Sensores Ultrasônicos Edson Pereira Santos1 1
Belo Horizonte – MG – Brasil epsantos1@yahoo.com.br
Abstract. This article aims to present the industrial sensors for measuring that use the technology ultrasônica. They are often used in systems for automation of the most diverse processes in industries measurements of the most diverse segments. Resumo. O presente artigo tem por objetivo apresentar os sensores industriais de medição que utilização a tecnologia ultrasônica. Eles são, muitas vezes, utilizados em sistemas para automação dos mais variados processos de medições nas indústrias dos mais variados segmentos.
1. Introdução
1.2 Sensores Industriais Sensores são dispositivos (instrumentos), elétricos e/ou mecânicos, que detectam objetos em movimento ou em repouso e que geram informações que podem ser tratadas por sistemas computacionais, possibilitando assim a tomada de decisões sem intervenção humana. Os sensores podem ser cúbicos ou cilíndricos e são utilizados nas mais variadas aplicações e necessidades industriais. Eles podem ser fabricados utilizando várias tecnologias diferentes. Dentre elas as mais usadas são: fotoelétrica, indutiva, ultrasônica, capacitiva e magnética. 1.3 Tecnologia Ultrasônica A tecnologia ultrasônica baseia-se na emissão e reflexão de ondas acústicas, entre o objeto (sensor) e um receptor. Sendo que o sensor emite as ondas e estas se propagam até o(s) obstáculo(s) se refletindo nele(s) e retornando para o sensor, por tanto através da medição do tempo de propagação do som (tempo em que o som gasta para retornar para o sensor), o sensor consegue medir a distancia entre ele e o objeto.
Fig. 1 – Exemplo de emissão e remição de ondas sonoras.
2. Sensores Ultrasônicos Os sensores ultrasônicos são dispositivos elétricos, capazes de emitir uma onda sonora, através da qual eles conseguem detectar e medir a distância de objetos que estejam dentro do seu raio de atuação da mesma. Essa onda se propaga em forma de cone partindo do transdutor do sensor e refletindo no objeto alvo de volta ao transdutor. Esses sensores são formados por um transdutor (pequena membrana branca responsável pela emissão e recebimento das ondas sonoras) e por um circuito interno acoplado a um micro-chip, que possui um software embarcado. O qual é responsável pela realização dos cálculos que o sensor efetua e pelo controle dos sinais elétricos que o mesmo emiti para os dispositivos externos (Notebook, PLCs, etc).
Transdutor de 18mm
Transdutor de 30mm carcaça
conector Fig. 2 – A estrutura de um sensor ultrasônico
O transdutor é capaz de vibra em altas freqüências, permitindo a emissão das ondas sonoras, essas são emitidas em freqüências não audíveis, normalmente de 30 a 400khz e ele possui um filtro que apura os sons recebidos afim de diferenciá-los dos demais. Para se comunicar com os dispositivos externos, os sensores emitem sinais elétricos de 24Vcc através de suas saídas (conectores elétricos), que podem ser digitais ou analógicas. Sendo que o tipo de sinal depende da configuração lógica do circuito, que pode ser positivo+negativo+positivo (com sinal (1), sem sinal (0), com sinal (1)) ou negativo+positivo+negativo (sem sinal (0), com sinal (1), sem sinal (0)) paras os sensores que possuem saídas digitais, ou normalmente aberto (NA) e normalmente fechado (NF) para os sensores que possuem saídas analógicas. O funcionamento é simples, sempre que algum objeto cruza a onda sonora, ele a reflete de volta a sensor e este envia um sinal de 24Vcc para o dispositivo externo. Além do sinal e 24Vcc o sensor consegue enviar uma String contendo a distância que o objeto se encontra dele. A partir daí cabe ao dispositivo externo converter essa String em um número e executar a operação pré-programada nele.
Fig. 3 – Sensor ultrasônico ligado em um Notebook
A distância que um sensor ultrasônico consegue detectar e medir um objeto está diretamente ligada ao diâmetro do transdutor que ele possui, por exemplo, um sensor que possui um transdutor com 18 mm de diâmetro consegue detectar um objeto até 1000 mm e um que possuí um transdutor de 30 mm consegue detectar um objeto até 6000 mm. Portanto quanto maior o transdutor (área), maior será a distância que o sensor conseguirá trabalhar. Quanto à precisão, os sensores ultrasônicos conseguem uma taxa de resolução de 1 mm +- 1,5%. A maior vantagem destes sensores reside no fato de que eles podem detectar uma larga escala de diferentes materiais, principalmente líquidos transparentes, pois todas as outras tecnologias têm grande deficiência neste tipo de detecção. Vale lembrar que para materiais como tecido, espuma, borracha e outros materiais que absorvem som não é recomendado à utilização desta tecnologia.
2.1 Exemplo de aplicação Para facilitar a compreensão do funcionamento dos sensores ultrasônicos eu vou exemplificar a utilização dos mesmos abaixo. A aplicação padrão destes sensores é a medição de nível, normalmente de silos, onde nós programamos no sensor qual o volume mínimo e qual o volume máximo que o silo deve ter. No nosso exemplo vamos utilizar um silo de solda caustica com 1000mm de profundidade e nós queremos que a bomba comece enchê-lo, com solda, quando o nível do mesmo chegar a 300mm e que pare de encher quando o nível chegar a 700mm do fundo do silo. Para tanto, podemos usar um sensor com duas saídas (S1 e S2), onde nós vamos programar, através de um notebook, a saída S1 para que ela envie um sinal para a bomba sempre que o nível do silo chegue a 300mm e vamos programar a S2 para enviar um sinal par aa bomba sempre que o nível do silo chegue a 700mm. Como mostra o desenho abaixo:
Sensor Ondas Silo
1000 mm 700mm
S2 envia sinal.
300mm
S1 envia sinal.
Líquido 0mm
Fig. 4 - Esquema da Aplicação
Por tanto temos a seguinte lógica: •
Quando o volume do silo estive abaixo de 300 mm teríamos S1= 0 e S2= 0, pois as duas saídas estariam desativadas e a bomba encherá o silo até que ele chegue no nível mínimo, no caso 300mm.
•
Quando o nível fica igual a 300 mm ou acima de 300 mm e abaixo de 700 mm, teríamos S1 = 1 e S2 = 0, pois S1 estaria atuada e S2 desativada e por tanto a bomba encherá o silo.
•
Quando o nível estiver igual ou acima de 700 mm, teríamos S1 = 0 e S2= 1, pois S1 estaria desativada e S2 atuada, logo a bomba irá parar de encher o silo.
Por tanto bastaria configuramos a nossa bomba para encher o tanque sempre que S1 estiver positivo (1) e S2 negativo (0) e programarmos para parar de encher quando S1 estiver negativo (0) e S2 positivo (1), ou seja, se S1=F e S2 = V parar de encher e se S1 = V e S2 = F encha. S1 = 0
Quando o nível do silo estiver abaixo de 300mm S1 e S2 serão iguais a 0 e a bomba enchera o silo até que ele atinja o volume mínimo programado.
S2 = 0 S1 = 1 S2 = 0 S1 = 0 S2 = 1
Quando o nível do silo estiver entre 300mm e 700mm S1 será igual a 1 e S2 igual a 0 e por tanto a bomba irá encher o silo.
Quando o nível do silo estiver igual ou acima de 700mm, S1será igual a 0 e S2 será iguais a 1 e por tanto a bomba irá parar de encher o silo.
Fig. 5 – Esquema lógico da aplicação
2.3 Outras aplicações utilizando a tecnologia ultrasônica
Fig. 6 – Detecção de garrafas de vidro transparentes
Fig. 7 e 8– Medição do tamanho da bobina de plástico e detecção de caixas de papelão
3. Bibliografia
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Leuze Electronic Alemanha (2004) Mauch, Kein Folientitel - Ultrasonics.
Leuze Electronic Alemanha (2004) Klaus Scheibel, Kein Folientitel – Ultra Aplic.
Dieter Reule (2002), Sensores Industriais.
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Leuze Electronic Brasil (2004), Treinamento Básico LOS.
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Schneider Eletric (2007), Catalogo de Detectores, 3º edição.
Zapp!!® Technology (2002), Necessidade de Automação, Ricardo Gonzaga Mesquita.