4º Ingeniería Industrial SISTEMAS ELECTRONICOS Y AUTOMATICOS

Transcripción

1 Escuela Politécnica Superior de Elche 4º Ingeniería Industrial SISTEMAS ELECTRONICOS Y AUTOMATICOS PARTE 1º: INSTRUMENTACION CURSO APLICACIÓN DE UN SENSOR HALL EN UNA LAVADORA Gloria Montero Moya Daniel Morcillo Sánchez Daniel Campos Navarro Cristina Oñate García Carlos Ruiz Picazo

2 DEFINICIÓN SENSOR. Un sensor es un aparato capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, ph, etc. Una magnitud eléctrica obtenida 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 un fototransistor), etc. Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable a medir o a controlar. Hay sensores que no solo sirven para medir la variable, sino también para convertirla mediante circuitos electrónicos en una señal estándar (4 a 20 ma, o 1 a 5VDC) para tener una relación lineal con los cambios de la variable censada dentro de un rango (span), para fines de control de dicha variable en un proceso. 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. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica, etc. Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.

3 Características de un sensor. Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes: Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (p.e. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano. Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y

4 filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto del circuito. Resolución y precisión de un sensor. La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida. La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión. Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.

5 SENSOR DE EFECTO HALL. Definición de efecto hall. Es un fenómeno por el cual una corriente eléctrica atraviesa un material conductor mientras se aplica un campo magnético que forma un ángulo recto con la corriente. Esto daba como resultado una acumulación de electrones, llamada tensión de Hall, a lo largo de uno de los filos del conductor. La tensión hall (V H ) que circula por la lámina fina de material semiconductor se calcularía de acuerdo a la expresión: Siendo: I la intensidad de la corriente eléctrica. B la densidad del campo magnético t seria el tiempo. R H es la constante hall.

6 El sensor de efecto Hall o simplemente sensor Hall o sonda Hall (denominado según Edwin Herbert Hall) se sirve del efecto Hall para la medición de campos magnéticos o corrientes o para la determinación de la posición. Si fluye corriente por un sensor Hall y se aproxima a un campo magnético que fluye en dirección vertical al sensor, entonces el sensor crea un voltaje saliente proporcional al producto de la fuerza del campo magnético y de la corriente. Si se conoce el valor de la corriente, entonces se puede calcular la fuerza del campo magnético; si se crea el campo magnético por medio de corriente que circula por una bobina o un conductor, entonces se puede medir el valor de la corriente en el conductor o bobina. Si tanto la fuerza del campo magnético como la corriente son conocidas, entonces se puede usar el sensor Hall como detector de metales. Los sensores Hall se producen a partir de finas placas de semiconductores, ya que en ella el espesor de los portadores de carga es reducido y por ello la velocidad de los electrones es elevada, para conseguir un alto voltaje de Hall. Los típicos formatos de estas placas de semiconductores son: Forma rectangular Forma de mariposa Forma de cruz Los elementos del Hall se integran mayoritariamente en un circuito integrado en los que se produce una elevación de la señal y una compensación de la temperatura. Funcionamiento de un sensor de efecto Hall Transmisión con un sensor Hall

7 Características de los sensores Hall. Son dispositivos de estado sólido. Muy fiables. Larga vida de funcionamiento (millones de operaciones de forma continuada). Frecuencia de funcionamiento relativamente alta (hasta 100kHz o más). No tienen partes móviles. Compatibilidad con otros circuitos electrónicos. Margen de temperatura amplio. Buena repetitividad. Dependen de B (no de db/dt) Integrables Reproducibles. La sensibilidad se mide normalmente en Milivolt por Gauß (mv/g). Donde: 1 Tesla = Gauß (1 G = 10-4 T). Utilización: Los sensores Hall se utilizan en señales salientes análogas para campos magnéticos muy débiles (campo magnético terrestre), ej. Brújula en un sistema de navegación. Como sensores de corriente se usan como bobinas, recorridas con una corriente por medir situadas en la separación del núcleo de hierro. Estos sensores de corriente se comercializan como componentes íntegros, son muy rápidos, se pueden usar para la medición de corrientes continuas (a diferencia de los transformadores de corriente) y proveen una separación de potencial entre circuitos de rendimiento y la electrónica de control. Como sensor de reconocimiento de posición o tecla a distancia trabajan en conexión con imanes permanentes y disponen de un interruptor de límite integrado.

8 Clasificación de los sensores Hall. Según el tipo de salida los sensores Hall pueden ser: 1. Sensores Hall de salida lineal o analógicos. Siendo los circuitos de acondicionamiento para los sensores Hall de salida lineal o analógicos:

9 2. Sensores Hall de salida digital (interruptores Hall). Siendo los circuitos de acondicionamiento de los sensores Hall de salida digital (interruptores Hall):

10 Configuraciones de medida de los sensores Hall. Modos básicos: Modo frontal (Head-on mode): la dirección de movimiento del imán es perpendicular a la cara activa del sensor. Modo lateral (Slide-by mode): la dirección de movimiento del imán es paralela a la cara activa del sensor. Tipos especiales de sensores Hall. 1. Sensores Hall comerciales. Interruptor de ranura: Detectan la presencia de una lámina de metal ferroso que pase por la ranura central. Aplicaciones de recuento, posicionamiento, tacómetros, etc.

11 Detector de dientes de engranaje: Dispositivo encapsulado en una carcasa tipo sonda. Detecta con gran precisión el movimiento de un objetivo de material ferro magnético. Cuando el diente del engranaje pasa por la cara del sensor, detecta un cambio en el nivel del flujo. La tensión de salida conmuta entre VCC y la tensión de saturación del transistor de salida.

12 2. Sensor Hall de corriente con salida analógica. Núcleo de ferrita y sensor Hall lineal montado en un encapsulado. La corriente IP crea un campo magnético que circula por la ferrita hasta el sensor Hall. Dicho sensor genera una tensión de salida proporcional a la corriente en el conductor. Aplicaciones de los sensores Hall Mediciones de campos magnéticos (Densidad de flujo magnético) Mediciones de corriente sin potencial (Sensor de corriente) Emisor de señales sin contacto Aparatos de medida del espesor de materiales Como sensor de posición o detector para componentes magnéticos los sensores Hall son especialmente ventajosos si la variación del campo magnético es comparativamente lenta o nula. En estos casos el inductor usado como sensor no provee un voltaje de inducción relevante.

13 En la industria del automóvil el sensor Hall se utiliza de forma frecuente, ej. en el cierre del cinturón de seguridad, en sistemas de cierres de puertas, para el reconocimiento de posición del pedal o del asiento, el cambio de transmisión y para el reconocimiento del momento de arranque del motor. La gran ventaja es la invariabilidad frente a suciedad (no magnética) y agua. Además puede encontrarse este sensor en circuitos integrados, en impresoras láser donde controlan la sincronización del motor del espejo, en disqueteras de ordenador así como en motores de corriente continua sin escobillas, ej. en ventiladores de PC. Ha llegado a haber incluso teclados con sensores Hall bajo cada tecla. Aplicación curiosa de un sensor de efecto Hall. En la industria, la tendencia se aleja de las lavadoras con una capacidad del tambor de 5 kg de carga hacia modelos más grandes con una capacidad de 7 ó 8 kg. Sin embargo, estos grandes tambores aún se instalan en las lavadoras de tipo estándar con una anchura de 60 cm, lo cual significa que queda mucho menos espacio entre el tambor y la carcasa. Esto hace que se produzcan colisiones con mayor probabilidad. Por tanto es necesario medir la posición del tambor respecto a la carcasa, la utilización de esta señal para identificar por adelantado los impactos entre tambor y carcasa, y reaccionar en consecuencia. El sensor de efecto Hall fue desarrollado para detectar la posición relativa en las tres dimensiones del tambor de la lavadora respecto a la carcasa. La capacidad de medir la posición del tambor ofrece otras ventajas adicionales; por ejemplo, es posible detectar desequilibrios y detectar frecuencias resonantes del sistema mecánico durante el ciclo de centrifugado de la máquina. Estos desequilibrios pueden verse reducidos ralentizando la velocidad de rotación y la distribución del peso de manera más equilibrada. Es posible incluso medir una carga de ropa mientras se coloca en la máquina y recomendar la cantidad necesaria de detergente!

14 En este proyecto se desarrolló un nuevo circuito integrado de aplicación específica (ASIC) de sensor Hall 3-D que mide los tres componentes vectoriales de un campo de dipolo magnético. El sistema de medida completo consiste en un imán fijado al tambor en la lavadora y el ASIC de sensor Hall 3-D conectado a la carcasa del aparato. El sensor Hall mide la dirección y la intensidad del campo magnético, determinando el movimiento relativo del imán en las tres dimensiones. Esta información se comunica entonces al microcontrolador incorporado, que aplica un algoritmo propietario para determinar el modo de control del movimiento del tambor. El nuevo sistema de posicionamiento 3-D en el sensor Hall aporta varias ventajas. En primer lugar, su ensamblaje resulta sencillo ya que no existe conexión mecánica entre el imán y el sensor. Dado que los valores medios de los tres componentes del campo magnético pueden registrarse simultáneamente, el sistema sensor también ofrece la opción de calcular la velocidad. En general, el diseño permite gestionar los recursos naturales de forma más responsable. El uso del modelado matemático del campo permite eliminar las técnicas de planificación 3-D tradicionales y utilizar un microcontrolador más pequeño y económico. También se utilizan menos recursos al crear un imán considerablemente más reducido.