule o sinal em corrente para uma pressão de 85 PSI Resposta Calculando a equação da reta m 0106 y 0106 x 10 4 Calculando o valor em corrente para um sinal de 85 PSI y 0106 85 10 4 12mA Assim encontramos que uma saída de 12mA corresponde a 85 PSI Agora faremos a fórmula ao contrário Para isso entraremos com a corrente e encontraremos a pressão medida em PSI Calculando a equação da reta m 9375 y 9375 x 4 10 Calculando o valor em grandeza física para um sinal de saída de 12mA y 9375 12 4 10 85 PSI y2y1 x2x1 20 4 160 10 160 10 20 4 mA PSI PSI mA 121 Exemplo 2 Considerando que um sensor de pressão trabalhe com uma área de atuação que varie entre 10 PSI e 160 PSI caso utilize uma saída de 0v a 10v encontre a equação da reta que apresente a resposta do sensor e calcule o sinal em corrente para uma pressão de 85 PSI Resposta Calculando a equação da reta m 0066 y 0066 x 10 0 Calculando o valor em corrente para um sinal de 85 PSI y 0066 85 10 0 495V Assim encontramos que uma saída de 495 V corresponde a 85 PSI Agora faremos a fórmula ao contrário Para isso entraremos com a corrente e encontraremos a pressão medida em PSI Calculando a equação da reta m 15 y 15 x 0 10 Calculando o valor em grandeza física para um sinal saída de 495 V y 15 495 0 10 8425 PSI Observe que a quantidade de casas decimais utilizada na conversão interferiu no valor correspondente Assim compreendese que qualquer sensor cuja saída seja linear pode ser calculado através da equação da reta 10 0 160 10 160 10 10 0 V PSI PSI mA 122 No caso de sensores lineares a fórmula para a conversão do sinal de saída do sensor na grandeza física analisada é obtida através da subtração do sinal de saída pelo mínimo dele seguida da multiplicação pelo ganho e da soma a partir desse mínimo NOTA 42 SENSORES NÃO LINEARES Um sensor para ser considerado não linear deve fugir à regra da proporcionalidade ou seja não se pode formar uma reta Assim os sensores de temperatura PTC e NTC são considerados fortemente não lineares e portanto necessitase de uma equação especial para a conversão da grandeza física deles em um sinal elétrico Utilizase uma equação chamada de SteinhartHart conforme apresentada a seguir ABln R C ln R3 A B C Coeficientes definidos para cada tipo de NTC ou PTC T Temperatura em Kelvin C 27315 R Resistência do NTC ou PTC na temperatura T Os valores dos coeficientes A B e C podem ser obtidos através de ensaios laboratoriais Para isso basta efetuar a medição de três valores distintos de resistência e de temperatura dentro da faixa de uso do sensor Exemplo 1 Considerando a utilização de um sensor PTC e as seguintes leituras R 16330 5000 e 1801 para as respectivas T 273 298 e 323 encontre o valor dos coeficientes A B e C Resposta Inicialmente calculamos os valores de L1 L2 e L3 L1 lnR1 ln16330 970 L2 lnR2 ln5000 8517 L3 lnR3 ln1801 7496 1 T 123 Em seguida calculamos os inversos da temperatura Y1 3663 x 103 Y2 3355 x 103 Y3 3096 x 103 Calculamos os valores intermediários K₂ 2603 x 104 K3 2577 x 104 Calculamos a constante C C Calculamos a constante B B K2 C L2 L1 L2 L2 2603 x 104 9903 x 108 972 97 8517 85172 2356 x 104 Calculamos a constante A A Y1 L1 B C L2 3663 x 103 97 2356 x 104 9903 x 108 972 0001287 Assim a fórmula para a temperatura é 1 T 0001287 2356 x 104 ln R 9903 x 108 lnR 3 1 T1 Y2 Y1 Y3 Y1 K3 K1 2 2 2 1 2577 x 104 2603 x 104 1 L2 L1 L3 L1 L3 L2 L1 L2 L3 7496 8517 97 8517 7496 1 T2 1 T3 1 273 3355 x 103 3663 x 103 3096 x 103 3663 x 103 8517 970 7496 970 1 298 1 323 QUADRO 6 COEFICIENTES CALCULADOS FONTE Adaptado de Analógica 2013 TK RΩ 273 16330 298 5000 323 1801 A B C 0001287 2356 x104 9903 x108 A B ln16330 C ln16330³ A B ln5000 C ln5000³ A B ln1801 C ln1801³ MEDIÇÕES EFETUADAS VALORES DOS COEFICIENTES EQUAÇÕES DECORRENTES 124 Comprovamos a fórmula para as resistências R1 R2 e R3 1 T 0001287 2356 x 104 ln R 9903 x 108 lnR 3 1 T2 29813 K 0001287 2356 x 104 ln5000 9903 x 108 ln50003 1 T3 32313 K 00012872356 x 104 ln1801 9903 x 108 ln18013 Calculamos de erro máximo para T1 T2 e T3 ERRO T1 27356273 02 273 ERRO T2 29813298 004 298 ERRO T3 32313323 004 323 Para sensores do tipo NTC adotamos C igual a 0 Independentemente do tipo de saída analógica linear e não linear há uma maneira de testar e de verificar o funcionamento do sensor seja pela proporcionalidade ou pela equação de SteinhartHart NOTA 125 RESUMO DO TÓPICO 2 Neste tópico você adquiriu certos aprendizados como Os sensores classificados como analógicos possuem diversas características que devem ser levadas em conta durante a seleção como resolução sensibilidade exatidão precisão linearidade alcance range estabilidade e velocidade de resposta Os sensores analógicos podem ter diferentes curvas para crescimento e decrescimento da grandeza física medida chamada de histerese Através de ensaios laboratoriais podese atestar o funcionamento de um sensor analógico linear com a aprovação ou a reprovação de uso É possível aplicar a equação de SteinhartHart para calcular os coeficientes A B e C para sensores analógicos não lineares dos tipos NTC e PTC 126 1 Em um ambiente industrial existem diversos elementos Dentre os elementos sensores há uma grande quantidade de modelos que mede o mesmo tipo de informação a exemplo dos sensores de temperatura todavia com características diferentes Um instrumentista ao analisar tais informações deve ter ciência do que elas se referem Assim com base nas características dos sensores assinale a alternativa CORRETA a Considerando uma leitura de uma grandeza física sem variações a característica de exatidão de um sensor está relacionada com a capacidade dele de fornecer uma saída constante e com a menor variação possível independentemente da distância entre ela e o valor real b A precisão de um sensor está relacionada com a capacidade dele de fornecer uma saída próxima ao valor real independentemente da variação do sinal de saída para uma determinada grandeza física c A velocidade de resposta do sensor está relacionada com o tempo que o sensor demora a chegar em uma determinada saída d A histerese é a área de grandeza física de um sensor que não é capaz de variar a saída do sinal 2 A calibração consiste em determinar uma excitação do sensor com uma determinada grandeza seguindo uma sequência definida além de analisar os resultados obtidos É um recurso muito utilizado pelos instrumentistas para a verificação do funcionamento do sensor Assim com base na análise dos resultados analise as sentenças a seguir I Um sensor considerado aprovado pode ter uma reprovação na leitura ascendente ou descendente II Um sensor pode ser considerado aprovado se obtém aprovação nas leituras ascendente e descendente independentemente do resultado da histerese III Um sensor só pode ser considerado aprovado se obtém aprovação nas leituras ascendente e descendente e na histerese Assinale a alternativa CORRETA a As sentenças I e III estão corretas b As sentenças II e III estão corretas c Somente a II está correta d Somente a III está correta AUTOATIVIDADE 127 3 Em uma planta industrial são encontrados diversos tipos de sensores desde digitais a analógicos No que diz respeito a sensores analógicos podemos classificá los ainda em lineares e não lineares Sabendo que há métodos diferentes de verificação de sensores lineares e não lineares assinale a alternativa CORRETA a Os sensores considerados não lineares possuem no sinal de resposta deles uma característica de não proporcionalidade b Os sensores considerados lineares não possuem uma característica de proporcionalidade c O cruzamento da grandeza física com a saída do sensor não linear é uma reta d A curva formada pelos sensores lineares necessita da equação de Steinhart Hart para encontrar os coeficientes A B e C 4 Um instrumentista é o profissional responsável por garantir que os sensores e atuadores presentes em uma linha produtiva estejam dimensionados a atender às necessidades da indústria Assim disserte a respeito das importâncias da precisão da exatidão e da velocidade de resposta dos sensores em um processo produtivo 5 Há uma variedade de sensores no meio industrial mas cabe ao instrumentista atestar que sensor está em perfeitas condições de uso Assim diferencie os métodos de conversão para sensores lineares e não lineares 129 TÓPICO 3 ATUADORES ELÉTRICOS 1 INTRODUÇÃO Os atuadores elétricos são considerados um item fundamental no meio industrial responsáveis por executar uma ação no meio Diferentemente dos sensores que recebem informação do mundo real e a levam para o mundo virtual os atuadores pegam uma informação do virtual e trazem para o real Se comparássemos sensores atuadores e unidade de processamento dos dispositivos industriais com o corpo humano teríamos que os sensores são como os olhos os ouvidos o tato e o paladar os quais recebem uma informação e a levam ao cérebro Os atuadores são os braços as pernas o tato e a fala que recebem essa informação do cérebro e executam uma ação A unidade de processamento é o cérebro depois de receber os sensores e comandar os atuadores A fim de padronizar os símbolos utilizados por sensores atuadores unidades de controle e outros dispositivos em documentos de projetos de instrumentação foram criadas normas a fim de alcançar a simplificação da análise desses documentos No Tópico 3 falaremos somente dos atuadores elétricos existentes no meio industrial como são acionados incluindo os cartões de acionamento para cada tipo de sinal Ao fim do tópico apresentaremos um resumo geral com o objetivo de fixar o assunto abordado 2 ATUADORES Como os sensores os atuadores elétricos utilizam as grandezas de tensão V e corrente A para executar ações no meio físico Tais ações consistem em deslocar objetos fechar portas acionar solenoides sinaleiras etc Se analisarmos uma linha de montagem veicular todos os movimentos existentes são feitos por atuadores elétricos sejam eletromagnéticos hidráulicos ou pneumáticos Podese classificar os atuadores em UNIDADE 2 130 Hidráulicos são aqueles que utilizam algum tipo de fluido sob pressão para obter força e geralmente trabalham em cargas pesadas Apesar dessa força são considerados imprecisos Exemplo elevador veicular Pneumáticos são aqueles que utilizam ar comprimido para obter força Geralmente estão presentes em robôs de pequeno porte e operações pick and place pega e coloca de linhas de montagem Eletromagnéticos são aqueles que utilizam eletricidade para funcionar e normalmente são considerados precisos Exemplos motores elétricos motor de passo servomotor de corrente alternada e de corrente contínua Embora existam acionamentos puramente mecânicos hidráulicos e pneumáticos no âmbito industrial geralmente são utilizados dispositivos eletromecânicos dispositivos mecânicos acionados por eletricidade devido à habilidade de serem acionados a distância através de dispositivos programáveis Há ambientes críticos locais que trabalham com gases inflamáveis sujeitos a incêndios em caso de fagulha e não podem ser utilizados acionamentos elétricos Assim marca presença um duplo acionamento Na primeira fase um dispositivo eletromecânico longe da área crítica é acionado e subsequentemente ocorre o disparo de um segundo elemento um elemento mecânico localizado na área crítica e que atua diretamente no processo FIGURA 28 LINHA DE MONTAGEM FONTE httpsbitly3OPAefr Acesso em 02 maio 2022 Os atuadores eletromecânicos utilizam a eletricidade para executar uma ação seja pneumática ou hidráulica NOTA 131 3 TIPOS DE SINAIS Assim como os sensores os atuadores podem receber sinais digitais ou analógicos os quais utilizam um sinal de tensão ou corrente elétrica para executar uma ação A seguir será apresentado um atuador eletropneumático Esse elemento é uma válvula direcional 52 vias retorno por mola A bobina elétrica à esquerda também conhecida como solenoide quando energizada é responsável por deslocar o carretel e condicionar o fluxo de ar em um sentido contrário ao inicial Quando desenergizada a mola devolve o carretel na posição original e coloca o fluxo de ar no sentido inicial Um exemplo desse tipo de válvula são as prensas Nelas o papel da válvula é liberar o ar para a atuação do cilindro Foi apresentado outro tipo de válvula desta vez uma de controle de fluxo O corte da válvula permite a compreensão do funcionamento mecânico interno e o deslocamento da haste faz com que o fluxo aumente ou diminua A eletricidade nesses casos é utilizada para determinar a posição da haste Nos processos industriais nos quais se deseja controlar algum tipo de líquido ou gás utilizase esse tipo de válvula para conter o volume Como exemplo podese citar o envase de garrafas pet Tal válvula controla a vazão do líquido o que permite o controle de litros FIGURA 29 EXEMPLO DE ATUADOR FIGURA 30 VÁLVULA DE CONTROLE DE FLUXO FONTE httpsbitly3MJOWmj Acesso em 24 abr 2021 FONTE httpsbitly3LDHQ2K Acesso em 24 abr 2021 132 Embora não se classifiquem os atuadores em passivos e ativos da mesma maneira que os sensores podem ou não requerer alimentação externa existem no mercado atuadores que podem requerer alimentação Os mais simples utilizam válvulas solenoides recebem um sinal digital e executam uma ação Já os atuadores analógicos podem receber alimentação externa para executar uma ação se necessário 31 ATUADORES DIGITAIS Os atuadores digitais são aqueles que atuam no meio através de um sinal digital Geralmente são dispositivos condicionados com uma lógica simples atuar ou não no processo Grande parte é feita através da válvula solenoide Os tipos de atuadores são comumente encontrados como sinaleiras sirenes válvulas direcionais contatoras e relés temporizados Observe que em geral tais atuadores liberam um sinal de tensão fixa A seguir será exibido um diagrama de comando que utiliza um sensor S1 para acionar um solenoide K1 Se ligados os contatos de força da contatora K1 em um motor atuador é possível observar que quando a solenoide é energizada o motor liga Tal motor poderia ser uma esteira como exemplificado anteriormente com a utilização dos sensores para verificar a presença de um determinado produto na linha uma ação para controlar o movimento da esteira Os atuadores são como os braços e as pernas de um ser humano São responsáveis por executar ações do mundo virtual no real NOTA FIGURA 31 ACIONAMENTO DE ATUADOR POR SOLENOIDE FONTE O autor 133 32 ATUADORES ANALÓGICOS Os atuadores analógicos também são conhecidos como controladores São utilizados para controlar alguma grandeza física temperatura pressão vazão e outros e trabalham com sinais elétricos para definir o valor desejado O controlador Burket 1067 é atuador analógico que controla a vazão de gás Ele possui acionamento manual e remoto No modo de acionamento remoto aceita sinais de 0V a 10V 0mA a 20mA e 4mA a 20mA e atua através de um cilindro pneumático que posiciona a válvula entre 0 e 100 ao trancar ou liberar a passagem de gás Para saber o tipo de sinal a ser enviado ao controlador confira sempre a documentação técnica fornecida pelo fabricante pois embora a maioria seja de 4ma a 20mA não existe um padrão É possível encontrar outras formas FIGURA 32 CONTROLADOR DE VAZÃO FIGURA 33 CONTROLADOR FONTE httpsbitly3F7LcZi Acesso em 24 abr 2021 FONTE httpsbitly3LCfHJf Acesso em 24 abr 2021 134 Assim como os sensores podem gerar um sinal analógico que varia entre 0mA a 20mA 4mA a 20mA 0V a 10V ou outro devidamente documentado pelo fabricante os xxx estão aptos a receber um sinal de controle de atuação com os mesmos níveis de intensidade e atuar proporcionalmente no processo NOTA 4 ACIONAMENTO DOS ATUADORES Para o acionamento dos atuadores é necessário um dispositivo capaz de gerar sinais compatíveis com cada modelo Desse modo existem diversos cartões analógicos que podem entregar um ou mais tipos de sinal Em alguns casos como no cartão 6ES73325HD010AB0 conseguese escolher a configuração de saída da porta analógica diretamente no cartão Vale destacar que não são todos os cartões que possuem tal configuração ficando ao instrumentista a tarefa de escolher que cartão contempla a aplicação desejada Diferentemente dos sensores os cartões de saída analógica dos CLPs são conectados a dois fios e não necessitam de alimentação externa o que facilita a instalação Os cartões de saída analógica também podem ser utilizados para controlar a rotação de motores Geralmente os inversores de frequência dispositivos que controlam a velocidade de rotação dos motores trifásicos são equipamentos que possuem uma entrada analógica responsável por definir a velocidade de rotação de motores desses atuadores FIGURA 34 EXEMPLO DE CARTÃO DE SAÍDA ANALÓGICA FONTE httpsbitly3yake1W Acesso em 24 abr 2021 135 Como exemplo de aplicação do controle de velocidade dos atuadores podese citar as escadas rolantes de shoppings centers Nos dias de hoje quando essas escadas ficam ociosas por muito tempo o sistema reduz a velocidade e consequentemente o consumo de energia Ao detectar um indivíduo acelera de maneira a voltar à velocidade normal Tal controle pode ser feito por um sensor que lê a presença de um indivíduo no começo da escada e com base nessa informação o CLP altera o valor da saída analógica enviada ao inversor de frequência com a mudança da velocidade do motor 5 NOMENCLATURA DE INSTRUMENTOS No Brasil a NBR 8190 cancelada atualmente e sem substituição apresenta a simbologia dos dispositivos e as respectivas funções deles Ela foi baseada na S51 Instrumentation Symbols and Identification da Instrument Society of America ISA hoje conhecida como The Instrumentation Systems and Automation Society FIGURA 35 SAÍDA ANALÓGICA FIGURA 36 DIAGRAMA DE INSTRUMENTAÇÃO UTILIZANDO SIMBOLOGIA FONTE Adaptada de httpsbitly3KyDAA3 Acesso em 24 abr 2021 FONTE Adaptada de Ribeiro 2009 136 Como representado todo dispositivo na planta possui uma identificação funcional TAG formada por um conjunto de letras e números As letras identificam a função do equipamento A primeira representa a variável medida e as seguintes descrevem a funcionalidade Os números entregam a malha de controle Os equipamentos da mesma malha possuem o mesmo número Além disso também podem ser inseridas informações da área de localização do equipamento Foi apresentada uma TAG de identificação do dispositivo na planta sendo Identificação da malha T 34 Número da malha 34 Primeira letra T Temperatura Letras subsequentes IC Indicador e Controle A TAG é formada pela função do instrumento e não de acordo com a construção dele Dessa forma um sensor de pressão utilizado para indicar o nível é LI Os caracteres modificadores podem alterar as primeiras letras e as subsequentes mas sempre sucedem a letra modificada Ex TDAL Medição de temperatura diferencial com alarme em nível baixo Existem algumas regrinhas básicas das quais pode ser destacado o seguinte As letras devem estar sempre em caixa alta O número de letras não pode ultrapassar quatro Caso um instrumento seja registrador e indicador de uma mesma variável o indicador pode ser omitido Se há na mesma malha mais de um instrumento com a mesma TAG adiciona se um sufixo Ex TIC34A e TIC34B Quando as letras C e V estão juntas C deve preceder V Dentre as letras que serão apresentadas podese destacar como as primeiras mais utilizadas A Analisador F Vazão FIGURA 37 EXEMPLO DE TAG FONTE O autor 137 L Nível P Pressão T Temperatura Os principais modificadores da primeira letra são D Diferença entre dois pontos S Segurança Já no segundo grupo de letras seguem A Alarme C Controle I Indicador R Registrador Y Qualquer cálculo ou manipulação numérica V Válvula Os principais modificadores da segunda letra são H Alto L Baixo QUADRO 7 LETRAS DE IDENTIFICAÇÃO A ANALISADOR ALARME B CHAMA DE QUEIMADOR INDEFINIDA INDEFINIDA INDEFINIDA C CONDUTIVIDADE ELÉTRICA CONTROLADOR D DENSIDADE OU MASSA ESPECÍFICA DIFERENCIAL E TENSÃO ELÉTRICA ELEMENTO PRIMÁRIO F VAZÃO RAZÃO FRAÇÃO G MEDIDA DIMENSIONAL VISOR H COMANDO MANUAL I CORRENTE ELÉTRICA INDICADOR J POTÊNCIA VARREDURA OU SELETOR L NÍVEL LÂMPADAPILOTO M UMIDADE N INDEFINIDA INDEFINIDA INDEFINIDA INDEFINIDA O INDEFINIDA ORIFÍCIO DE RESTRIÇÃO P PRESSÃO OU VÁCUO PONTO DE TESTE Q QUANTIDADE OU EVENTO INTEGRADOR OU TOTALIZADOR VARIÁVEL MEDIDA OU INICIAL PRIMEIRA LETRA LETRAS SUBSEQUENTES MODIFICADORA FUNÇÃO DE INFORMAÇÃO OU PASSIVA FUNÇÃO FINAL MODIFICADORA 138 FONTE O autor S VELOCIDADE OU FREQUÊNCIA SEGURANÇA CHAVE T TEMPERATURA TRANSMISSOR U MULTIVARIÁVEL MULTIFUNÇÃO MULTIFUNÇÃO MULTIFUNÇÃO V VISCOSIDADE VÁLVULA W PESO OU FORÇA POÇO X NÃO CLASSIFICADA NÃO CLASSIFICADA NÃO CLASSIFICADA NÃO CLASSIFICADA Y INDEFINIDA RELÉ OU COMPUTAÇÃO Z POSIÇÃO ELEMENTO FINAL DE CONTROLE NÃO CLASSIFICADO Quando o segundo modificador vem acompanhado da letra A significa um alarme de nível alto ou baixo Dentre as nomenclaturas mais comuns podese destacar TIC Indicador Controlador de Temperatura LIC Indicador controlador de Nível FIC Indicador Controlador de Vazão JIC Indicador Controlador de Potência SIC Indicador Controlador de Velocidade BIC Indicador Controlador de Queima ou Combustão LAH Alarme de Nível Alto TAH Alarme de Temperatura Alta SAL Alarme de Velocidade Baixa WAL Alarme de Peso Baixo HV Válvula de Controle Manual LCV Válvula de Controle de Nível Automática LV Válvula de Nível Além da simbologia do componente ao analisar o fluxograma devese observar que há diferentes métodos de conexão entre as partes Há conexões presentes sinal elétrico de software e conexão do processo Dessa forma um instrumentista de posse dos documentos técnicos é capaz de identificar e de compreender como os sensores e os atuadores estão dispostos na planta e que tipo de conexões eles fazem 139 QUADRO 8 TIPOS DE CONEXÃO FONTE httpsbitylicomjpx4u Acesso em 24 abr 2021 FIGURA 38 LOCAL DE MONTAGEM FONTE Adaptada de httpsbitly3OPHpEp Acesso em 24 abr 2021 TIPO DE CONEXÃO SÍMBOLO CONEXÃO DO PROCESSO LIGAÇÃO MECÂNICA OU SUPRIMENTO DO INSTRUMENTO SINAL PNEUMÁTICO OU SINAL INDEFINIDO PARA DIAGRAMAS DE PROCESSO SINAL ELÉTRICO TUBO CAPILAR SISTEMA CHEIO SINAL HIDRÁULICO SISTEMA ELETROMAGNÉTICO OU SÔNICO SEM FIOS SINAL DE SOFTWARE Os dispositivos industriais podem ser montados no campo em painel principal de controle atrás de painel de controle em painel local ou do equipamento É comum por exemplo uma válvula pneumática estar em um painel local e o atuador comandado por ela estar a dezenas de metros de distância principalmente se este está em um ambiente sujeito à explosão 140 Uma vez que o fluxograma é padronizado e compreendido por todo e qualquer instrumentista surgem vantagens como eficiência prevenção de trabalhos desnecessários redução de custos e aumento da produtividade A partir do exposto conhecemos diferentes simbologias e definimos os locais de montagem com o tipo de instrumento Com a padronização dos símbolos um instrumentista consegue compreender a planta industrial sem necessariamente ir ao local físico do instrumento instalado NOTA 141 INDÚSTRIA 40 DESAFIOS E OPORTUNIDADES Beatrice Paiva Santos 1 INTRODUÇÃO A primeira revolução industrial iniciada no fim do século XVIII marcou a transição dos métodos de produção artesanais para processos de produção mecanizados Essas mudanças revolucionaram não só a economia com o aumento da produtividade mas a vida quotidiana das pessoas Desde então a indústria tem passado por transformações nos próprios sistemas de produção e de gestão Nas últimas três décadas o desenvolvimento das Tecnologias de Informação TI e a integração delas nos processos de produção trouxeram benefícios para toda cadeia de valor A evolução das capacidades das tecnologias alavancou a produtividade industrial reduzindo os custos de produção e fornecendo soluções eficazes para contemplar os clientes com qualidade velocidade e melhor custobenefício Atualmente a introdução de novos conceitos como a produção baseada na internet não só permite melhorar a comunicação entre fabricantes clientes e fornecedores mas também criar novas maneiras de atendêlos através de novos modelos de negócios Diante desses recentes desenvolvimentos tecnológicos e de um cenário no qual há uma procura cada vez maior por produtos personalizados com complexidade qualidade e custos reduzidos a ascensão de um novo modelo de indústria está sendo discutido em todo o mundo sob o tópico de Indústria 40 Considerada por alguns acadêmicos e empresários a 4ª revolução industrial a Indústria 40 é um dos termos utilizados para descrever a estratégia de alta tecnologia promovida pelo governo alemão que está sendo implementada pela indústria Abrange um conjunto de tecnologias de ponta ligadas à internet com o objetivo de tornar os sistemas de produção mais flexíveis e colaborativos Nessa abordagem as máquinas usam otimização própria autoconfiguração e até mesmo inteligência artificial a fim de completar tarefas complexas e de proporcionar eficiências de custo muito superiores e bens ou serviços de melhor qualidade Através da implementação generalizada de sensores no ambiente de produção os mundos físico e virtual se fundem dando origem aos Cyber Fiscal Systems CPS Esses sistemas conectados através da Internet of Things Iota interagem uns com os outros usam protocolospadrão baseados na internet e analisam dados para prever falhas e se adaptar às mudanças LEITURA COMPLEMENTAR 142 Essas novas estruturas de produção dotadas de dispositivos inteligentes ligados à rede com produtos e sistemas de produção com capacidades de comunicação constituirão as Mart Fatoreis do futuro e são a chave para alcançar o grau de flexibilidade necessário para atender às exigências dos mercados atuais Essas exigências surgem de solicitações como expectativas crescentes de produtividade aumento do número de variantes de produtos redução de tamanhos de lotes etc No entanto cada revolução econômica e industrial traz novos desafios e determina novas abordagens dentro das organizações As empresas que desejam percorrer a trajetória para atingir a Indústria 40 devem avaliar as próprias capacidades e adaptar estratégias de forma a implementálas nos cenários apropriados Ultrapassar esses desafios envolverá o cumprimento de alguns requisitos como responder às questões de segurança e proteção digitais padronização das interfaces de comunicação processos e organização do trabalho disponibilidade de força de trabalho capacitada inserção das PMEs formação e desenvolvimento profissionais base tecnológica investigação e investimentos Portanto embora algumas empresas estejam ansiosas para introduzir novas tecnologias melhorar a qualidade a eficiência e a eficácia dos recursos reduzir os riscos e manter a competitividade no mercado a falta de uma compreensão clara a respeito do tema dificulta o percurso de transição das empresas que pretendem embarcar nessa nova abordagem Os objetivos gerais desse artigo são intensificar o debate e fornecer uma visão geral do estado da arte da Indústria 40 e das aplicações dela Como objetivos específicos pretendese investigar os componentes os desafios atuais e como as novas tecnologias podem fornecer oportunidades para a criação de valor agregado para as organizações e para a sociedade 2 REVISÃO DA LITERATURA 21 BACKGROUND O setor industrial sempre foi crucial para o desenvolvimento econômico dos países Desde o final do séc XVIII a indústria tem passado por transformações que revolucionaram a maneira através da qual os produtos são fabricados e trouxeram vários benefícios especialmente no que se refere ao aumento da produtividade A Primeira Revolução Industrial foi marcada pela transição do trabalho manual para máquinas alimentadas a vapor No início do séc XX com a introdução da eletricidade nos sistemas produtivos iniciase a Segunda Revolução Industrial caracterizada pela produção em massa e pela divisão do trabalho A terceira revolução que vai desde a década de 1970 até os dias atuais é caracterizada pelo uso da eletrônica e da Tecnologia da Informação TI para aprimorar a automação na produção A combinação de tecnologias avançadas e da internet está novamente transformando o panorama industrial e sendo chamada de Quarta Revolução Industrial ou Indústria 40 A Figura 1 apresentará um resumo das quatro revoluções industriais 143 A Indústria 40 surge como uma estratégia de longo prazo do governo alemão adotada como parte do HighTech Strategy 2020 Action Plan em 2011 para assegurar a competitividade da própria indústria Em 2013 o Ministério Alemão da Educação e da Investigação cria um grupo de trabalho constituído por representantes da indústria do mundo acadêmico e da ciência com os objetivos de promover a pesquisa e a inovação e de acelerar o processo de transferência de resultados científicos para o desenvolvimento de tecnologias comercializáveis Desde então o governo alemão institucionalizou o compromisso dele com a indústria para a criação de uma plataforma liderada pelos Ministérios da Economia e por representantes de negócios da ciência e dos sindicatos O primeiro relatório elaborado pela plataforma foi publicado em abril de 2015 e apresentou a utilidade da Indústria 40 para a economia e a sociedade como um dos aspectoschave a serem explorados no futuro Enquanto na Alemanha essa estratégia é impulsionada pelo governo e está sendo referenciada como Indústria 40 nos Estados Unidos EUA ou em outros países iniciativas similares também podem ser encontradas sob as mais diversas denominações por exemplo Cyber Physical System CPS Smart Factory Smart Production Machine to Machine M2M Advanced Manufacturing Internet of Things IoT Internet of Everything IoE ou Industrial Internet Em outras palavras a Indústria 40 representa uma evolução natural dos sistemas industriais anteriores desde a mecanização do trabalho ocorrida no século XVIII até a automação da produção nos dias atuais Nos últimos anos a aplicação da automação e os sistemas de informação como ERP Enterprise Resource Planning e MES Manufacturing Execution System melhoraram significativamente a produtividade nas fábricas No entanto ainda existe uma lacuna na comunicação entre o nível ERP e o chão de fábrica Os dados não são trocados em tempo real o que leva a atrasos para FIGURA 1 REVOLUÇÕES INDUSTRIAIS 144 a tomada de decisões Em face aos desafios com os quais a atual produção industrial se encontra pois os clientes finais requerem produtos cada vez mais personalizados e em pequenos lotes o atual paradigma de produção não é sustentável Para que os processos industriais possam alcançar a flexibilidade e a eficiência incluindo os baixos consumo de energia e custos requisitos fundamentais para sobreviver nesses novos cenários as empresas precisam de uma estrutura integrada que permita o acesso às informações do nível da produção em tempo real A tomada de decisão baseada em informações continuamente atualizadas possibilita uma reação mais rápida às alterações do mercado Melhorias nos processos de decisão melhoram os produtos e os serviços o relacionamento com os clientes reduzem os desperdícios e os custos e consequentemente elevam os lucros 22 CONCEITOS Desde que o governo alemão apresentou a Indústria 40 como uma das principais iniciativas dele para assumir a liderança em inovação tecnológica inúmeras publicações acadêmicas artigos e conferências estão discutindo esse tópico Apesar do grande interesse pelo tema não existe ainda uma definição formalmente aceita Em consequência múltiplas interpretações para a Indústria 40 podem ser encontradas na literatura Alguns a descrevem como uma revolução habilitada pela aplicação generalizada de tecnologias avançadas a nível de produção a fim de trazer novos valores e serviços para os clientes e para a própria organização Para outros a Indústria 40 é um termo coletivo para tecnologias e conceitos de organização de cadeias de valor Ainda há aqueles que argumentam que o termo representa a Quarta Revolução Industrial a próxima etapa de organização e de controle de todo o fluxo de valor ao longo do ciclo de vida do produto Posto isso a partir de uma visão holística a abordagem Indústria 40 representa os fenômenos de mudanças nos processos de produção e modelos de negócios configurando um novo patamar de desenvolvimento de gestão para as organizações O conceito tem em conta o potencial disruptivo da integração de objetos físicos na rede de informação que está revolucionando a tradicional indústria de transformação Nesse contexto CPS compreendem objetos inteligentes máquinas produtos ou dispositivos que trocam informações de forma autônoma funcionando em colaboração com o mundo físico ao redor Os produtos inteligentes identificados através de chips RIFD Radio Frequency Identification fornecem informações de localização histórico status e rotas Essas informações permitem que as estações de trabalho conheçam que as etapas de fabricação devem ser realizadas para cada produto e se adaptem para executar uma tarefa específica Tudo isso é facilitado pela IoT A IoT conecta todos esses dispositivos a uma rede de internet possibilitando o intercâmbio de informações em tempo real Com a ajuda dos Big Data e CloudComputing é possível realizar a coleta a armazenagem e a avaliação abrangentes dos dados de diversas fontes e clientes para apoiar a tomada de decisões otimizar operações economizar energia e melhorar o desempenho do sistema além de permitir que colaboradores possam acessálas de 145 qualquer lugar através de um tablet ou smartphone Por exemplo com a aplicação da IoT é possível realizar o monitoramento das performances de equipamentos industriais A partir de informações geradas pelos equipamentos problemas invisíveis como degradação da máquina desgaste de componentes etc podem ser detectados A Internet of Services IoS apresenta uma abordagem semelhante porém utiliza serviços em vez de entidades físicas Através da IoS os serviços internos e interorganizacionais são oferecidos e utilizados pelos participantes da cadeia de valor Nessas fábricas conectadas conhecidas como Smart Factories os protótipos físicos serão menos importantes Nos cenários 40 as simulações serão um aspecto chave para alcançar os objetivos da produção flexível A sensorização de toda a fábrica permitirá alavancar dados em tempo real para construir o mundo físico em um modelo virtual o qual poderá incluir máquinas produtos e seres humanos Isso permitirá aos operadores testarem e otimizarem as configurações da máquina para o próximo produto em linha no mundo virtual antes da transição física reduzindo assim os tempos de configuração da máquina e aumentando a qualidade Além disso concebidas em módulos as Smart Factories serão capazes de se ajustar às mudanças inesperadas Substituirão ou expandirão módulos individuais por exemplo em caso de flutuações sazonais ou alterações nas características do produto A lógica subjacente a essa transformação industrial é caracterizada por três dimensões A integração vertical ocorre dentro da Smart Factory na qual a conexão de pessoas objetos e sistemas nas fábricas inteligentes leva à criação de redes de valor dinâmicas A integração horizontal acontece através das redes de valor a qual deve utilizar as novas tecnologias para trocar e gerir informações entre os intervenientes do processo permitindo uma colaboração mais estreita entre clientes fornecedores e parceiros de negócios A integração digital de ponta a ponta é habilitada pelas integrações vertical e horizontal uma vez que a recolha de informações do produto ao longo de todo o ciclo de vida dele agrega valor desde a concepção até a logística de saída 3 CONCLUSÃO Nas últimas duas décadas os desenvolvimentos tecnológicos ajudaram as organizações industriais a lidarem com a necessidade de se tornar mais competitivas Para fornecer produtos com custos reduzidos e com qualidade a maneira através da qual os bens são produzidos e os serviços oferecidos está sofrendo drásticas alterações Essas mudanças nos processos de fabricação impulsionadas pelos avanços tecnológicos e pelas pressões exercidas por mercados emergentes altamente competitivos como a China e a Coreia do Sul estão conduzindo um fenômeno que está sendo promovido sob o nome de Indústria 40 Termo também usado para descrever a 146 Quarta Revolução Industrial referese a um novo paradigma de produção com potencial para modificar o papel das tradicionais linhas de montagem Nesse novo ambiente industrial CPS compostos por máquinas produtos e dispositivos inteligentes unem os mundos físico e virtual e através da IoT comunicamse e cooperam entre si e com os seres humanos em tempo real Dessa forma são capazes de tomar decisões autônomas o que torna os sistemas produtivos mais flexíveis e adaptáveis para responder às exigências de alta personalização do mercado O IoS oferece serviços em vez de produtos utilizados por todos os intervenientes da cadeia de valor Essa elevada interconectividade gera a recolha de uma quantidade de uma variedade de dados que requererão novas metodologias para análise e armazenamento Big Data e Coud Computing são tecnologias que viabilizarão o aumento da partilha de dados dentro e para além das fronteiras das empresas A criação de valor ocorrerá através das integrações vertical integração entre diferentes níveis de hierarquias de tecnologias e informação dentro da Smart Factory horizontal através de redes de valor com a integração de todos os intervenientes da cadeia de valor e de ponta a ponta possibilitada através das integrações vertical e horizontal A breve revisão da literatura revelou que um conjunto de tecnologias é responsável por acelerar a transição do ambiente de produção tradicional para o ambiente descentralizado exigido pela Indústria 40 Apesar de já identificadas algumas delas ainda são pouco discutidas em trabalhos acadêmicos relacionados ao tema Indústria 40 Destacamse os papéis facilitadores das tecnologias de fabricação de aditivos impressão 3D realidade aumentada RA e RFID Os exemplos de aplicação citados mostraram que essas tecnologias já estão sendo implementadas por grandes organizações como Siemens Bosch e Faurecia não só na Alemanha onde esse movimento se originou mas também em outras partes do mundo Essas empresas estão investindo alto em ID de forma a mitigar os riscos e a obter o máximo benefício dessa revolução No entanto o atual debate que abarca a Indústria 40 ainda está por dar algumas respostas definitivas Apesar da quantidade considerável de material que descreve o potencial das soluções tecnológicas possibilitadas pela Indústria 40 muitas empresas ainda não têm uma compreensão clara da implementação e diante dos desafios que ainda necessitam ser ultrapassados não se sentem preparadas para embarcar nessa nova estratégia Questões como padronização novas formas de trabalho segurança proteção digital capacidade cognitiva e inserção das PMEs ainda precisam ser respondidas e analisadas de forma sistemática para a criação de um ecossistema que favoreça a transição para esse novo ambiente Concluindo a Indústria 40 envolverá sobretudo uma mudança de mentalidade Como nas revoluções industriais anteriores surgirão novos processos produtos e modelos de negócios e que consequentemente terão grandes impactos sociais econômicos e tecnológicos O fato é que independentemente da hesitação e 147 desconfiança em relação a esse novo fenómeno a Indústria 40 já está acontecendo portanto governos profissionais da indústria académicos e outras partes interessadas devem unirse para apoiar e contribuir para o sucesso desse novo paradigma que promete redesenhar o mapa dos sistemas de produção industriais FONTE Adaptada de httpsbitly37XaX2o Acesso em 24 abr 2021 148 RESUMO DO TÓPICO 3 Neste tópico você adquiriu certos aprendizados como Os atuadores são elementos que executam uma determinada ação no meio industrial Os atuadores podem ser elétricos ou mecânicos hidráulicos ou pneumáticos Ainda existem os eletromecânicos dispositivos mecânicos acionados por um sinal elétrico Os atuadores assim como os sensores podem ser ativos ou passivos digitais ou analógicos Alguns atuadores podem receber mais de um tipo de sinal Existem padronizações para simbolizar os sensores e os atuadores no meio industrial Os tags de identificação são formados por letras e números A posição da letra representa uma informação do tipo de sensor e do número a malha pertencente Existe uma padronização de conexão e de montagem que faz com que o instrumentista não necessite da planta para compreender os dispositivos instalados nela e nas conexões dela A padronização gera eficiência previne trabalhos desnecessários reduz custos e aumenta a produtividade 149 RESUMO DO TÓPICO 3 1 Diante das várias possibilidades de elementos existentes no mercado cabe ao instrumentista eou projetista saber que alternativas existentes atendem às necessidades das plantas industriais Dessa forma dentre as alternativas a seguir assinale a alternativa CORRETA a Os atuadores digitais são aqueles que podem atuar proporcionalmente no processo b Os atuadores analógicos são dispositivos que possuem uma lógica discreta e que atuam ou não no processo c Como exemplos de sensores analógicos podemos citar sinaleiras solenoides e portas d Os atuadores podem ser dispositivos elétricos mecânicos ou eletromecânicos os quais executam alguma ação no processo 2 A padronização existe de forma que todos os profissionais consigam observar um símbolo e as características dele além de reconhecer fisicamente um elemento na planta com especificidades Dentre os padrões algumas recomendações são sugeridas Assinale a alternativa CORRETA quanto a essas recomendações I As letras devem estar sempre em caixa alta II Quando as letras C e V estão juntas V deve preceder C III Se há mais de um instrumento em uma malha e com a mesma finalidade deve ser adicionado um sufixo no fim a exemplo de TIC34A e TIC34B Assinale a alternativa CORRETA a As sentenças I e III estão corretas b As sentenças II e III estão corretas c Somente a II está correta d Somente a III está correta 3 É de grande importância ao instrumentista reconhecer além de interpretar as informações contidas em uma TAG Dessa forma ele sabe o que o elemento faz em uma planta industrial se é um sensor ou um atuador se trabalha com pressão vazão ou temperatura etc Dessa forma ao analisar a TAG apresentada a seguir assinale a alternativa que corresponde à interpretação dela AUTOATIVIDADE 150 a T Temperatura I Corrente elétrica C Condutividade elétrica e malha 34 b T Transmissor I Corrente elétrica C Controlador e malha 34 c T Temperatura I Indicador C Controle e malha 34 d T Transmissor I Indicador C Condutividade elétrica e malha 34 4 Em uma planta industrial existem diversos tipos de sensores assim um instrumentista deve ser capaz de conhecêlos Cite a diferença entre os atuadores digitais e analógicos 5 A padronização dos projetos de instrumentação em documentação técnica traz grandes benefícios aos instrumentistas Explique como é feita a padronização e quais são esses benefícios REFERÊNCIAS 151 REFERÊNCIAS ALFACOMP Automação industrial Modbus Como funciona o protocolo de comunicação mais utilizado na automação industrial 2019 Disponível em httpsalfacompnet20190227protocolomodbus Acesso em 24 abr 2021 ANALÓGICA Termistores 2013 Disponível em httpwwwanalogicacombr arquivosnt011termistorespdf Acesso em 24 abr 2021 BRANDÃO D Redes de comunicação industrial 2019 Disponível em https edisciplinasuspbrmodresourceviewphpid2668494 Acesso em 24 abr 2021 BRASIL Portaria MTE nº 857 de 25 de junho de 2015 Altera a Norma Regulamentadora nº 12 Segurança no Trabalho em Máquinas e Equipamentos Ministério de Estado do Trabalho e Emprego Brasília DF 2015 Disponível em https wwwlegiswebcombrlegislacaoid286177 Acesso em 11 abr 2022 CARVALHO F C Uma extensão do Protocolo CAN para aplicações críticas em sistemas distribuídos Porto Alegre Universidade Federal do Rio Grande do Sul 2006 FERMO I R SAKYAMA R Z SOUZA M ANDRADE C M G Equipamento automatizado de soldagem capacitiva para termopares Soldagem Inspeção v 24 2019 RIBEIRO M A Símbolo e identificação dos instrumentos 2009 Disponível em https mylimsnetsimbologiaeidentificacaodosinstrumentos Acesso em 24 abr 2021 SENAI Sistema eletroeletrônicos industriais Instalação São Paulo SENAISP 2014 153 CONVERSORES E TRANSDUTORES UNIDADE 3 OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade você deverá ser capaz de compreender os principais conceitos e exigências dos transdutores e dos conversores aplicar transdutores e conversores na automação eletroeletrônica entender o princípio de funcionamento dos principais transdutores e a aplicação deles analisar as principais técnicas de conversão Esta unidade está dividida em três tópicos No decorrer dela você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado TÓPICO 1 TRANSDUTORES TÓPICO 2 CONVERSORES ANALÓGICOSDIGITAIS DIGITAISANALÓGICOS TÓPICO 3 APLICAÇÃO DE SENSORES NA INDÚSTRIA Preparado para ampliar seus conhecimentos Respire e vamos em frente Procure um ambiente que facilite a concentração assim absorverá melhor as informações CHAMADA 154 CONFIRA A TRILHA DA UNIDADE 3 Acesse o QR Code abaixo 155 TÓPICO 1 TRANSDUTORES UNIDADE 3 1 INTRODUÇÃO Nós humanos sentimos a necessidade de regular algumas das variáveis físicas externas do ambiente para manter a vida Isso deu origem ao controle artificial de processos Essa regulação foi acompanhada pela observação das variáveis pela comparação com um valor desejado e pela atuação para levar uma variável ao valor desejado Tecnicamente a maior preocupação é controlar qualquer parâmetro físico que pode variar ao longo do tempo espontaneamente ou por influências externas variável dinâmica como temperatura pressão fluxo nível força luminosidade movimento etc Nesse controle podem ser considerados quatro blocos fundamentais do ponto de vista funcional de um instrumento de medida transdutor condicionamento de sinal transmissão processamento e representação Segue representado o diagrama de blocos funcional de um instrumento de medida MASSANGO 2016 O transdutor transforma a informação da grandeza física sob medição em um sinal proporcional o qual deve ser compatível com as características de entrada do condicionador de sinal Dados o desenvolvimento e as vantagens associadas ao condicionamento analógico ou digital de sinais elétricos a grande maioria dos transdutores é do tipo elétrico e o sinal na saída deles uma tensão ou corrente elétrica proporcional à grandeza física que se pretende medir MASSANGO 2016 O condicionador de sinal efetua um conjunto de operações que tem como objetivo aumentar a sensibilidade ou a resolução da medida É usualmente feito com circuitos elétricos ou eletrônicos os quais fazem o tratamento do sinal de saída dos transdutores e cujas funções incluem tipicamente amplificação conversão tensão corrente conversão correntetensão conversão cargatensão adaptação de nível e de impedâncias linearização isolamento galvânico filtragem e conversão analógica digital MASSANGO 2016 FIGURA 1 DIAGRAMA DE BLOCOS FUNCIONAL DE INSTRUMENTO DE MEDIDA FONTE Adaptada de Massango 2016 156 A transmissão de dados a distância é utilizada quando a grandeza a ser medida está afastada do ponto de observação ou de representação da medida telemedição ou telesupervisão A adaptação do sinal ao meio de transmissão é feita geralmente com base em técnicas de modulação e a recuperação é obtida com base na técnica inversa da anterior denominada de demodulação A modulação e a demodulação são utilizadas quando a transmissão de um sinal não pode ser feita em banda de base conjunto de frequências que contribui para a definição ou quando se impõe minimizar a distorção devido à transmissão MASSANGO 2016 Os blocos de processamento e de representação fazem o tratamento de dados de modo a representar o valor da medida da forma mais adequada em um visor display impressora ou registador A conversão da grandeza física temperatura pressão deslocamento aceleração com um sinal elétrico tensão corrente carga representativo é determinante para a caracterização de um sistema de medida o que faz do transdutor um elemento fundamental para a caracterização de um instrumento de medida Assim o resultado da medida é uma transformação da variável dinâmica de entrada com uma informação proporcional e uma forma útil para os outros elementos da malha de controle MASSANGO 2016 Atualmente o próprio transdutor pode incluir circuitos para o processamento de sinal e entregar uma informação do tipo analógica ou digital Do ponto de vista tecnológico alguns transdutores utilizam técnicas idênticas às utilizadas para a fabricação de circuitos integrados Esses transdutores são designados por transdutores integrados Para estes as dimensões e as capacitâncias parasitas que surgem têm um valor muito reduzido o que permite a utilização de taxas de processamento de sinal muito elevadas Esse processamento pode ser analógico ou digital mas na grande maioria das aplicações é digital devido às vantagens como a facilidade de implementação a exatidão e a flexibilidade que a digitalização de sinais possibilita Muitas vezes os termos sensor e transdutor são usados indistintamente Ao estudar os transdutores e os sensores é preciso se atentar ao fato de que geralmente o que um autor chama de transdutor o outro chama de sensor e viceversa Neste livro transdutor é a parte do sensor que transforma uma magnitude física em um sinal elétrico ou em outra forma física NOTA 157 2 TRANSDUTORES Existem várias formas de classificar os transdutores A classificação é feita principalmente de acordo com o propósito e com a técnica aplicada na conversão 21 TRANSDUTORES DE TEMPERATURA São dispositivos que transformam energia térmica em elétrica Existem vários tipos de transdutores de temperatura mas basicamente podem ser agrupados em quatro grupos relacionados Termopares Termistores Termorresistências Semicondutores 211 Termopares Segundo Tomazini e Albuquerque 2020 os princípios e a teoria associados aos efeitos termoelétricos não foram estabelecidos por uma só pessoa e em um momento específico O descobrimento do comportamento termoelétrico de certos materiais é geralmente atribuído a T J Seebeck Em 1821 Seebeck descobriu que em um circuito fechado feito com fios de dois metais heterogêneos uma corrente elétrica flui se a temperatura de uma junção T1 está acima da temperatura da outra extremidade T2 FIGURA 2 CIRCUITO UTILIZADO POR SEEBECK FONTE Adaptada de Tomazini e Albuquerque 2020 158 Como podemos observar o transdutor é composto basicamente por duas ligas metálicas normalmente heterogêneas unidas por um ponto de junção O funcionamento dos termopares se baseia no efeito Seebeck que consiste em duas junções metálicas com temperaturas diferentes assim surge uma ddp entre elas proporcional à diferença de temperatura Por exemplo se consideramos uma junção de uma temperatura de 20C com outra de 50C e que K é um fator de proporcionalidade segundo o efeito Seebeck a ddp entre as duas junções medida por um voltímetro é dada pela seguinte expressão V K T2 T1 O fator de proporcionalidade K é derivado dos coeficientes de Seebeck Podemos reescrever a expressão anterior como V SB SA T2 T1 Assim um termopar mede somente a diferença de temperatura e não a temperatura absoluta da junção Isso significa que devemos sempre conhecer a tempratura da junção fria a junção de referência Uma desvantagem dos termopares é que a ddp obtida é muito baixa da ordem de milivolts o que torna o sistema de medição muito vulnerável a ruídos e faz surgir uma prática muito comum de usar a termopilha FIGURA 3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO TERMOPAR FIGURA 4 REPERESENTAÇÃO DE PILHA DE TERMOPARES FONTE httpswwwfilipeflopcomblogcomofuncionaotermopar Acesso em 24 abr 2021 FONTE Adaptada de Massango 2016 159 212 Termistores São resistores termicamente sensíveis São semicondutores eletrônicos cuja resistência elétrica varia com a temperatura São úteis industrialmente para detecção automática medição e controle de energia física TOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 Os elementos resistivos são óxidos de metais como manganês níquel cobalto cobre ferro e titânio Com relação à forma através da qual a resistência varia com a temperatura os termistores são classificados como NTCs ou PTCs NTC O NTC é um termistor cujo coeficiente de variação da resistência com a temperatura é negativo Negative Temperature Coefficient isto é a resistência diminui com o aumento da temperatura PTC O PTC é um termistor cujo coeficiente de variação da resistência com a temperatura é positivo Positive Temperature Coefficient isto é a resistência aumenta com o aumento da temperatura Seguem as curvas de variação das resistências em função da temperatura para o NTC e para o PTC GRÁFICO 1 CURVAS DO NTC E DO PTC FONTE Adaptado de Massango 2016 Acesse os vídeos a seguir que tratam de termopares httpsyoutubeVcIWB4VaBNk httpsyoutubeDIR2rrdVHQ e httpsyoutube3tjPbP7RAB0 DICA 160 Elencaremos alguns termistores dos tipos NTC e PTC Logo após os símbolos esquemáticos do NTC e do PTC usados no software PROTEUS porém esses símbolos não são os únicos O Proteus Design Suite é um software para a criação de projetos eletrônicos composto por uma suíte de ferramentas incluindo captura esquemática simulação e módulos de projetos de placas de circuito impresso PCB na sigla em inglês O software é usado principalmente por engenheiros de projeto eletrônico e técnicos a fim de criarem esquemáticos e impressões eletrônicas para a manufatura de PCBs NOTA FIGURA 5 TERMISTORES NTC FIGURA 7 SÍMBOLOS ESQUEMÁTICOS NTC À ESQUERDA E PTC À DIREITA FIGURA 6 TERMISTORES PTC FONTE httpsbitly3F6coaY Acesso em 24 abr 2021 FONTE Os autores FONTE httpsbitly3OU7cLA Acesso em 24 abr 2021 161 213 Termorresistências RTDs RTD é uma abreviatura em inglês para Resistance Temperature Detector O princípio de funcionamento se baseia no conhecido fenômeno da variação da resistência dos metais como a variação da temperatura Embora isso também aconteça com os termistores estes não são classificados como RTDs pois os elementos resistivos são óxidos e semicondutores São sensores de temperatura muito utilizados na indústria pelas condições de altas estabilidades mecânica e térmica resistência à contaminação baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso além de possuir uma larga faixa de trabalho e permitir ligações a longa distância As termorresistências mais utilizadas são Pt100 Pt1000 Ni100 e Ni1000 A que melhor representa a grande maioria das aplicações na indústria é sem dúvidas a de platina Pt100 TOMAZINI ALBUQUERQUE 2020 A platina é o melhor metal para a construção do RTD basicamente por três motivos dentro de uma faixa a relação resistênciatemperatura é bem linear essa faixa é muito repetitiva essa faixa de linearidade é a maior dentre os metais A precisão de um RTD é significativamente maior do que um termopar quando utilizado dentro da faixa de 1844 a 64888 C BALBINOT 2019 Seguem esboços dos dois tipos mais comuns de RTD em A há o RTD de fio metálico enrolado em forma de espiral e dentro de um tubo cerâmico Em B há o RTD de filme no qual um filme metálico é depositado sobre uma placa de cerâmica Ambos os tipos têm o elemento resistivo colocado no interior de um tubo para proteção FIGURA 8 TIPOS DE RTD MAIS COMUNS FONTE Adaptada de Massango 2016 Acesse o link a seguir para assistir a um vídeo muito esclarecedor a respeito dos termistores httpsyoutubeSTFV4WrPba8 DICA 162 A variação da resistência elétrica com a temperatura em um fio metálico é dada por MASSANGO 2016 Rt R0 1 α1 T α2T2 α3T3 αnTn R0 é a resistência a 0C e os αi são os coeficientes que caracterizam o metal ou a liga O número de coeficientes necessários depende do grau de exatidão pretendido e da faixa de temperatura a medir A sensibilidade de um RTD é o coeficiente da variação de saída pela variação da entrada MASSANGO 2016 SRTD R RT Rref αRref T T 22 TRANSDUTORES DE POSIÇÃO Outra categoria de transdutores que merece destaque e que pode ser utilizada em vários campos da indústria é a dos transdutores de posição Os principais são Transdutores Potenciométricos extensiométricos Transdutores indutivos Transdutores capacitivos É importante ressaltar que além desses existem outros transdutores de posição como Encoder que converte o movimento angular em um sinal elétrico e Régua Óptica que converte o movimento linear em um sinal elétrico os quais merecem um estudo particular Consideraremos o estudo dos transdutores resistivospotenciométricos e indutivos Nos potenciométricos a variação da resistência é provocada por uma ação mecânica Nos indutivos uma certa fonte de tensão deve ser utilizada para a obtenção do sinal de saída MASSANGO 2016 Acesse os vídeos a seguir que relatam a respeito do PT100 httpsyoutubepGUMklj9xlI e httpsyoutubeEELqFunfK6c DICA 163 221 Transdutores potenciométricos Esses transdutores são utilizados para a medida de deslocamentos lineares ou angulares São na maioria das vezes tratados como transdutores resistivos de posição ou de deslocamento O potenciômetro pode ser alimentado por uma fonte de corrente ou de tensão e a variável de saída do transdutor corresponde à tensão elétrica entre o terminal de referência do potenciômetro e o terminal central cursor MASSANGO 2016 O princípio de funcionamento é o do divisor de tensão MALVINO BATES 2016 OMALLEY 2017 R1 e R2 não são fixos A seguir analisaremos como varia a tensão de saída do transdutor alimentado por uma fonte de tensão E em função da grandeza a medir x e da resistência do voltímetro de medida RV Segue o circuito de medida Conforme descrito o transdutor resistivo de posição consiste em uma resistência com um contato móvel mais conhecida como potenciômetro O elemento resistivo é alimentado com uma tensão dc ou ac e a tensão de saída é idealmente uma função linear do deslocamento Veja o esquema representativo à esquerda da figura anterior A variável física sob medida provoca uma variação da resistência elétrica do transdutor quando se pretende por exemplo determinar a posição de um objeto ou de quanto ele se desloca Assim o transdutor consiste em uma resistência variável do tipo potenciômetro O cursor da variação da resistência se encontra ligado ao objeto a ser monitorado MASSANGO 2016 222 Transdutores indutivos São dispositivos usados para a detecção da proximidade de objetos metálicos sem contato com estes A presença de um objeto metálico gera uma alteração no campo magnético do transdutor alteração que é convertida em um sinal elétrico Segue esse efeito de movimento do objeto versus a alteração do campo magnético FIGURA 9 TRANSDUTOR RESISTIVO DE POSIÇÃO TRANSDUTOR DE DESLOCAMENTO OU AINDA TRANSDUTOR POTENCIOMÉTRICO FONTE Adaptada de Massango 2016 164 FIGURA 10 TRANSDUTOR INDUTIVO DE PROXIMIDADE FIGURA 11 LVDT E CIRCUITO ELÉTRICO BÁSICO FONTE Adaptada de Massango 2016 FONTE httpsptwikipediaorgwikilvdt Acesso em 24 abr 2021 Aplicações mais comuns são medidas de proximidade de posição e de deslocamento de objetos metálicos para as mais diversas aplicações industriais e na vida do homem Fazse a conversão da grandeza física distância em um sinal elétrico nos sensores indutivos já estudados na Unidade 1 Tópico 3 LVDT Um transdutor indutivo muito conhecido e que também será objeto do nosso estudo é o LVDT O termo LVDT em inglês Linear Variable Differential Transformer ou Transformador Diferencial Variável Linear é um transdutor para a medição de um deslocamento linear O funcionamento desse sensor é baseado em três bobinas e um núcleo cilíndrico de material ferromagnético com alta permeabilidade Ele fornece como saída um sinal linear proporcional ao deslocamento do núcleo que está fixado ou em contato com o que se deseja medir Seguem o esquema de construção e o circuito elétrico básico de um transdutor do tipo LVDT É um transdutor composto por três bobinas montadas de forma idêntica e por um núcleo magnético O núcleo é móvel e se desloca no interior dessas bobinas A bobina central é chamada de primária e é alimentada por uma tensão alternada AC As demais são colocadas simetricamente em relação à primário Designamse secundárias e estão representadas pelas letras A e B Segue uma visão mais clara do LVDT 165 FIGURA 12 OUTRA VISUALIZAÇÃO PARA LVDT FONTE Adaptada de Massango 2016 O núcleo é preso no objeto cujo deslocamento dele se deseja medir e a movimentação em relação às bobinas é o que permite essa medição Conforme foi dito para essa medição uma corrente alternada é aplicada na bobina primária fazendo com que uma tensão seja induzida em cada secundária proporcionalmente à indutância mútua com a bobina primária A frequência da corrente alternada fica geralmente entre 1 e 10 kHz As bobinas secundárias A e B são ligadas em uma sequência de oposição elétrica de modo que as duas tensões VA e VB tenham fase oposta e a saída do transdutor seja VAVB Se o núcleo está na posição central são induzidas tensões com magnitudes iguais mas com a fase oposta em cada bobina secundária e a saída resultante zero À medida que o núcleo se move em uma direção a tensão nessa bobina secundária correspondente aumenta enquanto a outra bobina apresenta uma redução de tensão complementar O efeito resultante é uma saída de tensão do transdutor que é proporcional ao deslocamento Para transformar a tensão resultante da saída em informação da posição algumas técnicas devem ser usadas As amplitudes das tensões de saída das bobinas dos secundários são dependentes da posição do núcleo Para movimentos rápidos desse núcleo os sinais podem ser convertidos para DC e a direção do movimento da posição central pode ser detectada Existem diversas opções para isso porém circuitos demoduladores e filtros são os mais utilizados BALBINOT 2019 Um típico circuito se encontrará ilustrado a seguir baseado em diodos Esse arranjo será útil para deslocamentos muito lentos usualmente inferiores a 1 ou 2 Hz A ponte de diodos 1 atuará como um circuito retificador para o secundário 1 e a ponte 2 como um retificador para o secundário 2 A tensão de saída será a diferença entre as saídas das duas pontes como mostrarão as formas de onda a seguir 166 Podese determinar a posição do núcleo pela amplitude de saída DC e a direção do movimento desse núcleo está apta a ser decidida pela polaridade da tensão FIGURA 13 CIRCUITO DEMODULADOR BASEADO EM DIODOS FIGURA 14 FORMAS DE ONDA PARA DEMODULADOR BASEADO EM DIODOS FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FONTE Adaptada de Balbinot 2019 Para aprofundar os seus conhecimentos no que diz respeito ao transdutor LVDT recomendamos a leitura do item 1114 de Balbinot 2019 a partir da página 205 do volume 2 Lembramos que esse livro está disponível em Minha Biblioteca DICA 167 223 Transdutores capacitivos São usados para a detecção sem o contato de qualquer objeto Em contraste com os indutivos que detectam apenas objetos metálicos os transdutores capacitivos podem detectar também a aproximação de materiais orgânicos plásticos pós líquidos madeiras papéis metais etc através da variação do campo elétrico Muitos arranjos podem ser utilizados para a construção de transdutores capacitivos Alguns exemplos poderão ser vistos a seguir Interpretaremos a figura anterior Variação da distância entre as placas Como a capacitância de um capacitor de duas placas paralelas varia inversamente com a distância entre elas qualquer variação em d provoca uma variação em C FIGURA 15 ARRANJOS DO TRANSDUTOR CAPACITIVO FIGURA 16 CAPACITÂNCIA C VARIA COM DISTÂNCIA d FONTE Adaptada de Massango 2016 FONTE Adaptada de Massango 2016 Caso o leitor não tenha um bom conhecimento de capacitância e de capacitores recomendamos as leituras desses assuntos em Gussow 2009 e OMalley 2017 ambos disponíveis em Minha Biblioteca DICA 168 Variação da área partilhada entre as placas Os transdutores capacitivos podem ser do tipo de placas móveis utilizados nos receptores de rádio para sintonia de núcleo variável ou de membrana Esses últimos são muito utilizados para medir depressões Variação da constante dielétrica Outros transdutores capacitivos funcionam por remoção do material dielétrico existente entre duas placas fixas Variação da superfície Tratamse de capacitores planos ou cilíndricos nos quais uma das armaduras é móvel e sofre um deslocamento linear ou angular relativamente a uma outra fixa Nesse processo a área efetiva das placas do capacitor é modificada o que gera a alteração da capacitância do dispositivo FIGURA 17 VARIAÇÃO DA CAPACITÂNCIA COM ÁREA FIGURA 18 VARIAÇÃO DA CAPACITÂNCIA COM DIELÉTRICO FIGURA 19 TRANSDUTOR CAPACITIVO POR DESLOCAMENTO ANGULAR FONTE Adaptada de Massango 2016 FONTE Adaptada de Massango 2016 FONTE Adaptada de Massango 2016 169 23 TRANSDUTORES DE FORÇA Força é uma grandeza física da qual dependem outras quantidades como torque e pressão Medidas precisas de força são necessárias em uma série de aplicações como na determinação de forças de tração e ruptura de materiais no controle da qualidade durante a produção na pesagem dentre muitos outros processos 231 Transdutores de força piezoelétricos A piezoeletricidade ou piezo eletricidade é a capacidade de alguns cristais de gerarem uma tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica Alguns materiais como as cerâmicas PZT titanatos e zirconatos de chumbo apresentam a propriedade de gerar uma tensão elétrica ao serem submetidos a uma carga mecânica um efeito reversível ao se aplicar uma tensão elétrica ocorre uma deformação mecânica BALBINOT 2019 Alguns transdutores piezoelétricos têm a forma de elementos flexores como duas tiras de PZT Essas duas tiras são polarizadas na direção da espessura e fixadas juntas a fim de definir o sensor conhecido como bimorth Podem ser polarizadas em direções opostas em série ou na mesma direção em paralelo BALBINOT 2019 FIGURA 20 TRANSDUTOR CAPACITIVO POR DESLOCAMENTO DE PLACAS PARALELAS FONTE Adaptada de Massango 2016 Você pode aprofundar os seus conhecimentos de transdutores capacitivos com a leitura de Balbinot 2019 disponível em Minha Biblioteca DICA 170 FIGURA 21 SENSORES DE FORÇA DO TIPO TIRA A EM SÉRIE E B EM PARALELO FIGURA 23 SENSOR DE FORÇA CAPACITIVO FIGURA 22 EXEMPLO DE CÉLULA DE CARGA PARA MEDIÇÕES DINÂMICAS CONSTRUÍDA COM SENSORES PIEZOELÉTRICOS FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FONTE Adaptada de Balbinot 2019 232 Transdutores de força capacitivos O efeito capacitivo também pode ser utilizado para medir a força 171 FIGURA 24 TRANSDUTOR DE FORÇA CAPACITIVO GRÁFICO 2 MÉDIA DE DISTRIBUIÇÃO DAS TENSÕES NA REGIÃO SOB A GRADE SENSORA DO EXTENSÔMETRO DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA COM UMA SAÍDA MAIS BAIXA DO QUE O PICO MÁXIMO FONTE Adaptada de Balbinot 2019 FONTE Adaptado de Balbinot 2019 233 Transdutores de força resistivos Embora existam muitos sensores de força baseados na variação da resistência elétrica aqui abordaremos apenas um Extensômetro de resistência elétrica strain gauges A extensometria é o método que utiliza o princípio da relação que existe entre tensões e deformações em corpos submetidos a solicitações mecânicas conforme estabelecido por Robert Hooke 16351703 Segue esse aspecto do extensômetro de resistência elétrica e a média de distribuição de tensão dele 172 234 Extensômetro semicondutor Os strain gauges semicondutores foram inventados nos laboratórios da Bell Telephone Company nos anos 1950 No início da década de 1970 os primeiros extensômetros semicondutores foram aplicados na indústria automobilística O custo e o tamanho deles são mais baixos se comparados com os extensômetros metálicos do tipo folha Os mesmos adesivos utilizados para a colagem desses extensômetros do tipo folha são utilizados em semicondutores BALBINOT 2019 As principais vantagens são a alta sensibilidade e os valores de resistência elevados além do tamanho reduzido As comparações com os extensômetros populares metálicos do tipo folha são inevitáveis e muitas vezes controversas na literatura Sabese que os strain gauges são muito sensíveis à variação de temperatura com uma forte tendência de drift Outro problema deles é o desvio de linearidade Esses percalços entretanto podem ser consideravelmente minimizados com a eletrônica e o processamento adequados BALBINOT 2019 FIGURA 25 EXTENSÔMETRO ATIVO SOB COMPRESSÃO OU TRAÇÃO UNIAXIAL FONTE Adaptada de Balbinot 2019 Um estudo aprofundado dos principais transdutores de força para sinal elétrico pode ser encontrado em Balbinot 2019 da página 118 até a 182 Lembrese de que está disponível em Minha Biblioteca DICA 173 FIGURA 26 A CÉLULA DE CARGA DO TIPO COLUNA E B DISPOSIÇÃO DOS EXTENSÔMETROS NA PONTE DE WHEATSTONE FONTE Adaptada de Balbinot 2019 174 RESUMO DO TÓPICO 1 Neste tópico você adquiriu certos aprendizados como A conceituação de transdutor e a classificação dele são claras de acordo com o propósito e com a técnica aplicada na conversão A classificação dos transdutores é exposta quanto ao tipo de grandeza física de entrada e ao princípio de funcionamento Há tipos de transdutores mais utilizados para a transdução da temperatura para o sinal elétrico Existem tipos de transdutores mais utilizados para a transdução da posição para o sinal elétrico Marcam presença os tipos de transdutores mais utilizados para a transdução da força para o sinal elétrico O princípio de funcionamento dos extensômetros resistivos e semicondutores é essencial 175 1 Segundo Lorde Kelvin 18241907 quando você puder medir aquilo de que está falando e exprimir isso em números saberá algo de tal coisa Enquanto você não puder exprimilo em números seu conhecimento será insatisfatório Poderá ser o início do conhecimento mas você terá avançado muito pouco nos seus pensamentos em direção ao estágio da ciência Assinale a alternativa INCORRETA a Para manter a confiabilidade dos resultados de medição o desempenho do instrumento de medição deve ser verificado periodicamente b Através da calibração é possível verificar de maneira efetiva como os valores indicados pelo instrumento de medição se relacionam com o valor do mensurando c Em um instrumento que mede a força a saída do transdutor deve ser um sinal elétrico proporcional à força aplicada d Um transdutor de distância indutivo é ideal para medir a distância entre um objeto de plástico e a superfície sensora e Um transdutor é uma parte integrante de um instrumento de medida 2 Transdutores de temperatura são dispositivos que transformam a energia térmica em elétrica Existem vários tipos de transdutores de temperatura mas basicamente eles podem ser agrupados em quatro grupos Então qual das alternativas a seguir relaciona três dos quatro grupos de transdutores de temperatura a Semicondutores termorresistências e termistores b Semicondutores MOSFETs e termistores c Transistores chips e termorresistências d PTC NTC e termopar e LVT NTC e Pt100 3 Um transdutor indutivo muito conhecido e utilizado é o LVDT O termo LVDT em inglês Linear Variable Differential Transformer ou Transformador Diferencial Variável Linear é um transdutor para a medição de um deslocamento linear O funcionamento desse sensor é baseado em três bobinas e um núcleo cilíndrico de material ferromagnético de alta permeabilidade Fornece como saída um sinal linear proporcional ao deslocamento do núcleo que está fixado ou em contato com o que se deseja medir O diodo 1N4148 é um diodo de silício de comutação rápida com tensão reversa máxima de 75 V e corrente direta máxima de 300 mA É muito utilizado para a retificação de altas frequências principalmente em demoduladores AUTOATIVIDADE 176 Analise o LVDT esquematizado a seguir e assinale a alternativa FALSA a Se a diferença de potencial entre os terminais X e Y é nula significa que o núcleo está na posição central b Se o terminal X está positivo em relação ao terminal Y significa que o núcleo está mais próximo da bobina A do que da bobina B c Se o terminal X está negativo em relação ao terminal Y significa que o núcleo está mais próximo da bobina B do que da bobina A d Se o terminal X está negativo em relação ao terminal Y significa que o núcleo está mais próximo da bobina A do que da bobina B e A tensão VXY é proporcional ao deslocamento do núcleo e a polaridade indica em que sentido ocorre esse deslocamento 4 A força é uma grandeza física da qual dependem outras quantidades como torque e pressão Medidas precisas de força são necessárias em uma série de aplicações como na determinação de forças de tração e ruptura de materiais no controle da qualidade durante a produção na pesagem dentre muitos outros processos Assim em qual das alternativas a seguir não é necessário o uso de um transdutor de força para o sinal elétrico a Em uma balança eletrônica b Em um torquímetro eletrônico digital c Em um sensor indutivo de proximidade d Em um dinamômetro digital de tração e Em um dinamômetro digital de compressão 5 A figura a seguir mostrará um sensor indutivo de proximidade estudado no Tópico 3 da Unidade 1 Esse sensor é muito utilizado na indústria para a detecção de alvos metálicos Qual dos transdutores descritos nesta unidade e neste tópico é empregado no sensor indutivo de proximidade 177 CONVERSORES ANALÓGICOSDIGITAIS DIGITAISANALÓGICOS 1 INTRODUÇÃO A grande maioria dos sinais encontrados na natureza é contínua sinais analógicos Para processálos digitalmente devemos converter o sinal analógico para a forma digital conversão AD processar o sinal digitalmente e convertêlo novamente processado de volta à forma analógica conversão DA Um sinal analógico é um sinal contínuo que varia no tempo enquanto um digital é uma sequência descontínua discreta no tempo e na amplitude Um sinal analógico pode ser medido em qualquer instante de tempo enquanto o digital só é definido para determinados instantes Segundo alguns pesquisadores a natureza é analógica Os sinais que os nossos sentidos entendem são analógicos como luz temperatura som pressão tração e compressão todos contínuos no tempo Entretanto cada sinal tem características diferentes e assim podem ser captados por tipos de sensores distintos KINGET 2014 Por outro lado outros pesquisadores afirmam que a natureza não é nem analógica nem digital A física moderna afirma que a natureza se comporta de acordo com as regras da Mecânica Quântica que dispõe que todas as formas de energia se comportam como se fossem quantizadas elas só existem em níveis determinados de energia Sinais analógicos e digitais são representações matemáticas da realidade muito úteis quando queremos processar alguma informação Qualquer sinal real tem características analógicas e digitais LESURF 2002 Somos cada vez mais homodigitalis a partir da mistura da natureza biológica individual com o aparato tecnológico GABRIEL 2014 Seguem ilustrados em blocos os cinco elementos envolvidos quando um computador monitora uma variável física presumivelmente analógica 1 Transdutor Já foi estudado no Tópico 1 desta unidade 2 Conversor analógicodigital ADC ou AD A saída elétrica analógica do transdutor serve como entrada analógica do ADC Este converte essa entrada em uma saída digital que consiste em um número de bits que representa o valor da entrada analógica Por exemplo o ADC poderia converter os valores analógicos de 800 a 1500 mV para valores binários na faixa de 01010000 80 a 10010110 150 Observe que a saída binária do ADC é proporcional à tensão de entrada analógica Assim cada unidade de saída digital representa 10 mV TOCCI et al 2014 UNIDADE 3 TÓPICO 2 178 3 Computador A representação digital da variável do processo é transmitida do ADC para o computador que armazena o valor digital e o processa de acordo com as instruções do programa O programa poderia realizar cálculos ou outras operações das representações digitais da temperatura para gerar uma saída digital usada para controlar essa temperatura TOCCI et al 2014 4 Conversor digitalanalógico DAC ou DA Essa saída digital do computador está conectada a um DAC que a converte em tensão ou corrente analógica proporcional Por exemplo o computador geraria uma saída digital na faixa de 00000000 a 11111111 que o DAC converteria para a faixa de tensão de 0 a 10 V TOCCI et al 2014 5 Atuador O sinal analógico do DAC é quase sempre conectado a algum dispositivo ou circuito que serve como atuador para controlar a variável física No nosso exemplo temperatura da água o atuador poderia ser uma válvula controlada eletricamente e que regula o fluxo de água quente para o tanque de acordo com a tensão analógica do DAC A velocidade do fluxo poderia variar proporcionalmente a essa tensão analógica com 0 V não produzindo fluxo e 10 V fluxo máximo TOCCI et al 2014 Assim vemos que ADCs e DACs funcionam como interfaces entre um sistema digital e o mundo analógico Essa função se tornou cada vez mais importante à medida que os computadores de baixo custo passaram a ser usados em áreas de controle de processos Antes o controle por meio do computador não era praticável 2 CONVERSÃO DIGITAL ANALÓGICA Começaremos os estudos que envolvem as conversões digitalanalógica DA e analógicadigital AD devido a diversos métodos de conversões AD usarem o processo de conversão DA Então analisaremos primeiramente a conversão DA A denominação mais usada é DAC do inglês Digital to Analog Converter FIGURA 27 CONVERSORES ANALÓGICODIGITAL ADC E DIGITALANALÓGICO DAC USADOS PARA INTERFACEAR UM COMPUTADOR COM O MUNDO ANALÓGICO DE MODO QUE MONITORE UMA VARIÁVEL FÍSICA FONTE Adaptada de Tocci et al 2014 179 FIGURA 28 DAC DE QUATRO BITS COM SAÍDA EM TENSÃO FONTE Adaptada de Tocci et al 2014 A conversão DA é o processo em que o valor representado por um código digital como binário direto ou BCD é convertido em tensão ou corrente proporcional ao valor digital Segue o símbolo para um conversor DA típico de quatro bits Por enquanto não vamos nos preocupar com circuitos internos No momento analisaremos as diversas relações de entrada e saída TOCCI et al 2014 Observe que existe uma entrada para uma tensão de referência Vref Essa entrada é usada para determinar a saída de fundo de escala ou o valor máximo que o conversor DA gera As entradas digitais D C B e A são geralmente bits acionadas pela saída do registrador de um sistema digital Os 24 16 diferentes números binários representados por esses quatro serão listados a seguir Para cada número de entrada a tensão de saída do conversor DA é única Na realidade para cada caso a tensão de saída analógica VOUT é igual em volts ao número binário Também poderia ser duas vezes o número binário ou qualquer outro fator de proporcionalidade A mesma ideia seria verdadeira se a saída do conversor DA fosse uma corrente IOUT TOCCI et al 2014 Geralmente saída analógica K entrada digital K é o fator de proporcionalidade e é constante para determinado DAC conectado em uma tensão de referência fixa A saída analógica pode é claro ser corrente ou tensão Quando a saída for tensão K terá unidade de tensão e quando for corrente apresentará unidade de corrente Para o DAC mostrado na figura anterior K 1 V VOUT 1V entrada digital 180 A saída de um DAC não é tecnicamente analógica pois pode assumir valores específicos como os 16 níveis de tensão possíveis para VOUT no diagrama da figura anterior enquanto Vref for constante Nesse sentido a saída não é de fato analógica Entretanto como veremos o número de valores possíveis de saída pode ser aumentado e a diferença entre valores sucessivos diminuída com o aumento do número de bits de entrada Isso nos permite gerar uma saída cada vez mais parecida com uma quantidade analógica que varia ao longo de uma faixa de valores Em outras palavras a saída de um DAC é pseudoanalógica TOCCI et al 2014 Continuaremos a nos referir a ela como analógica tendo em mente que é uma aproximação para uma quantidade analógica pura 21 PESOS DE ENTRADA Para o DAC mostrado na figura anterior devese notar que cada entrada digital contribui com uma quantidade diferente para a saída analógica Isso é fácil de se perceber ao se analisarem os casos em que apenas uma entrada está em nível alto 1 As contribuições de cada entrada digital são ponderadas de acordo com a posição no número binário Assim A que é o LSB tem um peso de 1 V B de 2 V C de 4 V e D o MSB tem o maior peso 8 V Os pesos são em sequência dobrados para cada bit começando pelo LSB Podemos considerar VOUT a soma ponderada das entradas digitais Por exemplo para determinar VOUT para a entrada digital 0111 podese somar C B e A para obter 4 V 2 V 1 V 7 V 22 RESOLUÇÃO A resolução de um DAC é definida como a menor variação na saída analógica como resultado da mudança na entrada digital Tendo como referência a figura anterior a resolução é 1 V visto que VOUT não pode ter uma variação menor que 1 V quando o valor da entrada digital muda A resolução é igual ao peso do LSB e é conhecida como tamanho do degrau ou passo visto que representa a variação de VOUT conforme a mudança do valor da entrada digital de um degrau para o próximo Isso estará bem ilustrado na figura a seguir na qual as saídas de um contador de quatro bits acionarão as entradas do DAC em questão À medida que o contador passa pelos 16 estados por meio do sinal de clock a saída do DAC é uma forma de onda do tipo escada que aumenta 1 V por degrau Quando TABELA 1 PESOS DOS BITS CONFORME A POSIÇÃO FONTE Adaptada de Tocci et al 2014 181 FIGURA 29 FORMAS DE ONDA DE SAÍDA DE UM DAC COM ENTRADAS ACIONADAS POR CONTADOR BINÁRIO CRESCENTE FONTE Adaptada de Tocci et al 2014 o contador está em 1111 a saída do DAC está no valor máximo de 15 V Esse é o valor de fundo de escala Quando o contador recicla para 0000 a saída do DAC retorna para 0 V A resolução do degrau é o tamanho dos saltos em forma de onda do tipo escada Nesse caso cada degrau é 1 V Observe que a escada tem níveis que correspondem aos 16 estados de entrada mas existem apenas 15 degraus ou saltos entre o nível 0 V e o fundo de escala Geralmente para um DAC de N bits o número de níveis diferentes é 2N e o número de degraus é 2N 1 A resolução é o mesmo fator de proporcionalidade K na relação de entrada e saída saída analógica K entrada digital Uma outra interpretação dessa expressão seria que uma entrada digital é igual ao número de degraus K é a quantidade de tensão ou corrente por degrau e a saída analógica é o produto dos dois Assim surge uma forma conveniente de calcular o valor de K para um conversor DA TOCCI et al 2014 Afs é a saída de fundo de escala analógica e N é o número de bits Embora a resolução possa ser expressa como a quantidade de tensão ou de corrente por degrau também é útil expressála como porcentagem da saída de fundo de escala Para ilustrar o DAC da figura anterior tem uma saída máxima de fundo de 182 escala de 15 V quando a entrada digital é 1111 O tamanho do degrau é 1 V o que gera uma resolução percentual de resolução tamanho do degrau 1V 100 667 fundo de escala 15V O engenheiro projetista precisa decidir qual é a resolução necessária com base no desempenho requerido A resolução limita o quanto a saída de um DAC pode estar próxima de determinado valor analógico Na maioria dos casos o custo desse DAC aumenta com o número de bits e portanto quem projeta deve usar a quantidade necessária de bits 23 DAC BIPOLAR Até aqui classificamos a entrada binária para o DAC como um número sem sinal e a saída desse DAC como tensão ou corrente positiva Muitos DACs geram tensões negativas por pequenas alterações no circuito analógico na saída Nesse caso o intervalo de entradas binárias ou seja entre 00000000 e 11111111 vai de Vref a aproximadamente Vref O valor de 10000000 é convertido em uma saída de 0 V A saída de um sistema digital em números com um sinal na forma de complemento de 2 aciona esse tipo de DAC e inverte o MSB que converte os números binários com sinal em valores adequados ao DAC Outros DACs podem ter circuitos internos extras e aceitar números com sinais em forma de complemento de 2 como entrada Por exemplo suponha um DAC bipolar de seis bits que use o complemento de 2 e tenha uma resolução de 02 V Os valores binários de entrada variam de 10000032 a 01111131 a fim de produzir saídas analógicas na faixa de 64 a 62 V Existem 63 degraus 26 1 de 02 V entre os limites TOCCI et al 2014 Caso você não saiba ou não se recorde o que é o complemento de 2 recomendamos o estudo do item 615 de Tocci et al 2014 disponível na Biblioteca Virtual Pearson DICA 183 Observe que do MSB para o LSB o valor do resistor da entrada vai sendo multiplicado por 2 Nesse exemplo é elencado um DAC de 4 bits mas a regra vale para qualquer quantidade de bits A resolução desse conversor DA é igual ao peso do LSB Supondo que o nível lógico 1 seja igual a 5V VDH5V ocorre uma resolução123 51850625V Conforme o exposto a seguir a saída analógica aumenta em 0625 V quando o número binário de entrada avança um passo 24 CIRCUITOS CONVERSORES DE DA Existem muitos circuitos de conversão DA assim apresentaremos aqui alguns dos mais importantes 241 DAC com amplificador somador com resistores com ponderação binária O circuito a seguir demonstrará um conversor digitalanalógico básico implementado com um circuito somador inversor que usa o amplificador operacional A é o bit mais significativo e B o menos A tensão de saída Vo desse circuito é dada por TABELA 2 NÚMEROS COM SINAL EM FORMA DE COMPLEMENTO DE 2 ENTRADAS E SAÍDAS DO DAC FIGURA 30 DAC SIMPLES COM AMPLIFICADOR OPERACIONAL NA CONFIGURAÇÃO AMPLIFICADOR SOMADOR COM RESISTORES COM PONDERAÇÃO BINÁRIA FONTE Adaptada de Tocci et al 2014 FONTE Os autores 184 TABELA 3 TENSÕES DE SAÍDA PARA COMBINAÇÃO DE ENTRADA POSSÍVEL NO CIRCUITO DA FIGURA ANTERIOR FONTE Adaptada de Tocci et al 2014 242 DAC do tipo R2R O conversor anterior apresenta uma desvantagem de implementação há necessidade de várias resistências com valores múltiplos de potências inteiras de 2 Considerando que em geral o número mínimo de bits com o qual se trabalha é oito a resistência da entrada do dígito menos significativo deve ser 256 vezes a do mais significativo Tanta diferença pode gerar correntes ou outras características fora da faixa de operação dos circuitos além da necessidade de resistores com valores especiais Entretanto podese imaginar usar apenas resistores de valor R além de fazer séries destes para os demais Nesse caso o número deles seria consideravelmente aumentado O conversor a seguir usará a chamada malha R2R nome dado em razão da existência de dois valores de resistência no circuito de entrada R e 2R FIGURA 31 CONVERSOR DA DO TIPO R2R FONTE Os autores 185 A tensão de saída Vo será VH é a tensão de nível alto do bit n é a quantidade de bits e B é o número binário formado pela combinação de bits convertido para decimal que no nosso exemplo varia de 0 a 15 A figura a seguir mostrará uma variação do circuito anterior com a vantagem de entregar a tensão de saída positiva e a resolução de 03125V ou 625 sendo VH 5 V Idealmente a saída de um DAC é 0 V quando a entrada binária tem todos os bits em 0 Entretanto na prática ocorre pouca tensão na saída para essa situação Isso é denominado de erro de offset Esse erro se não corrigido é somado à saída esperada do DAC em todas as entradas TOCCI 2014 243 Circuitos integrados DACs Existem circuitos integrados destinados a fazer a conversão de um sinal digital para analógico Existem CIs conversores de 8 12 16 e mais bits Apenas a título de exemplo podemos citar DAC7621 12 bits AD557 8 bits e AD7524 8 bits A figura a seguir anexará um CI AD557 usado para gerar uma onda dente de serra a partir de um contador binário de 8 bits FIGURA 32 CONVERSOR DA DO TIPO R2R COM SAÍDA POSITIVA FONTE Os autores 186 O datasheet desse CI pode ser visto em httpsbitly3vZHWLB DICA FIGURA 33 AD557 USADO PARA GERAR UMA ONDA DENTE DE SERRA 8 BITS DE ENTRADA DIGITAL SÃO FORNECIDOS POR UM CONTADOR BINÁRIO CRESCENTE DE 8 BITS FONTE Os autores 3 CONVERSÃO ANALÓGICA DIGITAL Um conversor analógicodigital Analog to Digital Converter em inglês cuja sigla é ADC recebe uma tensão analógica de entrada e após certo tempo produz um código digital de saída o qual representa a entrada analógica O processo de conversão AD é mais complexo e consome mais tempo do que o DA e diversos métodos diferentes têm sido desenvolvidos e usados Analisaremos alguns mesmo que não seja necessário projetar ou construir ADCs estão disponíveis como unidades completamente encapsuladas Entretanto as técnicas empregadas fornecem a compreensão dos fatores que determinam o desempenho de um ADC TOCCI et al 2014 Alguns tipos importantes de ADCs usam um DAC como parte dos circuitos A figura a seguir entregará um diagrama em bloco geral para essa classe de ADC A temporização da operação é fornecida por um sinal de clock de entrada A unidade de controle contém o circuito lógico para a geração da sequência apropriada de operações em resposta ao comando START que inicia o processo de conversão O amplificador operacional comparador tem duas entradas analógicas e uma saída digital que muda de estado a depender da maior entrada analógica TOCCI et al 2014 A operação básica de ADCs desse tipo consiste nos seguintes passos TOCCI et al 2014 187 FIGURA 34 DIAGRAMA GERAL DE CLASSE DE ADCs a O pulso de comando START inicia a operação b Em uma frequência determinada pelo clock a unidade de controle modifica continuamente o número binário armazenado no registrador c O número binário no registrador é convertido em tensão analógica VAX pelo DAC d O comparador compara VAX com a entrada analógica VA Enquanto VAX VA a saída do comparador permanece em nível ALTO Quando VAX excede VA com uma quantidade no mínimo igual a VT tensão de limiar a saída do comparador vai para o nível BAIXO e para o processo de modificação do número do registrador Nesse ponto VAX é uma boa aproximação para VA O número digital no registrador equivalente digital de VAX também é o equivalente digital aproximado de VA dentro da resolução e da precisão do sistema e A lógica de controle ativa o sinal de fim de conversão endofconversion EOC quando finalizada 31 ADC DE RAMPA DIGITAL Uma das versões mais simples do ADC da figura anterior usa um contador binário como registrador e permite que o clock incremente o contador com um passo de cada vez até VAX VA Ele é denominado de ADC de rampa digital pois a forma da onda em VAX é uma rampa com passo a passo na realidade uma escada como exposto na figura seguinte Também é conhecido como ADC tipo contador TOCCI et al 2014 A figura a seguir mostrará um diagrama para um ADC de rampa digital com um contador um DAC um comparador e uma porta AND de controle A saída do comparador serve como sinal EOC fim de conversão ativo em nível BAIXO Ao considerar VA a tensão analógica a ser convertida é positiva e a operação se processa como segue TOCCI et al 2014 FONTE Adaptada de Tocci et al 2014 188 a Um pulso START é aplicado para levar o contador para 0 O nível ALTO em START também inibe os pulsos de clock a passar pela porta AND para o contador b Com todas as entradas em 0 a saída do DAC é VAX 0 V c Visto que VA VAX a saída do comparador EOC fica nível ALTO d Quando START retorna para nível BAIXO a porta AND é habilitada e os pulsos de clock vão para o contador e Conforme o contador avança a saída do DAC VAX aumenta um degrau por vez f Isso continua até que VAX alcance o degrau que excede VA com uma quantidade igual ou maior que VT normalmente de 10 a 100 µV Nesse ponto EOC vai para o nível BAIXO e inibe a passagem dos pulsos para o contador que interrompe a contagem g O processo de conversão então está completo conforme sinalizado pela transição de ALTO para BAIXO de EOC e o conteúdo do contador é a representação digital de VA h O contador mantém o valor digital até que um próximo pulso START inicie uma nova conversão 311 Precisão e resolução de ADCs É muito importante entender os erros associados a qualquer tipo de medição Uma inevitável fonte de erros no método da rampa digital é que o tamanho do degrau ou a resolução do DAC interno é a menor unidade de medida Imagine medir a altura dos jogadores de basquete ao colocálos em pé próximos a uma escada com degraus de 30 cm e atribuir a eles a altura do primeiro degrau maior perante as cabeças deles FIGURA 35 ADC DE RAMPA DIGITAL FONTE Adaptada de Tocci et al 2014 189 Qualquer um com mais de 180 m mediria 210 m Analogamente a tensão de saída VAX é uma forma de onda do tipo escada que aumenta em passos discretos até exceder a tensão de entrada VA Com o tamanho do degrau menor podemos reduzir o erro potencial mas sempre haverá uma diferença entre a quantidade real analógica e o valor digital associado Isso é denominado de erro de quantização Assim VAX é uma aproximação de VA e o melhor é que VAX esteja no máximo a 10 mV de VA se a resolução tamanho do degrau é 10 mV Esse erro de quantização o qual pode ser reduzido ao se aumentar o número de bits no contador e no DAC é algumas vezes chamado de erro de 1 LSB o que indica a diferença equivalente ao peso do LSB TOCCI et al 2014 Uma prática mais comum é verificar o erro de quantização simétrico em relação a um múltiplo inteiro da resolução ½ LSB Isso é feito ao se garantir que a saída varie em unidade de resolução ½ abaixo e acima da tensão de entrada nominal Por exemplo se a resolução é 10 mV a saída AD comuta idealmente de 0 para 1 em 5 mV e de 1 para 2 em 15 mV O valor nominal 10 mV representado pelo valor digital 1 está idealmente dentro de 5 mV ½ LSB da verdadeira tensão de entrada TOCCI et al 2014 A especificação da precisão reflete o fato de que a saída de muitos ADCs não comuta de valor binário para o próximo na tensão de entrada recomendada Alguns ADCs comutam em tensões mais altas do que o esperado e outros em tensões levemente mais baixas A imprecisão e a inconsistência se devem a componentes imperfeitos como resistores comparadores chaves de corrente e assim por diante A precisão pode ser expressa como porcentagem do fundo de escala como para o DAC mas em geral é especificada como n LSB sendo n um valor fracionário ou 1 Por exemplo se a precisão é ¼ LSB com resolução de 10 mV e supondo que a saída deve idealmente comutar de 0 para 1 em 5 mV sabemos que a saída varia de 0 a 1 em qualquer tensão de entrada entre 25 e 75 mV Nesse caso presumimos que qualquer tensão entre 75 e 125 mV gera com certeza o valor 1 Entretanto a saída do binário 1 pode representar um valor nominal de 10 mV com tensão real aplicada de 25 mV um erro de 34 de bit soma dos erros de quantização e de precisão TOCCI et al 2014 312 Tempo de conversão tC O tempo de conversão foi mostrado na figura anterior como o intervalo entre o fim do pulso START e a ativação da saída EOC O contador conta a partir de 0 e continua até que VAX exceda VA ponto no qual EOC vai para nível BAIXO com a finalização do processo de conversão Deve ficar claro que o valor do tempo de conversão tC depende de VA Um valor alto de VA requer mais degraus antes que a tensão da escada exceda VA TOCCI et al 2014 O tempo máximo de conversão ocorre com VA um pouco abaixo do fundo de escala de modo que VAX deva ir para o último degrau para ativar EOC Para um conversor de N bits 190 tCmax 2N 1 ciclos de clock Exemplo Suponha os seguintes valores para o ADC mostrado na figura anterior frequência de clock 1 MHz VT 01 mV saída de fundo de escala do DAC 1023 V e entrada de 10 bits Qual é o tempo máximo de conversão tCmax 210 1 1µs 1023µs Muitas vezes o tempo médio de conversão é especificado com a metade do tempo máximo de conversão Para o conversor de rampa digital tCméd tCmax 2N1 ciclos de clock 2 A maior desvantagem do método de rampa digital é que o tempo de conversão dobra a cada bit acrescentado ao contador de modo que a resolução pode ser melhorada com o custo de um tC longo Isso torna esse tipo de ADC inadequado para aplicações que necessitem de repetidas conversões AD de sinais analógicos Entretanto para aplicações de baixa velocidade a relativa simplicidade do conversor de rampa digital é vantagem sobre os ADCs mais complexos de alta velocidade 32 AQUISIÇÃO DE DADOS Existe uma infinidade de aplicações nas quais dados analógicos precisam ser digitalizados convertidos em digitais e transferidos para a memória de um computador O processo por meio do qual o computador adquire esses dados analógicos digitalizados é conhecido como aquisição de dados A aquisição do valor de um único ponto é a amostragem do sinal analógico e o ponto de dado é quase sempre denominado de amostra O computador pode aplicar os dados de diferentes maneiras Em uma aplicação de armazenamento como em uma gravação digital de áudio ou de vídeo o microcomputador interno armazena os dados e os transfere para o DAC a fim de reproduzir o sinal analógico original Em uma aplicação de controle de processo o computador analisa os dados ou realiza cálculos para determinar as saídas de controle a serem geradas TOCCI et al 2014 A figura a seguir demonstrará como um microcomputador é conectado a um ADC de rampa digital para adquirir dados O computador gera pulsos START os quais iniciam cada nova conversão AD O sinal EOC fim de conversão do ADC é conectado ao computador Este monitora o sinal EOC para identificar quando a conversão AD está completa Então transfere os dados digitais da saída do ADC para a memória TOCCI et al 2014 191 As formas de ondas mostradas a seguir ilustrarão como o computador adquire uma versão digital do sinal analógico VA A forma de onda do tipo escada VAX gerada internamente no ADC é sobreposta a VA para fins de ilustração O processo começa em t0 quando o computador gera um pulso START e inicia um ciclo de conversão AD A conversão é completada em t1 quando a escada excede VA e EOC vai para nível BAIXO Essa borda de descida em EOC sinaliza ao computador que o ADC tem uma saída digital que representa o valor de VA no ponto a e esse dado é armazenado na memória TOCCI et al 2014 FIGURA 36 A SISTEMA TÍPICO COMPUTACIONAL DE AQUISIÇÃO DE DADOS E B FORMAS DE ONDAS MOSTRAM COMO O COMPUTADOR INICIA CADA NOVO CICLO DE CONVERSÃO E ENTÃO CARREGA NO FIM DESSA CONVERSÃO O DADO DIGITAL NA MEMÓRIA FONTE Adaptada de Tocci et al 2014 192 Ainda na figura anterior o ADC opera com velocidade máxima já que um novo pulso START é gerado imediatamente após o computador adquirir o dado de saída do ADC da conversão anterior Observe que os tempos de conversão não são constantes que o valor da entrada analógica muda O problema desse método de armazenar uma forma de onda é que para a reconstrução dessa forma é preciso saber o instante em que cada valor de dado deve ser reproduzido Normalmente quando se armazena uma forma de onda digitalizada as amostras são obtidas em intervalos fixos e a uma taxa pelo menos duas vezes maior do que a maior frequência no sinal analógico O sistema digital armazena a forma de onda como uma lista de valores de dados amostrados Segue a lista armazenada se o sinal mostrado na figura a seguir for digitalizado TOCCI et al 2014 TABELA 4 AMOSTRAS DE DADOS DIGITALIZADOS FONTE Os autores GRÁFICO 3 A DIGITALIZAÇÃO DE UM SINAL ANALÓGICO B RECONSTRUÇÃO DO SINAL ANALÓGICO A PARTIR DE DADOS DIGITAIS 193 Na figura anterior observamos como o ADC realiza conversões continuamente para digitalizar o sinal analógico nos pontos a b c d e assim por diante Se esses dados digitais são usados para reconstruir o sinal o resultado parece com o da figura anterior b A linha preta representa a forma de onda da tensão a saída do conversor DA A outra linha é o resultado da passagem do sinal por um simples filtro RC passa baixa Podemos constatar que é uma boa reprodução do sinal analógico original pois ele não realiza uma transição rápida entre os pontos digitalizados Se o sinal analógico contivesse variações de alta frequência o ADC não seria capaz de seguir com as varia ções e a versão reproduzida teria pouca precisão TOCCI et al 2014 Para seguir o Teorema de Nyquist a frequência de amostragem deve ter pelo menos o dobro da maior frequência contida no sinal a ser digitalizado 33 ADC DE APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS O conversor de aproximações sucessivas é um dos mais usados O circuito dele é mais complexo do que o do ADC de rampa digital mas o tempo de conversão é bem menor O valor do tempo de conversão é fixo não sendo dependente do valor analógico de entrada A configuração básica elencada a seguir é similar à do ADC de rampa digital Entretanto o conversor de aproximações sucessivas não usa um contador para fornecer a entrada do bloco DAC mas um registrador A lógica de controle modifica bit a bit o conteúdo do registrador até que o dado do registro seja equivalente digital da entrada analógica VA dentro da resolução do conversor A sequência básica de operações será dada pelo fluxograma a seguir TOCCI et al 2014 FONTE Adaptado de Tocci et al 2014 194 FIGURA 37 ADC DE APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS A DIAGRAMA EM BLOCO SIMPLIFICADO B FLUXOGRAMA DE OPERAÇÃO FONTE Adaptada de Tocci et al 2014 a AMOSTRAGEM E QUANTIZAÇÃO Antes de adentrar nesse tema é conveniente se lembrar resumidamente do que menciona o Teorema da Amostragem de Nyquist Esse teorema explica a relação entre a taxa de amostragem e a frequência do sinal medido A taxa de amostragem fs deve ser maior do que o dobro da componente de maior frequência no sinal a ser medido ou processado Em outras palavras podese escrever fS 2fm 195 Um sinal limitado em frequência com energia finita que não tem nenhuma componente espectral acima da frequência fm Hz pode ser completamente recuperado a partir do conhecimento das amostras tomadas à taxa de 2fm amostras segundos i Circuito de amostragem e retenção Segue um circuito de amostragem e retenção Logo após os sinais envolvidos no domínio do tempo GRÁFICO 4 PROCESSO DE AMOSTRAGEM A SINAL ANALÓGICO B VERSÃO DO SINAL ANALÓGICO INSTANTANEAMENTE AMOSTRADO FIGURA 38 CIRCUITO DE AMOSTRAGEM E RETENÇÃO FONTE Adaptada de Lathi e Ding 2012 FONTE Os autores 196 O sinal vit é o sinal analógico a ser convertido para digital vst é o sinal amostrador uma onda quadrada de pequena razão cíclica como poderá ser visto no oscilograma a seguir O sinal amostrado e retido é vsht O MOSFET trabalha como uma chave eletrônica controlado pelo sinal vst O capacitor C é responsável por manter o nível de tensão lido em uma amostra até que chegue à amostra seguinte O amplificador operacional não inversor é responsável por interfacear a chave eletrônica e o capacitor com o circuito seguinte impedindo que o capacitor perca a carga dele antes que chegue à próxima amostra A retenção é necessária para que o nível amostrado seja mantido constante na entrada do quantizador o tempo suficiente para que a conversão para um número binário seja concluída Nos diagramas em blocos normalmente amostragem e retenção fazem parte de um mesmo bloco 331 Circuito quantizador Um sinal analógico pode assumir continuamente qualquer valor entre os limites do sinal O mesmo não acontece com os sinais digitais Estes estão aptos a assumir apenas valores discretos entre os extremos Um sinal amostrado continua sendo analógico assim para discretizálo após a amostragem existe a quantização No quantizador atribuise um valor um quantum ao sinal de forma que ele possa ser medido diretamente A quantização divide os extremos do sinal em níveis chamados de níveis de quantização Dessa forma podese aproximar o nível do sinal analógico a um nível de quantização isto é uma aproximação FIGURA 39 OSCILOGRAMA DOS SINAIS ENVOLVIDOS NA AMOSTRAGEM E RETENÇÃO DO ESQUEMA DA FIGURA 38 FONTE Os autores 197 Se a taxa de amostragem não é muito elevada as funções de quantizador e de codificador de bit podem ser desempenhadas por um microcontrolador mas com uma boa capacidade de processamento Com taxas de amostragem na casa de dezenas de kHz o trabalho deve ficar a cargo de um chip DSP ou de um computador Segue um diagrama em blocos do sistema completo O primeiro bloco LPF do inglês Low Pass Filter é um Filtro Passa Baixas FPF cuja função é impedir que componentes de vit com frequência maior do que a metade da frequência de amostragem entrem no amostrador a fim de evitar um sério problema para o processamento digital de sinais que é o aliasing Em suma cada amostra é convertida em um número binário o qual é processado e armazenado eou transmitido Existem muitas técnicas de conversão AD mas abordamos aqui apenas as que consideramos as mais importantes GRÁFICO 5 QUANTIZAÇÃO DE UM SINAL ANALÓGICO AMOSTRADO FIGURA 40 DIAGRAMA EM BLOCOS DA ENTRADA ATÉ A SAÍDA CODIFICADA FONTE Adaptado de Lathi e Ding 2012 FONTE Adaptado de Lathi e Ding 2012 198 Para compreender através de um exemplo simples o que é aliasing ou alias recomendase a leitura de um texto disponível em httpsbitly3vDrLVi Ainda para aprofundar os seus conhecimentos no que diz respeito às interfaces do mundo digital com o mundo analógico e do mundo analógico com o digital recomendamos o estudo do Capítulo 11 de Tocci et al 2014 e do Capítulo 6 itens 61 e 62 de Lathi e Ding 2012 Ambos são acessíveis o primeiro na Biblioteca Virtual Pearson e o segundo em Minha Biblioteca DICA 199 RESUMO DO TÓPICO 2 Neste tópico você adquiriu certos aprendizados como Existem técnicas de conversão de sinal digital para sinal analógico e cada uma tem vantagens e desvantagens Há técnicas de conversão de sinal analógico para sinal digital e cada uma tem vantagens e desvantagens Para o processamento digital o sinal necessita passar inicialmente por um processo de aquisição Amostragem e retenção fazem parte do processo de aquisição Após a amostragem e a retenção vem a quantização que é o processo de transformação de um sinal analógico em um sinal digital com fases quantização que consiste em refinar o sinal amostrado e codificação que transforma o sinal quantizado em um número binário 200 1 Nosso mundo é analógico não digital Os números foram criados pelo homem a fim de quantificar as grandezas que estavam ao redor dele De uma maneira nunca exata porém com muita ou pouca precisão tornouse assim possível registrar diversos fatos do cotidiano como o quanto mede uma pessoa o quanto chove em um determinado dia o peso da farinha que vai no pão etc Através dos números e dos dígitos deles anotamos dados que de certa forma são cópias de informações que estão na natureza que fazem parte do nosso dia a dia Para fazer a interface entre os mundos analógico e digital na eletrônica surgiram os conversores AD e DA No contexto dessa informação assinale V para as afirmativas verdadeiras e F para as falsas Um computador ou um microcontrolador trabalha internamente com grandezas analógicas Para que um computador ou um microcontrolador possa processar as variáveis de um fenômeno físico é necessário que antes as informações sejam convertidas do formato analógico para o digital Quanto maior a quantidade de bits usada para a codificação maior é a precisão Um sinal analógico codificado com 8 bits por um conversor AD ao ser recuperado é uma reprodução muito mais fiel do que o sinal original em relação ao codificado com 4 bits Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA a V V F F b F V V V c F V F V d V V V V e F F F F 2 A temperatura é medida através do grau de agitação das moléculas de um sistema assim não podemos medila diretamente Precisamos estabelecer padrões observando as alterações dos objetos analisados como os efeitos da dilatação térmica e a resistência elétrica O controle da temperatura dentro de uma faixa determinada tem inúmeras aplicações em vários ambientes principalmente no industrial Assim a respeito de um sistema digital para o controle da temperatura assinale a afirmativa INCORRETA a Deve existir um transdutor que converta temperatura em tensão ou corrente b Como a temperatura é uma grandeza que não varia perante uma grande velocidade uma taxa de amostragem de 1 Hz normalmente é satisfatória c Supondo que a frequência de amostragem seja de 1 Hz em um intervalo de 10 segundos e a temperatura oscile sete vezes entre dois valores significativos há a ocorrência de um fenômeno conhecido como aliasing AUTOATIVIDADE 201 d Em um sistema de aquisição de dados referentes à temperatura de um ambiente não há a necessidade de quantização antes do processamento por um computador ou um microcontrolador e Microcontroladores que possuem um conversor AD interno podem ser usados para o controle da temperatura 3 Um conversor Digital para Analógico DAC converte uma palavra digital em binário em um sinal analógico sob a forma de uma tensão ou corrente de saída É formado por elementos passivos fontes de referência chaves e amplificadores operacionais A conversão é em geral paralela e o tempo depende essencialmente da velocidade dos componentes utilizados Um DAC de cinco bits tem saída de 10 mA para uma entrada digital de 10100 Qual é a corrente de saída se a entrada digital é 11101 4 A resolução de um conversor DA é definida como a menor variação na saída analógica como resultado de uma mudança na entrada digital Um conversor DA de cinco bits produz uma tensão de 02 V na saída quando a entrada digital é 00001 A resolução e o fundo de escala desse conversor são respectivamente a 1 V e 32 V b 01 V e 31V c 05 V e 16 V d 02 mA e 62 mA e 02 V e 62 V 5 Existe uma infinidade de aplicações nas quais dados analógicos precisam ser digitalizados convertidos em digitais e transferidos para a memória de um computador O processo por meio do qual o computador adquire esses dados analógicos digitalizados é conhecido como aquisição de dados A aquisição do valor de um único ponto é a amostragem do sinal analógico e o ponto de dado é quase sempre denominado de amostra O computador pode aplicar os dados de diferentes maneiras Em uma aplicação de armazenamento como em uma gravação digital de áudio ou de vídeo o microcomputador interno armazena os dados e os transfere para o DAC a fim de reproduzir o sinal analógico original Em uma aplicação de controle de processo o computador analisa os dados ou realiza cálculos para determinar as saídas de controle a serem geradas TOCCI et al 2014 A respeito de um sistema de aquisição de dados típico assinale a alternativa INCORRETA a O circuito amostrador normalmente é composto por uma chave eletrônica por um oscilador que gera a tensão de chaveamento sinal amostrador por um capacitor de retenção e por um amplificador operacional que trabalha como buffer b Deve existir um filtro passa baixas na entrada para evitar que frequências maiores do que metade da frequência de amostragem cheguem ao amostrador c O processo de quantização pode ser visto como o mapeamento do sinal a partir do domínio contínuo para um número finito de níveis de saída d Se o quantizador tem 256 níveis o sinal codificado possui 4 bits e Se o quantizador tem 64 níveis o sinal codificado possui 6 bits 203 TÓPICO 3 APLICAÇÃO DE SENSORES NA INDÚSTRIA 1 INTRODUÇÃO Existem várias formas de classificar os transdutores A classificação é feita principalmente de acordo com o propósito e com a técnica aplicada na conversão REYMASTER 2017 Há no Brasil e no mundo uma gama cada vez maior de sensores industriais os quais auxiliam na automação de processos Estes detectam as movimentações em máquinas de diferentes segmentos industriais e são utilizados nos mais diversos ambientes e com condições variadas Por isso possuem diferentes características tecnológicas e que a cada dia evoluem com os processos de fabricação Os sensores mais usuais são indutivos fotoelétricos ultrassônicos capacitivos barreiras de segurança e RFID Cada um deles possui outros subtipos com diferentes aplicações e vantagens Para a exemplificação elencaremos os mais usuais 2 APLICAÇÕES INDUSTRIAIS Aqui abordaremos os empregos mais usuais dos sensores na indústria 21 SENSORES INDUTIVOS Aplicações do básico têxteis energias verdes máquinas ferramentas indústria automobilística logística e máquinas de embalagem Catálogos e sites de fabricantes devem ser consultados quanto à relação preçodesempenho exatidão compensação de temperatura resistência a choques vibrações e distância de detecção a Sensores miniaturizados Aplicações micromecânica robótica máquinas ferramentas equipamentos de automação e máquinas para aplicações especiais UNIDADE 3 204 b Sensores para ambientes extremos Existem ambientes específicos na indústria nos quais não é qualquer tipo de sensor indutivo que pode ser utilizado O engenheiro de aplicação necessita estar muito atento às condições sob as quais cada sensor deve trabalhar e a opções oferecidas pelos diferentes fabricantes Precisa estar munido de catálogos e de especificações seguras os quais podem na maioria das vezes ser encontrados nos sites As situações extremas podem englobar a pressão a temperatura a umidade a imersão em campos eletromagnéticos etc 22 SENSORES FOTOELÉTRICOS O conceito dos sensores fotoelétricos pode ser definido por um sensor que utiliza os processos de emissão e de recepção de raios de luz para a detecção ou não de um objeto independentemente do material dele de acordo com o índice de refração ou de reflexão Outra forma de entender é percebida através do contraste entre o raio de luz emitido e a superfície do objeto monitorado Esses sensores estão muito presentes na indústria devido ao amplo campo de atuação deles uma vez que possuem diferentes tipos de variação e capacidade de aplicação para detecção de tipos de material cor distância marca transparência etc Basicamente um sensor fotoelétrico é composto por um diodo emissor de luz ou outro tipo de emissor fotoelétrico que é excitado e que emite um feixe de luz pulsada Esse feixe de luz incide em um fototransistor que por sua vez detecta e altera o nível de saída 221 Tipos de sensores fotoelétricos e aplicações na indústria Além da divisão dos sensores fotoelétricos quanto ao tipo de luz emitida uma divisão mais importante é feita de acordo com a aplicação desses sensores em um ambiente industrial c Sensor de feixe contínuo ou barreira detecção e contagem de objetos em uma esteira mecânica como caixas e identificação de alguma pessoa em determinado ambiente controlado como na área de trabalho de um torno CNC por exemplo d Sensor difuso essa aplicação se difere da anterior pelo fato de o emissor e o receptor estarem no mesmo componente tornando mais fácil e simples a adoção Tem a capacidade de detectar o objeto a partir da reflexão dele e é muito eficiente com objetos metálicos O fato de depender totalmente do índice de reflexão do objeto para a própria eficiência gera um campo de detecção menor 205 e Sensor retro reflexivo esse último tipo de aplicação pode ser considerado uma combinação dos dois tipos anteriores as unidades emissoras e receptoras estão em um mesmo componente porém um espelho prismático é instalado para que a reflexão não dependa somente do objeto em si Isso permite a utilização dele com objetos não metálicos O espelho prismático faz uma espécie de filtro para a luz não polarizada o que proporciona eficiência e garante que o sensor efetue a leitura apenas da luz emitida 23 SENSORES ULTRASSÔNICOS Muito aplicados em máquinas de embalagem principalmente nas indústrias alimentícia e farmacêutica A principal vantagem é detectar objetos independentemente do material da cor do formato ou da superfície 24 SENSORES CAPACITIVOS São muito utilizados nas indústrias de plástico alimentícia farmacêutica e na agroindústria Principais vantagens 3 São capazes de detectar praticamente todo tipo de material 4 Apresentam um fácil ajuste através de um trimpot e a indicação de um LED 5 Detectam através de tubos e recipientes não metálicos 6 Podem ser usados em ambientes químicos e agressivos 25 RFID A tecnologia RFID Radio Frequency Identification Identificação por Radiofrequência é um termo genérico usado para designar as tecnologias que utilizam a radiofrequência para a captura de dados Por isso existem diversos métodos de identificação mas o mais comum é armazenar um número de série que identifique uma pessoa ou um objeto ou outra informação em um microchip Tal tecnologia permite a captura automática de dados para a identificação de objetos com dispositivos eletrônicos conhecidos como etiquetas eletrônicas tags RF tags ou transponders que emitem sinais de radiofrequência para leitores que captam essas informações Ela existe desde a década de 1940 e veio para complementar a tecnologia de código de barras muito difundida no mundo 206 É de suma importância que o engenheiro de aplicação encontre fabricantes e fornecedores idôneos comprometidos com sensores confiáveis e com especificações claras nos manuais No tocante à instrumentação eletroeletrônica você poderá ainda ser um engenheiro de PD e projetar e desenvolver sensores para a indústria e outras aplicações IMPORTANTE Permite a rastreabilidade total e é aplicada principalmente nas indústrias automobilística em máquinas e ferramentas logística têxtil energias verdes máquinas de embalagem e de enchimento 3 ESTATÍSTICA E PROPAGAÇÃO DE ERRO Um medidor de tensão corrente ou qualquer outra grandeza elétrica deve fornecer o valor exato da grandeza sob medição em qualquer parte do circuito Isso acontece se o instrumento não influencia o circuito Ao conectar um instrumento inserese um novo elemento com impedância própria ao circuito Um voltímetro ideal deveria ter uma resistência interna infinita enquanto um amperímetro necessitaria apresentar impedância interna nula No mundo real instrumentos ideais não existem Ao ser usado o voltímetro como exemplo por maior que seja a impedância interna dele ela não é infinita e ao ser conectado drena alguma corrente mesmo que mínima Isso é conhecido como efeito carga que faz com que a tensão antes da conexão do voltímetro e após seja ligeiramente diferente Como ciência da medição a metrologia abrange todos os aspectos teóricos e práticos que asseguram a exatidão exigida no processo produtivo procurando garantir a qualidade de produtos e de serviços pela calibração de instrumentos e pela realização de ensaios uma ferramenta imprescindível para promover a inovação e a competitividade Basicamente os objetivos da metrologia podem ser descritos como MUGGE 2008 a Traduzir a confiabilidade nos sistemas de medição b Garantir que as especificações técnicas os regulamentos e as normas existentes proporcionem as mesmas condições de perfeita aceitabilidade na montagem e encaixe de partes de produtos independentemente do local de produção 207 31 ERROS DE MEDIÇÃO Diversos fatores podem interferir no resultado de uma medição que idealmente deveria representar o valor real mensurado Condições ambientais imperfeições no sistema de medição e limitações por parte do sujeito a realizar as medições são exemplos de pontos que podem influenciar a entrega de uma medição Por mais cuidado que se tenha mesmo utilizando equipamentos sofisticados e em ambientes bem controlados os resultados obtidos sempre serão recebidos com erros MUGGE 2008 Em razão das diversas imperfeições existentes em uma medição o estudo do erro é fundamental na metrologia e não pode ser ignorado De acordo com o Vocabulário Internacional de Metrologia VIM o erro de medição é a diferença entre o valor medido de uma grandeza e um valor de referência MUGGE 2008 Esse erro relativo a uma medida M pode ser expresso pela equação I E M VV I Sendo E erro de medição M medida VV valor verdadeiro VV é o valor verdadeiro o qual deve ser representado por um padrão de valor perfeitamente conhecido ou por um sistema de medição livre de erros Na prática essa situação é impossível por essa razão o erro E é calculado pela equação II E M VVC II Na equação II VVC significa Valor Verdadeiro Convencional que contém um erro desprezível em relação ao erro do sistema de medição analisado o ideal é o menor que 110 Utilizamse como Valores Verdadeiros Convencionais os padrões metrológicos Na prática não existe um sistema de medição perfeito É impossível eliminar completamente o erro de medição no entanto é possível delimitálo O comportamento metrológico do sistema de medição pode ser influenciado por perturbações externas ou internas sendo a temperatura um dos fatores mais críticos a modificar o sistema como um todo MUGGE 2008 Segundo o VIM os principais tipos de erros são o sistemático e o aleatório Na prática também é comum a caracterização de um outro erro denominado de grosseiro MUGGE 2008 208 311 Erros grosseiros Normalmente os erros grosseiros são causados pela falta de cuidado ou pelos vícios do operador além da ausência de procedimentos experimentais adequados As principais causas desse tipo de erro são operação indevida erros de leitura anotações erradas equívocos de arredondamento ajuste incorreto do instrumento de medição e até mesmo escolha inapropriada de escalas Podem ser evitados por meio da repetição cuidadosa das medições e são inadmissíveis na prática metrológica Os procedimentos de medição quando bem elaborados contribuem para impossibilitar a ocorrência dos erros grosseiros MUGGE 2008 312 Erros sistemáticos Os Erros Sistemáticos Es também denominados de Tendência Td são erros provenientes do sistema de medição utilizado e são o componente do erro de medição que em medições repetidas permanece constante ou varia e de maneira previsível Os erros sistemáticos propiciam medidas consistentemente acima ou abaixo do valor real o que prejudica a exatidão da medida Quando identificados podem ser eliminados ou compensados As principais causas da ocorrência dos erros sistemáticos são o método de medição a paralaxe os efeitos ambientais e as simplificações do modelo teórico utilizado MUGGE 2008 O erro sistemático é a diferença entre a média de um número considerado suficiente de medições e o resultado verdadeiro esperado Pode ser calculado por meio da equação III Es MI VVC Sendo Es erro sistemático MI média de n medições VVC valor verdadeiro convencional A seguir será determinado o erro sistemático de um ohmímetro com base em dez medições de um resistor conhecido no caso 10Ω Os resultados das medições serão exibidos QUADRO 1 ERRO SISTEMÁTICO DE UM OHMÍMETRO FONTE Os autores 209 Es MI VVC 9989 1000 0011 O erro sistemático indica a tendência de um instrumento de registrar resultados sistematicamente acima ou abaixo do valor real com a amplitude esperada dessa variação 313 Erros aleatórios Os erros aleatórios são os componentes de erro de medição que em medições repetidas variam e de maneira imprevisível Esse erro é causado por fatores aleatórios e imprevisíveis como flutuações na tensão da rede vibrações folgas do instrumento de medição e atrito Tais fatores não podem ser identificados porém podese ter uma avaliação quantitativa deles através de um tratamento estatístico das medições A quantificação é realizada para cada medida sendo a diferença entre cada medida e a média de um número infinito de medições em condições de repetitividade mesmo operador mesmo método de medição e mesmas condições ambientais Evidentemente é impossível fazer um número infinito de medições então trabalhase com estimativas de erros aleatórios Tomamse amostras isto é um número n de medições e se obtêm os desvios da média de uma amostra A ideia de existirem condições de repetitividade é que a única variável no sistema de medição seja a grandeza a ser medida de forma que grandezas de influência permaneçam constantes MUGGE 2008 Os erros são aleatórios porque em uma série de medições repetidas e sob as mesmas condições é impossível prever o resultado de uma nova medição com base nos valores obtidos anteriormente Exemplo com um voltímetro em mãos medese a tensão de saída de uma fonte DC São realizadas n5 medições Os resultados em volts são 491V 452V 473V 445V e 449V A média das n5 medidas é Média Xi 491 452 473 445 449 462V n 5 A partir do exposto a seguir serão entregues valores acima e abaixo da média mas a variabilidade ocorre ao acaso Se muitas medições forem realizadas não haverá como saber se o próximo resultado estará abaixo ou acima da média que ainda será calculada Isso acontece porque os erros aleatórios são causados por flutuações desconhecidas ou imprevisíveis 210 QUADRO 2 ERRO ALEATÓRIO DE UM VOLTÍMETRO FONTE Os autores O erro aleatório não segue nenhum tipo de padrão ou de lógica como é o caso de uma reta ou de uma curva que torne os resultados previsíveis Entretanto é possível fazer um tratamento estatístico das diversas medidas feitas e dos erros das amostras Uma boa referência é o desvio padrão populacional σ Quanto mais próximo de 0 é o desvio padrão mais homogêneas são as medidas No nosso exemplo É a média quadrática dos desvios obtidos no quadro anterior Existe o desvio padrão para amostras que têm uma fórmula de cálculo ligeiramente diferente que é Quando o número da amostra ou da população é muito alto a diferença entre os resultados com uma ou outra fórmula tornase desprezível Caso você não saiba ou não se recorde o que é a média quadrática recomendase um vídeo disponível em httpsyoutubea3UfgF8bN0o O desvio padrão é uma medida de dispersão que mede a variabilidade dos valores em comparação à média O valor mínimo desse desvio padrão é zero o que indica que não há variabilidade ou seja que todos os valores são iguais à média DICA NOTA 211 314 Histerese H É a diferença entre LeituraMedida LM para um dado valor da GM quando esta é atingida por valores crescentes e LM por decrescentes da GM A histerese é um fenômeno típico em sistemas de medição mecânicos devido a folgas e deformações associadas ao atrito MUGGE 2008 Exemplos típicos de instrumentos que podem apresentar erros de histerese são balanças dinamômetros e manômetros analógicos A histerese é a maior diferença entre os valores de carga medição efetuada a partir da aplicação de um sinal crescente em valor e descarga aplicação de um sinal decrescente em valor de um instrumento de medição Somente é preciso se preocupar com a histerese nos instrumentos que são efetivamente utilizados para medir o valor de uma grandeza ora no sentido crescente ora no sentido decrescente Na eletrônica o efeito da histerese pode ser utilizado para a filtragem de sinais de modo que a saída reaja de maneira tardia à mudança na entrada desse sinal Por exemplo um termostato que controla um aquecedor pode acionálo quando a temperatura cai para menos de 59C mas só o desliga quando a temperatura ultrapassa os 61C sendo 60C o set point Segue a curva de calibração de um medidor de temperatura com escala de medição de 20C a 80C Repare que quando a temperatura aplicada é crescente o sinal indicado vai de 499C para 50C e quando decrescente de 501C para o mesmo sinal gerado de 50C Há então o efeito da histerese de medição GRÁFICO 6 CURVA DE CALIBRAÇÃO COM HISTERESE FONTE Os autores 212 Um schmitt trigger é um circuito digital simples que faz uso do conceito da histerese Geralmente uma quantidade de histerese é intencionalmente adicionada no circuito eletrônico ou algoritmo digital para prevenir chaveamentos troca de estados rápidos Segue a resposta desse circuito TOCCI et al 2014 Os conceitos de estatística são importantíssimos nos estudos de instrumentação de medidas e de sinais elétricos especialmente de telecomunicações GRÁFICO 7 CURVA DE HISTERESE DE UM SCHMITT TRIGGER FONTE Os autores 213 MEDIÇÃO E PROPAGAÇÃO DE ERROS Dari de Oliveira Toginho Filho Avacir Casanova Andrello 1 Sistema de unidades padrão Para facilitar o comércio internacional diversos países criaram padrões comuns para medir grandezas através de um acordo internacional A 14a Conferência Geral sobre Pesos e Medidas 1971 elegeu as sete grandezas físicas fundamentais que constituem a base do Sistema Internacional de Unidades SI comprimento massa tempo intensidade de corrente elétrica temperatura quantidade de matéria e intensidade luminosa metro m unidade de comprimento É o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1299792458 de segundo quilograma kg unidade de massa É a massa do protótipo internacional do quilograma existente no Instituto Internacional de Pesos e Medidas em Sévres na França segundo s unidade de tempo É a duração de 9192631770 períodos da radiação correspondente à transição entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio133 ampère A unidade de corrente elétrica É a intensidade de uma corrente elétrica constante que mantida em dois condutores paralelos retilíneos de comprimento infinito de secção circular desprezível e situados à distância de um metro entre si no vácuo produz entre esses dois condutores uma força igual a 2x107 newton por metro de comprimento kelvin K unidade de temperatura termodinâmica É a fração 127316 da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da água mol mol unidade de quantidade de matéria É a quantidade de matéria de um sistema contendo tantas entidades elementares quantos átomos existem em 0012 quilogramas de carbono12 candela cd unidade de intensidade luminosa É a intensidade luminosa numa dada direção de uma fonte que emite uma radiação monocromática de frequência 540x1012 hertz 1 hertz 1 segundo e cuja intensidade energética nessa direção é de 1683 watts 1 Watt 1 Joule segundo por esferoradiano LEITURA COMPLEMENTAR 214 2 Medições É conveniente definir o significado dos termos medição medidas dados experimentais e resultados experimentais 3 Medição é o ato ou efeito de medir 4 Medida é o termo usado para se referir ao valor numérico e unidade padrão resultante de uma dada medição 5 Dados experimentais são os valores obtidos nas medições diretas 6 Resultados experimentais são geralmente os valores obtidos após serem realizados cálculos com os dados experimentais Os resultados experimentais podem ser obtidos de duas maneiras através de medições diretas ou de medições indiretas 3 Incertezas de uma medida Um dos princípios básicos da física diz Não se pode medir uma grandeza física com precisão absoluta ou seja qualquer medição por mais bem feita que seja é sempre aproximada De acordo com o princípio descrito no parágrafo anterior o valor medido nunca representa o valor verdadeiro da grandeza pois este nunca é conhecido com total certeza Quando este resultado número e unidade vai ser aplicado ou registrado é necessário saber com que confiança se pode dizer que o número obtido representa a grandeza física O valor medido ou o resultado deve ser expresso com a incerteza da medida utilizando uma representação em uma linguagem universal fazendo com que seja compreensível a outras pessoas Chamase valor verdadeiro ou valor do mensurando ao valor que seria obtido se a medição da grandeza fosse feita de maneira perfeita e com instrumentos perfeitos Por isso devese necessariamente associar um erro ou desvio ao valor de qualquer medida É importante salientar que a palavra erro não tem aqui o significado de distração descuido ou engano pois estes podem ser evitados enquanto o erro experimental não pode ser evitado mesmo nas medições mais precisas 4 Algarismos significativos Ao expressar uma medida é necessário saber expressar o número de algarismos com que se pode escrever tal medida a unidade e o grau de confiança do valor expresso ou seja é necessário incluir uma primeira estimativa de incerteza O erro de uma medida é classificado como incerteza do tipo A ou incerteza do tipo B A incerteza obtida a partir de várias medições é chamada de incerteza padrão do tipo A que é o desvio padrão 215 determinado por métodos estatísticos A incerteza estimada em uma única medição é classificada como incerteza padrão tipo B que é a incerteza obtida por qualquer método que não seja estatístico Um exemplo da incerteza do tipo B é apresentado na Figura 1 medida obtida com uma única medição do comprimento S de um lápis utilizando uma régua com menor divisão em mm A incerteza pode ser estimada como sendo a metade da menor divisão da escala do equipamento utilizado A estimativa da incerteza é uma avaliação visual podendo ser considerada uma fração da menor divisão da escala feita mentalmente por quem realiza a medição A medida do comprimento do lápis obtida na Figura 1 é S 575 005cm O resultado é apresentado com três algarismos significativos A incerteza ou erro na medida é representado pelo termo 005 cm ou 05 mm que é a metade da menor divisão da escala do equipamento Este procedimento só pode ser adotado quando houver segurança de quem realiza a medição ao avaliar visualmente uma casa decimal a mais que a descrita na escala do equipamento Caso contrário a incerteza deve ser considerada a menor divisão da escala do equipamento Os algarismos significativos do comprimento do lápis são representados por algarismos corretos e pelo primeiro algarismo duvidoso de acordo com a descrição a seguir 5 Operações aritméticas Medidas devem ser escritas com o número correto de algarismos significativos omitindo todos os algarismos sobre os quais não se tem informação Ao efetuar alguma operação com tais números não se deve escrever algarismos sem significado A seguir são apresentados exemplos e regras simples para operações aritméticas com números que representem medidas 216 A adição ou subtração de números que possuem algarismos significativos é feita com o alinhamento das casas decimais sendo completados com zero da mesma forma que em uma operação aritmética de soma e subtração convencional Ao final da operação o número de algarismos significativos do resultado é o mesmo do elemento somado com menor precisão Consideremos como exemplo a adição dos seguintes valores de comprimento 83mm 834mm 8352mm Os valores são organizados da seguinte maneira O resultado dessa operação é 250 mm A multiplicação ou divisão de números com algarismos significativos também deve ser feita como na forma No resultado final o número de algarismos significativos do produto ou da divisão de dois ou mais números medidas deve ser igual ao número de algarismos significativos do fator menos preciso Consideremos como exemplo a multiplicação dos valores dos comprimentos 834 mm e 83 mm A operação é escrita como O resultado da operação é 69 x 102 mm2 ou ainda 69x103 mm2 6 Regras de arredondamento O arredondamento dos números é feito de acordo com as seguintes regras Os algarismos 1234 são arredondados para baixo isto é o algarismo precedente é mantido inalterado Por exemplo 314 e 273 são arredondados para 31 e 27 respectivamente Os algarismos 6789 são arredondados para cima isto é o algarismo precedente é aumentado de 1 Por exemplo 316 e 278 são arredondados para 32 e 28 respectivamente Para o algarismo 5 é utilizada a seguinte regra 5 é arredondado para baixo sempre que o algarismo precedente for par e é arredondado para cima sempre que o algarismo precedente for ímpar Por exemplo 465 e 475 são arredondados para 46 e 48 respectivamente 217 7 Erros ou desvios Os erros podem ser classificados em dois grandes grupos erros sistemáticos ou erros aleatórios Os erros sistemáticos são aqueles que resultam das discrepâncias observacionais persistentes tais como erros de paralaxe Os erros sistemáticos ocorrem principalmente em experimentos que estão sujeitos a mudanças de temperatura pressão e umidade Estas mudanças estão relacionadas a condições ambientais Os erros sistemáticos podem e devem ser eliminados ou minimizados pelo experimentador Isso pode ser feito observando se os instrumentos estão corretamente ajustados e calibrados e ainda se estão sendo usados de forma correta na interligação com outros instrumentos na montagem experimental Existe um limite abaixo do qual não é possível reduzir o erro sistemático de uma medição Um desses erros é o de calibração diretamente associado ao instrumento com o qual se faz a medição Este tipo de erro é também chamado erro sistemático residual Geralmente o erro de calibração residual vem indicado no instrumento ou manual pelo fabricante é o limite dentro do qual o fabricante garante os erros do instrumento Os erros aleatórios ou estatísticos são aqueles que ainda existem mesmo quando todas as discrepâncias sistemáticas num processo de mensuração são minimizadas balanceadas ou corrigidas Os erros aleatórios jamais podem ser eliminados por completo FONTE Adaptada de httpsbitly3kwH2Rr Acesso em 24 abr 2021 218 RESUMO DO TÓPICO 3 Neste tópico você adquiriu certos aprendizados como Existem diversos sensores industriais para as mais variadas aplicações Cada sensor tem um elenco de aplicações para as quais ele é mais indicado além de um de outras não recomendadas Nas medições normalmente há erros Os erros se propagam São possíveis a mensuração e a estimação dos erros A estatística pode ser empregada no tratamento dos erros de medição O conceito de histerese está apto a ser empregado na instrumentação eletroeletrônica 219 1 Sensores industriais são dispositivos que verificam movimentações nas máquinas industriais Detectam medem e controlam a quantidade de materiais direções velocidades níveis temperatura posição etc Dependendo do tipo também verificam a tensão ou a corrente Existe uma infinidade de tipos incluindo uma gama de aplicações Assim a respeito da aplicação dos sensores industriais assinale a alternativa INCORRETA a É de suma importância que o engenheiro de aplicação encontre fabricantes e fornecedores idôneos comprometidos com sensores confiáveis e com especificações claras nos manuais b Em situações de chão de fábrica pode ocorrer a necessidade de o engenheiro ter que desenvolver um sensor para uma aplicação específica por não encontrar no mercado um sensor que atenda a essa necessidade específica ou pelo custo do sensor industrializado ser muito elevado Nesse caso o engenheiro necessita projetar e desenvolver o sensor em questão c Sensores de ultrassom não são empregados na indústria d Sensores capacitivos são indicados para a detecção de líquidos em reservatórios plásticos e Um sensor fotoelétrico de feixe contínuo ou barreira é capaz de fazer a detecção e a contagem de objetos em uma esteira mecânica como de caixas Ainda a detecção de alguma pessoa em determinado ambiente controlado como na área de trabalho de um torno CNC por exemplo 2 A estatística é utilizada em todas as engenharias principalmente na elétrica As principais aplicações são para o controle de processos telecomunicações e instrumentação eletroeletrônica Também é utilizada para o planejamento de novas e diferentes estratégias de produção Conhecimentos básicos de estatística são necessários para resolver o seguinte problema Com as informações a seguir determine o erro sistemático de um ohmímetro com base em dez medições X1 a X10 de um resistor conhecido no caso 15Ω a Es 8 mΩ b Es 14992 Ω c Es 0008 Ω d Es 8 mΩ e Es 80 mΩ AUTOATIVIDADE 220 3 A temperatura ideal para chocar ovos de galinha deve estar entre 385 365oC com a umidade do ar em torno de 65 A viragem das bandejas dos ovos em uma incubadora precisa ser feita do segundo ao décimo sexto dia com movimentos de 45º de hora em hora automaticamente Um fabricante de incubadoras contrata um engenheiro eletricista e um engenheiro mecânico para automatizar o processo do produto O esquema da solução apresentada pelo engenheiro eletricista para o controle da temperatura estará esquematizado a seguir Sabendo que ele usa o transdutor LM35 para a leitura da temperatura e que este a converte em tensão pela razão de 10 mVC calcule o setpoint que deve ser fornecido pelo trimpot RV1 e a máxima diferença de tensão mdV no laço de histerese da tensão no pino 6 de U1B No esquema elétrico o que proporciona o aquecimento é o resistor de níquelcromo RL acionado pelo relé RL1 U1A é um amplificador não inversor com ganho 10 enquanto U2B é um comparador inversor com histerese ou schmitt trigger ambos em um único CI LM 358 Quando a temperatura cai abaixo de 365C o resistor necessita ser ligado a fim de aquecer o interior da incubadora Quando ultrapassa 385C esse resistor é desligado Dessa forma a temperatura média é de 375 C A máxima diferença de temperatura mdT é de 1C a Setpoint 375 V e mdV 100 mV b Setpoint 375 mV e mdV 1 V c Setpoint 385 C e mdV 365 C d Setpoint 385 mV e mdV 365 mV e Nenhuma das alternativas está correta 221 4 O erro aleatório é o componente de erro de medição que em medições repetidas varia e de maneira imprevisível Esse erro é causado por fatores aleatórios e imprevisíveis como flutuações na tensão da rede vibrações folgas do instrumento de medição e atrito Tais pontos não podem ser identificados porém podese ter uma avaliação quantitativa deles através de um tratamento estatístico das medições A quantificação é realizada para cada medida sendo a diferença entre cada medida e a média de um número infinito de medições sob condições de repetitividade mesmo operador mesmo método de medição e mesmas condições ambientais Evidentemente é impossível fazer um número infinito de medições então trabalha se com estimativas de erros aleatórios Tomamse amostras isto é um número n de medições e se obtêm os desvios da média de uma amostra Na saída de uma fonte DC são efetuadas oito medições de tensão conforme exposto a seguir Calcule a média e os desvios padrões populacional e amostral das oito medidas com três casas de precisão O desvio padrão populacional σ é O desvio padrão amostral s é 5 Diversos fatores podem interferir no resultado de uma medição que idealmente deveria representar o valor real mensurado Condições ambientais imperfeições no sistema de medição e limitações por parte do sujeito a realizar as medições são exemplos de pontos que podem influenciar a entrega de uma medição Por mais cuidado que se tenha mesmo utilizando equipamentos sofisticados e em ambientes bem controlados os resultados obtidos sempre serão recebidos com erros MUGGE 2008 Diante das afirmativas a seguir assinale V para as verdadeiras e F para as falsas FONTE MUGGE T R Confiabilidade metrológica Apostila 2008 2008 Disponível em httpsbitly3ya3GqF Acesso em 24 abr 2021 222 REFERÊNCIAS Os erros sistemáticos são mais frequentes em instrumentos analógicos A histerese é a diferença entre leituramedida para um dado valor da grandeza medida quando esta é atingida por valores crescentes e a leituramedida quando atingida por valores decrescentes da mesma grandeza A tecnologia RFID permite a captura automática de dados para a identificação de objetos com dispositivos eletrônicos conhecidos como etiquetas eletrônicas tags RF tags ou transponders que emitem sinais de radiofrequência para leitores os quais captam essas informações Os sensores capacitivos tipo miniatura são indicados para a detecção de alvos metálicos Assinala a alternativa que apresenta a sequência CORRETA a V V V V b F F F F c F F F V d V V V F e V F V F 223 REFERÊNCIAS BALBINOT A Instrumentação e fundamentos de medidas 3 ed São Paulo Grupo GEN 2019 V 2 BHUYAN M Instrumentação inteligente Princípios e aplicações São Paulo Grupo GEN 2013 BONFIM M Medidas elétricas Apostila Curitiba UFPR 2002 Disponível em https wwweletricaufprbrmarliomedidasapostila Acesso em 24 abr 2021 GABRIEL M Cérebro analógico cérebro digital 2014 Disponível em httpglo bo3MOeX48 Acesso em 24 abr 2021 GUSSOW M Eletricidade básica Porto Alegre Bookman 2009 KINGET P The world is analog 2014 Disponível em httpsbitly3vYUNgU Acesso em 24 abr 2021 LATHI B P DING Z Sistemas de comunicações analógicos e digitais modernos 4 ed São Paulo Grupo GEN 2012 LESURF J Information and measurement 2 ed London IoP 2002 MALVINO A P BATES D J Eletrônica 8 ed Porto Alegre AMGH 2016 V 1 MASSANGO L C Medidas eléctricas II 2016 Disponível em httpsbitly379heHO Acesso em 24 abr 2021 MUGGE T R Confiabilidade metrológica Apostila 2008 2008 Disponível em httpsbitly3ya3GqF Acesso em 24 abr 2021 OMALLEY J Análise de circuitos Porto Alegre Bookman 2017 REYMASTER Sensores na indústria aplicações e vantagens 2017 Disponível em httpsbitly3LRZOyo Acesso em 24 abr 2021 TOCCI R J et al Sistemas digitais princípios e aplicações 11 ed Londres Pearson 2014 TOMAZINI D ALBUQUERQUE P U B Sensores industriais 9 ed São Paulo Editora Saraiva 2020