Sensores de deslocamento

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1 Instrumentação Industrial - 1 Sensores de deslocamento Introdução Os sensores de deslocamento, de uma maneira geral, são instrumentos usados para medir o movimento de um corpo. Este movimento pode ser descrito por uma reta entre dois pontos, ou mesmo um movimento angular, em uma trajetória diferente, como um arco de circunferência, por exemplo. Não obstante o seu uso como um transdutor primário, medindo o movimento de um corpo, os sensores de deslocamento são também largamente utilizados como um componente secundário em sistemas de instrumentação, onde outras grandezas físicas, tais como pressão, força, aceleração, nível ou temperatura são convertidas em um movimento translacional pelo transdutor de medida primária. Existem muitos tipos diferentes de sensores de deslocamento, cada um com suas características particulares e méritos descritos a seguir. O conhecimento destas particularidades é de fundamental importância para o processo de seleção da alternativa mais apropriada para uma dada aplicação. No decorrer deste capítulo são discutidos sensores de deslocamento linear, tais como sensores resistivos, transformadores diferenciais, sensores magnetosônicos, dentre outros, assim como sensores de deslocamento angular, dentre os quais se destacam o potenciométrico (resistivo), encoders ópticos incrementais e encoders absolutos. Alguns destes modelos são apresentados na figura a seguir.

2 Instrumentação Industrial - 2 Sensores de deslocamento linear Transformador diferencial O transformador diferencial, mais conhecido como LVDT Linear Variable Diferential Transformer, é um sensor de deslocamento linear bastante difundido na indústria. A sua principal vantagem sobre os outros tipos de sensores é o seu alto grau de robustez, principalmente por não haver contato físico do elemento sensor em sua extensão. Os LVDT também podem ser a prova d água ou trabalhar em ambientes agressivos. O princípio de funcionamento do LVDT é baseado em transferência magnética, o que resulta em resolução infinita. A menor fração de movimento pode ser detectada por condicionadores eletrônicos de sinal adequados. A combinação destes dois fatores adicionados a também outros tais como exatidão e repetibilidade, garante o sucesso da aplicação desta tecnologia por mais de 90 anos. Um LVDT consta de uma base onde são montadas três bobinas. A primeira bobina, primária, é excitada com corrente a.c. da ordem de 1 a 30kHz e de 0,5 a 10V rms. As outras duas bobinas, secundárias, são enroladas de tal maneira que, quando um material ferromagnético é colocado na posição linear central entre as duas, a mesma tensão é induzida em cada bobina. Entretanto, as bobinas secundárias são conectadas opostamente uma à outra de modo que, na posição central as suas saídas sejam canceladas. A excitação é aplicada ao enrolamento primário do sensor de posição pelo circuito oscilador. O oscilador é montado externamente, não mostrado na figura. A armadura (parte móvel ou cursor do transdutor) permite a indução de uma tensão nas bobinas secundárias 1 e 2 (Sec. 1 e Sec. 2). A armadura é feita de um material magnético especial e freqüentemente é conectada a uma haste não magnética, usada para medir o deslocamento.

3 Instrumentação Industrial - 3 Quando a armadura está na posição central, há uma mesma tensão induzida em ambas bobinas secundárias. Entretanto, como são enroladas em oposição, as somas é cancelada, produzindo uma saída nula. Se a armadura se move indo para Sec. 1 (saindo de Sec. 2) o resultado é que a soma de Sec. 1 e Sec. 2 favorece Sec. 1, nestas figuras, em fase com a tensão de excitação. Da mesma forma, quando a armadura se move no sentido de Sec. 2, a soma favorece Sec.2 (fora de fase com a excitação.

4 Instrumentação Industrial - 4 A saída de um LVDT é uma tensão alternada e, como tal, não possui uma polaridade definida. A amplitude da saída do transdutor aumenta independentemente da direção do movimento em relação à região central, como mostra a figura a seguir. A fim de se conhecer em qual direção se dá o deslocamento, deve-se observar tanto a fase quanto à magnitude da tensão de saída. Note que a tensão de saída poderá estar em fase ou fora de fase com a tensão de excitação, dependendo apenas do lado em que se encontra a armadura em relação ao centro.

5 Instrumentação Industrial - 5 A fase da tensão de saída do sensor deverá ser comparada com a fase da tensão de excitação. Este trabalho é feito empregando-se um circuito eletrônico que também terá a função de fornecer uma saída em tensão contínua, proporcional à posição da armadura no interior do LVDT. Uma variedade de condicionadores eletrônicos de sinais para LVDT podem ser encontrados no mercado, incluindo módulos para laboratórios e sistemas integrados. O circuito eletrônico de condicionamento de sinal também pode ser integrado ao LVDT, resultando no DCDT. Estes sensores de deslocamento de fácil uso oferecem praticamente todas as vantagens dos LVDT com a simplicidade de operação com alimentação e saída em corrente contínua. A saída deste circuito é a apresentada na figura a seguir. Note a excelente linearidade apresentada pelo LVDT dentro de sua faixa de operação.

6 Instrumentação Industrial - 6 Outras vantagens do uso do LVDT também podem ser citadas, tais como: operação livre de atrito, resolução infinita, vida útil ilimitada, robustez física, sensibilidade em um único eixo evitando problemas como mau alinhamento, compatibilidade com ambientes agressivos, repetibilidade, rápida resposta dinâmica e saída absoluta, ou seja, ao contrário de sistemas incrementais, a saída independe de um estado anterior. As figuras a seguir ilustram a variedade de aplicação deste sensor de deslocamento linear.

7 Instrumentação Industrial - 7 Sensores magneto-sônicos O transdutor magneto-sônico emprega uma tecnologia onde a interação entre um pulso de corrente e um campo magnético gera uma onda ultra-sônica que viaja ao longo de um guia de onda. O elemento condutor e a guia de onda percorrem o comprimento do transdutor. O cursor magnético, quando acoplado ao transdutor, produz um campo magnético. Um pulso de corrente, gerado pelo circuito eletrônico posicionado no final do transdutor, é enviado, produzindo uma onda ultra-sônica resultante da interação do campo do cursor magnético e esta corrente. O mesmo circuito eletrônico se encarrega de detectar este pulso acústico resultante. O intervalo de tempo entre os pulsos é proporcional à posição do cursor magnético e o circuito eletrônico integrado pode processar o dado de saída de deslocamento em várias formas. A figura a seguir ilustra este princípio de funcionamento. Este princípio de operação permite detectar a distância entre o transdutor (usualmente fixado) e a posição do cursor magnético (normalmente solidário à peça em movimento). Não há nenhum invólucro, nenhum efeito de qualquer sujeira não ferrosa, poeira ou líquidos no espaço entre o transdutor e o cursor.

8 Instrumentação Industrial - 8 Existem vários tipos de perfis da haste e do cursor magnético visando aplicações específicas. Para a haste perfilada pode-se usar cursores do tipo ferradura ou de engate, enquanto a haste cilíndrica usa um cursor do tipo anel para medir a posição, normalmente instalado em um cilindro hidráulico. A figura a seguir apresenta estes modelos de hastes e de cursores.

9 Instrumentação Industrial - 9 Sensores resistivos Os sensores resistivos de deslocamento linear nada mais são do que potenciômetros industriais. O potenciômetro consiste de um elemento resistivo distribuído em ao longo de uma pista percorrida por um cursor. Fixando-se uma tensão de alimentação, V 1, entre os pontos 1 e 3, o potencial no ponto 2, V 2, será uma função da posição do cursor sobre a pista do potenciômetro, segundo a regra do divisor de tensão. Os sensores resistivos de deslocamento linear apresentam a grande vantagem de serem instrumentos de ordem zero, não impondo qualquer constante de tempo sobre o sinal medido. No entanto, com o passar do tempo de uso, podem começar a apresentar problemas em função do desgaste mecânico do contato entre o cursor e a pista resistiva. Sensores resistivos comerciais são apresentados na figura a seguir.

10 Instrumentação Industrial - 10 Sensores de deslocamento angular Sensor resistivo Da mesma forma que no sensor de deslocamento linear, um potenciômetro pode ser utilizado para prover informações sobre posição angular. O princípio do divisor de tensão também é aqui aplicado. A figura a seguir apresenta o aspecto físico de um potenciômetro Aplicando-se uma tensão V 1 entre os terminais 1 e 3, poderá se ter uma tensão proporcional à posição angular do cursor, V 2, segundo a seguinte expressão: V 2 R2 = V1 R + R 1 2 Embora apresentado na figura anterior, não se recomenda a utilização de potenciômetros comuns, de ¾ de volta, por possuírem faixa e exatidão limitadas, dando-se preferência aos potenciômetros multivoltas, com 5 a 20 voltas, que podem ser encontrados com exatidão e linearidade de 0,1%. Na maioria dos casos estes valores são suficientes para aplicação a um custo muito reduzido.

11 Instrumentação Industrial - 11 Encoder óptico incremental Um encoder óptico incremental consiste de uma fonte de luz, uma máscara reticulada, um disco codificada, e um conjunto de sensores ópticos, como mostrado na figura a seguir. As estruturas gradeadas são obtidas através de uma cuidadosa deposição de material opaco sobre uma superfície plana de vidro. O número de seções claras e escuras dispostas sobre o perímetro do disco rotativo, assim como na máscara estacionária, definem o número de ciclos que o encoder irá gerar a cada volta completa. Quando a luz é projetada na direção da máscara e disco, a quantidade de luz que atravessa as duas estruturas irá variar em função do movimento do disco em relação à máscara fixa. Quando uma seção opaca do disco fica alinhada com uma seção clara da máscara, praticamente nenhuma luz atravessa o conjunto. Por outro lado, quando duas seções transparentes estão alinhadas, haverá o máximo fluxo luminoso. Este sistema é conhecido por gradeamento em amplitude, e é diferente do sistema de gradeamento por difração, no qual a luz é modulada empregando princípios de interferência, usualmente construídos para usar luz refletida ao invés de luz transmitida. Em qualquer dos sistemas, no entanto, o sinal luminoso resultante define a resolução do dispositivo em pulsos por revolução (cpr), que pode chegar à ordem de cpr.

12 Instrumentação Industrial - 12 Uma vez que o movimento do disco gera apenas pulsos, nada se conhecendo sobre a posição absoluta, estes encoders são conhecidos como encoders incrementais. A luz transmitida através da grande/disco terá uma intensidade quase senoidal. Alguns fabricantes amplificam estes sinais senoidais e os transmitem diretamente para o controlador. Estes encoders são comumente conhecidos como encoders de saída senoidal. Um sistema alternativo apresenta saída como sinais TTL, através da comparação do sinal de saída com uma referência. Isto resulta na geração de um sinal digital com período igual à flutuação cíclica da luz incidente, obtendo-se dois sinais de saída defasados de 90 o. Usando um flip-flop do tipo D, pode-se analisar estes sinais para determinar-se o sentido de rotação do disco. A figura a seguir ilustra o exposto. Os encoders ópticos são usados em uma variedade de aplicações, desde impressoras até máquinas industriais. Geralmente são usados como um dispositivo de realimentação em sistema de controle, exigindo alto grau de exatidão, ou simplesmente, escolhidos pelo seu baixo custo. Em função do tempo de varredura de controladores, muitas vezes é necessário conhecer a rotação mesmo antes de se completar um ciclo de giro do encoder. Para tanto, lança-se mão de técnicas de interpolação. Os métodos de interpolação podem variar desde o mais simples até os mais complexos. O mais simples consiste simplesmente em aproveitar dois sinais que estejam em quadratura para gerar quatro saídas em quadrantes distintos. Multiplicando o número de pulsos obtidos por quatro, obtém-se o número de pulsos total antes mesmo de se completar um ciclo. Usando um encoder com saída senoidal obtém-se uma interpolação mais próxima da real, tomando-se saídas senoidais em quadratura e usando-se relações trigonométricas simples. Uma vez que cada ciclo corresponde a 360 o elétricos, duas saídas em quadratura permitem obter o seno e cosseno, de modo que uma função arco-tangente pode ser usada para obter a posição angular do encoder em qualquer ponto do ciclo.

13 Instrumentação Industrial - 13 Encoder absoluto O encoder absoluto possui vários padrões de marcas circulares que poder ser unicamente relacionadas ao ângulo absoluto ou posição, o que não acontece como o encoder incremental, que perde a referência de sua posição depois de uma perda de alimentação. Nos primórdios, os encoders absoltos eram construídos usando padrões de regiões condutivas e regiões isolantes. As regiões condutivas eram detectadas por contados elétricos usando escovas. Estes sistemas traziam problemas graves de leitura com o acúmulo de sujeira, óleo e oxidação, que levavam à perda de contato com a superfície condutora. As tecnologias mais recentes empregam encoders com regiões claras e escuras detectadas opticamente usando diodos emissores de luz e fotodiodos. Se o padrão é colocado em um código binário, como mostrado na figura a seguir (a), e se uma seqüência de diodos emissores de luz e de foto diodos são dispostos em lados opostos, a posição angular poderá ser expressa por meio de zeros e uns, dependendo apenas se a luz pode ultrapassar ou não os segmentos do padrão. (a) (b) Entretanto, uma vez que vários bits podem se alterar em uma única transição, tal como de para 10000, e que não há garantia de que todos os bits irão se alterar exatamente no mesmo instante, é possível que se possa ler um código incorreto durante uma transição. Este problema poderá ser evitado se for adicionado um bit de informação de habilitação da entrada dos dados em um buffer, por exemplo. Uma solução mais interessante, também mostrada na figura anterior (b) é o uso de um padrão de em código Gray, onde apenas um bit se altera em uma transição. Dessa forma, todos os bits estarão sempre válidos para leitura em qualquer tempo e uma conversão de código Gray para binário poderá ser providenciada.

14 Instrumentação Industrial - 14 Em ambos os casos, a numeração está à direita e a contagem avança no sentido anti-horário. Embora as figuras anteriores apresentem apenas quatro bits, encoders comerciais podem ser encontrados com mais de 20 bits. Mesmo sendo mais caros que sensores potenciométricos, encontram larga aplicação quando se deseja alta exatidão nas aplicações. A figura a seguir apresenta alguns modelos comerciais. No encoder, o número de pistas é igual ao número de bits, N, e o número de setores será, então, 2 N. A resolução disponível, Re (º), será dada por: 360 Re = Nb 2 o