4 sensores de desplazamiento, velocidad y aceleracion

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Sensores de desplazamiento, velocidad y aceleración Tecsup Agosto 2007

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INDICE

1. Objetivos ............................................................................................. 3 2. Sensores de desplazamiento ............................................................ 3

2.1. Transformador diferencial................................................... 3 2.2. Sensor potenciométrico........................................................ 7 2.3. Codificador de posición....................................................... 8

3. Sensor de velocidad......................................................................... 10 3.1. Sensor de velocidad lineal ................................................. 10 3.2. Sensor de velocidad angular ............................................. 11

3.2.1. Tacogeneradores .................................................... 12 3.2.2. Sensor de velocidad electromagnético ............... 13 3.2.3. Precauciones en la instalación.............................. 14

3.3. Sensor de aceleración ......................................................... 14 3.3.1. Acelerómetros capacitivos.................................... 15 3.3.2. Acelerómetros piezoeléctricos ............................. 15 3.3.3. Acelerómetros potenciométricos ......................... 16

Tecsup Sensores de desplazamiento, velocidad y aceleración Agosto 2007

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1. Objetivos • Identificar los principios de funcionamiento de los sensores de

desplazamiento. • Identificar los principios de funcionamiento de la medición de

velocidad y aceleración. 2. Sensores de desplazamiento

Los sensores de desplazamiento también conocidos como sensores de posición, son usados para detectar o medir puntos estacionarios o puntos variantes en el tiempo por medio de sus ejes sensores, que están mecánicamente unidos (o a través de algún mecanismo) al punto del objeto cuyo desplazamiento quiere medirse. A menudo se hace necesaria la medición del desplazamiento lineal o posición de un elemento mecánico. Los métodos empleados difieren según el tipo de aplicación. Lo común es que todos ellos entregan una señal eléctrica proporcional al desplazamiento. Podemos mencionar dispositivos tales como los transformadores diferenciales, los transductores potenciométricos o los encoders lineales.

2.1. Transformador diferencial

Agrupa a todos los sensores que convierten un desplazamiento en variaciones de tensión ac, mediante el cambio del camino de reluctancia entre dos o más devanados (arrollamientos) en presencia de una excitación ac en los devanados. Los más comunes son el transformador diferencial de variación lineal (LVDT), que es usado para sensar desplazamientos lineales y el transformador de variación angular (RVDT), usada para sensar desplazamientos angulares. Los sensores LVDT y RVDT son utilizados extensamente en medición y aplicaciones de control de medida de desplazamiento desde milímetros hasta decenas de centímetros. Se encuentran en sistemas de metrología, en posición de válvulas, en actuadores hidráulicos, en turbinas generadores de vapor, etc. TRANFORMADOR DIFERENCIAL DE VARIACIÓN LINEAL (LVDT)

Un LVDT es un dispositivo electromecánico que consiste de dos componentes: un cuerpo hueco cilíndrico que


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contiene dos bobinados secundarios idénticos los cuales están posicionados en ambos lados del bobinado central primario y un núcleo de ferrita cilíndrico que se mueve libre longitudinalmente dentro de la bobina, como apreciado en la Figura 1. Produce una señal ac o dc (cuando incorpora un circuito de conversión), proporcional al movimiento de su núcleo y es lineal sobre un rango especificado. Generalmente el bobinado primario es excitado con una corriente ac, normalmente en la región de 1 a 10 kHz y entre 0,5 y 10 Vrms. Los otros dos bobinados, los secundarios, son enrollados en oposición, tal que cuando el núcleo de ferrita está en su posición central, se induce el mismo voltaje en ambos. Dependiendo del desplazamiento del núcleo, la salida ac será proporcional al mismo y la fase de la señal indicará la dirección del movimiento con respecto a su posición central.

Figura 1: LVDT y su principio de funcionamiento.


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El voltaje de salida de los LVDT responde a una relación lineal y próximo de cero (dentro de +/- 0.25% sobre un rango lineal especificado del recorrido), cosa que ocurre cuando el núcleo está centrado cerca de los dos secundarios. Por ejemplo, pueden ser encontrados LVDT con un rango lineal desde +/- 0.05 pulgadas hasta +/- 10 pulgadas, con un cuerpo correspondiente a longitudes desde 1 pulgada hasta 30 pulgadas. Note en la parte superior de la Figura 1 al cuerpo o núcleo hueco y al eje sensor móvil del LVDT, así como sus electrodos de conexión. La electrónica asociada a un LVDT, combina ambas informaciones para que el usuario sepa la posición exacta del eje. Este transductor está limitado a relativamente cortos desplazamientos debido a su construcción inherente. Sin embargo, su resolución es virtualmente ilimitada y más bien está limitado por la electrónica externa. Aplicación del LVDT En el siguiente gráfico se muestra un sistema de control para suspensión de un automóvil que consiste de cuatro unidades de control hidráulicas ajustadas electrónicamente. Cada unidad de control contiene su propio LVDT quien sensa el desplazamiento exacto de cada rueda, los cuales envían esta información hacia el controlador quien calcula la fuerza necesaria para cada rueda.

Figura 2: Aplicación del LVDT (Cortesía de Trans-tek, Inc.).


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TRANFORMADOR DIFERENCIAL DE VARIACIÓN ANGULAR (RVDT) Los sensores de desplazamiento angular del tipo transformador diferencial son una adaptación para medición angular del LVDT. A pesar que el eje sensor del RVDT (Rotary Variable Differential Transformer) puede rotar varias revoluciones, este tiene limitado su alcance para algunos grados (de +/- 40º a +/- 70º), debido a que entrega una señal de salida en función de la especificación de la no linealidad (por ejemplo +/-0. 5% a plena escala). De manera que para salidas grandes la salida tiene un comportamiento no lineal. En un diseño típico (ver la Figura 4) los arrollamientos primario y secundario están montados sobre una forma (estator) y un rotor ferromagnético cambia el acople entre el primario y cada uno de los arrollamientos secundarios.

Figura 3: Sensor RVDT (Cortesía de Moog Components).

Formas apropiadas del rotor ayudan a la linealización de la salida. Estos tipos de sensores incorporan circuitos de conversión dc-dc de manera integral.


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Figura 4: Esquema de conexión de un RVDT.

2.2. Sensor potenciométrico

Desde el punto de vista de su aspecto físico, un transductor potenciométrico es similar a un LVDT. Sin embargo al igual que un potenciómetro, su medición se basa en el cambio de resistencia medida entre el cursor y uno de sus extremos. En el sensor potenciométrico un contacto deslizante (denominado escobilla) se mueve sobre un elemento resistivo, el que está ligado por algún mecanismo al eje sensor.

Figura 5: Tipos de sensores potenciométricos: lineal (a y b) y angular (c y d) (Norton, 1982).

Sensores potenciométricos son encontrados para desplazamiento lineal como angular (como mostrado en la Figura 5). En estos, la salida viene a ser una tensión fracción, proporcional al desplazamiento, de la excitación. Algunos tipos poseen bobinado de hilos de platino o


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níquel, en los que la resolución es dada por el número de vueltas por unidad de longitud. El alcance de desplazamiento angular en transductores potenciométricos es de 10 a 350º y que mediante una tensión dc de referencia muy estable proporcionan una salida proporcional al ángulo del eje. Una consideración importante en la selección de los sensores potenciométricos es el tiempo de vida útil del sensor, el que es determinado mediante el número de maniobras previsto. Existe una gran variedad de elementos resistivos, sin embargo el más popular es de carbón, pero que tiene el inconveniente de presentar variaciones de temperatura y en su tiempo de vida útil. Otro elemento resistivo es el elemento bobinado que presenta un bajo coeficiente de temperatura, buen tiempo de vida mecánica, bajo ruido, alta disipación y estabilidad en el tiempo.

Figura 6: Sensores potenciométricos lineal y angular

(Cortesía Midori America Corp.).

Sensores potenciométricos como los apreciados en la Figura 6 son especificados para 20 mm de longitud del eje sensor y en el caso del tipo angular para 340º de ángulo eléctrico y con una linealidad de 1% a plena escala.

2.3. Codificador de posición Los codificadores de posición o encoders están comúnmente asociados a la medición de rotación o movimiento circular (tal como los RVDT o transformadores diferenciales variables rotativos). La diferencia reside en que los codificadores de posición generan una señal de salida digital sin necesidad de usar un convertidor análogo-digital. También existen encoders lineales, entre los cuales se pueden mencionar los ópticos,


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aunque también se tienen los de tipo magnético, inductivo y capacitivo. En términos generales, un encoder óptico lineal consiste en un cabezal explorador que se mueve con el motor y una escala de vidrio o acero montada en al parte estacionaria del sistema. El cabezal contiene una fuente de luz, fotoceldas y la electrónica. Cuando el cabezal se mueve, la luz incidente sobre la escala es modulada por finas marcas en la superficie de la misma, produciendo salidas sinusoidales desde las fotoceldas. Estas salidas son desfasadas para obtener dos señales sinusoidales en cuadratura. La electrónica posteriormente las procesa para obtener señales digitales. En el encoder óptico un disco transparente tiene una serie de segmentos opacos en la superficie los que interrumpen un haz dirigido a un sensor de luz. Asi se produce un “1” si se tiene encarada una sección transparente o una salida “0” si se tiene encarado un segmento opaco. Al igual que los encoders rotativos, estos dispositivos tienen dos versiones, un tipo incremental, que produce pulsos igualmente espaciados en cada sector y que provee una posición relativa. En el tipo absoluto se produce un número codificado digitalmente, el que provee una posición única. La resolución de estos dispositivos puede llegar a ser tan fina como 0,001 mm, con longitudes de exploración de hasta 30 metros y velocidades de hasta unos 15 m/seg.

Figura 7: Decodificador de posición óptico incremental (Cortesía de

GPI Inc).


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Figura 8 Encoders lineales

3. Sensor de velocidad

Al igual que los sensores de desplazamiento, los sensores de velocidad se clasifican en los de velocidad lineal y de velocidad angular. La velocidad se detecta comúnmente mediante dispositivos electromagnéticos en los que un cambio en el flujo magnético induce una fuerza electromotriz (fem) en un conductor (devanado).

A pesar que la medición de la velocidad en la industria se realiza tanto con dispositivos mecánicos y como eléctricos, nosotros estudiaremos a los sensores de velocidad basados en sistemas electromagnéticos, pues estos permiten la transformación directa de la señal para alimentar controladores, registradores o paneles de supervisión.

3.1. Sensor de velocidad lineal

Consiste de un devanado montado en una carcasa de acero pulido y un núcleo coaxial cilíndrico con un imán permanente unido a un eje con un tope enganchado. El núcleo se mueve dentro del devanado, con el movimiento del objeto al que se ha unido el extremo del eje, produciendo una salida en el devanado proporcional a la velocidad, como es ilustrado en la Figura 8.


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Figura 9: Sensor de velocidad lineal por acoplo de eje (Norton, 1982).

Un ejemplo de sensor de velocidad comercial es mostrado en la Figura 9. A diferencia del LVDT, estos sensores no proporcionan salida en tensión a menos que exista movimiento del eje sensor y su sensibilidad está especificada en mV/pulg/s.

Figura 10: Sensor de Velocidad Lineal (Cortesía de Trans-tek Inc.).

3.2. Sensor de velocidad angular

Existen muchos tipos de sensores de velocidad angular o tacómetros, cada uno de los cuales operando para diferentes tipos de precisión y por diferentes principios físicos de operación.


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3.2.1. Tacogeneradores

Generan una tensión de salida y en algunos casos, como el del tacogenerador ac de imán permanente, una frecuencia de salida proporcional a la velocidad angular. Desde el punto de vista del control de procesos, estos son importantes en la regulación de velocidad, brindando medición actual, creando una tensión proporcional a la velocidad. Un tacogenerador tiene una similitud constructiva con un motor, solo que en lugar de suministrar corriente para producir movimiento mecánico, el tacogenerador convierte la potencia mecánica de entrada en potencia eléctrica (tensión o corriente). A diferencia de un generador, el tacogenerador debe entregar una tensión de salida proporcional y lineal a la velocidad de un eje. La linealidad conseguida con estos instrumentos es del orden de 0.2%, por lo que se acostumbra a usarlos en aplicaciones de medición de velocidad angular de precisión. Por otro lado podemos encontrarlos en versiones de tensión de salida ac y dc. Como ejemplo de aplicación podemos apreciar el sistema de medición de velocidad angular del motor de grúa de la Figura 10, en donde el tacogenerador proporciona información de la velocidad de giro de este motor para fines de supervisión y control.

Figura 11: Aplicación de un tacogenerador en un sistema grúa-puente

(Cortesía de Huebner Inc.).


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3.2.2. Sensor de velocidad electromagnético

Los sensores de velocidad que utilizan un rotor ferromagnético con configuración de engranaje o con salientes dentados equiespaciados, en conjunción con un devanado de transducción electromagnética (sensor de proximidad) son usados con frecuencia en aplicaciones industriales. Este conjunto puede ser del tipo efecto Hall, o puede ser inductivo. El devanado del sensor que se fabrica de hilo delgado se enrolla alrededor de una forma aislante y es acoplado al polo del imán permanente. El conjunto se coloca dentro de una cápsula sellada. La parte frontal de la cápsula suele estar atornillada para facilitar la instalación y el ajuste entre el polo y el diente rotor. El rotor, o al menos el diente del rotor, está fabricado con un material ferromagnético, como acero magnético. Los polos forman un camino al flujo magnético del imán, creando un campo magnético enfrente del sensor. Cuando un diente ferromagnético atraviesa este campo, el cambio de flujo resultante induce una fem en el devanado.

Figura 12: Sensor de velocidad magnético (Cortesía de

Lenord+Bauer).


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Figura 13: Detalle de la instalación de un sensor de velocidad magnético.

3.2.3. Precauciones en la instalación

Existen algunas consideraciones a ser tomadas en cuenta en la instalación de los sensores de velocidad magnéticos. En cuanto al devanado electromagnético, este debe de estar instalado de manera que no exista ninguna barrera magnética entre el polo y el rotor. El sensor debe de estar posicionado de tal manera que el polo magnético esté lo más cerca posible del diente del rotor, sin causar contacto físico, incluyendo los efectos debido a la expansión térmica y a la rugosidad de la superficie del diente.

3.3. Sensor de aceleración

El principio de medición de aceleración se basa fundamentalmente en el primer principio descubierto por Newton en 1867, en donde una fuerza será proporcional a la aceleración aplicada a todo el conjunto sensor, teniendo en cuenta una masa constante (F = m.a).

En base a este principio todos los transductores de aceleración (acelerómetros) usan este método sensor, en el que la aceleración actúa sobre una masa (masa sísmica), formada por un muelle el cual es normalmente amortiguado. Cuando se aplica una aceleración a la caja


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del acelerómetro, la caja se mueve en relación a ésta. Cuando la aceleración finaliza, el muelle retorna la masa a su posición original.

Figura 14: Principio de medición de la aceleración: a) con aceleración aplicada; b) con aceleración eliminada (Norton, 1982).

Es importante resaltar que mediciones de aceleración son importantes para muchos sistemas de control. Por ejemplo, sistemas de control de navegación de aviones, misiles y aeroplanos. En pruebas de ensayo de comportamiento estructural, los acelerómetros miden el choque, vibración y en general cualquier otro movimiento. Estos tipos de ensayo brindan información valiosa acerca del estado de las máquinas eléctricas, tales como motores y turbogeneradores, para programas de mantenimiento preventivo y predictivo.

3.3.1. Acelerómetros capacitivos

En estos sensores la masa sísmica es mantenida en un soporte flexible, el que va ligado a un electrodo móvil, existiendo además uno o dos electrodos fijos. Cuando una aceleración es aplicada, la posición entre los electrodos fijo y móvil cambia, implicando en un cambio de su capacidad diferencial.

Figura 15: Acelerómetro capacitivo de baja frecuencia (Cortesía de Kistler Co.).

3.3.2. Acelerómetros piezoeléctricos

Son usados en una gran variedad de aplicaciones para la medición de aceleración en vibraciones y


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golpes. El principio de funcionamiento y una versión comercial se muestran en la Figura 14. La aceleración es detectada a lo largo del eje longitudinal del elemento, el cual actúa sobre la masa sísmica que al ejercer fuerza sobre el cristal piezoeléctrico produce una carga eléctrica.

(a)

(b) Figura 16: a) Principio de funcionamiento del acelerómetro; b) Acelerómetro para

análisis de vibraciones y golpes (Cortesía de Kitler Co.).

Las armaduras de del cuarzo están cargadas previamente de manera que cualquier incremento o decremento en la fuerza produce cambios en la carga producida. El rango de frecuencias de la mayoría de acelerómetros piezoeléctricos tienen usualmente un límite inferior entre 1 y 3 Hz y un límite superior entre 2 y 10 Khz. En general, casi todos los acelerómetros piezoeléctricos tienen una señal de salida de bajo nivel y una elevada impedancia, por lo que requieren de convertidores de impedancia y amplificadores de señal.

3.3.3. Acelerómetros potenciométricos

Se caracterizan por una señal de salida de nivel alto y un rango de frecuencias relativamente estrecho, en el orden de 0 a 20 Hz para rangos de baja aceleración hasta 60 Hz para rangos altos. Es recomendado en aplicaciones de bajo costo en donde medidas con precisión moderada sean necesarias.


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En estos sensores, el sistema muelle-resorte está mecánicamente ligado a un brazo palanca que se mueve a lo largo del elemento resistivo de un potenciómetro. El sensor que se muestra en la Figura 17 emplea un elemento resistivo que permite un acople directo con el brazo palanca de la masa.

Figura 17: Sensor de aceleración del tipo potenciométrico (ver Norton, 1982).

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