📘 Sensor de Proximidade Indutivo e Capacitivo

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1. Identificação Normativa e Visão Geral

Os Sensores de Proximidade Indutivos e Capacitivos constituem a espinha dorsal da detecção discreta de presença, posicionamento de fim de curso e contagem de peças na automação fabril mundial. Desenvolvidos para substituir as antigas chaves de fim de curso mecânicas (microswitches) sujeitas a desgaste por atrito, soldagem de contatos e penetração de fluidos, os sensores de proximidade operam em estado sólido sem nenhum contato físico mecânico, alcançando taxas de chaveamento de até milhares de acionamentos por segundo com vida útil virtualmente ilimitada.

A padronização internacional mandatória para projeto, ensaios de imunidade eletromagnética e fabricação de sensores de proximidade é estabelecida pela norma IEC 60947-5-2 (Aparelhagem de manobra e comando de baixa tensão - Dispositivos de comando para circuitos de controle - Sensores de proximidade), harmonizada no Brasil pela ABNT NBR IEC 60947-5-2:

• Sensores de Proximidade Indutivos: Detectam com exclusividade materiais metálicos condutores através do amortecimento magnético de um oscilador ressonante de alta frequência provocado por correntes parasitas de Foucault (Eddy Currents).
• Sensores de Proximidade Capacitivos: Detectam qualquer tipo de material condutor ou dielétrico com permissividade relativa superior à do ar (${\epsilon }_r>1$), incluindo polímeros, líquidos, grãos, madeira, vidro e níveis de fluidos em tanques plásticos.

graph TD
    subgraph "Princípios Físicos de Detecção Sem Contato"
        SENS["Sensores de Proximidade (IEC 60947-5-2)"] --> IND["Sensor Indutivo (Oscilador LC / Eddy Current)"]
        SENS --> CAP["Sensor Capacitivo (Campo Eletrostático Aberto)"]
        
        IND -->|Alvos Metálicos| IND_ACT["Amortecimento de Ressonância LC por Correntes de Foucault"]
        IND --> IND_KM["Fator de Redução Km: Aço Fe360 (1.0), Inox (0.8), Alumínio (0.4)"]
        
        CAP -->|Qualquer Dielétrico ou Condutor| CAP_ACT["Variação de Capacitância por Permissividade Dielétrica εr"]
        CAP --> CAP_MAT["Detecção de Líquidos (Água εr ≈ 80), Grãos e Plásticos"]
    end

Tabela Comparativa de Sensores de Presença Industriais

Característica Técnica	Sensor Indutivo	Sensor Capacitivo	Sensor Fotoelétrico Óptico	Chave Fim de Curso Mecânica
Materiais Detectados	Apenas metais (aço, alumínio, latão)	Qualquer material (líquidos, plásticos, grãos)	Qualquer objeto opaco/reflexivo	Qualquer objeto sólido com força mecânica
Alcance Típico ($S_n$)	$1\text{ a }25\text{mm}$	$2\text{ a }30\text{mm}$	$50\text{mm}\text{ a }50\text{metros}$	$0\text{mm}$ (exige impacto físico direto)
Imunidade a Sujeira	Total (imune a água, óleo e poeira)	Moderada (sujeira acumulada altera ${\epsilon }_r$)	Baixa (lentes requerem limpeza)	Média (sujeita a travamento de alavanca)
Frequência de Chaveamento	Alta ($200\text{ a }3000\text{Hz}$)	Média ($50\text{ a }200\text{Hz}$)**	Muito Alta ($500\text{ a }5000\text{Hz}$)	Baixa ($<2\text{ a }5\text{Hz}$)
Grau de Proteção Típico	IP67 / IP68 / IP69K	IP65 / IP67	IP67	IP65
Desgaste Mecânico	Zero (totalmente encapsulado)	Zero (totalmente encapsulado)	Zero	Alto (fadiga de mola e contatos)

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2. Aspecto Visual e Corte Anatômico

O sensor tubular metálico industrial padrão é fabricado em corpo cilíndrico rosqueado em latão niquelado ou aço inoxidável AISI 316L com diâmetros métricos padronizados (M8, M12, M18 ou M30), provido de porcas de fixação sextavadas e encapsulado sob vácuo com resina epóxi impermeável.

Detalhamento dos Componentes Internos e Callouts

• ① Face Sensora Frontal em PBT/PTFE: Domo de plástico de engenharia de alta resistência mecânica moldado em Polibutileno Tereftalato (PBT) ou Teflon (PTFE) virgem. É quimicamente inerte a óleos de corte, fluídos solúveis de usinagem e agentes de lavagem cáusticos sob pressão (grau IP69K).
• ② Núcleo de Ferrite em Forma de Copo (Half-Pot Core): Estrutura de cerâmica ferromagnética que envolve a bobina indutiva. Sua geometria de copo atua como uma blindagem magnética lateral e posterior, concentrando e direcionando as linhas de indução exclusivamente para o espaço livre à frente da face sensora.
• ③ Bobina Indutiva Ressonante de Alta Frequência: Espiras de fio de cobre esmaltado enroladas no interior do núcleo de ferrite. Forma com capacitores cerâmicos internos um circuito ressonante LC sintonizado em frequências de $100\text{ a }500\text{kHz}$.
• ④ Campo Magnético Alternado e Correntes de Foucault (Eddy Currents): Campo de dispersão de alta frequência emitido a partir da face sensora. Ao aproximar-se um alvo metálico, o campo induz correntes parasitas circulares na superfície do metal, que por sua vez geram um campo oposto e dissipam energia térmica por Efeito Joule.
• ⑤ Módulo Eletrônico Resinado sob Vácuo (Oscilador + Demodulador + Schmitt Trigger):
  • Oscilador LC: Gera a forma de onda senoidal de alta frequência com amplitude constante em estado de repouso.
  • Demodulador de Envelope: Retifica e filtra a amplitude da oscilação em uma tensão contínua proporcional à energia do circuito LC.
  • Disparador de Schmitt (Schmitt Trigger): Compara a amplitude retificada com um limiar de disparo calibrado com histerese controlada ($H\approx 5\%\text{ a }15\%$ de $S_n$), garantindo uma transição lógica limpa e isenta de repiques ou trepidações.
• ⑥ Estágio de Saída em Estado Sólido e LED Traseiro a $360^{\circ }$: Transistor bipolar de junção (BJT) ou MOSFET de potência nas configurações PNP ou NPN, dotado de proteções integradas contra curto-circuito na carga, picos de sobretensão indutiva e inversão de polaridade da fonte. Um anel de LED âmbar difuso na parte traseira permite a visualização visual do estado de acionamento em qualquer ângulo de visão.

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3. Princípios Físicos de Operação

3.1 Tecnologia ECKO do Sensor Indutivo (Eddy Current Killed Oscillator)

O funcionamento do sensor indutivo fundamenta-se na absorção de energia magnética por perdas de Foucault. O circuito oscilador ressonante paralelo LC mantém uma oscilação senoidal contínua balanceada por realimentação positiva de ganho unitário de Barkhausen:

$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\cdot C}}$

O fator de qualidade do circuito ressonante é dado por:

$Q=\frac{{\omega }_0\cdot L}{R_{\text{perdas}}}$

1. Condição de Repouso (Alvo Ausente): O circuito tanque opera com perdas internas mínimas ($R_{\text{perdas}}$ baixo) e fator de qualidade máximo ($Q_{\text{alto}}$). O oscilador atinge a sua amplitude máxima de oscilação senoidal.
2. Aproximação do Alvo Metálico: Pela Lei da Indução de Faraday ($\text{fem}=-\frac{d\Phi }{dt}$), o campo magnético alternado penetra na camada superficial do alvo condutor metálico até a profundidade pelicular (Skin Depth): $\delta =\sqrt{\frac{\rho }{\pi \cdot f_0\cdot \mu }}$ As correntes induzidas de Foucault dissipam potência ativa resistiva ($P=\int \rho \cdot J^{2}dV$).
3. Pelo Princípio de Conservação da Energia, a potência dissipada no alvo metálico é extraída diretamente do campo magnético da bobina sensora. Isso equivale eletricamente a introduzir uma resistência de amortecimento refletida no primário: $R_{\text{perdas,total}}=R_{\text{bobina}}+R_{\text{refletida}}$
4. O fator de qualidade $Q$ entra em colapso, o ganho de malha cai abaixo da unidade e a amplitude da oscilação do oscilador decai progressivamente à medida que a distância do metal diminui.
5. Ao atingir o ponto de disparo, o circuito integrado comuta a saída digital para o estado ligado.

graph LR
    subgraph "Dinâmica do Oscilador ECKO"
        DIST["Alvo Afastado (Sem Metal)"] --> OSC_MAX["Oscilador LC: Amplitude Máxima V_pico"]
        OSC_MAX --> SCHMITT_OFF["Schmitt Trigger: Saída DESLIGADA (0)"]
        
        APROX["Alvo Metálico Aproxima-se"] --> EDDY["Indução de Correntes de Foucault"]
        EDDY --> ABSORB["Absorção de Energia / Queda de Fator Q"]
        ABSORB --> OSC_MIN["Oscilador LC: Amplitude Amortecida < Limiar"]
        OSC_MIN --> SCHMITT_ON["Schmitt Trigger: Saída LIGADA (1) com Histerese"]
    end

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3.2 O Fator de Correção de Material ($K_m$)

A distância de detecção nominal ($S_n$) especificada em catálogos de fabricantes é rigorosamente obtida utilizando a Placa de Alvo Padrão Normativa (IEC 60947-5-2):

• Material: Aço Carbono Fe 360 (Aço doce laminado a frio)
• Geometria: Chapa quadrada de espessura de $1.0\text{mm}$ com lados de dimensão igual ao diâmetro do sensor (ou $3\times S_n$).

Quando o alvo é fabricado com outros metais condutores, a profundidade pelicular e a resistividade elétrica alteram a densidade de correntes de Foucault, exigindo a aplicação do Fator de Redução $K_m$:

$S_r=S_n\cdot K_m$

Material do Alvo Industrial	Fator de Redução ($K_m$)	Distância Efetiva para Sensor $S_n=8.0\text{mm}$
Aço Carbono Fe 360 (Alvo Padrão)	$1.00$	$8.0\text{mm}$ ($100\%$)
Aço Inoxidável AISI 304 / 316	$0.70\text{ a }0.85$	$5.6\text{ a }6.8\text{mm}$
Latão Industrial ($60\%\text{Cu},40\%\text{Zn}$)	$0.45\text{ a }0.50$	$3.6\text{ a }4.0\text{mm}$
Alumínio Estrutural	$0.35\text{ a }0.45$	$2.8\text{ a }3.6\text{mm}$
Cobre Eletrolítico Puro	$0.25\text{ a }0.35$	$2.0\text{ a }2.8\text{mm}$

Regra de Ouro da Distância Segura de Operação ( $S_a$)

A norma IEC 60947-5-2 define a Distância Segura de Comutação Garantida ($S_a$) como: $0\le S_a\le 0.81\cdot S_n$ Projetos de automação confiáveis nunca devem posicionar o batente da máquina no limite nominal $S_n$. Deve-se projetar a folga mecânica dentro do envelope de $81\%$ do alcance útil corrigido pelo fator $K_m$, absorvendo variações de temperatura ambiente e folgas de rolamentos.

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3.3 Sensores Faceados (Flush) vs. Não-Faceados (Non-Flush)

• Sensor Faceado / Embutido (Shielded / Flush): Possui blindagem metálica no corpo rosqueado que se estende até a face de PBT. As linhas de campo magnético irradiam estritamente para a frente em feixe estreito. O sensor pode ser roscado rente no interior de blocos de aço sem disparar falsamente. Alcance típico: menor (ex: $M18⟹S_n=5.0\text{mm}$).
• Sensor Não-Faceado / Saliente (Unshielded / Non-Flush): A rosca metálica termina cerca de $10\text{mm}$ antes da face de PBT azul. O campo magnético dispersa-se radialmente para as laterais. Oferece alcance quase dobrado (ex: $M18⟹S_n=8.0\text{ a }12.0\text{mm}$), porém NUNCA pode ser embutido em metal: exige uma área livre desobstruída ao redor da sua face sensora equivalente a $3\times$ o seu diâmetro para evitar disparo permanente no próprio suporte.

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3.4 Padrão de Fiação e Polaridade de Saída (PNP vs. NPN)

A norma IEC 60947-5-2 padroniza a fiação industrial em cabos de três fios e conectores circulares M12 de 4 pinos:

• Condutor Marrom (BN - Brown): Alimentação Positiva ($+10\text{ a }+30\text{Vcc}$)
• Condutor Azul (BU - Blue): Referência Negativa ($0\text{V}/\text{GND}$)
• Condutor Preto (BK - Black): Saída de Sinal Comutada de Carga (Switching Output)
• Condutor Branco (WH - White): Saída Complementar (em sensores com contatos reversíveis NA+NF)

TOPOLOGIA PNP (Sourcing - Padrão Europeu/Brasil):    TOPOLOGIA NPN (Sinking - Padrão Asiático):
       +24 Vcc (Marrom)                                    +24 Vcc (Marrom)
          │                                                   │       │
      ┌───┴───┐                                           ┌───┴───┐   │
      │Sensor │                                           │Sensor │  [Carga / CLP]
      │  PNP  ├─── Saída (Preto) ───[Carga / CLP]───┐     │  NPN  ├───┘  (Preto)
      └───┬───┘                                     │     └───┬───┘
          │                                         │         │
       0 Vcc (Azul) ────────────────────────────────┘      0 Vcc (Azul)

1. Saída PNP (Source Output): O transistor interno conecta a saída preta ao polo positivo da fonte ($+24\text{Vcc}$) ao ser acionado. A corrente flui do sensor para a entrada do CLP. É o padrão mandatório na Europa e no Brasil por ser intrinsecamente mais seguro contra curto-circuitos para a terra na fiação de campo.
2. Saída NPN (Sink Output): O transistor interno conecta a saída preta ao polo negativo da fonte ($0\text{Vcc}$). A carga deve ser conectada entre o $+24\text{Vcc}$ e a saída do sensor. Padrão comum em máquinas de origem japonesa e taiwanesa.

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4. Diagrama de Aplicação Prática

A figura abaixo demonstra uma Esteira Transportadora de Embalagens automatizada com sensor de proximidade indutivo M18 PNP Normal Aberto (NA) detectando caixas metálicas e alimentando em alta velocidade a entrada digital de interrupção de um CLP industrial.

graph TD
    subgraph "Esteira de Transporte Industrial (Ambiente Úmido IP67)"
        LATA["Peça Metálica / Alvo em Movimento (v = 1.5 m/s)"] --> FACE["Face Sensora PBT Azul (Ø18 mm)"]
        CORPO["Sensor Tubular M18 Indutivo (Latão Niquelado)"] --- FACE
    end

    subgraph "Conexão Elétrica Normativa IEC (Cabo PUR 3 Fios)"
        CORPO -->|Fio Marrom (+)| PWR_POS["Fonte de Alimentação Industrial 24 Vcc"]
        CORPO -->|Fio Azul (-)| PWR_NEG["GND / 0 Vcc"]
        CORPO -->|Fio Preto (Sinal PNP)| INPUT["Entrada Digital do CLP (Tipo Sink / 24 Vcc)"]
    end

    subgraph "Lógica de Controle e Atuação"
        INPUT --> CPU["CPU do CLP: Bloco Contador de Alta Velocidade (CTU)"]
        CPU --> PNEUM["Eletroválvula Pneumática do Cilindro Ejetor de Peças Defeituosas"]
        CPU --> HMI["IHM: Contador Totalizador de Produção (Peças/Hora)"]
    end

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5. Metodologia de Dimensionamento e Caso Numérico Resolvido

5.1 Caso de Engenharia: Linha de Envase de Latas de Alumínio

Dados de Projeto

Dimensionar e selecionar o sensor de proximidade para contagem e verificação de passagem de latas em uma esteira de envase de cervejaria:

• Material da lata: Alumínio estampado ($K_m=0.40$)
• Velocidade contínua da esteira: $v_{\text{esteira}}=1.80\text{m/s}$
• Diâmetro da lata: ${\varnothing }_{\text{lata}}=66.0\text{mm}$
• Espaçamento mínimo entre latas adjacentes: $d_{\text{espac¸o}}=20.0\text{mm}$
• Folga mecânica fixa de montagem requerida entre a face sensora e a parede da lata: $d_{\text{folga}}=4.0\text{mm}$ (para evitar choques com latas amassadas)
• Tensão de alimentação disponível: $24.0\text{Vcc}$
• Cartão de entradas do CLP: Módulo de 16 Entradas Digitais $24\text{Vcc}$ Tipo 1 (IEC 61131-2) com impedância de $3.0\text{k}\Omega$

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Passo 1: Cálculo da Distância Sensora Nominal Requerida ($S_n$)

A distância de montagem real de $4.0\text{mm}$ deve situar-se garantidamente dentro da Distância Segura de Operação ($S_a$) com correção para o alumínio:

$d_{\text{folga}}\le S_a=0.81\cdot S_r=0.81\cdot (S_n\cdot K_m)$

Substituindo os valores conhecidos ($d_{\text{folga}}=4.0\text{mm}$ e $K_m=0.40$):

$4.0\text{mm}\le 0.81\cdot 0.40\cdot S_n=0.324\cdot S_n$

Isolando a distância sensora nominal de catálogo $S_n$:

$S_n\ge \frac{4.0\text{mm}}{0.324}\approx 12.35\text{mm}$

Avaliação de Catálogo de Sensores:

• Sensor M18 Faceado padrão: $S_n=5.0\text{mm}$ ou $8.0\text{mm}$ (Insuficiente: para alumínio alcançaria no máximo $S_a=0.81\cdot 8\cdot 0.4=2.59\text{mm}$).
• Sensor M18 Não-Faceado de Alcance Estendido: Disponível comercialmente com $S_n=12.0\text{mm}$ ou $S_n=15.0\text{mm}$.
• Seleciona-se o sensor: Tubular M18 Não-Faceado com $S_n=15.0\text{mm}$.

Verificação de segurança com o modelo de $15.0\text{mm}$: S_a = 0.81 \cdot 15.0\,\text{mm} \cdot 0.40 = 4.86\,\text{mm} > 4.00\,\text{mm} \quad \text{(Aprovado com 21.5% de margem de folga)}

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Passo 2: Verificação da Frequência de Chaveamento e Tempo de Resposta

1. Tempo de Presença da Lata sob o Feixe do Sensor: O tempo em que a lata de $66\text{mm}$ permanece em frente ao sensor à velocidade de $1.8\text{m/s}$ é: $t_{\text{pulso,on}}=\frac{{\varnothing }_{\text{lata}}}{v_{\text{esteira}}}=\frac{0.066\text{m}}{1.80\text{m/s}}\approx 0.0367\text{s}=36.7\text{ms}$

2. Tempo de Intervalo Vazio entre Latas: $t_{\text{intervalo,off}}=\frac{d_{\text{espac¸o}}}{v_{\text{esteira}}}=\frac{0.020\text{m}}{1.80\text{m/s}}\approx 0.0111\text{s}=11.1\text{ms}$

3. Período Total de Passagem e Frequência de Comutação Real da Linha: $T_{\text{ciclo}}=t_{\text{pulso,on}}+t_{\text{intervalo,off}}=36.7\text{ms}+11.1\text{ms}=47.8\text{ms}$ $f_{\text{operac¸a˜o}}=\frac{1}{T_{\text{ciclo}}}=\frac{1}{0.0478\text{s}}\approx 20.92\text{Hz}(\approx 1255\text{latas por minuto})$

4. Comparação com a Capacidade do Sensor: O sensor M18 selecionado possui frequência máxima de chaveamento de catálogo de $f_{\text{sensor}}=1000\text{Hz}$ (tempo de resposta $t_{\text{resp}}\le 1.0\text{ms}$): $f_{\text{operac¸a˜o}}=20.92\text{Hz}\ll f_{\text{sensor}}=1000\text{Hz}$ O sensor opera folgado a apenas $2\%$ de sua velocidade máxima, garantindo contagem livre de pulsos perdidos.

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Passo 3: Verificação Elétrica de Carga e Queda de Tensão

A corrente demandada pelo cartão de entrada do CLP ($R_{\text{in}}=3.0\text{k}\Omega$ a $24\text{Vcc}$) é:

$I_{\text{carga}}=\frac{V_{\text{cc}}}{R_{\text{in}}}=\frac{24.0\text{V}}{3000\Omega }=8.0\text{mA}$

O transistor PNP do sensor possui capacidade de corrente nominal contínua de $I_{\text{out,maˊx}}=200\text{mA}$, operando a $8\text{mA}$ com estresse térmico desprezível ($4\%$ da capacidade). A queda de tensão de saturação interna é de apenas $V_{\text{sat}}\le 1.5\text{V}$, entregando $22.5\text{Vcc}$ na entrada do CLP (amplamente acima do limiar normativo de nível lógico ALTO de $15\text{Vcc}$ da norma IEC 61131-2).

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6. Modos de Falha, Diagnóstico e Regras de Segurança

graph TD
    subgraph "Mecanismos de Falha Típicos em Campo"
        F1["Acúmulo de Limalha e Cavacos de Usinagem na Face"] --> E1["Chaveamento Permanente Travado em Estado LIGADO (Falso Positivo)"]
        F2["Dois Sensores Montados Lado a Lado muito Próximos"] --> E2["Interferência Mútua (Cross-Talk) Provoca Pulsos Espúrios Oscilantes"]
        F3["Impacto Mecânico Frontal por Peça Desalinhada"] --> E3["Fratura do Domo de PBT e Ruptura da Bobina de Ferrite"]
    end

6.1 Modos de Falha e Diagnóstico em Campo

1. Acúmulo de Cavacos Metálicos (Metal Buildup):
   • Em centros de usinagem e fresadoras, cavacos e fagulhas de ferro aderem magneticamente à face sensora do sensor indutivo devido ao magnetismo residual da ferrite.
   • Sintoma: O LED traseiro permanece aceso e a saída fica travada em nível ALTO mesmo com a máquina vazia.
   • Mitigação: Em ambientes com cavacos, utilizar sensores com frequência anti-cavaco ou sensores especiais revestidos com face metálica inteiriça de aço inoxidável usinada de uma só peça (Full Metal Inox Body).
2. Interferência Cruzada Mútua (Cross-Talk):
   • Quando dois sensores de mesma frequência são montados lado a lado ou face-a-face com distâncias insuficientes, o campo magnético de um sensor excita a bobina do sensor vizinho, provocando batimento de frequência e pulsos de saída falsos aleatórios.
   • Regras Normativas de Distância Mínima (IEC 60947-5-2):
     • Montagem Lado a Lado: Distância entre centros $\ge 2\times \text{Diaˆmetro}$ para sensores faceados, e $\ge 3\times \text{Diaˆmetro}$ para não-faceados.
     • Montagem Face a Face: Distância frontal livre $\ge 4\times S_n$.
     • Caso a montagem próxima seja inevitável, encomendar sensores com frequências osciladoras alternadas (Frequência $f_1$ e $f_2$ intercaladas).

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6.2 Regras de Montagem e Proteção Mecânica

1. Proteção Contra Impacto Mecânico: O sensor de proximidade é um instrumento eletrônico sensível e nunca deve ser utilizado como batente mecânico de fim de curso. Deve ser fixado com buchas amortecedoras ou recuado em relação à linha de curso, utilizando uma rampa mecânica oblíqua para passagem do metal.
2. Torque Máximo de Aperto das Porcas: Respeitar o torque máximo do catálogo (tipicamente $10\text{N}\cdot \text{m}$ para M12 e $35\text{N}\cdot \text{m}$ para M18). Apertar a porca com chave fixa aplicando força excessiva esmaga o tubo metálico fino, fraturando o núcleo de ferrite interno e a placa de circuito impresso.

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