Aquisição de dados Documento técnico nº5
Edição de Abril de 2010 Documento Técnico – Aquisição de dados
A biblioteca técnica da Schneider Electric é muito vasta tendo um elevado
número de publicações sobre os mais variados temas :
- Automatismos Industriais, Supervisão e Comunicação
- Distribuição Eléctrica
O Centro de Formação em Portugal optou desde há muito por traduzir e adaptar algumas
destas publicações de modo a enriquecer as suas acções de formação com informação
mais técnica.
Esta publicação pretende complementar as acções de formação nas áreas da automação
industrial/aquisição de dados.
Nota:
Declinamos toda a responsabilidade derivada da utilização das informações e esquemas
reproduzidos na presente publicação bem como por eventuais erros ou omissões, contidos
na presente publicação.
Esta publicação corresponde à compilação e adaptação de diversos documentos relativos
aos automatismos industriais e detecção de dados da Schneider Electric.
Fátima Borges (Engª) Centro de Formação da Schneider Electric Portugal Email : [email protected]
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Documento Técnico – Aquisição de dados
1 Introdução................................................................................................................5
2 As diversas funcionalidades da detecção...........................................................7
3 As diferentes tecnologias de detecção................................................................8
4 As funções anexas dos detectores ....................................................................10
5 Interruptores de posição electromecânicos – Fim-de Curso ..........................11
5.1 Constituição dos interruptores fim-de-curso ................................................................. 13
5.2 Movimentos de detecção .............................................................................................. 15
5.3 Modo de funcionamento dos contactos ........................................................................ 16
5.4 Interruptores fim-de-curso para aplicações correntes .................................................. 18
5.5 Interruptores fim-de-curso para aplicações especiais .................................................. 20
6 Pressostatos-vacuostatos ..................................................................................22
6.1 Sensores electrónicos de pressão................................................................................. 24
7 Encoder – Codificadores......................................................................................25
8 RFID – sistemas de identificação por rádiofrequência ....................................27
8.1 Princípio de funcionamento .......................................................................................... 28
9 Detectores de proximidade indutivos ................................................................30
9.1 Constituição e funcionamento........................................................................................ 31
9.2 Curvas e distâncias de detecção .................................................................................. 33
9.3 Curvas de cálculo dos coeficientes de correcção......................................................... 35
9.4 Precauções relativamente à alimentação dos detectores ............................................ 36
9.5 Detectores para aplicações específicas ........................................................................ 41
10 Detectores capacitivos .......................................................................................43
11 Detectores fotoeléctricos ...................................................................................44
11.1 Constituição e funcionamento...................................................................................... 45
11.2 Definições associadas à detecção fotoeléctrica .......................................................... 47
11.3 Equivalência eléctrica .................................................................................................. 48
11.4 Processos de detecção................................................................................................ 49
11.5 Modos de funcionamento............................................................................................. 55
11.6 Determinação do alcance de trabalho ......................................................................... 56
11.7 Associação dos detectores em série e paralelo .......................................................... 58
11.8 Tipo de ligações ........................................................................................................... 59 12 Fibra óptica..........................................................................................................60
12.1 Fibras de vidro ............................................................................................................. 61
12.2 Fibras de Plástico ........................................................................................................ 62
12.3 Cabeças ópticas........................................................................................................... 63
13 Detectores para aplicações específicas ...........................................................64
14 Detectores ultrasónicos .....................................................................................66
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Documento Técnico – Aquisição de dados
14.1 Modo de funcionamento .............................................................................................. 68
14.2 Performances da detecção a ultrasons ....................................................................... 69
15 A visão artificial...................................................................................................70
15.1 Pontos chave da visão artificial.................................................................................... 71
15.2 Tipos de Iluminação..................................................................................................... 72
15.3 Sistemas de iluminação ............................................................................................... 73
15.4 Modos de exploração................................................................................................... 76
15.5 A óptica ........................................................................................................................ 78
16 Bibliografia ...................................................................................................................... 79
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Documento Técnico – Aquisição de dados
1 Introdução
A aquisição de dados engloba todos os constituintes que dão informações sobre o
estado de um produto, de uma máquina ou de uma instalação.
Estes constituintes podem detectar um estado, controlar um nível, acompanhar a
posição de um móvel ou identificar um objecto e as suas características.
Consoante a tecnologia, os interruptores fim-de-curso electromecânicos, os
detectores de proximidade indutivos e os detectores fotoeléctricos, detectam os
estados, controlam a presença, a ausência e a passagem de um objecto, a cor do
objecto, o seu tamanho, um estado perigoso, etc..
Os interruptores de bóia, termóstatos, pressostatos e vacuostatos indicam uma
variação de nível, de temperatura ou de pressão. Estes aparelhos fornecem
informações tipo “tudo ou nada”, segundo níveis fixos pré-determinados.
Os codificadores incrementais e absolutos destinam-se ao acompanhamento
contínuo da posição linear ou angular de um móvel.
Os leitores/descodificadores de códigos de barras permitem a identificação óptica.
A identificação indutiva, baseada na utilização de etiquetas electrónicas e blocos de
leitura/escrita, alia a função de detecção às de memorização e permuta de dados
pormenorizados com a unidade de tratamento.
A função “detecção” é assim essencial uma vez que é o elemento que fornece parte
das informações num processo industrial.
Com efeito, num sistema automático, os detectores asseguram o envio das
informações:
-
de todos os acontecimentos necessários à condução, para ser tida em conta
pelos sistemas de comando,
5
Documento Técnico – Aquisição de dados
-
do desenvolvimento das diferentes fases do processo, aquando da execução
do programa.
6
Documento Técnico – Aquisição de dados
2 As diversas funcionalidades da detecção
As necessidades de detecção são muito variadas.
As necessidades mais elementares são:
-
o controlo de presença, de ausência ou de posicionamento de um objecto,
-
a verificação de passagem ou da barragem de objectos e de contagem.
São normalmente utilizados dispositivos “tudo ou nada”, é o caso de aplicações
típicas de detecção de peças em cadeias de produção ou em actividades de
manutenção, assim como na detecção de pessoas ou veículos.
Existem outras necessidades mais específicas, tal como a detecção de presença ou
de nível de gás ou de um líquido, de forma, de posição (angular, linear) ou de
etiquetas com leitura e escrita de informações codificadas.
A estas necessidades juntam-se numerosas exigências, particularmente no que
respeita ao ambiente de instalação. Os detectores deverão segundo o caso, resistir
a:
-
humidade, imersão (ex. estanquecidade reforçada),
-
corrosão (indústrias químicas ou mesmo instalações agrícolas, etc),
-
variações fortes de temperatura (regiões tropicais),
-
e mesmo vandalismo (ex. instalados no exterior).
Para responder a todas estas necessidades, os construtores criaram uma gama
variada de detectores com diferentes tecnologias.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
3 As diferentes tecnologias de detecção
Os construtores de detectores utilizam processos de medida física variados.
Os principais, são :
-
mecânicos (pressão, força) para os interruptores electromecânicos de
posição,
-
electromagnetismo (campo, força) para os captores magnéticos, detectores
de proximidade indutiva,
-
luz (potência ou desvio luminoso) para as células fotoeléctricas,
-
capacidade para os detectores de proximidade capacitiva,
-
acústica (tempo de propagação de uma onda) para os detectores
ultrasónicos, -
fluido (pressão) para os pressostatos/vacuostatos, -
óptica (análise de imagem) para a visão artificial.
Cada um destes princípios apresenta vantagens e limitações. Alguns apresentam
como vantagem a robustez, necessitando contudo de contacto com a peça a
8
Documento Técnico – Aquisição de dados
detectar, o que os limita em algumas aplicações., outros podem ser instalados em
ambientes agressivos, tendo como limitação o facto de só detectarem determinado
tipo de peças (por ex.: peças metálicas).
Nos parágrafos que se seguem, apresentamos as diferentes tecnologias de
detecção, de modo a facilitar a compreensão e os imperativos de instalação e da
exploração
dos
detectores
disponíveis
no
mercado
dos
automatismos
e
equipamentos industriais.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
4 As funções anexas dos detectores
Diferentes funções foram desenvolvidas para facilitar o emprego dos detectores e a
autoaprendizagem foi uma delas.
Esta função permite através de um simples apoio sobre um botão definir o domínio
de detecção efectivo do dispositivo, poe exemplo a definição do alcance
máximo
mínimo e
(eliminação do plano posterior e de plano anterior muito preciso +/- 6 mm
para os detectores de ultra-sons) assim como a definição do ambiente de
funcionamento para os detectores.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
5 Interruptores de posição electromecânicos – Fim-de Curso
A detecção realiza-se através de um contacto físico (orgão de comando) com um
objecto ou um móvel. A informação é transmitida ao sistema de tratamento de
dados, através de um contacto eléctrico (tudo ou nada).
Estes dispositivos (orgãos de comando e contacto eléctrico) são designados por
interruptores de posição. Eles estão presentes em todas as instalações
automatizadas tal como em muitas outras aplicações de acordo com as inúmeras
vantagens inerentes à sua tecnologia.
Os interruptores fim-de-curso classificam-se em duas grandes famílias:
- interruptores de comando que nos equipamentos de automatismo, se destinam à
detecção de presença ou de passagem. São ligados às entradas das unidades de
tratamento de dados;
- interruptores de potência, inseridos nas fases de alimentação dos accionadores.
De um modo geral, as suas funções limitam-se à segurança.
Os interruptores fim-de-curso electromecânicos são utilizados em aplicações muito
variadas em virtude das suas numerosas qualidades: funcionamento seguro
(fiabilidade dos contactos, manobra positiva de abertura (norma CEI 947-5-1),
grande precisão (fidelidade nos pontos de contactode 0,1 a 0,01 mm, conforme os
modelos), imunidade natural às perturbações electromagnéticas, convivialidade
(aplicação simples, funcionamento visível), etc.
Os principais factores de selecção de um interruptor fim-de-curso com comando
mecânico, são :
- protecção contra choques ou projecção de líquidos,
- tipo de ambiente: humidade, poeiras, corrosão, temperatura,
- espaço disponível para alojar, fixar e regular o aparelho,
- condições de exploração: frequência de manobras, natureza, massa e velocidade
do móvel a controlar, precisão e fidelidade exigidas, possibilidade de excesso de
curso num ou noutro sentido, esforço necessário para accionar o contacto,
- número de ciclos de manobra,
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Documento Técnico – Aquisição de dados
- número e natureza dos contactos: acção dependente ou brusca, possibilidade de
regulação,
- natureza da corrente, valor da tensão e da corrente a controlar.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
5.1 Constituição dos interruptores fim-de-curso
Os interruptores fim-de-curso são constituídos a partir de três elementos de base:
um contacto eléctrico, um corpo e uma cabeça de comando com o seu dispositivo de
ataque. Na sua maioria, estes aparelhos são compostos a partir de diferentes
modelos de corpo equipados com um contacto eléctrico, cabeças de comando e
dispositivos de ataque. Assim, a manutenção faz-se muito facilmente pela troca de
qualquer um destes elementos.
Contacto eléctrico
É o denominador comum da maior parte dos aparelhos. Existe em versões 1 NA/NF,
2 NA/NF simultaneamente, e 2 NA/NF decalados de acção brusca e NA/NF
decalados de acção dependente.
Corpo
Existem diferentes versões: normalizado CENELEC ou de atravancamento reduzido,
fixo ou extraível, metálico ou termoplástico, com uma ou mais entradas de cabo.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
Cabeças de comando, dispositivo de ataque
Existem numerosos modelos que podem ser associados ao corpo que contem o
elemento de contacto:
- Cabeças de movimento rectilínio: botão ou rodízio no topo, com alavanca e rodízio
(ataque lateral ou vertical).
- Cabeças de movimento angular: alavanca com rodízio termoplástico ou de aço, de
comprimento fixo ou regulável, posição angular de 360º regulável de 5 em 5º ou de
45 em 45º por rotação da anilha dentada , ataque em um ou 2 sentidos,
- haste rígida, de aço ou poliamida, ataque em 1 ou 2 sentidos,
- mola ou haste com mola, ataque em 1 ou 2 sentidos,
- multidirecções com haste flexível ou rígida com mola. Nos modelos com ataque em
1 ou 2 sentidos, a selecção do sentido faz-se por simples regulação da cabeça.
Cabeças tipo Botão
Cabeças Rotativas
Multi-directionais
Alav.s 44. 45.
Cabeças ZCE01 / 05 /
Alav.
Alav. 53. 54.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
5.2 Movimentos de detecção
As cabeças de comando podem ter diferentes movimentos, de modo a permitir a
detecção em múltiplas posições e adaptar-se assim facilmente aos objectos a
detectar.
Os movimentos são:
-
angular,
-
rectilínio,
-
multi-direccional.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
5.3 Modo de funcionamento dos contactos
A oferta caracteriza-se pela tecnologia utilizada pela manobra dos contactos.
* Contactos a acção brusca ou também designada como ruptura brusca
A manobra dos contactos é caracterizada por um fenómeno de histerése, isto é, por
pontos de abertura e fecho distintos.
Posição repouso
Aproximação
Basculamento ou contacto Manobra positiva
A figura representa as diferentes posições de um contacto de acção brusca
A velocidade de deslocamento dos contactos móveis é independente da velocidade
da ordem do comando. Esta particularidade permite obter “performances” eléctricas
satisfatórias mesmo em caso de fracas velocidades de deslocamento do orgão de
comando.
Cada vez mais os interruptores de posição com contactos de acção brusca possuem
contactos com manobra positiva de abertura. Este aspecto diz respeito à manobra
de abertura e define-se do seguinte modo:
-
um aparelho satisfaz no que respeita a esta prescrição quando todos os seus
elementos de contactos de abertura possam ser levados com garantia à sua
posição de abertura, logo sem qualquer ligação elástica entre os contactos
móveis e o orgão de comando ao qual o esforço é aplicado.
Isto diz respeito ao contacto eléctrico do interruptor de posição, mas também ao
orgão de comando que deve transmitir o movimento sem deformação.
No caso de aplicações de segurança , impõe-se que se utilizem aparelhos com
manobra positiva de abertura.
•
Contactos a acção dependente ou também designada como ruptura lenta
Este modo de funcionamento é caracterizado por:
-
pontos de abertura e fecho idênticos,
16
Documento Técnico – Aquisição de dados
-
uma velocidade de deslocamento dos contactos móveis igual ou proporcional
à velocidade do orgão de comando (que não deve ser inferior a 0,1 m/s=6
m/min). Abaixo destes valores a abertura dos contactos faz-se muito
lentamente, o que se torna desfavorável para o bom funcionamento eléctrico
do contacto (risco de arco durante demasiado tempo),
-
a distância de abertura é igualmente dependente do orgão de comando.
Estes contactos são naturalmente de manobra positiva de abertura por parte dos
construtores : o botão age directamente sobre os contactos móveis.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
5.4 Interruptores fim-de-curso para aplicações
correntes
Existem diferentes tipos de interruptores, com formas e características adaptadas às
diferentes aplicações e ambientes. De seguida apresentamos alguns dos exemplos
mais representativos.
Aparelhos compostos
Corpo metálico
Um primeiro tipo de interruptor, com entrada por bucim incorporado e corpo
metálico, fixo ou extraível, é utilizado habitualmente nos equipamentos mecânicos
de tratamento ou transformação de materiais, devido às suas qualidades de
robustez e precisão.
O srgundo tipo de aparelho, com corpo fixo ou extraível e entrada roscada por
bucim, obedece à norma CENELEC EN 50041 (entre eixos de fixação 30*60 mm). É
próprio para utilização em máquinass-ferramentas ou outras instalações de
acabamento, em que os imperativos de produtividade exigem cadências de
comutação elevadas, ou seja, grande duração de vida eléctrica e mecânica, grande
precisão e bom comportamento aos óleos de corte.
Corpo plástico
Também obedece à norma CENELEC EN 50041. O corpo plástico com uma entrada
roscada para bucim, confere-lhe o duplo isolamento. É adequado para os
equipamentos da indústria agro-alimentar e química. Por outro lado, os dispositivos
de comando por alavanca com rodízio de grande diâmetro permitem a utilização em
instalações de manipulação e transporte.
Aparelhos não compostos
Corpo plástico
Estes interruptores têm um corpo plástico com isolamento duplo. Encontram-se
disponíveis com diversos dispositivos de comando (movimento rectilíneo, angular,
multidirecções) e são utilizados nos sectores industrial e terciário.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
Corpo metálico
É um aparelho compacto com invólucro monobloco e cabo de ligação disponível em
vários comprimentos. A estanquecidade e o óptimo comportamento mecânico
tornam-no particularmente adequado para aplicações em ambientes severos. Por
outro lado, as pequenas dimensões permitem integrá-lo em espaços reduzidos.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
5.5 Interruptores fim-de-curso para aplicações
especiais
Aparelhos para manipulação-elevação
Estes aparelhos com invólucro metálico, têm dispositivos de ataque que podem ser
accionados por qualquer tipo de móvel dada a sua concepção particularmente
robusta. Destinam-se mais especificamente a aplicações de manipulação e
elevação. Os dispositivos de ataque, de movimento angular, têm retorno ao zero (só
haste, haste ou alavanca com rodízio) ou posições fixas (haste em cruz ou em T).
Estes modelos estão equipados com dois contactos NA+NF de acção brusca ou com
dois contactos NA+NF de acção dependente . Em ambos os casos, os contactos são
de manobra positiva de abertura. Podem ser accionados de três maneiras
diferentes: dois contactos para cada sentido, dois contactos para um só sentido, um
contacto para cada sentido.
Controladores de desalinhamento
Destinam-se ao controlo do desvio de bandas transportadoras. A alavanca de rolo
comanda um primeiro contacto NA/NF de acção brusca para uma inclinação de 10º.
(sinalização do defeito) e um segundo contacto NA/NF quando a inclinação atinge
18º (paragem do transportador). Existem duas versões: invólucros em poliéster pré­
impregnado para ambientes corrosivos.
Interruptores de potência
Também designados por interruptores fim-de-curso, são inseridos nas fases de
alimentação dos accionadores e têm uma função última (em aparelhos de
manipulação por exemplo). Bipolares, tripolares ou tetrapolares, podem cortar,
conforme os modelos, correntes térmicas até 260 A (até 1000 A, com fabrico
especial).
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Documento Técnico – Aquisição de dados
Realizações especiais
Certos interruptores fim-de-curso podem ser de fabrico especial, quando destinados
a aplicações específicas ou a condições de ambiente diferentes: com invólucro
antideflagrante para atmosferas explosivas, com estanqueidade reforçada, que
confere maior resistência aos agentes externos, para ambientes corrosivos, etc.
Interruptores de segurança
Os interruptores de segurança garantem a protecção dos operadores de máquinas
pequenas. São accionados por uma chave solidária com a porta ou a chave de
protecção da máquina. Quando a porta, se fecha ou a chave de protecção entra na
cabeça do interruptor, accionando um dispositivo de encravamento múltiplo, fecha
um contacto NF (contacto de acção dependente e manobra positiva de abertura).
Este contacto não deve nunca comandar o arranque da máquina. A sua função
limita-se a autorizar o arranque, que só pode ser consequência de uma acção
voluntária sobre os órgãos de comando previstos para esse efeito. Está excluída a
possibilidade do fecho de um protector provocar a colocação em funcionamento de
uma máquina.
A abertura da porta provoca a retirada da chave e a abertura forçada do contacto do
interruptor.
Existem duas famílias de interruptores de segurança:
- interruptores para pequenos protectores,
- interruptores para máquinas de maiores dimensões, instalações de acabamento de
material, etc.
Alguns modelos estão equipados com sinalizadores para facilitar a manutenção e a
exploração sem possibilidades de erro.
Existe uma versão com encravamento por electroíman destinada às máquinas em
que o perigo subsiste após ter sido dada ordem de paragem (inércia, tensão,
temperatura, pressão, etc).
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Documento Técnico – Aquisição de dados
6 Pressostatos-vacuostatos
Estes aparelhos são um complemento dos constituintes electromecânicos,
indispensáveis em muitos casos, para o funcionamento das instalações e dos
equipamentos automáticos.
Estes produtos fazem o controlo da posição de móveis, de nível de líquidos, de
pressão e de temperatura.
Controlo de pressão – Pressostatos e Vacuostatos
Estes aparelhos destinam-se a regular ou controlar pressões ou depressões nos circuitos pneumáticos ou hidráulicos. Quando a pressão ou a depressão atinge o valor de regulação, o contacto NA/NF de
acção brusca muda de estado. Quando o valor da pressão ou depressão , diminui, tendo em conta o diferencial que pode ser regulado em alguns modelos, os contactos retomam à posição inicial.
Os pressostatos são frequentemente utilizados para: - comandar o arranque de grupos compressores em função da pressão no
reservatório,
- verificar a circulação de um fluido de lubrificação ou de refrigeração,
- verificar a pressão em certas máquinas-ferramentas equipadas com macacos
hidráulicos,
- parar uma máquina em caso de pressão baixa.
Os principais critérios de selecção destes equipamentos, são os seguintes:
- tipo de funcionamento, vigilância de um valor ou regulação entre dois valores de
pressão,
- natureza dos fluidos (óleos hidráulicos, água, ar, etc.),
- valor da pressão a controlar,
- ambiente,
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Documento Técnico – Aquisição de dados
- natureza do circuito eléctrico, circuito de comando (caso mais habitual), circuito de
potência (pressostato de potência).
us
Nautil
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Documento Técnico – Aquisição de dados
6.1 Sensores electrónicos de pressão
Aparelho electrónico, permitindo facilmente a parametrização do mesmo antes da
instalação com a possibilidade de modificação durante a operação.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
7 Encoder – Codificadores
O controlo da deslocação, da posição e da velocidade de um móvel, é um problema
que se coloca frequentemente num grande número de máquinas e instalações:
máquinas de acabamento, aparelhos de manipulação, robots, máquinas de corte em
comprimento, etc….
Os sistemas de detecção convencionais (interruptores fim-de-curso, detectores
indutivos ou fotoeléctricos) proporcionam soluções perfeitamente satisfatórias para
inúmeras aplicações: detectores colocados em locais fixos pré-determinados,
contagem dos impulsos emitidos por um detector à passagem de cames ou
accionado por uma roda dentada, codificação de posição por cames que são lidas
por detectores montados no móvel. Mas, estes sistemas esgotam-se rapidamente
quando o número de posições a controlar é mais elevado, ou quando a velocidade
de deslocamento dá lugar a uma frequência de contagem incompatível com as
características dos detectores.
Com os codificadores ópticos rotativos, o posicionamento do móvel é controlado
totalmente pelo sistema de tratamento, deixando de ser feito fisicamente por
detectores repartidos pela máquina ou pela instalação. Grande velocidade de
deslocamento, adaptação dos pontos de desaceleração sem intervenção física na
máquina, paragens rigorosas são vantagens dos codificadores que permitem
optimizar os tempos de transferência e contribuem significativanente para satisfazer
os imperativos de aumento de produtividade e de flexibilidade em todos os campos
de produção industrial.
Um encoder rotativo opto-electrónico é um sensor de posição angular.
● Mecanicamente acoplado a um eixo móvel duma máquina, no eixo do
encoder gira um disco que contém uma sucessão de sectores opacos e
transparentes.
● A luz dos LED’s passa através dos sectores transparentes do disco. Esta
luz é detectada por díodos fotosensíveis.
● Os díodos fotosensíveis, por sua vez, geram um sinal eléctrico que é
amplificado e convertido num sinal de onda quadrada antes de ser
transmitido a um sistema de processamento ou a um variador de
velocidade electrónico.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
Versões configuráveis (encoders incrementais 58mm com multi-resolução,
configurável por dip switches) e
versões com protocolo de comunicação
integrado (CANopen e Profibus DP).
A gama divide-se em:
-
Encoders incrementais
-
Encoders absolutos mono-volta
-
Encoders absolutos multi-volta
-
Encoders absolutos multi-volta com protocolo de comunicação
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Documento Técnico – Aquisição de dados
8 RFID – sistemas de identificação por rádiofrequência
A identificação rádiofrequência (RFID) é uma tecnologia de identificação automática,
relativamente recente, adaptada às aplicações que necessitem do seguimento de
objectos ou de pessoas (traçeabilidade, controlo de acessos, armazenamento).
O princípio é o de associar a cada objecto
uma capacidade de memorização
acessível sem contacto, em leitura e em escrita. Os dados são armazenados numa
memória acessível por simples ligação radiofrequência, sem contacto nem campo
de visão, a uma distância que pode ir de alguns centímetros a vários metros. Esta
memória apresenta-se sob a forma de uma etiqueta electrónica, no interior da qual
existe um circuito electrónico e uma antena.
São aparelhos estáticos, sem peças em movimento ao nível do detector, donde a
duração de vida é independente do número de ciclos de manobras. Apresentam boa
capacidade de adaptação a ambientes industriais, tendo uma boa resistência às
vibrações e aos choques. Possuem funções de aprendizagem por simples apoio
sobre um botão para definr o alcance de detecção. Aprendizagem do alcance
mínimo e máximo.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
8.1 Princípio de funcionamento
Um sistema RFID é composto pelos elementos seguintes:
- Uma etiquieta electrónica,
- Uma estação de leitura/escrita (ou leitura RFID).
O leitor : este modula a amplitude do campo abrangido pela sua antena para
transmitir as ordens de leitura ou de escrita à lógica de tratamento da etiqueta.
Simultaneamente, o campo electromagnético criado pela sua antena alimenta o
circuito electrónico da etiqueta.
A etiqueta: esta transforma as suas informações e envia-as para a antena do leitor
modulando o seu consumo próprio. Esta modulação é detectada pelo circuito de
recepção do leitor que a converte em sinais numéricos
Descrição dos elementos:
As etiquetas electrónicas : são compostas por três elementos principais reunidos
numa caixa
Uma antena: esta deve estar adaptada à frequência da portadora, e pode
apresentar diversas formas:
- Bobine em fio de cobre, com ou sem núcleo de ferro, ou ainda sob a forma de
circuitos integrados, ou impressa para frequências inferiores a 20 MHz.
- Dipolo em circuito impresso, ou impressa para altas frequências (>800 MHz).
Um circuito lógico de tratamento: o seu papel é o de assegurar a interface entre
as ordens captadas pela antena e a memória. A complexidade é função das
aplicações (ex. cartas de pagamento protegidas com algorítmos de cryptagem).
Uma memória: vários tipos de memórias são utilizadas para armazenar as
informações nas etiquetas electrónicas.
SIMPLES de configurar. Não existe um programa específico para tal, pois a
estação configura-se automaticamente para o tipo de protocolo, velocidade de
comunicação e ambiente. O endereçamento na rede é configurado com
utilização de um cartão electrónico.
Aberto a etiquetas electrónicas disponíveis no mercado que cumpram os
standards ISO 14443 e ISO 15693.
Aberto a
redes industriais (MODBUS RTU, ETHERNET, UNITELWAY,
PROFIBUS*,...).
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Documento Técnico – Aquisição de dados
Estações compactas incluindo RFID e de rede no mesmo invólucro
Consola de programação e manutenção
Etiquetas industriais
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Documento Técnico – Aquisição de dados
9 Detectores de proximidade indutivos
Estes aparelhos utilizados principalmente em aolicações industriais, detectam sem
contacto, qualquer objecto metálico: controlo de presença ou ausência, detecção de
passagem, controlo de sequência, posicionamento, codificação, contagem.
O emprego dos detectores de proximidade indutivos oferece inúmeras vantagens:
- compatibilidade com os automatismos electrónicos devido à possibilidade de
cadências elevadas,
- duração de vida independente do nº de ciclos de manobra (não têm peças móveis,
logo não há desgaste mecânico, contactos de saída estáticos),
- adaptação aos ambientes húmidos e corrosivos,
- detecção de objectos frágeis, pintados de fresco, etc..
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Documento Técnico – Aquisição de dados
9.1 Constituição e funcionamento
Um detector de proximidade indutiva detecta, sem contacto físico, a presença de
qualquer objecto feito de um material condutor. É composto por um oscilador, cujas
bobinagens constituem a parte sensível, e um estágio de saída. O oscilador cria à
frente da face sensível um campo electromagnético alternando com uma frequência
de 100 a 600 Hz, conforme os modelos. Quando um objecto condutor penetra neste
campo, desenvolvem-se correntes induzidas circulares na sua periferia (efeito de
coroa). Estas correntes constituem uma sobrecarga para o sistema oscilador, pelo
que provocam uma redução da amplitude das oscilações à medida que o objecto se
aproxima, até ao bloqueio completo. A detecção do objecto concretiza-se quando a
redução da amplitude das oscilações é suficiente para provocar uma mudança de
estado da saída do detector.
Transdutor
Oscilador
Estágio
Tratamento
(Bobina)
sinal
de saída e de
alimentação
Ligação para
e do exterior
Objecto
metálico
Detector
proximidade
Amplitude
das
Detecção
oscilações
Sinal antes do
tratamento
Ponto de
Ponto de actuação
desactuação
1
0
31
Documento Técnico – Aquisição de dados
A figura anterior mostra como a intensidade do campo electromagnético diminui
rapidamente à medida que o objecto se afasta da face sensível do detector.
32
Documento Técnico – Aquisição de dados
9.2 Curvas e distâncias de detecção
As curvas e as distâncias de detecção são determinadas por meio de uma placa de
medição quadrada, com 1 mm de espessura, em aço macio (Fe 360). O lado deste
quadrado é igual ao diâmetro da face sensível (detectores cilíndricos) ou a 3 vezes o
alcance nominal Sn (detectores rectangulares). Para traçar a curva de detecção, a
placa é colocada a diferentes distâncias da face sensível, paralelamente a esta, até
aos pontos em que se dá a comutação da saída. A curva de detecção obtem-se
ligando estes pontos.
A norma CEI 947-5-2 especifica a terminologia utilizada para definir as distâncias de
detecção dos detectores de proximidade indutivos.
Alcance nominal ou alcance estipulado Sn
É o alcance convencional utilizado na designação do aparelho e que figura no
catálogo dos fabricantes. Não tem em conta as dispersões (de fabrico, de
temperatura, de ambiente e da tensão de alimentação).
Alcance real Sr
O alcance real Sr é medido à tensão estipulada Un e à temperatura ambiente
estipulada (20º C). Deve estar compreendida entre 90 % e 110 % do alcance
nominal Sn do detector.
0,9 Sn ≤ Sr ≤ 1,1 Sn
Alcance útil Su
O alcance útil Su é medido nos limites admissíveis da temperatura ambiente (20ºC)
e da tensão de alimentação. Deve estar compreendido entre 90 % e 110 % do
alcance real Sr.
0,9 Sr ≤ Su ≤ 1,1 Sr
Alcance de trabalho Sa
O alcance de trabalho Sa está compreendido entre 0 e 81 % do alcance nominal Sn.
É o domínio de funcionamento em que a detecção da placa de medida é garantida
sejam quais forem as dispersões de tensão ou de temperatura.
Sa ≤ 0,9 * 0,9 Sn
33
Documento Técnico – Aquisição de dados
Para se encontrar o valor do alcance de trabalho temos que aplicar na fórmula
seguinte os coeficientes de correcção (material, temperatura, tensão e dimensões da
peça a detectar).
d
≤ Sn
Sa =
Km x Kd x Kθ x Kt
Em que :
Km: coeficiente de correcção do material
Kd: coeficiente de correcção das dimensões da peça a detectar
Kθ: coeficiente de correcção de temperatura Kt: coeficiente de correcção de tensão (considera-se 0,9 V) d: distância mínim a de detecção segura do objecto a detectar
34
Documento Técnico – Aquisição de dados
9.3 Curvas de cálculo dos coeficientes de
correcção
Kd
Km
1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,5
Aço
a detectar
Sn
Magnésio Tipo 316 Tipo 304
Aço inoxidável
Dimensões
lado do objecto
2 Sn
3 Sn
4 Sn
Latão Alumínio Cobr
Dimensões do objecto a detectar
Tipo de material do objecto
Aplicar um coeficiente de correcção Km a
determinar segundo o quadro acima
Aplicar um coeficiente de correcção Kd
segundo a curva acima.
Variação da tensão de
alimentação
1,1
0,9
-25
0
20
e dispersão de fabrico
50 70
T
Variação da temperatura ambiente
t
Aplicar um coeficiente de correcção Kθ a
segundo o quadro acima
Aplicar em todos os casos um coeficiente
de correcção Kt = 0,9
35
Documento Técnico – Aquisição de dados
9.4 Precauções relativamente à alimentação dos
detectores
Os detectores podem ser alimentados em tensão contínua ou alternada, conforme
os modelos.
Alimentação em tensão alternada
Os limites de tensão do detector devem ser compatíveis com a tensão nominal da
fonte.
Alimentação em tensão contínua
Os limites de tensão do detector e a taxa de ondulação admissível devem ser
compatíveis com as características da fonte. Se esta fonte tiver origem numa rede
alternada monofásica, a tensão deve ser rectificada e filtrada, verificando-se:
- se a tensão de crista de alimentação é inferior ao limite máximo admitido pelo
detector,
- se a tensão mínima de alimentação é inferior ao limite máximo admitido pelo
detector,
- se a tensão mínima de alimentação corresponde ao limite mínimo garantido para o
detector,
- se a taxa de ondulação não é superior a 10%.
Contactos de saída
Os detectores encontram-se disponíveis com saídas:
- NA: transístor ou tiristor de saída conduz na presença de uma peça,
- NF: o transístor ou tiristor de saída não conduz na presença de uma peça,
- inversor NA/NF: duas saídas complementares, uma que conduz e uma que não
conduz na presença de uma peça.
36
Documento Técnico – Aquisição de dados
Ligações eléctricas
Os detectores classificam-se em duas grandes categorias: os detectores a 2 fios e
os detectores a 3 fios.
Técnica 2 fios
Na técnica de 2 fios ligam-se em série com a carga a comandar. Apresentam:
- uma corrente residual Ir que é uma corrente que atravessa o detector no estado
aberto (estado de não condução), - uma tensão de defeito Ud , tensão aos terminais do detector no estado fechado (de condução), sendo necessário verificar a sua eventual influência sobre a carga (níveis de actuação e desactuação). Os detectores tipo 2 fios encontram-se disponíveis: - em alimentação a corrente contínua, não polarizados, - em alimentação a corrente contínua/alternada. Os aparelhos de corrente contínua não polarizados estão protegidos contra sobrecargas e curto-circuitos. As polaridades de ligação são indiferentes (não existe o risco de erro de ligação). A carga tanto pode ser ligada ao potencial positivo como
ao negativo. Quando estão associados a autómatos programáveis, os detectores tipo 2 fios de
corrente contínua tanto se ligam a entradas de lógica positiva como negativa. Associação dos detectores tipo 2 fios
A ligação em série só é possível com aparelhos multitensão. Exemplo: detectores 110/220 V, ligação em série de dois aparelhos com uma
alimentação 220 V. A queda de tensão nos terminais de carga é igual à soma das
tensões de defeito dos detectores. Em caso de ligação em série com um contacto mecânico, o detector deixa de ser alimentado quando este contacto abre. Quando o contacto fecha, o detector só
funciona após o tempo de atraso à disponibilidade. A ligação em paralelo de detectores tipo 2 fios entre si ou com um contacto mecânico não é aconselhável. 37
Documento Técnico – Aquisição de dados
Técnica 3 fios:
Os detectores tipo 3 fios são alimentados em corrente contínua. Têm dois condutores para a alimentação e um para a transmissão do sinal de saída. Alguns aparelhos têm um condutor suplementar para transmissão de um sinal complementar (tipo 4 fios NA+NF). Todos eles estão protegidos contra a inversão dos condutores de alimentação. A maior parte está também protegida contra sobrecargas e curto-circuitos.
Estes aparelhos não apresentam
corrente residual e a tensão de defeito é
desprezável. Logo, apenas é necessário ter em conta o limite de corrente comutada para verificar a compatibilidade entre o detector e a carga. Os detectores tipo 3 fios existem em duas versões: - aparelhos de base com saída PNP (carga ligada ao potencial negativo) ou saída
NPN (carga ligada ao potencial positivo),
- Aparelhos programáveis que permitem, conforme a polaridade de ligação, realizar
uma das quatro funções PNP/NA, PNP/NF, NPN/NA, NPN/NF.
Associação dos detectores tipo 3 fios
A ligação em paralelo de detectores tipo 3 fios não tem qualquer restrição. Mas, no
caso da ligação em série, devem-se ter em conta os seguintes pontos:
- o 1º detector suporta a corrente consumida pela carga e as correntes em vazio dos
outros detectores,
- cada um dos detectores provoca, no estado “actuado”, uma queda de tensão de
cerca de 2V, Quando o 1º detector actua, o 2º detector só funciona após o tempo de atraso à
disponibilidade, - utilizar díodos anti-retorno com cargas indutivas. 38
Documento Técnico – Aquisição de dados
Os detectores indutivos podem apresentar-se sob a forma cilíndrica ou
rectangular.
Detectores cilíndricos
A norma CEI 947-5-2 descreve as características dos detectores de proximidade
indutivos cilíndricos (comportamento às perturbações electromagnéticas, níveis de
severidade em corrente contínua e alternada).
Estes aparelhos podem ainda ter o invólucro metálico ou plástico, dependendo do
tipo de utilização e do ambiente de instalação.
Tipo de ligação
Os detectores cilíndricos podem ser fornecidos com:
- cabo moldado , garantindo excelente resistência às projecções de líquidos (IP 68),
- ligador tipo macho integrado ou montado na ponta de um cabo, com diferentes
modelos de ligadores tipo fêmea, direitos ou em cotovelo. Esta versão com ligador
proporciona uma diminuição dos tempos de paragem da máquina em caso de
substituição do detector, pois evita-se a necessidade de desligar os cabos e,
portanto os riscos de erro.
Funcionalidades de base ou universais
A gama de detectores cilíndricos inclui:
- produtos de base com uma saída NA ou NF ou 2 saídas complementares NA+NF.
As saídas existem em versão PNP ou NPN. Estes aparelhos monotensão ou
monocorrente , são particularmente indicados para aplicações repetitivas,
- produtos com funcionalidades universais multitensão e/ou multicorrentes,
alguns dos quais com saída programável PNP/NPN – NA/NF.
39
Documento Técnico – Aquisição de dados
Detectores rectangulares
Os detectores rectangulares encontram-se disponíveis com corpo plástico ou
metálico, forma compacta ou normalizada.
Estes detectores apresentam funcionalidades idênticas aos detectores cilíndricos,
com aparelhos alimentados em corrente contínua polarizados e em corrente
alternada, tipo 2 fios. Os aparelhos para corrente contínua polarizados não estão
protegidos contra sobrecargas nem curto-circuitos. As polaridades de ligação devem
então ser respeitadas. A carga pode ser ligada ao potencial positivo ou ao negativo.
Normalmente os alcances nominais são superiores aos detectores cilíndricos. Estes
aparelhos são especialmente indicados para aplicações nas quais a trajectória do
objecto a detectar tem por vezes falta de precisão (manipulação, transporte, etc.).
Tipo de ligação
Por cabo, ligador ou a terminais.
Entre-eixos de fixação idênticos aos dos interruptores fim-de-curso.
40
Documento Técnico – Aquisição de dados
9.5 Detectores para aplicações específicas
Para além dos detectores tipo 2 fios e 3 fios destinados a todas as aplicações
correntes de detecção de presença, existem igualmente detectores para aplicações
específicas.
Detectores analógicos
Os detectores de proximidade analógicos estão preparados para dar valores de
deslocamentos, deformações, amplitudes e frequências de oscilação, dimensão,
posição, concentricidade. O funcionamento baseia-se no princípio de amortecimento
de um oscilador. Este transforma a aproximação de uma peça metálica em variação
de corrente proporcional à distância face sensível/peça a detectar.
Detectores para atmosferas explosivas - Atex
São utilizados nomeadamente em zonas de segurança intrínseca (atmosferas
explosivas), associados a um relé de segurança intrínseca ou com uma entrada
estática equivalente.
41
Documento Técnico – Aquisição de dados
Detectores para controlo de rotação
Os detectores de controlo de rotação, permitem comparar a frequência dos impulsos
emitidos por um móvel com uma frequência regulável por potenciiómetros no
detector. As funções de leitura de informações e comparação estão agrupadas no
mesmo aparelho.
Estes aparelhos existem para corrente alternada e contínua.
São apropriados para a detecção de subvelocidades resultantes de escorregamento,
ruptura de banda ou de acoplamento, sobrecarga, etc.
Detectores para controlo de sequência
Estes detectores, alimentados em corrente alternada, têm um sinal de saída
temporizado à acção ou ao repouso. A temporização é regulável de 1 a 20 segundos
por potenciómetro. É eliminada quando o potenciómetro fica a zero. O contacto de
saída é programável NF ou NA.
42
Documento Técnico – Aquisição de dados
10 Detectores capacitivos
Os detectores capacitivos destinam-se à detecção de objectos ou produtos não
metálicos, de todos os géneros (papel, vidro, plástico, líquidos, etc.).
Um
detector
de
posição
capacitivo,
compõe-se
de
um
oscilador
cujos
condensadores constituem a face sensível.
Detecção da presença de todo o tipo de objectos por alteração dieléctrica
independentemente do tipo de material ou condutividade.
Estes detectores estão equipados com um potenciómetro para regulação de
sensibilidade.
Esta tecnologia de detecção não é muito utilizada actualmente devido aos
problemas inerentes ao facto de detectarem qualquer tipo de material.
43
Documento Técnico – Aquisição de dados
11 Detectores fotoeléctricos
Os detectores fotoeléctricos permitem a detecção de objectos de todos os géneros
(opacos, transparentes, reflectores, etc.) nas mais diversas aplicações para os
sectores industrial e terciário.
Existem 5 sistemas de base de detecção fotoeléctrica:
- barragem,
- reflex,
- reflex polarizado,
- proximidade,
- proximidade com eliminação do plano posterior.
44
Documento Técnico – Aquisição de dados
11.1 Constituição e funcionamento
O funcionamento deste detector baseia-se no seguinte:
Um detector fotoeléctrico detecta um alvo que pode ser um objecto ou uma pessoa
por meio de um feixe luminoso.
A detecção é efectiva quando o alvo penetra no feixe luminoso e modifica
suficientemente a quantidade de luz recebida pelo receptor para provocar uma
mudança de estado da saída. É realizada por dois processos:
- bloqueio do feixe pelo alvo,
- reenvio do feixe ao receptor pelo alvo.
O emissor é constituído por um díodo electroluminoso (LED) e o receptor é um
fototransistor. Estes constituintes electrónicos são utilizados devido ao seu grande
rendimento
luminoso, à sua insensibilidade aos choques e às vibrações, ao
excelente comportamento às temperaturas, à sua duração de vida praticamente
ilimitada e à sua rapidez de resposta.
Conforme os modelos de detectores, a emissão é feita por raios infravermelhos ou
em luz visível, verde ou vermelha.
Espectro luminoso
Para insensibilizar os sistemas à luz ambiente, a corrente que atravessa o LED
emissor é modulada para produzir uma emissão de luz pulsatória.
45
Documento Técnico – Aquisição de dados
Modulação do feixe luminoso
O feixe luminoso emitido tem 2 zonas:
- uma zona de funcionamento aconselhável, na qual a intensidade do feixe é
suficientemente elevada para garantir uma detecção normal. Conforme o sistema utilizado, barragem, reflex ou proximidade, o receptor, o reflector ou o objecto a detectar devem situar-se nesta zona,
- uma zona em que a intensidade do feixe deixa de ser suficiente para garantir uma
detecção fiável. 46
Documento Técnico – Aquisição de dados
11.2 Definições associadas à detecção fotoeléctrica
Alcance nominal Sn
É a distância máxima aconselhada entre o emissor e o receptor, reflector ou alvo,
incluindo uma margem de segurança. É o alcance indicado nos catálogos e que
serve como referência de comparação entre os diferentes aparelhos.
Alcance de trabalho Sa
É a distância que garante uma fiabilidade de detecção máxima, tendo em conta os
factores ambientais (poeiras, fumos, etc.) e uma margem de segurança.
Sa ≤ Sn
Atraso à disponibilidade
É o tempo necessário para que a saída assuma o seu estado “fechado” ou “aberto”
após a colocação sob tensão.
Frequência de comutação
É o nº máximo de alvos que o sistema é capaz de detectar por unidade de tempo,
tendo em conta os atrasos à acção e ao repouso. Exprime-se geralmente em Hz.
47
Documento Técnico – Aquisição de dados
11.3 Equivalência eléctrica
Os detectores fotoeléctricos encontram-se disponíveis:
- técnica 2 fios com saída estática. Os detectores tipo 2 fios são alimentados em
série com a carga a comandar,
- técnica 3 fios com saída estática PNP (carga ligada ao potencial negativo) ou
NPN (carga ligada ao potencial positivo). Estes detectores estão protegidos contra a
inversão da alimentação, sobrecargas e curto-circuitos da carga,
- técnica 5 fios com saída a relé (1 contacto inversor NA/NF). Estes detectores
têm isolamento galvânico entre a tensão de alimentação e o sinal de saída.
Corrente residual Ir (detector tipo 2 fios)
É a corrente que atravessa o detector no estado “aberto”.
Tensão de defeito Ud (detector tipo 2 fios)
É a tensão residual nos terminais do detector no estado “fechado”.
48
Documento Técnico – Aquisição de dados
11.4 Processos de detecção
Os detectores fotoeléctricos detectam um alvo por dois processos:
- Bloqueio do feixe: na ausência de alvo, o feixe luminoso chega ao receptor.
Quando um alvo penetra no feixe, bloqueia-o. Na ausência de luz no receptor este
detecta a presença de um objecto.
Há três sistemas que funcionam por este processo, baseado nas propriedades
absorventes dos objectos a detectar (barragem, reflex, reflex polarizado).
- Reenvio do feixe, na ausência de alvo, o feixe luminoso não chega ao receptor.
Quando um alvo penetra no feixe, reenvia-o para o receptor. Quando a luz chega ao
receptor há detecção.
Há dois sistemas que funcionam por este processo, baseado nas propriedades de
reflexão dos objectos (proximidade, proximidade com eliminação do plano posterior).
Os cinco sistemas de base
Sistema barragem
O emissor e o receptor encontram-se em dois invólucros separados. Este sistema
permite obter os maiores alcances de detecção.
O feixe é emitido em infravermelhos . Este processo de detecção consegue detectar
qualquer tipo de objectos (opacos, reflectores, etc.), com excepção de objectos
transparentes.
Este tipo de detectores, devido à sua grande margem de ganho, são perfeitamente
indicados para ambientes poluídos (fumo, poeiras, locais sujeitos a intempéries,
etc.).
O alinhamento entre o emissor e o receptor deve ser feito cuidadosamente. Para
facilitar
esta
tarefa,
alguns
modelos
estão
equipados
com
díodos
electroluminescentes que controlam a intensidade do feixe luminoso que chega ao
49
Documento Técnico – Aquisição de dados
receptor. Para além da função de auxílio ao alinhamento, estes díodos assinalam
igualmente uma sujidade excessiva das lentes, que pode dar origem a defeitos de
detecção.
Sistema reflex
O emissor e o reflector encontram-se no mesmo invólucro. Na ausência de alvo, o
feixe que o emissor emite é reenviado para o receptor por intermédio do reflector.
Este é constituído por inúmeros triedros, tri-rectangulares de reflexão total e que têm
a propriedade de reenviar qualquer raio luminoso incidente na mesma direcção.
A detecção é feita quando o alvo bloqueia o feixe entre o emissor e o receptor.
Assim, este processo não é adequado para detecção de objectos reflectores que
poderiam reenviar o feixe para o reflector.
O alcance nominal de detecção de um detector fotoeléctrico reflex é cerca de duas a
três vezes inferior ao de um sistema barragem.
Este tipo de detector apresenta também uma margem de ganho inferior ao sistema
barragem, pelo que apesar de ainda ser possível utilizá-lo num ambiente poluído,
será conveniente consultar as curvas de ganho do construtor para garantir se a
detecção é efectuada ou não a uma determinada distância (alcance de trabalho).
Selecção do reflector
O reflector é parte integrante de um sistema de detecção reflex. A sua selecção, instalação e manutenção condiciona o bom funcionamento do
detector que lhe está associado. 50
Documento Técnico – Aquisição de dados
A dimensão do reflector deve ser sempre inferior à do objecto a detectar Os
alcances referidos nas características do produto, são definidos com reflectores
cujas dimensões são sempre indicadas.
Caso se utilizem reflectores mais pequenos, tendo em conta as dimensões dos
objectos a detectar, o alcance fica reduzido.
Quando pretendemos detectar um objecto em que o detector e o reflector esteja
entre 0 e 10% do alcance nominal (zona morta), o sistema não funciona
convenientemente porque a maior parte da luz é reenviada para o emissor. Para
conseguir um bom funcionamento nesta zona, é necessário utilizar um reflector com
triedros grandes.
O reflector deve ser montado num plano perpendicular ao eixo óptico do detector.
Os alcances indicados são calculados para um ângulo máximo de 10%. Para
ângulos maiores, deve-se considerar uma diminuição do alcance.
51
Documento Técnico – Aquisição de dados
Sistema reflex polarizado
Os objectos brilhantes que não bloqueiam o feixe, mas reflectem uma boa parte da
luz para o receptor, não podem ser detectados por um sistema reflex standard.
Nesse caso, utilizamos o sistema reflex polarizado.
Este tipo de detector que emite uma luz vermelha visível, está equipado com dois
filtros polarizados opostos:
- um filtro no emissor que só deixa passar os raios emitidos num plano vertical,
- um filtro no receptor que só deixa passar os raios recebidos num plano horizontal.
Na ausência de objecto, o feixe emitido, polarizado verticalmente, é reenviado pelo
reflector depois de ter sido despolarizado. O filtro polarizado deixa passar a luz
reflectida no plano horizontal.
Em presença de um objecto, o feixe emitido é reenviado pelo objecto sem sofrer
modificação. O feixe reflectido, polarizado verticalmente, é portanto bloqueado pelo
filtro horizontal do receptor.
Os critérios para a selecção do receptor, funcionamento em zona próxima e
emprego em ambientes poluídos, são os mesmos que para um sistema reflex
standard.
O funcionamento de um reflex polarizado pode ser perturbado pela presença, no
feixe, de determinados materiais plásticos que despolarizam a luz que os atravessa.
Por outro lado, é aconselhável evitar a exposição directa das ópticas às fontes de luz
ambiente.
52
Documento Técnico – Aquisição de dados
Sistema proximidade
Do mesmo modo que para o sistema reflex, o emissor e o receptor estão reunidos
num mesmo invólucro. O feixe luminoso, emitido em infravermelhos, é reenviado
para o receptor por qualquer objecto suficientemente reflector que penetre na zona
de detecção.
O alcance nominal de um sistema de proximidade é inferior ao de um sistema reflex.
Por este motivo, este sistema não é aconselhável em ambientes poluídos. O alcance
depende:
- da cor do objecto a detectar e do seu poder de reflexão (a um objecto de cor clara
é detectado a maior distância do que um objecto de cor escura),
- das dimensões do objecto a detectar (o alcance diminui com as dimensões).
Os alcances nominais referidos nos catálogos dos fabricantes, são definidos com
uma peça padrão de cor branco Kodak 90% com as dimensões 20*20 cm.
Estes detectores estão muitas vezes equipados com um potenciómetro de regulação
da sensibilidade. Para uma dada distância alvo/emissor, a detecção de um alvo
menos reflector requer um aumento de sensibilidade. Isto pode provocar a detecção
do plano posterior, se este for mais reflector do que o alvo.
Neste caso para se garantir unicamente a detecção do alvo, deve-se utilizar um
sistema de proximidade com eliminação do plano posterior.
53
Documento Técnico – Aquisição de dados
Sistema de proximidade com eliminação do plano posterior
Os detectores de proximidade com eliminação do plano posterior estão equipados
com um potenciómetro de regulação do alcance que permite “focar” uma zona de
detecção evitando a detecção de um plano posterior.
Podem detectar, praticamente à mesma distância, objectos de cor e poder reflector
diferentes.
A tolerância de funcionamento deste tipo de sistema de detecção em ambientes
poluídos é superior à de um sistema standard, uma vez que o alcance real não
evolui em função da quantidade de luz , reenviada pelo alvo.
54
Documento Técnico – Aquisição de dados
11.5 Modos de funcionamento
Os detectores fotoeléctricos podem funcionar de dois modos:
- comutação clara, em que a saída é activada quando o feixe luminoso chega ao
receptor (ausência de alvo em barragem e reflex, presença de alvo em proximidade),
- comutação sombra, em que a saída é activada quando o feixe luminoso não
chega ao receptor (presença de alvo em barragem e reflex, ausência de alvo em
proximidade).
Conforme os modelos de detectores, o funcionamento em comutação clara ou
sombra é definido ou programável pelo utilizador. A programação faz-se por
cablagem.
55
Documento Técnico – Aquisição de dados
11.6 Determinação do alcance de trabalho
O alcance necessário para se obter uma detecção fiável só pode ser definido em
função do ambiente. De facto, qualquer sistema óptico é influenciado pelas
variações da transparência do meio, variações resultantes de poeiras, fumos,
perturbações atmosféricas, etc..
Os fabricantes já consideraram uma margem de segurança nos alcances nominais
Sn que indicam para os seus detectores fotoeléctricos. No entanto, em caso de
poluição ambiente ou depósitos nas lentes ou nos reflectores, é necessário
considerar um factor de correcção suplementar.
A aptidão para um detector fotoeléctrico funcionar num ambiente poluído depende
da sua reserva de ganho.
As curvas de ganho que são estabelecidas para cada modelo de detector dão, em
leitura directa, o alcance de trabalho em função do ambiente. Urilizam-se geralmente
os seguintes níveis:
- ganho ≥ 5, para ambientes ligeiramente poeirentos,
- ganho ≥ 10, para ambientes poluídos, muito poeirento, nevoeiro leve,
- ganho ≥ 50, para ambiente extremamente poluído, nevoeiro ou fumo densos,
montagem no exterior, sujeito a chuvas. O ganho 1 corresponde ao sinal mínimo necessário para fazer comutar a saída. Os
alcances nominais Sn dos detectores são dados sempre para um ganho ›1. Em barragem deve-se utilizar a curva de ganho ou aplicar os seguintes coeficientes
aos alcances indicados:
1 : ambiente limpo
0,5 : ambiente ligeiramente poluído
0,10 : ambiente muito poluído
56
Documento Técnico – Aquisição de dados
Em reflex standard ou polarizado e dada a não linearidade do ganho, apenas a
leitura da curva de ganho, permite definir o alcance de trabalho que garante uma
detecção fiável em meio perturbado.
Em proximidade o alcance de trabalho depende principalmente da capacidade de
reflexão do objecto a detectar. Contudo, se o ambiente for ligeiramente poluído e no
caso de aparelhos com grande alcance nominal, recomenda-se a consulta da curva
de ganho.
Em proximidade com eliminação do plano posterior, a curva de ganho não é
significativa, uma vez que o alcance do detector não depende da quantidade de luz
recebida.
Exemplo de curvas de ganho
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Documento Técnico – Aquisição de dados
11.7 Associação dos detectores em série e paralelo
A ligação de detectores tipo 2 fios em série ou paralelo é desaconselhada.
Para os detectores tipo 3 fios a ligação em série é desaconselhada, contudo
para a ligação paralela não existem quaisquer restrições.
Para os detectores 5 fios, não existem restrições quer para a ligação série ou
paralela.
58
Documento Técnico – Aquisição de dados
11.8 Tipo de ligações
Os detectores fotoeléctricos podem ser fornecidos com:
- cabo moldado, apresentando um grau de estanquecidade elevado,
- placas de terminais com parafusos, comprimento e tipo de cabos adaptáveis às
necessidades do utilizador,
- ligador, o que permite uma grande rapidez de intervenção em caso de substituição
dos aparelhos, sem riscos de erro de cablagem.
Tipos de saída
Encontram-se disponíveis dois tipos de saídas:
- saídas a relés, contacto inversor NA/NF : corrente comutada elevada, aplicações
simples,
- saídas estáticas PNP ou NPN : interfaces para autómatos programáveis, longa
duração de vida, cadências de manobra elevadas.
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Documento Técnico – Aquisição de dados
12 Fibra óptica
O princípio baseia-se na propagação das ondas luminosas na fibra óptica e na sua
propriedade de reflexão total interna.
Os detectores de fibras ópticas são constituídos por amplificadores, que contêm o
emissor e o receptor de luz, desfazados em relação ao ponto de detecção. A luz é
transportada entre o ponto de detecção e o amplificador por fibra óptica, que dadas
as suas pequenas dimensões, podem integrar-se nos locais mais exíguos. Estes
aparelhos também estão perfeitamente indicados para a detecção de alvos muito
pequenos (parafusos, anilhas, cápsulas, etc.).
Existem em sistema barragem e proximidade. Os amplificadores são os mesmos
para os dois sistemas.
São utilizados dois tipos de fibra: fibras de vidro com amplificadores que emitem
raios infravermelhos e fibras de plástico
com amplificadores que emitem luz
vermelha visível.
60
Documento Técnico – Aquisição de dados
12.1 Fibras de vidro
O núcleo das fibras de vidro é constituído por um feixe em sílica, com com algumas
dezenas de microns de diâmetro.
Estas fibras são sobretudo utilizadas em aplicações para ambientes corrosivos,
susceptíveis de deteriorar as fibras de plástico, ou em caso de temperatura ambiente
elevada. Existem em duas versões: uma versão standard para temperaturas
ambientes de 90ºC e uma versão com revestimento inox que pode ser utilizada até
200ºC.
61
Documento Técnico – Aquisição de dados
12.2 Fibras de Plástico
O núcleo das fibras de plástico é constituído por um “condutor” único, com diâmetro
de 0,25 a 1 mm.
As fibras de plástico são hoje em dia utilizadas frequentemente devido:
- à simplicidade de aplicação, que pode ser feita pelo utilizador utilizando apenas
uma guilhotina fornecida com a fibra.
O único ponto que tem que ser respeitado é o valor mínimo de raio de curvatura: 25
mm para núcleos de diâmetro de 1 mm e 10 mm para núcleos de diâmetro de 0,25
mm. Qualquer raio de curvatura com valores inferiores provoca o enfraquecimento,
ou até mesmo o completo desaparecimento do feixe luminoso,
- aos desempenhos, que são idênticos aos das fibras de vidro. As fibras plásticas
podem ter vários diâmetros, ser direitas ou em espiral, com ponteira standard ou
moldável.
As fibras barragem podem ser equipadas com lentes adicionais que multiplicam o
alcance nominal. Contudo, o principal interesse destas lentes reside não no aumento
do alcance, mas sim no aumento da margem de ganho, que permite a utilização das
fibras plásticas em ambientes poluídos.
62
Documento Técnico – Aquisição de dados
12.3 Cabeças ópticas As cabeças ópticas, tal como as fibras ópticas, são destinadas à detecção de alvos
pequenos.
Caracterizam-se pela utilização de um amplificador permitindo a miniaturização das
cabeças ópticas. Existem no sistema barragem, reflex e proximidade.
Estes detectores são propostos em técnicas 3 fios, PNP ou NPN, função clara ou
sombra programável. Os amplificadores são de saída estática ou a relé conforme os
modelos.
63
Documento Técnico – Aquisição de dados
13 Detectores para aplicações específicas
Existem detectores fotoeléctricos para aplicações específicas, tal como:
- detecção de cores,
- detecção de água,
- etc..
Sector embalagem:
Sector manipulação:
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Construção e terciário,…:
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14 Detectores ultrasónicos
São constituídos electricamente por um transdutor electroacústico (efeito
piezoeléctrico) que converte a energia eléctrica que lhe é fornecida em vibrações
mecânicas, graças aos fenómenos de piezoelectricidade.
A figura abaixo representa o princípio de funcionamento de um transdutor electroacústico.
Emissão
Feixe acústico emitido
Recepção Onda acústica recebida Eléctrodo superior
Eléctrodo inferior
O princípio consiste em medir o tempo de propagação da onda acústica entre o
detector e o alvo. A velocidade de propagação é de 340 m/s no ar a 20 ºC. Por ex.
para 1 m, o tempo a medir é de aproximadamente 3 ms. Este tempo é medido com
um contador de um microcontrolado.
A vantagem dos detectores ultrasónicos é de poderem funcionar a grandes
distâncias (até 10 m), mas sobretudo de serem capazes de detectar qualquer tipo de
objecto, que possa reflectir o som , independentemente da forma ou da cor.
O estágio de saída controla um comutador estático (transistor PNP ou NPN), um
contacto NA ou NF, ou então um sinal analógico (corrente ou tensão) directamente
ou inversamente proporcional à distância do objecto medido.
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Particularidades dos detectores a ultrasons
Definições :
Zona de não detecção : Zona compreendida entre a face sensível do detector e o
alcance segundo o qual nenhum objecto pode ser detectado com fiabilidade. É
impossível detectar correctamente um objecto nesta zona. Deve-se evitar a
passagem de objectos nesta zona durante o funcionamento do detector. Isto poderá
provocar a instabilidade das saídas.
Zona de detecção : domínio no qual o detector é sensível. Segundo os modelos de
detectores, esta zona pode ser fixa ou ajustável por intermédio de um simples botão
de pressão.
Factores de influência : Os detectores de ultrasons estão particularmente
adaptados à detecção de objectos de dureza elevada e apresentando uma
superfície plana perpendicular ao eixo de detecção.
Contudo, o funcionamento do detector de ultrasons pode ser perturbado por
diferentes factores :
- As correntes de ar bruscas e de forte intensidade podem acelerar ou desviar a
onda acústica emitida pelo produto (ejecção da peça por jacto de ar).
- Os gradientes de temperatura importantes no domínio de detecção: uma
temperatura elevada alterada por um objecto, cria zonas de temperaturas diferentes
que modificam os tempos de propagação da onda e não permitem uma detecção
fiável.
- Os isoladores de som: os materiais tais como o algodão, os tecidos, a borracha,
absorvem o som. Para estes produtos o modo de detecção « reflex » é o mais
aconselhado.
- O ângulo entre a face do objecto a detectar e o eixo de referência do detector:
desde que este ângulo seja diferente de 90°, a onda não é mais reflectida no eixo
do detector e o alcance de trabalho diminui. Este efeito é tanto mais acentuado
quanto maior for a distância entre o objecto e o detector. Acima de ±10°, a detecção
deixa de ser possível.
- A forma do objecto a detectar: um objecto anguloso é mais difícil de detectar.
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14.1 Modo de funcionamento
• Proximidade : um único detector emite a onda sonora e depois capta-a após
reflexão sobre um objecto.
• Réflex : um único detector emite a onda sonora,
depois recepciona-a após
reflexão sobre um reflector. O reflector, neste caso, é uma parte plana e rígida (pode
ser uma parte da máquina). A detecção do objecto faz-se então por corte da onda.
Este processo está particularmente adaptado para a detecção de materiais
amortecedores ou objectos angulosos.
Proximidade ou reflex com ângulo de reenvio.
• Modo barragem : o sistema barragem é composto por 2 elementos (produtos)
independentes que são colocados um frente ao outro (um emissor de ultrasons e um
receptor).
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14.2 Performances da detecção a ultrasons
Não existe contacto físico com o objecto, pelo que não há desgaste, permitindo
assim a possibilidade de detectar objectos frágeis ou pintados de fresco.
Possibilidades de detectar todo o tipo de material, qualquer que seja a sua cor, à
mesma distância, sem regulação ou aplicação de factores de correcção.
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15 A visão artificial
Considerada o olho da máquina. Através de uma fotografia tirada por uma câmara , conseguimos registar as características físicas de um objecto que são numerosas. É assim possível conhecer: -as suas dimensões, -a sua posição, -o seu aspecto (estado da superfície, cor, brilho, presença de defeitos), -as suas marcas (logótipo, caracteres,…). O utilizador pode assim automatizar funções complexas: -de medição, -de guia, -e de identificação. Controlo de uma peça mecânica. As setas indicam as zonas verificadas pelo sistema.
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15.1 Pontos chave da visão artificial
A visão industrial é composta por um sistema óptico (iluminação, câmara e óptica),
associado a uma unidade de tratamento e um comando de accionadores.
Iluminação
É necessário existir uma boa iluminação, bem adaptada, de modo a criar um
contraste suficiente e estável, para visualizar em perfeitas condições os elementos a
controlar.
Câmara e óptica
A qualidade da imagem depende da escolha da óptica e da câmara (contraste e
nitidez) e isto para uma distância definida entre câmara/objecto e tendo em conta o
objecto a detectar (dimensões, estado de superfície e detalhes).
Unidade de tratamento
A imagem proveniente da câmara é transmitida à unidade de tratamento, que
contém os algoritmos de adaptação e análise da imagem necessários à realização
de todos os controlos.
Os seus resultados, são de seguida transmitidos ao automatismo ou comandando
directamente um accionador.
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15.2 Tipos de Iluminação
As tecnologias de iluminação:
Iluminação fluorescente de alta frequência
Apresenta uma luz branca e tem uma duração de vida elevada (5.000 horas), sendo
o volume ou “campo” de iluminação importante.
Iluminação de halogéneo
Apresenta também uma luz branca, sendo neste caso a sua duração de vida curta
(500 horas) e apresenta uma potência muito elevada, podendo cobrir um “campo” de
iluminação muito importante.
Iluminação a LED’s (Díodo Emissor de Luz)
É a tecnologia priveligiada nos nossos dias. Apresenta uma luz homogénea com
uma duração de vida extremamente elevada (30.000 horas). Existe também em
cores mas neste caso os “campos” cobertos estão limitados a cerca de 50 cm.
Estas iluminações podem ser aplicadas de diferentes modos. São utilizados 5
sistemas distintos de modo a fazer sobressair as características que se pretendem
controlar.
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15.3 Sistemas de iluminação
- Angular
Consiste num conjunto de LED´s montados em anel. É um sistema de iluminação
muito potente, permitindo iluminar objectos no seu eixo, pela parte inferior.
Aplica-se em controlo de precisão.
- Retro Iluminação
Iluminação colocada atrás do objecto e em face com a câmara. Permite colocar em evidência a silhueta do objecto (sombra chinesa). Aplica-se para a medição de objectos ou análise de elementos opacos. 73
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- Linear directa
Utilizada para colocar em evidência uma pequena superfície do objecto a controlar e criar uma zona de sombra. Aplica-se para a pesquisa de defeitos precisos. - Rasante
Permite fazer a detecção de um “bordo” de um recipiente, controlar uma etiqueta,
detectar os defeitos sobre uma superfície vidrada ou metálica.
Aplica-se para o controlo de caractéres impressos, para verificar o estado de uma
superfície e detectar sulcos no material.
- Coaxial
Permite focalizar superfícies lisas perpendiculares ao eixo óptico, orientando a luz
para um espelho semi-reflector.
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Aplica-se para controlo, análise e medida de superfícies metálicas ou outras
superfícies reflectoras.
Na figura abaixo, poderemos verificar as dimensões (em polegadas), dos detectores
utilizados na indústria.
As ópticas devem ser adaptadas a cada formato de captores, de modo a poderem
utilizar a totalidade dos pixels.
Æ Câmara CMOS
Progressivamente suplantada pela CCD. Apresenta um custo baixo, pelo que é
normalmente utilizada para aplicações básicas.
Æ Câmara Vidicon (tubo)
Uma tecnologia já obsoleta.
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15.4 Modos de exploração
Varrimento
As câmaras ora utilizam a tecnologia de imagem entrelaçada ou a de “scan
progressivo”, isto é “full frame” Caso as vibrações e a tomada de imagem sejam frequentes é aconselhado utilizar um captor de tecnologia “scan progressivo”. Os captores de tecnologia CCD permitem a exposição de todos os pixels ao mesmo tempo. Æ Varrimento entrelaçado
O sistema de varrimento entrelaçado é munido de um sistema vídeo. O seu princípio
consiste em analisar a imagem por varrimentos sucessivos .
A figura acima representa um varrimento entrelaçado.
Uma primeira trama, representada pelo traço a negro, analisa as linhas ímpares. A segunda trama, a
verde, analisa as linhas pares.
ÆVarrimento progressivo
É o tipo de imagem utilizada em informática. O seu princípio baseia-se em descrever
ao mesmo tempo todas as linhas da imagem.
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A utilização deste tipo de varrimento permite a supressão da cintilação da imagem,
obtendo assim uma imagem estável.
Varrimento entrelaçado
Varrimento progressivo
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15.5 A óptica
A distância focal (f em mm) é dada pela fórmula seguinte.
D : distância do objecto (mm)
h: tamanho da imagem (mm)
H: tamanho do objecto (mm)
Distância focal
Objecto
distância focal
correspondente ao ângulo de campo.
Deste modo, quanto menor fôr a distância focal, maior é o campo coberto. A escolha é feita em função da distância D e do tamanho do campo visual H. A unidade de tratamento
A sua electrónica tem 2 funções: colocar em forma a imagem e analisá-la já
melhorada.
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16 Bibliografia
- Caderno técnico Aquisição de Dados nº129 da Schneider Electric
- Catálogos de detecção da Schneider Electric
- Site da Schneider Electric www.schneiderelectric.com
- Pesquisa Internet
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