Sensores – seleção e importância para tecnologia de automação

A recolha de dados é um aspeto central das instalações modernas, especialmente no contexto da digitalização e da Indústria 4.0. Os sensores tornam isto possível. Eles fornecem dados de entrada e monitoram e adaptam processos. Mas que tipos de sensores existem? Como se seleciona o sensor certo para uma aplicação específica? Este artigo apresenta o modo de ação e possíveis aplicações para vários sensores, bem como critérios de seleção para encontrar o sensor certo.

O que são sensores?

Os sistemas de sensores lidam com a utilização de sensores para medir e controlar alterações, por exemplo, em sistemas técnicos. Os sensores adquirem várias medições, que podem ser qualitativas e também quantitativas. As medições podem ser químicas (por exemplo, valor de pH), biológicas (por exemplo, presença de enzimas) ou físicas (por exemplo, temperatura, humidade, corrente). Os sensores, também chamados de detectores, transdutores ou sondas, convertem um sinal de entrada em um sinal de saída. O sinal de entrada geralmente não é uma métrica elétrica, enquanto o sinal de saída é um sinal elétrico, como corrente ou tensão.

Encontre mais informações sobre metrologia no nosso artigo: Tecnologia de medição – Controlo de qualidade através de métodos de medição.

Como funciona

Os sensores operam em um sistema juntamente com atuadores. Os sinais dos sensores são normalmente encaminhados para uma unidade de controlo, que analisa e avalia os dados em conformidade e envia comandos para os atuadores, conforme necessário. Os atuadores implementam então as instruções através de ações físicas. Por exemplo, é enviado um sinal para o atuador se a temperatura num armazém for demasiado elevada. O actuador pode ser um aquecedor que está agora marcado para que a divisão possa arrefecer até à temperatura desejada.

Tipos de sensores

Existem sensores ativos e passivos. O método de mediçãoe aquisição determina se o sensor é um sensor ativo ou passivo. Os próprios sensores ativos (ativamente) geram um sinal para adquirir a medição. Os dados determinados são então de saída como um sinal de saída. Geralmente, é necessária uma fonte de alimentação para gerar o sinal para adquirir a medição. Exemplos típicos de sensores ativos são: Medidores de distâncias a laser, detectores de movimento IV ou sensores ultrassónicos.

Os sensores passivos não geram um sinal ativo para adquirir os dados de medição de um medidor. Contêm elementos passivos cuja propriedade (por exemplo, condutividade) muda em resposta a uma medição (por exemplo, temperatura). Por conseguinte, não é necessária uma fonte de alimentação para gerar um sinal necessário para a medição. No entanto, é necessária potência auxiliar para registar a alteração, uma vez que o sinal de entrada e saída é comparado para determinar os resultados da medição. Os sensores passivos são instalados com relativa frequência porque são adequados para adquirir medições estáticas. Exemplos de sensores passivos são: Sensores PIR (infravermelho passivo), termómetros de resistência ou indicadores de tensão.

Os sensores são subdivididos em comutação e medição com base no tipo de sinal de saída. Os sensores de medição registam continuamente valores físicos ou outros e fornecem registos de dados para monitorização detalhada dos processos. Os sensores de comutação, por outro lado, detetam quando uma medição se desvia do valor alvo e reagem ativamente ao trocar uma saída, o que, por exemplo, aciona um atuador.

Os sensores podem ser ainda subdivididos em relação ao seu princípio de funcionamento ou princípio de medição, por exemplo:

• Mecânico: Reagir ao movimento mecânico (por exemplo, deflexão), exemplo: Sensores de pressão.
• Resistivo: Reaja quando a resistência elétrica mudar, por exemplo: Manómetros de tensão.
• Termoelétrico: Reaja quando houver diferenças de temperatura que sejam convertidas em energia elétrica, por exemplo: Sensores de temperatura.
• Piezoelétrico: Reaja convertendo a pressão em energia elétrica, por exemplo: Piezo-cerâmica em sensores ultrassónicos.
• Indutor ou eletromagnético: Reagir a uma alteração no fluxo magnético, por exemplo: Sensores de velocidade.
• Capacitivo: Reagir a alterações na capacitância, por exemplo: Sensores de humidade.
• Óptico: Reagir/gravar luz ou outros fenómenos óticos, por exemplo: Barreiras de luz, sensores fotoelétricos.
• Acústico: Reagir às ondas sonoras, por exemplo: Medidor de nível de ruído.
• Químicos: Reagir a alterações químicas, por exemplo: sensores de pH.

Vamos agora analisar detalhadamente os princípios de funcionamento de alguns sensores selecionados:

Sensores indutivos

Os sensores indutivos contêm uma bobina através da qual a corrente flui. É gerado um campo eletromagnético para medição na direção da medição. Uma peça de trabalho ou material é então introduzido, o que causa uma alteração no campo magnético e induz uma tensão na bobina. Um circuito detecta esta tensão e produz um sinal correspondente. Os sensores indutivos só funcionam com peças/materiais magnéticos.

Sensores capacitivos

A capacitância indica quanta carga dois corpos eletricamente condutores, que estão separados um do outro por um meio isolante, podem ser absorvidos quando a tensão é aplicada. Esta capacitância muda em função da medição.

Um sensor capacitivo consiste em dois elétrodos entre os quais é criado um campo elétrico. Este último muda quando um objeto se aproxima; o sensor deteta sem contacto o material na sua zona ativa. Em seguida, converte o campo elétrico num sinal elétrico.

Sensores de proximidade

Os sensores de proximidade detetam quando objetos ou pessoas estão nas proximidades. Enviam um feixe ou campo e, em seguida, medem as alterações no feixe ou campo refletido pelo objeto ou pessoa.   Isto permite-lhes estimar as distâncias e agir no gatilho correspondente. Na indústria, os sensores podem, por exemplo, detectar a presença de peças de trabalho em correias transportadoras e controlar os processos operacionais correspondentes.

Seleção de sensores: Quando utilizar qual o sensor?

Algumas considerações preliminares devem ser feitas ao selecionar sensores. Como os sensores são integrados diretamente nos sistemas de controle nos sistemas de automação, o usuário deve, por exemplo, verificar se as interfaces necessárias estão disponíveis. As interfaces podem ser, por exemplo:

• Interfaces analógicas, como saídas e entradas analógicas
• Interfaces digitais como TTL, RS-232, SPI
• Interfaces sem fios como Wi-Fi
• Processamento de sinal integrado ou externo

As condições ambientais também desempenham um papel na seleção de um sensor adequado. O sensor está exposto a temperaturas extremas? Ou vibrações? Em ambientes úmidos, por exemplo, o sensor deve ser impermeável independentemente do tipo e, se necessário, ter uma classificação de proteção correspondente, como IP67. Em ambientes com químicos agressivos, o material utilizado para caixas e vedantes deve ser resistente a estes.

Identificar o sensor correto, passo a passo

A lista seguinte fornece um resumo dos passos mais importantes para selecionar um sensor:

• Determine a medição e o intervalo de medição: Que quantidade física deve ser medida e o valor máximo e mínimo esperado é coberto pela medição e/ou o sensor também pode suportar os valores máximos?
• Determine a precisão: Os requisitos mais altos ou mais baixos aplicam-se à precisão?
• Analisar condições ambientais: Em que condições é utilizado o sensor? Existem extremos em termos de temperatura, humidade, exposição ao pó, etc.? O sensor está exposto a produtos químicos?
• Selecione o formato de saída e as interfaces: Todo o sistema de controle desempenha um papel aqui: Que tipo de sinal pode ser processado (por exemplo, analógico ou digital)?
• Considere a aplicação específica: Existem requisitos especiais que surjam da aplicação específica? Aplicam-se normas especiais? (consulte também normas de segurança em engenharia mecânica). Por exemplo, os sensores em salas limpas devem atender a requisitos elevados de salas limpas. Também é possível que o sensor seja instalado num local de difícil acesso e, portanto, deve ser particularmente de baixa manutenção e durável. Os sensores também podem ser utilizados para controlo de qualidade e devem atender a determinados critérios, veja também o artigo Tecnologia de medição – Controlo de qualidade através de métodos de medição.
• Tempo de resposta: Com que rapidez é que o sensor precisa de responder às condições em mudança?
• Cumpra os requisitos de espaço: O sensor pode ser facilmente integrado no sistema existente e existe espaço suficiente?
• Peças de fixação, calhas de sensor padronizadas ou suportes de sensor também podem ser úteis para uma integração otimizada do sensor nos sistemas existentes.

Também pode inspirar-se na nossa seleção de sensores.

Sensores na tecnologia de automação: Sensores inteligentes

O desenvolvimento contínuo de sensores também foi fortemente influenciado pela produção digitalizada no contexto da Indústria 4.0. Os chamados sensores inteligentes representam os principais ingredientes para isso. Esses sensores são a pedra angular para monitorar e controlar processos industriais. No sistema geral de atuadores e controles, os sensores inteligentes fornecem às máquinas todas as informações necessárias para tornar a produção mais eficiente e precisa. Como resultado, a tecnologia de automação se tornou cada vez mais autônoma.

Os sensores atuais têm uma resolução, velocidade e tamanho tão elevados que podem ser utilizados diretamente nas áreas onde são gerados efeitos físicos. Assumem várias funções em equipamentos de ponta. Já não são apenas responsáveis pela mera medição de dados, mas agora também podem realizar tarefas de autodiagnóstico, comunicação e processamento de sinais. Os sensores podem detectar e corrigir anomalias antes que se tornem um problema na produção. Este processo é então chamado de processamento controlado por sensor. Encontre mais detalhes no nosso artigo do blog Controlo Numérico Computadorizado – O que é realmente o CNC?