Automação
Módulo III
1. Introdução (histórico, objetivos, efeitos)
2. Controle de Processos (definições, classificação, realimentação)
3. Medição de Variáveis do Processo (definições, simbologia,
medição de temperatura, nível, pressão, vazão)
4. Controlador Lógico-Programável (histórico, características,
fabricantes, constituição, funcionamento, programação, aplicações)
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INTRODUÇÃO
Sistemas Manuais
• Máquinas à Vapor, Eólicas e
Hidráulicas;
• Comando feito por Operadores
(Maquinismo ou Mecanização);
Ex. Maquinismo (Torneiro Mecânico)
• Cadeia de Produção em massa.
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INTRODUÇÃO
Sistemas Automáticos
Entende-se por automático todo processo que se
desenvolve sem a necessidade de intervenção
humana (medição, decisão e ação corretiva).
Doméstica
 Climatização
 Eletrodomésticos
inteligentes (lavadoras,
aspiradores, etc.)
 Monitoramento de
alarmes
 Prédios inteligentes
Aplicações
Comercial
 Caixas automáticos
(bancários)
 Centrais telefônicas
 Controle de tráfego e
estacionamento
 Sistema de cobrança
(etiqueta inteligente)
 Sistemas de
segurança
Industrial
 Controle automático
de processos industriais
 Intertravamento
 Gerenciamento de
energia
 Sistemas de
Transporte
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INTRODUÇÃO
Histórico
Tear de Jacquard (1804)
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INTRODUÇÃO
Histórico
Regulador Centrífugo Watt (1769)
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INTRODUÇÃO
Objetivos
•Aumentar e controlar a qualidade do produto
•Incrementar a produtividade
•Aumentar a confiabilidade do processo
•Disponibilizar dos dados referentes ao processo
para análise
•Aumento da segurança em relação às pessoas e
ao ambiente
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INTRODUÇÃO
Efeitos
•Redução no nível de emprego de atividades
repetitivas e/ou que requerem pouca qualificação
•Desaparecimento de algumas profissões
•Aumento da qualidade e padronização de
produtos
•Redução de custos de produção
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CONTROLE DE PROCESSOS
Definições
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CONTROLE DE PROCESSOS
Definições
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CONTROLE DE PROCESSOS
Definições
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CONTROLE DE PROCESSOS
Definições
Variável controlada – propriedade que se deseja controlar,
corresponde a saída do processo.
Variável manipulada – propriedade que pode ser modificada
diretamente pela ação do controlador e cuja variação irá afetar a
variável controlada, corresponde a entrada do processo.
Valor desejado (setpoint) – valor de referência para a variável
controlada. Em geral é determinado por um operador baseado nas
necessidades do processo.
Elemento primário (sensor) – dispositivo que utiliza a energia do
processo para proporcionar uma medida da variável controlada.
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CONTROLE DE PROCESSOS
Definições
Controle
Contínuo
Linear
Ex. PID
Híbrido
Não-Linear
Discreto
Seqüencial
Condicional
Ex. Fuzzy
Booleano
Sistemas
Especialistas
Temporal
Baseados em
Eventos
Ex. Timers
Ex. Contadores
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CONTROLE DE PROCESSOS
Definições
variável
manipulada
correção
variável
controlada
desvio
Setpoint
Controlador
Atuador
Processo
+
–-
Transmissor
Sensor
realimentação
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CONTROLE DE PROCESSOS
Definições
Transmissor – elemento que transforma a medida do sensor em
um sinal padronizado que pode ser transmitido e interpretado pelo
controlador.
Elemento Final de Controle (atuador) – dispositivo
que recebe o sinal do controlador e, desta forma,
altera a variável manipulada (ex. válvulas, relés, etc.).
Controlador – dispositivo que compara o
valor da variável controlada com o valor
desejado, calcula a ação corretiva necessária
e emite o sinal de correção para o atuador.
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CONTROLE DE PROCESSOS
Definições
• Faixa de medida (range) – faixa de valores compreendida
entre os limites inferior e superior da capacidade de medição
do instrumento.
• Alcance (span) – diferença algébrica entre os valores
superior e inferior do range.
• Erro – diferença entre o valor lido pelo instrumento e o valor
real da variável.
• Precisão – limite de erro de medição do instrumento.
• Sensibilidade – valor mínimo de mudança na variável
detectável pelo instrumento.
• Zona morta (dead zone) – faixa de valores da variável que
não provoca variação da indicação ou sinal de saída do
instrumento.
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CONTROLE DE PROCESSOS
Definições
• Repetibilidade – capacidade de reprodução da indicação, ao
se medir, repetidamente, valores idênticos de uma variável .
• Histerese – diferença observada entre a medição de uma
variável quando esta percorre a escala no sentido crescente e
no decrescente.
• Elevação de zero – quantidade com que o zero da variável
supera o valor inferior do range.
• Tempo morto (dead time) – atraso verificado entre a ocorrência
de uma alteração na variável e a sua percepção pelo instrumento,
também chamado de atraso de transporte.
• Supressão de zero – quantidade com que o valor inferior do
range supera o zero da variável.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Simbologia
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Simbologia
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Simbologia
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Simbologia
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Simbologia
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Simbologia
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Simbologia
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Simbologia
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Nível
unidade de comprimento linear (cm, m),
unidade de volume (L, galão),
unidade de massa (kg, ton, lb).
3.4.1 Sonda
Normalmente é feita de uma vara, haste ou fita métrica metálica graduadas.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Nível
3.4.2 Visor de Nível
a) Visor de vidro tubular: recomendados para pressões
de até 2 bar e temperaturas de até 100ºC.
b) Visor de vidro plano: Mais empregado atualmente por
questões de segurança.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Nível
3.4.3 Flutuador
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Nível
3.4.4 Baseado na Pressão
a) Medidor de
Diafragma
b) Medidor por Pressão
Diferencial
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Nível
Borbulhamento
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Nível
3.4.5 Propriedades Elétricas
Condutividade
Capacitância
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Nível
3.4.6 Outras Propriedades
Ultrassom
Radioativo
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.1 Conceitos
Temperatura – É o grau de agitação molecular de um
corpo;
Energia Térmica – É o somatório de energia cinética das
moléculas do corpo;
Calor – Energia térmica em trânsito, desloca-se,
normalmente, do corpo mais quente ao corpo mais frio.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.2 Escalas Termométricas
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.3 Termômetro de Bulbo de Vidro
• Compartimentos cobertos ou fechados e
nos quais a leitura é local;
• Apresenta erros de até 1% de escala;
• Possui tempo de resposta elevado;
• Aplicados na faixa de -150ºC a 350ºC.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.4 Termômetro Bimetálico
• Baixo custo;
• Leitura apenas local;
• Construção robusta;
• Possui tempo de resposta elevado;
• Aplicados na faixa de -50ºC a 500ºC
Material do par bimetálico
Invar (64%Fe + 36%Ni)
Latão
Faixa de
Medição
-50 a 800ºC
Coef. Dilatação
linear
[10-6 1/K]
0,7
19
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.5 Termômetro Bulbo Capilar
• Classe I: cheio de líquido volátil (-100ºC a +300ºC);
(xileno, tolueno, álcool)
• Classe II: cheio de vapor (-200ºC a +300ºC);
(cloreto de metila, butano, éter etílico, tolueno, dióxido de enxofre, propano)
• Classe III: cheio de gás (-260ºC a +760ºC);
(hélio, nitrogênio, hidrogênio, dióxido de carbono)
• Classe V: cheio de mercúrio (-40ºC a 600ºC).
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.5 Termômetro Bulbo Capilar
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.6 Termômetros de Resistência
a) Resistência de Fio Metálico
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
a) Resistência de Fio Metálico
Cobre: Faixa de medição de -80ºC a 260ºC. Possui linearidade
de 0,1ºC em um intervalo de 200ºC, entretanto sua resistência a
oxidação é muito baixa e limita sua faixa de aplicação
Níquel: Faixa de medição de -60ºC a 180ºC. Os principais
atrativos na sua utilização são seu baixo custo e a alta
sensibilidade. Sua principal desvantagem é a baixa linearidade.
Platina: Faixa de medição de -250ºC a 950ºC. É o metal mais
utilizados na construção de termômetros de resistência, pela
sua ampla faixa de utilização, boa linearidade e melhor
resistência a oxidação.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
a) Resistência de Fio Metálico
Esquemas de ligação: 2, 3 e 4 fios
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
a) Resistência de Fio Metálico - Tempo de resposta
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.7 Termopar
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.7 Termopar
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.7 Termopar
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.7 Termopar
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.8 Pirômetros
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
3.3.8 Pirômetros
Vantagens:
• Resposta rápida (na faixa de ms)
• Uso em objetos perigosos ou fisicamente inacessíveis
• Facilidade de medição do alvo em movimento
• Medições de altas temperaturas
• Não há risco de contaminação e efeito mecânico na superfície dos objetos.
Aplicações:
• Verificações de conexões elétricas, motores, disjuntores, fusíveis,
transformadores, etc.
• Verificação de rolamentos, detectando falta de lubrificação
• Uso em ambientes perigosos como: Refinarias, Exploração de petróleo,
siderúrgicas, etc.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
Pirômetro Ótico
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
Pirômetro de Radiação
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Temperatura
Calibração
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
Tipos
Pressão absoluta - É a pressão positiva a partir do vácuo perfeito, ou seja, a
soma da pressão atmosférica do local e a pressão manométrica.
Pressão manométrica - É a pressão medida em relação à pressão
atmosférica, podendo ser positiva ou negativa. Quando se fala em uma
pressão negativa, em relação a pressão atmosférica é chamada de vácuo.
Pressão diferencial - É o resultado da diferença de duas pressões medidas.
Pressão Estática - É o peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou
que esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso.
Pressão Dinâmica - É a pressão exercida por um fluído em movimento
paralelo à sua corrente.
Pressão total - É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e
dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
Unidades
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
Coluna de Líquido
É um instrumento de medição e indicação local
de pressão baseado na equação manométrica.
Sua construção é simples e de baixo custo.
Basicamente é constituído por tubo de vidro com
área seccional uniforme, uma escala graduada,
um líquido de enchimento e suportados por uma
estrutura de sustentação.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
Tubo de Bourdon
Tubo de Bourdon consiste em um tubo com seção oval,
que poderá estar disposto em forma de “C”, espiral ou
helicoidal. Apresenta uma de sua extremidade fechada,
estando a outra aberta à pressão a ser medida.
Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a
tomar uma seção circular resultando um movimento em
sua extremidade fechada. Esse movimento através de
engrenagens é transmitido a um ponteiro que irá indicar
uma medida de pressão em uma escala graduada.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
Diafragma
É constituído pôr um disco de material elástico
(metálico ou não), fixo pela borda.
Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um
mecanismo de indicação. Quando uma pressão é
aplicada, a membrana se desloca e esse
deslocamento é proporcional à pressão aplicada.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
Fole
O fole é basicamente um cilindro
metálico, corrugado ou sanfonado.
Quando uma pressão é aplicada no interior
do fole, provoca sua distensão, e como ela
tem que vencer a flexibilidade do material e
a força de oposição da mola, o
deslocamento é proporcional à pressão
aplicada à parte interna
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
Piezoresistivo - Strain Gage
O strain gage consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base é de
medir a variação da resistência de um sensor que sofre uma elongação.
O elemento sensor é colado num elemento, chamado célula de carga, que uma vez
submetido a uma pressão sofre uma deformação, observada pela variação de seu
comprimento. A célula pode ser acoplada a um diafragma ou a elementos elásticos.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
Piezoelétrico
Capacititvo
A pressão é diretamente transmitida ao O Sensor Piezoelétrico é considerado um
diafragma sensor através do fluido de sensor ativo porque a pressão que atua
enchimento provocando a sua deflexão. sobre o elemento sensor, um cristal, gera
uma f.e.m. proporcional.
O diafragma sensor é um eletrodo
móvel. As duas superfícies metalizadas Pode ser empregado para captar pressão
são eletrodos fixos. A deflexão do sonora, como em microfones, para
diafragma sensor é percebida através da perturbações aerodinâmicas, entre outros.
variação da capacitância entre os dois
eletrodos fixos e o móvel.
Os elementos piezoelétricos são cristais,
como o quartzo , a turmalina e o titanato que
acumulam cargas elétricas em certas áreas
da estrutura cristalina, quando sofrem uma
deformação física, por ação de uma
pressão.
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Pressão
Calibração
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Vazão
vazão volumétrica, em termos de volume - m3/h, L/min, GPM
vazão mássica (gravimétrica), em termos de massa - kg/h, lb/min.
1 m3 = 1000 litros → 1 galão (americano) = 3,785 litros
1 pé cúbico = 0,0283168 m3 → 1 libra = 0,4536 kg
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Vazão
3.6.1 Baseada em Pressão Diferencial
a) Placa de Orifício
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Vazão
b) Pitot
c) Bocal
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Vazão
d) Venturi
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Vazão
3.6.2 Dispositivos de Área Variável
a) Rotâmetro
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Vazão
b) Cilindro e Pistão
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Vazão
3.6.3 Medidores Volumétricos
a) Disco Nutante
b) Turbina
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Vazão
3.6.3 Medidores Volumétricos
c) Rotor
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MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Vazão
3.6.4 Medidor Eletromagnético
3.6.5 Instrumento Radioativo
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Indutivos
•São equipamentos eletrônicos capazes de detectar a
aproximação de peças metálicas;
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Indutivos
•Princípio de Funcionamento:
•Com a aproximação de peças metálicas, ocorre uma variação na tensão
gerada por um oscilador;
•Um comparador monitora esta tensão e envia um sinal para o transistor
caso ocorra variação.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Indutivos
•Aplicações:
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Capacitivos
•Equipamentos eletrônicos capazes de detectar aproximação
de materiais orgânicos, plásticos, pós, Iíquidos, madeiras,
papéis, metais, etc.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Capacitivos
•Princípio de Funcionamento:
•Baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido
por um oscilador controlado por capacitor.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Capacitivos
•Tabela de Constantes dielétricas:
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Capacitivos
•Exemplo de distância de detecção (10mm):
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Capacitivos
•Aplicações
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Fotoelétricos
•Também conhecidos por sensores ópticos, manipulam
a luz de forma a detectar a presença de objetos.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Fotoelétricos
•Baseiam-se na transmissão e recepção de luz
infravermelha que pode ser refletida ou
interrompida por um objeto a ser detectado.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Fotoelétricos
•Principais Tipos:
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Fotoelétricos
•Aplicações:
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Ultrassônicos
•Utilizam ondas sonoras de alta frequência para detectar
objetos.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Ultrassônicos
Princípio de Funcionamento.
O emisssor envia impulsos ultrasônicos sobre o objeto
analisado. As ondas sonoras voltam ao detetor depois
de um certo tempo, proporcional a distância.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Ultrassônicos
Aplicações:
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores
Sensor de Fumaça
Ótico
Iônico
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores
Sensor de Gás
Quando a mistura de gás ou vapor
inflamável e ar entra em contato com o
filamento ativo, reage com o oxigênio,
aumentando
da
temperatura
e
aumentando a resistência. Isso provoca
o
desequilíbrio
da
ponte
de
Wheatstone, gerando um sinal elétrico
proporcional à concentração de gás ou
vapor inflamável no ar.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores
Umidade
Umidade
Relativa
Umidade do Solo
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores
Sensor Magnético (reed switch)
Quando um ímã aproxima-se do sensor, o campo
magnético atrai as chapas de metal, fazendo com que
o contato elétrico se feche.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores
Sensores Mecânicos
são interruptores ou mesmo chaves
comutadoras que atuam sobre um circuito no
modo liga / desliga quando uma ação
mecânica acontece no seu elemento atuador.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores
O efeito
Hall
descoberto
em 1879 por E. H. Hall,
Sensor
defoi
Efeito
Hall
que submeteu um condutor elétrico a um campo
Quando
um campo
magnético atua sobre
placa de material
condutor
magnético
perpendicular
a uma
direção
da corrente
através da qual passa uma corrente elétrica, os elétrons são desviados
elétrica.um acúmulo
Hall verificou
que uma
diferença
de
causando
de elétrons e, portanto
uma diferença
de potencial
potencial
elétricoà passagem
aparecia
nas laterais deste
numa
direção transversal
da corrente.
condutor na presença do campo magnético.
Este efeito ocorre devido a cargas elétricas
tenderem a desviar-se de sua trajetória por causa da
força de Lorentz. Desta forma cria-se um acúmulo
de cargas nas superfícies laterais
do condutor
produzindo uma diferença de potencial.
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SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores
Sensor de Efeito Hall
Os sensores Hall apresentam: linearidade, boa sensibilidade
e tempo de resposta reduzido.
Suas aplicações mais comuns são na
detecção de movimento ou medição
de velocidade de máquinas mas,
podem ser encontrados, também, na
medição de campo magnético.
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ATUADORES
Relés
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ATUADORES
Válvulas Solenoides
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ATUADORES
Conversores de Frequência
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ATUADORES
Válvulas Proporcionais
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