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Transductores de Velocidad ---------------- Mario J. Rincón Rincón --------------------------------------------------------------- pá
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TRANSDUCTORES:
Son dispositivos que absorben energía de un sistema y mediante una serie de mecanismos métodos y decisiones se transforma, cediéndola a otro otr o sistema en forma de diferen d iferente te energ ener Por lo tanto t anto podemos decir que se encargará de realizar la conversión de una magnitud magnitud cualquiera en otra, normalmente en forma de energía e nergía eléctrica, aunque antaño se utilizaba señales hidráulicas. Podemos llamarlos también sensores o detectores, ya que no alteran alter an la propiedad sensada decir, apenas influye en el sistema a medir, tan solo nos interesa captar los valores producidos de una una determinada determinada magnitud física
Por tanto, la necesidad de tener que medir y analizar las vibraciones que se producen en muchas clases de estructuras en situaciones particulares ha fomentado el desarrollo de cie tipos de transductores, capaces de realizar estas transformaciones de energía, ya que los podremos encontrar encontrar actualmente actualmente en numerosos aparatos aparatos que usaremos usaremos en la vida cotidian teléfonos, micrófonos, paneles solares, estaciones eólicas… TIPOS DE TRANSDUCTORES: TRANSDUCTORES:
Según la magnitud magnitud física a medir, podremos realizar una clasificación clasificación de los transductore más utilizados actualmente. Atendiendo a esto, tendremos los siguientes tipos de transductores: De Desplazamiento De Presión De Temperatura De Posición De Velocidad
En este trabajo me centraré en comentar más profundamente los transductores que encargan de traducir la velocidad a diferentes niveles de tensión. TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD:
Se va a encargar, tal y como se indica de transformar la Sign velocidad de un cuerpo en up to vote on this title revolución revolución en una magnitud eléctrica, determinando para ello una serie de parámetros a te Useful Not useful en cuenta, los cuales comentaremos comentaremos a continuación: continuación:
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1.- MÉTODOS SENSORES:
En función al tipo de velocidad a medir, podremos hacer una clasificación de transduct de velocidad lineal y angular, para los que destacaré algunos métodos para determinar 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 necesa 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 fue 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 You're Reading a Preview flujo magnético en la unidad de tiempo: Unlock full access with d φa free trial.
e = − N
Donde e
dt Download With Free Trial
= fem inducida N = número de vueltas del devanado d φ dt
= cambio de flujo magnético ( φ) por unidad de tiempo ( t )
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 Sign up to vote on this title permanente. El devanado puede un: useful Useful Not Elemento fijo; con el imán moviéndose axialmente alrededor de él Elemento móvil; con el imán situado de forma estacionaria
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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 flej de acero y dar así una salida indicativa de la velocidad a la que se mueve el material.
Acelerómetros: Hoy en día son muy comunes utilizar transductores de aceleración, denominados acelerómetros, ya que la aceleración es la variación de la velocidad en el tiempo, la velocidad puede ser determinada integrando la salida de un acelerómetro. En muchas aplicaciones con acelerómetros, se añaden circuitos integradores al circuito acondicionad de la señal para poder generar tanto la aceleración como la velocidad del cuerpo en movimiento.
sensores de velocidad remotos: Se pueden diseñar elementos sensores de velocidad remotos basados en el efecto Doppler efecto producido como el cambio de frecuencia aparente en un tren de onda debido al movimiento relativo entre la fuente del tren de onda y el observador.
Efecto Doppler: Este efecto es la explicación en el cambio de frecuencia del sonido emitido por un vehícu que se mueve primero acercándose al observador y luego alejándose, denominados corrimientos Doppler, que son desplazamientos en las líneas espectrales de la luz emitida (corrimientos del rojo, corrimiento del azul) es de donde la luz se observa.
El corrimiento de la frecuencia en You're la señalReading de radioa Preview transmitida (o transpuesta coherentemente con ondas de radioUnlock emitidas en tierra) por vehículos se utiliza para full access with a free trial. determinar la velocidad del vehículo (y su posición, por integración). En la mayoría de lo sensores de velocidad por efecto Doppler, la medición de la velocidad del objeto se Download With Free Trial determina a partir del corrimiento en frecuencia de las señales directa transmitida y reflej por dicho cuerpo, situándose el observador junto a los instrumentos de recepción y transmisión. En el método de onda reflejada, la frecuencia de la onda devuelta por el objeto que viaja a velocidad v es igual ( f ± fd) donde f es la frecuencia de la onda transmitida (y la de la reflejada si el objeto estuviera inmóvil) y fd es el corrimiento en frecuencia debido al efec Doppler, con una polaridad dada por la dirección del movimiento del objeto, la velocid relativa del emisor frente al recepto y la longitud de onda λ por tanto: fd = 2v / λ. Sign up to vote on this title
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Cuando la onda reflejada se compara con la onda transmitida puede calcularse la velocida del objeto. Cuando la onda reflejada se superpone con la onda transmitida, el efecto de
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B) Detectores de velocidad Vertical: Usados en vehículos aéreos, y se desarrollan diferenciando la salida de un transductor de presión-altitud (o radar altímetro) dado que la velocidad vertical es el cambio de altitud e unidad de tiempo.
C) 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 análo 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 seña
2.- DISEÑO Y OPERATIVA:
Transductores de velocidad lineal electromagnéticos: You're Reading a Preview En su forma más simple, este tipo de transductores consiste en un devanado montado una carcasa de acero pulido y un núcleo coaxial Unlock full access with acilíndrico free trial. con imán permanente unido un eje con un tope engarzado, tal y como se indica en la figura. El núcleo se mueve dentro del devanado, con el movimiento del objeto al que se ha unido el extremo del e Download With Free Trial produciendo una salida en el devanado, proporcional a la velocidad: •
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Otro diseño de transductor de velocidad lineal es el indicado en la siguiente figura, que difiere en que contiene dos devanados. Los arrollamientos están conectados en contrafase una disposición serie opuesta. Las tensiones se suman de manera que la t ensión total inducida es proporcional a la velocidad del núcleo:
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Figura 2: Transductor de velocidad lineal electromagnético de devanado dual (Corte de Schaevitz Engineering.)
Otros diseños diferentes son: Ø
El de devanado fijo , un imán permanente se soporta entre dos muelles. En los Sign up to vote on this title extremos del imán cilíndrico unos aros de aleación oro-paladio minimizan la fricc Useful Not useful moviéndose dentro de unos casquillos de acero cromoplateado pulido. Unos reten engarzados sellan los extremos del montaje. El transductor completo se monta sob el objeto cuya velocidad oscilante quiere medirse. Cuando la frecuencia de este
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You're Reading a Preview Figura 3: Transductor de velocidad lineal electromagnético(Cortesía de CEC Divisio Unlock full access with a free trial. /Bell and Howell Co.)
Como los “rodillos de medida”Download usan rodillos discos, WithoFree Trialcuyo radio es conocido, unido a tacómetros de diversos diseños. El diseño de tacómetros se describe a continuación.
Transductores de sensores remotos de velocidad lineal: Serán los de efecto Doppler, radares Doppler y lasers Dopplers, los cuales no los describiré por su complejidad adicional, aunque los nombraré en varias situaciones. •
Generadores tacométricos electromagnéticos: Se pueden usar tres tipos de generadores eléctricos como tacómetros, Los cuales Sign up to vote on this title generarán una tensión de salida, y en el caso de los tacómetros de corriente alterna de Useful Not useful imán permanente, una frecuencia de salida proporcional a la velocidad angular. •
Generadores tacométricos de corriente continua:
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(entrada) del estator se excita con tensión, aparece una tensión c.a. en los terminales de salida de arrollamiento secundario la frecuencia de excitación. L 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 man que la amplitud de la tensión de salida es proporcional a la velocidad angular. o 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 denominad magneto c.a. Pueden usarse circuitos acondicionadores de seña para convertir salida en una frecuencia no dependiente de la amplitud o una señal c.c. variabl en amplitud no dependiente de la frecuencia.
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Tacómetros electromagnéticos de rotor dentado: Los tacómetros que utilizan rotor ferromagnético con configuración de engranaje o 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 tip de dientes en remolino, en cuyo caso el material del rotor no necesita ser ferromagnét aunque sí metálico (además, la amplitud de salida no está tan significativamente afect You're Reading Previewde los conjuntos devanado por la velocidad de rotación). Sin embargo, la amayoría transductor son del tipo electromagnético, como en la figura siguiente. E Unlock full access with a se freemuestra trial. devanado que se fabrica de hilo delgado se enrolla alrededor en una forma aislante y e acoplado al polo del imán permanente. El rotor, o al menos el diente rotor, está fabric Download With Free Trial con material ferromagnético, como acero magnético. Los polos forman un camino al flujo magnético del imán, creando un campo magnético enfrente del sensor. •
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Figura 5: Principio operativo de tacómetro electromagnético con salida por frecuenc (a) diente único; (b) diente continuo
Un número elevado de dientes en el rotor produce más pulsos por unidad de tiempo (m pulsos por revolución) como se ilustra en la siguiente figura. Los dientes continuos también son usados con frecuencia. Otros rotores incluyen la forma de cruz de malta. Con una extensión menor, si bien no presenta las exigencias de orientación del tipo cincel, orientación que hace el ajuste de huelgo más difícil. En la figura siguiente se You're Reading Previewde onda producidas por ella. muestran algunas configuraciones típicas y lasaformas Puede observarse que los dientes de engranaje pueden ser mecanizados (engranajes de Unlock full access with a free trial. diente fino) para que la señal de salida se acerque a una senoide. Esto es deseable cuan se precisa una señal de frecuencia pura en el sistema. Download With Free Trial
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El devanado electromagnético debe estar instalado de manera que no exista ninguna barrera magnética entre el polo y el rotor. Lo mejor es instalarlo de manera que no ex ningún tipo de barrera entre ambos. Si el conjunto rotor debe ser aislado del medio ambiente, el montaje del devanado y los accesorios de montaje pueden garantizar dich aislamiento. Si aún se requiriera una barrera, el camino magnético del polo podría ser extendido montando una patilla que atravesara la barrera (no magnética) y presionan el polo contra la cara lateral de dicha patilla. El sensor debe estar posicionando de manera que la pieza del polo magnético esté lo m cerca posible del diente del rotor, sin causar contacto físico, incluyendo los efectos debidos a la expansión térmica y a la rugosidad de la superficie del diente. La amplitud del pulso de salida cae fuertemente con los aumentos de distancia (com muestra en la siguiente figura 6), pues que la salida es inversamente proporcional al cuadrado de dicha distancia.
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Figura 7: Variación de la amplitud de salida con la separación entre la pieza polar y diente del rotor. Sign up to vote on this title
La configuración estándar de la pieza polar es cilíndrica. embargo, de la Useful useful Sin Notdependiendo aplicación y de la configuración de dientes pueden usarse otras formas. Formas típicas so las configuraciones cónicas y de cincel (véase la figura 7).
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Figura 7: Configuraciones de pieza polar: (a) pieza polar cilíndrica; (b) pieza polar cón (c) pieza polar en cincel (cortesía de Electro Co).
Conversión en señales digitales Algunos sensores de velocidad angular utilizan dos devanados sensores para obtener seña procedentes de puntos diferentes (cuando los dos devanados se montan en 90º) para obten una diferencia de fase que puede ser convertida en indicación de la dirección de rotación p medio de un circuito digital. Determinados conjuntos de devanado se diseñan con circuito acondicionadores de señal integrados que convierten los pulsos de salida del devanado, de diversas formas, en pulsos de forma cuadrada apropiados a las entradas de los sistemas digitales. Los conjuntos de devanado están equipados con tres conexiones de interfase, un Terminal de excitación (normalmente entre 5 y 15 V), un Terminal común para la excitac y un Terminal de salida que proporcional los pulsos de onda cuadrada (de 0 a 0.2 indicand un “0” y de 3 a 14 V indicando un “1”). You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
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Figura 8: Tacómetro electromagnético con conversión frecuencia-tensión: (a) sistem de medida en engranaje dentado; (b) diagrama de bloques típico ilustrando la
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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 angul 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 senoidal. Cuando se precisa indicar además la dirección de giro se pueden acoplar dos cabezas en cuadratura. •
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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 median un instrumento portátil a baterías. La cabeza sensora está conectada un acondicionador señal y a una unidad e visualización mediante un cable, se mantiene flotante con una brid en la parte superior de la unidad. You're Reading a Preview Otros diseños proporcionan una visualización entrial. r/min, con rango automático. Unlock full accessdigital, with a free Download With Free Trial
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Método con uso de estroboscopios: Es otro método muy usado en medida de velocidad angular, que incluye al observador bucle de medida. Los estroboscopios utilizan lámparas de gas de cátodo frío como los de flash de alta intensidad. Se ilumina con la lámpara al objeto rotante y se ajusta manualme 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 una revolución completa (el estroboscopio puede utilizarse para detectar movimientos no rotacionales). El número de flash por minuto se puede leer directamente en el visualizado una indicación calibrada de que disponen.
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Otros dispositivos sensores de velocidad angular: Existe otros tipos, aunque no se suelen utiliza frecuentemente: •
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Tacómetros capacitivos: Usan un rotor con armadura unido al eje sensor. Se moldean una, dos o cu armaduras en el estator según la configuración del rotor. La capacidad v periódicamente con la rotación del eje. Si los electrodos se conectan a un pue de c.a. la salida del puente detecta estor cambios. o
Tacómetros extensiométricos: Emplean una viga en voladizo a la que se le han aplicado unas gal extensiométricos, un disco excéntrico está unido al eje de rotación. La viga encuentra en contacto con el disco de manera que se provoca una deflexión cada revolución del objeto. Mediante un diseño adecuado del disco se pue obtener a la salida del puente señales senoidales. o
Tacómetros del tipo interruptor: Utilizan la apertura y cierre de contactos. Pueden usarse relés magnético r actuando por un imán solidario al eje. En algún diseño se tienen pares contactos rotativos entre los que se conecta un condensador de manera que carga alternativamente con tensiones de polaridad opuesta, los conta estacionarios se conectan a una fuente c.c. en serie con un condensador, a tra del que se producen pulsos de corriente. Los interruptores también pue Reading a Preview usurarse de manera queYou're provoquen pulsos de tensión a la salida. o
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TRANSDUCTOR DE VELOCIDAD Detector magnético de velocidad
1. SIN ACOPLAMIENTO
MECÁNICO 2. SIN PROBLEMAS DE RODAMIENTOS 3. SIN LÁMPARAS 4. SIN CONTACTOS ELÉCTRICOS 5. SIN PROBLEMAS DE DESGASTE 6. NO REQUIERE PROTECCIÓN 7. FÁCIL MONTAJE 8. BAJO COSTO 9. SALIDA DIGITAL PROPORCIONAL ESPECIFICACIONES: LAS ESPECIFICACIONES PUEDEN VARIAR SIN PREVIO AVISO.
Mecánicas:
60 mm. El transductor DMV - A – 10 convierte movimientos Longitud Diámetro 14 mm. mecánicos en una señal eléctrica sin necesidad de Rosca milimétrica M14X1 acoplamiento mecánico. You're Reading aCuerpo Preview Aluminio Consta de un imán permanente que produce un Sensibilidad 1 mm. campo magnético que al ser interceptado Unlockpor full el access with a free trial. Longitud del cable 1,2,5, ó 10 movimiento de un objeto ferromagnético, produce m una señal eléctrica cuya frecuencia es directamente Download With Free Trial proporcional a la velocidad. Esa señal es amplificada y conformada por los Eléctricas: circuitos electrónicos contenidos en el mismo. Tensión de alimentación 5 a 35 V Este tipo de transductor ofrece grandes ventajas si Corriente de alimentación 35 mA lo comparamos con otros métodos mecánicos y RI mínima (a 35 V) 1 K ópticos, dado que no presenta problemas de Salida Colector alineación, ni contactos eléctricos que pudieran abierto desgastase, ni protecciones contra la suciedad Temperatura de trabajo 0 a 70° ambiental. Posee características eléctricas sobresalientes, deupconexión: Sign to vote on this title dado que puede manejar corrientes de hasta 40 mA Código con tensiones de alimentación de 35 Volts. Rojo Useful Not useful+ V. Esto permite enviar la señal de salida por línea de Negro Común. gran longitud con alta inmunidad al ruido Blanco Salida.
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BIBLIOGRAFÍA Sensores y Acondicionadores de Señal 4ª Edicion Autor: Ramón Pallás Areny Sensores y Analizadores – Colección Electrónica/Informática Autor Harry N Norton http://content.honeywell.com/sensing/hss/speedandposition/a1-1.asp http://cipres.cec.uchile.cl/~iq54a/apuntes/03_instrum/03_instrum.html www.esimez.ipn.mx/ie/carreraice/6tosemie/ELECTRO3.pdf
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