Sensores Magnéticos de
Distância
Elaborado por: Wilmar Kauss
UFRJ-COPPE – Projeto Motor-Mancal Magnético
Sensores Magnéticos de Distância
Agosto 2006
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Tópicos abordados
1. Princípio de funcionamento
2. Tipos de sensores eletromagnéticos
• Indutivos
• Corrente parasitas
3. Aumento da sensibilidade
• Circuito Ressonante
• Circuito Diferencial
4. Problemas dos sensores magnéticos
• Rotores desbalanceado: não uniforme
• Sensor NÃO-DIFERENCIAL
5. Dicas de como escolher um sensor de distância
magnético
6. Sensores comerciais
• Shinkawa – projetado para Mancais Magnéticos
• Turck – uso geral
• IFM – sensor de velocidade
7. Referência bibliográfica
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1- Princípio de funcionamento
Objetivo
• Detectar deslocamentos/posição durante a movimentação de objetos sem contato mecânico.
Tipos de sensores de posição
• 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;
• 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.
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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
• K – constante
• L – indutância
•  - permeabilidade
• R – relutância
• A – área
• N – número de espiras
• w – freqüência angular
• r – resistência do fio
L = N 2/R = N 2 * (2  A / 3 lg) = K * 1/lg
Ou seja:
a) A indutância (L) varia em função da distância (lg) entre o sensor e o alvo;
b) A impedância de entrada (Zin = r + jLw) varia em função de lg;
c) Se o terminal de entrada for excitada por alta freqüência, a impedância de entrada (Zin) fica
dominada pela indutância;
d) Zin é detectada pela razão entre a tensão e corrente de entrada (que varia em função de lg).
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2- Tipos de sensores eletromagnéticos
Tipos
Existem dois tipos de sensores eletromagnéticos:
• Indutivos e de Correntes parasitas
Sensores indutivos
a) Alvo feito de material ferromagnético com alta permeabilidade, como:
• Lamina de silício, Ferrite e Carbono
b) Freqüência de excitação: 20 - 100KHz;
c) Indutância varia com o inverso da distância entre o sensor e o alvo (lg);
d) Para distância (lg) pequena implica em alta impedância (Zin): Zin = r+jwL = r+jwK/lg
Sensores de corrente parasitas
a) Alvo feito de material condutivo com baixa resistência, como:
• Cobre, alumínio e outro materiais metálicos
b) Freqüência de excitação: 2MHz;
c) Indutância varia diretamente proporcional com a distância entre o sensor e o alvo (lg);
d) 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)
Observação:
• A variação máxima que se consegue é de 20% em função da distância lg!!!
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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.
Solução
• Dois métodos são utilizados para aumenta a sensibilidade dos sensores:
• Circuito ressonante e Circuito diferencial
Circuito ressonante
Onde:
• L1 – indutância variável (dependa da distância)
• Lo – indutância constante
• L = L1 + Lo
• Ri – resistência do fio
• Cs – capacitância (entre fios) • f – freqüência de ressonância
• Zin – impedância de entrada • C – capacitor externo em paralelo com o sensor para
sintonizar a freqüência de ressonância
• Nota: Na freqüência de ressonância Zin é máximo!!!
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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).
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4- Problema dos sensores magnéticos em mancais
Problema 1
• 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)
Sistema Balanceado
Sistema Desbalanceado
Onde:
• Xi e Yi – saídas do sensor indutivo
• Xe e Ye – saídas do sensor de corrente parasitas
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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:
a) No mercado existem poucos sensores indutivos disponíveis;
b) O alvo deve ser feito de material ferromagnético
c) 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:
a) Colocar dois sensores na mesma direção trabalhando na forma diferencial:
• São reduzidos os efeitos dos harmônicos e variação de temperatura
b) O material alvo pode ser não-magnético de maneira a evitar imperfeições magnéticas
c) 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
d) 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
e) A freqüência de excitação dos sensores nos eixos x, y e z podem ser configuradas distante
o suficiente para evitar interferências mutuas:
a) Resposta de freqüência de 20KHz podem separadas por excitações de 2MHz,
1,96MHz e 2,04MHz
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4- Problema dos sensores magnéticos em mancais (continuação)
Problema 2
• 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
Sensor Y
Y
dy
r
Sensor
X
r - dx
r - dx
dy
r
=> dy
r
X
dx
dx
dx = r - sqrt(r^2 – dy^2)
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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
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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:
a)
b)
c)
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
Y
Ds
r
Sensor
X
X
Onde:
a) Diâmetro do sensor: Ds
b) Diâmetro do alvo: Da = 2*r
c) Distância sensora: X e Y
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5- Dicas de como escolher um sensor de distância magnético:
1- Material do alvo:
a) Ferromagnético => Sensor Indutivo
b) 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:
a) Digital
b) Analógica
4- Tipo do invólucro do sensor:
a) Redondo
b) Retangular
5- Diâmetro do sensor e Distância sensora:
a) Diâmetro do sensor muito MAIOR que a distância sensora
b) 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
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6- Sensores comerciais
Alguns fabricantes
•
•
•
•
•
Shinkawa – www.sec-america.com
Turck – www.turck.com
Festo – www.festo.com.br
• ACE Schmersal – www.schmersal.com.br
IFM – www.ifm-electronic.com
• Signalworks – www.signalworks.com.br
Sense – www.sense.com.br
• Banner – www.bannerenginnering.com
Principais características
Fabricante
Modelo
S1 Shinkawa
model 1195-510
T1 TURCK
T2 TURCK
Código Mecânica Saída Analógica
-
Distancia
Sensora
(mm)
0 - 0,8
Frequenci
a (Hz)
-
-4 0 +4V
7000
Bi1,5-EG08-LU-H1341 1533004
Bi1,5-EG08-LU
1533003
M12
M8
0,25 - 1,25
0,25 - 1,25
200
200
T3 TURCK
Bi4-M12-LiU
1535532
M12
0,5 - 3
200
T4 TURCK
T7 TURCK
Bi4-M12-H1141
Bi8-M18-LuAP6X
1535531
4615010
M12
M18
0,5 - 3
1 - 5
200
200
T8 TURCK
BI5-M18-LIU
1536000
M18
2,0 - 4
200
T9 TURCK
WI70-M18-LIU5
1536600
M18
0 - 70
40
T10 TURCK
WI40-M18-LIU5
1536603
M18
0 - 10V
0 - 10V
0 - 20mA
0 - 10V
0 - 20mA
0 - 10V
0 - 10V
0 - 20mA
0 - 10V
0 - 20mA
0 - 10V
0 - 20mA
0 - 10V
0 - 40
40
I1 IFM
IZ5052
4mm
?
1,2
> 2000
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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
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6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Shinkawa - Princípio de funcionamento
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6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Shinkawa – Diagrama de bloco
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6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Shinkawa - Especificação
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6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Shinkawa - Especificação
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6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Shinkawa - Especificação
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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
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6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Turck
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6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Turck - Montagem
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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
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6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Sensor de Corrente IFM: IZ-5052
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6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-2003
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6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-2003
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7- Referência bibliográfica
1) 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
2) Sites:
• Shinkawa – www.sec-america.com
• Turck – www.turck.com
• IFM – www.ifm-electronic.com
Fim
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