Medição da velocidade dos cilindros do laminador

A medição da velocidade de rotação dos cilindros do laminador é de fundamental importância numa planta industrial. Se as cadeiras estiverem dispostas em trem contínuo, uma das formas de disposição mais utilizadas nos parques industriais, o fator de deslizamento à frente, apresentado pela equação 21, torna-se parâmetro de fundamental importância no processo de laminação.

A instalação de dois sensores de velocidade, um em cada cilindro do laminador, permite a determinação da velocidade de giro dos cilindros do laminador a partir de dois métodos de medição diferentes: um a partir de um sensor óptico difuso tipo PNP com capacidade máxima de corrente de carga de 400 mA, usando o contato NA de sua saída e alimentado por uma tensão de 10 Vcc, é apresentado nas figuras 22 e 23; e outro a partir de um motor DC usado como tacogerador, apresentado na figura 25.

O sensor óptico difuso apresentado na figura 23 funciona emitindo um raio de luz infravermelho e captando essa radiação de volta em seu circuito receptor (THOMAZINI e BRAGA DE ALBUQUERQUE, 2005), sendo os circuitos emissor e receptor desse sensor óptico encontram-se juntos no mesmo encapsulamento. Ele faz isso a partir da reflexão da radiação em um objeto-alvo colado na lateral de um dos cilindros do laminador. O objeto-alvo em papel adesivo possui um formato circular subdividido em dezoito setores iguais, sendo nove setores na cor branca intercalados com outros nove setores na cor preta, possibilitando uma reflexão pulsada da radiação emitida pelo sensor. Após o ajuste adequado da sensibilidade do sensor, a radiação infravermelha se reflete nos setores de cor branca e ignora os setores na cor preta, gerando um trem de pulsos cuja frequência é representativa da velocidade de rotação dos cilindros do laminador. Quanto maior a velocidade de rotação dos cilindros maior será a frequência dos pulsos do trem de pulsos na saída do sensor.

Figura 23 – Sensor óptico IR e seu objeto-alvo

Como o sensor difuso foi alimentado por uma tensão de aproximadamente 10 Vcc a partir do módulo ADS0500 (LYNX TECNOLOGIA ELETRÔNICA LTDA, 2003) e a máxima tensão permitida na entrada digital do Arduíno é de 5 Vcc, foi necessário um circuito divisor de tensão antes que os pulsos do sensor pudessem ser capturados pelo Arduíno. A figura 24 apresenta a interligação do sensor difuso à placa Arduíno, e esta por sua vez interligada ao microcomputador.

Figura 24 – Circuito divisor de tensão do sensor IR

Fonte: Autor, 2016

O Arduíno Uno R3 por sua vez possui seis pinos de entrada analógica (A0 até A5) e quatorze pinos de I/O digital, dos quais seis permitem saída PWM (EVANS, NOBLE e HOCHENBAUM, 2013). A placa tem um processador ATmega328P com clock de 16 MHz e uma memória flash de 32 KB.

O programa gravado na placa Arduíno recebe o nome de sketch (MONK, 2013) e é apresentado no apêndice F – Rotina Arduíno R3. A função “pulseIn” implementada no sketch do Arduíno, especificamente na seção “//Velocidade do sensor infravermelho”, permite a determinação do período do trem de pulsos gerado no sensor. Essa função precisa interromper a execução do sketch e aguardar um tempo máximo especificado para realizar a leitura do período do trem de pulso do sensor. O tempo máximo de interrupção do sketch nesse projeto foi de 500 ms, o que torna impossível medir velocidades menores que 13,33 rpm. Considerando esta como uma velocidade mínima para execução de um experimento, as amostras levariam cerca de

4 segundos para passarem pelos cilindros do laminador resultando na captura de apenas 8 pontos de velocidade para cada amostra laminada. A partir da função “pulseIn” chega-se à frequência dos pulsos do sensor, que multiplicada por 60 segundos e dividida por 9 pulsos, uma vez que cada rotação do cilindro implica em nove pulsos gerados pelo objeto-alvo do sensor, chega-se então à velocidade de rotação dos cilindros do laminador. Posteriormente esse resultado em rotações por minuto (rpm) é disponibilizado na porta serial do Arduíno, permitindo a leitura no PC.

A fim de determinar a relação de transmissão do laminador, ajustou-se a velocidade do motor acionador para 1200 rpm através da IHM do inversor CFW09. Mediu-se a velocidade de 32,0 rpm nos cilindros do laminador com um tacômetro digital fotoelétrico da Minipa, modelo MDT-2244B, na faixa de 999,9 rpm selecionada automaticamente pelo instrumento dentre outras faixas possíveis até 99999 rpm. Assim, a cada 75 rotações do eixo do motor têm-se 2 rotações nos cilindros do laminador Machine (relação de transmissão 75:2).

Para que um motor DC possa medir velocidades ele necessita ser usado como um tacômetro analógico, o qual consiste em um pequeno motor com seu rotor imerso em um campo magnético permanente (BALBINOT e BRUSAMARELLO, 2007). O eixo de um gerador DC foi firmemente acoplado a um dos cilindros do laminador para que sua rotação possa gerar uma tensão proporcional à velocidade de rotação do cilindro. A figura 25 apresenta o tacômetro analógico montado a partir de um gerador DC.

Figura 25 – Medição da velocidade com gerador DC

Para que esse gerador DC pudesse ser usado como sensor de velocidade foi necessário o levantamento de sua curva de comportamento no laboratório de Instrumentação do IFES. Um segundo motor com a possibilidade de variação de sua velocidade foi acoplado ao eixo do gerador DC formando um conjunto moto – gerador solidário. Usou-se o osciloscópio digital GW-Instek, modelo GDS-1102A de 100 MHz, para medir a velocidade do conjunto solidário a partir da frequência dos pulsos de um sensor binário indutivo acoplado ao conjunto, e o calibrador de processo digital modelo Victor 78, na função multímetro e na escala automática, para medir o sinal de saída em tensão do gerador DC. Observou-se nesse levantamento que, apesar do interesse nas velocidades mais baixas, a maior linearidade do gerador DC se faz para velocidades mais elevadas, sendo o conjunto solidário ensaiado para velocidades crescentes até próximo de 2000 rpm. Na figura 26 foi apresentado apenas a faixa interesse do ensaio devido à escala do gráfico, ou seja, a faixa de 0 até 35 rpm.

Figura 26 – Comportamento do gerador DC

Fonte: Autor, 2016

Como o sentido de rotação dos cilindros do laminador é reversível, a polaridade do sinal de tensão na saída do gerador DC também se torna reversível. Assim, para implementar do gerador DC como sensor de velocidade nos cilindros do laminador

Machine foi necessário conectar simultaneamente a saída de sinal do gerador DC em oposição de polaridade a dois canais do módulo de aquisição de dados ADS0500 da Lynx. O ganho x1000 foi ajustado para os dois canais do módulo ADS0500, proporcionando uma variação de sinal analógica em tensão de 0 a 5 Vcc para o canal conectado na entrada A0 da placa Arduíno, e uma variação analógica de 0 a - 5 Vcc para o canal conectado na entrada A2, dependendo do sentido de giro dos cilindros do laminador. Ambos os canais apresentam uma variação de sinal analógica em proporcionalidade à variação de velocidade de 0 a 32 rpm, diferenciando-se apenas em polaridade segundo o sentido de giro dos cilindros. A figura 27 apresenta as conexões elétricas realizadas para o gerador DC.

Figura 27 – Circuito elétrico do gerador DC

Fonte: Autor, 2016

O tratamento dispensado aos sinais analógicos de velocidade do gerador DC, capturados pelo Arduíno em suas entradas analógicas A0 e A2, pode ser visualizado no sketch (MCROBERTS, 2015) apresentado no apêndice F – Rotina Arduíno R3, especificamente na seção “//Carga de laminação e velocidade do gerador DC”. Como o Arduíno atribui o valor zero a um sinal negativo em sua entrada analógica, pode-se observar que os sinais das entradas A0 e A2 são somados e escalonados para a faixa de velocidade de 0 a 32 rpm, sendo posteriormente disponibilizado na porta serial para captura e visualização no microcomputador.