Para ambientes industriais que apresentam maiores demandas, os projetos de engenharia precisam levar em consideração condições de maior criticidade, como temperaturas extremas, alta umidade e grandes quantidades de água. É importante observar que ao selecionar encoders para trabalhar em alta temperatura, deve-se considerar a expansão térmica de materiais e componentes, tais como o disco do encoder, bem como a velocidade máxima de operação na temperatura mais elevada prevista.
Já ao especificar encoders para baixas temperaturas, deve-se levar em conta a contração térmica e o torque adicional de partida devido a lubrificantes endurecidos. É preciso avaliar também os efeitos desses fatores no desempenho e na vida útil do encoder, a fim de especificar o dispositivo adequado.
Em ambos os casos, é fundamental que os projetos de engenharia considerem as particularidades do ambiente em que o encoder será utilizado, a fim de garantir o seu pleno funcionamento. Isso envolve avaliar questões como temperatura, umidade, vibração e exposição a agentes químicos ou físicos que possam interferir no desempenho do dispositivo.
Dessa forma, ao escolher o encoder adequado para um ambiente industrial crítico, é possível assegurar a precisão e a confiabilidade das medições realizadas. Além disso, a especificação correta do encoder pode contribuir para a redução de custos operacionais, ao minimizar a necessidade de manutenção e substituição do dispositivo. Portanto, é importante avaliar com cuidado as condições de operação do ambiente industrial e as especificações do encoder, a fim de escolher a melhor solução para cada caso.
Temperatura e o desempenho de encoders
Um encoder óptico é composto por um disco de código que se move entre um LED e um fotodetector para gerar informações de velocidade, direção e/ou posição. Os discos de código dos encoders ópticos podem ser feitos de vidro, Mylar ou metal. Por sua vez, os encoders magnéticos também utilizam um princípio semelhante, mas usam rodas padronizadas com domínios magnéticos. Independentemente do tipo, as condições ambientais podem afetar o desempenho, as propriedades mecânicas e a vida útil do dispositivo.
A expansão térmica em temperaturas elevadas pode representar um problema para os encoders. No caso dos encoders ópticos, o espaço de ar entre o disco e a fonte/detector pode ser bastante estreito, às vezes chegando a 0,020″. Dependendo da temperatura, tamanho da lacuna e coeficientes de expansão térmica dos materiais, essa expansão pode fazer com que os componentes entrem em contato uns com os outros, resultando em danos ou até mesmo falhas catastróficas. Além disso, temperaturas elevadas podem danificar os próprios discos, descolorindo o Mylar e introduzindo distorções de sinal. O calor também pode degradar os rolamentos, lubrificantes e vedações, resultando em falhas precoces.
Por outro lado, as baixas temperaturas apresentam problemas diferentes, como a contração térmica, que pode distorcer o disco do encoder óptico e afetar a qualidade do sinal. Em ambientes de mineração, óleo e gás, bem como em aplicações off-road, os rolamentos e a lubrificação podem apresentar problemas, uma vez que os lubrificantes tendem a endurecer a baixas temperaturas. Quando o encoder fica ocioso, o lubrificante pode não ser distribuído uniformemente pelos rolamentos no início da operação, o que pode resultar em danos aos componentes do rolamento e aumentar o torque inicial.
Além dos encoders ópticos, os encoders magnéticos também podem ser afetados por altos gradientes térmicos, embora em menor grau. A expansão e contração da roda magnética pode alterar o passo entre os elementos magnéticos, resultando em mudanças no sinal de saída. Embora as lacunas de ar sejam um problema menor, os encoders magnéticos modernos geralmente possuem intervalos de ar amplos (até 0,070″) e qualquer variação causada pela expansão ou contração térmica estará dentro da faixa de tolerância prevista para o intervalo de ar.
Como escolher um encoder para temperaturas extremas
Ao escolher um encoder para operar em temperaturas extremas, é essencial levar em consideração diversos fatores. É importante estar ciente de que exceder a velocidade recomendada de um encoder pode diminuir sua tolerância térmica.
Por exemplo, um encoder classificado entre –40° C e 85° C com uma velocidade máxima recomendada de 3.000 RPM pode ter sua temperatura reduzida em 10 para cada 1.000 RPM acima dessa velocidade.
É importante verificar se o fabricante qualificou a unidade usando testes como o teste de vida útil (highly accelerated lifetime testing – HALT) ou fadiga para avaliar o desempenho do dispositivo quando exposto a choques térmicos e vibrações. Componentes frágeis, como discos de vidro, são particularmente suscetíveis a essas condições e podem apresentar problemas.
As demandas de desempenho da aplicação também devem ser consideradas, e há uma troca entre a qualidade do disco e a sua resolução. Discos de vidro e de metal são limitados em termos de resolução, enquanto discos de Mylar, que são mais suscetíveis a temperaturas extremas, são usados em encoders de resolução mais alta.
É importante não presumir que uma resolução mais alta é necessariamente melhor, uma vez que os encoders apenas relatam a informação de posição e não podem compensar possíveis erros mecânicos no sistema. Portanto, ao especificar a resolução, é necessário selecionar um nível que realmente beneficiará a aplicação.
Efeitos da umidade no desempenho do encoder
A presença de umidade pode representar um problema para diversas aplicações, como ambientes marinhos, fabricação industrial (como na indústria de papel) e ambientes de lavagem (como na fabricação farmacêutica e na preparação de alimentos).
A umidade pode afetar as superfícies ópticas e enfraquecer o sinal nos encoders ópticos, além de danificar a eletrônica, levando a falhas prematuras. Isso é especialmente preocupante em ambientes corrosivos, como ambientes marinhos ou aqueles que envolvem produtos químicos agressivos.
Para enfrentar esses desafios, os OEMs podem selecionar componentes com graus de proteção (IP, ou ingress protection) adequados para cada aplicação. Os componentes com grau de proteção IP são projetados para resistir às condições listadas.
Por exemplo, uma classificação IP64 indica que o dispositivo é à prova de poeira e pode tolerar pulverização de água de baixa pressão, enquanto um dispositivo com proteção IP66 pode suportar jatos de água de alta pressão e outros com proteção IP67 são protegidos na condição de imersão até uma determinada profundidade.
Algumas medidas especiais podem incluir eletrônicos encapsulados, projetos sofisticados de vedação dos rolamentos, materiais alternativos para vedação e lubrificantes, além de carcaças especiais.
Dependendo dos requisitos de resolução e desempenho, um encoder magnético pode ser a melhor solução. Os encoders magnéticos não são afetados pela umidade e podem operar em ambientes úmidos e até mesmo submersos em líquidos.
Antes de escolher o encoder, é importante estudar as condições da sua aplicação e entender o grau de proteção IP necessário para selecionar um dispositivo que forneça a vida útil necessária. Converse com o seu fornecedor para garantir que os encoders tenham sido qualificados apropriadamente e para descobrir quaisquer requisitos de montagem especiais.
Para ambientes mais extremos, a melhor opção de feedback pode ser um resolver, que não contém nenhum componente eletrônico incorporado e apresenta bom desempenho em condições adversas. Converse com o seu fornecedor para determinar se um resolver é a melhor opção para a sua aplicação.
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