UFRJ-COPPE – Projeto Motor-Mancal Magnético Agosto 2006 1 Sensores Magnéticos de Distância Sensores Magnéticos de Distância Sensores Magnéticos de Distância.

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



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



• 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



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



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!!!



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!!!



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).



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



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




• 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 =>




• 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




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



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



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

http://www.sec-america.com/

http://www.turck.com/

http://www.festo.com.br/

http://www.ifm-electronic.com/

http://www.sense.com.br/









http://www.bannerenginnering.com/





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




Características do Shinkawa - Princípio de funcionamentoCaracterísticas do Shinkawa - Princípio de funcionamento




Características do Shinkawa – Diagrama de Características do Shinkawa – Diagrama de blocobloco




Características do Shinkawa - Características do Shinkawa - EspecificaçãoEspecificação




Características do Shinkawa - Características do Shinkawa - EspecificaçãoEspecificação



6- Sensores comerciais (continuação)Características do Shinkawa - Características do Shinkawa - EspecificaçãoEspecificação




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



6- Sensores comerciais (continuação)Características do TurckCaracterísticas do Turck



6- Sensores comerciais (continuação)Características do Turck - Características do Turck - MontagemMontagem




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



6- Sensores comerciais (continuação)Características do Sensor de Corrente IFM: IZ-Características do Sensor de Corrente IFM: IZ-50525052



6- Sensores comerciais (continuação)Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-20032003



6- Sensores comerciais (continuação)Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-Características do Conversor de Freqüência IFM: DD-20032003



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



http://www.ifm-electronic.com/

UFRJ-COPPE – Projeto Motor-Mancal Magnético Agosto 2006 1 Sensores Magnéticos de Distância Sensores Magnéticos de Distância Sensores Magnéticos de Distância.

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