Desenvolvimento de ferramenta de colaboração em massa De apoio ao ensino de instrumentação industrial Capítulo 3 – Instrumentos de Grandezas Vibracionais

Desenvolvimento de ferramenta de colaboração em massa De apoio ao ensino de instrumentação industrial Capítulo 3 – Instrumentos de medição de Grandezas de Vibração (Deslocamento e Aceleração)

O que é a vibração? Em máquinas rotativas, a existência de vibrações mecânicas é um fenômeno comum percebido em seus elementos. Por isso torna-se necessário muitas vezes a inspeção e o monitoramento das grandezas de Vibração, a fim de proteger e realizar manutenções adequadas.

O que é vibração? Uma vibração mecânica é o movimento de um corpo ou de um sistema que oscila em torno de uma posição de equilíbrio. A maioria das vibrações em máquinas e estruturas é indesejável, devido ao aumento de tensões nos elementos do sistema e nos seus componentes, bem como devido às perdas de energia provocadas pelo atrito entre as partes em contato na máquina. Em alguns casos é o próprio atrito o causador das vibrações. Por isso, as vibrações devem ser eliminadas ou reduzidas a um nível mínimo aceitável.

O que é vibração? A Figura 1 ilustra a vibração descrita por um movimento oscilatório de um sistema massa-mola. Figura 1 - Vibração descrita por um movimento oscilatório de um sistema massa-mola.

Quais as grandezas de vibração? Os parâmetros para avaliação da vibração são descritos conforme a Equação 1 do movimento oscilatório de um sistema massa-mola: (1) Fase Frequência angular Amplitude

Quais as grandezas de vibração? A Equação 1 expressa a vibração na grandeza deslocamento, mas também é possível expressá-la em termos da velocidade e aceleração. A frequência angular é expressa pela Equação 2, em termos dos valores de frequência e período do sinal de vibração. (2)

Grandeza deslocamento de vibração É a grandeza que indica o quanto um corpo desvia de sua posição de equilíbrio. Esta grandeza quantifica a amplitude máxima do sinal de vibração. Historicamente, esta grandeza foi a primeira a ser utilizada, devido aos recursos dos instrumentos da época. O deslocamento normalmente é muito pequeno e é medido em µm. Esta grandeza é muito utilizada quando se deseja avaliar e monitorar vibrações de baixas frequências.

Instrumentação utilizada para a medição da grandeza deslocamento Para a instrumentação dedicada ao monitoramento do deslocamento em vibrações, são usados sensores de proximidade. Esses sensores também podem ser utilizados no controle de posicionamento, assim como os sensores de posição que serão discutidos posteriormente. Dentre os principais sensores de proximidade, a seguir são classificados segundo o princípio de funcionamento: Sensor indutivo; Sensor capacitivo; Sensor magnético; Sensor óptico; LVDT.

Sensor Indutivo O sensor indutivo opera utilizando uma faixa de frequência de rádio com um oscilador LC e uma bobina, gerando assim um campo magnético induzido de alta frequência. Ao se aproximar um objeto metálico próximo ao sensor, são induzidas correntes de Foucault e as perdas resultantes tiram energia do circuito oscilador, reduzindo assim as oscilações. O comparador de sinal converte essa mudança em um sinal bem definido.

Sensor Indutivo A Figura 2 apresenta o diagrama de funcionamento de um sensor indutivo. Figura 2 – Diagrama de funcionamento de um sensor indutivo. (Fonte: Catálogo Balluff)

Sensor Indutivo O sensor indutivo é identificado seguindo seus parâmetros de construção e operação, entre eles destacam-se: Distância sensora (Sn): é a distância entre a placa de medição e a "superfície ativa" do sensor de proximidade quando ocorre uma inversão do sinal. É um valor tabelado pelo fabricante, mas pode afastar-se em até 10% do valor nominal. A Figura 3 ilustra esse parâmetro. 0,9 Sn 1,1 Sn Figura 3 – Distancia sensora (Sn). (Fonte: Catálogo Balluff)

Sensor Indutivo Tipo do transistor no amplificador: os transistores podem ser do tipo NPN ou PNP, compatível com circuitos integrados e com acionamento direto em relés. As chaves de aproximação quando acionadas em PNP ligam o potencial positivo à carga, quando acionadas em NPN ligam ao potencial negativo. A Figura 4 ilustra os tipos de ligação do sensor. Figura 4 – Esquemas de ligações do sensor PNP e NPN. (Fonte: Catálogo Balluff)

Sensor Indutivo Além dessas características elétricas, o sensor também é determinado pelo diâmetro do sensor, o tipo de montagem, conexão e invólucro. A tensão de alimentação também é um fator na escolha do sensor, podendo ser tanto tensão contínua ou alternada, a diferença está na incorporação de um tiristor ao amplificador, atuando diretamente sobre um relé, ou contator. A Figura 5 apresenta um exemplo de identificação de um Sensor Indutivo: PS 2 -12 GI 50 - E2 NA PNP Ø = M12 Sn = 2 mm Figura 5 – Exemplo de identificação de um sensor indutivo. (Fonte: Sense Sensores)

Precauções na Montagem de Sensores Indutivos Devido a possibilidade da existência de interferência mútua entre a montagem de mais de um sensor, ou então do efeito de metais próximos, é necessário cuidados em relação as distâncias de montagem dos sensores. A Figura 6 ilustra as distâncias de montagens para múltiplos sensores indutivos. Figura 6 – Distância de montagem de multiplos sensores indutivos. (Fonte: Catálogo Balluff)

Figura 7 - Medição de rotação de eixo utilizando sensor indutivo. A Figura 7 apresenta um exemplo de utilização do sensor indutivo. Figura 7 - Medição de rotação de eixo utilizando sensor indutivo.

Sensor Capacitivo O sensor capacitivo consiste de uma placa capacitiva, um oscilador, um retificador de sinal, um filtro e um circuito de saída, onde por meio da placa capacitiva é gerado um campo elétrico. Quando um objeto de material metálico (ou não) se aproxima do sensor a capacitância da placa capacitiva é aumentada e quando atinge um valor determinado, o oscilador antes inativo, se ativa e por meio do circuito de saída comuta o seu estado. A Figura 8 ilustra o diagrama de funcionamento de um sensor capacitivo. Figura 8 – Diagrama de funcionamento de um sensor capacitivo. (Fonte: Catálogo Balluff)

Sensor Capacitivo O sensor capacitivo, assim como o indutivo é identificado seguindo os seus parâmetros de construção e operação como, por exemplo, a Distância Sensora (Sn), tipo do transistor (PNP ou NPN), e diâmetro do corpo. No entanto, a escolha de um sensor blindado por um não-blindado é de grande importância, dependendo do meio onde o sensor será aplicado, pois um sensor blindado é indicado para a detecção de materiais de constante dielétrica baixa, devido ao seu campo elétrico altamente concentrado. Entretanto, um sensor não-blindado será indicado para um ambiente empoeirado e/ou úmido, pois um campo elétrico concentrado como o do blindado levaria a falsas comutações.

Sensor Capacitivo A Figura 9 apresenta uma aplicação de sensor não-blindado, para medições, onde não há a preocupação que o meio entre em contato com o sensor, ou seja, o próprio sensor pode ser responsável pela medição e pela vedação de um furo. Essa é uma prática muito utilizada na detecção de nível de um líquido em um tanque. Figura 9 – Exemplo de aplicação de sensor capacitivo não blindado. (Fonte: Imagem comercial Internet)

Sensor Capacitivo Para um determinado tamanho do objeto-alvo, os fatores de correção para sensores capacitivos são determinados segundo a constante dielétrica do material do alvo. Como visto antes, materiais de baixa constante dielétrica são difíceis de serem detectados enquanto os de alta são fáceis. A tabela 1 apresenta alguns materiais do nosso cotidiano com suas respectivas constantes dielétricas. Tabela 1

Sensor Magnético Os sensores magnéticos podem ser baseados no uso de campos magnéticos, por meio de uma ampola Reed Switch e um ímã permanente, ou então por princípio eletrônico. Os que usam ampola Reed Switch e ímã são simples de serem fabricados, e na aproximação do objeto o sensor ativa a chave Reed Switch. O objeto pode ou não possuir o ímã como constituinte.

Sensor Magnético Já os de princípio eletrônico baseiam-se no efeito Hall, onde um sensor de efeito Hall é influenciado pela presença de um objeto entre as suas linhas de corrente. O efeito Hall é composto de um campo cruzado entre as linhas de campo elétrico e campo magnético, e a tensão de Hall é definida pela Equação 3. (3) Onde: RH = o coeficiente Hall (Varia de material para material); d = a espessura; I = corrente elétrica; B = campo Magnético.

A Figura 10 ilustra um sensor magnético Reed Switch e a Figura 11 um sensor magnético de Efeito Hall. Figura 10 – Sensor magnético Reed Switch em funcionamento. (Fonte: http://www.alexandreaugusto.com.br/sensor-magneticmagn%C3%A9tico-reed-switch-na) Figura 11 – Sensor magnético Efeito Hall em funcionamento. (Fonte: http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/2000/neis/index.html)

Sensor Magnético Os sensores magnéticos são muito aplicados na detecção de posição em pistões de cilindros pneumáticos. A Figura 13 ilustra alguns sensores magnéticos de detecção em cilindros pneumáticos. Figura 13 – Ilustração de sensores magnéticos de detecção em cilindros pneumáticos. (Fonte: Imagem comercial Internet)

Sensor Óptico Os sensores ópticos são componentes eletrônicos de sinalização e comando que executam detecção de qualquer material sem houver contato entre eles. O princípio de funcionamento consistem basicamente na existência de um emissor e um receptor, onde o sinal emitido pelo emissor deve atingir com intensidade suficiente o receptor e assim comutar a saída. Os sensores podem ser diferenciados em relação ao posicionamento do emissor e receptor podendo ser classificados como: Sensor óptico por retrorreflexão; Sensor óptico por transmissão; Sensor óptico por reflexão difusa.

A Figura 14 ilustra o diagrama de funcionamento de um Sensor óptico. Figura 14 - Diagrama de blocos simples de um sensor óptico. (Fonte: Catálogo Balluff)

Sensor Óptico O sensor óptico por retrorreflexão possui o emissor e receptor montados no mesmo corpo, mas há a presença de um refletor para o estabelecimento de fluxo de luz entre eles. Quando é interrompido o feixe o sensor é ativado, no entanto, objetos claros, brilhantes ou transparentes podem não ser detectados por esse sensor. A Figura 15(a) apresenta o diagrama de funcionamento e a Figura 15(b) o princípio de funcionamento do sensor por retrorreflexão. (a) (b) Figura 15 - Diagrama de blocos de um sensor retrorreflexivo (a) e seu princípio de funcionamento (b). (Fonte: Catálogo Balluff)

Sensor Óptico O sensor óptico por transmissão, também conhecido como por barreira de luz, possui o emissor e receptor montados em dispositivos separados. Os dois componentes criam um feixe de luz entre eles, que quando um objeto atravessa o meio é interrompido o feixe e assim há a comutação. A Figura 16(a) apresenta o diagrama de funcionamento e a Figura 16(b) o princípio de funcionamento do sensor por barreira de luz. (a) (b) Figura 16 - Diagrama de blocos de um sensor por barreira (a) e seu princípio de funcionamento (b). (Fonte: Catálogo Balluff)

Sensor Óptico O sensor óptico por reflexão difusa possui o emissor e receptor montados no mesmo dispositivo. A luz enviada pelo emissor cria uma região ativa cuja presença de um objeto faz com que a luz seja refletida de forma difusa de volta ao receptor, fazendo assim a comutação. A presença de objetos de cor fosca não influi nesse sensor. . A Figura 17(a) apresenta o diagrama de funcionamento e a Figura 17(b) o princípio de funcionamento do sensor por reflexão. (a) (b) Figura 17 - Diagrama de blocos de um sensor por reflexão difusa (a) e seu princípio de funcionamento (b). (Fonte: Catálogo Balluff)

A Figura 18 ilustra a aplicação de sensores ópticos no ambiente industrial. Figura 18 – Diversas aplicações de sensores ópticos no ambiente industrial. (Fonte: Catálogo Balluff)

LVDT O transformador linear variável (LVDT) consiste em um núcleo de material magnético móvel e três bobinas que compreendem o transformador estático, uma dessas três bobinas é o enrolamento primário e as outras duas são as bobinas secundárias. A Figura 19 ilustra a estrutura interna de um sensor LVDT. Figura 19 – Estrutura interna de um sensor LDVT. (Fonte: http://www.designnews.com/author.asp?section_id=1386&doc_id=229901 – Adaptado)

LVDT Principais aplicações de sensor LVDT: Deslocamento; Variação de espessura em peças; Nível de fluido; Velocidade e aceleração.

Figura 20 - Calibração de relógio comparador utilizando LVDT. A Figura 20 apresenta uma aplicação de calibração com o sensor LVDT. Figura 20 - Calibração de relógio comparador utilizando LVDT.

RVDT O RVDT é utilizado na medição de ângulos e opera com o mesmo princípio do sensor LVDT. Este sensor utiliza um núcleo rotativo ferromagnético. A Figura 21 ilustra o princípio de funcionamento do sensor RVDT. Figura 21 – Ilustração do princípio de funcionamento do sensor RVDT. (Fonte:https://www.efunda.com/designstandards/sensors/lvdt/rvdt_intro.cfm adaptado)

A Figura 22 ilustra algumas aplicações de RVDT na indústria. Figura 22 – Algumas aplicações do sensor RVDT na indústria. (Fonte: http://metrolog.net/transdutores/rvdt.php?lang=ptbr)

Syncro Os motores syncros pertencem a uma categoria de componentes eletromagnéticos, cujo o objetivo principal é de transmitir, receber ou converter dados angulares. O syncro comporta-se tal como um motor (ou gerador) síncrono, ou seja, um transformador rotativo onde o primário é o rotor (dotado de bobina de excitação), e o secundário é o estator (dotado de três bobinas interligadas em Y defasadas de 120 graus). A Figura 23 ilustra o circuito interno de um syncro. Figura 23 – Ilustração interna de um motor syncro. (Fonte:

Sensor potenciométrico Potenciômetros lineares são sensores que produzem uma resistência proporcional ao deslocamento. O elemento resistivo é alimentado com uma tensão CC ou CA e a tensão de saída é idealmente uma função linear do deslocamento. Eles podem ser formados por fio enrolado ou plástico condutor, no formato retangular ou cilíndrico. A Figura 24 ilustra o princípio de funcionamento do sensor potenciométrico. Figura 24 – Ilustração do princípio de funcionamento de um sensor potenciométrico. (Fonte:

A Figura 25 apresenta uma aplicação didática com um sensor potenciométrico. Figura 25 – Aplicação de sensor potenciométrico. Laboratório DMV FEG-UNESP

Encoders Encoders são dispositivos que convertem um deslocamento linear ou angular em um trem de pulsos, e ainda podem ser interpretados como byte. Existem dois tipos de encoders: Incremental Absoluto. Os encoders incrementais indicam o deslocamento somente em relação a um ponto inicial de referência. Os encoders absolutos medem o deslocamento em relação a um ponto de referência interno do dispositivo.

Encoders Há três tipos de encoders incrementais: contato, óptico e magnético, que podem ser lineares ou angulares. A Figura 26 ilustra a estrutura interna de um encoder. Figura 26 – Ilustração da estrutura interna de um encoder. (Fonte:

Sensor Incremental Linear Magnético Este transdutor é o mais usado, sendo constituído de um disco que apresenta dois segmentos de material magnético (ferrite de bário etc.) dispostos radialmente e de um sensor (placa de leitura) afixado sobre um disco, como mostra a Figura 27. Figura 27 – Ilustração do princípio de funcionamento do sensor incremental linear magnético. (Fonte:

Os encoders tem uma linha de aplicações bem ampla, como controle numérico de máquinas operatrizes (CNC), controle de posição de disco rígido de computador, servo-mecanismos, controle de posição remotas, controle de posição de radar, robôs industriais, etc. A Figura 28 ilustra algumas aplicações de encoders. Figura 28 – Aplicações industriais de encoders.

Grandeza aceleração de vibração A amplitude da vibração pode ser quantificada de diversas maneiras, tais como: nível pico- a-pico, nível de pico, nível médio e o nível quadrático médio ou valor eficaz (ou RMS – Root Mean Square). A Figura 29 a seguir apresenta as diversas formas de se quantificar as vibrações. Figura 29 – Formas de quantificar a amplitude de um sinal de vibração. (Fonte:

Acelerômetro piezoelétrico A essência desse tipo de acelerômetro é o material piezoelétrico, usualmente uma cerâmica ferro-elétrica polarizada artificialmente. Quando mecanicamente tensionada, proporcional à força aplicada, gera uma carga elétrica que polariza suas faces, como mostrado na figura a seguir. A Figura 30 ilustra a estrutura interna de um acelerometro piezoelétrico. Figura 30 – Estrutura interna de um acelerômetro piezoelétrico. Fonte :http://www.seara.ufc.br/tintim/tecnologia/acelerometro/acelerometro01.htm

Acelerômetro capacitivo Um capacitor simples consiste de duas placas metálicas separadas por uma pequena distância. Entre elas está o ar ou algum material dielétrico adequado. Colocando cargas elétricas de sinais opostos nessas placas, como mostrado na Figura 31, surge uma diferença de potencial elétrico V entre as placas. Figura 31 – Ilustração do comportamento das placas de um capacitor (Fonte: http://www.seara.ufc.br/tintim/tecnologia/acelerometro/acelerometro01.htm)

Acelerômetro capacitivo Se as cargas nas placas forem mantidas constantes, a tensão nos terminais de saída varia com a distância entre as placas. Para gerar essa variação de distância em função da aceleração é utilizada a técnica que faz a integração entre elementos mecânicos (como sensores e atuadores) e componentes eletrônicos, tudo em uma mesma pastilha de silício. Esses dispositivos são chamados de MEMS  (Micro-ElectroMechanical Systems).

Acelerômetro resistivo Por meio da técnica MEMS é construído um sistema, onde um corpo de prova movimenta uma haste que por sua vez altera a resistência de uma ponte resistiva, como mostrado na Figura 32. Figura 32 – Ilustração da estrutura interna de um acelerômetro resistivo (Fonte: http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1240-comparativo-entre-acelermetros)

Acelerômetro Fibra óptica Fazem a Transdução da aceleração por meio da reflexão da luz que atravessa um feixe de fibra ótica. A quantidade de luz recebida nos sensores de luminosidade será proporcional a aceleração, uma vez que o foco na superfície reflexiva muda com o movimento do corpo de prova. A Figura 33 ilustra a estrutura interna de um acelerômetro de fibra óptica. Figura 33 – Ilustração da estrutura interna de um acelerômetro de fibra óptica (Fonte: http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1240-comparativo-entre-acelermetros)

Acelerômetro piezoresistivo Nele o corpo de prova, com a massa que sentirá a variação de aceleração, está suspensa sobre braços piezo-resistivos. Estes braços formam uma ponte resistiva. A leitura da tensão sobre esta ponte indica em qual eixo está a aceleração, e seu respectivo valor. A Figura 34 apresenta uma aplicação no laboratório de medição de aceleração de vibração. Figura 34 – Aplicação de acelerômetro capacitivo em Laboratório :

Referência Bibliográfica Catálogo de produtos Balluff; Site Sense Sensores; http://www.alexandreaugusto.com.br/sensor-magneticmagn%C3%A9tico-reed-switch-na; http://www.eletrica.ufpr.br/edu/Sensores/2000/neis/index.html; http://www.designnews.com/author.asp?section_id=1386&doc_id=229901; http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1240-comparativo-entre-acelermetros