Transdutores de velocidade

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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO
TRANSDUTORES DE VELOCIDADE
Recife, 06 de Dezembro de 2011.
UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO
TRANSDUTORES DE VELOCIDADE
Trabalho acadêmico apresentado pelos alunos André Farias, Micky Lins, Nadja Lima e Rodrigo Ferreira, solicitado pelo professor Luciano Rodrigues Lins como requisito parcial na disciplina de Instrumentação.
Recife, 06 de Dezembro de 2011.
SUMARIO
INTRODUÇÃO................................................................................................................ 4
1- Transdutores................................................................................................................. 5
2- Transdutores de velocidade.......................................................................................... 6
	2.1- Tacômetro ótico...........................................................................................
	2.2- Tacômetro de relutância variável..............................................................
	2.3- Tacômetro com rotores dentados.........................................................
	2.4- Tacômetro CC e AC..............................................................................
	2.5- Tacômetro de efeito Hall........................................................................
CONCLUSÃO...........................................................................................
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................
INTRODUÇÃO
 
O termo tacômetro aplica-se aos instrumentos empregados para medir a velocidade angular. Muitos automóveis têm tacômetros que medem o número de revoluções do eixo de manivelas do motor.
Em aplicações industriais ou mesmo no projeto de determinados tipos de equipamentos eletrônicos de medida é necessário saber a velocidade com que um eixo, uma engrenagem ou outra peça rodam. Para contar a velocidade de rotação ou RPM é preciso usar um circuito denominado tacômetro, que exige um tipo de tecnologia diferenciada para sua elaboração, e que pode ter o projeto consideravelmente simplificado pelo emprego de microprocessadores associados à lógica digital. A seguir serão descritos os mais importantes dentre os diversos tipos de tacômetros existentes, bem como serão mostrados seus princípios de funcionamento, de modo a permitir e facilitar o entendimento dos conceitos aqui apresentados. Os tacômetros são instrumentos destinados a medição de valores relacionados a eventos por tempo, utilizados na medição de velocidade, vazão, rotações, etc., em intervalos de tempo em segundo, minuto ou hora. Exemplo: Hertz (ciclos por segundo), mm/s, RPM, mts/m, Lts/m, Km/h, pçs/h e outras. A medição de velocidade na indústria é efetuada de duas formas: com tacômetros mecânicos e com tacômetros elétricos. Os primeiros detectam o número de voltas do eixo da máquina por meios exclusivamente mecânicos, podendo incorporar ou não a medição conjunta do tempo para determinar o número de revoluções por minuto (r.p.m.), enquanto que os outros captam a velocidade por sistemas elétricos. Para usos industriais costuma-se utilizar os tacômetros elétricos porque permitem a transformação direta do sinal para alimentar os instrumentos registradores ou controladores de painel.
Transdutores 
São responsáveis pela transformação de grandezas físicas em sinais elétricos com o objetivo de informar ao controlador as condições da planta industrial que está sendo controlada. A forma como é conseguida esta transformação varia muito e depende diretamente da grandeza a ser transformada, mas também depende da exatidão desejada, do tempo de resposta e também das condições ambientais onde o transdutor estará instalado. 
Existe uma infinidade de transdutores e cada um com uma aplicação mais adequada. Alguns transdutores produzem o sinal elétrico de forma independente, como é o caso de termopares, porém outros necessitam de uma adequação no sinal elétrico, que é realizada por um dispositivo conhecido como condicionador de sinal.
O transdutor pertence ao nível zero da pirâmide de Hierarquia da Informação para Automação. As grandezas elétricas podem se apresentar em forma de tensão ou corrente, podendo também estar representando informações na forma analógica ou digital.
Alguns dos tipos de transdutores mais utilizados em automação são:
 
Transdutor de Nível - Um transdutor de nível, como o sensor do tipo bóia, é muito utilizado para indicar nível baixo/alto de reservatórios e assim comandar uma bomba. Quando o nível está baixo, não existe condução elétrica entre os dois eletrodos e esta informação pode ser utilizada para acionar uma bomba.
Por outro lado, quando o nível atinge um valor desejado a bóia flutua permitindo o fechamento do contato entre os eletrodos através do mercúrio. Este tipo de transdutor envia a informação na forma digital (discreta) ao controlador. 
Transdutor de Temperatura - O termopar é um transdutor muito utilizado e permite o monitoramento de uma grande faixa de temperaturas. Ele se baseia no princípio que permite o aparecimento de diferenças de potencial elétrico quando uma junção composta por materiais diferentes é exposta a diversas temperaturas. 
Transdutores de Vazão e Pressão - Os transdutores à base de pressão diferencial medem a diferença de pressão em dois pontos de uma tubulação, onde entre os quais se encontra uma restrição. Esta restrição pode ser produzida por placas de orifício, bocais ou tubos de Venturi. Alguns transdutores medem a vazão pelo método direto. Os dois tipos mais conhecidos são: turbina e palheta rotativa. 
Transdutores de Velocidade - Um dos tipos de transdutores de velocidade mais utilizados é o tacômetro ou gerador de pulso. Neste dispositivo a informação gerada é uma quantidade determinada de pulsos elétricos (por exemplo, 1440 pulsos) para cada 360° de giro no eixo mecânico. Pode-se utilizá-lo para uma grande quantidade de aplicações, como para medição de velocidade de esteiras, veículos, mesas transportadoras, motores, etc. 
Transdutor de Posição ou Encoder - O encoder é um dispositivo eletro-mecânico que informa ao controlador um código digital referente à posição do eixo mecânico. Estes transdutores normalmente utilizam caixa de redução interna ou externa para que a faixa numérica do código digital gerado possa ser utilizada com um número maior de voltas no eixo mecânico. Por exemplo, um encoder de 10 bits tem a capacidade de contar de 0 a 1023 para cada giro de 360° em seu eixo. Com o uso de uma caixa de engrenagens redutora, por exemplo, de 1/100, a cada 100 voltas no eixo o encoder gera um código de 0 a 1023. São utilizados em aplicações que usam mesas rotatórias, parafusos de posicionamento e robótica. Outro tipo de transdutor de posição bastante utilizado é a chave-limite. Tem o objetivo de detectar a posição inicial ou final de algum componente no processo, por exemplo, a posição final de um transportador de embalagens, as posições de porta aberta e porta fechada de um forno ou a posição limite do movimento do braço de um robô. 
Transdutores para Detecção de Presença - São transdutores que utilizam sensores capacitivos, indutivos ou ópticos para informar ao controlador a presença de algum elemento no fluxo produtivo. Os que utilizam sensores capacitivos são normalmente utilizados para detectar a presença de material plástico, de madeira ou alimentos, enquanto que os indutivos são utilizados para detectar material metálico. Os ópticos são utilizados para detectar uma variedade de elementos que possam interceptar um feixe de luz entre um emissor e receptor óptico.
Transdutores de Velocidade
Principio de funcionamento
Os transdutores de velocidade, tal como os de aceleração, pertencem à classe dos transdutoressísmicos. Os transdutores sísmicos fornecem informação sobre o movimento absoluto da superfície à qual estão presos. São usados em máquinas ou componentes que apresentam grande transmissibilidade, normalmente chumaceiras de rolamentos.
A maioria dos transdutores de velocidade são baseados no princípio da indução eletromagnética, onde um condutor se move através dum campo magnético, ou um campo magnético se move em relação ao condutor.
O transdutor eletromagnético consiste numa caixa com um enrolamento solidário. Uma mola interna suspende um magnete permanente cujo movimento relativo a um ponto livre no espaço é nulo quando o transdutor opera dentro de determinados limites de freqüência. A vibração da estrutura onde o transdutor se encontra montado provoca o seu deslocamento alternado e conseqüentemente o enrolamento desloca-se no espaço relativamente ao magnete cujo movimento é nulo.
Assim o campo magnético estacionário é cortado e uma voltagem proporcional à velocidade relativa do enrolamento e magnete é gerada. O sinal resultante, de elevada amplitude e baixa impedância, pode ser usado diretamente para análise ou para equipamento de monitorização. Não é necessário qualquer equipamento de alimentação.
Na utilização deste tipo de sensores há que ter em conta a variação de sensibilidade com a variação de viscosidade do fluido amortecedor devido às variações de temperatura. Estes sensores são também muito sensíveis aos campos magnéticos que lhes podem causar erros de medição.
Devido às limitações inerentes às suas características de auto-excitação e natureza essencialmente mecânica (magnete, mola), estes transdutores não têm grande aplicação em sistemas de monitorização permanente, mas tão somente em medições periódicas com transdutores manuais. A tendência atual é a sua substituição por acelerômetros que providenciam medições de velocidade graças a uma integração eletrônica interna.
	VANTAGENS
	DESVANTAGENS
	Não necessita alimentação.
Baixa impedância, logo não necessita condicionamento de sinal.
Baixas e médias freqüências.
A instalação não é critica.
Adequado a utilização de ponteira.
	Sujeito a desgastes e fadiga.
Dimensão grande.
Sensível a orientação.
Sensível as altas temperaturas (viscosidade do fluido).
Sensível aos campos magnéticos.
Limite inferior de freqüência elevado (>10Hz).
O tacômetro é um transdutor de velocidade bastante comum, utilizado em diversas aplicações. Em máquinas operatrizes, ele fica acoplado ao servo-motor, a fim de verificar sua rotação. O sinal de saída do tacômetro é diretamente proporcional à rotação do eixo do servo.
Tacômetro ótico
Tacômetros com sensores ópticos são frequentemente conhecidos como encoders digitais.
O transdutor é composto por um foto-emissor, um foto-detector e um disco. Os pulsos ópticos podem ser gerados a partir da utilização de duas técnicas foto-elétricas. Na primeira, os pulsos são gerados através do bloqueio e desbloqueio da luz, a partir da passagem de um disco ranhurado entre a fonte de luz e o foto-detector. Na alternativa, o foto-emissor e o receptor estão dispostos no mesmo lado de um disco reflexivo com setores pintados em intervalos angulares regulares. Como fonte de luz utiliza-se, tipicamente, lasers e LED, como fotodiodos (fonte de luz), e fototransistores como detectores. Tacômetros ópticos possuem uma melhor resolução, refletindo em melhor exatidão, se comparados a outros tipos de encoders digitas. Porém, não são tão confiáveis quando utilizados em ambientes hostis, pois resíduos no ambiente podem bloquear ou distorcer a passagem de luz.
Tacômetro de relutância variável
Transdutores de relutância variável são um tipo de tacômetro digital que utiliza o princípio indutivo para a detecção. Eles são largamente utilizados na indústria automotiva, devido a sua robustez. É constituído, basicamente, por uma bobina enrolada em um núcleo de material ferromagnético com um ímã fixo na base e uma roda dentada.
O princípio de funcionamento desse sensor baseia-se no princípio indutivo da lei de Faraday. A roda se movimenta próximo ao pólo do imã variando o fluxo magnético do sensor com a passagem de cada dente da roda, o que induz uma força eletromotriz na bobina. 
A magnitude da força eletromotriz pode ser calculada considerando um circuito magnético formado por uma roda dentada e uma bobina enrolada sobre um imã permanente. A força magnetomotriz é constante com o tempo e depende do tamanho do campo do imã permanente.
A relutância do circuito é dependente da distância entre a extremidade do dente e o pólo do magneto do sensor. Quando o dente está adjacente ao pólo do sensor a relutância é mínima, mas é aumentada com a movimentação do dente. A relutância é máxima quando o sensor está sobre a fenda, mas é diminuída com a aproximação do próximo dente ao pólo magnético.
A freqüência rotacional da roda pode ser determinada pela amplitude ou freqüência do sinal. No entanto, a medida da amplitude é mais suscetível a perturbações, tanto para efeitos de carga como para interferências elétricas.
Tacômetro com rotores dentados
O tacômetro mecânico mais utilizado é o típico contador de revoluções empregado para medir localmente a velocidade de rotação de todas as classes de máquinas ou dispositivos giratórios. Este contador consiste basicamente em um eixo flexível terminado em forma de ponta que se apoia sobre o centro da peça giratória. Ao girar, eixo flexível move, através de um trem de engrenagens, dois diais calibrados concêntricos, (um exterior, e outro interior). Cada divisão do dial exterior representa uma volta do eixo giratório, enquanto que no dial interior uma divisão representa uma revolução do dial exterior. Conhecido o tempo de trabalho do contador, medido mediante um cronômetro, é fácil calculara velocidade média em r.p.m.
O tacômetro de rotor dentando é mais comum do que os tacômetros de freqüência. Este tacômetro tem vários dentes ferromagnéticos em seu rotor. O estator tem um ímã permanente com uma bobina de fio enrolado no ímã. 
À medida que o rotor gira, os dentes se aproximam do ímã e em seguida o passam. Ao se aproximar o ímã do dente, a relutância do circuito magnético é baixa. Aumentando assim a força do campo no núcleo do ímã. Quando não passa perto dos dentes, a relutância do circuito magnético é alta, o que diminui a intensidade do campo no núcleo do ímã. Portanto se produz um ciclo de força do campo cada vez que passa um dente. Esta variação na intensidade do campo magnético induz uma tensão na ferida bobina sobre o ímã permanente. Ela produz um pulso de tensão para cada dente. 
A relação entre a freqüência de pulsos e a velocidade é dada por
rev / s = pulsos / s ÷ 6
Uma vez que leva seis pulsos para representar uma revolução. O número de rotações por minuto é igual ao número de rotações por segundo, multiplicado por 60. ou
S (r in / mm) = 60 (rev / s) = 60 (pulsos / s ÷ 6)
S (r entradalmin) = 10-F
Onde, f é a frequência de pulsos. Qualquer método utilizado irá refletir a equação, ou seja, a velocidade de rotação é igual à freqüência medida multiplicada pelo fator 10. Para um número diferente de dentes no rotor, o fator será diferente.
Tacômetro CC e AC
A velocidade angular pode ser medida através de geradores AC ou DC. Os geradores AC são usados para medir velocidades angulares médias. O número de ciclos de voltagem gerados por revolução depende do número de pólos, e a velocidade pode ser medida através de um simples contador de freqüência. A medição de velocidades instantâneas é mais complicada. Para este fim, é usado um conversor torsional de dois canais. Este conversor requer duas entradas para cada canal. A primeira entrada é o número de pulsos por revolução e a segunda é a voltagem pulsátil que vem do sensor. A saída do conversor gera medições de velocidade com uma sensibilidade de 0,05 mV.
Tacômetro de efeito Hall
Em sensores de efeito Hall, o elemento rotativo apresenta um design muito simples, na forma de uma roda dentada de metal. Osensor é de estado sólido - o dispositivo Hall - é colocado entre a roda dentada e um imã permanente. Quando uma fenda entre dentes está adjacente ao sensor, o campo magnético total do imã passa por ela. Depois, na aproximação do dente com o sensor, o dente desvia parte do campo magnético, reduzindo, assim, o campo através do sensor. Esse efeito faz com que o sensor produza uma tensão de saída proporcional à freqüência rotacional da roda. A freqüência rotacional pode ser obtida através da amplitude ou frequência do sinal.
Quando se aplica um campo magnético num condutor, as cargas elétricas se distribuem de modo que as positivas ficam de um lado e as negativas do lado oposto da borda do condutor. No caso de um semicondutor o efeito é mais pronunciado. Surge então uma pequena tensão nas bordas do material. É o Efeito Hall. Ele é a base do sensor magnético Hall. Atualmente são construídos sensores em circuito integrado na forma de um transistor. Este pode ser usado como sensor de posição se usado junto a um pequeno imã, colocado na peça. Quando esta é aproximada, o sensor atua, saturando o transistor Hall, fazendo a tensão entre coletor e emissor próxima de 0V. 
CONCLUSÃO
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://cursos.unisanta.br/mecanica/ciclo10/1088_Capitulo_5_Transdutores_de_Velocidade.pdf
http://professor.ucg.br/siteDocente/admin/arquivosUpload/10107/material/Aula%203%20-%20Sensores%20e%20atuadores.pdf
http://florianopolis.ifsc.edu.br/vnoll/transdutores2.pdf
http://www.oocities.org/toptekbr/dados/TACOMETRO.htm