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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICAINSTRUMENTAO ELETRNICAPROFESSOR: LUCIANO CAVALCANTI

SENSOR DE VELOCIDADEHudson Pinheiro de Andrade

Este trabalho tem como objetivo apresentartcnicas de medio de velocidade em motorese elementos girantes atravs de dispositivoseletrnicos, nos diferentes processosindustriais, para que seja efetuado o controledesta varivel de processo por elementos deautomao.

Natal, Dezembro de 2008


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Introduo

Na maioria dos processos industriais, a velocidade uma das principais variveis

a ser controlada. Torna-se ento extremamente necessrio a medio desta varivel de

maneira eficiente e precisa, uma vez que uma variao mesmo que mnima na

velocidade pode acarretar em uma disformidade no produto final. Alm disto, quanto

maior a velocidade de um processo ou de uma linha de produo maior ser a

produtividade. Classifica-se a velocidade em:

Velocidade Linear: Velocidade descrita em um movimento retilneo. dada pela

razo do deslocamento x, ocorrido durante um intervalo de tempo t tendendo a zero,

por esse intervalo de tempo. Ou seja:

Onde:

x = Deslocamento linear

t = Intervalo de tempo

V = Velocidade

Velocidade Angular: Velocidade descrita em um movimento de rotao em

torno de um eixo fixo, chamado de eixo de rotao. descrita como a razo do

deslocamento angular, ocorrido durante um intervalo de tempo t tendendo a zero,

por esse intervalo de tempo. Ou seja:

Onde:

= Deslocamento angular

t = Intervalo de tempo

= Velocidade angular


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Uma das formas de se medir a velocidade utilizar algum dispositivo que

transforme diretamente esta grandeza mecnica em uma grandeza eltrica. Este

dispositivo existe e conhecido como tacogerador. Outra forma atravs da medio

das grandezas necessrias para se calcular a velocidade, ou seja, o deslocamento (seja

linear ou angular) e o tempo como descrito anteriormente. O Encoder, dispositivo

largamente utilizado na indstria, consegue medir com preciso o deslocamento. Ento

na prtica, utiliza-se o Encoder e algum outro dispositivo capaz de medir o tempo e

calcula-se a velocidade. O Tacogerador e o Encoder so sem dvida os dois

principais mtodos de medio de velocidade existentes na indstria, e sero detalhados

a seguir.


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Tacogerador

O tacogerador nada mais do que um gerador DC de m permanente acoplado

mecanicamente no eixo em que se deseja medir a velocidade. Embora seja mais

utilizado para medir a velocidade angular em mquinas rotativas, pode-se utiliz-lo paramedir a velocidade linear de mquinas como automveis, locomotivas entre outras,

sendo que para esse tipo de aplicao necessrio saber o dimetro da roda em questo.

Este gerador DC gera uma tenso de sada que proporcional a velocidade do seu eixo,

e dada por:

Onde:

E = F.e.m. gerada na armadura (Volts)

p = Nmero de plos

= Fluxo magntico por plo (Maxwell)

Z = Nmero de condutores na armadura

m = Nmero de percursos na armadura entre os terminais

N = Velocidade (RPM)

Observa-se na expresso acima, que mantendo todas as outras variveis (p, , Z,

m) fixas, se consegue estabelecer uma relao linear entre velocidade e tenso.

importante lembrar que para altas velocidades esta linearidade distorcida devido ao

efeito de saturao. A figura 1 apresenta o grfico tenso x velocidade em umtacogerador.

Figura 1 Grfico Tenso X Velocidade em um tacogerador


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Algumas exigncias so necessrias para que um motor DC funcione como um

tacogerador. So elas: Tenso de sada deve ser estabilizada na faixa operacional e a

sada deve ser estvel a variaes de temperatura. Os tacogeradores industriais

geralmente incorporam compensao de temperatura atravs de termistores e fazem uso

de comutador e escovas de prata para melhorar confiabilidade de comutao a baixas

velocidades e a baixas correntes que so tpicos desta aplicao. Para combinar alto

desempenho e baixo custo, alguns motores so freqentemente desenvolvidos para

incorporar um tacogerador montado no eixo do motor e dentro de uma nica carcaa

(figura 2).

Figura 2 Motor e tacogerador em uma mesma carcaa

Encoder

Encoder um dispositivo eletromecnico que conta ou reproduz pulsos eltricos

a partir do movimento rotacional do eixo. Pode ser definido tambm como um

transdutor de posio angular.

O encoder gera um pulso para um determinado incremento de rotao do eixo

(encoder rotativo), ou um pulso para uma determinada distncia linear percorrida

(encoder linear). Embora seja mais utilizado no controle de posio, o encoder tambm

utilizado para medir velocidade, uma vez que medindo a distncia total percorrida

(atravs da contagem dos pulsos na sada do encoder) e o tempo necessrio para esta

distncia ser percorrida, consegue-se calcular a velocidade. H vrios tipos em uso:

magntico, contacto, resistivo, e ptico. Porm, o sistema mais preciso o encoder


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ptico. Os encoders pticos operam por meio de um disco com ranhuras ou aberturas

transparentes, que se move entre uma fonte de luz (seja visvel ou infravermelha) e um

detector. Este disco acoplado mecanicamente em um eixo. medida que o eixo

comea a girar o disco passa entre a fonte e o detector, fazendo com que o feixe de luz

seja interrompido quando encontra uma parte fechada e seja novamente liberado quando

passar por uma abertura transparente, gerando assim uma onda pulsante. A fonte de luz

pode ser um Diodo Emissor de Luz (LED), um diodo infravermelho ou uma pequena

lmpada incandescente. J o detector normalmente um fototransistor ou mais

comumente um diodo fotovoltaico. Esse sistema simples composto por apenas um LED

prov um nico sinal de sada o que indesejvel, uma vez que o sinal de sada tem um

offset DC que dependente da temperatura fazendo com que o sinal fique difcil de ser

usado. Na prtica, dois fotodiodos so usados, organizados para produzir sinais com

180 de diferena de fase para cada canal, as duas sadas dos diodos so subtradas para

cancelar o offset DC (Figura 3).

Figura 3 Encoder ptico com sada combinada

Esta sada quase senoidal pode ser usada direta sem processamento, porm mais

freqentemente esta sada passa por um circuito eletrnico onde amplificada ou usada

para produzir uma onda quadrada (figura 4). Conseqentemente, os encoders industriais

podem ter como sada, uma onda senoidal ou uma onda quadrada e normalmente at

trs canais de sada.


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Figura 4 Estrutura bsica de um Encoder

No projeto em questo desenvolveu-se um sistema ptico eletrnico similar ao

mostrado na figura 4. Porm ao invs de se utilizar um disco com ranhuras optou-se em

usar um sensor ptico do tipo reflexivo, sendo que o seu feixe apontado para o eixo domotor e toda vez que o motor completa uma volta, um pulso gerado em sua sada

(figura 5). Este sensor e o circuito eletrnico desenvolvido sero abordados a seguir.

Sensor ptico Eletrnico de Velocidade

Descrio

O sensor de velocidade desenvolvido composto por um sensor ptico do tiporeflexivo e um circuito eletrnico digital. Constitui o sensor reflexivo, um emissor

infravermelho formado por um foto-diodo e um receptor infravermelho constitudo por

um foto-transistor. O emissor e o receptor so encapsulados em um mesmo conjunto. O

circuito eletrnico tem como objetivo isolar galvanicamente o sensor ptico do circuito

do controlador, evitando eventuais danos. Outra funo deste circuito converter o

nvel de tenso do sensor (normalmente 5 v) em um nvel industrial padro (12 v ou 24

v).

Figura 5 Estrutura do medidor de velocidade


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Princpios de Funcionamento

A maioria dos sensores pticos do tipo reflexivo existente no mercado, quando

alimentados com uma tenso continua, fornece em sua sada um sinal digital que pode

ser ou VCC ou GND. O que difere em alguns modelos a lgica de sada que pode serDARK ON ou LIGHT ON. Na lgica DARK ON, a sada fornece um sinal lgico 1

(Vcc) quando nenhum feixe de infravermelho chega ao receptor e gera um sinal lgico

0 (Gnd) quando algum anteparo reflete o feixe fazendo com que este chegue ate o

receptor. J na lgica LIGHT ON, o processo se inverte. Visando uma maior

flexibilidade de funcionamento projetou-se o circuito para atender os dois tipos de

lgica de sada. A figura 6 apresenta o esquemtico do circuito.

Figura 6 Esquemtico do circuito sensor de velocidade

O circuito deve ser ligado em 5 v para alimentar o sensor ptico e tambm deve

ser ligado na mesma fonte do controlador (24 v no caso de PLC). O circuito tem como

entrada os sinais de sada dos sensores pticos e gera como sada os sinais que sero

ligados no carto de entrada digital do controlador. Como dito anteriormente este

circuito realiza uma isolao galvnica entre o sensor e o controlador. Esta isolao

realizada atravs do foto acoplador TIL 111. Quando a parte clara do eixo do motor

(Fig.5) passar pelo sensor, a sada do mesmo (5 V no sensor LIGHT ON e 0 V no


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sensor DARK ON) ir gerar uma corrente de aproximadamente 16 mA que circular

pelo foto diodo do TIL 111, ou seja:

Onde:

Vcc = Tenso de alimentao do sensor = 5 v

Vd = Queda de tenso no diodo = 0,7V

R = Resistor de 270R

Esta corrente (16mA) gera um feixe de infravermelho suficiente para saturar o

foto transistor, e conseqentemente uma tenso prxima da tenso do controlador (24 v

no caso do PLC) aparece no pino de sada. Quando a parte escura do eixo do motor

(Fig.12) passar pelo sensor, a sada do mesmo (0 V no sensor LIGHT ON e 5 V no

sensor DARK ON) ir interromper a corrente que circulava pelo foto diodo, cessando

assim o feixe de infravermelho e conseqentemente levando o foto transistor regio de

corte. Uma vez cortado, uma tenso de 0 v ir aparecer na sada devido ao pull downrealizado com o resistor de 2K2. Colocou-se o resistor de 1M na base do foto transistor

(pino 6 do TIL 111) apenas por solicitao do fabricante. medida que o eixo do motor

vai girando o foto transistor vai cortando e saturando seqencialmente gerando assim

uma onda quadrada na sada do circuito. Se a rotao do motor permanecer constante

esta freqncia tambm ser constante. Sendo assim fica fcil determinar a velocidade

atravs do clculo da freqncia do sinal de sada. A figura 7 mostra o sinal na sada do

circuito sensor de velocidade.

Figura 7 Sinal na sada do circuito sensor de velocidade

Dado o perodo do sinal T em segundos, a rotao (velocidade) do motor ser:


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Onde:

f = freqncia em Hz

N = Velocidade em rpm (rotaes por minuto)

O processo descrito anteriormente para o clculo da velocidade pode ser

facilmente implementado em controladores atravs do uso de contadores e

temporizadores. A figura 8 apresenta o desenho da placa de circuito impresso do

circuito medidor de velocidade.

Figura 8 Placa de circuito impresso do sensor de velocidade

Bibliogafia:

- http://vinicius.brasil.vilabol.uol.com.br/eletronica/ele_index.htm

- http://pt.wikipedia.org/wiki/Encoder

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