PT103546B - Transdutor de deslocamento baseado em sensores de fluxo magnético - Google Patents

Abstract

ESTE TRANSDUTOR PERMITE A MEDIÇÃO DE PEQUENOS DESLOCAMENTOS LINEARES NA DIRECÇÃO DO EIXO DOS YY. É COMPOSTO POR UM MAGNETE (1), SUJEITO AO DESLOCAMENTO A MEDIR ATRAVÉS DE UMA HASTE (2), UM INVÓLUCRO AMAGNÉTICO (3) E DOIS PARES DE SENSORES DE FLUXO MAGNÉTICO (4A, 4B, 4C, 4D). OS SENSORES (4A, 4C) SÃO SENSÍVEIS AO FLUXO MAGNÉTICO SEGUNDO A DIRECÇÃO DOS ZZ, ENQUANTO QUE OS SENSORES (4B, 4D) SÃO SENSÍVEIS AO FLUXO MAGNÉTICO SEGUNDO A DIRECÇÃO DOS XX. OS SENSORES DE CADA PAR ESTÃO LIGADOS EM MONTAGEM DIFERENCIAL. ESTES ESTÃO INTEGRADOS NO INVÓLUCRO AMAGNÉTICO (3) ELECTRICAMENTE ISOLANTE. NO INTERIOR DO INVÓLUCRO O MAGNETE (1) MOVIMENTA-SE SEGUNDO A DIRECÇÃO DOS YY, SOLIDÁRIO COM O OBJECTO DO QUAL SE QUER MEDIR O DESLOCAMENTO ATRAVÉS DA HASTE (2). O DESLOCAMENTO DO MAGNETE PROVOCA UMA VARIAÇÃO DO FLUXO CAPTADO PELOS SENSORES DE FLUXO MAGNÉTICO (4A, 4B, 4C, 4D). A ESSA VARIAÇÃO DE FLUXO CORRESPONDE UMA TENSÃO ELÉCTRICA PROPORCIONAL AO DESLOCAMENTO. ESTE TRANSDUTOR PODE SER USADO EM APLICAÇÕES EM QUE SEJA NECESSÁRIA A MEDIÇÃO DE PEQUENOS DESLOCAMENTOS DA ORDEM DA DEZENA DE MILÍMETRO, NOMEADAMENTE NO ÂMBITO DO CONTROLO E MONITORIZAÇÃO DE PROCESSOS LABORATORIAIS E INDUSTRIAIS BEM ASSIM COMO EM SISTEMAS DE CAMPO.

Description

DESCRIÇÃO

TRANSDUTOR DE DESLOCAMENTO BASEADO EM SENSORES DE FLUXO MAGNÉTICO

Domínio técnico

Este transdutor pode ser usado em aplicações em que seja necessária a medição de pequenos deslocamentos com uma gama até à dezena de milímetro, nomeadamente no âmbito do controlo e monitorização de processos laboratoriais e industriais bem assim como em sistemas de campo.

Estado actual da técnica

Na medição de pequenos deslocamentos (até 50 mm) são habitualmente usados transdutores de deslocamento com saída analógica dos tipos potenciométrico, correntes de Foucault e LVDT (Linear Variable Differential Transformer).

Os primeiros, do tipo potenciométrico, são basicamente compostos por resistências potenciométricas em que a variação da posição do contacto móvel está associada ao objecto cujo deslocamento se quer conhecer. Estes transdutores têm a grande vantagem de serem económicos e terem um condicionamento de sinal simples. Contudo, dada a necessidade de contacto físico entre o elemento móvel e o elemento resistivo, estes transdutores apresentam um tempo de vida limitado. Acresce ainda que a força de contacto, essencial para o correcto funcionamento deste transdutor, pode traduzir-se como uma perturbação para o sistema cujo deslocamento se pretende medir.

Os transdutores de deslocamento por correntes de Foucault são baseados na variação da indutância mútua entre uma bobina sensora e a superfície, necessariamente condutora, do objecto do qual se pretende medir o deslocamento. 0 condicionamento de sinal deste tipo de transdutor é relativamente complexo, exigindo a alimentação da bobina sensora com uma frequência elevada e a desmodulação do sinal. Este transdutor tem de ser calibrado em cada aplicação pois a sua sensibilidade é dependente do material da superfície do objecto.

Os transdutores de deslocamento do tipo LVDT (Linear Variable Differential Transformer) baseiam-se na variação da indutância mútua entre duas bobinas provocada pelo deslocamento de um núcleo ferromagnético solidário com o objecto em movimento. Tal como no caso anterior, este transdutor exige uma alimentação em corrente alternada e uma desmodulação síncrona do sinal.

Estes dois últimos tipos de transdutores distinguem-se pela ausência de contacto entre a sua parte móvel e os seus elementos sensores, o que lhes garante maior durabilidade. No entanto, requerem um condicionamento de sinal exigente, o que tende a aumentar o custo total.

Não é do conhecimento dos autores qualquer solução comercial para a medição de deslocamento baseada em sensores de fluxo magnético, ainda que tenham sido encontradas duas patentes na área (GB 2310495A e US 4703261).

No primeiro caso, GB 2310495A, é descrito um transdutor para pequenos deslocamentos com força de reacção nula. Neste, são utilizados dois sensores de efeito de Hall (um tipo particular de sensores de fluxo magnético) em montagem diferencial e com amplificação de sinal. De acordo com as reivindicações apresentadas, esta montagem permite a compensação de desalinhamentos entre o eixo de deslocamento do magnete solidário com o objecto e o eixo de antisimetria dos sensores. No entanto, esta compensação só é conseguida para desalinhamentos contidos no plano ortogonal às superfícies dos sensores e contendo o eixo de antisimetria destes.

No segundo caso, US 4703261, é descrito um apalpador para verificação dimensional de engrenagens. Neste, são também utilizados dois sensores de efeito de Hall em montagem diferencial e com amplificação de sinal. No entanto, a solução apresentada é especificamente adequada para a detecção da situação de deslocamento nulo, em aplicações que requeiram a medição de muito pequenos deslocamentos.

Sumário da Invenção

Este transdutor de deslocamento é baseado na utilização de sensores de fluxo magnético em montagem diferencial em conjunto com um magnete permanente. O movimento relativo entre os elementos sensores e o magnete permanente dá origem a uma tensão eléctrica proporcional ao deslocamento. Dado que o transdutor se baseia na utilização de um campo magnético, não necessita de contacto físico entre os elementos sensores e o magnete. A sua concepção, utilizando pares diferenciais de sensores de fluxo magnético, visa melhorar as características de linearidade, de sensibilidade de imunidade a de temperatura, de defeitos de construção mecânica e de assimetrias do magnete, permitindo ainda definir com rigor um zero do transdutor.

conceito de funcionamento deste transdutor permite a materialização de dispositivos de custo inferior às alternativas existentes no mercado.

Breve descrição das figuras

FIGURA	1: Representação esquemática do transdutor em corte.
♦	1 - magnete;
•	2 - haste;
♦	3 - invólucro amagnético;
•	4a e 4c - sensores de fluxo magnético.
FIGURA	2: Convenção da notação associada a um sensor de
fluxo,	em que a direcção do eixo dos kk representa o seu

eixo de sensibilidade.

•	4 - Sensor de fluxo magnético;
FIGURA	3: Variações do fluxo magnético através da

superfície dos sensores Sl (4a) e S3 (4c) colocados antisimetricamente em relação ao magnete (1) em diferentes posições I, II e III.

«	1 - magnete;
•	4a e 4c - sensores de fluxo magnético.
FIGURA	4: Circuito electrónico do condicionamento de sinal

do transdutor

•	4a, 4b, 4c e 4d - sensores de fluxo magnético.
•	5a, 5b, 5c - amplificadores diferenciais

Descrição detalhada da Invenção

Este transdutor permite a medição de pequenos deslocamentos lineares na direcção dos YY. É composto por um magnete (1), sujeito ao deslocamento um invólucro amagnético a medir através de uma haste (2) , e dois pares de sensores de fluxo magnético (4a, 4b) (4a, 4c) são montados de tal modo que as suas faces sensíveis ao fluxo magnético se/ am normais à direcção dos

ZZ, enquanto que os são montados de tal modo que as suas faces sensíveis ao fluxo magnético se] am normais a direcção dos

XX. Os sensores de cada par estão ligados em montagem diferencial. Estes estão integrados no invólucro amagnético (3) electricamente isolante. No interior do invólucro amagnético o magnete (1) movimenta-se segundo a direcção dos YY, solidário com o objecto do qual se quer medir o deslocamento através da haste (2). 0 deslocamento do maqnete provoca uma variação do fluxo captado pelos sensores de fluxo magnético (4a, 4b, 4c, 4d). A essa variação de fluxo corresponde uma tensão eléctrica proporcional ao deslocamento.

Dado que este transdutor se baseia na utilização de um campo magnético não necessita de contacto físico entre os elementos sensores e o magnete, permitindo a medição de deslocamentos de elevada dinâmica.

A sua concepção utilizando pares diferenciais de sensores de fluxo magnético visa melhorar as características de linearidade, de sensibilidade e de imunidade a efeitos da variação de temperatura, de defeitos de construção mecânica e de assimetrias do magnete, permitindo ainda definir com rigor um zero do transdutor.

A figura 2 define as convenções relativas aos sensores de fluxo que serão usadas nesta descrição. 0 sensor Sn é suposto ser sensível ao fluxo normal ao plano ij . Se o fluxo apresentar um sentido igual ao do eixo dos kk, então o sensor produzirá um sinal eléctrico Un dito positivo. Se o fluxo apresentar um sentido oposto ao do eixo dos kk, então o sensor produzirá um sinal eléctrico Un dito negativo.

Os sensores

SI e S3 terão os seus eixos dos kk (figura 2) orientados segundo o sentido positivo do eixo dos ZZ do

transdutor	(figura 1) .	Os	sensores S2	e S4 terão os seus
eixos dos	kk (figura	2)	orientados	segundo o sentido
positivo do	eixo dos XX	do	transdutor (	figura 1).

A figura mostra dois sensores de fluxo magnético em três posições distintas

I, II e III, relativamente ao magnete.

Os dois sensores,

SI e S3, colocados anti-simetricamente, de um e do outro lado do magnete em movimento, são sensíveis às variações do fluxo magnético que atravessa as suas superfícies.

Na posição I, correspondente à da esquerda representada na figura

3, existe uma componente ortogonal às superfícies activas dos elementos sensores, com um sentido positivo no sensor SI e negativo no sensor S3. Assim, o sinal eléctrico dado pela diferença

Ui - U3 dos sinais desenvolvidos por cada um dos sensores é um sinal positivo.

Na posição II, correspondente à posição central, as linhas de fluxo magnético são paralelas às superfícies activas dos elementos sensores, pelo que estes são atravessados por um fluxo nulo. Nesta situação, o par diferencial de sensores produzirá uma tensão nula.

Na posição III, correspondente à da direita representada na figura

3, existe uma componente ortogonal às superfícies activas dos elementos sensores, com um sentido negativo no sensor SI e positivo no sensor S3. Assim, o sinal eléctrico dado pela diferença

UI

U3 dos sinais desenvolvidos por cada um dos sensores é um sinal negativo.

mesmo se passará num plano ortogonal ao da figura

3, relativamente aos sensores S2 e

Verifica-se que, em magnetes de geometria cilíndrica ou paralelepipédica, a componente do fluxo ortogonal ao eixo do magnete varia de um modo aproximadamente linear ao longo deste, numa zona simétrica em torno do seu centro geométrico, com um comprimento LI inferior ao do magnete L. Assim, o sinal diferencial gerado pelo par de sensores de fluxo varia de um modo aproximadamente linear para este comprimento LI.

Esta montagem diminui a sensibilidade a desalinhamentos entre o eixo de anti-simetria do par de sensores e o eixo do magnete. De facto se, por exemplo na posição I, o magnete se aproximar do sensor SI (4a) e se afastar do sensor S3 (4c), o sinal desenvolvido por Si aumenta em valor absoluto e o sinal desenvolvido por S3 diminui em valor absoluto. Desta forma, e verificando-se que, para pequenos desalinhamentos, as variações de Ui e U3 apresentam valores absolutos idênticos, a sensibilidade do sinal de saída U1-U3 a este tipo de perturbação vem diminuída no plano ortogonal às superfícies dos sensores e contendo o eixo de anti-simetria destes. De forma análoga, esta montagem diferencial também diminui o efeito de perturbações devidas a campos magnéticos exteriores.

A utilização de dois pares de sensores de fluxo magnético, um composto pelos em planos ortogonais ao eixo do magnete e ortogonais entre si, permite estender a qualquer direcção a redução da sensibilidade a desalinhamentos e a perturbações provocadas por campos magnéticos exteriores. Colocando os quatro sensores à mesma distância do eixo do magnete, a relação sensibilidade versus gama de medição linear vem optimizada. Neste caso é ainda duplicada a sensibilidade do sinal de saida em relação à utilização de um só par. Esta solução, baseada em dois pares de sensores, mantém todas as outras características inerentes à utilização de um único par de sensores de fluxo magnético.

Sem perda de generalidade, admitindo que cada sensor de fluxo tem três terminais, um de alimentação (+V), um de referência (OV) e um com o sinal de saída, representa-se na figura 4 uma solução possível para o condicionamento de sinal do transdutor.

Na solução apresentada, cada par de sensores está ligado a um amplificador diferencial (5a e 5b). Estes amplificadores são responsáveis pela produção dos sinais correspondentes a

U1-U3 e U4-U2. 0 sinal de saida (Uout) do transdutor é produzido pelo amplificador 5c que realiza a subtracção dos dois sinais anteriores. Assim, Uout=(U1-U3)-(U4-U2), como se pode ver na figura 4.

Exemplos de aplicação

Exemplo 1

Neste exemplo, o invólucro amagnético (3) foi materializado por um tubo TEFLON® maquinado com um diâmetro exterior de 18 mm, um diâmetro interior de 10 mm e um comprimento de 68 mm. Este invólucro apresenta na superfície exterior, na sua secção média, quatro cavidades desfasadas de 90 graus, com uma geometria adequada à sujeição dos sensores de fluxo utilizados.

Foi utilizado um magnete cilíndrico Alcomax III com um diâmetro de 8 mm e um comprimento de 25 mm. O magnete é deslocado através de uma haste de alumínio com 4 mm de diâmetro. Esta dispõe, numa das suas extremidades, de um alvéolo tubular com um diâmetro exterior de 10 mm e um diâmetro interior de 8 mm onde o magnete está inserido.

Os quatro sensores de fluxo magnético utilizados são do tipo sensores de efeito de Hall da marca Honeywell (ref: SS495A). Estes sensores, de muito baixo custo, apresentam uma boa linearidade, e uma alimentação DC simples de 0/5V. No condicionamento de sinal deste transdutor foram usados amplificadores de instrumentação INA 128, da Texas Instruments, com ganho unitário.

O transdutor apresenta uma sensibilidade de 0,52V/mm, com um erro de linearidade inferior a ± 0,3% numa gama de ± 5 mm.

Ά representação do transdutor de deslocamento descrita é feita como um exemplo não limitativo que pode ser sujeito a modificações e variações levadas a cabo por uma pessoa perita na matéria, as quais, no entanto, estão abrangidas pelo âmbito da invenção, como definido pelas reivindicações que se seguem.

Claims (8)

1. REIVINDICAÇÕES

   Transdutor de deslocamento inserido num invólucro

   - quatro sensores de fluxo magnético (4a, 4b, que produzem respectivamente

   Ul,

   U
2. 2, U
3. 3 e

   U4, dispostos radialmente sobre invólucro amagnético(3), desfasados de

   90 graus entre si, e agrupados em pares, estando estes pares desfasados entre si de

   180 graus e com as suas superfícies sensoras paralelas e orientadas na mesma direcção, em anti-simetria relativamente ao seu plano médio;

   - um circuito electrónioo responsável pela produção do sinal de saída do transdutor (Uout);

   um magnete permanente (1), com uma geometria tipo paralelipipédioa com secção recta poligonal regular ou circular, com o eixo coincidente com a intersecção dos planos de anti-simetria dos sensores e solidário com o objecto do qual se pretende medir o deslocamento;

   - uma haste amagnética (2) responsável por solidarizar o magnete com o objecto do qual se pretende medir o deslocamento.

   Transdutor de deslocamento de acordo com reivindicação 1, caracterizado por os quatro sensores de fluxo magnético estarem à mesma distância do eixo do magnete.

   3.

   Transdutor de deslocamento de acordo com reivindicação caracterizado por magnete preferencialmente ten um comprimento superior à gama de pretende medir.
4. 4. Transdutor de deslocamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o magnete poder deslocar-se no interior do invólucro amagnético (3) sem contacto com este.
5. 5. Transdutor de deslocamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o invólucro amagnético (3) ser construído num material não condutor eléctrico.
6. 6. Transdutor de deslocamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o invólucro amagnético (3) ser materializado por um tubo TEFLON .
7. 7. Transdutor de deslocamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os quatro sensores de fluxo magnético utilizados serem sensores do tipo de efeito de Hall.
8. 8. Transdutor de deslocamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter uma sensibilidade de 0,52V/mm, com um erro de linearidade inferior a ± 0,3% numa gama de ± 5 mm.