Este artigo é dedicado à tecnologia de medição de nível de líquidos, usando a tecnologia de sensoriamento sem contato dos sensores magnéticos. Primeiramente mostraremos, de uma forma geral, os requisitos de uma aplicação de medição de nível de líquidos. Depois, faremos uma rápida introdução de algumas soluções atualmente utilizadas e das pesquisas que estão sendo realizadas para futuros sistemas, incluindo-se técnicas e métodos de contato e sem contato.
Nota: Artigo publicado na revista Saber Eletrônica 458 de 2011.
O sensoriamento magnético está se tornando uma solução comparativamente mais fácil e robusta para lidar com problemas de medição. Aqui, apresentaremos algumas das linhas de sensores magnéticos de mercado que se confirmam como solução eficaz para resolver tais problemas. Discutiremos os diferentes aspectos de um projeto de sensor de nível de líquidos, incluindo-se o projeto de circuitos magnéticos. Na última parte do texto, mostraremos alguns modelos de sensores de efeito Hall que se ajustam perfeitamente para sensoriamento de nível de líquidos.
Visão geral de um sensor de nível de líquidos e seus requisitos
Os sensores de nível de líquidos são usados em muitas diferentes aplicações com diferentes requisitos. Discutiremos agora as aplicações automotiva, industrial de consumo.
Aplicações Automotivas
Cada carro, caminhão ou motocicleta são equipados com um sensor de combustível para medir a quantidade de gasolina, álcool ou diesel que resta dentro do tanque. Apesar destes sensores estarem há muito tempo sendo utilizados, algumas inovações e evoluções estão ocorrendo e estão fazendo com que os fabricantes de veículos considerem estas novas soluções como ponto de partida para economia de espaço, peso e custos, aumento da confiabilidade destes sensores e das medições feitas dentro do tanque de combustível. Outros requisitos também estão sendo considerados: as atuais complexidades das geometrias dos recipientes, a redução da abertura e a dificuldade de remoção do tanque, que diminui a chance de possíveis vazamentos, o que garante de forma eficaz a estanqueidade do sistema.
Um sensor de nível de combustível tem que operar sob severas condições ambientais. Não somente ele é exposto a pesadas variações de temperaturas e vibrações, bem como tem que sobreviver aos ataques de componentes químicos como: etanol, metanol, ácido sulfúrico ou aditivos de combustíveis, etc. Estes componentes químicos têm um impacto direto na confiabilidade do sensor. Os fabricantes de automóveis estão constantemente aumentando os requisitos de confiabilidade, o que se explica pela qualidade exigida e demonstrada no ponto de venda dos carros e, por outro lado, se isso não for respeitado pode trazer para o consumidor um aumento do custo de reparos das peças defeituosas por conta da alta integração dos sensores, tanque, módulos e a complexa instalação de mangueiras e cabos.
Existem, ainda, outros diferentes líquidos utilizados em um veículo moderno. Muitos deles, importantíssimos para o correto funcionamento dos sistemas veiculares. Alguns exemplos são: óleo do motor, fluido de freios e da direção hidráulica, água do radiador, água de limpeza do para-brisas e dependendo do veículo, líquidos especiais utilizados em alguns conversores catalíticos. Os sensores que são utilizados para detectar estes líquidos normalmente têm que cumprir todos os requisitos de resistência química que os sensores de nível de combustível seguem.
Outro ponto importante é o espaço útil que cada vez é mais restrito, já que a maioria destes tanques são muito menores que um tanque de combustível tradicional. Muitos destes líquidos não são continuamente monitorados pelo motorista, mas é importante e suficiente que se tenha um indicador caso o nível mínimo destes líquidos tenha sido ultrapassado. Apresentaremos mais adiante o emprego de um indicador de nível baixo para este caso.
Aplicações Industriais e de Consumo
No caso da indústria em geral, temos uma ampla variedade de líquidos presentes na mais diferentes aplicações:na indústria de saneamento para monitorar tanques de tratamento, transporte e armazenamento de água, na indústria petroquímica para monitorar petróleo e seus derivados líquidos, na agricultura e setor de nutrição humana e animal para monitorar dosagens e o nível de fertilizantes líquidos. Os requisitos variam muito dependendo das condições ambientais, composição química dos líquidos, precisão da medida, espaço útil disponível e faixa de medição a ser coberta. Certamente existem disponíveis no mercado uma ampla variedade de sensores baseados em inúmeros princípios de medições. Mostraremos estes modelos no capítulo seguinte.
Na indústria de consumo e eletrodomésticos existem aplicações onde é necessário controlar e mostrar informações de nível de líquidos como por exemplo: máquinas de café automáticas, dispenser de água, espremedores de frutas, evaporadores de água, vaporizadores, frigideiras e congeladores, caldeiras, sistemas de aquecimento, lavadoras de pratos, ferros de passar a vapor, etc. Neste texto vamos dar algumas ideias de como implementar as soluções de sensoriamento para estas aplicações usando sensores magnéticos.
Princípios de medição
O número dos princípios de medição é tão amplo quanto os números de aplicações no mercado. Abaixo, damos alguns exemplos dos principais sensores e suas características de medição.
• Cartão resistivo discreto: Este é um tipo de resistor variável que é amplamente usado para medida de nível. Um contato, conectado a um braço de uma alavanca com uma pequena boia na ponta percorre os terminais dos contatos que estão ligados a resistores individuais, mudando assim a resistência vista entre os dois terminais. Somente dois fios são necessários para ligar o cartão resistivo e com apenas um elemento resistivo pode-se efetuar a leitura, e isso é suficiente para acomodar as não linearidades do formato do tanque. Assim, temos uma saída discreta proporcional aos elementos resistivos usados. De certa forma, nesta solução, pode-se perder um contato na transição entre dois pontos de contato. Outra desvantagem desta solução é que o princípio de sensoriamento de contato pode acarretar desgastes mecânicos;
• Cartão resistivo variável: Neste caso, os resistores não são discretos, mas são formados por uma pista resistiva que usa um material resistivo depositado em uma placa de cerâmica e um braço de alavanca com um ponto para o contato. O projetista que escolhe esse princípio, pode projetar seu sistema tanto para uma alavanca rotativa como para solução vertical flutuante. Algumas das deficiências dos cartões de resistor discreto são resolvidas dessa maneira, mas a solução ainda é baseada em contatos que podem desgastar-se devido à sobreposição de movimentos em torno de uma posição causada pela própria movimentação e nível do líquido;
• Contato Reed: Uma solução sem contato mais simples usa o famoso contato Reed. O elemento Reed consiste, basicamente, de um contato de metal ferroso que é montado em uma cavidade selada. Os contatos se conectam um com o outro assim que um campo magnético é aplicado. As aplicações típicas são: chaves de proximidades, indicadores de nível baixo de líquidos, substitutos sem fio para sensores de nível de líquidos discretos. Por serem simples e baratos, são mais frágeis e podem se quebrar devido a condições mais severas tipo vibrações;
• Sensores Hall: Por serem baratos e robustos e de comprovada solução sem contato para várias aplicações de sensoriamento de posição, iremos abordar esse princípio de medição em detalhes mais a frente;
• Outros Princípios: Existem outras inúmeras técnicas que não vamos explicar aqui em detalhes: Capacitiva, óptica, ultrassônica, magneto- resistiva ou estimativa de nível usando variáveis intermediárias tais como pressão e força. O leitor interessado pode encontrar mais detalhes destes métodos particulares em:
www.sensorsmag.comisensorsileak-le-velia-dozen-ways-measure-fluid-level-and-how-they-work-1067.
Sensores magnéticos de nível de combustível
Este item mostra algumas soluções de sensores de nível de combustível baseadas em sensores de efeito Hall. Consideramos aqui duas possibilidades: sistemas de flutuação vertical, bem como os sistemas de braço e alavanca. Por fim, mostraremos soluções de chave única para indicação de tanque cheio e tanque vazio.
Neste link o leitor pode ver um vídeo da representação do sistema: www.youtube.com/watch?v=-IBSAEGo4r8
Sensor de Alavanca Giratória
É a solução sem contato mais moderna para um sensor de nível de combustível que mantém o uso das mesmas estruturas mecânicas usadas até agora. A única diferença é que, neste caso, somente se substitui o cartão resistivo por um sensor sem contato baseado em um princípio magnético. Os circuitos magnéticos mostrados na figura 1 podem ser utilizados para uma simples implementação prática.
No primeiro exemplo, o sensor Hall linear é posicionado no centro de um ímã em um anel magnetizado diametralmente, em volta do ímã temos um outro anel feito de uma liga leve de ferro que será usado para orientar o fluxo magnético. Esta implementação tem a seguinte vantagem: o campo magnético dentro do anel é bem homogêneo, assim, mesmo pequenos problemas de variação mecânicas, não significam grandes desvios no sinal de saída. Adicionalmente o sensor é protegido pela liga leve de ferro, o que traz uma melhor segurança contra distúrbios externos.
Uma outra alternativa, no segundo exemplo visto na figura 1, é um circuito magnético mais simples que usa apenas duas placas magnéticas. Esta solução oferece um razoável grau de precisão e que, ao mesmo tempo, reduz os custos dos materiais utilizados. Este circuito é um pouco menos robusto contra desalinhamentos mecânicos, mas é suficiente para diferentes aplicações de medição de nível de combustíveis. Se usarmos um sensor programável do tipo TLE4997 poderemos fazer uma rápida calibração e assim usarmos o mesmo sensor para múltiplos e diferentes projetos.
Um sensor Hall linear mede somente o componente vertical do campo magnético, assim, se nós girarmos o ímã em torno do mesmo, nós conseguiremos o sinal de saída abaixo:
OUT ̴ B = BmaxSen(β)
Onde B é o componente perpendicular do campo magnético medido e Bmax é o campo magnético máximo. A relação entre o ângulo da alavanca p e a distância vertical h é dada pela equação: h = Rsen(β), onde R é a distância entre o ponto de articulação e a boia. Agora, combinando-se as duas fórmulas podemos obter:
OUT ̴ Bmax(h/R)
Isso nos mostra que o sinal de saída OUT é proporcional ao nível do líquido h.
A figura 2 também nos mostra como este sensor pode ser usado para substituir um sensor de nível que usa o tradicional cartão resistivo. A fim de termos uma sensibilidade similar, no que diz respeito à variável medida através de uma determinada faixa de medição, a forma de onda senoidal da saída do sensor Hall nos permite seguir a forma de onda de saída da placa resistiva dentro de alguns de seus limites.
A figura 3 ilustra a comparação do sinal de saída típico de um sensor de nível que usa o cartão resistivo e de uma solução similar que emprega o sensor Hall. O erro remanescente pode ser corrigido usando o microcontrolador e levando-se em conta a geometria não linear to tanque de combustível.
Sistemas de flutuação vertical
Uma outra possível implementação dos sensores de nível de combustível seria o uso de uma boia de movimento vertical. Dependendo da necessidade, sinal contínuo ou discreto, podemos utilizar neste projeto tanto sensores Hall linear ou chaves interruptoras Hall. A figura 4 exibe as duas possibilidades de implementação usando uma fileira de sensores Hall que se utiliza de dois pequenos ímãs, os quais estão magnetizados em direções opostas.
Através da escolha certa da distância e do tamanho dos ímãs, o componente horizontal do campo magnético acaba por ser linear em uma considerável faixa de operação como podemos ver na figura 5. As distâncias entre os sensores Hall lineares devem ser escolhidas de tal forma que haja sempre um sensor em sua faixa linear. Dependendo do sinal de saída dos sensores, é possível então escolher qual saída deve ser utilizada.
Agora, se você precisa saber apenas um sinal discreto do nível do líquido, então os sensores Hall Switches consistem numa opção mais barata e mais simples. Como vimos na figura 4, mostramos esta implementação onde é usada uma fileira de sensores Hall Switches. Diferentemente dos sensores lineares, a solução com interruptores Hall necessita apenas de um ímã. Uma forma de se obter uma boa resolução na medição e na distância coberta é se certificar que durante as transições sempre haja dois sensores ativos.
Na tabela 1 podemos ver uma matriz de decisões possíveis. Com este esquema é possível detectar nove posições distintas com 4 interruptores de efeito Hall.
Chave de indicação de nível baixo
Em alguns casos é necessário emitir um sinal de alerta para indicação de baixos níveis de líquidos. Para tanto, pode-se usar o sinal gerado por um sensor do nível de combustível, ou adicionar um interruptor indicador de baixo nível colocado na parte inferior do tanque. A figura 6 mostra uma possível implementação que usa um ímã permanente em um flutuador e um interruptor de efeito Hall. As aplicações deste interruptor também incluem muitos eletrodomésticos, tais como máquinas de lavar roupa, máquinas de café, ferros de passar a vapor ou dispensers de água.
Sensores magnéticos INFINEON para sensoriamento de nível de líquidos
A Infineon oferece uma ampla variedade de sensores magnéticos, incluindo-se dispositivos de efeito Hall e sensores baseados no princípio Magneto- Resistivo Gigante (GMR). Como vimos antes, sensores Hall lineares e interruptores Hall são os mais adequados para aplicações de sensoriamento de nível de líquidos, e alguns dos componentes mais importantes serão mostrados neste item.
Sensores Hall Lineares
A Infineon oferece uma ampla variedade de sensores Hall com diferentes interfaces, tipos de programação e encapsulamentos. Este item dará a você uma visão geral de família de sensores para esta aplicação. Veja a tabela 2. Para mais informações e detalhes acesse: www.infineon.com/sensors.
TLE4990
Apenas para exemplificar: o TLE4990 é um sensor de efeito Hall linear mais básico e antigo. Ele possui uma unidade de processamento de sinal analógico e é programável por queima de fusíveis. Como o sensor é totalmente programável, isso significa que seu ganho e sua sensibilidade podem ser ajustados em dois pontos de calibração diferentes. Devido ao encapsulamento PG-SSO-4-1 ser mais fino, ele se encaixa perfeitamente em pequenos espaços, possibilitando um menor espaço de ar entre o ímã e a medição do campo magnético. Este sensor foi muito utilizado em aplicações automotivas pelo seu alto desempenho e confiabilidade por conta do alto grau de utilização deste sensor em aplicações tais como sensoriamento da posição do pedal do acelerador.
A empresa Infineon não o recomenda para novos projetos. Os produtos indicados, a seguir, são as atualizações do TLE4990.
TLE4997
O TLE4997 foi concebido no lugar do TLE4990 para melhorar algumas das deficiências intrínsecas destes sensores devido ao regime de compensação analógico como o utilizado na maioria dos produtos similares do mercado, incluindo-se aí os desvios de offset e de sensibilidade em relação às altas temperaturas, aumento da precisão e da faixa dos parâmetros programáveis.
O processamento de sinal do TLE4997 foi inteiramente deslocado para o domínio digital, fazendo com que a influência dos parâmetros programados seja completamente determinística. Os efeitos das altas temperaturas no sensor Hall podem ser prontamente compensados através de um sistema de pré-calibração na própria linha de produção do componente na fábrica da Infineon. O TLE4997 também é o primeiro sensor do mercado que oferece parâmetros programáveis e independentes para ambos os coeficientes de temperatura de primeira e segunda ordem e para o ajuste da sensibilidade da aplicação.
O TLE4997 tem uma saída analógica raciométrica e pode ser usada como um substituto mais robusto para potenciômetros, por exemplo. Em sistemas eletrônicos ou eletromecânicos, raciométrica refere-se à razão entre a tensão de saída e a tensão de alimentação de entrada. Assim, se a tensão de entrada for duplicada, a tensão de saída será dobrada. É uma razão direta. Este sensor se apresenta com um pequeno encapsulamento de 3 pinos PG-SSO-3-10, e por isso é muito adequado ao uso em espaços limitados dentro de circuitos magnéticos do tipo o que apresentamos na figura 1.
TLE4998
A família TLE4998 é a sucessora do TLE4997, proporcionando novidades na interface e também grandes inovações quanto a estabilidade durante toda vida útil do componente. O conceito de processamento de sinal foi baseado no projeto do TLE4997, o DSP oferece uma conversão de sinal analógico para digital de alta precisão e um processamento de sinal determinístico digital. Uma inovação importante do TLE4998 é um sensor de estresse que está integrado ao próprio sensor e que permite monitorar constantemente o estresse mecânico induzido no chip por apertos desnecessários, ou por diferentes efeitos ambientais. As mudanças induzidas pelo estresse na sensibilidade do sensor são, então, compensados no DSP. O TLE4998 é o primeiro sensor desta classe que oferece esse recurso.
Como o TLE4997, o TLE4998 está disponível no encapsulamento de 3 pinos PG-SSO-3-10. Além disso, o sensor pode ser encomendado em um encapsulamento slim de 4-pinos PG-SSO-4-1 com uma altura de um milímetro apenas. Outra opção é o terceiro encapsulamento PG-SSO-3-9 de 3 pinos com dois capacitores integrados nos terminais entre Vdd e Gnd e entre Out e Gnd, o que aumenta a proteção contra surtos de EMC e microrrupturas, ajudando a reduzir ainda mais o custo total do sistema (figura 7).
O TLE4998P possui uma interface PWM, que em apenas um ciclo pode carregar toda a informação do sinal do sensor Hall. O sensor oferece uma resolução de 12 bits na saída, e combinado com uma detecção precisa do lado microcontrolador, pode levar a uma resolução muito maior do que o que é alcançável por uma interface analógica tradicional. Em nível de sistema, a interface PWM oferece vantagens de redução de custo em comparação com as soluções analógicas porque evita-se as múltiplas conversões de sinais de digital para analógico e vice-versa
Além de dispositivos com saída raciométrica, os sensores podem ser conectados diretamente a uma fonte de 12V. A saída consiste no modo de dreno aberto, um resistor de pull-up simples pode ser usado para conectar a saída para qualquer nível de tensão adequada e para o estágio de entrada do microcontrolador, conseguindo-se assim a independência completa entre microcontrolador e alimentação do sensor.
Interruptores de efeito Hall
A Infineon oferece uma ampla gama de interruptores de efeito Hall, cobrindo toda a gama de sensores de comutação unipolar e bipolar, bem como dispositivos de travamento. A família TLE49x6 tem um alto ponto de comutação e grande estabilidade. Se for necessário apenas informações discretas de liga ou desliga, uma boa escolha seria o interruptor de efeito Hall unipolar TLE4906. Disponível em dois encapsulamentos: o TLE4906H em SC59 SMD, bem como o TLE4906L em um encapsulamento PG-SSO-3-2 com chumbo (figura 8):
• Pequena propagação do ponto de comutação (Bop entre 6,5 e 13,5 mT, Brp entre -5,0 e 12 mT);
• Excelente compensação de temperatura (definido para -350 ppm / °C típico);
• Tempo de atraso pequeno (tipicamente 13 µs);
• Baixo jitter (tipicamente 1µs.
Além disso, todos os requisitos básicos para os sensores que trabalham em ambientes agressivos são preenchidos por esta parte, incluindo-se:
• Ampla faixa de operação de tensão de alimentação (2,7 V a 18 V);
• Alta faixa máxima de tensão de alimentação, incluindo a proteção contra inversão de polaridade (-18 V a 26 V);
• Faixa de alta temperatura (-40 a 150 °C faixa de operação, max-classificação até 195 °C por curto período de tempo);
• Alta imunidade contra ESD (6 kV).
Todas essas características tornam o TLE4906H e TLE4906L as escolhas ideais para aplicação em ambientes agressivos.
Mais informações sobre Hall Sensoring: www.infineon-designlink.com/Linear-Hall-Sensors-from-Infineon-%2B-New-Application-Notes-Available.
Conclusão
Apresentamos aqui algumas das implementações possíveis para sondas de nível de líquido sem contato, usando sensores de efeito Hall. Com a utilização e eficácia comprovadas em muitas aplicações automotivas, como ABS com sensor de velocidade ou de detecção de posição do pedal do acelerador, os sensores Hall consistem em uma solução robusta e durável para a detecção sem contato de alta qualidade. As empresas do setor de Eletrônica podem oferecer um amplo portfólio de Sensores de efeito Hall e Hall lineares, bem como interruptores de efeito Hall. Estes componentes são uma excelente opção para a medição de posição para uma ampla gama de aplicações no mercado.
Como foi mostrado, existem projetos fáceis e rápidos de serem implementados para a detecção de nível de líquidos e com certeza os sensores de efeito Hall podem ser efetivamente usados nestas aplicações.
