Sistema de Medidas de Forças em Mancais Supercondutores.

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Anderson Mateus Ribas Botelho
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1 Sistema de Medidas de Forças em Mancais Supercondutores "A facilidade de uso do software e sua fácil integração com a placa de aquisição da NI possibilitaram a aprendizagem da linguagem LabVIEW e a criação completa do sistema em aproximadamente 3 meses. " - Luiz André Moysés Lima, Universidade Federal do Rio de Janeiro ( O desafio: Realizar medidas de forças de interação entre um material supercondutor e um ímã permanente, em função da posição relativa entre os mesmos. Deve-se medir a variação das forças devido a aproximações e afastamentos forçados entre os mesmos, para projeto de um veículo de levitação magnética. Leia o estudo de caso completo A solução: Utilizando um equipamento com motores e sensores, é possível realizar movimentação do supercondutor e fazer aquisição dos valores medidos de força em cada posição. O software e hardware da National Instruments tornam o processo de aquisição e envio de sinais muito simples e rápido. Autor(es): Luiz André Moysés Lima - Universidade Federal do Rio de Janeiro ( Guilherme Teophilo Telles - Universidade Federal do Rio de Janeiro ( Introdução O LASUP apresenta um projeto pioneiro de criação de um veículo de levitação magnética, o Maglev-Cobra, já em processo de implantação. Estima-se que ele apresentará menor gasto de energia e zero emissão de gases poluentes, além de outras características vantajosas em relação aos meios de transporte de massa atuais. Os supercondutores fixados na parte inferior do veículo fazem com que ele flutue sobre os trilhos, compostos de ímãs permanentes, e a movimentação do trem se dá por um motor de indução linear. Desse modo, é necessário estudar o comportamento da força de levitação de materiais supercondutores e criar um sistema de medidas que consiga realizar ensaios diversos envolvendo a movimentação controlada de uma amostra. Supercondutores Supercondutores são materiais cerâmicos, que, quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica específica, apresentam a propriedade de resistividade elétrica nula. Isso leva à possibilidade de circulação de supercorrentes no interior do material, que, ao interagirem com um campo magnético externo, geram uma força restauradora atuante em todos os sentidos de movimentação do supercondutor. Qualquer variação de fluxo magnético por aproximação ou afastamento de um ímã gera forças restauradoras, de modo que o supercondutor sempre tende a manter seu fluxo interno constante e igual àquele que estava presente no momento do resfriamento, ou seja, ele tenta sempre manter-se na mesma posição em relação ao ímã. Desse modo, se o supercondutor encontra-se suspenso sobre um ímã e tende a cair por ação da gravidade, surge uma força no sentido contrário que o mantém em sua posição original, flutuando. Sistema de medidas O objetivo do sistema é realizar medidas de força vertical e lateral ao aproximar e afastar o supercondutor do ímã, mas, principalmente, deseja-se medir o decaimento da força de levitação do mesmo. É conhecido que ciclos de movimentação bombeiam fluxo magnético no interior do material supercondutor, levando a um decaimento de suas forças, principalmente de levitação. Desse modo, para suportar um mesmo valor de força, ele passa a apresentar uma posição vertical mais baixa. Esse fenômeno deve ser estudado a fundo para aplicação no projeto do Maglev-Cobra, sendo necessário investigar diversos tipos de supercondutores que apresentam decaimentos diferentes. O equipamento do sistema pode ser visualizado na figura 1. Ele consiste em dois suportes controlados por motores de passo (modelos e KML093-F07), que realizam a movimentação vertical e horizontal (somente uma direção horizontal) desejada. Há uma célula de carga (ATI Omega 160) que faz a aquisição dos valores de força em cada ponto, e dois sensores ultrassônicos que realizam o controle da posição. O software do sistema consiste em um programa em LabVIEW que concatena os sinais de entrada e saída. Foi escolhida a interface LabVIEW devido à simplicidade e facilidade de implementação de blocos de comunicação e aquisição de sinais com equipamentos externos. A comunicação com os motores de passo é via serial, e é o único sinal de saída do programa. A aquisição dos sinais medidos pelos sensores ultrassônicos e pela célula de carga é realizada pela placa de aquisição PCI Lógica do ensaio Os ensaios realizados simulam as situações de um sistema real de transporte ao apresentar vibrações (pequenos movimentos cíclicos verticais) e curvas (deslocamento lateral devido à força centrípeta do veículo na curva). A lógica do programa segue o fato de que aproximar verticalmente o supercondutor do ímã leva a um aumento de força, e afastar leva a uma diminuição da mesma. O principal ensaio realizado até o momento é chamado ensaio dinâmico lateral. O ensaio é configurado de modo que o supercondutor se aproxima do ímã até ser captado um valor máximo pré-definido de força vertical, depois se afasta até chegar ao valor mínimo de força, e repete o ciclo. Simultaneamente, a cada intervalo escolhido de tempo, são realizados movimentos de amplitude pré-definida para cada lado, sempre retornando ao centro, que é definido como o ponto onde a medida de força lateral é nula. A amostra permanece parada nos extremos de posição lateral por um período 1/7

2 centro, que é definido como o ponto onde a medida de força lateral é nula. A amostra permanece parada nos extremos de posição lateral por um período de tempo, simulando a duração de uma curva. Outro tipo de ensaio é o chamado dinâmico semi-lateral. Elé é idêntico ao primeiro, exceto que os movimentos laterais não são para ambos os lados, e sim somente para um lado, sempre retornando ao centro. Além disso, há o ensaio vertical, no qual não são realizados movimentos laterais. Resultados Pelo gráfico 1, é possível visualizar o decaimento da força de levitação do supercondutor. Os ensaios foram realizados com limite máximo e mínimo de força 2000 e 1600 N, limite de força lateral de ±280 N (nos ensaios em que há movimento lateral), intervalo de 1 minuto entre cada ciclo de movimentação lateral e tempo de espera de 10s nos extremos de posição lateral. Como esperado, o ensaio vertical apresentou o menor decaimento, e o dinâmico lateral, o maior. O decaimento indica que o veículo tende a perder a propriedade de levitação, mas este fenômeno segue uma forma aproximadamente logarítmica, mostrando que, nas condições corretas, o veículo consegue ficar levitando por um bom tempo em uma altura aceitável. Pelos gráficos 2 e 3 é possível observar os movimentos laterais da amostra em função do tempo. Vê-se que, apesar dos ciclos laterais ou semi-laterais, o ponto de equilíbrio horizontal onde a força lateral é nula permanece dentro de um limite de segrança, garantindo que o veículo não sofrerá descarrilamento. Considerações finais Esta experiência contribuiu para entender a evolução da posição de equilíbrio lateral e do decaimento da força de levitação de um supercondutor, o que será de vital importância no projeto real de um veículo de levitação magnética. O programa LabVIEW, em conjunto com a placa de aquisição PCI-6220, tornaram fácil e rápida a aquisição de sinais e envio de comando para os motores, o que facilitou muito a implementação do sistema em geral. O maior problema enfrentado foi a utilização de um adaptador USB-serial para realizar a comunicação; foi descoberto que este tipo de adaptador apresenta erros aleatórios de comunicação que levam a travamento do processo. Após a troca do adaptador por uma placa serial, esse problema foi solucionado e o sistema passou a funcionar perfeitamente, tanto para os ensaios descritos quanto para outros que foram implementados depois. A facilidade de uso do software e sua fácil integração com a placa de aquisição da NI possibilitaram a aprendizagem da linguagem LabVIEW e a criação completa do sistema em aproximadamente 3 meses. Já foram incluídos no programa outros tipos de ensaio com movimentações diferentes, de modo que o sistema está constantemente evoluindo e contribuindo de diversas maneiras para o estudo de forças em um supercondutor. Informações do autor: Luiz André Moysés Lima Universidade Federal do Rio de Janeiro ( Brasil 2/7

3 Fig.1 Equipamento do sistema de medidas Fig.2 Interface com o usuário do ensaio dinâmico lateral, em LabVIEW 3/7

4 Fig.3 Fluxograma da lógica do ensaio dinâmico vertical 4/7

5 Graf.1 Evolução da altura de levitação durante os ensaios 5/7

6 Graf.2 Evolução da posição horizontal no ensaio dinâmico lateral 6/7

7 Graf.3 Evolução da posição horizontal no ensaio dinâmico semi-lateral Informações legais Esse estudo de caso (esse "estudo de caso") foi desenvolvido por um cliente da National Instruments ("NI"). ESSE ESTUDO DE CASO É FORNECIDO "COMO ESTÁ", SEM GARANTIAS DE QUALQUER NATUREZA E SUJEITO A DETERMINADAS RESTRIÇÕES, COMO ESTABELECIDO DE FORMA MAIS ESPECÍFICA NOS TERMOS DE USO DA NI.COM ( ( 7/7

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