Active Speed Sensor

Universidade Federal do Paraná

Departamento de Tecnologia

Curso de Engenharia Elétrica

Disciplina de Instrumentação Eletrônica - TE149

Professor: Eduardo Parente Ribeiro

Aluno: Gustavo Klinguelfus - RA: GRR 20041852

E-mail: klinguelfus@hotmail.com">klinguelfus@hotmail.com

ACTIVE SPEED SENSOR - SENSOR DE VELOCIDADE

1 INTRODUÇÃO

Atualmente os sensores de velocidade são amplamente utilizados, porém este trabalho terá como foco apenas uma das aplicações na área automotiva, que é a medição da rotação do motor (RPM), que tem como principio de funcionamento a relutância magnética, que será melhor discutida adiante.

Figura 1.1: Sensor de velocidade ângular Bosch

2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

A relutância de um circuito magnético determina qual é a força magnetomotriz necessária para produzir um determinado fluxo magnético Ø. A variação da relutância provoca variação no fluxo magnético, que por sua vez induz uma tensão alternada numa bobina, princípio assim descrito através da lei de Faraday:

V = dØ/dt

Equação 2.1: Lei de Faraday

Na maioria dos sensores que se baseiam neste princípio, a variação da relutância está associada à variação do comprimento do gap de ar, como será mostrado nas imagens a seguir:

Figura 2.1: Esquema do sensor

Figura 2.2: Esquema da variação de relutância magnética

Gráfico 2.1: Fluxo magnético em função do tempo

A resposta do sensor varia conforme o tamanho do gap de ar, como mostra o gráfico a seguir, que relaciona a taxa de conversão entre a freqüência (rotação) e a tensão produzida em função do gap de ar.

Gráfico 2.2: Tensão/freqüência em função do gap

3 ESPECIFÍCAÇÕES DO SENSOR

Faixa de medição: 0 RPM até aproximadamente 8000 RPM.
Tamanho nominal do gap: 0,1 mm até 1,1 mm (típico).
Precisão absoluta: ±0,5° (típico).
Repetibilidade: ±0,02° (típico).
Temperatura de operação: -40°C até +150°C.
Ponto de instalação: Integrado com o módulo de selagem da árvores de manivelas.

4 VANTAGENS

Medição do 0 RPM.
Compacto.
Larga faixa de temperatura de operação
Visor digital.

5 EXEMPLO DE APLICAÇÃO DO SENSOR

5.1 EXEMPLO ILUSTRATIVO

Apesar das inúmeras aplicações, o foco do artigo é apenas a medição da rotação de um motor automotivo. O sensor é utilizado para medir quantas rotações o motor realiza em um determinado tempo, tempo esse geralmente de um minuto (RPM). O esquema a seguir ilustra o funcionamento do sensor em um automóvel.

Figura 5.1: Esquema de aplicação automotiva

A figura a seguir representa um esquema de um motor automotivo a combustão, e a respectiva posição do sensor no motor.

Figura 5.2: Esquema de um motor a combustão

Para a leitura da medição poderia ser utilizado o seguinte circuito:

Figura 5.3: Circuito do leitor da medição

Um sensor de relutância magnética pode ser modelado como uma fonte de tensão AC. A amplitude da tensão produzida varia de poucos milivolts até tensões que excedem até mesmo a tensão da bateria.

Considerando que a amplitude da tensão produzida é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético, que por sua vez está assciada à variação da grandeza a ser medida, o circuito eletrônico necessário para condicionar o sinal produzio por um sensor de relutância magnética, pode ser tanto um simples circuito retificador quanto um conversor AC/RMS.

5.2 EXEMPLO REAL

O sistema apresentado faz parte do sistema de injeção eletrônica Multec 700, que é utilizado nos seguintes veículos automotivos:

Omega 2.2
S10
Blazer
Corsa 1.0/1.6 MPFI

Na árvore de manivelas há uma roda dentada (fônica) com 58 dentes (60 - 2), com um vazio pela falta de dois dentes. O vazio indica o ponto morto superior (PMS) dos cilindros 1 e 4. O cabo é blindado, aterrado à unidade de comando (ECU) para limitar as interferências.

O sensor consiste de um conjunto bobina/imã permanente, que gera uma tensão alternada quando a roda fônica gira. Esta tensão é de aproximadamente 200 mV quando a rotação do motor está abaixo de 60 RPM e de 120 V quando o motor está acima de 6000 RPM. A tensão gerada depende da distância da roda fônica de 58 dentes em relação ao sensor, que no caso esta folga deve ser de aproximadamente 1 mm.

Figura 5.4: Esquema de funcionamento do sensor

A falha na roda fônica faz com que a tensão de 0 V permaneça por um tempo um pouco maior. Isto é de suma importância para a ECU determinar a ordem de injeção (já que o sistema é banco a banco) e também da ignição. O quadro a seguir ilustra o que ocorre em cada cilindro do motor, levando em consideração a seguinte ordem de explosão dos cilindros: 1-3-4-2.

Ângulo da árvore de manivelas	Cilindro 1	Cilindro 2	Cilindro 3	Cilindro 4
0° a 180°	Explosão	Escape	Compressão	Admissão
180° a 360°	Escape	Admissão	Explosão	Compressão
360° a 540°	Admissão	Compressão	Escape	Explosão
540° a 720°	Compressão	Explosão	Admissão	Escape

Tabela 5.1: Ordem dos tempos para cada cilindro

Pela tabela acima, próximo do 0° da árvore de manivelas, deverá haver injeção nos cilindros 1 e 4. Neste momento, somente o cilindro 4 irá admitir, enquanto que o cilindro 4 fica em modo de espera.

Se não existisse a falha na roda fônica, a ECU não saberia o momento nem em qual cilindro injetar o combustível. Também seria impossível determinar em qual cilíndro deverá ser dada a centelha para iniciar o processo de explosão da mistura ar/combustível.

Quando se possui um sensor de detonação, o sinal de posição é inprescindível para que a ECU atrase o avanço da ignição no caso de um cilíndro problemático.

Figura 5.5: Esquema de ligação do sensor

O sinal de rotação e posição da árvore de manivelas é o mais importante para o sistema de injeção/ignição eletrônica. É através desse sinal que a ECU controla a maioria dos atuadores, tais como o módulo de ignição DIS, as válvulas injetoras, o relé da bomba de combustível, entre outros.

Na verdade, apesar do simples princípio de funcionamento, trata-se de um sinal extremamente complexo, pois, diferente de outros sensores, sua tensão gerada é alternada (sinal analógico). Também ocorre a variação do seu valor (ora tensão baixa em marcha lenta, ora tensão alta em plena carga).

A ECU deve converter o sinal analógico proveniente do sensor em um sinal digital e também estabilizar sua tensão máxima (no caso, em 5 V). A freqüência deste sinal convertido determina a rotação do motor, como mostra a ilustração abaixo:

Figura 5.6: Exemplo de sinal convertido pela ECU

6 CONCLUSÃO

Atualmente os automóveis estão altamente difundidos, e os consumidores estão proporcionalmente exigentes. Seja por luxo ou por necessidade, a medição da rotação de um motor de automóvel é indispensável nos dias de hoje. Mesmo se não existir algum display que mostre o valor das rotações do motor para o motorista, tal valor é necessário para o funcionamento dos principais sistemas de funcionamento do automóvel, como a injeção eletrônica por exemplo.

Por se tratar de uma função indispensável, tal sensor deve seguir um padrão de qualidade elevado, o que resulta em um produto preciso e ao mesmo tempo resistente.

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Bosch, Active Speed Sensor, http://www.bosch.com.br, acesso em março/2007.

[2] Wikipedia, Relutância Magnética, http://pt.wikipedia.org, acesso em março/2007.

[3] Carlos Reis, Artigo Sensores, http://www.fee.unicamp.br/FEEC-nova/index2.htm, acesso em março/2007.

[4] Webmecauto.com, Sistema de Injeção Eletrônica de Combustível - GM Multec B22/MPFI, http://www.webmecauto.com, acesso em março/2007.