TRANSDUTORES LINEAR (LVDT) E ANGULAR (RVDT)

Neste estudo os dois tipos de transdutores foram utilizados para a obtenção dos valores da força de atrito e variação do ângulo de incidência da força normal durante os ensaios. O transdutor LVDT é o sensor linear instalado no tribômetro, sendo utilizado para obter os valores em tensão (V) da força tangencial. O transdutor RVDT é sensor acoplado ao dispositivo oscilatório para obter os valores em tensão (V) correspondente ao ângulo de incidência da força normal aplicada no ensaio oscilatório.

3.5.1 Transdutor linear (LVDT)

O transformador diferencial variável linear (LVDT) é um transdutor de posição magnético, com características de precisão infinita, alta resolução, ausência de contato mecânico e elétrico entre o seu núcleo e o enrolamento. Seu uso é comum em ambientes agressivos tais como usinas nucleares e aceleradores de partículas e instrumental de medição (MASI et al., 2011; KNUDSON et. REMPE, 2012).

O início de sua utilização deu-se em laboratórios militares durante a segunda guerra mundial. Os primeiros textos sobre o transdutor LVDT citando a sua viabilidade tecnológica no controle de medidas de deslocamento foram escritos por Herman Schaevitz que apresentou em 1946 à Society of Experimental Stress Analysis, um artigo intitulado, “Linear Variable Diferential Transformer” (MATLACK et al., 2014).

O conceito básico do LVDT não foi modificado desde a sua criação. Esse transdutor consiste basicamente em um transformador com um enrolamento primário no centro da sua estrutura cilíndrica, energizado com uma tensão alternada e dois enrolamentos secundários, um em cada lado do primário, sendo um deles deslocado 180^o em relação à fase do enrolamento primário (MATLACK et al., 2014).

O esquema de montagem do LVDT está apresentado na FIGURA 32. O esquema de ligação dos enrolamentos e o princípio de funcionamento do LVDT estão mostrados na FIGURA 33.

FIGURA 32 – ESQUEMA DA MONTAGEM DE UM LVDT

FONTE: Adaptado de MATLACK et al., 2010

Um núcleo ferromagnético move-se ao longo da estrutura do LVDT e a tensão entre os rolamentos primário e secundário varia de acordo com a sua posição. Quando o núcleo está posicionado em um dos extremos da estrutura do LVDT a tensão no enrolamento secundário é máxima enquanto no outro enrolamento ela é mínima.

Quando o núcleo esta no meio da estrutura as duas tensões são iguais.

A posição do núcleo pode ser extraída por meio de leitura diferencial do sinal do enrolamento secundário. O enrolamento primário é alimentado com uma tensão na frequência de 2,5 a 10 kHz. A tensão no enrolamento secundário irá variar em dependência da posição do núcleo e conforme o nível de indução magnética.

De forma geral o material do núcleo é constituído por uma liga Ni-Fe, a qual apresenta elevada permeabilidade magnética (MASI et al., 2011).

O princípio de funcionamento do LVDT consiste na aplicação de uma tensão V_p no seu enrolamento primário e dependendo da posição do núcleo do LVDT com relação a esse enrolamento ocorre uma indutância nas bobinas secundárias, gerando as tensões V_sec1 e V_sec2, como indica a FIGURA 33. A tensão final V_out no LVDT é a diferença de tensão entre as bobinas secundárias V_out = V_sec1− V_sec2. A tensão V_out é a representação direta do deslocamento do atuador acoplado ao núcleo ferromagnético do transdutor LVDT (MISRA et al., 2014).

FIGURA 33 – ESQUEMA DE LIGAÇÃO DAS BOBINAS DO LVDT

FONTE: Adaptado de MATLACK et al., 2014

A operação de um LVDT pode ser descrita considerando posição do núcleo em três pontos ao longo de seu deslocamento:

Na situação 1 o núcleo está em seu ponto central ou ponto zero. A tensão em ambas as bobinas secundárias é igual (V_sec1= V_sec2) e, portanto, são iguais as forças

eletromotrizes induzidas pelas duas bobinas secundárias. Assim, V_out = 0 e também o deslocamento associado a essa tensão;

Na situação 2 o núcleo é deslocado para a esquerda da posição zero. Neste caso, um fluxo maior é dirigido para a bobina S₁ e um fluxo menor é dirigido para a bobina S₂, portanto (V_sec1 > V_sec2). Assim sendo, a tensão de saída V_out vai estar em fase com a tensão na bobina primária. O deslocamento registrado nessa direção terá o mesmo sinal, aumentando seu valor na medida em que o núcleo se distancia da sua posição zero ou neutra; mesmo em ambientes de elevada agressividade, esse transdutor tem demonstrado sensibilidade às variações de campo magnético externo, como aqueles próximos a motores ou cabos de elevada corrente. A influência, nesses casos, pode induzir erro de medição da ordem de centenas de µm, evidenciando portanto, tratar-se de problema relevante onde a elevada precisão de medição é necessária (MASI et al.,2011).

3.5.2 Transdutor angular (RVDT)

Os transdutores diferenciais rotacionais variáveis (RVDT) possuem o mesmo princípio de funcionamento e a mesma tecnologia utilizada nos transdutores lineares LVDT. O RVDT tem também como características a ausência de contato mecânico entre as suas partes móveis, alta linearidade e resolução. A FIGURA 34 mostra um RVDT típico para medição angular com os polos secundários 1 e 2, o polo primário, o rotor e eixo de acoplamento (MIDGLEY et al., 1997).

No RVDT o intervalo de linearidade típico é de ± 40°, e até ± 60°, em torno da posição nula (0°), embora o seu eixo apresente possibilidade de rotação de 360°.

A sensibilidade é de 2 a 3 mV por V/grau de rotação. As tensões de alimentação

alternada situam-se em 3 V rms, com frequências entre 400 Hz e 20 kHz. A posição de 0° é marcada no eixo e no corpo do transdutor para referenciar a sua instalação no equipamento em que será utilizado (KESTER, 2005).

FIGURA 34 – ESQUEMA DE MONTAGEM DE UM RVDT

FONTE: Adaptado de MIDGLEY et al., 1997

A FIGURA 35 mostra a variação da tensão de saída em relação ao ângulo de deflexão do RVDT. Embora a variação dessa tensão de saída em relação ao desvio angular seja essencialmente linear, a ocorrência de fugas bem como efeitos da corrente de Foucault podem levar a não linearidades do sistema nos ângulos extremos da amplitude angular medida (MIDGLEY et al., 1997).

FIGURA 35 – TENSÃO DE SAÍDA DO RVDT COM A VARIAÇÃO ANGULAR

FONTE: Adaptado de MIDGLEY et al., 1997