Controle e Automação: História e Componentes de Sistemas de Controle, Esquemas de Sensores Sem-fios Embutidos

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Respostas dos Exercícios

Capítulo 1

Resposta dos Exercícios...^ | | 1

a) Conjunto de componentes/elementos relacionados entre si para executar uma determinada tarefa b) Conjunto de procedimentos ou atuações que produzem em um processo a ação e o desempenho desejado. c) Atividade definida em um sistema, que a partir de informações de entrada, obtêm-se informações transformadas na saída, isto é, entidade dinâmica capaz de efetuar transformações de energia a partir da entrada, obtendo uma forma de energia transformada na saída. d) Valor preestabelecido (desejado) para a variável controlada.

Século IXX – controle de velocidade de máquinas a vapor de James Watt. No início do século 20 - controles eram totalmente manuais do tipo on-off

• Indicadores locais de temperatura e pressão
• Atuadores pneumáticos de válvulas; 2 | |...^ Sensores Industriais - Fundamentos e Aplicações

Nos anos 80, houve uma grande migração para os controles distribuídos. Nos anos 90, com o desenvolvimento dos CLP’s e dos componentes de rede, levou a tendência de utilizar os SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO ( SDCD) como a melhor solução para sistemas integrados. Os sistemas integrados ( CIM - Controle Integrado de Manufatura ) possibilitaram a interligação dos níveis de gerenciamento, controle e supervisão dos sistemas de automação de forma hierárquica com a utilização de algoritmos complexos, distribuição do controle e centralização de macrodecisões, possibilitando o gerenciamento do processo tanto técnico como administrativamente. Atualmente não se pode falar em CIM , SDCD e CLP’s sem ressaltar a importância dos programas de supervisão e aquisição de dados e controle ( SCADA - Supervisory Control And Data Aquisition ), redes industriais de comunicação padronizadas (FIELD BUSES), e os protocolos abertos (MODBUS, PROFIBUS, FOUDATION etc.). A integração destas tecnologias (SCADA, CLP e fieldbus ) substitui com uma série de vantagens os SDCD convencionais.

Para o controle de temperatura de uma estufa a resistência elétrica, temos: Variável Controlada - Variável que se deve manter em um valor desejado, variável de saída do processo - Temperatura Variável Manipulada - Variável que recebe a ação controladora, ou seja, é variável de saída do atuador – Potencia dissipada pela resistência. Atuador (ativador) - Elemento que modifica a variável controlada – Chave que libera ou não corrente para a resistência. Variável Secundária - A que interfere na variável controlada (distúrbio) – Vazão de ar quente ou variação na tensão de alimentação. 4 | |...^ Sensores Industriais - Fundamentos e Aplicações

Meio controlador – Estufa Agente de controle – Resistência.

- Malha aberta: A ação de controle não depende das informações de saída. Este tipo de controle é chamado controle com ajuste manual. Ex. : Uma fonte de alimentação regulada com transistor é, na realidade, um sistema de controle de malha aberta; se a corrente da carga variar, a tensão na saída pode variar até algumas dezenas de mV, devido à variação na tensão Vbe. A entrada, neste sistema, é a tensão de referência fornecida pelo diodo zener, na base do transistor; A saída, nesse mesmo sistema, no emissor é, aproximadamente 0,7V menor. O transistor, que é o controlador, amplifica a corrente, fornecendo à carga mais corrente que poderia ser obtida sobre o zener, na base.

• Malha fechada: A ação de controle depende de informações da reação da saída (realimentação). Ex.: O operador de um reservatório verifica se o nível máximo foi atingido (set-point) através de uma régua de nível, que é o sensor. O sinal de erro é a diferença entre o nível máximo, que é a entrada desejada, e a saída, que é o nível atual. A comparação entre ambos é feita na mente do operador, que age abrindo ou fechando o registro conforme o erro seja para mais (excesso do fluído) ou menos. Ele é ao mesmo tempo o comparador, o controlador e o atuador neste sistema elementar.

Estabilidade : - capacidade de atingir a posição de equilíbrio e nela permanecer. Um sistema é estável se suas saídas mantém um certo valor em um tempo finito depois que a entrada é aplicada, quando a saída do sistema permanece constante e não muda em função do tempo. Exatidão : - Indica quanto a variável medida esta próxima da real. A exatidão indica a aproximação com que a variável controlada esta em relação ao valor desejado, a diferença chama-se erro. Esta Resposta dos Exercícios...^ | | 5

• Resposta dos Exercícios | |

1.Conceitos de instrumentação

a) Um transdutor para controle industria deve ter sensibilidade, exatidão, precisão, linearidade em uma ampla faixa de medida, estabilidade, alta velocidade de resposta, além de baixo custo, robustez, grande vida útil, etc. b) Válvulas (Pneumáticas, Hidráulicas), Relés (Estático, Eletromecânico) e Cilindro (Pneumáticos, Hidráulicos).

Sensor: Termo empregado para dispositivos sensíveis a alguma forma de energia sensibilizante. Esta energia sensibilizante (luz ,calor, movimento) traz informação sobre uma grandeza que precisamos medir (temperatura, pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição, etc.). Transdutor: É a denominação de um dispositivo completo, usado para transformar uma grandeza qualquer em outra que pode efetivamente ser utilizada pelo dispositivo de controle. Neste sentido podemos considerar um transdutor como uma interface entre o sensor e o circuito de controle ou eventualmente entre o controle e o atuador. Os transdutores transformam uma grandeza física (temperatura, pressão, etc) em um sinal de tensão ou corrente que pode ser facilmente interpretado por um sistema de controle. Muitas vezes os termos “sensor” e “transdutor” são usados indistintamente, pois um dispositivo que contenha o elemento sensor e o transdutor integrados costuma ser chamado simplesmente de transdutor. Neste caso, o transdutor é o instrumento completo englobando sensor e todos os circuitos de interface capaz de ser usado numa aplicação industrial. Transmissor: Dispositivo que prepara o sinal de saída de um transdutor para utilização a distância, fazendo certas adequações ao sinal. Estas adequações são chamadas padrões de transmissões de sinais. 8 | |...^ Sensores Industriais - Fundamentos e Aplicações

Segundo o capítulo 6.11 do dicionário internacionais de termos fundamentais e gerais de metrologia, baseado na 211ª edição do documento elaborado pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), pela IEC e pela ISO, entre outras organizações internacionais, Calibração (calibration, étalonnage) é atualmente sinônimo de aferição e é definido como sendo o conjunto de operações que estabelece, sob condições especificas a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por padrões. Em uma palavra: comparar com um padãro.

Capítulo 2 - Sensores de presença

1. c) Emissor e receptor.
2. V, V, V, V, V
3. Reflexão Difusa: Retro-Transmissão e Barreira de Luz.
4. Não utilizam elementos sensores físicos.
5. Vida útil é afetada pelo número de comutações. 10 | |...^ Sensores Industriais - Fundamentos e Aplicações

6. V, V, V

7. Identificar objetos.
8. Controle de qualidade.
9. Seleciona fluxo.
10. V, F, V, F, F
11. a, b
12. Somatório: 3

Capítulo 3 -Sensores de posição

1. b. 2. b. 3. a. 4. b. 5. e. 6. c.Assinale a opção verdadeira em relação aos tipos de instalação. 7. b. 8. d. 9. e. 10. a. 11. b. 12. c.

Capítulo 4 - Sensores Ópticos

1. Quando a luz incide em determinadas substâncias, suas resistências elétricas são alteradas devido à quantidade de luz que recebem, ocorrendo a criação de portadores de carga que promovem a condução da corrente elétrica. 2. Quando um fotorresistor é mantido no escuro por certo período de tempo antes do uso, sua condutância será maior se for comparado com um fotorresistor mantido num certo nível de luz. 3. O LDR é um dispositivo lento. Enquanto outros tipos de sensores como os fotodiodos e os fototransistores podem perceber Resposta dos Exercícios...^ | | 11

10. A eficiência do processo é baixa devido à pouca transparência da junção (somente as camadas superficiais são iluminadas).

Capítulo 6 - Sensores de Aceleração

1. c. 2. d. 3. d. 4. a. 5. c. 6. c. 7. a. 8. b. 9. a. 10. b.

Capítulo 9 -Sensores de Nível

1. São utilizados para o controle de líquidos ou grãos sólidos, contidos em reservatórios, silos, tanques abertos, tanques pressurizados na indústria. 2. São utilizados na medição de nível fixo, quando a saída do sensor muda de estado que o nível atinge um valor pré-determinado; ou medição contínua, quando o sensor indica o valor em tempo real do nível monitorado. 3. Sensores de nível do tipo flutuadores podem ser ampolas acionados por mercúrio, por chaveamento de reed-switch ou bóia e por potenciômetro. 4. Nos flutuadores acionados por mercúrio o chaveamento ocorre pelo deslocamento do mercúrio dentro de uma ampola que contem dos eletrodos de contato. Quando a ampola se encontra na posição de repouso, o mercúrio aciona os eletrodos. Neste caso o nível medido é fixo. Nos flutuadores com acionamento por reed-switch , uma bóia com material magnético é acoplada a uma haste que contém vários Resposta dos Exercícios...^ | | 13

reed-switch , quando o nível muda, a posição da bóia é alterada, chaveando diferentes elementos. Neste caso o nível pode ser medido em valores discretos. Nos flutuadores do tipo bóia, uma bóia é ligada a uma chave, que é acionada em função do nível do material. Neste caso, o nível a ser medido é fixo. No caso dos flutuadores potenciométricos, uma bóia é acoplada a um potenciômetro, que tem seu valor de resistência alterado em função do nível medido pela bóia. Neste caso o nível a ser medido é contínuo.

5. O eletrodo metálico pode ser aplicado na determinação de cotas no líquido a ser medido. 6. Boa precisão e repetibilidade, fácil instalação, possui diafragma com proteção de sobrecarga e não requer nenhum líquido de transmissão. 7. Sobre a MEDIÇÃO DE NÍVEL CAPACITIVA, explique seu princípio de funcionamento, suas vantagens e aplicações. 8. O sensor de nível vibratório é composto por uma haste piezoelétrica que vibra. Assim que o produto entra em contato com a haste vibratória, a vibração é amortecida e aciona um relé de saída. Este tipo de sensor tem como vantagem a utilização em líquidos de baixa densidade e não requer ajuste de funcionamento. Ele pode ser aplicado na detecção de líquidos em áreas perigosas. As chaves são utilizadas para pós e granulados quando outros métodos falham devido à aderência ou ao baixo peso (por exemplo: gesso, cal, plástico em pó, açúcar, farinha, etc.). 9. Um emissor laser num dos lados do recipiente de modo que o raio atinja a superfície do líquido em ângulo, sendo então refletido para um detector. Variações na posição do nível modificam a direção do raio refletido e alteram o ponto que atinge o sensor, correspondendo a nova posição a um sinal de nível, obtido pelos circuitos eletrônicos de detecção. É um medidor de nível contínuo sem contato.. 10. Strain-gage um transdutor que utiliza as variações resistivas dos resistores submetidos à carga. Quando uma carga é aplicada na 14 | |...^ Sensores Industriais - Fundamentos e Aplicações

mais utilizados são: Placa de Orifício; Tubo Venturi; Bocal; Tubo de Pitot.

3. V, F, F, V 4. Esse dispositivo possibilita medição direta da diferença entre pressão dinâmica e estática, bem como velocidade de fluxo e, conseqüentemente, vazão. 5. A perda de carga permanente é bem menor que nas placas de orifício chegando aos 10% 6. b. 7. Trata-se de um transmissor que emite um feixe de luz que é refletida pelas paletas da turbina e lidos por um foto-sensor. O número de pulsos recebidos pelo foto-receptor é proporcional à velocidade da turbina, que é proporcional à vazão. 8. Vazão mássica, pois baseia-se no princípio da variação da viscosidade 9. Os medidores de vazão ultra-sônicos são instrumentos que operam a partir de transdutores colocados externamente à tubulação, Possuem dois princípios de funcionamento de acordo com as formas de aplicação dos ultra-sons: o efeito Doppler e o do tempo de trânsito. Vantagens: Não é necessário a introdução de nenhum sensor em contato com o fluxo e dispensa o seccionamento e parada das linhas. Desvantagens: Preço elevado. 10. Engrenagens ovais (deslocamento positivo).

Capítulo 11 -Sensores de Tensão, Corrente e

Potência

1. Consiste em uma resistência de baixo valor colocada em série com o circuito do qual se pretende medir a corrente. Mede-se então a queda de tensão entre os terminais do dispositivo. 2. Pelo fato do campo magnético necessário para gerar nas laterais da placa uma diferença de potencial (Lei de Lorentz), depende diretamente na corrente no circuito a ser medido. 3. Para que se tenha uma tensão induzida no secundário do transformador CC, é necessário que se aplique uma tensão 16 | |...^ Sensores Industriais - Fundamentos e Aplicações

variável que será responsável por um campo magnético que irá ser influenciado pelo campo gerado pela corrente CC, resultando em uma variação na tensão induzida nos secundário.

4. O inconveniente dos relés é que são sensíveis à temperatura do ambiente, que pode ser evitada por um parafuso de regulação ou por meio de uma segunda lâmina bimetálica compensatória, não aquecida, que vem disposta no lado inverso daquela que determina o funcionamento do relé. 5. F, V, F, F, F. 6. A corrente I1 é fixada pela carga ligada ao circuito externo: se I = 0, isto é, secundário aberto, não haverá o efeito desmagnetizante dessa corrente e a corrente de excitação Io passa a ser a própria corrente I1 , originando, em conseqüência, um fluxo "φ " muito elevado no núcleo. Conseqüência dessa imprecaução: Aquecimento excessivo causando a destruição do isolamento, podendo provocar contato do circuito primário com o secundário e com a terra; Uma FEM induzida E2 de valor elevado, com iminente perigo para o operador. Quanto ao T.P., não existe nenhum tipo de perigo em deixar o secundário aberto. 7. d. 8. TC enrolado: cujo enrolamento primário, constituído de uma ou mais espiras, envolve mecanicamente o núcleo do transformador. Buchas de transformadores e disjuntores; TC barra: seu primário é constituído por uma barra, montada permanentemente pelo núcleo do transformador. Medição em baixa tensão; TC janela: sem primário próprio, construído com uma abertura no núcleo, por onde passa um condutor do circuito primário, formando uma ou mais espiras. Aplicação: Medição em baixa tensão; TC bucha: tipo especial de TC, projetado para ser instalado sobre uma bucha de um equipamento elétrico, sendo parte integrante dele. Aplicação: Buchas de transformadores e disjuntores; TC de núcleo dividido: tipo especial, em que parte do núcleo é separável ou basculante, para facilitar o enlaçamento do condutor primário. Aplicação: Amperímetro tipo "alicate" e medidores de grandezas instantâneos. 9. O TP esta especificado corretamente, visto que a tensão de fase é 2,2kV. Resposta dos Exercícios...^ | | 17

• Controle de centrais de processamento de dados. Níveis de 40 a 60% de umidade relativa são especificados pela maioria dos fabricantes de computadores.
• Secagem industrial. Em uma indústria de papel, um controle permanente das condições ambientais evita, de um lado. 6. Sensor de óxido de alumínio - são pequenos e prestam-se a uso local; O higrômetro eletrolítico - constitui melhor escolha para controle “em linha” ou para um sistema de sensor múltiplo; Higrômetros óticos de condensação - aplicações em que se requer a precisão máxima na determinação do teor de vapor d'água em uma faixa razoavelmente ampla de ponto de orvalho. 7. Os que seguem detalhados aparelhos de medições de gases, pelos quais se mede a concentração de um componente gasoso, e os que permitem análises quantitativas e qualitativas de misturas de matérias conhecidas e desconhecidas. 8. Eles são divididos em dois grupos: in loco ; extrativos. 9. Analisadores de gases por absorção de radiação infravermelha não dispersiva NDIR (normalmente usados em gases heteroatômicos, por exemplo: CO,CO 2 , H 2 S, CnHm); Analisadores de gases pelo método paramagnético (oxigênio); Analisadores de gases pelo método da condutibilidade térmica TCD, normalmente usados para gases como: H 2 , CH 4 , SO 2 , etc.; Analisadores de gases por ionização de chama (normalmente para gases compostos de hidrocarbonetos); Analisadores de gases por célula eletroquímica (O 2 de um modo geral); e Analisadores de gases por quimiluminescência: NO, NO 2 , NOx. 10. Eletrodos de leitura direta; medidores do tipo potenciométrico. Resposta dos Exercícios...^ | | 19