130
Controle e Automação Industrial

Controle e Automacao Industrial

Embed Size (px)

DESCRIPTION

CONTROLE INDUSTRIAL

Citation preview

  • Controle e Automao

    Industrial

  • ndice Sistemas de Controle ............................................................................................................. 03 Teoria de Erros ..................................................................................................................... 03 Sistemas de Controle Industrial .............................................................................................. 04 Malha Aberta e Malha Fechada .............................................................................................. 04 Transitrios e Indicadores de Performance.............................................................................. 06 Tipos de Controladores ......................................................................................................... 07 Implementaes de Blocos PID ............................................................................................. 14 Controle Analgico ............................................................................................................... 14 Controle Digital .................................................................................................................... 19 Dispositivos de Entrada ......................................................................................................... 21 Tcnicas de Blindagem ......................................................................................................... 25 Transdutores ......................................................................................................................... 26

    Temperatura ............................................................................................................. 26 Fotoeltrico .............................................................................................................. 35 Posio ..................................................................................................................... 37

    Encoder ........................................................................................................ 37 Rgua tica .................................................................................................. 42 Resolver ....................................................................................................... 43 LVDT ........................................................................................................... 44 Capacitivo ..................................................................................................... 46 Indutivo ........................................................................................................ 47 Hall .............................................................................................................. 49

    Tenso Mecnica (StrainGauge) ................................................................................. 50 Piezoltrico ............................................................................................................... 55 Velocidade ............................................................................................................... 55 Presso ..................................................................................................................... 56 Pirmetria tica ........................................................................................................ 56

    Sensores ............................................................................................................................... 67 Nvel ........................................................................................................................ 68 Presso ..................................................................................................................... 68 Indutivo .................................................................................................................... 69 Capacitivo ................................................................................................................ 72 Ultrasnico ............................................................................................................... 73 Fotoeltrico .............................................................................................................. 74

    Atuadores ............................................................................................................................. 77 Eletrovlvulas e Cilindros ................................ .. ....................................................... 77 Servomotores ............................................................................................................ 77 Motores de Passo ...................................................................................................... 81

    Acionamentos Eltricos ......................................................................................................... 87 CLP ..................................................................................................................................... 90

    Princpios de Funcionamento ..................................................................................... 90 Mdulos Bsicos ....................................................................................................... 94 Programao Bsica .................................................................................................. 99

    IHM ..................................................................................................................................... 112 CNC .................................................................................................................................... 117 Interfaces Seriais .................................................................................................................. 123 Redes Digitais ...................................................................................................................... 125 Referncias Bibliogrficas ..................................................................................................... 130

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 2

  • 1. Sistemas de controle

    A necessidade de controlar um processo j bastante antig. Nasceu desde o momento em que o homem

    passou a manufaturar bens para suas necessidades. Da manufatura saiu o conceito de se sistematizar os procedimentos envolvidos na manufatura de um bem. Surge assim o conceito de processo de manufatura. Estes procedimentos so ordenadas e podem ser agrupadas em etapas ou fases.

    A principal caracterstica do processo de manufatura que o homem era o responsvel pelo controle e

    pela execuo de todos os procedimentos envolvidos no processo. O problema era que a produtividade era baixa e a qualidade fortemente dependente do ser humano. Com o surgimento da mquina vapor, comea a

    surgir a idia de se usar mquinas para executar etapasdo sistema produtivo. Entretanto as primeiras mquinas a vapor no tinham elementos de controle automtic. Eram ainda dependentes do homem para o

    controle de suas aes, mas j representavam um avano em termos de fora e velocidade em relao ao ser

    humano. Com inveno do regulador mecnico para a presso do vapor, feito por James Watt, a mquina passou

    a ter um uso industrial importante, pois agora a presso do vapor era regulada automaticamente por um dispositivo, podendo a mquina assim efetuar um trabalho ou umaetapa de um processo. Surge o processo

    industrial em substituio ao processo de manufatura, onde mquinas realizam parte do processo de produo.

    Entretanto, ainda no existia o controle automtico no processo, dado que toda ao da mquina

    dependia da superviso e atuao do homem. A idia era fazer com que a mquina ganhasse cada vez mais

    autonomia no processo de fabricao, tal qual o ocorreu com o controle do vapor. Ou seja, buscava-se o

    controle de automtico de processo. Mas o controle de processousando meramente elementos mecnicos era

    algo difcil de se conseguir e o controle automticode processo praticamente no avanou muito at o sculo

    XX. Com o sculo XX, vieram a eletricidade e oscontroles eltricos e eletrnicos, mais versteis e

    dinmicos que os controles mecnicos e assim a automa o de processos adquiriu a dimenso que este at

    os dias de hoje.

    Teoria de Erros:

    O erro caracterizado como algo indesejvel no sistema, ntre em sistemas de controle o estudo dos erros leva a formas mais eficientes e exatas de se efetuar um controle. O erro pode ser definido como um desvio entre um valor real e um valor efetivamente encontrado. Pode Ter vrias origens, mas podem ser classificados de duas formas:

    Erros determinsticos ou sistemticos: aquele erro que decorre de um desvio fixo entre a

    grandeza lida e a esperada por motivo de uma folga ou desajuste. um tipo de erro que sempre

    repetitivo, desde que as condies sejam idnticas. Pode estar relacionada uma grandeza fsica,

    como por exemplo, um erro de um extensmetro em virtude de t emperatura. Pode ser eliminado

    por meio de compensao. Erros aleatrios: aquele que ocorre devido a fatores imponderveis e que no podem ser

    modelados. A dimenso de erro aleatrio s pode ser estabel ecida por meio de anlise estatstica. Na natureza costumam ocorrer os dois tipos de erros simultaneamente. Diante da natureza desta classificao dos erros, cri ou-se dois conceitos bsicos para a

    caracterizao dos desvios. A exatido e a preciso. A exatido d uma idia do desvio mdio de uma medida em relao aovalor real. A baixa

    exatido causada por erros determinsticos. A preciso uma medida da variabilidade de uma medida em torno de um valor mdio. causada

    pelo erro aleatrio.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 3

  • 2. Sistemas de Controle Industrial:

    Existem vrias formas de se implementar sistemas de controle automtico, entretanto, a mais utilizada

    usando sistemas eletroeletrnicos devido principalmente a versatilidade e dinamismo necessrios um

    controle de processo. Alm disso, sistemas eltricos so mais fceis de se implementar que sistema s

    dinmicos. Dado que um sistema de controle predominantemente eltrico e os processo envolvem

    transformaes mecnicas, qumicas e fsicas, devemos conve rter o sinal de um controlador eletrnico no

    sinal adequado ao processo, tanto do ponto de vista da natureza, quanto do ponto de vista de magnitude.

    Este elemento o atuador. ele quem atua diretament e sobre o processo, sempre em resposta sada do

    controlador. Para que o controlador gere o sinal de controle para o atuador gerar o sinal de controle do atuador ele

    precisa de uma referncia , ou seja, um sinal na sua entrada que diga ao controlador o que ele deve fazer com o processo. Este o sinal de referncia, ou sinalde entrada. A figura abaixo ilustra o relacionamento entre o controlador, o atuador e o processo.

    Sinal de Entrada Controlador

    Atuador

    Processo

    Em um sistema de controle precisamos saber como anda o processo e obter informaes a respeito de

    parmetros do mesmo. Ou seja, precisamos de um dispositivo capaz de converter uma grandeza fsica do processo em uma grandeza eltrica para que possamos mediro andamento do processo. Este elemento o transdutor e ele se relaciona com o processo conforme a figura abaixo:

    Processo

    Transdutor

    Indicador

    3. Sistemas de Controle em Malha Aberta e Malha Fechada:

    Com relao a forma de implementao os sistemas de cont role, podem ser classificados de duas formas : em malha aberta e em malha fechada.

    Malha aberta: Quando o controlador gera o sinal para o atuador, com base no sinal piloto, sem obter nenhuma informao do sobre o andamento do processo. Ou seja, um sistema sem

    realimentao, sendo que o sinal de entrada o pr prio set-point. Malha fechada: Quando o controlador gera o sinal para o atuador, com base no sinal piloto, porm

    agora ele recebe informao sobre o andamento do pr ocesso, atravs de um transdutor. O sinal

    entrada, no caso, corresponde a diferena entre o set-point e o sinal do transdutor, por isso, tambm chamado de sinal de erro.

    A figura abaixo ilustra as duas formas de controle: Set-Point

    Controlador Atuador Processo

    Indicador

    Transdutor

    Malha aberta (Sem realimentao)

    OBS: Observe que no caso da malha aberta o transdutor e o indicador so itens opcionais no sendo importantes para o controle.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 4

  • Set-Point + Sinal de Erro

    Controlador

    Atuador

    Processo

    -

    Indicador

    Transdutor

    Malha Fechada (Com realimentao) OBS: O indicador no caso da malha fechada um item opcional.

    A malha fechada apresenta algumas vantagens em rela o a malha aberta, principalmente no que tange a menor sensibilidade a interferncias e rudos. Isto porque o sistema sendo realimentado, ,qualquer desvio do sistema, gera um erro que tende a ser compensado. Alm disso, o sistema fica mais independente

    dos parmetros da planta, j que ele passa a atuar sobre o sinal de erro. Entretanto, tambm h desvantagens como o custo mais evadol e a possibilidade do sistema atingir a

    instabilidade quando o ganho do controlador muito alto.

    4. Transitrio e Indicadores de Performance:

    Quando ajustamos o set-point a sada leva um tempo para atingir seu valor final. Este tempo chamado

    de transitrio e muito importante seu conhecimento para fins de determinao do comportamento do sistema e avaliao da performance do controlador. Para fins de avaliao da performance de um sistema de

    controle, existem alguns indicadores bsicos, muito utilizados para a especificao de um sistema de controle. So os principais:

    Regulao: uma avaliao do sistema com relao sua capacidade de reduzir o erro entre o valor real da grandeza fsica controlada e o valor esperado ao final do transitrio. O erro no caso chamado de erro em regime permanente. Se o erro for grande, a regulao do sistema ruim, se o erro for pequeno a regulao ser boa.

    Estabilidade: a capacidade que um sistema tem de dada uma certa en trada limitada fornecer uma resposta limitada. Ou seja, se o processo converge para algum ponto, para uma dada entrada um sistema estvel. Se no, um sistema instvel.

    Tempo de acomodao: o intervalo de tempo em que ajustada uma entrada, o sistema demora

    para convergir. Ou seja, o intervalo de tempo emque dura a fase de transitrio.

    Tempo de subida: o tempo necessrio para que a sada v de 0 100%, ou de 10 90% do seu

    valor final.

    Sobrelevao: Conhecido como overshoot o valor mximo atingido pela grandeza fsica da planta em relao ao valor esperado. medida em perce ntagem da entrada ajustada. Ocorre na fase de transitrio.

    Sensibilidade: Avaliao da mudana do comportamento do sistema frente pequenas variaes

    de parmetros do sistema.

    Rejeio de distrbios: Capacidade de um sistema de rejeitar distrbios ou rudos oriundos de

    perturbaes no sistema.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 5

  • 5. Tipos de Controladores Industriais:

    H principalmente 5 tipos bsicos de controladores usadoslargamente na industria. So eles:

    Controle ON-OFF; Controle Proporcional ou P; Controle Proporcional e Integral ou PI; Controle Proporcional e Derivativo ou PD; Controle Proporcional, Integral e Derivativo ou PID.

    Controle ON-OFF ou LIGA-DESLIGA ou de histerese:

    a forma de controlador mais simples que existe e consis te em um circuito comparador que compara o sinal de entrada com dois sinais de referncia,chamados de limite inferior e superior. Quando o sinal de entrada fica menor que o limite inferior, a sada do controlador ativada e o atuador acionado com sua potncia mxima. Quando o sinal de entrada fica maior que o limite superior, a sada desligada e o atuador desligado. A diferena entre o limite superio r e o inferior chamada de histerese. Normalmente, a histerese ajustvel de forma tal que o set-pointiquef entre o limite inferior e o superior. Desta forma o sistema controla fica oscilando de um valor mximo um mnimo e no atinge nenhum valor especfico.

    No um controlador do tipo que voc especfica por exemplo, 100C e ele estabiliza nisso. um

    controlador do tipo nvel de gua onde se tem um nvel mximoe um nvel mnimo. Quando o nvel est no mnimo aciona o atuador, que no caso seria a bomba dgua, eesta e vai enchendo a caixa dgua. Quando o nvel mximo atingido, a sada ser desligada e ouador,t no caso a bomba, desligado. A consumo de gua faz o nvel baixar e atinge o nvel inferior novamentee o ciclo se repete.

    A grande vantagem deste sistema o fato de que um sistema muito barato e que como o atuador somente liga e desliga nos momentos em que os limites so atingidos, o controlador e o atuador sofrem pouco desgaste.

    A grande desvantagem que a grandeza controlada(temperatura, presso, etc..) no estabiliza em nenhum ponto e sim oscila entre o ponto desejado, indo do limite inferior ao superior.

    Abaixo vemos um controle simples de temperatura. O set-point foi de 100C, o limite superior

    120C e o inferior de 80C. A histerese de 40C. Observe comoa temperatura oscila em torno do valor desejado que de 100C, indo de 120C 80C o tempo todo.

    Temperatura Limite Superior

    Set-Point

    Limite Inferior

    Tempo

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 6

  • Controle Proporcional ou P:

    O controle proporcional j mais sofisticado que o controlador ON-OFF, dado que a resposta do

    controle proporcional ao sinal na sua entrada. Se o sinal na sua entrada pequeno, a reposta ser um valor pequeno tambm. Se a entrada for grande a sada ser randeg tambm. Em suma, um controlador proporcional na verdade um amplificador. Ele representado como abaixo:

    Entrada K Sada

    No caso a sada um sinal K vezes maior que a entrada. Entretanto o sinal de sada no pode crescer

    indefinidamente, porque h limite tanto inferior quantosuperior. Quando estes limites so atingidos

    dizemos que o sistema saturou. Portanto, h uma regio onde o sinal responde proporcionalmente ao

    sinal de entrada, e outra regio onde o sistema satura e no ainda o sinal de entrada aumentar que o

    sistema no vai alm daquele limite. Na figura abaixo, percebemos que acima do limite superior, o

    atuador est com 100% de sua capacidade e abaixo do limite inferior o atuador est com 0% de sua

    capacidade, ou seja, totalmente desligado. A regio entre o limite inferior e superior o atuador est com

    uma sada proporcional a entrada, e esta regio chamada de banda proporcional do sistema.

    Limite Sup. 100%

    Banda Proporcional

    Limite Inf. 0%

    A banda proporcional de um sistema dada de forma percentual e est relacionada com oganho K

    do controlador. Na verdade ele determinado pela frmula abaixo:

    Banda proporcional = 100% / K ; onde K o ganho do controlador.

    Muitos controladores possuem o ajuste da banda proporcional disponvel. A tcnica mais recomendada deixar a banda proporcional no mximo possvel verificar a resposta do sistema. Se no for satisfatria, deve-se ir reduzindo o valor do ajus te at que o desempenho fique adequado.

    O grande problema do controlador Proporcional ou P que ele permite erros em regime. Isto porque

    em sistemas realimentados, a entrada do controlador P o sinal de erro. Como o sinal de erro vai ficando

    pequeno a medida que se aproxima do valor de set-point, a sada do controlador que proporcional a

    entrada vai ficando pequena tambm. Sempre haver um ponto em que o erro, por menor que seja ser

    to pequeno que no produzir uma sada capaz de ativar o atuador. Assim o sistema para mesmo sem

    Ter atingido plenamente o set-point, permanecendo um erro sempre constante. Claro que aumentando o

    ganho K do controlador o erro ser reduzido, mas sempre haver um erro, porque h limites para

    aumentar o valor do ganho K, que se ultrapassados, levam o sistema a instabilidade. ___________________________________________________________________________________ Pgina 7

  • Na simulao abaixo, temos uma estufa com um set-point de 100C e um controlador tipo P com

    um ganho K=10. Repare que o sistema estabiliza em 96C, permanecendo um erro de 4C. Se aumentarmos o ganho, podemos diminuir o erro, mas sempre haver um erro, por menor que seja.

    Controle Proporcional +Integral ou PI:

    O controlador PI uma combinao da ao proporcional c om uma ao de integrao. O integrador,

    dentre suas propriedades, permite com que o erro em regime do caso anterior seja zerado. Isto ocorre porque embora o erro possa ser pequeno, o integrador vai somando ao longo do tempo e a sua sada vai aumentando

    at que seja capaz de acionar o atuador. Assimsendo, quando o erro grande o Proporcional fornece uma

    grande e sada e predomina sobre o integrador. Mas a medida que o sistema vai chegando perto do objetivo, o erro vai diminuindo e assim a resposta do proporcional vai ficando cada vez mais fraca. A partir deste

    ponto o domnio passa a ser do integrador. Dessa forma o bloco integrador usado freqentemente quando precisamos de uma convergncia

    precisa do valor, com erro muito pequeno. Da mesma forma que existe um ganho K para o proporcional existe tambm um ganho K para o integrador. Quanto maior o valor de Ki, maior a resposta de um

    I elemento integrador.

    Entretanto, o ajuste do ganho de KI no deve ser indiscriminado, pois ele pode levar o sistema a se tornar muito lento as transies ou at mesmo levar o sistema a instabilidade.

    O melhor ajuste uma combinao do ganho K e do ganho K I. possvel mediante simulaes e outras tcnicas encontrar o melhor ajuste possvel. No h uma regra geral, cada caso poder requerer um ajuste diferente, dessa forma dificilmente voc poder utilizarum ajuste que fora bem sucedido em outra empresa ou outro equipamento.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 8

  • Na simulao abaixo, voltamos a verificar o caso da est ufa que fora ajustada para uma temperatura de

    100C. Com o controlador somente proporcional, havia um erro de 4C, ou seja a temperatura ficava a 96C. Com o integrador h o zeramento do erro e a temperatura atinge exatamente os 100C.

    Controle Proporcional + Derivativo ou PD:

    Da mesma forma que o controle PI era uma combinao do c ontrole Proporcional e o controle

    Integral, controle PD uma combinao do controle Proporcional e o controle Derivativo. O derivativo um bloco cuja sada proporcional a variao do erro. O u seja, se o erro estivar variando muito rpido ele atua fortemente visando a minimizar ou eliminar esta variao.

    Portanto um bloco adequado para sistemas que precisem de um ataque rpido as variaes de erro. Entretanto, se houver um erro de grande valor, mas variando lentamente, o sinal na sada do derivativo

    ser baixo. Por isso, o derivativo nunca usadosozinho, pois ele s atua nos momentos em que o erro varia rapidamente.

    Alm disso, o derivativo sensvel a rudos que podem engan-lo fazendo-o acreditar que h uma transio brusca. Por isso o ganho do derivativo nunca muito alto. Na verdade, evita-se ao mximo o uso de derivativos. Quando o sistema no pode responder bem var iaes bruscas de sinal, ento apela-se para o derivativo.

    Ademais o bloco derivativo no tem nenhuma influncia sobre o erro em regime. De modo geral, ele deixa o sistema mais rpido e reduz a mxima sobrelevao.

    Como o Integrador, que tinha um ganho K o Derivativo tambm tem um ganho chamado K I D

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 9

  • Na simulao abaixo, voltamos ao caso da estufa ajustada para 100C, s que retiramos o

    Integrador e adicionamos um Derivativo. Perceba que como o derivativo no atua sobre o erro em regime, o erro de 4C voltou e portanto, o sistema agora converge 96C como antes.

    Em compensao, na regio de 0 at 0.5 segundo, quando o erro varia muito rpido, o sistema atua muito mais rapidamente, pois em 0.5 segundo a temperatura j de 79C, e no caso do controlador P ou PI

    era de apenas 70C. Mas s at este que o derivativo vai bem, pois de 0.5 segundos em diante, o erro j passa a variar lentamente e a resposta do derivativo jno mais adequada.

    Nesta parte, onde a variao do erro lenta, o Integr ador responde melhor, alm claro do integrador atuar sobre o erro em regime.

    Controle Proporcional + Integral + Derivativo ou PID:

    Pelos exemplos acima, fica bastante claro que uma combinao dos trs elementos, explorando as propriedades de cada um, parece ser a opo mais adequada. Este o chamado ControladorPID.

    Na verdade, com um controlador PID, podemos obter os outros (P , PI ou PD), zerando-se aquele que no interessa. Exemplo: se queremos um controlador PI, ba sta zerar o ganho do Derivativo, se queremos

    um controlador P, basta zerar o ganho do Derivativo e do Integrador, e assim por diante.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 10

  • O controlador PID, parece ser a opo ideal para se traba lhar, entretanto, esta opo mais cara e a

    mais difcil de ajustar, pois agora temos trs ganhos paraajustar (K, KI e KD). A combinao do ajustes pode determinar se o sistema ser oscilatrio ou no, se o sistema ser rpido ou lento.

    A determinao adequada do ajuste feita por meio de modelagem e simulaes, onde se leva em

    conta os parmetros de performance do sistema (mxima sobrelevao, tempo de acomodao, erro em regime, etc..).

    Na simulao abaixo, voltamos ao exemplo da estufa com se t-point de 100C. O controlador agora um bloco PID. Vemos que na regio de 0 a 0.5 segundo o sist ema rpido por causa do derivativo. Em 0.5

    segundo a temperatura j de 74C, ao passo que no P e noPI era de apenas 70, ou seja, 6% mais rpido. Verificamos que no h mais erro em regime, dado que a temperatura agora estabiliza em 100C, que o

    prprio set-point, por causa do Integrador.

    Os chamados parmetros de performance so fortemente de pendentes dos ajuste dos ganhos dos

    elementos que compem o PID (K, K I e KD). Na prxima simulao, temos um caso em que o controla dor foi ajustado de forma tal que o ganho do

    Derivativo fosse baixo, menor que o do Integrador. O sistema utilizado ainda a estufa, com set-point de 100C.

    Percebemos pelos ajustes o comportamento que o do sistema converge a temperatura em erro em regime, por causa do integrado.

    Mas o tempo de convergncia diferente do caso anterior. Ealm disso, agora a reposta oscilatria. No caso anterior, dizemos que a resposta superamortecida e no caso com oscilaes subamortecida.

    Quando o sistema passa exibir oscilaes com amplitude decr escente e que demoram a sumir estamos

    chegando perto do limite de estabilidade. Observe a sobrelevao ou overshoot no grfico, que bem elevado. A temperatura est atingindo at 120C, ou seja,20C a mais que o desejado

    .

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 11

  • Aumentando-se agora o ganho do derivativo KD, reduzimos o overshoot de 125C para 112C, mas o

    sistema ficou mais oscilatrio. A combinao ideal depende de ajustes adequados dos ganhos, que influenciam fortemente na resposta do sistema. No d para simplesmente chutar. ___________________________________________________________________________________ Pgina 12

  • Nas simulaes abaixo, vemos a simulao para vrios valo re de ganho K. Vejam como a resposta a sada muda significativamente. A ordem de K crescente , mas com valores pequenos.

    Agora para K de valores mais elevados, veja como o sistema vai ficando mais oscilatrio. Valores de K

    altos levam o sistema a oscilar e tendem a torn-lo nstveli. Por isso, h limites para aumentar o ganho. ___________________________________________________________________________________ Pgina 13

  • 6. Implementao dos Blocos PID

    Os blocos PID podem ser implementados de forma analgica ou di gital. Os de forma analgica, processam diretamente os sinais dos transdutores disponveis usando circuitos de eletrnica analgica.

    So muito utilizados os amplificadores operacionais, pa ra implementar os blocos Proporcional, Derivativo e Integrador.

    J os sistemas digitais, podem se comunicar com os sistemas fsicos diretamente. Isto porque os

    sinais fsicos reais(Temperatura, presso, etc..) s o todos analgicos. Assim estes sinais devem ser

    convertidos em sinais digitais primeiro, processados e depois convertidos em sinais analgicos

    novamente. Neste caso, exigem sistemas baseados em microcontroladores e microprocessadores. Os

    blocos PID so meros softwares destes sistemas digita is. A tendncia atual o uso cada vez maior dos blocos PID digitais. Eles aparecem principalmente nos PLCs e CNCs.

    Vamos tratar inicialmente de implementaes analgicas e depois das digitais. 7. Sistemas de Controle Analgico:

    Controlador ON-OFF:

    Na figura abaixo, vemos um comparador com histerese que a base do controle ON-OFF. Ele usa

    um amplificador operacional e alguns resistores.

    O comparador de histerese um amplificador operacional realimentado positivamente. O valor da

    histerese definidos pelos valores dos resistores R1 eR2.No caso vemos que a sada (sinal quadrado)

    ativa ou desativada conforme o sinal de entrada (no caso senoidal, mas podia ser outro) atinge os limites

    inferior e superior. Na simulao estes limites so r epresentados pelas retas pontilhadas e indicados pelos valores de A1=2.2V e A2=-2.7V, no quadro negro sobre o grfico. Estes valores so teoricamente iguais,

    mas na prtica devido a tolerncias de componentes e desequilbrios eles podem ser um pouco diferentes,

    mas isto pode ser corrigido inserindo-se potencimetros para fazer os ajustes. Veja que a histerese de

    5.2V. No caso, o atuador ligado quando o erro for menor que - 2.7V e o atuador ser desligado quando o

    erro for maior que 2.2V. De qualquer modo ele nunca estabiliza e sim oscila em torno do valor zero. ___________________________________________________________________________________ Pgina 14

  • Como o erro oscila em torno de zero, isto implica que a sada oscila em torno do set-point. Ou seja, se

    ajustarmos um controlador de temperatura para 100C, com histerese de 10C, o limite inferior ser de 90C e o superior de 110C. Ou seja, o atuador ligar com 90C desligar com 110C.

    Controlador PID:

    O controlador PID e as variantes (P, PI e PD) so impl ementveis por meio de amplificadores operacionais tambm. No caso so necessrios trs blos:c um para o proporcional, um para o derivativo e

    um para o integrador. No final precisamos de um quarto bloco somador para somar as sadas de cada bloco. O circuito abaixo, ilustra o bloco Proporcional, perceba que ele no passa de uma amplificador. O

    ganho determinado pelos resistores e principalmente pelopotencimetro. ___________________________________________________________________________________ Pgina 15

  • O bloco abaixo um Integrador. O ganho ajustado por um Potencimetro R5.

    E finalmente abaixo, temos o bloco Derivativo. O ganho tambm ajustado pelo Potencimetro:

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 16

  • E finalmente para se obter a sada correta, basta somar as sadas de cada bloco com um amplificador do tipo somador.

    O resultado o bloco PID completo exibido na prxima figura.

    Resta agora, apenas verificar como o sinal de erro gerado. Isto feito por um circuito que um amplificador

    diferena. Ou sua verso mais sofisticada que o amplificador de instrumentao. Perceba na entrada o sinal de se t-

    point feito por meio de um potencimetro. Na outra entrada recebido o sinal do transdutor de temperatura, no caso,

    uma termoresistncia ou RTD tipo Pt-100. O valor desta resistncia varia com a temperatura, assim a tenso naquele

    ponto varia com a temperatura. O amplificador faz a diferena entre os dois sinais e assim o sinal de erro gerado.

    Os valores dos componentes so apenas ilustrativos.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 17

  • Abaixo um esquemtico completo de um controlador de temperatura: ___________________________________________________________________________________ Pgina 18

  • Os valores dos componentes acima so apenas ilustrativos. Existem tcnicas de controle mais sofisticadas que o PID, so chamadas de controle moderno

    baseado em espao de estados. H tambm o controle adaptativo, controle robusto, redes neurais artificiais e outras tcnicas, mas so mais caras e aplicadas apenas em casos especiais, pelo menos por enquanto. 8. Sistemas de Controle Digital

    A exemplo do ocorre com o controle analgico, podemos implem entar um controlador digital e efetuar o mesmo processo de controle que o sistema analgico. Estes controladores so implementados por

    meio de microprocessadores e microcontroladores que rodam um software que implementa as funes de

    um bloco PID. A grande vantagem a facilidade de se modificar o projeto do controlador, uma vez que o controlador um software.

    Entretanto, o sinais do mundo fsico so analgicos ent o o controle digital no pode ser aplicado diretamente. necessrio converter os sinais analgicos dos transdutores em digitais, process-los e ento converter de novo os sinais digitais em analgicos. Ou seja, o controle digital exige blocos adicionais aos do sistema de controle.

    Sistema analgico

    Sistema Digital

    Os blocos responsveis pela converso do sinal analgico em digital so chamados de bloco A/D e

    trabalham pelo princpio de amostragem e quantizao. E o circuito responsvel pela converso do sinal

    de Digital para Analgico chamado de conversor D/A. Na figura acima pode-se identificar estes dois blocos. A chave representa a amostragem. O controlador propriamente dito o bloco D(Z), que no caso

    digital.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 19

  • Amostragem de Sinais:

    Seja um sinal analgico como o da figura abaixo. Para podem os convert-lo em digital no possvel aplic-lo diretamente entrada do conversor A/D, porque o processo de conversor leva um certo tempo. Assim o que se deve fazer colher amostras do sinal analgico de tempos em tempos e ento envi-las para o conversor A/D. Assim o sinal analgico amostrado fica como na figura abaixo:

    Sinal Analgico Amostrador Sinal Amostrado

    Percebe-se que cada amostra est espaada da outra de um certo valor, chamado de TS. Esse valor

    TS chamado de intervalo de amostragem. A frmula abaixo define uma das propriedades mais

    importantes da amostragem a chamada freqncia de amostragem, simbolizada por FS.

    FS = 1 / TS , onde TS o intervalo entre as amostras. Para que o controle digital funcione corretamente a amostragem deve ser bem feita, ou seja, ele deve

    representar bem o sinal que foi amostrado. Existe um critrio para se amostrar sinais chamado de critrio

    de Nyquist ou Shanon, que determina que a freqncia de amostragem FS deve ser pelo menos duas vezes a

    maior freqncia do sinal que est sendo amostrado. Quando o sinal a ser amostrado no senoidal, a freqncia mxima do sinal pode ser verificada por meio de nstrumentosi especiais chamados de analisadores de espectro.

    Uma vez que o sinal foi amostrado, uma freqncia igual a definida pelo critrio de Nyquist, aplica-se cada amostra ao conversor A/D para a converso propriamente dita. O processo de converso consiste em

    comparar o sinal com uma srie de pesos. Cad peso sempre o dobro do anterior e cada peso corresponde-se um bit. Ou seja, existem tantos pesos quantos bits no conversor A/D. Se a amostra for maior que o peso, o bit correspondente ao peso ser iguala 1, se for menor o bit ser 0. E isto feito para cada peso. Assim na sada temos uma seqncia de 0 e 1 que representam o valor digital da amostra, conforme a figura abaixo:

    0

    1

    0

    TS A/D 0

    Amostras .

    .

    .

    0

    1

    Conversor A/D de N bits Valor digitalizado

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 20

  • Este processo de comparao com pesos para obteno do valor digital de uma amostra chamado de quantizao. Quanto mais pesos, ou seja, quanto mais bi ts tem um conversor A/D, mais refinada fica a quantizao e mais fidedigno o processo de converso. Outro parmetro muito importante tempo de converso, que o tempo necessrio para converter a amostra num sinal digital. Como o intervalo entre uma amostra e outra de T segundos, o conversor deve ser mais rpido que isto. Do ontrrioc j chega a

    S sua entrada a prxima amostra e ocorre um erro na sa da do conversor Existem vrios tipos de conversores A/D no mercado, tem-se conversor de 8 bits , 10 bits, 12 bit s, 16 bits e outros. Quanto mais bits, melhor a converso e mais caro o equipamento. A velocidade de converso segue a mesma regra. Assim deve-se

    sempre Ter um compromisso entre a qualidade e o custo. Muitos microcontroladores j possuem conversores A/D internamente. Alguns conversores tem

    mais de uma entrada, para que se possa amostrar mais de um sinal, mas cada entrada amostrada uma de

    cada vez. Assim cada entrada chamada de canal do conversor. Um conversor de 8 canais um conversor

    de oito entradas analgicas. O conversor D/A um equipamento que faz o processo inverso. Ele converte um sinal digital num

    sinal analgico. Ele composto por uma amplificador somador, de N entradas, correspondes ao bits do sinal digital. Cada entrada tem um ganho de valor tal que sempre 2 vezes o valor da anterior. Assim a

    soma dos valores dos bits ponderados pelo ganho gera um sinal analgico proporcional ao valor do sinal digital, conforme vemos a figura abaixo:

    Entrada Digital de N bits D/A

    Sinal Digital Sinal Analgico

    Os blocos A/D e D/A permitem o interfaceamento dos circuitos digitais com o mundo analgico.

    Todo e qualquer equipamento que use sistema digital para o processamento e se comunique com o meio

    fsico utilizam estes blocos. Como os equipamentos digitais vem ganhando espao na industria e at em

    nossas casas, estes equipamentos esto se tornando cada vez mais comuns. Exemplo de equipamentos so

    os multmetros e osciloscpios digitais, os termmetros digitais, os CLPs com entradas e sadas analgicas, os CNCs, as redes digitais industriais, os s ensores digitais, etc..

    Quanto ao funcionamento do bloco PID, similar ao analgico que j foi estudado. 9. Dispositivos de Entrada (Sensores e Transdutores):

    So dispositivos utilizados para realizar o interfaceam ento entre o sistema fsico e o sistema de controle eletrnico, levando informaes do campo para o controlador.

    Podem ser classificados da seguinte forma:

    Sensores: Dispositivos projetados para detectarem algum evento no campo e emitirem um sinal em

    resposta a este evento. Exemplo. Sensor de proximidade. Quando algum objeto atinge seu campo de

    visualizao ele ativa um sinal em resposta a p resena deste objeto.

    Transdutores: Dispositivos que convertem uma grandeza fsica em outra. No nosso caso nos

    interessam os transdutores eltricos que convertem grandeza fsica(temperatura, presso, etc..) em sinal

    eltrico (normalmente tenso). Podem ser de dois tipos: direto e indireto. Direto: Os do tipo direto convertem a grandeza fsica em sinal eltrico diretamente. o caso

    dos termopares que convertem temperatura em tenso.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 21

  • Indireto: Os do tipo indireto modificam algum parmetro interno, com o resistncia por

    exemplo, de forma proporcional grandeza fsica. o ca so das termoresistncias que aumentam

    sua resistncia com o aumento da temperatura. Para fazer a converso deve-se inseri-la num

    divisor resistivo e medir a tenso sobre a termoresistncia, que ser proporcional ao valor da

    resistncia e por conseqncia, proporcional temperatura.

    Entretanto, sensores, mas principalmente transdutores tem alcance limitado poucas dezenas de

    metros. Isto porque o comprimento do fio que liga o sensor ou transdutor, que possui alguma

    resistncia e indutncia, pode interferir no valor da medida. Alm disso pode captar rudos e afetar a

    preciso da informao. Nesses casos faz-se necessrio um equipamento especfico para enviar

    informaes a distncia maiores, que o Transmissor. Transmissor um equipamento que recebe o

    sinal de um transdutor ou sensor e modula um sinal de referncia( 4-20mA, 0-5V, etc..) de forma proporcional ao sinal do transdutor ou sensor. Abaixo vemos uma ilustrao desta modulao.

    Transdutor

    Sinal Modulado

    Referncia

    (Ex: 4-20mA)

    Bloco Transmissor

    Existem ainda os Transmissores do tipo digital que no usam sinais digitais.

    Parmetros Fundamentais de Sensores:

    Os sensores so caracterizados por diversos parmetros, mas alguns so mais freqentemente usados, pois so praticamente indispensveis. Analisaremos alguns destes:

    Distncia Sensora: a distancia perpendicular da face sensora at o ponto onde o sensor atua.

    Tipicamente simbolizada pelo smbolo Sn;

    Histerese: a diferena entre entre a distncia onde o sensor ativado quando objeto se aproxima dele

    e a distncia na qual o sensor desativado quando o objeto se afasta dele. Normalmente dada de forma

    percentual. A figura abaixo ilustra bem estas propriedades:

    Ativado Desativado

    Objeto detectado Sensor

    Distncia Sensora Histerese

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 22

  • Zona Cega: Regio dentro da distncia sensora, que o sensor, por q uestes tecnolgicas ou de

    montagem, no consegue detectar o objeto. No se tra ta de uma falha do sensor, mas sim de

    caracterstica do mesmo que deve ser levada em conta. Zona de sensibilidade: Regio da zona detectvel, onde o dispositivo efetivament sensibilizado.

    Objeto a ser detectado

    Sensor

    Zona Cega Zona de Sensibilidade Repetibilidade: Pequena variao na distncia sensora quando se procede duas ou mais

    tentativas de deteco. Normalmente indicada de forma percentual. No deve ser confundida com a histerese.

    Freqncia de Operao: N mximo de comutaes por segundo que um sensor consegue realizar.

    medida em Hertz; Corrente de Consumo: Valor da corrente necessria ao funcionamento do sensor; Corrente de Carga: a mxima corrente possvel na sada de um sensor;

    Corrente de Pico: o valor mximo de corrente consumido pelo sensor no momento da ativao; Tenso de Ripple: Mxima oscilao da tenso CC de alimentao permitida ;

    Tempo de Estabilizao: Tempo que se deve aguardar logo aps a energizao do sensor , para que as

    leituras sejam confiveis; Proteo Intrnseca ou IP: Grau de proteo do sensor a penetrao de slidos e lqui dos. indicado

    por 2 digitos (Ex. IP 66). O 1 refere-se slid os e o 2 lquidos. Deve-se consultar a tabela de graus

    de proteo para verificar o significado de cada cdi go.

    Verso de Montagem: Refere-se a forma como o sensor deve ser montado e as distncias que devem

    ser respeitadas para assegurar o bom funcionamento do sensor. A figura abaixo ilustra isto:

    Metal Metal

    D1

    D2

    D1

    D2 D3

    Metal

    Metal

    Sensor 1 Sensor 2 Sensor 1 Sensor 2

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 23

  • Tipos de Sada de Sensores:

    As sadas de um sensor dividem-se em dois grupos: As passivas e as ativas, a saber:

    Passivas: Tambm chamadas de contato seco, so compostas por um simples contato tipo NA ou NF,

    que acionado quando o sensor ativado. Pode operar com CA ou CC. No possui grandes restries

    a no ser a corrente mxima permissvel.

    Ativas: So sadas eletrnicas, que usam transistores NPN ou PNP em vrias configuraes possveis.

    So sempre em CC, pois so polarizadas. A f igura abaixo ilustra alguns tipos possveis:

    A sada Push-Pull a melhor do ponto de vista de corrente, pois no depende do Resistor R que no caso menor do que nas outras duas modalidades. a preferida para melhores performances.

    Na modalidade NPN, apenas um transistor usado de forma que a sada sempre exibe nvel tenso prximo de Vdc, quando o transistor est cortado. Quando saturado, a corrente flui pelo transistor. Neste

    caso o resistor R chamado de pull-up, pois liga a sada ao Vdc. No caso do NPN coletor aberto, no h o resistor de pull-up. Este deve ser adicionado externamente

    ou o circuito no funcionar. A principal vantagem desta montagem que a potncia dissipada sobre o resistor externa ao sensor e que esta montagem permite fazer lgica E ou AND entre mais de um sensor, usando apenas o resistor de pull-up externo.

    Na verso PNP, vale a mesma coisa s que o transisto r agora PNP e no NPN. O resistor e o transistor trocam de lugar na montagem. Agora o resistor R liga a sada ao terra (0V), assim ele passa a se

    chamar resistor de pull-down. Atente para os diodos presentes em todas as montagens. Elas visam proteger contra inverso de

    polaridade e principalmente contra as sobretenses provocadas pelo chaveamento de bobinas de contatores

    e rels auxiliares. Este efeito tambm ocorre em contatos secos, que podemser danificados por estes chaveamentos.

    Na figura ao lado, ilustra-se o efeito do chaveamento da bobina de um contator. A indutncia devido a bobina e a resistncia normalmente

    devido ao fio e a bobina. Durante a abertura da chave, a tenso V sobre a bobina cresce muito e esta

    fora o aparecimento de um arco nos contatos da

    chave.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 24

  • A soluo clssica, reduzir a

    corrente em circuitos muito indutivos, usar diodos reversamente polarizados e usar um

    circuito RC em paralelo com o contato seco para desviar o surto do contator. Este conjunto

    RC chamado de amaciador ou snubber de tenso. Os fabricantes,

    normalmente, recomendam os valore de corrente e os valores de R e C para cada tipo de sensor. A figura abaixo, ilustra o uso de diodos para desviar o surto de tenso .

    Parmetros Fundamentais de Transdutores:

    Alguns dos parmetros utilizados pelos sensores se aplic am aos transdutores tambm como Tenso

    de Ripple, verso de montagem, etc.. Mas existem caracter sticas que so peculiares aos transdutores. Dentre eles:

    Linearidade: Parmetro importantssimo, dado que uma converso de gr andezas,

    que a funo precpoa do transdutor, somente pode ser feita se houver uma relao linear

    entre a grandeza fsica e eltrica. Quando isto no ocorre, pode-se lanar mo de tcnicas de linearizao para fins de obteno da linearidade. o ca so de transdutores de temperatura do

    tipo NTC, que so funes exponenciais da temperatura e qu e com auxlio de amplificadores logartmicos pode-se linearizar o transdutor. Normalmente os transdutores so lineares certas

    faixas de valores. Na figura a seguir, um grfico mostrando a linearidade de um transdutor de temperatura com a tenso. Regio de atuao: Faixa de valores da grandeza que se deseja converter onde o dispositivo

    efetivamente deve trabalhar. Normalmente est o relacionadas com a regio onde vale a

    linearidade do transdutor, mas podem haver outros limitantes como integridade fsica do

    material, detalhes construtivos, entre outros.

    Fator de Proporcionalidade: Admitindo-se a linearidade do transdutor, a grandeza eltrica

    est relacionada com a grandeza fsica por um certo fator, chamado de fator de

    proporcionalidade. Exemplo: Um transdutor com 1mV/C de fator de proporcionalidade.

    Preciso e Exatido: Parmetros relacionados ao erro de converso de uma da grandeza.

    Influenciado por vrios fatores, tais como condies ambientais, posicionamento, presena de

    rudo eltrico, e outros.

    Tenso (mV)

    100mV

    Fator de Propor. = 2mV/C

    50C Temperatura (C) ___________________________________________________________________________________ Pgina 25

  • Os transdutores podem ter sada analgica (termopares) ou digital (encoder). De qualquer forma, rudos podem afetar a preciso de um transdutor, assim cuid ados especiais devem ser tomados com estes dispositivos. Normalmente, os fabricantes sugerem medidas j consagradas para a eliminao ou reduo

    destes problemas. 10. Tcnicas Bsicas de Blindagem:

    As tcnicas de blindagem, visam basicamente eliminar ou reduzir o rudo eltrico e interferncias eletromagnticas, gerados por dispositivos eletroeletrnicos e pelos equipamentos e processos no campo industrial. uma rea muito complexa, chamada de Compatibilidade Eletromagntica, que vai alm do

    escopo deste curso, mas algumas recomendaes clssicas podem ser feitas. So elas:

    No utilizar os mesmos eletrodutos que passam fios de ci rcuitos de fora para passar fios de elementos sensores e transdutores; Em bandejas metlicas, os fios ficam paralelos por trechos bem longos, manter sempre um distanciamento entre os fios de circuitos de fora e os fios dos sensores e transdutores, compatvel com o recomendado por normas e fabricantes; Evitar cruzar fios de transdutores com fios de fora, cas o isto seja inevitvel, efetuar o cruzamento de forma perpendicular para evitar a induo el etromagntica; Onde estiver constado que h a presena de forte interferncia eletromagntica, utilizar

    eletrodutos metlicos para abrigar os fios dos transdutores e sensores. O eletroduto metlico tem

    um efeito de blindagem destes rudos. Entretanto, para a blindagem ser efetiva, o eletroduto deve

    ser aterrado e a continuidade eltrica deveser assegurada; Em casos mais graves, usar cabos blindados, que consistem em condutores envoltos por uma malha metlica. Esta deve ser aterrada na origem do circuito para ser efetiva. No deixe fios sem uso com as pontas soltas, pois elas age m como antenas captando rudos e afetando os outros condutores em uso. Mantenha as pontas de fios sem uso, sempre aterradas. Quando efetuar um aterramento de um conjunto de equipamentos interligados, sempre use o

    mesmo fio terra. Nunca puxe um terra para cada equipamento, principalmente de quadros de fora diferentes, pois pode haver diferena de potencial e oc orrem danos aos equipamentos.

    Nem sempre estas tcnicas sero suficientes, mas com certeza resolveram boa parte dos

    problemas mais comuns, e lembre-se que so tcnicas universais e que portanto, valem sempre.

    11. Transdutores mais usados na Industria:

    H vrios tipos de transdutores disponveis no mercado, elesvariam conforme a grandeza que

    medem, classe de preciso e regio de operao. A classi ficao mais comum a por tipo de grandeza medida. Assim temos, principalmente:

    Transdutores de Temperatura;

    Transdutores Fotoeltricos; Transdutores de Posio (Servomecanismos).

    Transdutores de Tenso Mecnica ou

    Extensmetros; Transdutores de Presso; Transdutores de Vazo;

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 26

  • Transdutores de Temperatura:

    Definio de temperatura:

    As materiais presentes na natureza so constitudos de ag rupamentos de tomos. Cada um dos 92

    elementos naturais da natureza representado por um tipo particular de tomo. Os materiais que nos rodeiam

    normalmente no so puro, mais sim uma combinao de vrios elementos que forma uma molcula. Assim,

    por exemplo, o hlio um elemento natural composto de um tipo particular de tomo; a gua, por outro lado,

    composta de molcula cada molculaonsistindoc de dois tomos de hidrognio e um de oxignio. Na

    anlise das interaes destas molcula necessrios olhar sob o ponto de vista do estados da materiais: slido,

    lquido e gasoso .

    Slido Em qualquer material slido, os tomos ou as molculas stoe fortemente ligado uns com os

    outros, de maneira que estes so incapazes de move-se ou afasta-se de sua posies de equilbrio. Cada tomo, entretanto capaz de vibrar em torno de suaposio particular. O conceito de

    energia trmica considerado pela vibrao das molculas. Considere um material particular no qual as molculas no apresentam nenhum movimento;

    isto , as molculas esto em repouso. Taismateriais possuem energia trmica (Wter =0) nula. Se

    ns adicionarmos energia para este mater ial colocando-o num aquecedor, esta energia faz com que

    suas molculas comecem a vibrar. Ns dizemos agora que este material tem alguma energia

    trmica (Wter > 0).

    Lquido

    Se mais e mais energia adicionada ao material, as vibraes se tornam, mais e mais violenta

    quando a energia trmica aumenta. Finalmente, quando uma certa condio alcanada onde as ligaes

    que mantm as molculas juntas se quebram e esta se move ao longo do material. Quando isto ocorre, ns

    dizemos que o material fundiu e tornou-se lquido. Agora, embora as molculas mantm atraes mtuas, a

    energia trmica suficiente para mover-lhas deformas randnicas ao longo do material, e a velocidade com

    que se movem a medida da energiatrmica.

    Gs

    Um posterior aumento na energia trmica do material ntensifica a velocidade das molculas at que

    finalmente estas ganham energia suficiente para conseguir escapar complemente da atrao das outras molculas. Esta condio manifestada pela ebulio do l quido. Quando um material consistido de tais molculas movendo randnicamente atravs de um volume contido,ns chamamos este material de gs. A velocidade mdia das molculas novamente a medida da energia trmica do gs.

    O objetivo dos sensores trmicos esta associado com a medida da energia trmica do material ou de um ambiente contendo diferentes materiais.

    Temperatura

    A medida da energia trmica mdia por molcula de um material, expressa em joules, poderia ser

    usada para definir energia trmica; mas isto no tradicionalmente feito. Ao invs disso um conjunto

    especial de unidade , cujas origem esto contida na histria de medidas de energia trmica, empregado ___________________________________________________________________________________ Pgina 27

  • para definir a energia trmica de um material. Ns escolhemos as trs mais comuns unidade. Ao

    diferentes conjuntos de unidades so chamados de escalas de temperatura.

    Calibrao

    Para definir as escalas de temperatura, um conjunto de pontos de calibrao utilizado; para isto, a

    energia trmica mdia por molcula definida atravs condioda de equilbrio existente entre os estados

    slido, lquido e gasoso de vrios materiais puros da natureza. Alguns destes pontos de calibrao padro

    so:

    1. Oxignio: equilbrio lquido/gs 2. gua: equilbrio slido/lquido 3. gua: equilbrio lquido/gs 4. Ouro: equilbrio slido/lquido

    Existem vrios tipos de transdutores de temperatura, mas basicamente podem ser agrupados em quatro grupos:

    Termopares;

    Termistores: Podem ser do tipo NTC e PTC;

    Termoresistnciasou RTDs; Semicondutores;

    Termopares: So basicamente dois fios metlicos, compostos por duas ligas metlicas, normalmente

    heterogneas, unidas por um ponto de juno. A juno ao ser submetida ao calor, fornece uma tenso

    proporcional a temperatura. Termopares trabalham sobre ampla faixa de temperatura mantendo sua

    linearidade e so bastante robustos. Por esta razo so largamente empregados na industria para a medio e

    controle de temperatura. Seu ponto fraco a que a tenso obtida em funo da tem peratura bem baixa, da ordem de

    milivolts o que o torna muito vulnervel rudos. O princpio de funcionamento dos termopares o efeitoSeebeck, que consiste no fato de que quando

    duas junes metlicas esto submetidas a temperaturas di ferentes, surge uma FEM( Fora Eletromotriz ),

    proporcional a diferena entre as temperaturas das duas junes. A figura abaixo ilustra este efeito.

    V

    T1=20C T2=50C Junta Quente Junta Fria ou de Referncia

    Suponha que a junta fria esteja 20C, e que a junta quente esteja 50C. O voltmetro medir uma

    tenso V=K*(T2-T1), onde K um fator de proporcionalidade. Assim sendo o termopar somente mede a diferena de temperatura e no a temperatura absoluta da juno. Isso quer dizer que devemos sempre conhecer a temperatura da juno fria, que por esta razo, tambm chamada de juno de referncia.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 28

  • Na figura abaixo, temos a FEM, em funo da temperatura para diversos materiais:

    Entretanto, nos termopares usados na industria no temos, normalmente, duas junes e sim apenas

    juno. Isto ocorre porque no termopar usado na industri a o ponto de medio da tenso do termopar exatamente sobre a juno fria, que fica conectada ao equipa mento. Dessa forma a temperatura da juno

    fria a prpria temperatura ambiente do aparelho. Internamente o aparelho que usa o termopar, usam normalmente diodos ou outro componente qualquer para fornecer a temperatura da juno fria.

    A figura abaixo, ilustra um caso usando RTD como referncia.

    Enquanto na industria mais comum o usos de termopares de uma ponta ou uma juno, como os da figura acima, em laboratrios de calibrao, entreta nto, mais comum o uso de duas juntas para dar mais preciso. Normalmente a junta fria fica solidame nte conectada fonte de 0C, que pode ser uma garrafa trmica com gelo.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 29

  • Na figura abaixo vemos a conexo de um termopar de uma jun o, em um medidor de temperatura usado na industria.

    Medidor

    Junta Fria ou de Referncia

    Junta Quente

    Observe que o cabo de um termopar nunca deve ser estendido, pois isto eqivaleria deslocar a

    juno fria da superfcie do aparelho e haveria erro na l eitura. Quando necessrio estender o cabo do termopar deve-se usar materiais iguais aos do termopar ou cabos especiais, recomendados pelos fabricantes e fazer uma operao chamada de compensao , que visa eliminar o erro introduzido pela extenso. A figura abaixo ilustra um caso de extenso.

    Mesmo com todos estes cuidados o cabo do termopar no pode se r muito estendido em razo dos

    problemas de interferncia eletromagntica que vo se tornando notveis. Quando a informaes est longe do ponto de medio, deve-se usar mesmo o transmissor.

    Fontes de erros Vrios tipos de erros podem ser introduzido durante a medidade temperatura com o uso de termopares. Erros

    devidos a carregamento do circuito do termopar (jdescrito) , preciso na leitura, rudo e resposta dinmica

    devem ser minimizados afim de alcanar preciso desejada. Existe ainda outro tipo de erro inerente a sensores

    de temperatura, o chamado erro de insero. O erro de insero o resultado do aquecimento ou resfriamento

    da juno que muda a temp eratura da juno T do meio na temperatura Tm .

    Este erro classificado em trs tipos: 1) Erro de conduo 2) Erro de recuperao 3) Erro de radiao ___________________________________________________________________________________ Pgina 30

  • O primeiro erro devido a transferncia ou absoro de calor por conduo para o ambiente

    atravs do contato do termopar com o corpo a ser monitorado. Este erro mais significante quando a

    massa trmica do termopar comparvel com a do sistema. O segundo erro acontece sempre que um

    termopar inserido no meio de um gs movimentando-se alta velocidade, resultando na estagnao do

    gs prximo ao probe de medida. Finalmente, o terceiro erro devido aperdas por radiao de calor. Este

    erro mais significante em altas temperaturas. Termopilha:

    Outro recurso muito utilizado a pilha de termopares queconsiste em associar vrios termopares do

    mesmo tipo em srie, de forma tal que a tenso de leitura seja a soma algbrica das tenses dos vrios

    termopares. Dessa forma consegue-se uma tenso de le itura mais elevada e maior imunidade ao rudo. Uma ressalva, os termopares devem medir sempre a mesma temperatura. A figura abaixo ilustra isto.

    V

    Os termopares so classificados em funo da faixa de temperatura que atuam, dos materiais que

    compem suas ligas e da preciso associada eles. Abaix o tem uma tabela classificao de termopares: Tipo Positivo Negativo Preciso Faixa Observaes B Pt 30%Rh Pt 6%Rh 0,5% >800C 50 a 1820 Para altas temperaturas C W 5%Re W 26%Re 1% >425C 0 a 2315 Para temperaturas muito

    altas D W 3%Re W 25%Re 1% >425C 0 a 2315 Para temperaturas muito

    altas E Ni 10%Cr Cu 45%Ni 0,5% ou 1,7C -270 a 1000 Uso geral para temperaturas

    mdias e baixas G W W 26%Re 1% >425C 0 a 2315 Para temperaturas muito

    altas J Fe Cu 45%Ni 0,75% ou 2,2C -210 a 1200 Alta temperatura em

    atmosfera redutora K Ni 10%Cr Ni 2%Al 2%Mn 1%Si 0,75% ou 2,2C -270 a 1372 Uso geral, alta temperatura

    em atmosfera oxidante M Ni Ni 18%Mo 0,75% ou 2,2C -50 a 1410 N Ni 14%Cr 1,5%Si Ni 4,5%Si 0,1%Mg 0,75% ou 2,2C -270 a 1300 Substituto melhor para o tipo

    K R Pt 13%Rh Pt 0,25% ou 1,5C -50 a 1768 De preciso para alta

    temperatura S Pt 10%Rh Pt 0,25% ou 1,5C -50 a 1768 De preciso para alta

    temperatura T Cu Cu 45%Ni 0,75% ou 1,0C -270 a 400 Uso geral p/ baixa

    temperatura, resistente umidade OBS: A liga de Cobre e Nquel (Cu-Ni) mais conhecida como Constantan ou Constant.

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 31

  • Termistores:

    Termistores so resistores sensveis temperatura. O s elementos resistivos so xidos de metais como mangans, nquel, cobalto, cobre, ferro, titnio. A figura abaixo d a ilustrao de um tipo comum.

    Com relao a forma como a resistncia varia com a temperatura os termistores podem ser classificados de duas formas: NTC ou PTC.

    NTC: quando a resistncia do termistor diminui com o aumento da temperatura; PTC: quando a resistncia do termistor aumenta com o aumento da temperatura.

    O tipo NTC mais usual na medio e controle de temperatura. Mas no so muito usados em processos industriais, provavelmente pela falta de padronizao entre os fabricantes.

    O termistor NTC um dos sensores de temperatura que do a maior variao da sada por variao de temperatura, mas a relao no linear.

    A relao entre resistncia e temperatura dada pelaequao de Steinhart & Hart:

    T = 1/(a + b ln R + c ln R3)

    Onde os coeficientes a, b e c so caractersticos de cad a modelo e informados pelos fabricantes.

    A tabela abaixo d as principais caractersticas de um tipo comum 44004 fabricado pela YSI. Nota-se a no-linearidade da temperatura com a resistncia. Entretanto isto pode ser melhorado

    com o uso de amplificadores logartmicos que linearizam o componente, tornando-o til para a

    aplicaes como transdutor de temperatura. Pode-se tambm notar que a temperatura mximano das mais elevadas, outro fator que limita o

    uso industrial. Uma aplicao tpica de termistores na proteo de circuitos de potncia.

    Parmetro Valores Resistncia a 25C 2252 ohms Faixa de medio -80 a +120C tpico (250C max) Tolerncia 0,1 ou 0,2C Estabilidade em 12 meses < 0,02C a 25C e < 0,25C a 100C Constante de tempo < 1,0 s em leo e < 60 no ar calmo Auto-aquecimento 0,13 C/mW em leo e 1,0 C/mW no ar Coeficientes a = 1,4733 10

    -3 b = 2,372 10

    -3 c = 1,074 10

    -7

    Dimenses 2,5 x 4 mm

    PTCs apresenta limitao de uso pelo fato de que soment e so PTCs dentro de uma faixa de

    temperatura, mais restrita que a dos NTCs. Assim sendo os NTCs so mais comuns. A aplicao tpica de um PTC como proteo por sobrecarga por corrente excessiva de componentes eletrnicos.

    Termoresistncias:

    RTD abreviao inglesa de "Resistance Temperature Det ector". A base do funcionamento o

    conhecido fenmeno da variao da resistncia eltrica dos metais com a temperatura. Embora os anteriores

    usem princpios similares, em geral eles n o so classificados como RTDs, uma vez que os

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 32

  • elementos resistivos so xidos e semicondutores. Os meta is mais usados so platina, nquel, cobre, ferro, molibdnio e/ou ligas dos mesmos.

    Na figura ao lado, esboos dos dois tipos comuns de RTD: em A o RTD

    de fio (o fio metlico enrolado em forma de espiral dentro de um tubo

    cermico com suportes e outros detalhes no mostrado s). Em B o RTD

    de filme (um filme metlico depositado sobre uma placa de cermica).

    Na prtica, o RTD de filme tambm colocadono interior de um tubo

    para proteo. Ambos so desenhos sem escala.

    A variao da resistncia eltrica com a temperatura de um fio metlico dada pela relao R(t) =

    R0 (1 + a t + b t2 + c t

    3), onde R0 a resistncia a 0C e os coeficientes a, b e c so aractersticas do metal

    ou liga. uma variao bastante pequena e circuit os adequados devem ser usados. Ver no grfico abaixo a comparao com um termistor tpico.

    praxe a especificao trmica de um RTD ser dada pelo coeficiente mdio (alfa) de temperatura na faixa de 0 a 100C. Assim, alfa = (R100 - R0) / (100 R0). Unidade 1/C.

    Pequenas propores de impurezas ou elementos de liga podem a fetar consideravelmente o coeficiente de temperatura. Algumas vezes, impurezas so propositalmente adicionadas para contrabalanar o efeito de impurezas existentes de difcil remoo.

    Embora neste caso seja desejvel a maior variao

    possvel de resistncia com a temperatura, em outros casos deve ser o contrrio. Exemplo: uma liga de 84% Cu, 12% Mn

    e 4% Ni quase no apresenta variao com a temperatura.

    usada para fabricar resistores de preci so.

    Abaixo, temos uma tabela comparativa para alguns metais e ligas mais usados:

    Metal Metal C Alfa Observaes Cobre Cu -200/260 0,00427 Baixo custo Molibdnio Mo -200/200 0,00300 e 0,00385 Opo de menor custo p/ Pt em faixa limitada Nquel Ni -80/260 0,00672 O custo baixo mas a faixa limitada Nquel-ferro Ni-Fe -200/200 0,00518 Baixo custo Platina Pt -240/660 0,00385 e 0,00392 Boa preciso

    RTDs de cobre

    Cobre raramente usado para essa finalidade e parece no haver padres internacionais.

    Quando usado, comum um coeficiente alfa = 0,00427 1/C. Na faixade temperatura 0 a 200C e se no h necessidade de muita preciso, pode ser empregada uma rela o simplificada:

    R(t) = R0 (1 + 0,00427 t). RTDs de molibdnio

    O material cermico alumina (xido de alumnio) tem co eficiente de expanso trmica prximo do

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 33

  • molibdnio e, portanto, formam um bom conjunto para o tipo ilmef metlico. O coeficiente do metal alfa

    = 0,00300 1/C. Atravs de dopagem com outros metais, tambmdisponvel com alfa = 0,00385 1/C, o que d compatibilidade com a platina para uma faixa mais reduzida de temperaturas.

    RTDs de nquel

    So usados em aplicaes onde o baixo custo importante. Em relao platina, o nquel tem menor resistncia corroso e menos estvel em temperaturas elevadas. Por isso, geralmente usado para ar sem impurezas.

    Alguns fabricantes sugerem uma frmula modificada: R(t) = R0 (1 + a t + b t2 + d t

    4 + f t

    6 ),

    onde a = 5,485 10-3

    , b = 6,650 10-6

    , d = 2,805 10-11

    e f = -2,000 10-17

    . O coeficiente alfa 0,00672 1/C.

    Se no h muita exigncia de preciso, pode-se usarR(t) = R0 (1 + a t) com a = alfa. RTDs de nquel-ferro Tm custo ainda menor que o de nquel e so usados em aplicaes onde so possveis e o custo fundamental. O fator alfa 0,00518 1/C.

    RTDs de platina Platina o metal mais usado por sua resistncia corroso e estabilidade em altas temperaturas.

    usada uma frmula modificada: R(t) = R0 ( 1 + a t + b t2 + c (t - 100) t

    3 ).

    Existem dois padres internacionais que diferem no nvel de dopagem e, portanto, nos coeficientes: 1) Padro Pt100: alfa = 0,00385055 1/C. R0 = 100 ohms. a = 3,90830 10

    -3, b = -5,77500 10

    -7 e c = -

    4,18301 10-12

    para t entre 0 e 200C. Para t entre 0 e 800C, mesmos a e bmas c = 0. O padro usado em muitos pases.

    2) Padro USA: alfa = 0,0039200 1/C. R0 = 98,129 ohms. a = 3,97869 10-3

    , b = -5,86863 10-7

    e c =

    - 4,16696 10-12

    .

    Semicondutores:

    sabido que os parmetros eltricos dos semicondutores v ariam com a temperatura. E eles podem ser usados como sensores trmicos.

    Um simples diodo de silcio diretamente polarizado conforme figura ao lado provavelmente o mais barato sensor de temperatura que pode existir. A tenso lida no voltmetro varia com a temperatura na razo aproximada de 2,3 mV/C. A corrente de polarizao deve ser mantida constante com uso de, por exem plo, uma fonte de corrente constante.

    Na prtica, o diodo funciona como um resistor cuja resistncia varia com a temperatura. Diversos fabricantes desenvolveram diodos especficos para a funo. A

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 34

  • curva ao lado caracterstica do tipo KTY81 da Philips. Alguns fabricantes tambm desenvolveram transistores para uso como sensores de temperatura.

    Entretanto, sempre h necessidade de circuitos auxiliares para compensar falta de linearidade e para levar o sinal para nveis de operao do circuito de controle. Para isso, vrios fabricantes produzem o conjunto sensor + circuitos auxiliares em forma de circuito integrado. Existem tipos analgicos com sada de tenso ou sada de corrente e os de sada digital para us o com microcontroladores.

    No lugar de um diodo poderamos ter utilizado um transistor NPN com os terminais de base e coletor

    interligados. A propriedade da dependncia com a temperatura funo da juno PN feita de silcio, por

    isso este efeito tambm ocorre em transistores. Outroparmetro que varia com a temperatura acorrente

    reversa da juno. Ela aproximadamente dobra para cada 10C de aumento na temperatura. O uso de transdutores base de diodos semicondutores ou jun o base emissor de Transistores, na

    prtica, restringe-se a substituio de termmetros clnicos de mercrio e aplicaes de baixa temperatura e

    preciso razovel. A vantagem o custo e a robustez.

    Transdutores Fotoeltricos

    So dispositivos que convertem a luz em sinal eltrico. So utilizados em aparelhos de medio

    como luxmetros e em transmisso de sinais por meios t icos(fibra tica). Podem ainda, ser especficos para uma determinada regio do espectro, inclusive o infrave rmelho, que a faixa de regio das ondas de calor, que so utilizadas nos pirmetros distncia ou infravermelhos.

    So basicamente utilizados os seguintes componentes:

    Clulas Fotovoltaicas;

    Fotoresistores ou

    LDRs Fotodiodos; Fototransstores.

    Clulas foto-voltaicas

    So dispositivos que convertem energia luminosa em eltrica. O diodo iluminado intensamente na juno pode reverter a barr eira de potencial em fonte de

    eltrons, produzindo energia. A eficincia do processo baixadevido a pouca transparncia da juno (somente as camadas superficiais so iluminadas), apenas alguns %.

    Seu uso atual est mais restrito aos painis solares. Outro dispositivo a foto-clula de selnio (um semicondutor), de operao similar. Usa-se em

    medidores de luminosidade e aparelhos de anlise qumica (com fotocolormetros).

    LDR:

    O LDR (light dependent resistor, resistor dependente da luz) tem sua resistncia diminuda ao ser

    iluminado. composto de um material semicondutor, o sulfe to de cdmio, CdS. A energia luminosa

    desloca eltrons da camada de valncia para a de conduo mais( longe do ncleo), aumentando o nmero destes, diminuindo a resistncia. A resistncia varia delgunsa Mw, no escuro, at centenas de W, com luz

    solar direta. ___________________________________________________________________________________ Pgina 35

  • Os usos mais comuns do LDR so em rels fotoeltricos,fotmetros e alarmes. Sua desvantagem est na lentido de resposta, que limita sua operao.

    Foto-diodo

    um diodo semicondutor em que a juno est exposta luz. A energia luminosa desloca

    eltrons para a banda de conduo, reduzindo

    a barreira de potencial pelo aumento do

    nmero de eltrons, que podem circular se

    aplicada polarizao reversa.

    A corrente nos foto-diodos da ordem de dezenas de mA comalta

    luminosidade, e a resposta rpida. H foto-diodos para todas as faixas de

    comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material.

    O foto-diodo usado como sensor em

    controle remoto, em sistemas de fibra ptica,

    leitoras de cdigo de barras, scanner

    (digitalizador de imagens, para computador),

    canetas pticas (que permitem escrever na

    tela do computador), toca-discos CD,

    fotmetros e como sensor indireto de posio

    e velocidade (encoders e tacmetros ticos).

    Na figura acima, temos as curvas caractersticas de um fotodiodo. Verifique que a corrente

    reversa(em microAmpere) aumenta, com o aumento da intensidade luminosa. Verifique que

    existe sempre uma corrente mnima, na falta de luz, chamada corrente de escuro. Na figura

    abaixo, temos um circuito que utiliza o fotodiodo. Verifique que a informao obtida

    atravs da leitura da tenso sobre o resistor, que ser proporcional a corrente reversa e esta

    proporcional a luz..

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 36

  • Foto-transistor

    um transistor cuja juno coletor-base fica exposta luz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica a corrente, e

    fornece alguns mA com alta

    luminosidade. Sua velocidade menor

    que a do fotodiodo, mas trabalha com

    correntes maiores. Suas aplicaes so as do

    fotodiodo, exceto sistemas de fibratica, pela operao em alta

    freqncia. Na figura ao lado, temos as curvas

    caractersticas de um fototransistor. Verifique que as curvas so iguais as de

    um transistor comum, exceto que no temos a corrente de base e sim o nvel de iluminamento em lux.

    Abaixo temos um circuito que usa o fototransistor. A informao tambm colhida na tenso sobre um resistor, j que a corrente de emissor e coletor soproporcionais ao nvel de iluminamento.

    Transdutores de Posio:

    So transdutores que se destinam a converter posio em s inais eltricos. So muito utilizados no posicionamento de servomecanismos e por CNCs. So de vrios tipos, mas os mais comuns so:

    Encoder: Convertem movimento angular em sinal eltrico;

    Rgua tica: Convertem movimento linear em sinal eltrico;

    Resolver: Convertem movimento angular em sinal eltrico;

    LVDT: Convertem movimento linear em sinal eltrico; Encoder:

    So dispositivos que convertem a posio angular do seu ei xo em sinal eltrico, usando para isto dispositivos eletropticos (leds e fototransistores). S o muito utilizados na industria pela sua preciso e simplicidade. So classificados de duas formas, conforme sua construo e modo de operao, a saber:

    Incremental: que na verdade fornecem apenas a informao do deslocame nto angular;

    Absoluto: que fornecem a posio absoluta do seu eixo. ___________________________________________________________________________________ Pgina 37

  • Encoder Incremental: O encoder incremental segue o princpio da figura ao lado, onde um disco com janela a intervalos regulares iluminado por uma fonte de luz. Do outro lado do disco, fica um elemento fotosensvel. Ao girar, alterna-

    se as reas com janela e sem janela, gerando no

    elemento fotosensvel uma seqncia de pulsos. A contagem dos pulsos, permite a avaliao do

    deslocamento angular, tal qual ocorre no mouse do computador. Usa-se sempre dois conjuntos de fotosensores,

    chamados canal A e B, deslocados na posio. Isto faz com que sinais defasados de 90 sejam gerados

    e permitam avaliar o sentido de rotao. H ainda um terceiro sinal, que serve de

    referncia de zero, para saber quantas voltas o disco completou. Na figura abaixo, temos uma ilustrao de um encoder incremental montado.

    Encoders incrementais geram um certo nmero de impulsos por revoluo. O nmero de cada

    impulso a medida o da distncia movida (angular ou linear). Um disco codificado montado no eixo. O

    disco dividido em segmentos separados que so alternadamente opacos ou transparentes. Um led emite

    um feixe de luz orientado paralelamente e que ilumina todos os segmentos do disco codificado. Algumas foto-unidades recebem o luz modulada e a convertem em dois sinais sinosoidais que so alternados em fase por 90. Eletrnicas de digitaliza o ampliam os sinais e os transformam em trens de impulsos de ondas quadradas que so geradas atravs de um driver do cabo na sada. Todos os encoders incrementais de nosso programa bsico estodisponveis com 3 sinais de sada (index 0, A,B). O design do TTL de 5V tem tambm sinais de sada complementar A,B, e 0-index. A diferena de fase entre os sinais de 90 sempre o que serve para indicar o sentido do giro. Observando-se qual dos sinais (A ou B) vai a nvel lgico 1, primeiro que o outro , sabe-se para que lado o disco gira. O index 0,

    ___________________________________________________________________________________ Pgina 38

  • indica que o disco est na referncia ou marco zero. sOencoder incremental somente funciona quando est

    em movimento, no adianta ler os canais A e B, quando o e ncoder est parado, pois no haver uma resposta conclusiva a respeito da posio do encoder. Na v erdade, trabalhar com o encoder incremental signfica

    contar os pulsos que os canais A e B enviam. Q uando o equipamento ligado, o encoder nunca sabe onde est. Deve ser feito um processo de posicionamentopara buscar a posio zero. Isto chamado de fazer o

    homing da mquina. Se por alguma razo, a contagem de pulsos for perdida, a mquina precisar fazer o zeramento de novo.

    Para resolver este problema, desenvolveram o encoder absoluto. Encoder Absoluto:

    Encoders absolutos fornecem um valor numrico especfico (valor codificado) para cada posio angular, na forma de um dado binrio como um byte ou uma palavra (dois ou mais bytes).

    Esse cdigo de valores est disponvel imediatamente aps o aparelho ser ligado. O disco

    codificado firmemente montado ao eixo. O disco dividido me segmentos separados que so alternadamente transparentes ou opacos. A fonte de luz emite um feixe de luz orientado paralelamente que

    ilumina todos os segmentos do disco codificado. Foto-unidades recebem a luz modulada e convertem-na em sinais sinosoidais.

    Os sinais so em seguida digitalizados e fornec idos como uma sada via o driver do cabo.

    A figura acima, ilustra um encoder absoluto e seu disco codificado.

    O cdigo mais utilizado o cdigo cinza . Esse cdigo trab alha por um passo, por exemplo,

    quando sa de um nmero e vai para um outro, somente um bit simples muda (de claro para escuro) no disco codificado. No cdigo cinza o bit individual no corresponde ao valor numrico como no caso, por ___________________________________________________________________________________ Pgina 39

  • exemplo, de um cdigo binrio, onde cada combinao de um bit recebe um certo nmero decimal. A

    combinao de bit no cdigo cinza convertida em cdigos binrio s BCD por um controlador SSI e pode ser mais tarde processsado. A grande vantagem deste cdigo que ele evita erros nos sensores pticos.

    Amostra de cdigos de um disco codificado desenrolado

    O cdigo excessivo, corresponde um cdigo de gray com off-se t ou deslocamento. Isto ocorre

    porque ao final do cdigo de Gray, quando ele retorna a zer o, mais que um bit pode variar. Neste casos usa-se o deslocamento que corrige este problema.

    Um cdigo cinza genuno, que usa totalmente o nmero de bits, numera de zero a 2 n -1. Exemplos: 2^4 = 16 contagem a partir de 0 a 15 ou2^12 = 4096 contagem de 0 a 4095 Resolues nesse entremeio, so por exemplo 360 ou 1000, contad as de:

    76 a 435 com uma dada soluo de 360 ou 12 to 1011 em uma resoluo de 1000 .

    Para uma resoluo requisitada de cdigo cinza um nmero maior (que deve ter uma fora de 2) tomado como uma base, mas somente a seo do meio do cdigo usada, por exemplo, os cdigos de excesso no incio e no final so deletados. Isso assegura que para cada aumento nem um passo a mais ir mesmo contando-se aps o zero.

    Encoders absolutos so usados sempre que posies angulares tm que ser distribudos para um certo valor ou quando a deteco de uma determinada posi o absolutamente necessria no caso de uma falha de fora.

    Encoders absolutos podem ser divididos em:

    encoder single-turn (giro simples), que funcionam da forma acima mencionada encoder multi-turn (giro mltiplo), so uma modificao do s acima mencionados.

    Princpio de deteco de giros mltiplos

    Os encoders de giro mltiplo no detectam somente posies angulares, mas tambm distingue diversas

    revolues. A posio dentro de uma revoluo determi nada conforme o princpio do encoder de giro-

    simples. A fim de se distinguir entre um nmero de revolues magnticos permanentes encaixados no ___________________________________________________________________________________ Pgina 40

  • disco so usados e conectados um ao outro. A deteco f eita via digital pelo sensor Hall. A resoluo de um encoder de giros mltiplos de 8192 passos x 4096 revolues.

    A figura abaixo ilustra a montagem de um encoder absoluto de mltiplo giro.

    Dados de transferncia para um encoder de giros mltiplos

    Como padro, o protocolo de transferncia de uma palavra de 25 bits de dados dos quais 12 bits so para revolues (giros mltiplos) e 13 bits para passos por r evoluo (giros simples).

    A transferncia sempre inicia-se com bits de giro mltiplos (M12 - M1), em seguida, bits para a parte de giro simples (S13 - S1), comeando-se com o S12. ___________________________________________________________________________________ Pgina 41

  • Especificando um encoder:

    importante conhecer os mtodos de especficao de um en coder, pois estes dispositivos so

    muito usados. Um dos parmetros fundamentais de um encoder o n de pulsos por volta ou revoluo. Vamos calcular esta informao usando um exemplo simp les:

    Uma mquina CNC que usa coordenadas incrementais , precisa de um encoder. Sabendo-se que:

    A resoluo da mquina igual 1micrmetro (Res=0.001mm); Passo do fuso de esfera de 5mm(PA=5mm);

    Fator de interpolao de 4vezes (Int=4);

    Assim o n de pulos por revoluo Np dado por:

    Np = PA / (Res *Int), ou seja, Np = 5 mm / (0.001mm * 4) ;

    Assim Np =1250 pulsos por revoluo.

    A interpolao um algoritmo matemtico que o equipamento faz, que consegue aumentar a resoluo do transdutor. No nosso exemplo, com uma interp olao de 4x, a resoluo do sensor foi aumentada de 4x. Sem a interpolao, teramos que usar um sensor com Np 4x maior.

    A interpolao aplicada em vrios tipos de transdutores, como por exemplo nos scanners, mas a limites para sua aplicao e o limite o instante em que a preciso cai em funo de uma interpolao muito alta.

    Embora a metodologia matemtica seja a mesma, no se deve confundir a interpolao para aumentar a resoluo do encoder, com a interpolao de eixos de um CNC, so coisas diferentes.

    Rgua tica:

    A rgua tica segue o princpio de funcionamento do encoder incremental, s que ela traduz

    movimentos lineares ao invs de

    movimentos angulares. Conforme a

    figura ao lado, verificamos que se trata

    de uma placa com divises que faz a

    funo do disco no encoder. Ao se

    movimentar, a placa ou rgua como

    mais conhecida, interrompe o feixe de

    luz que ilumina o fotosensor. Dessa

    forma uma seqncia de pulsos

    gerado. Novamente so usados dois

    conjuntos de fotosensores para gerar

    sinais defasados entre si que permitam

    distinguir o sentido do movimento.

    H tambm o sinal de referncia ou zero, que ativo quando

    o sensor passa pela marca de referncia da rgua tica. Afora o fato de que trata-se de um movimento linear e no angular, no h nenhuma novidade em relao ao encoder. ___________________________________________________________________________________ Pgina 42

  • Resolver:

    A utilizao de encoders tem limitaes devido ao fato de q ue estes dispositivos so sensveis a vibrao e a temperatura, devido a natureza de sua construo e funci onamento. Entretanto, existem dispositivos mais robustos capazes de fornecer informaes a respeito da pos io angular de um eixo. So os Resolvers,

    muito utilizados em servomotores de

    CA. Resolver so dispositivos

    similares um pequeno motor, com

    estator e rotor tendo dois enrolamentos no estator e um enrolamento no rotor,

    tal qual a figura B) logo abaixo.

    Observe que as bobinas do estator

    esto dispostas de forma perpendicular

    entre si. Isto significa que o fluxo

    magntico de uma bobina no interfere

    no da outra, ou seja, acoplamento

    indutivo entre elas nulo. (A) Posicionamento por sensor de Efeito Hall (B) Posicionamento por Resolver

    J no rotor tambm h um enrolamento, que deve ser mentadoali com um sinal alternado senoidal de

    uma determinada freqncia angular, que na ilustra o vale W. O eixo do rotor do resolver est sempre acoplado ao eixo de um servomotor e gira solidariamente a este.

    Quando o rotor est parado, h um acoplamento entre bobina do rotor e as bobinas do estator de forma tal que em cada bobina induzida uma tenso alternada de mesma freqncia do sinal do rotor. Entretanto o valor de pico da senide de cada bobina do est ator diferente e depende do angulo do rotor. Perceba que devido ao fato das bobinas