UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL CIRCUITOS ELECTRICOS e INSTALACIONES ELECTRICAS INDUSTRIALES
SENSORES DE VELOCIDAD ANGULAR Trabajo presentado por: Guzman Flores, David La Rosa La Rosa, Doris Pagán Marín, Jefferson Salazar Salazar Nilton Tacza Saavedra, Nelson
LIMA – PERU 2014
INTRODUCION El presente trabajo trata sobre sensores de velocidad angular, realizado para el curso de Circuitos e Instalaciones Eléctricas Industriales.
En este trabajo podremos ver las definiciones básicas, como funciona y las aplicaciones de los sensores de velocidad angular.
Se presentan una serie de sensores que existen actualmente para medir la velocidad angular. Todos ellos son muy utilizados tanto por fabricantes como por equipos de competición. Entre los sensores de velocidad angular analizados destacan los giróscopos que nos miden como de rápido gira un objeto, y en nuestro caso en concreto la velocidad a la que gira en coche este tipo de sensor ampliamente utilizados en el mundo de la automoción e indispensable también en la fabricación de helicópteros.
CAPITULO I SENSORES Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.
TRANSDUCTOR Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir una determinada manifestación de energía de entrada, en otra diferente a la salida, pero de valor muy pequeños en términos relativos con respecto a un generador. Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo Para este caso estudiaremos los sensores de velocidad angular
Magnitud
Transductor Dinamo tacométrica Encoder
Velocidad lineal y angular
Detector inductivo Servo-inclinómetros RVDT Giróscopo
CAPITULO II TIPOS DE SENSORES ANGULARES Son sensores de velocidad, estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como angular, pero la aplicación más conocida de este tipo de sensores es la medición de la velocidad angular de los motores que mueven las distintas partes del robot. Existen también otros tipos de sensores para controlar la velocidad, basados en el corte de un haz luminoso a través de un disco perforado sujetado al eje del motor, dependiendo de frecuencia con la que el disco corte el haz luminoso indicará la velocidad del motor.
Giróscopos
El giróscopo o giroscopio está basado en un fenómeno físico conocido hace mucho, mucho tiempo: una rueda girando se resiste a que se le cambie el plano de giro (o lo que es lo mismo, la dirección del eje de rotación). Esto se debe a lo que en física se llama "principio de conservación del momento angular". Este tipo de giróscopos con un volante giratorio se utilizan en aviones y satélites, y además de voluminosos son muy caros. Pero aquí hablamos de robots, donde el tamaño y peso de un elemento de medición interna es muy importante, porque el robot debe tener muchos.
Taco dinamos (Dinamos Taco métricas)
Las dinamos taco métricas son máquinas eléctricas rotativas especiales que, en los últimos años, se han convertido en excelentes colaboradores en los procesos de regulación de velocidades de giro.
La dinamo taco métrica es un generador que se acopla a los motores para poder saber y controlar su velocidad en cada momento Dinamo taco métrica Eje saliente (60V,11x30mm, Brida)
Sensor de Angulo inductivo o RVDT
Los sensores de ángulo inductivos o RVDT son transductores de tipo inductivo, son sensores de posición angular, que al igual que ocurre con los LVDT´s, un núcleo móvil se desplaza por un bobinado, haciendo variar la relación de tensión y fase entre los bobinados primario y secundario del transformador. Por todo ello, los RVDT son elementos sin rozamiento, por tanto sin desgaste, muy indicados en aplicaciones donde hay muchos millones de operaciones y se quiere asegurar el correcto funcionamiento. Existen diferentes versiones de sensores de ángulo inductivo, acondicionados con salida analógica, sin acondicionar, para alta temperatura, versiones ATEX, etc.
Sensor Servo-Inclinómetros
Servo-Inclinómetros de Sensorex. La nueva serie de Servo-Inclinómetros SX41000 de Sensorex está diseñada para aplicaciones que requieren alta precisión y fiabilidad. Debido a su ejecución única, con el elemento sensor consistente en barra de torsión, sensor óptico y servoactuador suspendidos en líquido viscoso, esta gama de inclinómetros es apta para resistir vibraciones ( hasta 5g/20..2.000 Hz ) y golpes ( hasta 500g/ms ).
CAPITULO III MÉTODOS SENSORES: En función al tipo de velocidad a medir, podremos hacer una clasificación de transductores de velocidad lineal y angular, para los que destacaré algunos métodos para determinar los valores de estos dos tipos de velocidad:
A) Detectores de Velocidad Lineal: El modo más simple de calcular la velocidad de un cuerpo rígido es el de medir el desplazamiento de uno de sus puntos en un cierto tiempo, ó el calcular el tiempo necesario para que uno de sus puntos recorra un determinado espacio.
Entonces, si medimos este parámetro in situ, comúnmente la detectaremos mediante mecanismos electromagnéticos en los que un cambio en el flujo magnético induce una fuerza electromotriz (fem) en un conductor (un devanado), atendiendo a la Ley de Faraday:
La fem inducida es igual al producto del número de vueltas en el devanado y el cambio de flujo magnético en la unidad de tiempo:
= −
Donde e = fem inducida N = número de vueltas del devanado
= cambio de flujo magnético por unidad de tiempo ( t ) dt
El signo negativo indica que la dirección de la fem inducida se opone al cambio de flujo que lo produce.
El cambio de flujo viene dado por el movimiento relativo entre el devanado y un imán permanente. El devanado puede un:
Elemento fijo; con el imán moviéndose axialmente alrededor de él Elemento móvil; con el imán situado de forma estacionaria
La velocidad lineal puede medirse determinando la velocidad de rotación y determinando luego la velocidad lineal translacional, basada en el conocimiento del radio del dispositivo sensor. Podremos calcularla de la siguiente manera:
c =n · r
Donde c = velocidad lineal n = velocidad de rotación, expresado en revoluciones por segundo( r/s) r = radio del elemento rotativo
Este método se usa, por ejemplo en “rodillos de medición”, que están unidos al
cuerpo en movimiento, o pueden presionar sobre un medio continuo, como cable, papel, textil o flejes de acero y dar así una salida indicativa de la velocidad a la que se mueve el material.
B) Detectores de velocidad angular Son llamados dínamos tacométricos son usados en muchas aplicaciones. Se pueden diferenciar mediante métodos por contactos o sin contactos, en ambos casos se utilizan para determinar la velocidad de rotación de un eje o de
cualquier otro sistema rotatorio.
Tacómetro: Se trata de un transductor de realimentación electromagnética que entrega una señal análoga de voltaje proporcional a la velocidad de rotación.
A fin de que las señales eléctricas analógicas obtenidas en las salidas de los transductores puedan ser utilizadas correctamente, es necesario emplear también, tal y como comenté antes, sistemas de interfaces eléctricas, los cuáles se denominan acondicionadores de señal
DISEÑO Y OPERATIVA:
Generadores tacométricos electromagnéticos:
Se pueden usar tres tipos de generadores eléctricos como tacómetros, Los cuales generarán una tensión de salida, y en el caso de los tacómetros de corriente alterna de imán permanente, una frecuencia de salida proporcional a la velocidad angular.
Generadores tacométricos de corriente continua:
Usan tanto un imán permanente como un devanado excitado separadamente como estatores y arrollamiento convencional con un colector conmutador en el rotor. Las escobillas asociadas al conmutador requieren un mantenimiento periódico. Una ventaja de estos dispositivos es que la polaridad de salida es indicativo de la dirección de rotación del eje. La salida de un polo positivo de imán permanente es típicamente de 3 a 7 V, mientras que los de enrollamiento en el estator es de 10 a 20 V, para 1000 rev/min.
Generadores tacométricos de corriente alterna de inducción:
Operan como transductores de acoplo variable con el coeficiente de acoplo proporcional a la velocidad de rotación. Cuando el arrollamiento primario(entrada) del estator se excita con tensión, aparece una tensión c.a. en los terminales de salida de arrollamiento secundario la frecuencia de excitación. Los rotores son usualmente de jaula de ardilla o en forma de copa y fabricados con material de alta conductancia, como cobre, asociación de cobre o aluminio (tacómetros de copa). La rotación del eje produce un desplazamiento en la distribución de flujo que cambia el acoplo entre primario y secundario, de manera que la amplitud de la tensión de salida es proporcional a la velocidad angular.
Tacómetros de imán permanente en corriente alterna:
Usan el cambio de flujo entre un imán permanente rotor y un arrollamiento estator para producir una salida c.a. que varía la velocidad de rotación tanto en amplitud como en frecuencia. Este tipo de dispositivos es también denominado magneto c.a. Pueden usarse circuitos acondicionadores de seña para convertir la salida en una frecuencia no dependiente de la amplitud o una señal c.c. variable en amplitud no dependiente de la frecuencia.
Tacómetros electromagnéticos de rotor dentado:
Los tacómetros que utilizan rotor ferromagnético con configuración de engranaje o con salientes dentados y espaciados, en conjunción con un devanado de transducción
electromagnética
(sensor
de
proximidad)
son
usados
muy
frecuentemente. El conjunto devanado-transductor puede ser del tipo de efecto Hall, o puede ser inductivo o del tipo de dientes en remolino, en cuyo caso el material del rotor no necesita ser ferromagnético aunque sí metálico (además, la amplitud de salida no está tan significativamente afectada por la velocidad de rotación). Sin embargo, la mayoría de los conjuntos devanado-transductor son del
tipo electromagnético, como se muestra en la figura siguiente. El devanado que se fabrica de hilo delgado se enrolla alrededor en una forma aislante y está acoplado al polo del imán permanente. El rotor, o al menos el diente rotor, está fabricado con material ferromagnético, como acero magnético. Los polos forman un camino al flujo magnético del imán, creando un campo magnético enfrente del sensor.
Figura 4: Conjunto transductor electromagnético
Cuando un diente ferromagnético atraviesa este campo, el cambio de flujo resultante induce una fem en el devanado. Cuando el objeto rotante cuya velocidad angular se desea medir está equipado con un único diente, se crea un pulso de salida por cada revolución (ver figura a). Con incrementos de la velocidad angular, el número de pulsos por unidad de tiempo crece proporcionalmente. La frecuencia de pulsos puede ser visualizada (directamente sobre un contador de sucesos). El aumento de la frecuencia de cambio del flujo magnético provoca también un aumento en la amplitud de los pulsos, de manera que la amplitud de dicha salida es también indicativo de la velocidad angular, por lo menos dentro de un rango de velocidades y una determinada linealidad. (ver figura b):
Tacómetros Electroópticos: En algunos diseños se mide la velocidad angular mediante dispositivos fotoeléctricos, usando los métodos de transmitancia o reflexión.
La forma de los segmentos de los tacómetros es idéntica a la de los codificadores angulares incrementales con código continuo (360º). Existen diseños tanto con eje sólido como eje huevo, dependiendo de la geometría de los códigos, la salida puede ser de forma cuadrada o senoidal. Cuando se precisa indicar además la dirección de giro se pueden acoplar dos cabezas en cuadratura.
Método de Reflexión: Se usan en sistemas de sensores de velocidad angular, donde la cabeza sensora, que puede ser fija o flotante, contiene una fuente de luz que permite un haz colimado hacia un área reflectante del objeto y un sensor de luz detecta un pulso de luz cuando el haz es reflejado. Algunos elementos de rotación son eminentemente reflexivos, dispuestos simétricamente (los radios de una rueda). Muchos objetos rotantes requieren que se los acople cintas reflexivas (una o varias si se quiere un efecto multiplicativo)
La salida del sensor de luz es, así un contaje de revoluciones del objeto, que pueden ser fácilmente convertidos en r/s o r/min tanto integrados para producir una salida analógica como con elementos lógicos para producir una señal de salida digital.
La figura 9 muestra un tacómetro fotoeléctrico con visualización analógica directa mediante un instrumento portátil a baterías. La cabeza sensora está conectada un acondicionador de señal y a una unidad e visualización mediante un cable, se mantiene flotante con una brida en la parte superior de la unidad. Otros diseños automático.
proporcionan una visualización digital, en r/min, con rango
Sistema tacómetro fotoeléctrico portátil (Cortesía de Power Instruments Inc)
Método con uso de estroboscopios: Es otro método muy usado en medida de velocidad angular, que incluye al observador en el bucle de medida. Los estroboscopios utilizan lámparas de gas de cátodo frío como los de luz flash de alta intensidad. Se ilumina con la lámpara al objeto rotante y se ajusta manualmente la frecuencia de flash por minuto, hasta que la posición del elemento rotante permanece estacionaria. Esto ocurre cuanto se emite un flash por cada ciclo de movimiento, es decir en una revolución completa (el estroboscopio puede utilizarse para detectar movimientos no rotacionales). El número de flash por minuto se puede leer directamente en el visualizador o una indicación calibrada de que disponen.
Figura
10:
Tacómetro
estroboscópico:
(a)
estroboscopio (con lectura digital); (b) método de retenión del movimiento para la medida de la velocidad angular (Cortesía de Power Instruments Inc)
Otros dispositivos sensores de velocidad angular: Existe otros tipos, aunque no se suelen utiliza frecuentemente:
Tacómetros capacitivos: Usan un rotor con armadura unido al eje sensor. Se moldean una, dos o cuatro armaduras en el estator según la configuración del rotor. La capacidad varía periódicamente con la rotación del eje. Si los electrodos se conectan a un puente de c.a. la salida del puente detecta estor cambios.
Tacómetros extensiométricos: Emplean una viga en voladizo a la que se le han aplicado unas galgas extensiométricos, un disco excéntrico está unido al eje de rotación. La viga se encuentra en contacto con el disco de manera que se provoca una deflexión en cada revolución del objeto. Mediante un diseño adecuado del disco se pueden obtener a la salida del puente señales senoidales.
Tacómetros del tipo interruptor: Utilizan la apertura y cierre de contactos. Pueden usarse relés magnético reed, actuando por un imán solidario al eje. En algún diseño se tienen pares de contactos rotativos entre los que se conecta un condensador de manera que se carga alternativamente con tensiones de polaridad opuesta, los contactos estacionarios se conectan a una fuente c.c. en serie con un condensador, a través del que se producen pulsos de corriente. Los interruptores también pueden usurarse de manera que provoquen pulsos de
CAPITULO IV Tacómetros eléctricos: El tacómetro es un dispositivo que mide las revoluciones por minuto (RPM) del rotor de un motor o una turbina, velocidad de superficies y extensiones lineares. Son utilizados para llevar un registro de las velocidades del elemento que tengamos en estudio, que nos permita saber si está trabajando de forma adecuada. Con este tipo de instrumentos evitaríamos que se detenga la maquinaria, pudiendo hacer un mantenimiento en el momento adecuado. También se pueden emplear para conocer distancias recorridas por ruedas, engranes o bandas.
Dinamos Tacométricas (tacodinamo)
Estos proporcionan una señal de corriente continua. Están constituidos por un inductor que genera un campo magnético mediante imanes permanentes o electroimanes y un inducido o rotor ranurado sobre el que se bobinan unos devanados de hilo conductor. Suelen tener una sensibilidad entre 5 y 10 mV por cada r.p.m. y pueden medir velocidades de hasta 10000 r.p.m.
Alternadores tacométricas (taco alternador)
Estos proporcionan una señal alterna senoidal con frecuencia y amplitud proporcionales a la velocidad de rotación. A diferencia de las dinamos tacométricas, el elemento que gira es el rotor formado por un imán permanente. Tiene la ventaja frente a la tacodinamo que no utiliza
colector y escobillas, lo que le dota de mayor duración. Además tiene una sensibilidad comprendida entre los 2 y 10 mV por cada r.p.m. y permite la medida de mayores velocidades que los taco dinamo
Sensor para medición de velocidad angular (taco generador)
El tacogenerador es un sensor electromagnético de reluctancia variable. Consta de una rueda dentada de material ferromagnético (unida al eje rotatorio) y una bobina enrollada en un imán permanente. La rueda se mueve cerca del polo de la bobina, produciendo que el flujo de la bobina cambie con el tiempo, lo cual induce una fuerza electromotriz en la bobina (fem).
Donde a es el flujo medio, b es la amplitud de la variación de flujo y m es el número de dientes que tiene la rueda. Sustituyendo la ecuación (7.12) en la ecuación (7.11) y teniendo en cuenta que θ=w r t se obtiene : E
dN
dN d E
dt
dN
d
bmsenm
x
d
(7.13)
dt d dt
bmwr senmwr t
wr
(7.15)
(7.14)
La fuerza electromotriz E es una señal cuya amplitud y frecuencia son proporcionales a la velocidad angular (w r ) de la rueda. La amplitud w r puede ser obtenida de la amplitud o de la frecuencia de la señal. Normalmente es preferible hacerlo de la frecuencia debido a que ella es menos alterada por el ruido y la interferencia. Como señal modulada en frecuencia por la velocidad angular (w r ), ésta puede ser medida haciendo medición digital de frecuencia o mediante conversión de frecuencia a voltaje, empleando luego un convertidor A/D para realizar la adquisición de los datos con la PC.
Giroscopios electrónicos
La propiedad del mantenimiento de la inmovilidad del eje de rotación se ha empleado en dos tipos de aplicaciones: En primer lugar, como sustituto de la brújula, toda vez que el giroscopio mantiene un ángulo de rotación prefijado, al contrario que la aguja magnética de la brújula, que registra variables en virtud de efectos eléctricos, como asimismo por la influencia de piezas de hierro o acero. Esta aplicación, evidentemente, es primordial en buques de superficie y navíos submarinos, sobre todo en estos últimos, ya que las corrientes eléctricas impiden que la brújula funciones correctamente. Asimismo, facilita el pilotaje automático del navío, al prefijar al timonel una determinada dirección. Esta última utilidad ha sido desarrollada sobre todo en las aeronaves, y en los torpedos, en cuyo caso permite trazar una trayectoria rectilínea. Y no olvidar su aplicación en la predeterminación del rumbo de las bombas volantes alemanas V-1 y V-2 empleadas en la fase final de la Segunda Guerra Mundial. En segundo lugar, la aplicación de los giroscopios ha permitido contrarrestar las oscilaciones naturales de las embarcaciones, si bien hay que manifestar que esta utilización está mucho menos extendida. Son normalmente sensores de velocidad angular que emplean el efecto de Coriolis. Para ello se realizan micromecanizados del silicio. El movimiento de rotación produce fuerzas de Coriolis que dependen de la velocidad de giro.
Un sensor típico puede tener dimensiones entre 2 y 3 mílimetros. Los giroscopios, como ya se sabe, miden la velocidad angular de rotación, o como de rápido gira un objeto. La rotación es normalmente medida en referencia a uno de los tres ejes : x, y o z. La figura muestra como según el plano en el que se monte el giroscopio, calculara una determinada velocidad de rotación :
Servo-Inclinómetros de Sensorex.
La nueva serie de Servo-Inclinómetros SX41000 de Sensorex está diseñada para aplicaciones que requieren alta precisión y fiabilidad. Aplicaciones: Ingeniería civil, grúas, perforados, maquinaria para túneles, industria del petróleo, campo intrínseco (ATEX), industria militar, pesaje en estructuras inclinadas, monitoración de estructuras, nivelación de plataformas, control de movimiento angular, etc.
Que es y para qué sirven los encoder de un servomotor Un encoder es un codificador rotatorio, también llamado codificador del eje, suele ser un dispositivo electromecánico usado para convertir la posición angular de un eje a un código digital, lo que lo convierte en una clase de transductor. Estos dispositivos se utilizan en robótica, en lentes fotográficas de última generación, en dispositivos de entrada de ordenador (tales como el ratón y el Trackball), y en plataformas de radar rotatorias. Hay dos tipos principales: absoluto y relativo.
BIBLIOGRAFÍA Y DIRECCIONES URL
https://sites.google.com/site/sensoresmarlennemac/tipos-de-sensore http://prezi.com/ybqf-jeahblm/sensores-y-transductores-de-velocidad/ http://libro-sensores.blogspot.com http://www.unet.edu.ve/~ielectro/sensores.pdf http://libro-sensores.blogspot.com/view=classic
