148 SENSORES INDUTIVOS Introdução teórica Os sensores de proximidade indutivosdetectam a aproximação de elementos metálicos sem que haja contato físico. Princípio de funcionamento – Baseia-se na geração de um campo eletromagnético de alta freqüência que é desenvolvido na face sensora. Este campo é gerado por uma bobina ressonante que faz parte de um circuito oscilador. Quando um metal aproxima-se do campo este por corrente de Foulcault absorve energia do campo e diminui a amplitude do sinal gerado no oscilador. A variação da amplitude é convertida em uma variação de tensão contínua que comparada com um valor padrão passa a atuar no estágio de saída. AÇO INOX USO GERAL
149 Nas figuras que se seguem estão mostrados exemplos de conexão de sensores indutivos de aproximação de modelos para corrente contínua (VCC) e de corrente alternada (VCA).
150 Distância de acionamento A distância de acionamento depende da intensidade do campo eletromagnético que depende do tamanho da bobina, portanto não se pode escolher o tamanho do sensor e a distância de acionamento ao mesmo tempo. Distância sensora (S) È a distância em que, aproximando-se o acionador da face sensora, o sensor muda de estado da saída. Distância sensora nominal (Sn) É a distância sensora teórica, a qual utiliza o alvo padrão como acionamento e não considera as variações causadas pela industrialização, temperatura de operação e tensão de alimentação. O valor em que os sensores de proximidade indutivos são especificados. Distância sensora real (St) Valor influenciado pela industrialização, especificado em temperatura ambiente (20°C) e tensão de operação nominal possui desvio de 20% sobre a distância sensora nominal. 0,9 Sn < = Sr < = 1.1 Sn Distância sensora efetiva (Su) Valor influenciado pela temperatura de operação, e possui um desvio máximo de 10% sobre a distancia sensor real (Sr). 0,9 Sr < = Su < = 1,1 Sr, ou seja, 0,81 Sn, = Su< = 1,21 Sn Distância sensora operacional (As) É a distância em que seguramente pode-se operar considerando-se todas as variações de industrialização e variação de temperatura. 0 < = As , = 0,81 Sn Material do acionador A distância sensora nominal varia com o tipo de metal, ou seja, é especificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator de correção para outros materiais. Histerese É a característica do efeito existente entre o acionamento de desacionamento do sensor quando o alvo metálico se se aproxima da face sensora e se afasta da face sensora. Este efeito é expresso em porcentagem da distância sensora (exemplo = 3%). É importante que exista a histerese entre o ponto de acionamento e desacionamento do sensor para que no caso de uma possível vibração do sensor ocasione uma oscilação na saída do acionador.
151 Aplicações
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153 Detecção da Presença de Barras de Aço Carbono em Solda de Grelha
154 SENSORES CAPACITIVOS Introdução teórica Os sensores de proximidade capacitivos detectam a aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, madeiras, vidros, papéis, metais etc. Princípio de funcionamento O sensor capacitivo baseia-se num oscilador de alta freqüência controlado por capacitor. O conjunto de placas do capacitor é montado na face sensora, formando a região sensora. Quando um material aproxima desta região provoca uma alteração no dielétrico, variando a capacitância que por sua vez altera a amplitude do sinal gerado pelo oscilador. Esta variação de amplitude do sinal é convertida em uma variação contínua que passa por um comparador com um valor padrão que atua no estagio de saída. O aspecto construtivo do sensor é semelhante ao indutivo. Aplicações O sensor capacitivo é aplicável principalmente em controle de nível em silos de líquidos ou materiais não metálicos e metálicos em sistemas de contagem e controle. Distância de acionamento Posicionando-se o capacitor do oscilador na parte frontal do sensor tem-se a formação de face sensora que é a principal área de região sensora (região que se torna sensível a penetração de materiais).
155 Ajuste de distância Devido a grande variação de distância sensora para os vários tipos de materiais, os sensores estão providos de um ajuste de sensibilidade, o que permite detectar certos materiais por meios de outros. Por exemplo, pode-se detectar água dentro de um tubo de PVC etc. Não foi possível detectar nenhum material no seu interior através de uma superfície metálica.
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157 - CATÁLOGO TÉCNICO
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159 SENSOR FOTOELÉTRICO POR SISTEMA DE DIFUSÃO Introdução teórica Os sensores ópticos detectam quase todos os materiais comparando-se com os indutivos e capacitivos, apresentando uma distância de operação maior. O transmissor é composto de um diodo emissor de luz infravermelha (invisível) que transmite “flash” em uma determinada freqüência. O receptor é composto por um foto-transistor, sensível à luz infravermelha, que em conjunto com um filtro só recebe sinais na freqüência dos “flashs”, tomando assim a recepção imune à iluminação ambiente. O sinal é detectado pelo foto-transistor e selecionado por um filtro passa faixa. Após a seleção do sinal pelo filtro é convertido em tensão DC e passa por um comparador acionando a saída. O sistema de transmissão e recepção de luz infravermelha pode ser aplicado das seguintes maneiras: •Sistemas de barreira •Sistema por reflexão •Sistema por difusão Na figura a seguir está mostrado um sensor fotoelétrico que pode atuar num sistema por reflexão e por difusão. Sistema por difusão Também o transistor e o receptor estão no mesmo invólucro, sendo que o acionamento ocorre quando o objeto aproxima-se da região de sensibilidade, refletindo para o receptor o feixe de luz recebido do transmissor.
160 A distância sensora é definida diretamente para cada um dos modos de construção. A distância para os modelos de difusão são referenciados a um padrão, normalmente o papel cartão (kodak gray card) com dimensão de 100x100mm, 90% de refletividade. Como regularmente a lei da reflexão de luz, a distância de funcionamento deste modelo varia de acordo com a cor, rugosidade, dimensões e formas dos objetos detectados. A tabela mostra os fatores de correção para distância sensora de acordo com os tipos de materiais detectados. SENSOR FOTOELÉTRICO POR SISTEMA DE BARREIRA Introdução teórica O sensor de barreira é semelhante ao reflexivo. A diferença é que o transmissor e receptor estão separados entre si. O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um em frente ao outro de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto interromper a recepção da luz. Barreira é a distância entre o transmissor e o receptor. Existem modelos de sensor óptico de barreira para até 100m. O transmissor e o receptor podem se alimentados por fontes distintas.
161 SENSOR FOTOELÉTRICO POR REFLEXÃO Introdução teórica Sistema por reflexão Neste sistema o transmissor e o receptor estão na mesma unidade. O feixe de luz é enviado ao receptor somente por intermédio de um espelho prismático, onde o acionamento ocorre quando o objeto interrompe o feixe de luz. Reflexão é a distância entre o sensor e o espelho prismático. Esta distância é normalmente definida para um determinado tamanho de espelho, quanto maior o espelho maior a distância de funcionamento.
162 SENSORES FOTOELÉTRICOS
163 SENSORES FOTOELÉTRICOS
164 ENCODER LINEAR Introdução teórica Régua linear também é conhecida como transdutor que possui um sensor óptico composto por duas partes; emissora e receptora o qual apoiada em duas barras que permitem um deslizamento uniforme sobre uma escala de furos que permitem assegura a resolução linear do dispositivo. A régua linear ou encoder linear tem como função fornecer dados de controle de movimento de máquinas, com menor erro possível fuso e de movimento. Características principais de um encoder linear são; Graduação; Precisão; Curso útil; Forma de sinal de saída. Existem diversos tipos de encoder linear, para variadas aplicações onde se necessita precisão de leitura em sistemas de posicionamento com resoluções de um ou cinco micrometros. Na figura está mostrado um encoder linear. Como forma de determinar a resolução de um encoder linear pode-se: 1. pegar uma régua graduada em mm medir o comprimento da régua do encoder. Exemplo: Comprimento do encoder linear= 1000 mm 2. Contar o número de furo da régua do encoder. Número de furos do encoder = 200 3. Determina-se a resolução do encoder linear utilizando a seguinte expressão: R => resolução N => nº de furos do encoder C => comprimento da régua do encoder No exemplo a Resolução do encoder é igual a ______________
165 ENCODER ANGULAR Introdução teórica Na indústria a aplicação dos sensores ópticos, na maioria das vezes é feita por meio dos encoders que podem ser implementados de forma muito simples. Onde um disco perfurado permite a passagem ou não do feixe de luz. Desta forma a posição ou velocidade é registrada contando-se o número de pulsos gerados. No caso de haver necessidade de saber o sentido de rotação, pode-se implementar o disco com duas fileiras de furos defasados, utilizando-se 2 sensores. Sob rotação, haverá a seqüência 0-1-0-1 nas duas fileiras, entretanto se num sentido a fileira mais próxima do centro estará adiantada em relação a segunda e vice versa. Existe ainda a possibilidade de obter-se a posição exata (ângulo de rotação) por meio de confecção adequada do disco com n fileiras de furos. Neste caso tem-se um código binário de n bits relativo a uma determinada posição. Este tipo de dispositivo é chamado de encoder absoluto. Na figura a seguir está mostrado o encoder angular.
166 O encoder angular está acoplado a um motor DC, cuja velocidade é determinada pela tensão aplicada na entrada indicada por Velocidade. Quando o motor gira, o encoder acompanha o movimento do motor, portanto, é possível medir a velocidade e o sentido de giro do motor. O encoder possui dois sensores com disco perfurado de único furo que determinam direção e controle. Quando o bit de controle (passo) sai do nível 0 para o nível 1 (borda de subida), com o bit de direção em nível 0, o motor está girando no sentido anti-horário. Quanto o bit de controle (passo) sai do nível 0 para o nível 1 (borda de subida), com o bit de direção em nível 1, o motor está girando no sentido horário. Para saber a resolução do encoder utiliza-se a seguinte expressão: Para saber quantos graus o motor girou, basta contar o número de pulsos do bit de passos e multiplicar pela resolução do encoder. Posição (em graus) = números de pulsos de passo x resolução do encoder.
167 SENSOR DE PRESSÃO Introdução teórica Medidas de pressão são amplamente empregadas em diversas áreas, como em pesquisa e desenvolvimento. Na indústria de refrigeração, medidas de pressão são freqüentemente utilizadas no estudo de compressores. Existem diversos tipos de sensores de pressão pneumáticos e hidráulicos. Os medidores de pressão dependem da propriedade do fluido, densidade, viscosidade e temperatura. O sensor de pressão pneumática é constituído de um componente de silício piezelétrico (STRAIN GAUGE) que altera a resistência elétrica quando esta sofre deformação mecânica. O sensor mede pressão usado aqui vai de 0 a 7BAR (0 a 100psi), e fornece a sua saída uma tensão de 0 a 60mV. PRESSOSTATOS É um instrumento de controle de pressão utilizado como componente do sistema de proteção de equipamento ou processos industriais. É constituído em geral por um sensor, um mecanismo de ajuste de set-point e uma chave de duas posições (aberto ou fechado). Como mecanismo de ajuste de set-point utiliza-se na maioria das aplicações uma mola com faixa de ajuste selecionada conforme pressão de trabalho e ajuste, e em oposição à pressão aplicada. O mecanismo de mudança de estado mais utilizado é o micro interruptor, podendo ser utilizado também ampola de vidro com mercúrio fechando ou abrindo o contato que pode ser do tipo normal aberto ou normal fechado. FUNÇÃO DO PRESSOSTATO
168 A função do pressostato é proteger a integridade de equipamentos contra sobrepressão ou subpressão aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento. TIPOS DE PRESSOSTATOS DIFERENCIAL COM DIFERENCIAL FIXO OU AJUSTÁVEL Quanto ao intervalo entre atuação e desarme, os pressostatos podem ser fornecidos com diferencial fixo e diferencial ajustável. O tipo fixo só oferece um ponto de ajuste, o de set-point, sendo fixo o intervalo entre os pontos de atuação e desarme. O tipo ajustável permite ajuste de set-point e também alteração do intervalo entre o ponto de atuação e o de desarme. PRESSOSTATO DE BAIXA PRESSÃO Este pressostato é normalmente instalado no lado de baixa pressão em um circuito de pressão. O mesmo pode atuar como controle ou proteção do sistema. Suas características principais são: • Uma tomada de pressão; • Escala de trabalho e diferencial ajustável; • Relê elétrico tipo SPDT – polo simples e duplo acionamento; • Faixa de pressão: – 0,5 a 7 psi / 15 a 100 psi. PRESSOSTATO DE ALTA PRESSÃO Este pressostato é instalado no lado de alta pressão em um circuito de pressão. Para controlar a alta pressão do sistema tem-se como opção o pressostato com rearme automático Suas características principais são: • Uma tomada de pressão; • Escala de trabalho e diferencial ajustável; • Relê elétrico tipo SPDT – polo simples e duplo acionamento; • Faixa de pressão: 6 a 31 psi / 90 a 450 psi. PRESSOSTATO CONJUGADO DE ALTA E BAIXA PRESSÃO Este tipo de pressostato combina as funções de controle de alta e baixa pressão em um único produto. Suas características principais são: • Relês internos separados para a baixa e alta pressão - uma das opções é que ele pode possuir internamente os interruptores separados, onde temos um relê para a alta e outro para a baixa. Isto torna possível a sinalização de alarmes separados para alta e
169 baixa pressão mesmo utilizando uma peça conjugada; • Possui no lado de alta a possibilidade de ser reversível para rearme automático ou manual. • 2 Tomadas de pressão; • Escala de trabalho e diferencial ajustável; • Relê elétrico tipo SPDT – polo simples e duplo acionamento; • Faixa de pressão: –0,5 a 7 psi / 15” a 100” psi – Baixa e 6 a 31 psi / 90 a 450 psi – alta. PRESSOSTATO DIFERENCIAL OU DE ÓLEO O pressostato diferencial ou de óleo, possui algumas aplicações possíveis em um sistema de refrigeração e outros. • Utilizado para efetuar a parada do compressor devido a lubrificação inadequada; • Verificação da perda de carga em filtros de linha de líquido • Verificação da perda de carga em filtros de linha de sucção; • Verificação da perda de carga em filtros de óleo. O pressostato de óleo é sempre utilizado em compressores com lubrificação forçada, verificando a pressão diferencial da bomba de óleo. Para isto, admite duas tomadas de pressão: uma de baixa pressão (LP) e a outra de alta pressão (HP). O lado HP é conectado na saída da bomba de óleo e o lado de baixa na sucção da bomba ou no cárter do compressor. Possui uma regulagem interna da pressão diferencial que deverá ser ajustada de acordo com a especificação de cada fabricante de compressor. Devemos sempre lembrar que ele trabalha verificando se a bomba de óleo do compressor está em boas condições, ou ainda se não existe qualquer obstrução na sua sucção. Temos ainda o caso onde o óleo do compressor foi enviado para o sistema e não retornou para o cárter. Em todos estes casos devemos por segurança parar o compressor. Por se tratar de um equipamento de segurança o seu rearme é manual, ou seja, é necessária a presença de um mecânico para antes de rearmar o compressor, verificar as condições da instalação e o motivo pelo qual o compressor parou. Uma outra regulagem importante em um pressostato de óleo é o tempo de retardo. Este tempo serve para que o compressor possa partir e regularizar a pressão de óleo. Se depois de decorrido este tempo a pressão diferencial ainda não estiver dentro dos padrões, o sistema será parado pelo temporizador do pressostato.
170 FUNCIONAMENTO - DIFERENCIAL FIXO - DIFERENCIAL VARIÁVEL Ponto alto: Quando o esforço da pressão atua sobre a membrana (ou pistão) ponto 6, e seu valor é superior ao esforço da mola 2 provoca o deslocamento da alavanca 4 que faz mudar o estado elétrico do bloco de contatos 1. Teremos atingido então, o valor do ponto alto de regulagem. Ponto baixo: Quando o esforço da pressão diminui e torna-se inferior ao esforço da mola 2 a alavanca 4 desce e entra em contato com a alavanca 5, o esforço da mola 3 do ponto baixo se opõe à descida da alavanca 4 e se soma ao esforço da pressão ainda existente. Assim que, a soma dos esforços (pressão + mola 3) torna-se inferior ao esforço da mola 2 o contato retorna ao estado inicial. Teremos, neste momento, atingido o ponto baixo de regulagem. MODO DE FUNCIONAMENTO DO CONTATO ELÉTRICO O funcionamento dos contatos elétricos dos pressostatos de baixa, de alta e conjugado de alta e baixa, obedecem ao movimento do fole, que expande de acordo com a pressão. Os contatos elétricos modificam o seu estado dependendo do movimento do fole. Os pressostatos podem ter dois tipos básicos de contatos: • SPDT - Single Pole Double Throw – que significa, entrada comum e saída dupla. • SPST - Single Pole Single Throw – que significa, entrada comum e saída única. Com o aumento da pressão, o pressostato se move no sentido de fechar o contato 1 com 4. (ver ilustração).Quando a pressão diminui a situação contrária ocorre. A função “ligar” ou “desligar” o equipamento controlado por este pressostato depende da aplicação para o qual estamos destinando este controlador de pressão e também em função da definição do circuito elétrico como um todo.
171 SENSOR DE TEMPERATURA Introdução teórica O sensor de temperatura semicondutora integrada serie LM35 fornece uma saída de tensão linear proporcional a temperatura centígrado. O circuito é construído de forma a funcionar em graus Kelvin cobrindo uma faixa de -55ºC à +150ºC de temperatura. O sensor de temperatura pode apresentar formatos de modelos diferentes com encapsulamento idêntico aos transistores. A tensão de saída é de 10mV para cada grau Celsius, então para 25ºC teremos 0,25Volt na saída do sensor. Se esta tensão for aplicada a um circuito amplificador de ganho ajustável, pode-se obter uma tensão de referência que permite uma leitura direta da temperatura, por exemplo: saída de 0,25V x ganho 10 = 2,5V. Onde 2,5V = 25 °C e 10V = 100 °C. SENSOR DE NÍVEL Introdução teórica Um sensor de nível de água, baseado em dois eletrodos de um material inoxidável isolado entre si por uma camada acrílica onde o conteúdo líquido e a superfície acrílica constituem o dielétrico. O circuito elétrico deste tipo de sensor é semelhante ao sensor de proximidade Capacitiva. Com a presença do fluído no interior do recipiente, o valor da capacitância entre os eletrodos se alteram. A variação da freqüência produzida no oscilador em função da variação da capacitância é convertida em tensão contínua. A medida em que o fluido se eleva no recipiente, a tensão de saída também aumenta. Por exemplo podemos ter: A escala relativa máxima de 10V para 1000 mililitros de água.
172 O sensor de nível utilizado neste exemplo tem como finalidade a compreensão do seu funcionamento. Para um projeto profissional existem no mercado inúmeros tipos e formatos de sensores de nível que podem ser utilizadas em inúmeras finalidades. DETECTOR ULTRA-SÔNICO Introdução teórica Ultra-som Existem diversas aplicações do ultra-som na indústria, medicina e aparelhos domésticos. As ondas ultra-sônicas são geradas por transdutores ultra-sônicos. O transdutor é constituído basicamente por uma fina camada de cristal de quartzo colocado sobre dois terminais. Quando aplicamos um esforço mecânico sobre a superfície do cristal, este esforço mecânico (pressão) converte em energia elétrica. Uma energia elétrica aplicada nos terminais do eletrodo, a tensão elétrica produz deformação na estrutura do cristal (dimensão) produzindo ondas sônicas. Este fenômeno é chamado de efeito piezelétrico. O ar não é um bom condutor para as vibrações mecânicas. As ondas de ultra-som sofrem grande atenuação ou amortecimento no meio em que se propaga. Este amortecimento mecânico é chamado “Dumping”. As freqüências mais altas sofrem maior amortecimento do que as freqüências mais baixas.
173 Um sistema de ultra-som deverá operar com freqüência adequada para cada tipo de aplicação. Um sistema ultra-sônico pode funcionar com freqüências compreendidas de 20kHz a 100kHz (baixa freqüência), 100kHz a 10MHz (alta freqüência). Na figura abaixo está mostrado o receptor e transmissor ultra-sônico. Se posicionarmos os sensores ultra-sônicos de forma a formar um ângulo conforme está mostrado a figura, o feixe de ultra-som se propagará até encontrar algum obstáculo. As vibrações mecânicas do ar ao encontrar um obstáculo serão refletidas e retornará até o receptor de forma que será possível calcular a distância do anteparo. Pode-se também utilizar um único sensor ultra-sônico colocado de forma que possa emitir e receber o mesmo sinal refletido em um obstáculo. A emissão é feita de modo pulsado com duração bem determinada. O aparelho emite ultra-sons em forma de pulsos de ondas que atingem o objeto, sendo refletidas sobre a forma de eco e voltando ao aparelho receptor. Com base no tempo entre a emissão e a recepção, é calculada a distância. O ultra-som é empregado em diversas áreas. Na mecânica, para medidas de densidade de fluidos, cavidades em metais, medidores de distâncias etc. Na segurança, o ultra-som é utilizado para detectar presença de corpos em recintos, alarme de presença em carros etc. O uso do ultra-som de baixa intensidade em medicina, para diagnóstico, se baseia na reflexão das ondas ultra-sônicas. O diagnóstico com ultra-som é mais seguro porque as ondas não são radiações ionizantes como os raios-x e por isso há a preferência em uso nos exames pré-natais. A freqüência de trabalho do sensor depende do sentido de corte e da espessura do cristal piezelétrico. Um emissor de 40kHz possui uma espessura específica para oscilação nesta freqüência. À medida que a freqüência de trabalho cresce a espessura do cristal diminui. O receptor ultra-sônico de cristal, quando recebe as ondas mecânicas, ele entra em ressonância e gera tensão senoidal. Na freqüência de ressonância a tensão é máxima
174 SENSOR MAGNÉTICO DE EFEITO HALL Introdução teórica Efeito Hall O efeito Hall foi descoberto em 1879, por Edwin Herbert Hall. Quando um condutor é submetido a um campo magnético perpendicular a direção da corrente elétrica, uma diferença de potencial surge nas laterais deste condutor na presença do campo magnético. Este efeito ocorre devido a cargas elétricas tenderem a desviar-se de sua trajetória por causa da força de Lorentz. Desta forma cria-se um acúmulo de cargas nas superfícies laterais do condutor produzindo uma diferença de potencial. Parte da corrente elétrica se desloca para a lateral e as lacunas de portadores positivos para a outra. O acúmulo de cargas elétricas iguais nas laterais do semicondutor cria-se uma diferença de potencial chamado tensão Hall. O efeito Hall existir em qualquer material condutor, entretanto nos semicondutores o efeito é mais intenso. Quando uma corrente flui pelo semicondutor e é cortado por um campo magnético perpendicular à sua superfície, pode causar uma diferença de potencial em uma direção perpendicular tanto ao campo magnético quanto à corrente I. Caso há a mudança do sentido do campo magnético sobre o semicondutor, a polaridade da tensão HALL também muda. O sensor Hall é um elemento sensitivo em campos magnéticos contínuos ou alternados. Na figura a seguir está mostrado o aspecto do sensor Hall (semicondutor).
175 Esta característica do semicondutor de efeito Hall possui grande vantagem na sua aplicação. O sensor de efeito Hall é utilizado na indústria automobilística, sistema de automação industrial, medidores de campo magnético,sistema aeroespacial e em inúmeras aplicações. A maioria dos instrumentos de medidas magnética (Gaussímetro) utiliza sensores de efeito HALL. CHAVE MAGNÉTICA (REED SWICTH) Introdução teórica “Reed switch” O reed switch é uma chave acionada por um campo magnético. Foi inventado no laboratório Bell Telephone por W.B. Elwood. Esta chave magnética é constituída de um par e contatos ferro magnético hermeticamente fechado dentro de um bulbo de vidro. O contato pode ser normalmente aberto ou fechado. A chave abre ou fecha na presença de um campo magnético aplicado sobre o componente. Para funcionar como rele, o reed switch é colocado no interior de uma bobina. Os dois contatos magnéticos existentes no invólucro são eletricamente condutivos que estão separadas por uma distancia onde a chave se abre. Os reed switch pode ser simples ou múltiplos com contatos normalmente abertos ou fechados. SENSOR DE GÁS COMBUSTÍVEL Introdução teórica Gás Um gás é o conteúdo da fase gasosa, no qual a matéria tem forma e volume variáveis. Nos gases, as moléculas se movem livremente e com grande velocidade. A força de coesão é mínima e a de repulsão é enorme. A Física classifica os gases em duas categorias: os gases perfeitos ou ideais os gases reais. Na verdade, nenhum gás é perfeito. Só pode ser tratado como tal, um gás em muito baixa pressão e temperatura. Outra classificação possível para os gases é aquela que considera os efeitos para a saúde humana, quando inalados. Assim, há os inofensivos (oxigênio, hélio), quando dispersos em quantidade normal na atmosfera. Os considerados venenosos (capazes de matar). Os Tóxicos: ácido cianídrico(produz a morte quase instantaneamente), amoníaco do anidro sulfuroso, benzina, iodacetona, cianuretos alcalinos de potássio, sódio etc. Os Asfixiantes: que provocam a cessação das trocas orgânicas (provocando a redução do teor de oxigênio e o conseqüente aumento de gás carbônico no sangue) tais como oxicloreto, tetraclorossulfureto de carbono, cloroformiato de metila clorado, bromo, fosgeno.
176 Detector de gás Normalmente os sensores de gás combustível podem funcionar como sensor de fumaça. Este tipo de sensor é constituído de um micro tubo de cerâmica AL2O3 e impregnado com uma camada sensitiva de Metal de Dióxido (SnO2) fixado por um terminal condutor sobre a camada deste metal. Em caso de sensor de temperatura, os dispositivos contem um micro indutor de uma liga metálica de níquel-cromo (Ni-Cr). Alguns sensores de gás de semicondutor podem ser sensíveis à temperatura, em outros tipos de fluidos em forma gasosa como álcool, benzina e gases de cozinha etc. Na figura abaixo a seguir está mostrado sensor de gás combustível.
177 ATUADORES Como já foi comentado nos estudos anteriores, um sistema de automação industrial é constituído de três tipos de elementos: • Sensores • Controladores (comando e regulação) • Atuadores (acionamento) Cada um desses elementos pode ser implementado usando-se três tipos de energia: • Pneumática • Hidráulica • Elétrica A utilização de sensores e motores elétricos (já apresentado) abrange uma grande gama de aplicações, no entanto existem situações em que somente a energia hidráulica e pneumática oferece uma solução mais eficiente e de baixo custo. Além disso, em algumas aplicações não é permitido a ocorrência de faíscas elétricas (pintura de automóvel, mina de carvão, fábrica de armamentos, etc..), não sendo interessante nesse caso utilizar motores elétricos, por exemplo. Assim, atuadores hidráulicos são utilizados quando cargas da ordem de até centenas de toneladas estão envolvidas, como por exemplo, em tratores, guindastes, ou quando se deseja uma alta precisão de posicionamento, como em máquinas de usinagem de precisão, micromanipuladores, etc..., que em geral não podem ser obtidos com motores e sistemas elétricos Atuadores pneumáticos são utilizados quando estão envolvidas cargas da ordem de até uma tonelada onde se deseja movimentos de duas posições (início e fim) limitadas por batentes mecânicos, como em máquinas de fixação ou transporte de peças, ou quando se deseja altas rotações (milhares de r.p.m.), como no caso de fresadoras pneumáticas, broca de dentista, etc... Eventualmente encontraremos equipamentos em que ocorre uma combinação do uso das energias acima. Por exemplo, em sistemas eletropneumáticos temos atuadores pneumáticos acionados por controladores elétricos ou eletrônicos, bem como, sensores elétricos ou pneumáticos. O mesmo ocorre em sistemas eletrohidráulicos. Atualmente existem várias aplicações da pneumática no meio industrial e mesmo na nossa vida diária. Entre alguns exemplos de aplicações atuais de pneumática podemos citar: • prensas pneumáticas; • dispositivos de fixaçao de peças em máquinas ferramenta e esteiras; • acionamento de portas de um ônibus urbano ou dos trens do metrô; • sistemas automatizados para alimentação de peças; • robôs industriais para aplicações que não exijam posicionamento preciso; • freios de caminhão; • parafusadeiras e lixadeiras; • broca de dentista; • pistola de pintura; • correio pneumático.
178 TECNOLOGIA DE ACIONAMENTO PNEUMÁTICO Assim, como no caso dos motores elétricos, o sistema de acionamento pneumático é constituído pelos elementos mostrados na figura abaixo. Os sistemas de comando são os responsáveis por controlar o atuador pneumático mediante a informação dos sensores. Pode consistir num microcomputador por exemplo. Já o sistema de comando de potência vai converte os sinais recebidos do sistema de comando em sinais de níveis de energia coerente para acionar os atuadores. Na tabela abaixo temos comparação entre os sistemas elétrico, pneumático, hidráulico e mecânico do ponto de vista de energia,comando e acionamento.
179 ATUADORES PNEUMÁTICOS Os atuadores pneumáticos são classificados em atuadores lineares que geram movimentos lineares e atuadores rotativos que geram movimentos rotativos que serão descritos a seguir. As principais características dos atuadores pneumáticos são: • Apresentam baixa rigidez devido à compressibilidadedo ar; • Não há precisão na parada em posições intermediárias; • Apresentam uma favorável relação peso/potência; • Dimensões reduzidas; • Segurança à sobrecarga; • Facilidade de inversão; • Proteção à explosão. A tabela a seguir descreve os tipos de atuadores pneumáticos e suas aplicações. Vamos apresentar a seguir alguns desses acionamentos e suas características e funcionamento.
180 ATUADORES LINEARES Cilindro de Simples Ação Esse tipo de atuador é apresentado abaixo juntamente com o seu símbolo e características construtivas. Consiste de um pistão com uma mola. Ao se reduzir a pressão a mola retorna o pistão. Entre as suas características temos: • Consumo de ar num sentido; • Forças de avanço reduzidas (em 10%) devido à mola; • Maior comprimento e cursos limitados; • Baixa força de retorno (devido à mola). Cilindro de Dupla Ação Esse tipo de atuador juntamente com o seu símbolo e características construtivas e visto abaixo. A atuação é feita por ar comprimido nos dois sentidos. Entre as suas características temos: • Atuação de força nos dois sentidos, porém com força de avanço maior do que a de retorno; • Não permite cargas radiais na haste; É o mais utilizado possuindo inúmeras aplicações, como prensas, fixadores, etc.… O curso não pode ser muito grande, pois surgem problemas de flambagem.
181 Cilindros de Membrana Abaixo descrevemos esse tipo de atuador. Consiste num cilindro de simples ação com grande diâmetro possuindo uma membrana ao invés de um pistão. A idéia é fornecer altas forças (até 25000 N) num curso limitado (60 mm) (por problemas de espaço, por exemplo). É utilizado em aplicações como prensas, mas principalmente no acionamento de servoválvulas hidráulicas. Cilindro de Dupla Ação com Haste Passante Abaixo descrevemos esse tipo de atuador. Consiste num cilindro de dupla ação com haste em ambos os lados. Entre as suas características temos: • Possibilidade de realizar trabalho nos dois sentidos; • Absorve pequenas cargas laterais; • Força igual nos dois sentidos.
182 Cilindro Sem Haste Estes cilindros são aplicados onde são necessários cursos muito grandes e surgem problemas de flambagem na haste de um cilindro comum. Apresentam a mesma área em ambos os lados e por isso mesma força de avanço e retorno. São aplicados em acionamento de portas, alimentador de peças, etc. Existem três tipos descritos a seguir. 1. Com tubo fendido A figura 6.1.5.1 descreve esse tipo de cilindro. Essa montagem permite absorver elevados momentos e forças transversais, no entanto a vedação consiste num ponto crítico. É utilizado em particular em catapultas de porta aviões, onde é acionado por vapor superaquecido. 2. Com imã A figura 6.1.5.2 descreve esse tipo de cilindro. Não tem problemas de vedação como o anterior, mas a transmissão da força é limitada pelo imã. É utilizado em robôs cartesianos. 3. Com cabo ou fita A figura 6.1.5.3 descreve esse tipo de cilindro. Não há problema de flambagem, pois as fitas estão sobre tração. Muito usado no acionamento de portas.
183 Cilindro de Múltiplas Posições Esse tipo de atuador juntamente com o seu símbolo e exemplo de aplicação. Consiste em dois ou mais cilindros montados em conjunto para alcançar várias posições. Com n cilindros de cursos desiguais, pode-se obter 2n posições distintas. É aplicado em mudança de desvios (ver figura), acionamento de válvulas, etc.. Cilindro Tandem A seguir descreve esse tipo de atuador juntamente com o seu símbolo e característica construtiva. Consiste em dois cilindros acoplados mecanicamente em série. É aplicado principalmente em pregadores penumáticos. Entre as suas características temos: • Grande força com pequeno diâmetro; • Grande dimensão de comprimento; • Somente para pequenos cursos.
184 Cilindro de Percussão Descrevemos esse tipo de cilindro juntamente com o seu símbolo e característica construtiva. É usado para gerar um alta força de impacto e alta velocidade (7,5 a 10 m/s). Funciona da seguinte forma: • Inicialmente é aplicado pressão nas câmaras A e B (ver figura 6.1.8.1), e o valor da pressão é aumentado em ambos os lados; • Num certo instante, a câmara A é exaurida (pressão atmosférica) e o pistão é empurrado pela pressão da câmara B; • Ao se movimentar um pouco a área em que a pressão da câmara B atua tem seu diâmetro aumentado bruscamente como mostrado na figura, o que faz com que o pistão seja acelerado violentamente; • A energia cinética do pistão é convertida em força de impacto. Apresenta um pequeno curso. É aplicado em prensas pneumáticas para forjamento, britadeiras, rebitadeiras, etc. Cilindro Telescópico Abaixo descreve esse tipo de atuador. É composto de vários cilindros montando em série um dentro do outro. Apresenta curso longo e dimensões reduzidas de comprimento, porém um diâmetro grande face à força gerada. É aplicado em máquinas que precisam de um longo curso e comprimento reduzido. Cilindro Telescópico
185 Atuadores Rotativos Transformam o movimento linear do cilindro de dupla ação num movimento rotativo com ângulo limitado de rotação. A figura a seguir descreve esse tipo de cilindro juntamente com o seu símbolo e a sua característica construtiva. Nesse caso a conversão do movimento é feita utilizando-se um sistema pinhão-cremalheira. A rotação tem ângulo limitado podendo ser regulada de 45O até 720O . A figura 6.2.2 ilustra um outro tipo de cilindro chamado cilindro de aleta giratória. Seu ângulo é limitado em 300O e apresentam problemas de vedação. São aplicados para girar peças, curvar tubos, acionar válvulas, etc. Cilindro de aleta giratória. Unidades Hidropneumáticas A compressibilidade do ar não permite um posicionamento preciso dos cilindros pneumáticos bem como manter uma velocidade constante na presença de cargas variáveis. No entanto, em muitos casos não é conveniente usar um sistema hidráulico, pois apenas a alimentação pneumática está disponível na empresa. Nesse caso utilizam se as unidades hidropneumáticas como mostrado na figura abaixo. O acionamento é pneumático, no entanto há um cilindro hidráulico que se desloca juntamente em paralelo, fornecendo a rigidez necessária ao movimento e aumentando a estabilidade da velocidade e posição do circuito pneumático. O circuito hidráulico pode ser ajustado através de um estrangulamento variável. Unidade hidropneumática
186 Outros Dispositivos Pneumáticos Mesa Pneumática A figura 7.1.1 ilustra uma mesa pneumática ou “almofada de ar”. Essencialmente, consiste numa chapa de metal com dutos no seu interior que direcionam o fluxo de ar para a região de contato entre a chapa e o solo. Muito útil para reduzir o atrito no transporte de altas cargas sendo também muito utilizada em máquinas de precisão (mesas de medição). Mesa pneumática Pinça Pneumática A figura 7.2.1 ilustra um dispositivo que atua como uma pinça em máquinas ferramentas para prender a ferramenta de usinagem. Trata-se essencialmente de um pistão de simples ação. Permite a fixação rápida e com grandes forças da ferramenta. Pinça pneumática. Válvulas Pneumáticas As válvulas comandam e influenciam o fluxo de ar comprimido. Existem quatro tipos de válvulas: • Válvulas Direcionais: comandam a partida, parada e sentido de movimento do atuador; • Válvulas de Bloqueio: bloqueiam o fluxo de ar preferencialmente num sentido e o liberam no sentido oposto; • Válvulas de Fluxo: influenciam a vazão de ar comprimido; • Válvulas de Pressão: influenciam a pressão do ar comprimido ou são comandadas pela pressão. A figura a seguir ilustra um esquema envolvendo um cilindro, uma válvula de fluxo e uma válvula direcional.
187 Esquema de um cilindro com válvulas. As válvulas são representadas por símbolos gráficos. A figura abaixo ilustra como o símbolo é usado para representar a comutação de uma válvula direcional. O símbolo é formado por dois “quadrados”, cada um representando uma posição da válvula. Assim na posição de “retorno” a câmara do pistão está ligada na atmosfera enquanto que na posição de avanço a rede está alimentando o pistão. Simbologia de comutação da válvula. Essa válvula possui duas posições de comutação e 3 conexões, sendo por isso, chamada válvula 3/2 vias. Assim a nomenclatura das válvulas obedece à seguinte regra: Uma válvula m/n vias significa que é uma válvula que possui m conexões e n posições e comutação. A tabela abaixo ilustra diversos tipos de válvulas direcionais. Tabela 9.1 - Tipos de válvulas direcionais.
188 Diferentes configurações mecânicas de válvulas podem ser representadas por um símbolo se possuírem a mesma função. A tabela a seguir indica a notação para se denominar as conexões das válvulas. Válvulas Direcionais Princípio de Funcionamento A figura abaixo ilustra o funcionamento de uma válvula 3/2 vias acionada por botão e com retorno por mola, mostrando a sua posição de repouso e a posição acionada. Funcionamento de uma válvula 3/2 vias acionada por botão e com retorno por mola. Acionamento das Válvulas Direcionais As válvulas direcionais podem ser acionadas de forma manual, mecânica, pneumática e elétrica como mostrado na figura abaixo. Tipos de acionamento manual, mecânico, pneumático e elétrico As válvulas com acionamento elétrico são usadas em eletropneumática
189 Execução Construtiva das Válvulas Existem dois tipos de execução construtiva de válvulas: válvulas de assento e válvulas de êmbolo deslizante. Válvulas de assento A execução em assento é ilustrada na figura a seguir: Execução em assento. Entre as características da execução em assento temos: Estanqueidade perfeita; Requerem elevadas forças de acionamento devido ao diâmetro do seu êmbolo; Comutam rapidamente com curso reduzido; Insensíveis à impureza; Comutam de modo brusco (devido à variação brusca de área do êmbolo). Válvulas de êmbolo deslizante Execução em êmbolo
190 Entre as características da execução em êmbolo temos: Construção simples e pequeno volume construtivo; Estanqueidade condicional (depende da pressão); Requer pequena força de acionamento devido ao diâmetro do seu êmbolo; Curso de comutação longo; Sensíveis à impureza; Exaustão Cruzada Ocorre quando há comunicação simultânea entre todas as conexões durante a comutação por apenas alguns segundos. Isto provoca escape de ar que não é usado no trabalho. A figura a seguir ilustra uma válvula 3/2 vias com execução de assento que apresenta exaustão cruzada. Válvula 3/2 vias com exaustão cruzada. A parte escura representa ar. A forma de evitar isso é alterando o mecanismo da válvula. A figura abaixo ilustra uma válvula 3/2 vias que não apresenta exaustão cruzada. Válvula 3/2 vias sem exaustão cruzada. A parte escura representa ar.
191 Tipos de Válvulas Direcionais As válvulas pneumáticas podem ser pré-operadas pneumaticamente. Nesse caso, o impulso de comando não é efetuado sobre a válvula principal, mas sobre uma válvula de pilotagem adicional, que por sua vez aciona a válvula principal através da pressão do ar. Com isso se reduz a força de acionamento necessária. É usada em válvulas de assento que requerem elevadas forças de acionamento ou em válvulas de comando eletromagnético, para poder utilizar pilotos elétricos de pequenas dimensões. Os tempos de comutação são mais longos e necessitam uma fonte de pressão. A figura abaixo ilustra esse tipo de válvula na execução de assento e sua representação no circuito pneumático. Válvula 3/2 vias com acionamento pneumático e exemplo de circuito. A parte escura representa ar. Um outro tipo de válvula acionada pneumaticamente está ilustrada na figura abaixo e é chamada “biestável” que trabalha segundo o princípio de assento flutuante. Esta válvula é comutada alternadamente por impulsos, mantendo a posição de comando até receber um novo impulso (biestável). O pistão de comando se desloca no sistema de corrediça. Válvula 5/2 vias bi-estável e exemplo de circuito. A parte escura representa ar.
192 Esse tipo de válvula é muito utilizado em pneumática. A figura abaixo também ilustra o uso dessa válvula no circuito pneumático. A figura abaixo ilustra uma válvula direcional 3/2 vias servo-comandada. Consiste num sistema mecânico que aciona um sistema pneumático que aciona a válvula principal. A força para acionamento do sistema mecânico está em torno de 1,8 N. Acionando-se a alavanca do rolete abre-se a válvula de servo-comando. O ar comprimido flui para a membrana e movimenta o prato da válvula principal para baixo. A comutação da válvula se efetua em duas etapas. Primeiro, fecha-se a passagem de A para R, depois se abre a passagem de P para A. O retorno efetua-se ao soltar a alavanca do rolete. Isto provoca o fechamento da passagem do ar para a membrana e posterior exaustão. A figura abaixo ilustra uma válvula 3/2 vias servo-comandada acionada por botão. Válvula 3/2 vias servo-comandada acionada por botão. A figura a seguir ilustra uma válvula 5/2 vias de êmbolo deslizante acionada pneumaticamente. Válvula 5/2 vias de êmbolo acionada pneumaticamente. A figura a seguir ilustra duas válvulas 3/2 vias acionadas por solenóide (acionamento eletromagnético) que são usadas em eletropneumática.
193 Válvulas 3/2 vias acionadas por solenóide. Especificação das Válvulas Direcionais A válvulas são especificadas mediante o valor nominal de vazão de ar (QN). O valor de QN é um valor de aferição para pressão de 6 bar, relacionado com uma queda de pressão de 1 bar na válvula e uma temperatura de 20°C e está especificado no catálogo do fabricante. A vazão da válvula nas condições de operação deve ser calculada usando-se gráficos fornecidos pelos fabricantes. Além da vazão nominal deve-se especificar o tamanho das conexões Válvulas de Bloqueio Válvula de Retenção Essas válvulas permitem o fluxo livre num sentido e bloqueiam completamente o fluxo no sentido oposto. São construídas na execução de assento com mola como mostrado na figura abaixo. Válvula de retenção. São muito usadas em conjunto com uma válvula de fluxo para ajustar a velocidade dos atuadores pneumáticos (ver adiante). Válvula Alternadora (“OU”) Esse tipo de válvula (e seu símbolo) que é equivalente ao elemento lógico "OU" da eletrônica digital. Ela somente fornece sinal de saída quando pelo menos tiver um sinal de pressão numa conexão de entrada. É usada quando se deseja acionar o atuador pneumático por dois tipos de válvulas como mostrado na figura abaixo.
194 Válvula alternadora e exemplo de circuito. Válvula de Duas Pressões (“E”) Esse tipo de válvula (e seu símbolo) que é equivalente ao elemento lógico "E" da eletrônica digital. Somente fornece saída em A quando existirem dois sinais de entrada Px e Py simultâneos e de mesmo valor. Existindo diferença de tempo nos sinais de entrada Px e Py, o sinal atrasado vai para saída. Quando há diferença de pressão dos sinais de entrada, a pressão maior fecha um lado da válvula e a pressão menor vai para a saída A. É muito usada em comandos de segurança quando se deseja que o atuador seja acionado somente quando duas válvulas são pressionadas simultaneamente como mostrado no circuito da figura abaixo. Válvula de duas pressões. Válvula de Escape Rápido Através dessa válvula é possível exaurir grandes volumes de ar comprimido aumentando a velocidade dos cilindros. Quando há pressão em P o elemento de vedação adere ao assento do escape e o ar atinge a saída para o atuador. Quando a pressão em P deixa de existir, o ar que agora retorna pela conexão A, movimenta o elemento de vedação contra a conexão P e provoca o seu bloqueio (ver figura). Dessa forma o ar pode escapar por R rapidamente para a atmosfera, evitando que o ar passe por uma canalização longa e de diâmetro pequeno que reduze o seu fluxo. Essa válvula é colocada diretamente na saída do cilindro como mostrado na figura.
195 Válvula de escape rápido. Válvulas de Fluxo Essas válvulas reduzem a seção de passagem para modificar a vazão do ar comprimido e assim controlar a velocidade dos atuadores. Para uma dada seção de passagem a vazão depende somente da diferença de pressão entre as duas extremidades da seção. A figura abaixo ilustra os diferentes tipos de seção de passagem e seus símbolos. Seções de passagem. Válvula Reguladora Unidirecional Trata-se da combinação em paralelo de uma válvula estranguladora variável e uma válvula de retenção. É usada quando se deseja regular o fluxo num único sentido. A figura abaixo ilustra essa válvula, seu símbolo e sua montagem no circuito pneumático.
196 A figura abaixo ilustra um detalhe de montagem dessa válvula no circuito do atuador. Na montagem do circuito da esquerda somente um lado do pistão está submetido à pressão do ar, assim se ocorrer uma aplicação de carga brusca na haste do pistão (tração ou compressão) o mesmo irá se mover (a válvula de retenção permite o fluxo fácil de ar), ou seja, esse tipo de circuito não dá rigidez ao movimento da haste. Já no circuito da direita ambos os lados do pistão estarão sob pressão, pois o estrangulamento impõe uma perda de carga para a saída de ar do pistão. Assim esse circuito dá mais rigidez ao movimento do pistão que não fica sujeito às oscilações devido a variações da carga. Diferentes montagens da válvula reguladora no circuito pneumático. Válvulas de Fechamento São essencialmente "torneiras" pneumáticas que bloqueiam manualmente o fluxo de ar. A figura abaixo ilustra esse tipo de válvula cuja construção é similar a torneira hidráulica doméstica. Válvula de fechamento. VÁLVULAS DE PRESSÃO Válvula Reguladora de Pressão Essa válvula é usada para limitar a pressão que alimenta um equipamento pneumático já tendo sido explicada anteriormente.
197 Válvula Limitadora de Pressão São utilizadas como válvulas de segurança ou alívio contra sobrepressões. A figura a seguir ilustra esse tipo de válvula. No momento em que um valor de pressão pré-estabelecido é superado, abre-se uma passagem no interior da válvula contra a pressão de uma mola e o ar comprimido é exaurido para atmosfera. Válvula limitadora de pressão Conversores pneumático-elétrico ou pressostatos Serve para transformar um sinal de entrada pneumático num sinal de saída elétrico. Em geral a pressão age sobre um êmbolo (ou membrana) que se desloca efetuando o contato. A regulagem da pressão em que o contato ocorre é feita regulando se a distância entre que o êmbolo deve mover para realizar o contato. A figura a seguir ilustra um pressostato de calibragem fixa e um variável. Pressostatos de calibragem fixa e variável