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SENSOR RFID PARA MONITOREO DE TEMPERATURA EN COJINETES DE BIELA
Diego Vicente, Martín Baudino, Fernando Mazzaferro y Walter Fruccio
Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de La Pampa Calle 110 Nº390, General Pico, La Pampa, Argentina
correo-e: [email protected].
RESUMEN
El monitoreo de condición de los elementos de máquinas rotantes puede ser sumamente dificultoso. Un claro ejemplo es el monitoreo, en tiempo real, de la temperatura en cojinetes de biela en grandes máquinas de desplazamiento positivo. Aunque se ha demostrado que la medición de temperatura resulta muy valiosa a la hora de determinar la condición de estos elementos, el continuo movimiento de las partes y el reducido espacio hacen imposible la inserción de sensores cuya alimentación y transmisión de información sea mediante cables.
Los avances en “Wireless Power Transmission” (WPT), así como también el crecimiento de la tecnología de identificación por radio frecuencia (RFID) ha impulsado el desarrollo de sensores embebidos pasivos, eliminando la necesidad de conexiones cableadas y baterías.
Este trabajo presenta los principales avances en el desarrollo de un prototipo para medición de temperatura en cojinetes de biela, sobre la base de un sistema RFID. El sistema se compone de dos elementos fundamentales: un lector o estación base y una etiqueta pasiva vinculados en forma inalámbrica mediante la técnica RFID.
Durante la operación de la máquina, la etiqueta, solidaria a la biela, se ocupa de relevar la información proveniente de termocuplas insertas en los cojinetes, mientras mantiene un movimiento relativo a la estación base. La estación base, solidaria a la carcasa de la bomba, provee de forma inalámbrica la energía necesaria para el funcionamiento de la etiqueta y recibe la información de ésta para luego retransmitirla al sistema de monitoreo.
Palabras Claves: monitoreo de temperatura, sistema embebido, identificación por radiofrecuencia.
1. INTRODUCCIÓN
El monitoreo de condición de los elementos de máquinas rotantes puede ser sumamente
dificultoso. Un claro ejemplo es el monitoreo, en tiempo real, de la temperatura en cojinetes de
biela en grandes máquinas de desplazamiento positivo. Aunque se ha demostrado que la medición
de temperatura resulta muy valiosa a la hora de determinar la condición de estos elementos, el
movimiento relativo entre las partes y el reducido espacio hacen imposible la inserción de sensores
cuya alimentación y transmisión de información sea mediante cables.
Una técnica que se ha utilizado durante décadas implica la instalación de un dispositivo montado
con una soldadura de aleación eutéctica, con una temperatura de fusión predeterminada. Cuando
la temperatura local alcanza el punto de fusión de la aleación, se libera un resorte que acciona un
interruptor que detiene la máquina o produce algún tipo de indicación [1-3].
Por otro lado, los sensores de temperatura inalámbricos basados en radar, han ganado espacio en
aplicaciones relacionadas a compresores alternativos de baja velocidad. Generalmente estos
sistemas consisten en un dispositivo estacionario que emite un pulso de interrogación. Cuando
este pulso alcanza a la antena del dispositivo móvil, se inducen ondas elásticas que recorren un
sustrato piezoeléctrico, utilizado como sensor. Sobre este elemento existen nodos reflectores
espaciados y cuando las ondas superficiales alcanzan la posición de cada uno de los nodos se
genera un pulso electromagnético que luego es recogido por la antena estacionaria. Puesto que la
velocidad de propagación de las ondas, sobre el elemento sensor, depende de la temperatura, a
partir del procesamiento de la señal, se evalúa la forma y el espaciamiento de la respuesta de
impulsos para determinar la temperatura en el cojinete [1].
Los recientes avances en “Wireless Power Transmission” (WPT), así como también el crecimiento
de la tecnología de identificación por radio frecuencia (RFID) ha impulsado el desarrollo de
sensores embebidos pasivos, eliminando la necesidad de conexiones cableadas y baterías. En
este sentido, en [3] se presentó un concepto para el desarrollo de un prototipo inalámbrico sobre la
base de una interfaz RFID. Un sistema RFID se compone básicamente de dos elementos: una
estación base (EB) o lector y un circuito etiqueta (E) o transponder, que se comunican mediante la
técnica (RFID).
En este concepto la E, solidaria a la biela, se ocupa de relevar la información proveniente de
termocuplas insertas en los cojinetes, mientras mantiene un movimiento relativo a la EB. La EB,
solidaria a la carcasa de la bomba, provee la energía necesaria para el funcionamiento de la E y
recibe la información de ésta para luego retransmitirla al sistema de monitoreo [3].
La principal ventaja esta propuesta es que la medición de temperatura es directa y además permite
monitorear y registrar la evolución temporal de esta variable. Sin embargo, la amplitud del
movimiento relativo entre la E y la EB, hace que la comunicación entre éstas solo sea posible
durante una fracción del ciclo de revolución del cigüeñal. Esto impone fuertes dificultades a la
implementación práctica de este concepto, ya que requiere la sincronización precisa entre el
movimiento del cigüeñal y el inicio del ciclo de comunicación entre la EB y la E.
Este trabajo presenta los principales avances en el desarrollo de un prototipo para medición de
temperatura en cojinetes de biela, sobre la base del concepto presentado en [3]. El trabajo
presenta una descripción breve y general de los sistemas RFID y en particular de la interfaz
utilizada. Seguidamente se describe el esquema general del prototipo que se propone para medir
temperatura, indicando los principales componentes presentes y la estrategia diseñada. A
continuación se presenta el rediseño y evaluación de la antena de la EB de la interfaz RFID, el cual
es de fundamental importancia ya en que a partir de este se pretende superar la principal limitación
del concepto presentado en [3]. Finalmente se presentan las conclusiones del trabajo.
2. DESCRIPCIÓN DE LA INTERFAZ RFID UTILIZADA
La identificación por Radio Frecuencia (RFID) es una tecnología que utiliza ondas de radio para
enviar y recibir información. Un sistema RFID típico consiste en un lector o estación base y un
transponder o etiqueta. A su vez, la etiqueta puede ser activa, cuando se alimenta desde una
batería o pasiva, cuando se alimenta de la energía radiada por el lector [4].
Figura 1a: Interfaz utilizada Figura 1b: Diagrama de bloques del sistema
Por otro lado, los sistemas RFID se pueden clasificar por la frecuencia de operación utilizada en
LF, HF, UHF y microondas [4]. Aunque los sistemas de microondas poseen mayor alcance,
generalmente requieren sistemas activos, ya que no son capaces de proveer la energía suficiente
para el funcionamiento de los circuitos integrados (CI) presentes en la etiqueta. Además, las ondas
electromagnéticas de UHF, y en particular las microondas, poseen mayor grado de atenuación en
sustancias conductoras y no conductoras. Por el contrario, en términos generales, se ha
demostrado que los sistemas LF prácticamente no son atenuados por el agua y sustancias no
conductoras [4].
En este caso particular se utilizó la interfaz eZ430-TMS37157 de Texas Instruments [5, 6], la que
opera en la banda de baja frecuencia, específicamente a 134.2 kHz. En la Figura 1a se muestra la
EB y la E de esta interfaz, mientras que la Figura 1b muestra un diagrama de bloques de la interfaz
y se indican los principales componentes de la E. La etiqueta de la interfaz eZ430-TMS37157
opera en conjunto con un lector o EB, cuya antena original tiene un diámetro de 40 mm con una
inductancia de 442 µH [5, 7].
3. PROTOTIPO PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA EN COJINE TES DE BIELA
En la Figura 2a se muestra la bomba alternativa Siam Triplex, típicamente utilizada en la industria
del petróleo. La Figura se focaliza en la zona que alberga al conjunto formado por el cigüeñal, la
biela y la cruceta, ya que es la zona de interés a los efectos de esta aplicación.
Por otro lado, en la Figura 2b se muestra el esquema propuesto para medir temperatura. La
etiqueta se encuentra solidaria a la biela y está unida a los termopares de cada uno de los
cojinetes. El microcontrolador presente en la E se encarga de hacer las lecturas de las
termocuplas. La EB, solidaria a la carcasa de la bomba, maneja la comunicación con la E y obtiene
la información de temperatura desde el interior de la bomba.
Figura 2a: Bomba Siam triplex Figura 2b: Esquema del dispositivo sensor
De acuerdo con las características particulares de esta aplicación, se modificó y readaptó la E
original de la interfaz ez430-TMS37157. Se agregó el circuito integrado (CI) acondicionador de
señal para termocuplas ADS1018 [8] y el CI regulador de tensión TPS71433 [9]. En la Figura 3 se
muestra un diagrama de bloques la interfaz de medición de temperatura desarrollada.
En términos generales, cuando la EB requiere información de temperatura, inicia la transferencia
de energía hacia la E, la que se acumula en el capacitor CBAT. Seguidamente la EB envía un
comando de interrogación, a partir del cual el transponder de la E energiza al µC MSP430 y al
acondicionador ADS1018. El µC inicia la ejecución de una rutina en la que interactúa con el
ADS1018 para obtener el valor de la temperatura en cada uno de los cojinetes. Una vez que el µC
recibe la información se la transfiere al transponder para que este se la reenvíe a la EB.
Figura 3: Diagrama de bloques de la interfaz de medición de temperatura
Puesto que, durante todo el ciclo de medición de temperatura, tanto el µC MSP430 como el
ADS1018 se alimentan de la energía almacenada en CBAT, la estrategia diseñada priorizó la
minimización del consumo de energía. De esta manera tanto el µC como el CI ADS1018 entran en
modo de bajo consumo en los intervalos en los que se encuentran ociosos. Específicamente, una
vez que el µC le envía la solicitud de información al ADS1018, se pone en modo de bajo consumo a
la espera de la respuesta. De manera similar, luego que el ADS1018 le envía la respuesta al µC,
automáticamente se pone en modo de bajo consumo a la espera de una nueva solicitud del µC.
Por último, como se mencionó antes, al circuito original de la E se le agregó un regulador DC/DC
(TPS71433), el cual permite la acumulación de la energía captada por la E a una tasa superior a la
que permite el regulador interno del TMS37157.
4. REDISEÑO DE LA ANTENA DE LA ESTACION BASE
La transferencia de energía e información en un sistema RFID resonante acoplado
magnéticamente se puede representar de como se muestra en la Figura 4. El circuito de la EB está
representado por una fuente de tensión con una impedancia interna , que alimenta a un
circuito resonante donde y son la inductancia y la resistencia de la antena. El capacitor se
elige en relación con el valor de , para sintonizar la frecuencia de resonancia del circuito con la
frecuencia portadora del sistema. La E está representada por una bobina de inductancia y
resistencia en paralelo con el capacitor y el resistor . El valor de se elige de acuerdo
con el valor de , para sintonizar la frecuencia de resonancia con la frecuencia del sistema,
mientras que representa la carga que impone la E al circuito tanque.
El acoplamiento magnético de las bobinas es función de la posición y la orientación relativa de las
mismas. Considerando la Figura 5, el acoplamiento será máximo cuanto más cerca estén las
bobinas 0, y cuando la orientación entre ambas sea tal que α β γ 0.
Sin embargo, durante la operación de la bomba, la E posee movimiento relativo respecto a la EB,
por lo que el acoplamiento magnético varía. Si el acoplamiento cae por debajo del valor mínimo
que garantiza la comunicación, ésta se interrumpe.
Figura 4: Circuito equivalente del acoplamiento entre la EB y la E
Figura 5: Posición y orientación de la E, respecto de la EB
A partir de trabajos realizados previamente se observó que, con las características geométricas de
antena original de la EB y dada la amplitud de la trayectoria de la E (solidaria a la biela), la
comunicación entre éstas se mantiene solo durante una pequeña fracción del ciclo de revolución
del cigüeñal [3]. Esto dificulta notablemente la implementación práctica ya que requiere una precisa
sincronización entre el inicio del ciclo de comunicación y la posición angular del cigüeñal. Por esto,
resulta sumamente conveniente que la comunicación entre la E y la EB se mantenga durante todo
el ciclo de revolución del cigüeñal y se optó por el rediseño geométrico de la antena de la EB sin
modificar sus parámetros eléctricos (inductancia y resistencia), con el fin de mantener las
condiciones del circuito modulador de la EB.
4.1 Rediseño geométrico de la antena
Una medida del grado de acoplamiento magnético entre dos bobinas es el factor de acoplamiento
, el cual se define como ⁄ , donde es el coeficiente de inducción mutua entre las
bobinas de inductancia y . Este factor puede variar entre 0 y 1; la correcta comunicación entre
la EB y la E requiere un valor mínimo que depende del sistema.
Considerando que la E está rígidamente unida a la biela, es claro que la orientación ideal de las
antenas α β γ 0 no se mantiene a lo largo de la trayectoria que ésta describe; en este caso
γ oscila entre 11.54°. Sin embargo, experimentalmente se comprobó que esta oscilación no tiene
mayor influencia en el acoplamiento de las antemas [3]. De esta manera se puede asumir que γ 0
y que el acoplamiento es fundamentalmente función de la distancia entre las antenas. En estas
condiciones el factor de acoplamiento se puede calcular como sigue [4, 10]:
µ2 // (1)
Donde µ[Vs/Am] es la permeabilidad magnética del núcleo del solenoide de la E, y son el
número de espiras de la bobina de la EB y la E respectivamente, [m] es el radio de la bobina de
la EB, [m] es la distancia entre las bobinas y [m2] es el área de la bobina de la E. Por último
y [H] son la inductancia de la bobina de la EB y la E respectivamente.
Considerando que el rediseño solo propone modificar las características geométricas de la bobina
de la EB, manteniendo su inductancia, la Ecuación (1) se puede expresar en términos de los
parámetros variables de la siguiente manera:
β / (2)
Donde β µ 2/⁄
Figura 6: Curvas β⁄ para bobinas EB de diferentes radios
Figura 7: Dispositivo mecánico
Experimentalmente se verificó, con la bobina original de la EB de la interfaz eZ430-TMS37157, que
la distancia máxima de comunicación entre la EB y la E es de 75 mm. Reemplazando esta
distancia en la Ecuación (2) y considerando los parámetros de la bobina original de la EB, se
obtiene un factor de acoplamiento 55β, que es el mínimo requerido para garantizar la
transferencia de energía y la comunicación entre la EB y la E. Por otro lado, asumiendo que el
diámetro del conductor es muy chico respecto del diámetro ! de la bobina ( !⁄ " 0.0001), la
inductancia de una bobina circular de radio ! 2⁄ y espiras se puede aproximar de la siguiente
manera [4]:
µ%&' (2 ) (3)
Fijando el valor de la inductancia igual al de la bobina original y fijando arbitrariamente el diámetro
del conductor, en este caso 0,18 mm, entonces para cada radio se puede obtener el número
de espiras tal que 442 µH. En la Figura 6 se muestran las curvas β⁄ en función de la
distancia , entre las bobinas, para diferentes radios de la bobina de la EB, con 442 µH.
Puesto que la distancia máxima entre las bobinas durante el ciclo de revolución es de 110 mm
(Figura 2b), de acuerdo con la Figura 6, una bobina con - 60 mm es capaz de proveer un factor
de acoplamiento mayor o igual al mínimo necesario. Además, se ve que al aumentar aumenta el
rango de comunicación, pero disminuye el factor de acoplamiento en cercanías a la bobina del
lector. Atendiendo a esta relación de compromiso y a las limitaciones físicas de espacio en el
interior de la bomba, se optó por seleccionar 90 mm, priorizando el rango de comunicación por
sobre el factor de acoplamiento en cercanías de la bobina del lector.
Tabla 1: Parámetros de la bobina original y la diseñada
Parámetros Antena original Antena diseñada
0' 1230 4536 4533
18.877 9077
442µ8 420µ8
72 27
:;<;3. 14,2Ω 12,1Ω
Alcance 7577 13077
Puesto que las Ecuaciones (2) y (3) son simplemente aproximaciones, el resultado obtenido a partir
de éstas se ajustó en forma experimental utilizando un analizador LCR configurado a una
frecuencia de 133.3 kHz. Reemplazando la antena rediseñada en la interfaz eZ430-TMS37157 se
comprobó que el rango de comunicación se extendió de 75 mm a 130 mm. En la Tabla 1 se
exponen los parámetros de la antena original de la EB y la obtenida luego del rediseño.
4.2 Evaluación sobre el sistema mecánico y sintoniz ación de la bobina
Considerando las características físicas y el costo de estas grandes máquinas de desplazamiento
positivo, resulta sumamente dificultoso disponer de un equipo real para la etapa del desarrollo
preliminar, donde la frecuencia con la que se requiere hacer pruebas y ensayos es alta. Sin
embargo, puesto que la evaluación de la interfaz en condiciones similares a las reales permitiría
obtener conclusiones más exactas, se diseñó un dispositivo que replica uno de los conjuntos biela
manivela presentes en la bomba. La Figura 7 muestra el dispositivo mecánico, el cual emula el
movimiento de la E en el interior de la bomba y permite comprobar el funcionamiento de la interfaz
a la velocidad máxima a la que puede operar el cigüeñal. Al mismo tiempo permite evaluar la
influencia de los elementos del mecanismo en movimiento, cuyas propiedades eléctricas y
magnéticas afectarán el desempeño de la interfaz.
En las Figuras 7 y 8 se muestra la disposición de la interfaz RFID sobre el dispositivo mecánico. A
través de los ensayos realizados se verificó una drástica reducción del rango de comunicación
entre la EB y E respecto del obtenido fuera del dispositivo mecánico. Como consecuencia de esto
la ventana de comunicación se redujo a una pequeña fracción del ciclo de revolución del cigüeñal.
Figura 8: Disposición de la interfaz sobre el
dispositivo mecánico Figura 9: Efecto de la interacción con el
medio material
Mediante un analizador LCR se comprobó que la interacción del campo magnético de la bobina de
la EB con el medio material de los elementos mecánicos y la estructura del dispositivo produce una
reducción del orden del 23% en la inductancia y un aumento en la resistencia equivalente de la
bobina , la que pasó de 12,1Ω a 19,4Ω. La Figura 9 muestra cómo se modifica la magnitud
ω de la respuesta en frecuencia de la función de transferencia de la tensión a la corriente < ω < ⁄ , cuando la bobina interactúa con el medio material del sistema mecánico. Como se
puede ver, el efecto de la interacción es fundamentalmente un corrimiento en la frecuencia de
resonancia, a causa de la variación de , que produce una disminución de aproximadamente el
50%, en la corriente <. Esto explica la notable reducción en el rango de comunicación entre la EB y
la E. Aunque el aumento en es considerable, la variación total , es inferior al 15% por lo
que el impacto sobre < es mucho menor.
Tabla 2: Parámetros de la bobina definitiva
Parámetros Sin interacción Con interacción
555,5µH 435,4µH
:;<;3. 8,2Ω 18,3Ω
180mm 180mm
32 32
Con el propósito de compensar el corrimiento de la frecuencia de resonancia, se recalculó el
número de espiras para obtener la inductancia requerida en la bobina puesta en el dispositivo. En
este caso se optó por agregar una espira de más, para facilitar el ajuste final de la inductancia y
además se utilizó un conductor de mayor diámetro (0,3 mm, AWG 28). Una vez colocada la bobina
sobre el dispositivo mecánico, se ajustó la inductancia quitando espiras hasta medir una
inductancia de aproximadamente 440 µH. A partir del circuito completo RLC, se verificó también
que la amplitud de la tensión en bornes de la bobina sea máxima (punto de resonancia). En la
Tabla 2 se presentan los parámetros definitivos de la bobina rediseñada y se comparan sus
parámetros eléctricos con y sin interacción con el sistema mecánico.
Por último, para cancelar completamente el efecto de la interacción de la interfaz con el medio
material del dispositivo, se aumentó la tensión de alimentación del circuito RLC de la EB, de 12V
a 14V. Esto permite un incremento de la corriente < de aproximadamente el 16%.
5. RESULTADOS Y DISCUCIÓN
Como resultado del proceso de rediseño y sintonización de la bobina de la EB, se comprobó
experimentalmente que la comunicación entre la E y la EB se mantiene durante todo el ciclo de
revolución del sistema mecánico, tanto en las mediciones estáticas como a alta velocidad.
Variando la velocidad, desde 0 a hasta 320 rpm, se verificó que el desempeño de la interfaz no se
degrada y es independiente de la velocidad del dispositivo.
Además el movimiento de las partes mecánicas respecto de la bobina de la EB (fundamentalmente
el acercamiento y alejamiento de la biela) no modifican sustancialmente los parámetros y . De esto se desprende que, independientemente de que la interacción entre la bobina y el medio
material en la bomba real sea algo diferente, el procedimiento descripto para rediseñar y sintonizar
la bobina permitirá mitigar estos efectos y recuperar el rango de comunicación previsto.
Estos resultados representan un avance sumamente importante respecto del concepto presentado
anteriormente [3], ya que permite prescindir de la necesidad de sincronizar la comunicación de la
EB y la E con la posición angular del cigüeñal, facilitando notablemente la implementación práctica.
6. CONCLUSIONES
Este trabajo presentó los principales resultados del prototipo de sensor con transmisión inalámbrica
de datos y energía, para medición de temperatura en cojinetes de biela. Se describieron las
principales consideraciones de diseño y los componentes utilizados para la etiqueta de sensores,
junto con la estrategia de funcionamiento del sistema completo.
Con el objeto de extender el rango de comunicación y reducir la complejidad del sistema de
transmisión inalámbrico, se procedió al rediseño de la antena de la EB, quedando expuestos los
criterios de rediseño, el procedimiento utilizado y los resultados obtenidos. Dado que la interacción
de la antena con el medio físico que la rodea modifica los parámetros de esta, se aplicó un
procedimiento iterativo para mitigar estos efectos y mantener la frecuencia de resonancia en el
circuito de la EB, y recuperar el rango de comunicación previsto.
El principal resultado fue la puesta en funcionamiento del prototipo y su correcto desempeño en
condiciones similares a las reales. Se verificó, en forma exitosa, la comunicación entre la E y EB a
lo largo de todo el ciclo de revolución del cigüeñal, tanto en condiciones estáticas como también a
alta velocidad. Este resultado constituye un importante avance sobre la prueba de concepto
presentada anteriormente en [3].
7. REFERENCIAS
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Compressor Monitoring. GE-Energy, General Electric, GER4606 (06/10). 2010.
[2] Munroe, William O. Temperature Detecting Actuator For Bearings. Amot Controls Corporation,
assignee. Patent 3.401.666. 1968.
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Positivo. V Congreso Argentino de Ingeniería Mecánica VCAIM2016. Santiago del Estero,
República Argentina, 5 al 7 de octubre de 2016.
[4] K. Finkenzeller. The RFID Handbook, Fundamentals and applications in Contactless Smart
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[5] eZ430-TMS37157 Development Tool. User’s Guide. Texas instruments. 2010.
[6] TMS37157. Passive Low Frequency Interfaz device with EEPROM and 134.2 kHz
Transponder Interfaz. Texas instruments. 2009.
[7] Kostas Aslanidis and Andre Frantzke. TMS37157 Passive Low-Frequency Interfaz IC
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[8] ADS1018. ADS1018 Ultrasmall, Low Power, SPITM-Compatible, 12-bit Analog-to-Digital
Converter Interbal Reference and Temperature Sensor. Texas Instruments. 2015.
[9] TPS714xx.80mA, 10V, 3.2μA Quiescent Current LOW-DROPOUT LINEAR REGULATOR in
SC70 or SON 2x2. Texas Instruments. 2011.
[10] K. Aslanidis, J. Wyatt. LF HDX System Parameter Calculation for TMS37157 (PaLFI). Texas
Instruments. 2010.
Agradecimientos
Los autores de este trabajo desean agradecer la colaboración y el apoyo de las empresas: “Metal-Maq” (www.metal-maq.com) y “GP Metalización” (www.gpmetalizacion.com.ar).