BR102019012761A2

BR102019012761A2 - sistema de medição de nível baseado em uma coluna de sensores de efeito hall com calibração automática

Info

Publication number: BR102019012761A2
Application number: BR102019012761-9A
Authority: BR
Inventors: Janderson Wilson Blanski
Original assignee: Indeba Indústria E Comércio Ltda
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-12-29
Also published as: WO2020252546A1

Abstract

SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL BASEADO EM UMA COLUNA DE SENSORES DE EFEITO HALL COM CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA, pertencente ao setor técnico de equipamentos onde a medição de nível de forma linear é demandada, consiste em um sistema de medição de nível para dosadores de produto químico baseado em uma coluna de sensores de efeito Hall, com calibração automática em tempo real dos sensores, durante a medição. Esta calibração automática resolve o problema da imprecisão na medição causada pela variação do ganho e offset dos sensores hall em função da variação da temperatura, resolve também problema do erro causado pela variação do campo magnético do imã em função da desmagnetização, ou da temperatura, ou do envelhecimento.

Description

SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL BASEADO EM UMA COLUNA DE SENSORES DE EFEITO HALL COM CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA

[01] A presente solicitação de patente de invenção consiste em um sistema de medição de nível baseado em uma coluna de sensores de efeito Hall, com calibração automática em tempo real dos sensores, durante a medição. Esta calibração automática resolve os problemas encontrados em sistemas de medição com fundamentos similares, tais como imprecisão pela variação do ganho e offset dos sensores hall em função da variação da temperatura e o erro causado pela variação do campo magnético do imã em função da desmagnetização, da temperatura ou do envelhecimento. Pertence ao setor técnico de equipamentos onde a medição de nível de forma linear é demandada.

[02] No atual estado da técnica, a utilização de mais de um sensor de efeito hall linear, para detecção de posição, tem problemas de precisão e repetibilidade, em consequência da variação do ganho e do offset dos sensores de efeito hall em função da temperatura, e também, por causa da variação da intensidade do campo magnético dos imãs permanentes com a temperatura e a desmagnetização.

[03] A partir de pesquisas realizadas em bases de dados de patentes, não foram identificadas características que tornem a ideia proposta fora do conceito de invenção. Foram obtidos dois resultados: CN20121420795 e BR1120160254856.

[04] Na patente CN20121420795, intitulada "Indicador de Nível de Óleo com Base no Efeito Hall" (Oil Level Indicator Based on Hall Effect), o funcionamento se baseia em uma régua contendo sensores de efeito Hall, tipo chave, protegidos por um tubo de inox, onde o nível é dado pela posição de uma boia contendo um ímã e, uma placa de circuito é responsável pela conversão do sinal do sensor.

[05] Enquanto que a patente BR1120160254856 (Dispositivo de Medição e Método para Medir o Nível de um Líquido em um Recipiente) que consiste de dois em dois elementos: um elemento de flutuação que gera campo magnético que gera campo magnético e que é móvel ao longo do trajeto de medição e, o outro elemento é um sensor que pode ser de um efeito magnetoresistivo ou de efeito Hall, a medição é feita conforme o elemento de flutuação vai passando pelos sensores que captam o campo magnético gerado pelo primeiro.

[06] Portanto, é possível notar que apesar do dispositivo apresentado neste pedido possuir elementos parecidos aos das patentes encontradas, ele se difere por completo ao apresentar um sistema de calibração que resolve os problemas encontrados em sistemas de medição com fundamentos similares, tais como imprecisão pela variação do ganho e offset dos sensores hall em função da variação da temperatura e o erro causado pela variação do campo magnético do imã em função da desmagnetização, da temperatura ou do envelhecimento.

[07] A presente invenção se trata de um sistema que mede o nível de produto usando uma boia com um imã e uma coluna de sensores de efeito Hall lineares, com a capacidade de efetuar a calibração dos sensores em tempo real de medição, ajustando assim a equivalência entre a curva do sinal obtido pelos sensores e a distância do objeto à origem, compensando os erros causados pela variação de temperatura e variação da intensidade do campo magnético do imã. O sistema é ilustrado na Figura 1 que acompanha e integra o presente relatório, com os seguintes componentes:

[08] 1 - Coluna com "n" sensores de efeito hall linear (1), espaçados por uma distância x. Os sensores foram alojados no interior de um tubo (5) hermeticamente vedado.

[09] 2 - Boia em forma de anel (2) fixado ao tubo de sensores. A boia foi equipada com um imã permanente no seu interior.

[10] 3 - Proveta (6).

[11] 4 - Válvulas de controle de entrada (3) e saída (4) de líquido da proveta.

[12] 5 - Sistema de controle eletrônico composto por conversores analógico-digital para aquisição dos sinais dos sensores, saídas digitais para controle das válvulas e microprocessador para tratamento e análise dos dados.

[13] CONVERSÃO DO SINAL DO SENSOR HALL EM DISTÂNCIA

[14] A fim de levantar a curva do sinal gerado pelo sensor, a boia foi colocada inicialmente na base (7), que corresponde ao ponto inicial. Em seguida, foi injetado água na proveta, fazendo com que a boia se movesse do ponto inicial, passando pelos sensores. A passagem do imã pelo sensor 1 gerou a curva mostrada na fig. 2. A curva representa a variação da tensão (V) em função da altura (mm).

[15] A curva obtida pelo sensor Hall devido à variação do campo magnético é exponencial. De início é necessário fazer a linearização da curva, utilizando uma tabela de conversão dos valores do campo magnético, em distância. A Figura 2 mostra a curva gerada pelo sensor Hall.

[16] SOBREPOSIÇÃO DOS SINAIS DE VÁRIOS SENSORES DE EFEITO HALL.

[17] A sobreposição dos sinais obtidos na coluna dos onze sensores de efeito hall, é ilustrado na Figura 3.

[18] PROBLEMA DA VARIAÇÃO DO OFFSET E DO GANHO DA CURVA DOS SENSORES.

[19] Para fazer a linearização do sinal dos sensores é necessário que eles coincidam ponto a ponto, com a curva de referência, que foi digitalizada e armazenada em uma tabela. Porém, alguns fatores intrínsecos aos sensores de efeito hall dificultam a linearização. Na sequência, serão listados os três fatores principais:

[20] Fator 1 - Os sensores de efeito hall, devido à natureza dos materiais usados na fabricação, possuem uma faixa de variação significativa, no ganho e no offset, mesmo entre sensores de mesmo lote de fabricação.

[21] Fator 2 - O ganho e o offset dos sensores de efeito hall variam sensivelmente com a temperatura.

[22] Fator 3 - O campo magnético gerado pelo imã permanente, que é usado em conjunto com os sensores hall, variam com a temperatura.

[23] O fator 1 pode ser corrigido pode ser corrigido com a normalização do sinal de cada sensor. Para isso é necessária uma calibração inicial do sistema, que consiste na leitura da curva de cada sensor e ajuste do offset e ganho, para que corresponda a curva de linearização.

[24] No entanto, os fatores 2 e 3 não podem ser corrigidos pela calibração inicial dos sensores, porque eles sofrem variações com a temperatura, alterando seus valores iniciais. Algumas soluções do estado da arte consistem em utilizar um sensor de temperatura e corrigir o sinal do sensor em função da variação da temperatura. A correção pela temperatura tem alguns problemas que afetam a precisão. Um dos problemas está relacionado a curva de variação do ganho com a temperatura, que pode ser diferente para cada sensor, influenciando a precisão da medição. Outro possível problema se dá quando é utilizado um sistema com vários sensores, onde a temperatura pode ser diferente em cada sensor, principalmente se alguns estiverem submersos em líquidos e outros não. Outro problema é que a temperatura pode ser diferente no imã, provocando uma variação do campo magnético.

[25] SOLUÇÃO PARA A CALIBRAÇÃO DE N SENSORES HALL, EM TEMPO DE EDIÇÃO.

[26] A solução consiste em um método de calibração dos sinais dos sensores de efeito hall baseado na forma da curva do campo magnético, que pode ser executado em tempo real, ao mesmo tempo em que a medição da posição acontece, tornando o sistema imune a variações de temperatura. Na sequência serão observados alguns termos utilizados na descrição do método de calibração.

[27] POLOS DO CAMPO MAGNÉTICO.

[28] Na figura 1 está representada a boia (2) que contém um imã. Será convencionado que o polo norte do imã está na parte de cima da boia, e o polo sul está abaixo da boia. A passagem da boia por um sensor gera a curva da figura 2, que representa a variação do campo magnético no sensor. Nas posições do ponto zero até o sensor S1 da curva, está representado o polo norte do campo magnético da boia, que aumenta, conforme a boia se aproxima do sensor, e inverte sua polaridade quando a boia está sobre o sensor. Nas posições acima do ponto S1, está representado o polo sul do campo magnético da boia, que diminui, conforme a boia se afasta do sensor.

[29] SIMETRIA DA CURVA DO CAMPO MAGNÉTICO.

[30] Pode ser observado na figura 2 que a curva gerada pelos polos magnéticos do imã, durante a passagem da boia pelo sensor, é perfeitamente simétrica no eixo X, em relação à posição do sensor S1.

[31] NORMALIZAÇÃO DA CURVA EM TEMPO REAL.

[32] O processo de calibração consiste em normalizar a curva gerada pela passagem do campo magnético pelo sensor, ajustando seu offset e ganho, para que ela coincida com a curva de conversão de intensidade de campo para milímetros, armazenada numa tabela. A equação 1 representa a função de normalização da curva, onde d é a distância em milímetros, e f(v) representa a curva de referência do campo magnético. Para fazer a normalização da curva é necessário conhecer o offset (β) e o ganho (α), para que a curva gerada pelo sensor coincida com a curva de referência. No entanto, estas variáveis são desconhecidas, e não podem ser armazenadas porque variam com a temperatura.

[33] d = α(f(v) - β) Equação 1 - normalização da curva.

[34] UTILIZAÇÃO DA SIMETRIA DOS POLOS DO CAMPO MAGNÉTICO PARA A CALIBRAÇÃO DOS SENSORES.

[35] Para fazer a descrição do método de calibração, a curva da figura 2 será dividida em duas partes: a primeira parte está entre as posições zero a X1, e foi gerada pelo lado norte do imã (parte de cima da boia), quando a boia se aproximou do sensor, e vai ser denominada de lado norte da curva. A segunda parte está entre as posições X2 a X3, e foi gerada pelo lado sul do imã (parte de baixo da boia), quando a boia se afastou do sensor, e vai ser denominada de lado sul da curva.

[36] Levando em consideração que os lados norte e sul da curva são perfeitamente simétricos, pode-se concluir os dois lados têm o mesmo modulo de ganho, e mesmo modulo de offset. Também pode ser observado na figura 2 que, quando o nível está subindo, o lado norte da curva do sensor é gerado antes, quando a boia está se aproximando do sensor, e o lado sul da curva é gerado posteriormente, quando a boia já passou pelo sensor e está se afastando do mesmo.

[37] O método de calibração consiste em usar o campo norte do imã (lado norte da curva) para fazer a aquisição dos valores dos módulos do ganho e do offset da curva do sensor, quando a boia está se aproximando do sensor, e fazer a medição da posição usando o campo sul do imã (lado sul da curva), quando a boia está se afastando do sensor, fazendo a correção em tempo real do offset e do ganho do sinal do sensor, com os parâmetros adquiridos antes, com o lado norte da curva. Esse procedimento é realizado independentemente para cada sensor da coluna, conforme a boia vai passando pelos sensores. Desta forma, a calibração dos sensores é realizada imediatamente antes de fazer a aquisição do sinal para calcular a posição, compensando qualquer variação de ganho e offset que possa ter acontecido.

[38] Uma das principais vantagens do sistema apresentado nesta solicitação é que o método de calibração não depende da temperatura, como é feito em algumas soluções do estado da arte, não sendo necessário a utilização de sensores de temperatura.

[39] Outra vantagem interessante deste sistema é que a calibração dos sensores não se altera com o tempo, porque é realizada em tempo real, imediatamente antes de fazer cada medição.

[40] Por fim, a medição da posição não sofre influência de variáveis externa, como temperatura, campo magnético local, variação de campo magnético do imã, envelhecimento dos sensores.

Claims

SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL BASEADO EM UMA COLUNA DE SENSORES DE EFEITO HALL COM CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA, aplicado para equipamentos onde a medição de nível de forma linear é demandada, caracterizado por uma coluna com sensores de efeito hall linear (1) espaçados por uma distância uniforme, uma boia (2) equipada com imã, válvulas de controle de entrada (3) e de saída (4) de líquido da proveta (6), tubo (5) hermeticamente vedado, proveta (6), base (7), conjunto de controle eletrônico composto por conversores analógico-digital, saídas digitais e microprocessador.
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL BASEADO EM UMA COLUNA DE SENSORES DE EFEITO HALL COM CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos conversores analógico-digital adquirirem os sinais dos sensores (1), as saídas digitais controlarem as válvulas (3 e 4) e o microprocessador tratar e analisar os dados.
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL BASEADO EM UMA COLUNA DE SENSORES DE EFEITO HALL COM CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pela utilização dos sensores de efeito hall para medição de nível do produto para dosadores de produto químico em máquinas de lavagem de roupas, de louças de cozinha e em máquinas de tingimento de roupas.
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL BASEADO EM UMA COLUNA DE SENSORES DE EFEITO HALL COM CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA, de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizado por sistema de calibração dos sensores de efeito hall em tempo real com a utilização de um dos polos do campo magnético do imã para fazer a calibração do sensor e a utilização do outro polo do campo magnético do sensor para fazer a medição da posição.
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL BASEADO EM UMA COLUNA DE SENSORES DE EFEITO HALL COM CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, caracterizado pelo sistema de calibração não depender da temperatura.
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL BASEADO EM UMA COLUNA DE SENSORES DE EFEITO HALL COM CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, caracterizado por não ser necessário a utilização de sensores de temperatura.
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL BASEADO EM UMA COLUNA DE SENSORES DE EFEITO HALL COM CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 e 6, caracterizado pela calibração dos sensores não se alterar com o tempo, sendo realizada em tempo real, imediatamente antes de fazer cada medição.
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL BASEADO EM UMA COLUNA DE SENSORES DE EFEITO HALL COM CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, caracterizado pela medição da posição não sofrer influência de variáveis externa, como temperatura, campo magnético local, variação de campo magnético do imã, envelhecimento dos sensores.