Sensores de velocidade e aceleração

INTRODUÇÃO

        No estudo da automação em sistemas industriais, comerciais, automobilísticos, etc., é preciso determinar as condições (ou variáveis) do sistema. É necessário obter os valores das variáveis físicas do ambiente a ser monitorado. Isso é possível graças a utilização de sensores, que são dispositivos sensíveis a alguma forma de energia, relacionando-a a informações sobre uma grandeza que precisa ser medida. Quando os sensores operam diretamente, convertendo uma forma de energia ou quantidade física em outra, são chamados de transdutores, ou seja, os sensores detectam uma variável física de interesse e o transdutor transforma essa variável em outra fácil de ser medida. Este trabalho tem como objetivo descrever o desempenho e funcionamento dos sensores de velocidade e aceleração.

1. SENSORES DE VELOCIDADE

Estes sensores podem detectar a velocidade de um objeto tanto seja linear como angular, mas a aplicação mais conhecida deste tipo de sensores é a medição da velocidade angular dos motores que movem as diferentes partes do robô.  São importantes para controle do processo produtivo e da segurança do trabalho.

1. DÍNAMO TAQUIMÉTRICO (TACOGERADOR)

      O dínamo taquimétrico ou tacogerador é baseado no motor de corrente continua com escovas que funcionam como gerador. O campo magnético é obtido por meio de um imã permanente cujos polos encontram-se dispostos nas faces.

      Considere uma única espira girando a uma velocidade angular, essa espira é influenciada por um fluxo variável de acordo com a relação:

                                                       φ = φ₀ * cos(ῳt)

ou seja a tensão nos terminais da espira são:

                                                       e =   = φ₀ * sen(ῳt)[pic 1]

      Cujo valor máximo é proporcional a velocidade angular. O tacogerador é um estator constituído de um magneto permanente e de um rotor no qual são enroladas N espiras espaçadas entre elas de um ângulo de 2π/N. As N espiras são conectadas a um coletor a laminas e através de duas escovas se tem disponível a tensão reduzida.

      A constante taquimetrica (kt) exprime a relação entre tensão de saída nos seus terminais e a velocidade de rotação

                                          Kt =            Equação que caracteriza o tacogerador[pic 2]

      Devido a não-homogeneidades do campo magnético e aos fenômenos de comutação do coletor, a tensão de saída do dínamo taquimétrico não é perfeitamente continua e impulsos de alta frequência são sobrepostos a tensão induzida, devido a comutação.

      A presença das escovas limita bastante a confiabilidade e aumenta a manutenção, além disso os tacogeradores possuem uma baixa linearidade (>2%), elevada inercia e atrito mecânico.

Aplicação

      As principais aplicações do tacogerador são em transdutor de medida de velocidade em elevadores prediais, elemento de compensação e estabilização em sistemas de regulação de posição, controle de máquinas operatrizes de controle numérico, em máquinas rotativas convencionais, bem com máquinas têxteis, e em várias outras aplicações que exigem um controle preciso de velocidade.

1. ALTERNADOR TAQUIMÉTRICO

        A seguir serão apresentados os principais transdutores de velocidade com saída em corrente alternada (CA).

1. Bobina piloto

Consiste em um ímã permanente, acoplado diretamente ao eixo do motor do qual se quer se medir a rotação, imerso em uma ou mais bobinas. A tensão na saída Vo tem sua amplitude e frequência proporcionais à velocidade de rotação do eixo. A figura 1 representa o princípio de funcionamento de uma bobina piloto.

[pic 3]

Figura 1 – Princípio de Funcionamento de uma Bobina Piloto

Fonte: Sensores Industriais – Fundamentos e Aplicações

1. Tacômetro de indução

É um estator que apresenta dois enrolamentos dispostos à 90º um do outro, e um rotor no tipo que está em curto-circuito. Um dos enrolamentos é percorrido por uma tensão alternada e o sistema comporta-se como transformador em curto-circuito, quando o motor está parado, o eixo de saída faz 900 com o fluxo, logo não é gerada tensão de saída. Se o motor for colocado em rotação será gerado um f.e.m. de mesma tensão de alimentação e com amplitude que função da velocidade de rotação do motor.

1. Reação da armadura

Se considerarmos a fórmula que fornece a velocidade de um motor CC (N) em função de tensão de armadura Va, da corrente de armadura Ia, da resistência de armadura Ra e da constante magnética K:

N==[pic 4][pic 5]

Como acontece nas aplicações de regulação de velocidade de motor CC, agindo somente sobre a tensão de armadura. Se K1 for mantido constante, para determinar N, deve-se obter através de um circuito a termo Ra x Va e subtrair da tensão de armadura Va. Assim, a velocidade de rotação de um motor CC pode ser medida também sem uso de um transdutor específico. É bastante simples realizar um circuito que forneça essa informação, porém esses circuitos não são encontrados na prática devido às suas limitações.  

1. Bobina pick-up

É um sensor de saída em frequência, constituído de um rotor dentado de material ferromagnético e um ímã permanente, que é envolvido por uma bobina. Quando o dente do rotor passa pelas extremidades, as linhas de fluxo desse magneto desviam-se, produzindo um f.e.m. na bobina. Um pulso de saída é gerado a cada revolução do eixo. Com o aumento da velocidade, há consequente aumento de pulsos por unidade de tempo, pode ser mostrado por um frequencímetro.

1. ACOPLADOR ÓPTICO

      Esse sensor é constituído basicamente de um disco com furos conectado ao eixo do motor e um par (transmissor e receptor) acoplado por meio de um feixe de luz. Muitas vezes é utilizado um fotoacoplador já integrado.