O que são Sensores Magnetostritivos?

Sensores que utilizam o efeito magnetostritivo são equipamentos desenvolvidos para a medição de deslocamentos e velocidades lineares. São largamente utilizados para a medição de nível em tanques, e também em máquinas industriais, como injetoras de plástico, entre outros. 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. Funcionam através do princípio físico de mesmo nome, chamado Magnetostrição, Magnetostricção, ou ainda Magnetorestrição. Com o emprego de circuitos eletrônicos avançados, esse princípio permite fabricar sensores de posição de alta durabilidade, resistência e precisão, pois não existe qualquer tipo de contato físico, ou seja, não há qualquer tipo de desgaste mecânico.

Sensor Magnetostritivo acoplado a um cilindro

Réguas Potenciométricas

Mas antes de abordar o sensor magnetostritivo propriamente, convém falarmos sobre a tecnologia anterior a estes: os sensores potenciométricos. Criados na década de 1940, eram a única opção disponível para medições de deslocamento linear até meados da década de 1970.

Basicamente, são potenciômetros lineares encapsulados em perfil de alumínio. O elemento sensível é composto por um material plástico resistivo, que recebe o contato do conjunto de escovas, responsável pela transmissão da energia que percorre este elemento sensível ao conector, de forma proporcional à sua posição relativa. Essa mudança na resistência elétrica é detectada por um circuito eletrônico conhecido como divisor de tensão, que converte a variação de resistência em um sinal elétrico em tensão, proporcional à posição cuja leitura se deseja detectar. Finalmente, esse sinal elétrico é enviado para o controlador da máquina, que utiliza o valor analógico de tensão como uma variável no programa.

Exemplos de Réguas Potenciométricas

O aspecto mais crítico das réguas potenciométricas é sua durabilidade, pois as escovas precisam estar em constante contato com o elemento sensível, gerando atrito e, consequentemente, desgaste do conjunto ao longo do tempo.

Por ser um elemento puramente resistivo, há também uma limitação com relação à fonte de alimentação utilizada para o sensor: para se obter um sinal de saída de 0 a 10V, é necessário alimentar o sensor com uma fonte de 10V. Não é possível, por exemplo, alimentá-lo com 24V e obter o mesmo sinal de 0 a 10V, comumente utilizado nas entradas analógicas dos CLP’s. Além disso, variações na tensão da fonte podem se confundir com variações na posição do sensor, o que causaria falhas no processo.

Princípio da Magnetostrição

O sensor Magnetostritivo, por sua vez, requer um sistema eletrônico que permite explorar as interações físicas em nível molecular. Para uma melhor compreensão do funcionamento dessa tecnologia, é necessário descrever um pouco os fenômenos físicos envolvidos.

O fenômeno magnetoelástico, também chamado de magnetostrição, foi descoberto pelo físico inglês James Prescott 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. Esses materiais sofrem uma distorção microscópica na sua estrutura molecular quando magnetizados, com consequente variação de suas dimensões.

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 da barra. O aumento relativo do comprimento dessa barra, que pode ser provocado pelo efeito magnetostritivo (Efeito Joule), é muito pequeno, da ordem de 10^-6 m.

Efeito magnetostritivo

Simultaneamente, ocorre outro fenômeno 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.

Por último, temos mais um efeito magnetoelástico (Efeito Villary), que 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.

Aspectos Construtivos de um Sensor Magnetostritivo

O conjunto desses fenômenos é medido e avaliado pelo sensor magnetostritivo, que é composto por uma haste, geralmente feita de um material que exibe propriedades magnetostritivas. Dentro desta haste, um fio guia é colocado ao longo de seu comprimento. Ao lado deste fio guia, um atuador contendo um ímã se move livremente ao longo da haste, acompanhando, por exemplo, a parte móvel da máquina ou o nível de um líquido quando acoplado a uma boia.

Quando uma corrente elétrica é aplicada ao fio guia, ela gera um breve pulso magnético. À medida que este pulso se desloca ao longo do fio, ele interage com o campo magnético do ímã. Esta interação produz uma tensão no fio guia, que é detectada e medida por um circuito eletrônico. O tempo que leva para essa tensão aparecer após o pulso inicial é diretamente proporcional à posição do imã e, portanto, à posição linear relativa.

Aplicando-se os princípios físicos detalhados até aqui, o funcionamento do sensor magnetostritivo 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 circuito de medição;
• 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.

Construção de um sensor magnetostritivo

A aparente simplicidade do sensor pode nos induzir a concluir de que um sensor magnetostritivo é um projeto eletrônico e mecânico trivial. Mas na realidade ele 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.

Sensores Magnetostritivos Balluff

Os sensores magnetorestritivos Balluff são conhecidos por sua alta precisão, longa vida útil e baixa manutenção. Os modelos normatizados com cabeçote e haste cilíndrica já são tradicionalmente utilizados como acessório de cilindros hidráulicos e medição de nível em tanques, ao passo que os sensores encapsulados em perfil de alumínio vêm ganhando notoriedade na substituição de réguas potenciométricas, devido às elevadas durabilidade e confiabilidade, que diminuem os custos operacionais com paradas de máquina.

Linha de Magnetostritivos Balluff

Principais características:

• alta resolução: até 0,5 µm;
• comprimentos de medição até 7620 mm;
• mede várias posições e velocidades simultaneamente;
• livre de desgaste, pois trabalham sem contato – sem tempos de parada, longa vida útil;
• integração simples nos equipamentos graças às múltiplas interfaces – por exemplo, IO-Link, Profinet, EtherCAT, SSI e sinais de saída analógicos programáveis, o que permite a inversão, configuração e documentação da faixa de medição;
• três variantes de invólucro para uma instalação flexível e rápida conforme os requerimentos de espaço e aplicação;
• encoders de posição livres e guiados;
• ampliação das possibilidades de medição graças à tecnologia de múltiplos ímãs;

Opção de modelos com características especiais, tais como:

• • invólucro em aço inoxidável;
  • resistentes aumentada a impactos e vibrações;
  • grau de proteção IP69K;
  • temperatura de operação de –40 a +85°C;
  • resistência a pressões de até 1000 bar;
  • resistência a esterilização (SIP) e limpeza (CIP);
  • compensação de espuma em medições de nível;
  • certificações: 3-A Sanitary Standard, FDA, EHEDG;
  • redundância dupla ou tripla;

Na Safety Control você encontra toda a linha de Sensores Magnetrostritivos Balluff, além de contar com o suporte da nossa equipe para selecionar a melhor opção, seja em economia de custos ou aumento de qualidade e eficiência.