Sensores Magnéticos de Distância Elaborado por: Wilmar Kauss

Princípio de funcionamento Tipos de sensores eletromagnéticos Tópicos abordados Princípio de funcionamento Tipos de sensores eletromagnéticos Indutivos Corrente parasitas Aumento da sensibilidade Circuito Ressonante Circuito Diferencial Problemas dos sensores magnéticos Rotores desbalanceado: não uniforme Sensor NÃO-DIFERENCIAL Dicas de como escolher um sensor de distância magnético Sensores comerciais Shinkawa – projetado para Mancais Magnéticos Turck – uso geral IFM – sensor de velocidade Referência bibliográfica

1- Princípio de funcionamento Objetivo Detectar deslocamentos/posição durante a movimentação de objetos sem contato mecânico. Capacitivo: A distância é detectada pela variação da capacitância; Entre o sensor e o alvo é necessário boa isolação e o “ar” deve está limpo de forma a não afetar o dielétrico; Não é utilizado em motores; Tipos de sensores de posição Laser O deslocamento é detectado através da reflexão da luz; O alvo deve ser uniforme de forma a evitar “ruído”; Pode ser utilizado em algumas aplicações de Mancais Magnéticos; Eletromagnético A posição é detectada através da variação do fluxo magnético entre o sensor e o alvo; É considerar a melhor opção para aplicações de Mancais Magnéticos.

L = N 2/R = N 2 * (2  A / 3 lg) = K * 1/lg 1- Princípio de funcionamento (continuação) Sensores Eletromagnéticos Onde: lg – distância entre o alvo e o sensor m – densidade de fluxo magnético entre alvo e o sensor Zin – impedância L – indutância R – relutância N – número de espiras r – resistência do fio K – constante  - permeabilidade A – área w – freqüência angular L = N 2/R = N 2 * (2  A / 3 lg) = K * 1/lg Ou seja: A indutância (L) varia em função da distância (lg) entre o sensor e o alvo; A impedância de entrada (Zin = r + jLw) varia em função de lg; Se o terminal de entrada for excitada por alta freqüência, a impedância de entrada (Zin) fica dominada pela indutância; Zin é detectada pela razão entre a tensão e corrente de entrada (que varia em função de lg).

2- Tipos de sensores eletromagnéticos Existem dois tipos de sensores eletromagnéticos: Indutivos e de Correntes parasitas Sensores indutivos Alvo feito de material ferromagnético com alta permeabilidade, como: Lamina de silício, Ferrite e Carbono Freqüência de excitação: 20 - 100KHz; Indutância varia com o inverso da distância entre o sensor e o alvo (lg); Para distância (lg) pequena implica em alta impedância (Zin): Zin = r+jwL = r+jwK/lg Alvo feito de material condutivo com baixa resistência, como: Cobre, alumínio e outro materiais metálicos Freqüência de excitação: 2MHz; Indutância varia diretamente proporcional com a distância entre o sensor e o alvo (lg); Para distância (lg) pequena a corrente “parasita flui facilmente” no alvo (tipo curto circuito) e produz um baixa impedância: Zin = V/I (V – tensão; I – corrente) Sensores de corrente parasitas Observação: A variação máxima que se consegue é de 20% em função da distância lg!!!

3- Aumento de sensibilidade Problema Como visto anteriormente: uma variação de distância entre o sensor e o alvo (lg) acarreta em uma variação máxima de 20% na medida. Dois métodos são utilizados para aumenta a sensibilidade dos sensores: Circuito ressonante e Circuito diferencial Solução Circuito ressonante Onde: L1 – indutância variável (dependa da distância) Lo – indutância constante Ri – resistência do fio Cs – capacitância (entre fios) Zin – impedância de entrada L = L1 + Lo f – freqüência de ressonância C – capacitor externo em paralelo com o sensor para sintonizar a freqüência de ressonância Nota: Na freqüência de ressonância Zin é máximo!!!

3- Aumento de sensibilidade (continuação) Circuito diferencial Funcionamento Os “2” sensores equivalem a dois transformadores, onde: Os primários são colocados em série e alimentado por Vo; Os secundários são colocados em série mas com polaridade invertida; Utiliza “2” sensores: 1 apontando para um alvo de distância fixa e conhecida; Outro apontando para o alvo que se deseja medir a distância; V3 é a diferença entre as 2 distâncias; Se as duas distâncias são iguais implica em V3 = 0 (zero).

4- Problema dos sensores magnéticos em mancais Um dos problema está associado a qualidade da superfície do alvo (rotor): ela pode não está uniforme e causar ruídos na medição; Isto é mais grave para sensores de corrente parasitas do que para os indutivos; Rotor: Balanceado X Desbalanceado - ( Uniforme X Não-Uniforme) Onde: Xi e Yi – saídas do sensor indutivo Xe e Ye – saídas do sensor de corrente parasitas Sistema Balanceado Sistema Desbalanceado

4- Problema dos sensores magnéticos em mancais (continuação) Sensores indutivos - desvantagens Comparando as figuras anteriores, os sensores indutivos são obviamente superiores. Porém esses possuem desvantagens: No mercado existem poucos sensores indutivos disponíveis; O alvo deve ser feito de material ferromagnético A freqüência de excitação é baixa, e uma filtragem pode causar retardos significativos. Sensores de corrente parasitas Ações podem ser feitas para melhorar a saída desses sensores, tais como: Colocar dois sensores na mesma direção trabalhando na forma diferencial: São reduzidos os efeitos dos harmônicos e variação de temperatura O material alvo pode ser não-magnético de maneira a evitar imperfeições magnéticas O diâmetro do sensor MUITO MENOR do que diâmetro do alvo de forma a evitar interferências nos movimentos dos 2 eixos, ou seja: Diâmetro do sensor igual a 5mm e diâmetro do rotor 50mm O diâmetro do sensor GRANDE em relação a folga do rotor, ou seja: Diâmetro do sensor igual a 5mm e folga do rotor de 1mm ou menos A freqüência de excitação dos sensores nos eixos x, y e z podem ser configuradas distante o suficiente para evitar interferências mutuas: Resposta de freqüência de 20KHz podem separadas por excitações de 2MHz, 1,96MHz e 2,04MHz

4- Problema dos sensores magnéticos em mancais (continuação) Utilizar sensor Não-diferencial: como o alvo é circular, qual será a influência na direção X quando só houver movimento na direção Y? Visualização do problema dx dy r - dx r dx = r - sqrt(r^2 – dy^2) => Sensor Y Sensor X Y r dy dx

4- Problema dos sensores magnéticos em mancais (continuação) Problema 2 (continuação) Simulação de dx em função de dy: dx = r - sqrt(r^2 – dy^2) Valores reais baseados no protótipo da UFRJ/COPPE/LASUP: Raio (r): 1 – 10 cm; dy = 0,4mm Simulação: dx em função de dy Valores absolutos Valores relativos

4- Problema dos sensores magnéticos em mancais (continuação) Conclusão Os seguintes cuidados devem ser tomadas para evitar problemas de interferências em sensores de distância em um alvo circular devido a dimensões físicas: do sensor de distância, alvo e distância sensora: Diâmetro do sensor muito MAIOR que a distância sensora Diâmetro do sensor muito MENOR que o diâmetro do alvo Distância sensora muito MENOR que o diâmetro do alvo Sensor Y Sensor X Y r Ds Onde: Diâmetro do sensor: Ds Diâmetro do alvo: Da = 2*r Distância sensora: X e Y

5- Dicas de como escolher um sensor de distância magnético: 1- Material do alvo: Ferromagnético => Sensor Indutivo Condutor => Sensor de corrente parasita Nota: Muitas vezes o material do alvo tem características ferromagnéticas e condutoras, ou seja, podemos escolher o tipo de sensor de acordo, por exemplo, com a disponibilidade do mercado. 2- Uniformidade da superfície do alvo: Nota: Sensores de corrente parasita exigem superfícies lisas e uniformes. 3- Tipo de saída: Digital Analógica 4- Tipo do invólucro do sensor: Redondo Retangular 5- Diâmetro do sensor e Distância sensora: Diâmetro do sensor muito MAIOR que a distância sensora Diâmetro do sensor muito MENOR que o diâmetro do alvo 6- Resposta máxima de freqüência Nota: Sensores de corrente parasita atingem maiores respostas de freqüências. 7- Custo e Disponibilidade no mercado

6- Sensores comerciais Alguns fabricantes Principais características Shinkawa – www.sec-america.com Turck – www.turck.com Festo – www.festo.com.br IFM – www.ifm-electronic.com Sense – www.sense.com.br ACE Schmersal – www.schmersal.com.br Signalworks – www.signalworks.com.br Banner – www.bannerenginnering.com Principais características

6- Sensores comerciais (continuação) 1- Sensor da Shinkawa - MODEL 1195-510 Sensor fabricado especialmente para Mancais Magnéticos Sensor diferencial de corrente parasitas (“eddy corrent sensor”) Problema: alto custo!!! Características do Shinkawa

6- Sensores comerciais (continuação) Características do Shinkawa - Princípio de funcionamento

6- Sensores comerciais (continuação) Características do Shinkawa – Diagrama de bloco

6- Sensores comerciais (continuação) Características do Shinkawa - Especificação

6- Sensores comerciais (continuação) Características do Shinkawa - Especificação

6- Sensores comerciais (continuação) Características do Shinkawa - Especificação

Vamos testa-lo em breve!!! 6- Sensores comerciais (continuação) 2- Sensor da Turck – Bi1,5-EG08-LU Sensor de uso geral Sensor de corrente indutiva Vamos testa-lo em breve!!! Características do Turck

6- Sensores comerciais (continuação) Características do Turck

6- Sensores comerciais (continuação) Características do Turck - Montagem

Vamos testa-lo em breve!!! 6- Sensores comerciais (continuação) 3- Sensor de velocidade da IFM: IZ-5052 e DD-2003 Sensor de uso geral Sensor de corrente indutiva e monitor de freqüência Vamos testa-lo em breve!!! Características do Sensor de Corrente IFM: IZ-5052

6- Sensores comerciais (continuação) Características do Sensor de Corrente IFM: IZ-5052

6- Sensores comerciais (continuação) Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-2003

6- Sensores comerciais (continuação) Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-2003

7- Referência bibliográfica Magnetic Bearings and Bearingless Drives Autores: A Chiba, T Fukao, O Ichikawa, M Oshima, M Takemoto e D G Dorrell Editora: Elsevier – 1a edição, 2005 Sites: Shinkawa – www.sec-america.com Turck – www.turck.com IFM – www.ifm-electronic.com Fim