[001] Trata o presente relatório da descrição detalhada, acompanhada de figuras ilustrativas de um novo modelo de aparelho para medição de velocidade angular instantânea com alta resolução, por meio de utilização de encoders e TDC ( Time-to - Digital Converters), o qual é destinado para ser utilizado para realizar medições da velocidade angular instantânea em motores de combustão e motores elétricos, facilitando a avaliação da condição desses motores, o que permite detectar e diagnosticar possíveis problemas com os motores, por meio de variações da velocidade angular de cada ângulo no ciclo rotativo do funcionamento dos mesmos. CAMPO DE APLICAÇÃO

[002] O aparelho para medição de velocidade angular instantânea, objeto do novo modelo, é destinado para realizar medições da velocidade angular instantânea em motores de combustão e motores elétricos, facilitando a avaliação da condição de funcionamento e estado de conservação desses motores.

OBJETIVO DA INOVAÇÃO

[003] O aparelho para medição de velocidade angular instantânea, objeto do presente modelo, tem por principal objetivo, possibilitar a medida de velocidade angular com encoders de alta precisão medindo o tempo entre os ângulos por meio de Time-to-Digital Converters (TDC), com as vantagens de prover maior precisão de pico segundos na medida do tempo entre os ângulos de um encoder rotatório; oferecer baixo custo, pois não se utilizam processadores para a tarefa de coleta dos tempos e redução de erros de quantificação, pois possibilita a utilização de encoders de alta precisão sem a necessidade de investimentos elevados nos processadores. PROBLEMA A SER RESOLVIDO

[004] Com o aumento da resolução dos encoders, a tarefa para realizar a medida do intervalo de tempo entre cada sinal enviado pelo dispositivo torna-se cada vez mais complexa, assim como, o fato de reduzir a resolução do encoder, onde se perdem informações que possam existir em intervalos de ângulos menores. Em ambos os casos são aumentados os erros de quantificação que podem causar sérios problemas em diversas áreas.

[005] Atualmente são utilizados processadores para realizar a coleta dos dados e realizar o cálculo do intervalo de tempo entre os ângulos durante o funcionamento de um motor. Os processadores mais modernos utilizados para essa tarefa podem atingir taxas de até 1GHz para realizar as coletas e cálculos desse tipo de aplicação, contudo são dispositivos extremamente caros e de difícil aplicação em ambientes industriais e embarcados.

[006] O aparelho para medição de velocidade angular instantânea, objeto do presente modelo, possibilita a utilização de TDC ( Time-to-Digital Converters) juntamente com encoders de alta precisão, medindo o tempo entre pulsos com resolução em pico segundos. Aumentando a precisão e resolução da medida de velocidade angular de motores a combustão e elétricos, comparado a equipamentos já existentes no mercado. Os TDC’s ( Time-to-Digital Converters) são circuitos integrados que são exclusivamente desenvolvidos para medir o tempo entre eventos digitais, esses dispositivos são frequentemente usados para medir ecos ultrassónicos já tratados ou reflexão de luz, possibilitando medir distâncias e níveis. [007] Atualmente a utilização dos mesmos no mercado, não é aplicada para medir a velocidade angular entre pulsos de um encoder.

ESTADO DA TÉCNICA

[008] Atualmente existem no mercado equipamentos que possibilitam a leitura da velocidade angular instantânea de motores a combustão e elétricos. Com a leitura da velocidade angular é possível detectar e diagnosticar possíveis problemas com os motores, por meio de variações da velocidade angular de cada ângulo no ciclo rotativo. Para que isso seja possível é necessária a instalação de encoders dos mais variados tipos, indutivos, ópticos, efeito hall etc., absolutos ou incrementais, e com eles, são utilizados equipamentos que possibilitam a medida do tempo existente entre cada sinal enviado do encoder. E com os devidos tratamentos matemáticos são obtidas as variações das velocidades angulares.

[009] Por outro lado podem ser encontrados alguns documentos de patente que descrevem medidores de ciclos e velocidades angulares de motores destinados para diversas aplicações, porém nenhum desses aparelhos ou dispositivos possui a configuração e funcionamento conforme descritos nesta inovação. Dentre esses documentos podem-se destacar os seguintes:

[010] O documento de patente PI9408119-0, APARELHO PARA MEDIR UM OU MAIS PARÂMETROS CINEMÁTICOS, GEOMÉTRICOS E POSICIONAIS DE UM DISPOSITIVO DE ROTAÇÃO; APARELHO PARA MEDIR QUALQUER DESLOCAMENTO LATERAL DE UM CENTRO GEOMÉTRICO DE UM DISPOSITIVO DE ROTAÇÃO; APARELHO PARA MEDIR SUBSTANCIALMENTE A POSIÇÃO ANGULAR INSTANTÂNEA DE UM DISPOSITIVO DE ROTAÇÃO PARA UM PONTO DE REFERÊNCIA FIXADO DO DISPOSITIVO; APARELHO PARA MEDIR SUBSTANCIALMENTE A VELOCIDADE ANGULAR INSTANTÂNEA DE UM DISPOSITIVO DE ROTAÇÃO À MEDIDA QUE UM DISPOSITIVO DE ROTAÇÃO GIRA EM TORNO DE UM EIXO DE ROTAÇÃO; APARELHO INCLUINDO UM OBJETO DE ROTAÇÃO MONTADO NOS DISPOSITIVOS DE SUPORTE PARA GIRAR EM TORNO DE UM EIXO ROTACIONAL; SISTEMA DE TOMOGRAFIA DE RAIO-X; MÉTODO DE DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS ASSOCIADOS COM O MOVIMENTO DE UM DISCO CIRCULAR MONTADO NOS DISPOSITIVOS DE SUPORTE PARA ROTAÇÃO EM UM PLANO DE ROTAÇÃO EM TORNO DE UM EIXO ROTACIONAL, que trata de um sistema e método de medição de parâmetros cinemáticos, posicionais e geométricos de um sistema de rotação é descrito. O sistema inclui uma pluralidade de marcadores de intervalo espaçados (40) distribuídos em torno da periferia do dispositivos de rotação, tal como um disco (28), em torno de um círculo de raio conhecido concêntrico com um centro geométrico (31) do disco. Pelo menos três, e preferivelmente quatro sensores (42, 44, 50 e 52) para detectar os marcadores são posicionados para perceberem os marcadores como eles giram com o dispositivo de rotação. Os sensores são angularmente espaçados em relação um ao outro em torno do disco. Dispositivos são também fornecidos para interpolar localizações entre os marcadores selecionados pela medição do tempo desde que cada sensor percebe um marcador. Um marcador de referência (40A) é fornecido de forma a estabelecer um ponto de referência do dispositivo de rotação relativo a um ponto fixado aos sensores. Um circuito é fornecido determinando qualquer deslocamento lateral do centro geométrico do dispositivo de rotação, qualquer fuga de circunferência do dispositivo de rotação se desejado, a posição angular do dispositivo de rotação relativo ao ponto fixado relativo ao sensores, e a velocidade angular do dispositivo de rotação durante sua rotação. O aparelho tem particular aplicação em sistemas de tomografia de raio-X; [011] O documento de patente PI 0501481-6, COMUTADOR PARA UM MOTOR ELÉTRICO, DISPOSITIVO PARA MEDIR A ROTAÇÃO DO EIXO DE ROTOR DE MOTOR ELÉTRICO E MÉTODO PARA MEDIR A ROTAÇÃO DE UM EIXO DE ROTOR DE MOTOR ELÉTRICO; o qual se trata de um comutador (10) que compreende um anel de suporte (11) e uma pluralidade de segmentos condutores (18) arranjados sobre a circunferência do anel de suporte. Alguns dos segmentos condutores têm uma porção eletricamente isolante. O comutador é empregado com um dispositivo para medir a rotação de um eixo de rotor de motor elétrico. O anel do comutador é acoplado no eixo de rotor (50) e um invólucro do comutador compreende pelo menos três escovas (21 , 22, 23) adaptadas para entrar em contato com os segmentos do comutador. Pelo menos uma das escovas (23) é arranjada para entrar em contato com as porções isolantes desses segmentos do comutador adaptados para tal, para obter uma medição elétrica que permite que a velocidade, o sentido da rotação e a posição angular do eixo do rotor sejam determinados;

[012] O documento de patente PI9502257-0, APARELHAGEM, MÉTODO E SISTEMA PARA FILTRAR EFEITOS DE OSCILAÇÕES E TRANSIENTES DE MEDIÇÕES DE VELOCIDADE ANGULAR, composto de componentes do sistema de tração de um veículo (20). Um filtro (12) determina, com base em medições sucessivas da velocidade angular, qualquer aceleração angular de um componente do sistema de tração. Conjuntos predeterminados de multiplicadores unitários e fracionários são designados a faixas respectivas de aceleração angular. Cada medição sucessiva de velocidade angular é estimada adicionando o produto de um valor modificador selecionado e a diferença entre os valores atualmente detectado e anteriormente estimado da velocidade angular para o valor anteriormente estimado da velocidade angular. Os multiplicadores são avaliados e selecionados de maneira que, quando são detectadas acelerações angulares, porcentagens relativamente grandes das diferenças entre valores atualmente detectados e previamente estimados da velocidade angular são adicionadas um número relativamente pequeno de vezes a valores previamente estimados da velocidade angular quando as diferenças são relativamente pequenas. Por outro lado, porcentagens relativamente pequenas da diferença de valores atualmente detectados e anteriormente estimados da velocidade angular são adicionados um número relativamente grandes de vezes a valores estimados anteriormente da velocidade angular quando as diferenças são relativamente grandes;

[013] O documento de patente PI 102013029279-6, MÉTODO DE MEDIÇÃO ANGULAR MAGNÉTICA EM UMA ARTICULAÇÃO TIPO PINO-REI E QUINTA- RODA, que descreve um método de medição angular magnética em uma articulação tipo pino-rei e quinta-roda trata-se de método para medir o ângulo entre veículos de uma composição a qual possua uma articulação tipo pino- rei (1) e quinta roda (3). [014] Este método trata de um pino-rei (1), o qual possui um imã (2) e este é detectado por sensores magnéticos de efeito hall (5), os quais estão instalados na quinta roda (3). Desta maneira, com a rotação do pino-rei (1) sob seu eixo vertical, mudará a posição angular do imã (2) e por consequência a leitura de cada sensor (5). Pelos princípios de funcionamento dos sensores (5), através de algoritmo, é possível mensurar, independente da velocidade que o veículo estiver, o angulo formado entre os veículos de uma composição articulada que possua este tipo de articulação;

[015] O documento de patente PI 9911338-4, PROCESSOS E APARELHOS PARA MEDIR UMA ROTAÇÃO ANGULAR DE UM EIXO ROTATIVO E PARA TESTAR UM DESEMPENHO DE UMA MÁQUINA ROTATIVA OU DE UM COMPONENTE DA MESMA, sendo este um processo para medir uma rotação angular de um eixo rotativo, compreendendo as etapas de adaptar ao eixo um codificador rotativo digital que gera níveis lógicos, alto e baixo, sucessivos durante respectivos intervalos de tempo sucessivos. O eixo é girado e os respectivos intervalos de tempo de dada sucessivo nível lógico gerado pelo codificador rotativo digital são acumulados, de modo a permitir derivação da rotação angular, ou sua função, do eixo. Tal processo produz resultados precisos a respeito de erros de tolerância no ciclo de trabalho do codificador. Isto pode ser usado para testar um desempenho de uma máquina rotativa ou de um componente, de modo a derivar uma característica de velocidade- tempo da máquina rotativa ou de uma função da mesma. Devido à elevada resolução de medição inerente da invenção, o desempenho dinâmico pode ser determinado precisamente, bem como, o desempenho em estado estável sem a necessidade de desacelerar a velocidade das máquinas de rotação pelo uso e um volante;

[016] O documento de patente US2014150551 , DEVICE FOR MEASURING THE ANGULAR VELOCITYOR VELOCITY OF A MOVING PARTAND FOR DETECTING THE DIRECTION OF MOTION OF THE MOVING PART, o qual descreve um dispositivo de detecção de movimento que consiste em um único codificador e um único elemento sensor estacionário, o codificador, que é disposto em uma parte móvel, representando um padrão assimétrico. A velocidade angular ou a velocidade e a direção do movimento de uma parte móvel são determinadas a partir do sinal do sensor, medindo a inclinação da aresta ou o tempo de subida ou queda, analisando espectralmente a frequência e a relação de fase de um harmónico para a fase do fundamental, ou avaliando as assimetrias de uma sequência de pulsos retangulares; e

[017] O documento de patente US2014116132, DEVICE FOR MEASURING ANGLE AND ANGULAR VELOCITY OF DISTANCE AND SPEED, onde é descrito um dispositivo para medir ângulo e velocidade angular ou distância e velocidade de uma parte móvel. O dispositivo possui um sensor que é ou pode ser disposto de maneira estacionária e um codificador que é ou pode ser disposto sobre a parte móvel e, juntamente com o sensor, gera um sinal de modulação a ser demodulado pelo sensor. Para a medição de frequência necessária para medir a velocidade angular/velocidade, o codificador possui uma estrutura que reproduz um padrão periódico e é interrompido por pelo menos uma área de índice para a medição de ângulo/distância. Na área de índice, o codificador possui um padrão substituto que difere do padrão periódico por pelo menos uma variável física que pode ser detectada pelo sensor, mas possui uma estrutura que também permite a medição de frequência na área de índice.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[018] A seguir faz-se referência às Figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê:

- Figura 1 mostra um esquema do diagrama de blocos da configuração e funcionamento do aparelho para medição de velocidade angular instantânea, objeto do presente modelo.

- A figura 2 mostra figura da alternância entre os dispositivos TDC's alternando a contagem de tempo entre pulsos entre eles, os quais são utilizados no aparelho para medição de velocidade angular instantânea, objeto do presente modelo.

- A figura 3 mostra a seleção do TDC ativo que estará em funcionamento feita por um microcontrolador de baixo custo e portas lógicas do tipo AND.

- A figura 4 mostra os dispositivos TDC's utilizados para cálculo do intervalo de tempo entre pulsos.

DESCRIÇÃO DA INOVAÇÃO

[019] O aparelho para medição de velocidade angular instantânea, objeto do presente modelo, está essencialmente composto por dois circuitos TDC's, conectados ao motor através de um encoder e por sua vez conectados a um microcomputador ou semelhante, funcionando alternadamente. Enquanto um realiza a contagem do tempo entre os pulsos o outro envia as informações do tempo anterior já calculada ao computador que grava as informações, alternando a contagem de tempo entre pulsos entre eles. Os TDC’s recebem os sinais de pulsos gerenciados pelo microcontrolador nas entradas START e STOP, e por meio dessas entradas fazem o cálculo do tempo entre pulsos. Após realizarem a contagem de tempo, os TDC’s informam ao computador que esse já pode receber os dados de tempo por ele calculado, salvando a informação de intervalo de tempo em memória para realizar os cálculos de velocidade com precisão. Com todo o processamento gerenciado através de um software próprio embarcado.

VANTAGENS

[020] Desta forma o aparelho para medição de velocidade angular instantânea, objeto do presente modelo, conforme descrito acima, apresenta uma configuração nova e única que lhe configura grandes vantagens em relação aos aparelhos para a mesma aplicação atualmente utilizados e encontrados no mercado. Dentre essas vantagens podem-se citar: o aumento da exatidão e das leituras entre os ângulos do encoder, pois utiliza circuito específico para medição do tempo (TDC); o aumento da precisão de leituras, pois permite a utilização de encoders óticos com mais de 1000 ppr; a redução de custos de produção do dispositivo, devido não necessitar de processadores de alta capacidade de processamento; o fato de ser aproximadamente 200 vezes mais exato e preciso que equipamentos atuais que utilizam processadores industriais comuns para realizar a mesma tarefa, pois, por ser mais exato e preciso, permite realizar melhores diagnósticos dos motores ao qual foi instalado o dispositivo; e o fato de apresentar a possibilidade de aplicação em escala pelo baixo custo de produção do hardware.

[021] Assim, pelas características de configuração e funcionamento, acima descritas, pode-se notar claramente que o APARELHO PARA MEDIÇÃO DE VELOCIDADE ANGULAR INSTANTÂNEA, trata-se de um aparelho novo para o Estado da Técnica o qual reveste-se de condições de inovação, ato inventivo e industrialização inéditas, que o fazem merecer o Privilégio de Patente de Modelo de Utilidade.