Sensores de Deslocamento por Correntes Parasitas de Alta Precisão para Aplicações Industriais

Sensores de deslocamento por correntes parasitas pertencem ao grupo de sensores de deslocamento indutivos e são bem adaptados para aplicações industriais. Diferentemente de sensores indutivos convencionais, o princípio de medição para sensores de correntes parasitas permite medições em materiais não ferromagnéticos (ex: alumínio) assim como ferromagnéticos (ex: aço). Eles são projetados para medições sem contato e sem desgaste de deslocamento, distância, posição, oscilação, vibração e espessura. Portanto, são idealmente adequados para monitoramento de máquinas e sistemas — podem fazer medições em ambientes industriais severos, mesmo onde ocorrem pressão, sujeira ou flutuações de temperatura.

Tipicamente, sensores de deslocamento por correntes parasitas são usados onde alta precisão de medição é requerida e outros sensores não conseguem lidar com as condições ambientes prevalentes. Sensores ópticos, por exemplo, são influenciados por sujeira ou poeira na folga de medição e por altas temperaturas. Sensores de deslocamento indutivos convencionais usam núcleos de ferrita, que têm um erro de linearidade comparativamente alto e uma resposta de frequência menor. Além disso, sua precisão de medição diminui com temperatura ambiente flutuante.

Apenas alvos metálicos condutivos, sejam ferromagnéticos ou não ferromagnéticos, podem ser medidos usando sensores de deslocamento por correntes parasitas. Materiais não condutivos são invisíveis para o sistema de medição por correntes parasitas e, portanto, não têm efeito nos resultados de medição. Por esta razão, esses sensores podem medir através de materiais como plásticos e óleo sobre objetos metálicos. Isso viabiliza aplicações como medições de folga de óleo e medições de distância contra rolos que guiam filmes plásticos.

Limitações de Sensores de Deslocamento Indutivos Convencionais

O sensor de deslocamento indutivo clássico usa uma bobina enrolada em torno de um núcleo ferromagnético. Por causa desse núcleo, a saída é não linear, então deve ser linearizada na eletrônica do sensor ou o usuário deve contabilizar essa não linearidade em seu sistema de controle de planta.

Além da não linearidade, outras limitações incluem perdas de ferro causadas pelo fato de que o próprio núcleo absorve o campo magnético. Essas perdas aumentam com a frequência, a ponto de um sensor de deslocamento indutivo atingir os limites de seu desempenho em torno de 100 medições por segundo.

Outro problema com sensores de deslocamento indutivos é sua sensibilidade a variações extremas de temperatura devido ao alto coeficiente de expansão térmica do núcleo de ferrita. Isso torna a compensação de temperatura desafiadora, normalmente resultando em alta deriva térmica.

Correntes Parasitas vs Sensores de Deslocamento Capacitivos

Sensores de correntes parasitas e capacitivos detectam a distância para um objeto de medição eletricamente condutivo baseado em mudanças no campo elétrico. Sensores de correntes parasitas medem a distância via mudança de impedância da bobina do sensor. Com sensoriamento capacitivo, o sensor e o objeto de medição formam as placas de um capacitor.

Ambos os tipos podem medir na faixa submicrométrica. No entanto, diferem consideravelmente com relação ao ambiente operacional. Sensores de correntes parasitas são idealmente adequados a ambientes industriais severos que incluem sujeira, poeira e umidade. Sensores capacitivos, por outro lado, requerem o tipo de ambientes limpos que podem ser encontrados em produção de eletrônicos, laboratórios e salas limpas.

Sensores de Deslocamento por Correntes Parasitas

Embora sensores de correntes parasitas empreguem as mesmas leis de indução magnética que sensores de deslocamento e proximidade indutivos, sua construção de bobina com núcleo de ar permite maior precisão, velocidade de medição e estabilidade — não linearidade e deriva de temperatura não são problemas.

Suas vantagens incluem:

• Medições rápidas até 100 kHz.

• Alta resolução até 0,5 μm ou melhor.

• Alta linearidade.

• Alta estabilidade de temperatura em temperaturas ambientes flutuantes, que pode ser ainda melhorada com compensação ativa de temperatura embutida.

• Medição usando materiais alvo ferromagnéticos ou não ferromagnéticos.

• Não são afetados por alta pressão, alta temperatura, sujeira, vapor ou óleo.

Princípio de Operação do Sensor de Correntes Parasitas

Uma corrente alternada na bobina de sensoriamento produz um campo magnético variável. Este campo induz uma corrente no alvo — a corrente parasita. A corrente parasita alternada produz seu próprio campo magnético, que opõe o campo da bobina de sensoriamento, alterando assim a impedância da bobina de sensoriamento. A quantidade de mudança de impedância depende da distância entre o alvo e a bobina de sensoriamento na sonda. O fluxo de corrente na bobina de sensoriamento, que é dependente de impedância, é processado para produzir a tensão de saída, que é uma indicação da posição do alvo relativa à sonda.

Compensação de Temperatura

Como vários designs diferentes de sensores de correntes parasitas estão disponíveis da Micro-Epsilon, engenheiros podem selecionar o sensor ideal para sua aplicação particular. Por exemplo, compensação ativa de temperatura é necessária se medições altamente precisas forem requeridas. Com temperaturas variáveis, há dois fatores que podem influenciar o sinal de medição: mudanças mecânicas, onde as dimensões geométricas do sensor e do alvo mudam na forma de expansão ou contração do sensor e do alvo. E efeitos elétricos têm um impacto ainda maior que mecânicos devido a mudanças nas características eletromagnéticas.

Por exemplo, a série eddyNCDT 3001 é especialmente projetada para aplicações onde sensores de deslocamento indutivos convencionais frequentemente atingiram seus limites de desempenho. Eles têm dimensões compactas e estão disponíveis em carcaças M12 e M18, cobrindo faixas de medição de 2mm a 8mm. São protegidos IP67, e assim são aplicáveis em automação, construção de máquinas e design. Além disso, são compensados de temperatura até 70 °C. Têm alta precisão de medição e linearidade, bem como taxa de resposta de frequência de 5 kHz e são calibrados de fábrica para objetos ferromagnéticos e não ferromagnéticos como alumínio e aço.

Mancais Hidrostáticos

Uma aplicação para sensores de deslocamento por correntes parasitas é em máquinas grandes como moinhos de pedra ou instalações telescópicas, que frequentemente trabalham com mancais hidrostáticos. Estes sistemas de mancais são continuamente supridos com lubrificante líquido via suprimento de pressão externo. O lubrificante é pressionado entre as superfícies do mancal, que são portanto continuamente separadas uma da outra por um fino filme de lubrificante. As superfícies do mancal não são expostas a atrito e, portanto, operam sem desgaste. Isso viabiliza controle de posição sub-micrométrico. Quaisquer distúrbios na hidráulica, ou quedas de pressão, no entanto, podem ter consequências desastrosas. Isso pode resultar em danos aos mancais e, por fim, falha do sistema, causando altos custos de manutenção e reparo. A folga de óleo em mancais hidrostáticos, portanto, requer inspeção contínua confiável. Para esta aplicação, o sensor é montado horizontalmente na sapatilha do mancal, então não é diretamente exposto à pressão do óleo. Ele mede através do filme de óleo na superfície do mancal oposta.

Motores de Combustão

A posição exata do pistão, anéis do pistão e as condições de pressão existentes são informações essenciais para fabricantes de motores de combustão. Usando ferramentas de simulação, esses dados são primariamente usados para fazer previsões confiáveis sobre desgaste, atrito e consumo de óleo. O sensor de correntes parasitas mede o anel do pistão e os chamados movimentos secundários do pistão, com altas precisões. Aqui, as vantagens dos sensores de correntes parasitas — resistência às altas temperaturas em motores de combustão (até 180°C e até mais por curtos períodos) — são aparentes. A vibração prevalente, pressão, óleo, combustível, gás de combustão e movimento mecânico contínuo não influenciam a precisão dos resultados. Além disso, sensores eddyNCDT oferecem velocidades de medição rápidas com pequenas faixas de medição (0 – 0,5 mm) e resolução extremamente alta (menos de 1μm).

Miniaturização

A Micro-Epsilon desenvolveu um sensor que usa tecnologia de bobina embutida (ECT) para miniaturização. Esta técnica de produção permite escopo quase ilimitado em termos de design externo e forma geométrica dos sensores, enquanto permite que a eletrônica de avaliação seja integrada no sensor. É construído incorporando uma bobina de correntes parasitas bidimensional em um material inorgânico, o que melhora a estabilidade, robustez e resistência térmica dos sensores. Esses sensores são adequados para aplicações extremamente severas como ultra-alto vácuo em produção de semicondutores.

Sensores de Deslocamento por Correntes Parasitas — Pequenos mas Poderosos Trabalhadores Industriais

Estes pequenos sensores são ideais para ambientes industriais, onde os ambientes são mais severos e desafiadores, mas exigem medições extremamente precisas. Podem ser usados em tudo, desde medir folgas em mancais hidrostáticos em máquinas grandes, folga entre pistão e cilindro, até medições de distância contra rolos que guiam filmes plásticos.

Este artigo foi escrito por Martin Dumberger, Diretor Gerente, Micro-Epsilon USA, (Raleigh, NC). Para mais informações, contate o Sr. Dumberger em este endereço de e-mail ou visite aqui.