Transdutores Lineares, como funcionam ...

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Sensores de posicionamento inteligentes, absolutos e sem desgaste mecânico: alta precisão, elevada durabilidade e baixo custo. Entenda como funciona esta tecnologia e conheça suas principais características.

Eng. Henrique Cardellahenrique.cardella@mtsbrasil.com.brMTS Temposonics Brasil

Transdutores Lineares de Posição Magnetostritivos funcionam através do princípio físico de mesmo nome, chamado Magnetostrição. Este princípio permite aos transdutores de posição alta durabilidade, resistência e precisão, pois não existe qualquer tipo de contato físico, ou seja, não há qualquer tipo de desgaste mecânico.

Funcionamento

Tudo se inicia em um componente interno chamado Guia de Onda. Este componente é responsável pela detecção de um posicionador magnético que se movimenta próximo ao transdutor.

Quando o sensor é ligado, um sistema eletrônico gera periodicamente pulsos elétricos que são emitidos diretamente no Guia de Onda. Estes pulsos são chamados de pulsos de início ou pulsos de start.

Existe uma propriedade física que determina que todo condutor elétrico, quando energizado, gera ao redor de si mesmo um campo eletromagnético. Esta característica pode ser observada em transformadores e motores elétricos – equipamentos que utilizam este princípio como base de seu funcionamento.

Assim, quando o Guia de Onda recebe o pulso de start, este mesmo pulso induz ao redor do próprio Guia de Onda um campo eletromagnético de baixa amplitude. Quando há a proximidade de um ímã – também chamado posicionador magnético – ocorre uma interferência entre o campo eletromagnético do Guia de Onda e o campo magnético do posicionador. Esta interferência é responsável por gerar no próprio Guia de Onda uma deformação mecânica (princípio físico da Magnetostrição- veja o box).

Magnetostrição (ou Magnetoestrição): é a deformação elástica de um material ferromagnético quando seu estado magnético é alterado”.

Esta deformação mecânica inicia-se no ponto onde está localizado o magneto e tende a se deslocar por toda a extensão do Guia de Onda, em uma velocidade ultrassônica de valor conhecido. Para facilitar o entendimento, imagine uma barra de alumínio de 6m de comprimento. Em uma de suas extremidades é realizado um movimento de torção, girando a barra em seu próprio eixo. Instantaneamente, a outra extremidade permanece parada. É necessário um período de tempo que, embora curto, permite que a deformação mecânica (no caso a torção) percorra todo o comprimento da barra.

Esta mesma situação acontece dentro do transdutor, onde a deformação mecânica causada pelo princípio da Magnetostrição gera uma torção física que se propaga em toda a extensão do próprio Guia de Onda. Em uma das extremidades do Guia, existe um componente sensor que detecta esta torção e converte em um outro pulso elétrico, agora chamado de pulso de parada, ou pulso de stop.

Observe a representação deste componente e dos campos magnéticos na figura 1.

F1. Princípio de funcionamento do Transdutor.

Assim, o sensor gera um pulso elétrico diretamente no Guia de Onda, que por sua vez, gera um campo eletromagnético ao redor de si mesmo. Quando há a presença do magneto (posicionador), ocorre uma interferência entre os campos que geram no Guia de Onda uma torção mecânica.

Esta torção inicia-se no ponto onde está o magneto e tende a se propagar em ambas as direções do transdutor. Esta propagação tem uma velocidade ultrassônica e leva certo tempo até chegar à Bobina Sensora, e gera um novo pulso elétrico chamado de Pulso de Stop.

Caso o magneto esteja próximo a esta Bobina Sensora, o tempo de percurso da torção mecânica é curto, pois possui um percurso menor para correr. Caso o magneto esteja longe da Bobina Sensora, obviamente é necessário um tempo maior de propagação desta torção mecânica.

Uma placa eletrônica dentro do sensor gerencia e analisa estes dois pulsos elétricos: o Pulso de Start e o Pulso de Stop, calculando o tempo entre os dois. Esta diferença de tempo dependerá da posição do magneto, e indicará sua posição com alta precisão e excelente linearidade.

Todo este processo ocorre em um tempo muito curto, menor que um milissegundo, pois a velocidade de propagação da deformação mecânica no Guia de Onda é elevada – aproximadamente 3 km em apenas 1 segundo. Assim, o transdutor atualiza a saída elétrica no mínimo 1000 vezes por segundo.

Sinais de Saída

Para que possa se comunicar com sistemas de controle comerciais como CLP (PLC) ou controladores similares, o sensor converte o sinal Start-Stop proveniente do sistema do Guia de Onda em um sinal de protocolo comum, podendo ser analógico de tensão, analógico de corrente, serial ou protocolo de rede:

• Analógicos de tensão (0...+10 Vdc, +10...0 Vdc, +10...-10 Vdc, -10...+10 Vdc, 0...5 Vdc, 0,5...4,5 Vdc);
• Analógicos de corrente (4...20 mA, 20...4 mA, 0...20 mA, 20...0 mA, HART);
• Serial (Síncrona ou Assíncrona, código Gray ou código Binário, resolução de 0,1 mm a 0,0005 mm);
• Start-stop;
• PWM;
• CANbus (CanOpen, Canbasic, SAE J1939);
• DeviceNet;
• Profibus-DP;
• EtherCAT;
• EtherNet/IP;
• Powerlink V2;
• Modbus;
• DDA;
• Foundation Fieldbus.

Cerca de 80% a 90% das aplicações utilizam sinais analógicos, sejam de tensão ou de corrente. Isto se deve basicamente a dois fatores: custo e facilidade de comunicação. O sensor com saída analógica possui um custo baixo e pode ser facilmente conectado a CLPs comerciais atuais.

Aplicações

Uma das aplicações mais comuns para um transdutor linear de posição é para controle de movimentação de cilindros hidráulicos. Neste caso, o transdutor é instalado internamente ao cilindro e um anel magnético instalado no êmbolo (figura 2).

F2. Transdutor instalado em um cilindro para controle de avanço.

Fica fácil entender que conforme há o avanço do êmbolo do cilindro, o magneto em anel acompanha o movimento e permite ao transdutor identificar facilmente o posicionamento.

Embora seja uma aplicação clássica, é necessário observar alguns detalhes, como a usinagem do êmbolo, a redução do esforço máximo suportado pelo cilindro e a necessidade de conexões elétricas.

Este tipo de solução permite o controle em malha fechada de sistemas automatizados, também chamados de controle PID.

Sensores desta tecnologia são utilizados em usinas hidrelétricas, moendas e difusores de cana de açúcar, máquinas agrícolas, máquinas para construção civil, laminadores em siderurgias, máquinas de sopro e injeção de plástico, injetoras e extrusoras de alumínio, controle de nível de tanques, fechamento e abertura de comportas, posicionamento de facas em máquinas de papel, avanço de ferramentas em tornos, além de diversas outras aplicações.

Formato

Para facilitar a instalação nas mais diversas aplicações, existem diversos formatos construtivos dos transdutores. Podemos citar basicamente três grandes grupos de formatos mecânicos:

Formato de Perfil

Este tipo de formato facilita a instalação de forma externa, através de suportes próprios, sendo largamente utilizado em máquinas como injetoras, extrusoras, sopradoras, moendas, difusores, prensas, etc.

Possui a vantagem de ser mais econômico, pois não necessita suportar altas pressões como as pressões hidráulicas de um cilindro.

O magneto posicionador pode ser fixado de forma a acompanhar o perfil do transdutor, garantido sua posição sempre em cima do mesmo. Este tipo de magneto recebe uma rótula responsável por permitir liberdade de movimento. Este magneto também pode ser instalado em conjunto com um braço extensor mecânico.

Formato de Haste

Este formato possui basicamente duas aplicações principais: para controle de avanço de cilindros hidráulicos e para controle de nível de líquidos.

Para controle de avanço de cilindros hidráulicos necessita ser instalado de forma interna a cilindros hidráulicos ou pneumáticos, como mostrado na foto anterior.

Existem algumas variações neste formato, permitindo a instalação com a cabeça eletrônica de controle na parte externa (facilitando uma possível troca) ou interna (onde existe limitação de espaço).

Algumas variações deste tipo de sensor podem ser facilmente encontradas, como modelos com hastes separadas da eletrônica – para temperaturas de trabalho para até 180°C, hastes flexíveis, sensores com grau de proteção IP69K e construção em aço inox – para aplicações em indústrias alimentícias e sensores com sistema de programação.

A aplicação em controle de nível utiliza uma ou mais boias com ímãs embutidos.

Neste caso, a boia flutua na superfície do líquido e o sensor detecta sua posição em uma instalação vertical. A principal vantagem deste tipo de sensor fica na obtenção exata do volume de tanques com até 22 m de altura, ignorando possíveis espumas. Seu funcionamento não é afetado por névoa ou partículas em suspensão, o que também é uma vantagem. Este tipo de contaminação pode gerar um erro de leitura em outras tecnologias.

Ainda existe a possibilidade de uso de uma boia adicional, para detecção da interface entre líquidos de densidade diferentes, como por exemplo água e óleo. Observe a figura 3.

F3. Aplicação em medição de nível.

Neste caso, além das duas boias que são identificadas pelo Guia de Onda, há ainda a existência de vários sensores de temperatura. Estes sensores são importantes para a correção do erro de leitura de volume, causado pela variação de temperatura entre o topo do tanque (normalmente mais quente, devido à incidência do Sol) e o fundo (mais frio devido à temperatura da terra embaixo).

Vários tipos de materiais de revestimento são utilizados para que o sensor ou as boias não sejam agredidos por componentes químicos que estejam estocados nos tanques. Não é raro encontrar sensores revestidos com Teflon®, por exemplo.

Outra característica interessante é a utilização de sensores com hastes flexíveis, o que facilita a instalação de sensores com comprimentos grandes. Formatos com flanges sanitárias ou indicadores acoplados complementam este tipo de sensor para utilização nas mais diversas aplicações.

Esta tecnologia não pode ser utilizada para detecção de nível de sólidos ou líquidos pastosos, pois a boia pode “enroscar” na haste e indicar uma posição errada ao sensor.

Deve-se utilizar o bom senso. Certa vez um cliente necessitava detectar o nível de chocolate líquido. Teoricamente o sensor funcionaria, porém quando o chocolate baixasse seu nível, a haste ficaria “lambuzada” e este chocolate presente na haste se solidificaria, impedindo o livre movimento da boia. Obviamente o sensor não iria funcionar e foi necessário adotar outra tecnologia de sensoriamento.

Formato com Haste Interna

Este formato assemelha-se ao desenho de um cilindro pneumático. O transdutor é instalado dentro de um perfil e o magneto posicionador é movimentado através da atuação de uma haste.

Sua principal vantagem está na facilidade de instalação, substituindo facilmente produtos com princípio de resistências variáveis, como as réguas potenciométricas.

Quando instalado utilizando duas rótulas, permite um controle de posicionamento e distância entre duas partes móveis das máquinas ou ainda de um movimento angular (figura 4).

F4. Formato com haste interna – facilidade de instalação

Conclusão

Existem ainda diversos tipos de transdutores com versões e formatos especiais, dedicados a aplicações seriadas ou com alto grau de complexidade.

Para a escolha do modelo dos sensores, a primeira etapa é identificar qual o melhor formato físico atende a necessidade de aplicação. A partir deste ponto define-se o comprimento útil, o tipo de alimentação e o sinal de saída. Por fim escolhe-se entre os conectores disponíveis e comprimentos de cabo.

Neste processo, profissionais das indústrias fabricantes podem auxiliar para que não hajam erros ou custos elevados na aquisição deste tipo de produto.

Como este produto não possui desgaste físico, sua vida útil deve se prolongar por diversos anos, dependendo da aplicação. Caso esteja encontrando dificuldades e trocas constantes, consulte um técnico de sua confiança ou solicite auxílio da engenharia dos fabricantes. Pode ser que o modelo utilizado não seja o mais indicado.

Fonte: Mecatrônica Atual.

Princípio de funcionamento de motores de combustão interna ...

O motor a combustão interna ciclo Otto é uma máquina que trabalha com os princípios da termodinâmica e com os conceitos de compressão e expansão de fluidos gasosos para gerar força e movimento rotativo. Criado e patenteado por Nikolaus August Otto, por volta do ano de 1866, este motor funciona com um ciclo de quatro tempos e os mesmos princípios até os dias atuais.

[Imagem: Copyright Serious Wheels]

Esta máquina geradora de força motriz vem evoluindo gradativamente com o avanço da tecnologia e novos estudos aplicados a materiais e combustíveis com o objetivo de deixá-lo com uma eficiência energética maior. Em outras matérias vimos que o motor é composto de vários componentes e estudamos sua função e aplicação no motor, agora é o momento de juntarmos todas as peças e fazer o motor funcionar entendendo o princípio de funcionamento.
O motor de combustão interna é uma máquina que absorve ou admite o ar da atmosfera, o combustível do tanque, une estes dois elementos formando a mistura proporcional de ar mais combustível o mais ideal possível e comprime a mesma em um local denominado câmara de combustão. Depois que esta mistura está comprimida pelo pistão na câmara de combustão o sistema de ignição, sincronizado com o motor, gera uma centelha elétrica nas velas que estão rosqueadas dentro da câmara inflamando a mistura, gerando uma explosão e conseqüentemente um deslocamento de massa empurrando o pistão para baixo e gerando força, torque e movimento rotativo. Quando este processo ocorre é finalizado com a expulsão dos gases queimados para fora do motor. Na verdade o que acabamos de ver foi o princípio de funcionamento do motor com o ciclo de quatro tempos, mas agora, vamos ver este processo mais detalhado analisando as ilustrações com os quatro tempos bem definidos e verificando o funcionamento ligando ao estudo aos componentes do motor.

1° tempo do motor, admissão; vamos entender que neste momento o motor está desligado pronto para receber o movimento inicial do motor de partida que está acoplado ao motor a combustão. Neste mesmo momento vamos colocar o pistão que está ligado à biela e posteriormente ao virabrequim em uma posição na qual conhecemos como P.M.S., ponto morto superior, é o curso máximo que o pistão alcança ao subir dentro do cilindro. Temos que entender também que o eixo virabrequim está ligado e sincronizado com o eixo comando de válvulas através de uma correia dentada, então dizemos, que a parte de baixo do motor que corresponde as peças que estejam dentro do bloco como virabrequim, bielas e pistões estão sincronizados com a parte de cima do motor que corresponde ao cabeçote e suas peças. Neste momento vamos ligar o motor de arranque que se acopla ao volante do motor que também está ligado ao virabrequim e o motor de combustão interna começa a girar. O virabrequim girando começa a movimentar a biela e conseqüentemente o pistão que está no P.M.S. e desce para o P.M.I., ponto morto inferior, que é o curso máximo que o pistão alcança ao descer dentro do cilindro. Como o virabrequim está ligado ao comando de válvulas, este por sua vez começa a acionar, através do “came”, a válvula de admissão no cabeçote permitindo a passagem de ar e combustível vindos do coletor de admissão passando pelos dutos internos do cabeçote. Desta maneira o pistão que está descendo cria uma sucção e aspira o ar mais combustível para o interior do cilindro até que o pistão chegue ao P.M.I. completando o 1° tempo e 180° graus, meia volta do motor.

2° tempo do motor, compressão; quando o pistão inverte o sentido de movimento começa a subir do P.M.I. em direção ao P.M.S. dando início ao segundo tempo do motor. A medida que o virabrequim vai girando empurrando a biela e conseqüentemente o pistão para a parte superior do cilindro, a mistura de ar mais combustível vai sendo comprimida no interior do cilindro e o comando de válvula que antes tinha o seu ressalto ou “came” pressionando a válvula à descer agora passa por ela e mola de válvula retorna a mesma vedando a parte interna do cilindro. Devemos observar que existe uma determinada folga dimensional entre cilindro e pistão para que o mesmo possa deslizar dentro do cilindro, porém, a mistura não pode escapar por esta folga entrando em cena a atuação dos anéis de segmento que vedam esta passagem. Quando o pistão chega ao seu curso máximo, P.M.S., a mistura está toda comprimida sem ter por onde escapar, pois as válvulas estão fechadas e os anéis vedando, então todo o volume aspirado no tempo anterior agora está pressurizado na câmara de combustão finalizando o segundo tempo e completando uma volta completa do virabrequim 360°.

3° tempo do motor, Explosão; agora com o fim do segundo tempo o pistão não tem outra saída a não ser de inverter novamente o sentido de movimento do P.M.S. para o P.M.I., só que agora contando com uma força extra. A mistura comprimida na câmara de combustão recebe uma centelha ou faísca da vela, ocorre um deslocamento de massa devido à explosão dentro da câmara, o pistão é forçado a descer empurrado pela expansão dos gases, com isso, o pistão se desloca do P.M.S. para o P.M.I., mantendo ainda as válvulas do cabeçote fechadas, já que o comando de válvulas não está com nenhum ressalto tocando as válvulas. Na verdade, o terceiro tempo do motor é considerado o principal tempo porque é neste tempo que o motor gera força motriz e torque que será transmitido as rodas por meio de rotação. Quando o pistão chega ao ponto morto inferior P.M.I. encerra-se o terceiro tempo do motor e o virabrequim completa uma volta e meia 540°.

4° tempo do motor, escape; o motor admitiu a mistura no primeiro tempo, comprimiu e explodiu no segundo e terceiro tempo, agora é a vez de colocar os gases resultantes da queima para fora do motor. Neste caso, temos o pistão no fim do terceiro tempo na posição P.M.I., pronto para iniciar o quarto tempo. O comando de válvulas está sincronizado com o virabrequim e o seu ressalto começa a tocar a válvula de escape e o pistão começa a subir empurrando a mistura queimada em direção dos dutos do cabeçote e coletor de escape. Quando o pistão alcança o P.M.S. os gases que se encontravam dentro do cilindro foram expulsos para fora limpando o cilindro, o comando de válvulas encerra sua ação sobre a válvula de escape. Neste momento se encerra o quarto tempo com o motor completando duas voltas 720°. Temos agora um ciclo completo do motor quatro tempos ciclo Otto e enquanto o motor estiver ligado e funcionando este ciclo se repete todas às vezes. No final do quarto tempo do motor o pistão se encontra em P.M.S., exatamente pronto para se iniciar o primeiro tempo novamente quando o mesmo se deslocará para o P.M.I. com o ressalto ou “came” do comando abrindo a válvula de admissão, e assim por diante, dando continuidade a todos os tempos do motor de combustão interna ciclo Otto.

Abaixo você verá as características construtivas de um motor de combustão interna e seu princípio de funcionamento!