BRPI0609252A2 - sensor indutivo de posição angular - Google Patents

Abstract

SENSOR INDUTIVO DE POSiçãO ANGULAR. A presente invenção refere-se a um sensor indutivo de posição angular, que compreende um disco parcialmente metalizado móvel em rotação em torno de seu eixo de revolução e um estator que compreende uma bobina primária e várias bobinas secundárias, as ditas bobinas secundárias sendo dispostas duas a duas sensivelmente simetricamente em relação ao dito eixo de revolução, de maneira a formar um ou vários par(es) de bobinas secundárias, as ditas bobinas secundárias de cada par sendo ligadas, por um lado, entre si, em série e em oposição de fase uma em relação à outra, e, por outro lado, aos bornes de um meio de medição próprio para gerar um sinal de saída que depende da tensão nos bornes do dito par.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SENSOR INDUTIVO DE POSIÇÃO ANGULAR".

A presente invenção refere-se um sensor indutivo de posição angular.

É corrente utilizar uma peça mecânica que gira em função doescoamento de um fluido a fim de medir uma vazão. Geralmente, um sensorde posição angular detecta a velocidade de rotação da peça giratória a fimde permitir um tratamento eletrônico da informação. A presente invenção éespecialmente adaptada a essa aplicação, ainda que ela não esteja limitadaa ela.

Várias soluções são conhecidas para detectar uma posição an-gular.

Uma primeira solução utiliza sensores magnéticos. A peça gira-tória é então equipada com um pequeno ímã permanente do qual o campomagnético aciona o contato elétrico de uma lâmpada Reed colocada na pro-ximidade. As comutações desse contato elétrico são, portanto, representati-vas do escoamento do fluido. Certos sensores recorrem a várias lâmpadas afim de permitir, por exemplo, detectar o sentido de rotação da peça giratóriae, portanto, o sentido de escoamento do fluido. Esses sensores de posiçãoangular apresentam o inconveniente de serem frágeis, pois a lâmpada Reedé feita de vidro. Além disso, eles são sensíveis às fraudes pois um campomagnético exterior suficientemente potente permite modificar o comporta-mento das lâmpadas Reed.

Uma segunda solução utiliza sensores capacitivos. A peça gira-tória é então equipada de um disco parcialmente metalizado. Na proximida-de e paralelamente a esse disco se encontra um arranjo especial de zonasmetalizadas cujos diferentes acoplamentos capacitivos variam em função daposição do disco. A observação desses acoplamentos capacitivos permitedetectar a rotação da peça giratória e, portanto, o sentido de escoamento dofluido. Os sensores capacitivos apresentam o inconveniente de dever estarmuito próximos do disco giratório. Além disso, eles são facilmente perturba-dos por qualquer modificação geométrica ou qualquer variação do que seencontra entre o disco giratório e o sensor.

Uma terceira solução utiliza sensores indutivos. A peça giratóriaé equipada com um disco parcialmente metalizado. Na proximidade dessedisco se encontra um circuito oscilante de tipo LC (bobina condensador) cujoamortecimento depende da distância entre a bobina L e a zona metalizadapercorrida pelas correntes de Foucault geradas por ocasião da oscilação. Aobservação desse amortecimento permite detectar a rotação da peça girató-ria e, portanto, o escoamento do fluido. O emprego de várias bobinas podepermitir, por exemplo, detectar também o sentido de rotação da peça girató-ria e, portanto, o sentido de escoamento do fluido. Os sensores indutivosapresentam os inconvenientes de ter um preço e um consumo elétrico relati-vamente elevados.

A presente invenção tem como objetivo propor um sensor induti-vo de posição angular que evita pelo menos certos inconvenientes precita-dos, que seja pouco sensível às condições de instalação, resistente às tenta-tivas de fraude e econômico.

Para isso, a invenção tem como objeto um sensor indutivo deposição angular, que compreende:

- um disco parcialmente metalizado móvel em rotação em tornode seu eixo de revolução; e

- um estator que compreende uma bobina primária, de eixo sen-sivelmente confundido com o dito eixo de revolução, destinada a ser alimen-tada por um meio de alimentação, e várias bobinas secundárias dispostas demaneira a permitir um acoplamento indutivo entre a dita bobina primária e asditas bobinas secundárias,

caracterizado pelo fato de que o eixo de cada bobina secundáriaé sensivelmente paralelo ao dito eixo de revolução, as ditas bobinas secun-dárias sendo dispostas duas a duas sensivelmente simetricamente em rela-ção ao dito eixo de revolução, de maneira a formar um ou vários par(es) debobinas secundárias, as ditas bobinas secundárias de cada par sendo liga-das, por um lado, entre si, em série e em oposição de fase uma em relaçãoà outra, e, por outro lado, aos bornes de um meio de medição próprio paragerar um sinal de saída que depende da tensão nos bornes do dito par.

De preferência, o sensor compreende dois pares de bobinas secundárias, as ditas bobinas secundárias sendo repartidas uniformemente emtorno do dito eixo de revolução.

De acordo com uma característica da invenção, o dito meio dealimentação é um gerador de impulsos.

De acordo com um modo de realização da invenção, o dito meiode medição compreende um comparador associado a cada par.

De acordo com um outro modo de realização da invenção, o ditomeio de medição compreende um meio de medição quantitativo associado acada par, o dito meio de medição quantitativo sendo combinado com ummeio de tratamento.

De acordo com um modo de realização da invenção, a dita bobina primária circunda as ditas bobinas secundárias.

De preferência, o dito disco parcialmente metalizado é metalizado em uma superfície que corresponde a um meio disco.

Vantajosamente, a dita bobina primária e as ditas bobinas secundárias são realizadas em um circuito impresso.

A invenção será melhor compreendida, e outros objetivos, detalhes, características e vantagens dessa última aparecerão mais claramenteno decorrer da descrição explicativa detalhada que a seguir, de um modo derealização da invenção dado a título de exemplo puramente ilustrativo e nãolimitativo, em referência aos desenhos esquemáticos anexos.

Nesses desenhos:

- a figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva que mostraum sensor indutivo de posição angular de acordo com um modo de realização da invenção;

- a figura 2 é uma vista esquemática do circuito impresso dosensor da figura 1;

- a figura 3 é um esquema elétrico do circuito impresso da figura 2; e

- a figura 4 é uma vista esquemática em perspectiva do sensorda figura 1 que mostra o disco giratório, a bobina primária e as bobinas se-cundárias.

Fazendo-se referência à figura 1, é visto um corpo móvel girató-rio 2 que é acionado em rotação de acordo com seu eixo de revolução A, porexemplo pelo escoamento de um fluido (não representado). Um sensor indu-tivo de posição angular 1 compreende um estator 20 e um rotor 21. O estator20 e o rotor 21 são deslocáveis angularmente um em relação ao outro deacordo com o eixo A. Será notado que a utilização do termo estator não im-plica que o estator 20 tenha uma orientação fixa.

O rotor 21 compreende um disco giratório 3. O disco giratório 3 édisposto no corpo móvel giratório 2, de maneira que o disco giratório 3 sejasolidário em rotação de acordo com o eixo A do corpo móvel giratório 2. Asuperfície plana 4 do disco 3 oposta ao corpo móvel giratório 2 é parcialmen-te metalizada. Por exemplo um meio disco 4a é metalizado.

O estator 20 compreende um circuito impresso 5 (figura 2). Ocircuito impresso 5 é disposto perpendicularmente e na proximidade do disco3, de maneira sensivelmente paralela à superfície 4.

Fazendo-se referência às figuras 2 e 3, agora vai ser descrito ocircuito impresso 5. O circuito impresso 5 é disposto na face 20a do estator20 fazendo frente à superfície 4. O circuito impresso 5 compreende uma bo-bina primária 6. Por exemplo, a bobina primária compreende cinco espiras.Quatro bobinas secundárias 7, 8, 9 e 10 são dispostas na parte interna dabobina primária 6. As bobinas secundárias 7, 8, 9 e 10 são idênticas e com-preendem, por exemplo, quatro espiras cada uma delas. Em uma varianterepresentada na figura 4, a bobina primária 6 compreende três espiras e ca-da bobina secundária compreende duas espiras. O circuito impresso 5 é dis-posto em relação ao disco 3 de maneira que o eixo da bobina principal 6 se-ja confundido com o eixo A, o eixo de cada bobina secundária 7, 8, 9 e 10estando nesse momento sensivelmente paralelo ao eixo A. As bobinas se-cundárias 7, 8, 9 e 10 são uniformemente repartidas em torno do eixo A.

A bobina primária 6 é alimentada por um gerador de impulsos11. A informação útil na saída das quatro bobinas 7, 8, 9, e 10 estando ime-diatamente presente, tal como será descrito em detalhe mais adiante, a du-ração de cada impulso pode ser relativamente curta. Por exemplo, a duraçãode um impulso é da ordem de alguns nanossegundos, o que permite nota-damente minimizar o consumo de corrente na bobina primária 6. Será nota-do que um tal sensor 1 é especialmente resistente às tentativas de fraudespois a medição só dura alguns nanossegundos.

As bobinas secundárias 7, 8, 9, e 10 são acopladas por pares 7e 9 (respectivamente 8 e 10), as bobinas de cada par sendo montadas emsérie e em oposição de fase. A extremidade 7a da bobina 7 que não estáligada à bobina 9 é ligada a uma entrada positiva 12a de um comparador 12.A extremidade 9a da bobina 9 que não está ligada à bobina 7 é ligada a umaentrada negativa 12b do comparador 12. A extremidade 8a da bobina 8 quenão está ligada à bobina 10 é ligada a uma entrada positiva 13a de um com-parador 13. A extremidade 10a da bobina 10 que não está ligada à bobina 8é ligada a uma entrada negativa 13b do comparador 13. Os comparadores12 e 13 são comparadores de tensão. O valor de saída 12c (respectivamen-te 13c) do comparador 12 (respectivamente 13) é função da tensão Vi2 (res-pectivamente Vi3) entre suas entradas 12a e 12b (respectivamente 13a e13b). Será notado que o fato de conectar as bobinas secundárias 7, 8, 9 e10 em modo diferencial garante uma excelente rejeição dos campos magné-ticos perturbadores exteriores que podem existir, o que contribui para reduziro risco de fraude.

Agora vai ser descrito o funcionamento do sensor 1.

Quando se aplica um impulso à bobina primária 6, essa últimacria um campo magnético de excitação que atravessa as quatro bobinas 7,8, 9 e 10. Será notado que as bobinas 7, 8, 9 e 10 estando dispostas de ma-neira similar em relação à bobina 6, a amplitude do campo magnético deexcitação que atravessa cada bobina 7, 8, 9 e 10 é idêntica. O campo mag-nético de excitação atinge assim o meio disco metalizado 4a. Isso tem comoefeito gerar correntes de Foucault no meio disco 4a. Essas correntes deFoucault geram um campo magnético oposto que se opõe ao campo magné-tico de excitação.Considera-se em um primeiro tempo que quando o impulso égerado o meio disco metalizado 4a se encontra justo sob a bobina 7 (figura4). Nesse momento, cada bobina 7, 8, 9 e 10 é atravessada por um campomagnético que resulta da soma do campo magnético de excitação e docampo magnético oposto que a atravessam. A bobina 7 estando perpendicular ao meio disco 4a, o campo magnético oposto que a atravessa tem umaamplitude pequena mas não desprezível. O campo magnético resultante queatravessa a bobina 7 é, portanto, ligeiramente inferior ao campo magnéticode excitação. A bobina 9 sendo a bobina secundária que está mais afastadado meio disco 4a, a amplitude do campo magnético oposto que a atravessaé muito menor, por exemplo, sensivelmente igual a zero, do que a amplitudedo campo magnético de excitação que atravessa a bobina 9. O campo magnético resultante que atravessa a bobina 9 é, portanto, sensivelmente igualao campo magnético de excitação. As bobinas 8 e 10 sendo dispostas demaneira simétrica em relação ao meio disco 4a, elas são atravessadas porum campo magnético resultante de mesma amplitude. Os campos magnéti-cos resultantes que atravessam as bobinas 7, 8, 9 e 10 geram tensões induzidas nas bobinas 7, 8, 9 e 10, cada tensão induzida sendo função do campomagnético resultante associado. As tensões induzidas nas bobinas 7 e 9(respectivamente 8 e 10) determinam a amplitude e o sinal das tensões V12e V13. As saídas 12c e 13c podem tomar vários valores em função da amplitude e do sinal das tensões V12 e V13.

As tensões induzidas nas bobinas 8 e 10 sendo iguais e as bo-binas 8 e 10 sendo montadas em oposição de fase, a tensão V13 é sensivelmente nula. A tensão induzida na bobina 7 sendo inferior à tensão induzida na bobina 9, a tensão V12 é, portanto, negativa. A saída 13c é, portanto,nula e a saída 12c negativa. Será notado que trata-se de um exemplo demontagem e que o sensor 1 funcionaria de maneira similar com bobinas 7, 8,9, e 10 invertidas.

Quando o meio disco 4a gira de um oitavo de volta, de maneiraque ele se encontra sob as bobinas 7 e 10 quando um impulso é gerado, ocampo magnético oposto gerado pelo meio disco 4a em resposta a um im-pulso da bobina 6 atravessa de maneira idêntica as bobinas 7 e 10. Seránotado que, como foi descrito precedentemente, o campo magnético de exci-tação atravessa de maneira idêntica as quatro bobinas 7, 8, 9 e 10. Os cam-pos magnéticos resultantes que atravessam as bobinas 7 e 10 são, portanto,idênticos. Da mesma maneira, os campos magnéticos resultantes que atra-vessam as bobinas 8 e 10 são idênticos. As tensões induzidas têm, portanto,o mesmo valor nas bobinas 7 e 10 por um lado e nas bobinas 8 e 19 por ou-tro lado. As tensões Vi2 e Vi3 têm, portanto, a mesma amplitude. No exem-plo de montagem da figura 13, as tensões Vi2 e V13 são de sinal inverso, V12sendo negativa e Vi3 positiva, devido ao fato do efeito diferencial.

Quando o meio disco 4a gira ainda de um oitavo de volta, ele seencontra justo sob a bobina 10. Nesse momento obtém-se, de maneira simi-lar ao caso em que o meio disco 4a se encontra sob a bobina 7, uma tensãoV12 sensivelmente nula e uma tensão V13 positiva. A saída 12c é, portanto,nula e a saída 13c positiva.

Quando o meio disco 4a gira ainda de um oitavo de volta, demaneira que ele se encontra sob as bobinas 10 e 9, a tensão V12 e a tensãoV13 têm a mesma amplitude e o mesmo sinal. A cada impulso o sensor 1mede da mesma maneira as tensões Vi2 e Vi3.

Quando o disco 3 gira,a freqüência dos sinais das saídas 12c e13c permite determinar a velocidade de rotação do disco 3 e, portanto, o es-coamento do fluido. Além disso, as curvas da saída 13c em função do tempoe da saída 12c em função do tempo estão em quadratura. Isso permite de-terminar o sentido da rotação do corpo móvel 2, determinando-se para issoqual curva está adiantada em relação à outra, quer dizer comparando-se aamplitude e o sinal das saídas 12c e 13c. No exemplo da figura 3, quando ocorpo móvel 2 gira no sentido horário, representado pela flecha 15, a curvade saída 13c está adiantada em relação à curva de saída 12c, e quando ocorpo móvel 2 gira no sentido trigonométrico, representado pela flecha 16, acurva de saída 12c está adiantada em relação à curva de saída 13c.

Outras variantes são possíveis. Por exemplo, o número de espi-ras das bobinas pode ser qualquer um.Um só par de bobinas secundárias pode ser previsto, nesse ca-so o sensor não permite detectar o sentido de rotação do corpo móvel.

O gerador que alimenta a bobina primária pode gerar um sinalde forma qualquer, por exemplo um sinal alternado.

Será notado que o posicionamento relativo dos diferentes ele-mentos do sensor uns em relação aos outros não é essencial, qualquer dife-rença de posicionamento acarretando um ofsete constante no sinal detecta-do, um tal offset sendo muito fácil de corrigir.

Os comparadores compreendem geralmente um offset da ordemda dezena de milivolt. Quando o sinal é fraco, por exemplo, da ordem de 2-3mV, o que pode ser uma conseqüência do afastamento do disco em relaçãoàs bobinas, um meio de medição da tensão nos bornes dos pares de bobinaé utilizado no lugar do comparador, de maneira a obter um valor quantitativoda tensão, esse valor sendo em seguida tratado por um meio de tratamento,por exemplo software ou eletrônico, de maneira a dissociar o sinal do offset.

Ainda que a invenção tenha sido descrita em relação com váriosmodos de realização especiais, é bem evidente que ela não está de nenhu-ma forma limitada a eles e que ela compreende todos os equivalentes técni-cos dos meios descritos assim como suas combinações se essas últimasentram no âmbito da invenção.

Claims (8)

1. Sensor indutivo de posição angular, que compreende:- um disco (3) parcialmente metalizado móvel em rotação emtorno de seu eixo de revolução (A); e- um estator que compreende uma bobina primária (6), de eixosensivelmente confundido com o dito eixo de revolução, destinada a ser ali-mentada por um meio de alimentação (11) e várias bobinas secundárias (7, 8, 9, 10) dispostas de maneira a permitir um acoplamento indutivo entre adita bobina primária e as ditas bobinas secundárias,caracterizado pelo fato de que o eixo de cada bobina secundáriaé sensivelmente paralelo ao dito eixo de revolução, as ditas bobinas secun-dárias sendo dispostas duas a duas sensivelmente simetricamente em rela-ção ao dito eixo de revolução, de maneira a formar um ou vários par(es) debobinas secundárias, as ditas bobinas secundárias de cada par sendo liga-das, por um lado, entre si, em série e em oposição de fase uma em relaçãoá outra, e, por outro lado, aos bornes de um meio de medição (12, 13) pró-prio para gerar um sinal de saída que depende da tensão nos bornes do ditopar.

2. Sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que ele compreende dois pares de bobinas secundárias (7, 8, 9, 10),as ditas bobinas secundárias sendo repartidas uniformemente em torno dodito eixo de revolução (A).

3. Sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o dito meio de alimentação (11) é um gerador de impulsos.

4. Sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o dito meio de medição compreende um comparador (12, 13)associado a cada par.

5. Sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o dito meio de medição compreende um meio de medição quan-titativo associado a cada par, o dito meio de medição quantitativo sendocombinado com um meio de tratamento.

6. Sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que a dita bobina primária circunda as ditas bobinas secundárias.

7. Sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o dito disco parcialmente metalizado é metalizado em uma su-perfície que corresponde a um meio disco (4a).

8. Sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que a dita bobina primária e as ditas bobinas secundárias são reali-zadas em um circuito impresso.