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Caro(a) Colega,

No artigo anterior, foi apresentado o sensor magnetostrictivo do ponto de vista dos seus princípios físicos de funcionamento. Nesse artigo vamos detalhar um pouco mais alguns aspectos construtivos e da eletrônica embarcada utilizados nesse tipo de sensor.

Abraço.

Henrique

consulte sempre um engenheiro eletrônico

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SENSORES MAGNETOSTRICTIVOS – ASPECTOS CONSTRUTIVOS E DE ELETRÔNICA EMBARCADA

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Introdução

No artigo anterior, O que são sensores magnetostrictivos?foram apresentados os princípios físicos desse tipo de sensor e alguns detalhes de como esses princípios podem ser aplicados. No final do artigo pode ser vista uma animação, que mostra como que uma integração engenhosa desses princípios físicos se transforma num sensor magnetostrictivo. A finalidade desse sensor é a de realizar medições de grandes deslocamentos lineares com precisão e indiretamente de volumes de líquidos em tanques.

A melhor maneira para se conhecer e entender um determinado equipamento é ter algum à disposição e poder desmontá-lo inteirinho para estudar as suas partes (Lembra quando você era criança e desmontava os seus brinquedos?). Mas nem sempre isso é possível. Porém, há maneiras alternativas para se conhecer e entender o funcionamento e os detalhes construtivos de qualquer equipamento, especialmente quando a tecnologia já está madura. A alternativa mais eficiente nesse caso é a pesquisa das patentes desse equipamento. Esse assunto já foi abordado no artigo técnico Projetos de Desenvolvimento: antes de começar (Parte II) desse blog. Aqui vamos nos aprofundar um pouco nesse assunto e mostrar a sua utilidade. A tecnologia do sensor magnetostrictivo pode ser considerada madura. Se pesquisarmos as patentes de sensores desse tipo no escritório americano de patentes, o USPTO, utilizando as palavras chave magnetostrictive and sensor para uma busca simples no banco de patentes desse escritório, serão apresentadas mais de 3.800 ocorrências, sendo que nessa pesquisa, a primeira, que poderia ser relacionada ao sensor que estamos analisando, data de 1972. É evidente que muitos desses resultados são referentes a outras invenções. Pode-se refinar a busca acrescentando o nome de algum fabricante conhecido, tais como Patriot, Magnetek, MTS, etc. Na Figura 1 são apresentadas algumas patentes como resultado da nossa busca. Esse serviço de busca de patentes limita-se às patentes americanas. (Para visualizar a pesquisa original completa, “clique” na figura).

Pesquisa na base de patentes do USPTO

Figura 1: Alguns resultados em resposta à busca de patentes – USPTO

A mesma busca de patentes pode ser realizada no escritório europeu de patentes, o EPO, utilizando-se um serviço denominado ESPACENET. O escritório europeu mantém as informações de patentes de vários países, inclusive patentes brasileiras e asiáticas. Se realizarmos a pesquisa com as mesmas palavras chave que utilizamos no USPTO, encontraremos mais de 1.600 patentes como resultado dessa busca. Na Figura 2 são apresentados alguns desses resultados. (Para visualizar a pesquisa original completa, “clique” na figura).

 

Resultados encontrados no ESPACENET para a busca de patentes

Figura 2: Alguns resultados em resposta à busca de patentes – Espacenet

É interessante você explorar algumas dessas patentes para ganhar a percepção do quanto de informação que se pode extrair desse tipo de documento. Para se ter uma primeira impressão sobre a patente é interessante inicialmente explorar as figuras, e se a patente for de interesse, ler os detalhes no texto. A seguir vamos mostrar alguns aspectos construtivos e da eletrônica embarcada do sensor utilizando-se desse recurso.

 

Aspectos construtivos do sensor magnetostrictivo

É comum encontrar nas patentes, especialmente nas mais antigas, desenhos bastante detalhados que apresentam o equipamento e suas partes de forma a ilustrar o que está sendo protegido pela patente. Assim, para se conhecer os detalhes de algum equipamento e as diversas soluções distintas para o mesmo, pode-se utilizar a pesquisa das patentes. Ela nos permite estabelecer o estado da arte desse equipamento. A seguir serão mostradas algumas figuras encontradas em patentes com os detalhes construtivos de alguns modelos de sensores magnetostrictivos. A Figura 3 mostra uma solução construtiva patenteada pela MTS. (“Clique” na figura para visualizar a patente completa).

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Figura 3: Detalhes de um sensor magnetostrictivo – MTS

Outra solução pode ser vista na Figura 4, desenvolvida pela Patriot, com detalhes construtivos bem distintos do sensor da Figura 3, porém as partes essenciais são muito parecidas. (“Clique” na figura para visualizar a patente completa).

 

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Figura 4: Detalhes de um sensor magnetostrictivo – Patriot

 

Se você ficou curioso e que ver mais algumas soluções, pode explorar as patentes selecionadas a seguir. É uma experiência muito interessante e reveladora.

Descrição da eletrônica embarcada no sensor magnetostrictivo

Quando se analisa os princípios físicos dos sensores e as diversas formas construtivas, percebe-se que é possível elaborar um diagrama em blocos genérico para essa eletrônica embarcada, de forma que cada função possa ser detalhada de acordo com a solução construtiva definida para o sensor. A eletrônica embarcada, quando vista em blocos, é na realidade bastante simples. É constituída pelas seguintes funções:

  • interface capaz de aplicar pulsos de corrente ao elemento sensor;
  • interface que capta e amplifica a resposta do elemento sensor ao pulso de corrente;
  • interface de comunicação;
  • fonte;
  • CPU, FPGA, DSP ou uma mistura desses recursos para compor o sistema eletrônico de processamento e comandar a geração dos impulsos, capturar as respostas, calcular as medidas e transmiti-las para um sistema computacional, que eventualmente administra um conjunto de sensores.

Pode-se observar a eletrônica embarcada, retratada em blocos na Figura 5.

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Figura 5: Representação em blocos da eletrônica embarcada

 

A eletrônica desenhada na Figura 5, em geral, fica abrigada na cabeça do sensor. Sua aparente simplicidade pode nos induzir a concluir de que um sensor magnetostrictivo é um projeto eletrônico e mecânico trivial. Mas na realidade um sensor magnetostrictivo apresenta inúmeras particularidades com relação aos materiais utilizados, dimensões de peças e componentes, detalhes construtivos mecânicos, especificações de componentes eletrônicos, entre outros, que precisam ser muito bem conhecidos e casados de forma que se consiga a operação do sensor com a precisão desejada. Uma precisão considerada normal para um sensor desse tipo é da ordem de alguns mícrons, em sensores que tenham mais de 3 metros de comprimento.

Quando se trata de eletrônica embarcada, também pode-se utilizar os recursos de pesquisa de patentes para pesquisar algumas soluções técnicas reais. Na Figura 6 se pode observar uma parte de um circuito eletrônico utilizado num sensor fabricado pela MTS (patente de 1991). Note que esse circuito é quase todo implementado com componentes discretos e apenas alguns poucos circuitos integrados. (“Clique” na figura para visualizar a patente completa).

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Figura 6: Esquema Elétrico de um sensor magnetostrictivo – MTS

 

Na Figura 7, pode-se observar outra solução, mais moderna, que utiliza um microcontrolador para a implementação da eletrônica embarcada de um sensor da MTS (patente de 2002). (“Clique” na figura para visualizar a patente completa).

 

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Figura 7: Esquema elétrico em blocos de um sensor – MTS

 

Em cada solução eletrônica destacada nas patentes é buscada a melhoria do desempenho do sensor com relação a alguns aspectos relevantes, tais como estabilidade com relação à variação de temperatura, precisão ou redução de ruídos. Entender como os sensores foram projetados, nos dá uma boa visão de como poderemos projetar um sensor semelhante na hipótese de um desenvolvimento de um sensor desse tipo.

Como informação adicional, na Figura 8, pode-se observar na tela de um osciloscópio digital, um exemplo de como um sensor magnetostrictivo típico funciona. No traço superior, em amarelo, pode-se observar um pulso estreito, referente à aplicação de um pulso de corrente sobre o fio de material magnetostrictivo. No traço inferior, em verde, pode-se observar a resposta a esse estímulo: um transitório no instante da aplicação do impulso de corrente e um impulso solitário, que chega após algum tempo, referente à detecção da torção provocada por um imã, que marca a posição linear no sensor.

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Figura 8: Visualização do funcionamento de um sensor magnetostrictivo

 

Nesse artigo técnico foram explorados aspectos construtivos e alguns exemplos da eletrônica embarcada utilizada em sensores magnetostrictivos. Foi utilizada a pesquisa de patentes como uma ferramenta para que se pudesse aprender e entender em maior profundidade os aspectos técnicos do sensor.  Esse recurso pode e deve ser utilizado em todo projeto de desenvolvimento, seja como fonte de informação, seja como referência para que se saiba o que da tecnologia é de domínio público e pode ser utilizado e o que está protegido, sempre levando em consideração as leis de patentes locais vigentes.

Licença Creative Commons
Esta obra, “Sensores magnetostrictivos – Aspectos construtivos e de eletrônica embarcada“, de Henrique Frank W. Puhlmann, foi licenciada sob uma Licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada.

Caro(a) Colega,

o sensor magnetostrictivo, sob ponto de vista de tecnologia e de física aplicada, é uma solução fantástica!! É de uma simplicidade quase infantil, se observarmos os seus princípios físicos, mas de uma grande complexidade, quando examinamos os detalhes técnicos do sensor. Tem muita tecnologia embutida nas suas diversas partes para que o sensor funcione direito. Leia o artigo abaixo para conhecer um pouco melhor os princípios de funcionamento de um sensor magnetostrictivo. O texto a seguir é parcialmente baseado no texto técnico  Magnetostriction: Basic Physical Elements da MTS Sensor Group (1.), um dos fabricantes de sensores comerciais desse tipo.

Abraço,

Henrique

consulte sempre um engenheiro eletrônico

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O QUE SÃO SENSORES MAGNETOSTRICTIVOS?

 

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Introdução

Sensores que utilizam o efeito magnetostrictivo são equipamentos desenvolvidos para a medição de deslocamentos lineares. Esses sensores são largamente utilizados para a medição de líquidos, como por exemplo, em tanques de combustíveis. Essa tecnologia também tem encontrado aplicações na indústria automotiva, na medição em tempo real do deslocamento de amortecedores. Esses sensores são constituídos por um tubo, em geral metálico, e um ou mais anéis magnéticos que se deslocam ao longo desse tubo para marcar suas posições.

Algumas vantagens desses sensores em comparação com sensores de outros tipos são: baixo custo, simplicidade, de fácil construção, robustez, não há contato entre o imã e o elemento sensor evitando-se assim o desgaste mecânico, grande precisão nas medidas e construção física favorável para a sua utilização em ambientes potencialmente explosivos. Na Figura 1 encontram-se retratados dois desses sensores.

Figura1: Exemplo de sensores magnetostrictivos comerciais (Frnklin Fuel e Ametek)

Figura 1: Exemplo de sensores magnetostrictivos comerciais (Franklin Fuel e Ametek)

A aplicação típica para esses sensores é a medição de volumes de líquidos em tanques. O sensor magnetostrictivo mede a distância entre um imã embutido numa bóia e a cabeça do sensor, e transmite essa medida para um sistema computacional remoto. Nesse sistema computacional, a medida é utilizada como parâmetro num modelo matemático correspondente à geometria do tanque e a partir desse modelo é calculado o volume de líquido que se encontra nesse tanque.  Na Figura 2 pode-se observar um desenho em corte de um tanque de combustíveis com um sensor instalado.

Figura 3: Vista em corte de um tanque mostrando a utilização de um sensor. (Veeder Root)

Figura 2: Vista em corte de um tanque mostrando a utilização de um sensor (2.)

 

Descrição dos fenômenos físicos envolvidos

Para uma melhor compreensão do funcionamento de um sensor magnetostrictivo, é necessário descrever um pouco os fenômenos físicos envolvidos nessa tecnologia (1.).

O fenômeno magnetoelástico, que chamamos de magnetostricção, foi descoberto por Joule há mais de 150 anos e descreve genericamente a mudança nas dimensões dos materiais ferromagnéticos, tais como ferro, níquel, cobalto e suas ligas, quando sujeitos a campos magnéticos externos. Os materiais ferromagnéticos, quando submetidos a um campo magnético, sofrem uma distorção microscópica na sua estrutura molecular, o que causa a variação de suas dimensões. Esse fenômeno físico é devido a um número muito alto de minúsculos imãs elementares, que formam o material ferromagnético. Essas partículas demonstram a tendência de arranjo em paralelo dentro de um campo limitado (Campo de Weiβ), mesmo não sendo influenciadas por um campo magnético externo. Dentro do campo de Weiβ, todos os imãs elementares estão orientados numa única direção.

Devido à distribuição aleatória dos campos de Weiβ, a aparência externa do corpo ferromagnético, em primeira instância, não indica nenhuma propriedade magnética. Porém, quando submetido a um campo magnético externo, essas áreas se orientam na direção desse campo magnético como um todo e ficam orientados em paralelo uns em relação aos outros. O campo magnético assim produzido pode ser de centenas a milhares de vezes mais forte do que o campo magnético externo.

Quando se introduz uma barra de material ferromagnético em um campo magnético orientado em paralelo com a direção longitudinal da barra, ocorrerá uma alteração no comprimento linear físico da barra. O aumento relativo do comprimento dessa barra, que pode ser provocado pelo efeito magnetostrictivo (Efeito Joule), é muito pequeno, da ordem de 10-6 (Figura 3).

Figura 3A variação do comprimento  (∆L) é devido à orientação dos campos de Weiβ, sob influência de um ímã externo paralelo.

Figura 3: A variação do comprimento (∆L) é devido à orientação dos campos de Weiβ, sob influência de um ímã externo paralelo (1.).

 

O efeito magnetostrictivo, visto como uma interação entre parâmetros magnéticos e mecânicos dos materiais ferromagnéticos, pode ser otimizado por seleção e manuseio adequado de ligas especiais de metais e controlado precisamente por organização da influência de campos magnéticos externos.

Outro efeito magnetostrictivo, cujo princípio é utilizado por sensores que utilizam essa tecnologia, é conhecido como Efeito Wiedeman, que descreve a torção mecânica de uma barra ferromagnética longa e fina submetida a um campo magnético longitudinal externo. Um fluxo de corrente elétrica na barra produz um campo magnético concêntrico.

Nos sensores, o campo magnético longitudinal é produzido parcialmente por um imã de posição no elemento sensor em formato de barra. Com o fluxo de corrente elétrica, o elemento sensor sofre uma torção parcial (Figura 4).

Figura 4: O efeito Wiedeman causa torção mecânica de uma barra ferromagnética, na qual flui uma corrente elétrica.

Figura 4: O efeito Wiedeman causa torção mecânica de uma barra ferromagnética, na qual flui uma corrente elétrica (1.).

Adicionalmente, utiliza-se também outro efeito magnetoelástico (Efeito Villary) para realizar a medida nesse tipo de sensor.  Esse efeito relaciona a alteração das propriedades magnéticas longitudinais, por exemplo, a alteração da permeabilidade de uma barra ferromagnética, que pode ser provocada por uma torção na direção longitudinal.

Através do princípio de indução, tal alteração de permeabilidade pode ser transformada num sinal elétrico e ser disponibilizado para condicionamento eletrônico de sinal.

A Figura 5 ilustra a forma como os fenômenos físicos descritos acima reunidos são usados para a implementação de um sistema de medição confiável. Um sensor magnetostrictivo é composto por cinco componentes principais:

  • elemento sensor (também chamado de guia de onda);
  • eletrônica embarcada associada ao sensor;
  •  imã permanente que determina a posição;
  •  sistema conversor de pulsos de torção;
  •  amortecimento no final do guia de onda.

O componente mais importante do sensor é o elemento sensor ferromagnético. Usualmente chama-se esse sensor de guia de onda, pois ele serve de condutor para uma onda torcional ultrassônica para o conversor de pulsos. Para que se tenha uma ideia clara sobre essa velocidade, basta citar que um pulso de torção se propaga ao longo do elemento sensor a uma velocidade típica de 2.800 m/s. Esse elemento sensor, na prática, é um fio ou arame maleável com as propriedades físicas adequadas para esse fim. Para a realização de medidas, a posição é marcada por um imã permanente móvel em torno da guia de ondas. Esse imã de posição, que está rigidamente fixado ao objeto de medida de posição, uma bóia, por exemplo, produz o campo magnético longitudinal na guia de onda. Observe que nesse sistema não há contato algum entre o imã e o elemento sensor, prevenindo assim o desgaste mecânico desses componentes ao longo da vida do sensor.

Para se realizar uma medida, a eletrônica embarcada associada aplica um pulso de corrente estreito ao sensor através do guia de onda. Enquanto a corrente viaja pelo guia, ela também gera e carrega um campo magnético secundário em direção radial em torno do guia de onda (Figura 5).

Figura 5: Princípio de funcionamento de um sensor magnetostrictivo.

Figura 5: Princípio de funcionamento de um sensor magnetostrictivo (1.).

Em seguida serão apresentadas algumas formas de converter os pulsos de torção em sinais elétricos. As três principais formas de fazê-lo (Figura 6):

  • Detecção direta do pulso de torção no guia de onda por meio de uma bobina axial;
  • Detecção mecânica do pulso de torção através de elemento sensor piezoelétrico;
  • Detecção de pulso de torção e conversão através de uma fita vertical embutida numa bobina.

 

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Figura 6: Comparativo entre os sistemas de conversão de pulsos mecânicos em elétricos (1.).

 

De forma resumida, aplicando-se os princípios físicos detalhados até aqui, o funcionamento do sensor magnetostrictivo pode ser descrito da seguinte maneira:

  • é gerado um estímulo na forma de pulso de corrente num fio esticado de material magnetostrictivo;
  • o pulso de corrente se propaga, propagando também um campo magnético radial;
  • quando o campo magnético gerado encontra o campo magnético de um imã permanente, é gerado um pulso de torção física no fio, que se propaga nas duas direções longitudinais desse fio;
  • um sensor capta essa propagação de torção e gera um sinal elétrico para o medidor;
  • é realizada a medição do tempo de propagação entre o estímulo e a captação da torção do fio para medir a distância linear do imã em relação ao sensor de torção.

Veja a seguir uma animação produzida pelo MTS Sensor Group, mostrando como que esses efeitos somados são utilizados para realizar medidas lineares de deslocamento. (Para visualizar a animação, “clicke” na figura).

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No próximo artigo, Sensores magnetostrictivos – Aspectos construtivos e de eletrônica embarcada, serão apresentadas algumas particularidades técnicas desse tipo de sensor.

Bibliografia

1.  Magnetostriction: Basic Physical Elements – MTS Sensor Group
2. UST Installation Instructions – Global Probe for TLS-50 Console – Veeder Root

 

Licença Creative Commons
Esta obra, “O que são sensores magnetostricivos?“, de Henrique Frank W. Puhlmann, foi licenciada sob uma Licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada.