Este artigo propõe aos leitores a montagem de um detector de metais, explorando as propriedades dos campos magnéticos e as correntes de Foucault (eddy currents) para detecção de metais. Os conceitos serão aplicados através da construção de um circuito eletrônico capaz de acusar a presença de corpos metálicos, analisando seu funcionamento e desenvolvendo a montagem prática. Compreendendo o funcionamento, o leitor poderá explorar o circuito, interagindo de forma a melhorar a detecção ou mesmo propor um novo circuito!
Msc. Eng. Prof. Antonio Carlos Gasparetti
Correntes eddy ou correntes de Foucault
Para entendermos o funcionamento do detetor, vamos explorar as propriedades das As correntes “parasitas” (também chamadas de correntes de Foucault) [1][2] são “loops” de corrente elétrica induzida dentro dos condutores por uma mudança no campo magnético no condutor, devido a Lei da indução de Faraday. A Lei de Faraday é também conhecida como lei da indução eletromagnética. Esta lei foi estabelecida pelo físico e químico britânico Michael Faraday (1791-1867) a qual afirma que a variação no fluxo de campo magnético através de materiais condutores induz o surgimento de uma corrente elétrica.[3][4]
Em 1834, Heinrich Lenz, verificou que a direção do fluxo de corrente induzida em um objeto será de modo que seu campo magnético se oponha à mudança de campo que causou o fluxo atual (Lei de Lenz). O físico francês Léon Foucault (1819-1868) [1] é creditado por ter descoberto as correntes parasitas.
Em setembro,1855, ele descobriu que a força necessária para a rotação de um disco de cobre torna-se maior quando é feito para girar com sua borda entre os pólos de um ímã, o disco ao mesmo tempo que fica aquecido pela corrente parasita induzida no metal. [2]
O termo corrente parasita (correntes eddy) vem de correntes análogas visto na água ao remar usando um remo, causando áreas de turbulência conhecidas como redemoinhos dão origem a persistentes vórtices [5]. De forma análoga, as correntes parasitas podem levar tempo para construir e pode persistir por tempos muito curtos em condutores devido à sua indutância. Vale ressaltar que o comportamento do magnetismo no metal não obriga a ser necessariamente ser ferromagnético, o que abre a possibilidade de detecção de qualquer tipo de metal condutor [4]. A figura 1 ilustra como as correntes eddy são induzidas em uma superfície condutora [6].
Explorando as propriedades das correntes eddy para detectar metais
Sabendo que ao submeter uma bobina a um pulso de corrente, aqui chamada de ip(t) surge um campo magnético variável o qual atravessando um corpo condutor resulta em correntes induzidas neste condutor (correntes eddy) , as quais também produzem campo magnético em sentido contrário ao campo primário gerado. Essa situação indica que sob a ação de um campo magnético primário variável é possível identificar a presença de um objeto condutor, desde que seja possível detectar o campo magnético produzido pelas correntes eddy que o circulam.
Para ilustrar este mecanismo vamos utilizar uma sequência de eventos conforme a figura 2. Esta sequência ilustra também o princípio básico de funcionamento do nosso detector de metais.
Seguindo a sequência, na figura 2A aplicamos um pulso de corrente primário ip(t) o qual irá gerar um campo magnético primário ?p(t) cujas linhas atravessam a superfície condutora (sc). As linhas do campo magnético ao atravessarem a superfície condutora sc, produzem as correntes induzidas conforme a figura 2B. A intensidade do campo magnético e as condições de permeabilidade das linhas de campo magnético determinam a penetração e a geração das correntes no corpo condutor.
Na sequência ilustrada pela figura 2C as correntes Eddy induzidas geram linhas de campo magnético ?s(t) no sentido de se oporem as linhas do campo magnético primário. Essas linhas cortam a bobina e são convertidas em corrente elétrica a qual surge nos terminais da bobina, aqui chamada de ipi(t) no final da sequência na figura 2D.
Combinando as sequências A, B, C e D podemos notar que emitindo um pulso de corrente e por conseguinte um pulso de linhas de campo magnético ao encontrar um corpo condutor geram as correntes eddy as quais produzem um campo magnético secundário o qual reflete parte da energia emitida sendo que as linhas do campo magnético produzidas pelas correntes eddy cortam a bobina geradora a qual as detecta convertendo em corrente nos extremos da própria bobina geradora. Este é o princípio de funcionamento do nosso detector de metais.
Este tipo de detector é chamado de PI (Pulse Induction). A montagem e o circuito propostos são uma nova versão, modificada, do circuito original baseado no detetor de metais “russo” [7].
Existem outras técnicas e circuitos de detecção de metais como o IB (Balanceamento de Indução) [8], ou o BFO (Oscilador por Batimento de Frequência) [9], onde o batimento é quebrado pela presença de corpo metálico o T/R (Transmissor/Receptor) onde um sinal e um campo magnético são gerados em fase e na presença de corpo metálico a fase entre os sinais é quebrada e o OR (Quebra de Ressonância) onde a detecção é feita por quebra de balanceamento entre circuito ressonante e o circuito detector [10]. Cada tipo de técnica e circuitos possuem características definidas de sensibilidade, seletividade e desempenho.
Circuito detector PI – Análise
Para a análise, dividimos o circuito em 3 partes, E1, E2 e E3, conforme a figura 3.
A etapa E1 é responsável por gerar pulsos de corrente para a bobina sensor. O circuito é um oscilador de pulsos baseado no circuito timer 555. Os transistores T1 e T2 são responsáveis pela polarização e chaveamento da corrente na bobina L1. O timer 555 ao gerar o pulso, alimenta o através do circuito periférico a T1, 2N3906 PNP que comuta o MOSFET IRF 840, o qual irá aplicar um pulso de corrente em L1.
A intensidade da corrente depende da largura do pulso, o tempo para estabelecer o campo magnético em L1, sendo que esse ajuste é feito através do trimpot R3. O compromisso entre intensidade do campo magnético, sensibilidade e o consumo da bateria, dependem deste ajuste.
A bobina L1 deverá ser construída em um suporte de PVC de 15 cm com 18 voltas +/-2 voltas com fio 26 AWG (0,4049 mm de diâmetro). O leitor poderá variar as dimensões da bobina e o número de espiras para explorar a sensibilidade do circuito, porém recomenda-se partir do dimensionamento indicado.
A etapa E2 é responsável por detectar e amplificar o sinal que retorna do corpo metálico detectado. Utilizando a própria bobina L1 como receptora, o sinal será captado e enviado a entrada inversora de um dos amplificadores operacionais do CI – TL072, composto por 2 amplificadores operacionais. Este amplificador operacional irá condicionar e amplificar o sinal de retorno gerado pelas correntes induzidas no corpo metálico a ser detectado. Os diodos configurados em antiparalelo condicionam o sinal e o limitam na fase de emissão do pulso, onde as tensões são relativamente elevadas.
A etapa E3 irá executar o papel de ajuste de nível de reconhecimento do sinal (sensibilidade). Lembrando que a bobina é feita de um condutor, as correntes serão induzidas nela, além do corpo metálico a ser detectado. Para que o circuito não detecte as próprias correntes induzidas na bobina esta etapa compensa o efeito através do ajuste de R14 (trimpot) e R16 (potenciômetro de sensibilidade). O ajuste combinado proporciona a sensibilidade e a neutralização dos efeitos em L1. A saída do amplificador operacional é aplicada a uma etapa final de amplificação através do transistor 2N3904 NPN e condicionamento de sinal que é aplicado no alto falante FTE1.O potenciômetro R18 tem por finalidade controlar o volume.
O diagrama faculta a colocação de um “jack” para uso de fones. A detecção será verificada quando um zumbido for ouvido em FTE1 ou no fone. Fica a critério do leitor a instalação ou não do “jack,” bem como o seu tipo, lembrando que o fone deverá ter impedância de 8 ohms. B1 pode ser uma bateria de 9V ou 6 pilhas AA de 1,5V. A chave CH1 liga ou desliga o circuito. O consumo do circuito gira em torno de 120 mA quando em operação.
Montagem
Na figura 4 temos a disposição dos componentes da placa de circuito impresso proposta e na figura 5 o negativo para corrosão.
O circuito foi montado em uma placa de circuito impresso de fibra de vidro, como ilustra a foto da figura 6.
Verificação do funcionamento
O interessante é se o leitor dispuser de um osciloscópio para verificar os sinais. No entanto, para aqueles que não o possuem, segue uma sequência de ajustes que irá auxiliar no processo de colocar o circuito em funcionamento. Porém antes é necessário conferir toda a montagem, inclusive soldas frias, curtos-circuitos ou eventuais falhas na corrosão da placa.
-Ajuste R3 em ¼ do seu giro partindo do valor mínimo
-Ajuste R14 em ½ do seu giro partindo do valor mínimo
-Ajuste R16 em ½ do seu curso
-Ajuste R18 para volume máximo (valor mínimo de R18)
Após ligar espere alguns segundos. O alto falante deverá emitir som de “estalos” de forma aleatória. Se isso não ocorrer tente através do ajuste em R16 procurando o ponto onde o zumbido aparece e então ajuste até ele ir desaparecendo até alguns “estalos” e o silencio. Aproxime uma peça metálica em L1. Se o circuito estiver funcionando você ouvirá um zumbido ao aproximar a peça metálica e ao afastar o zumbido deve cessar. Ajuste R3 e R14 de forma a combinar a maior distância e o menor corpo metálico possível. Utilize uma moeda como corpo de prova ou algo similar. Teste com diferentes tipos de metais como ferro, cobre, zinco, alumínio ou um objeto de ouro. Para que dispuser de um osciloscópio, registramos algumas formas de onda para ilustrar o funcionamento e auxiliar na localização de problemas ou exploração do circuito na figura 7.
Sugestão para montagem da estrutura
O leitor poderá acondicionar o detetor de metal na estrutura sugerida na figura 8. A estrutura é composta de um tubo de 0,5 polegadas de 1,45m tendo numa das extremidades a bobina com 15cm de diâmetro com um tubo de ¾ de polegada alinhada com o diâmetro do suporte da bobina. A peça a qual a bobina foi enrolada é de PVC utilizada em instalações hidráulicas. No outro extremo a 40cm um pedaço de tubo de ¾ de polegada é encaixado via furo e colado para ser a empunhadura do detetor.
A caixa do circuito fica próxima e pode ser fixado com cintas plásticas. A bobina pode ser soldada em um extremo e do outro conter um conector RCA que interliga ao conector que leva os fios até a placa de circuito impresso. É recomendável após o teste de funcionamento, envernizar a bobina e as conexões com verniz isolante elétrico para 1000V. Na foto representada na figura 9 podemos observar alguns detalhes da montagem finalizada.
