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UFRJ-COPPE – Projeto Motor-Mancal UFRJ-COPPE – Projeto Motor-Mancal MagnéticoMagnéticoAgosto Agosto 20062006
1 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
Sensores Magnéticos de Distância
Elaborado por: Wilmar Kauss
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2 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
Tópicos abordados1. Princípio de funcionamento2. Tipos de sensores eletromagnéticos
• Circuito Ressonante• Circuito Diferencial
4. Problemas dos sensores magnéticos
• Shinkawa – projetado para Mancais Magnéticos• Turck – uso geral• IFM – sensor de velocidade
3. Aumento da sensibilidade
• Indutivos• Corrente parasitas
6. Sensores comerciais
• Rotores desbalanceado: não uniforme• Sensor NÃO-DIFERENCIAL
5. Dicas de como escolher um sensor de distância magnético
7. Referência bibliográfica
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3 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
• Detectar deslocamentos/posição durante a movimentação de objetos sem contato mecânico.ObjetivObjetivo o
1- Princípio de funcionamento
• 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.
• 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 Tipos de sensores de posiçãoposição
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4 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
1- Princípio de funcionamento (continuação)
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
Sensores Sensores EletromagnéticosEletromagnéticos
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).
• K – constante - permeabilidade • A – área • w – freqüência angular
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5 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
2- Tipos de sensores eletromagnéticos
Existem dois tipos de sensores eletromagnéticos:• Indutivos e de Correntes parasitas
TiposTipos
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 Sensores indutivosindutivos
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)
Sensores de corrente Sensores de corrente parasitasparasitas
Observação:• A variação máxima que se consegue é de 20% em função da distância lg!!!
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6 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
3- Aumento de sensibilidade
Como visto anteriormente: uma variação de distância entre o sensor e o alvo (lg) acarreta em uma variação máxima de 20% na medida.
ProblemaProblema
• Dois métodos são utilizados para aumenta a sensibilidade dos sensores: • Circuito ressonante e Circuito diferencial
SoluçãSoluçãoo
Circuito ressonanteCircuito 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!!!
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7 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
3- Aumento de sensibilidade (continuação)
Circuito diferencialCircuito 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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8 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
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;
Problema 1Problema 1
Rotor: Balanceado X Desbalanceado - ( Uniforme X Não-Rotor: Balanceado X Desbalanceado - ( Uniforme X Não-Uniforme)Uniforme)
Onde:• Xi e Yi – saídas do sensor indutivo• Xe e Ye – saídas do sensor de corrente parasitas
Sistema Balanceado Sistema Desbalanceado
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9 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
4- Problema dos sensores magnéticos em mancais (continuação)
• 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 ferromagnéticoc) A freqüência de excitação é baixa, e uma filtragem pode causar retardos significativos.
Sensores indutivos - Sensores indutivos - desvantagensdesvantagens
Sensores de corrente Sensores de corrente parasitas 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 magnéticasc) 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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10 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
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?
Problema Problema 22
Visualização do problemaVisualização do problema
Sensor Y
SensorX
Y
X
r
dy
dxdx
dy dy
r - dx
r
dx = r - sqrt(r^2 – dy^2)
r - dx
r =>
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11 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
4- Problema dos sensores magnéticos em mancais (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
Problema 2 Problema 2 (continuação)(continuação)
Simulação: dx em função de dySimulação: dx em função de dy
Valores absolutos Valores relativos
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12 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
4- Problema dos sensores magnéticos em mancais (continuação)
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) Diâmetro do sensor muito MAIOR que a distância sensorab) Diâmetro do sensor muito MENOR que o diâmetro do alvo c) Distância sensora muito MENOR que o diâmetro do alvo
ConclusãoConclusão
Onde:a) Diâmetro do sensor: Ds b) Diâmetro do alvo: Da = 2*r c) Distância sensora: X e Y
Sensor Y
SensorX
Y
X
r
Ds
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13 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
5- Dicas de como escolher um sensor de distância magnético:
6- Resposta máxima de freqüênciaNota: Sensores de corrente parasita atingem maiores respostas de freqüências.
1- Material do alvo:a) Ferromagnético => Sensor Indutivob) 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) Digitalb) Analógica
4- Tipo do invólucro do sensor:a) Redondob) Retangular
5- Diâmetro do sensor e Distância sensora:a) Diâmetro do sensor muito MAIOR que a distância sensorab) Diâmetro do sensor muito MENOR que o diâmetro do alvo
7- Custo e Disponibilidade no mercado
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14 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciaisAlguns fabricantesAlguns fabricantes
• Shinkawa – www.sec-america.com• Turck – www.turck.com• Festo – www.festo.com.br• IFM – www.ifm-electronic.com• Sense – www.sense.com.br
Fabricante Modelo Código Mecânica Saída AnalógicaDistancia Sensora
(mm)
Frequencia (Hz)
S1 Shinkawa model 1195-510 - - -4 0 +4V 0 - 0,8 7000
T1 TURCK Bi1,5-EG08-LU-H1341 1533004 M12 0 - 10V 0,25 - 1,25 200T2 TURCK Bi1,5-EG08-LU 1533003 M8 0 - 10V 0,25 - 1,25 200
T3 TURCK Bi4-M12-LiU 1535532 M120 - 20mA0 - 10V 0,5 - 3 200
T4 TURCK Bi4-M12-H1141 1535531 M120 - 20mA0 - 10V 0,5 - 3 200
T7 TURCK Bi8-M18-LuAP6X 4615010 M18 0 - 10V 1 - 5 200
T8 TURCK BI5-M18-LIU 1536000 M180 - 20mA0 - 10V 2,0 - 4 200
T9 TURCK WI70-M18-LIU5 1536600 M180 - 20mA0 - 10V 0 - 70 40
T10TURCK WI40-M18-LIU5 1536603 M180 - 20mA0 - 10V 0 - 40 40
I1 IFM IZ5052 4mm ? 1,2 > 2000
Principais Principais característicascaracterísticas
• ACE Schmersal – www.schmersal.com.br• Signalworks – www.signalworks.com.br• Banner – www.bannerenginnering.com
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15 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)
1- Sensor da Shinkawa - MODEL 1195-1- Sensor da Shinkawa - MODEL 1195-510510• Sensor fabricado especialmente para Mancais Magnéticos• Sensor diferencial de corrente parasitas (“eddy corrent sensor”)
Problema: alto custo!!!
Características do Características do ShinkawaShinkawa
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16 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Shinkawa - Princípio de funcionamentoCaracterísticas do Shinkawa - Princípio de funcionamento
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17 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Shinkawa – Diagrama de Características do Shinkawa – Diagrama de blocobloco
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18 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Shinkawa - Características do Shinkawa - EspecificaçãoEspecificação
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19 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)
Características do Shinkawa - Características do Shinkawa - EspecificaçãoEspecificação
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20 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)Características do Shinkawa - Características do Shinkawa - EspecificaçãoEspecificação
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21 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)
2- Sensor da Turck – Bi1,5-EG08-2- Sensor da Turck – Bi1,5-EG08-LULU• Sensor de uso geral
• Sensor de corrente indutivaVamos testa-lo em breve!!!
Características do TurckCaracterísticas do Turck
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22 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)Características do TurckCaracterísticas do Turck
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23 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)Características do Turck - Características do Turck - MontagemMontagem
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24 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)
3- Sensor de velocidade da IFM: IZ-5052 e DD-20033- 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-Características do Sensor de Corrente IFM: IZ-50525052
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25 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)Características do Sensor de Corrente IFM: IZ-Características do Sensor de Corrente IFM: IZ-50525052
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26 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-20032003
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27 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
6- Sensores comerciais (continuação)Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-20032003
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28 Sensores Magnéticos de DistânciaSensores Magnéticos de Distância
7- Referência bibliográfica
Fim
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