TRANSDUCTORES DE REACTANCIA VARIABLE Y ELECTROMAGNÉTICOS

Transcripción

1 TRANSDUCTORES DE REACTANCIA VARIABLE Y ELECTROMAGNÉTICOS Juan A. Montiel-Nelson Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria

2 Indice Introducción a los Reactancia Variable Transductores Capacitivos Transductores Inductivos Transductores Electromagnéticos

3 Introducción Principios generales La variación de la reactancia de un componente o circuito ofrece una alternativa de medida a los transductores resistivos. Ventajas frente a los transductores resistivos No requieren contacto físico con el sistema donde se va a medir, o bien tienen un efecto de carga mínimo. Introducción a la medida diferencial La falta de linealidad intrínseca se supera con el uso de transductores diferenciales. Limitación de frecuencia La frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser inferior a la frecuencia de alimentación. 3

4 Transductores capacitivos Fundamentos Expresiones de capacidades Depende de la disposición geométrica de los conductores y del material dieléctrico C C C( ε ε, G); A ( n ); ε 0 r d 4

5 Transductores capacitivos Condensador variable Caso de un condensador formado por n placas planas paralelas iguales, con área A, distancia d entre cada par, y un material entre ellas con constante dieléctrica relativa C A ε ε ( n ); 0 r d 5

6 Transductores capacitivos Cambios de la constante dieléctrica Aplicación en la medida de nivel de depósitos Aplicación en la medida de temperatura, en caso de materiales ferroeléctricos, por encima de la temperatura Courie Materiales Ferroeléctricos a Temperatura de Courie ε T k T c 6

7 Transductores capacitivos Limitaciones Efecto de los Bordes En el caso de un condensador plano con placas paralelas, los efectos de los bordes son despreciables si la separación entre placas es mucho menor que la dimensión lineal de éstas C A a ε + εln d Π Πa d ; Al aumentar la relación a/d disminuye el error relativo 7

8 Transductores capacitivos Limitaciones Efectos de los bordes Ubicación de guardas 8

9 Transductores capacitivos Aislaminetos entre placas El aislamiento debe ser alto y constante Si por caso de humedad variable aparecen resistencias parásitas en paralelo con C por variar el aislamiento ofrecido por el dieléctrico, se tendría variaciones en la impedancia del condensador Si el método de medida fuese sensible sólo al módulo de la impedancia, pero no a su fase, los errores podrían ser importantes 9

10 Transductores capacitivos Interferencia capacitivas Dado que sólo una de las superficies puede ponerse a tierra, la posibilidad de interferencias capacitivas es otra fuente de error a considerar. 0

11 Transductores capacitivos Cables de conexión Deben se apantallados para evitar las interferencias capacitivas, añaden una capacidad en paralelo con el condensador, por la que se pierde sensibilidad pues la magnitud a medir hará cambiar sólo la capacidad del transductor, que es una parte de la capacidad total

12 Transductores capacitivos Linealidad Dependencia con los parámetros y la medida Dependen de los parámetros que varía y de si se mide la impedancia o la admitancia del condensador Medida de la admitancia con distancia variable C ε d dc dx Con ε r, A variable y salida lineal Con d variable y salida no lineal Sensibilidad A ( + α ) ; εa C0 C0 4 d d ( + α ) d( + α ) ( 3 α + 3α α +L)

13 Transductores capacitivos Dieléctrico entre placas C ε d dc dx Si se añade un dieléctrico entre placas de un condensador plano ε Sensibilidad A + ε x r ε r x ; θ d εaε ( d + ε x) r r ; ε r A C0 ε ε 4 r d ε + r x d d ( 3 θ + 3θ θ +L) 3

14 4 Transductores capacitivos Medida de impedancia con distancia variable Sensibilidad de la medida ( ) ( ) ; ; ; A j d A A j d dx dc C j dx dz C j Z d x x d A C r r ωε α ε ε ωε α ω ω ε θ ε ε + + +

15 Transductores capacitivos Alta impedancia de salida La impedancia decrece cuanto mayor sea la frecuencia de alimentación (ésta puede venir limitada por la presencia de capacidades parásitas, que presentarán también menor impedancia cuanto mayor sea la frecuencia) 5

16 Transductores capacitivos Ventajas Error de carga mínimo Contacto mecánico No hay contacto mecánico directo, y no habrña por tanto errores de fricción no de histéresis y ademñas no hay que hacer mucha fuerza para desplazar el elemento móvil Estabilidad y reproducibilidad muy elevadas Al no depender C de las propiedas de (conductividad) de las placas, no afectan en este sentido los cambios de temperatura, ni hay envejicimiento, ni derivas temporales. Alta resolución No producen campos magnñeticos o eléctricos grandes 6

17 Transductores capacitivos Aplicaciones Medida de desplazamientos Detectores de proximidad Medición de cualquier magnitud que se pueda convertir en un desplazamiento Presión, fuerza, par, aceleración 7

18 Transductores capacitivos Aplicaciones Medida de humedad Las variaciones de la constante dieléctrica empleando óxido de aluminio como dieléctrico Análisis químico de mezclas binarias de fluidos no conductores Medida de temperatura Empleando mezclas de materiales ferroeléctricos para obtener la temperatura de Courie adecuada SrTiO 3 (T c - 40 ºC) B a TiO 3 (T c 0 ºC) Medidas de espesores finos Materiales dieléctricos cuya permitividad no cambie apreciablemente con la humedad o se mantenga constante al variar ésta 8

19 Transductores capacitivos Aplicaciones Medida de nivel de líquidos conductores y no conductores 9

20 Transductores capacitivos Condensador diferencial 0

21 Transductores capacitivos Condensador diferencial ; ; ; ; C C C V C j C j C j V V C C C V C j C j C j V V x d A C x d A C ω ω ω ω ω ω ε ε

22 Transductores capacitivos Condensador diferencial ; ; d x d V x d x d x d V V d x d V x d x d x d V V

23 3 Transductores capacitivos Condensador diferencial ; ; x d x d x d A x d A C C V V d x V d x d d x d V V V ε ε

24 Transductores capacitivos Condensador diferencial 4

25 5 Transductores capacitivos Condensador diferencial Una medida que implica una diferencia de capacidades daría un resultado proporcional a x, pero una medida que implique la cociente no ( ) ( ) ( ) ( ) ; ; x x x C x x x x d a d x x a C x x x C x x x x d a d x x a C ε ε ε ε

26 Transductores capacitivos Limitaciones Las mismas que el condensador variable Capacidad de los cables de salida Ventajas Un error particularmente grave es la capacidad de los cables de salida pues están en paralelo con las capacidades y ello introduce una no linealidad y una pérdida de sensibilidad Linealidad Es posible tener una salida proporcional a la magnitud de interés incluso en el caso de una variación de la distancia entre placas 6

27 Variación de la reluctancia Fundamento La inductancia de un circuito indica la magnitud del flujo magnético que concatena debido a una corriente eléctrica. Si se trata de una corriente circulando por el propio circuito, se habla de autoinductancia, L. En caso contrario, se habla de inductancia mútua L ε dθ N ; θ di N NI; L R ε ; R ; 7

28 Variación de la reluctancia Circuito magnético Dada una bobina de sección A y de longitud l mucho mayor que sus dimensiones transversales, R viene dado por R R µ µ 0 µ r 0 l A l0 A 0 + µ 0r la A a l + ; µ A µ µ 0 r l A ; A a >> l a ; 8

29 Variación de la reluctancia Circuito magnético Cualquier variación en N, µ o la geometría (l, A) puede emplearse para la transducción de señales entrehierro variable l 0 núcleo móvil µ 9

30 Limitaciones Variación de la L con campos magnéticos parásitos Relación L y R Relación no constante entre L y R dado que el campo deja de ser uniforme hacia los extremos del dispositivo Flujo magnético disperso Flujo muy grande que limita el alcance de la medida para una longitud determinada y es una fuente de interferencias para otros dispositivos o circuitos de las proximidades Amplificación de portadora y detección de fase Necesidad de amplificador de portadora para detectar la fase de la tensión de salida final. No basta con medir la amplitud. Temperatura de Curie 30

31 Ventajas Robustez en ambientes duros Afecta poco la humedad ambiental y otros contaminantes Carga mecánica Alta sensibilidad 3

32 Configuraciones 3

33 Aplicaciones Medida de desplazamientos y posición Detectores de proximidad Aplicación singular: cuenta del número de vehículos Medición de cualquier magnitud que se pueda convertir en desplazamientos Presión, fuerza, par, aceleración Transductor de presión diferencial de reluctancia variable basado en un diafragma ferromagnético y dos bobinas fijas 33

34 Aplicaciones Medidas de espesores 34

35 Cuadro de características Transductor de desplazamiento inductivo diferencial modelo W5TKN (documentación HBM) 35

36 Basados en corrientes de Foucault Fundamento Alteración de la impedancia de una bobina por la que circula una corriente alterna mediante una superficie conductora en el campo magnético creado por la bobina Profundidad de penetración Dependencia Profundidad de penetración Frecuencia Conductividad Permeabilidad magnética δ Πfµσ ; 36

37 Basados en corrientes de Foucault Limitaciones El espesor del material donde se inducen las corrientes debe ser suficientemente grande comparado con la profundidad de penetración de aquellas Relación no lineal entre la impedancia de la bobina y la distancia del blanco El cambio de impedancia depende del material (conductividad y permeabilidad) y por ende de la temperatura 37

38 Basados en corrientes de Foucault Limitaciones El espesor del material donde se inducen las corrientes debe ser suficientemente grande comparado con la profundidad de penetración de aquellas Relación no lineal entre la impedancia de la bobina y la distancia del blanco El cambio de impedancia depende del material (conductividad y permeabilidad) y por ende de la temperatura 38

39 Basados en corrientes de Foucault Limitaciones El espesor del material donde se inducen las corrientes debe ser suficientemente grande comparado con la profundidad de penetración de aquellas Relación no lineal entre la impedancia de la bobina y la distancia del blanco El cambio de impedancia depende del material (conductividad y permeabilidad) y por ende de la temperatura 39

40 Basados en corrientes de Foucault Aplicaciones 40

41 Basados en corrientes de Foucault Aplicaciones 4

42 Basados en corrientes de Foucault Aplicaciones 4

43 Transformadores diferenciales Fundamentos Variación de la inductancia mútua entre primario y cada uno de los dos secundarios al desplazarse a lo largo de su interior un núcleo de material ferromagnético 43

44 Transformadores diferenciales Análisis del circuito equivalente Tensión del secundario en vacío 44

45 45 Transductores inductivos Transformadores diferenciales Análisis del circuito equivalente ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) [ ] ; ; 0 ; ; R R M L L R L R s M M M L L L s E M M s I sm sl sl R I sm sm I s M M s I sl R I E R R R R c b b

46 Transformadores diferenciales Análisis del circuito equivalente Tensión en el secundario en vacío Sensibilidad SS(w) Fase FF(w) E I E 0 0 I R c E sl + ; E ( M M ) si ; R 0 ; s ( M M ) sl + R E ; 46

47 Transformadores diferenciales Análisis del circuito equivalente Tensión en el secundario en carga Sensibilidad S S(w, R c ) Fase E 0 E 0 (M -M ) L L E 0 + L L s M >> ( M M) ; s( M M ) RcE + s( R L + R L ) L L 3 L ; + R R ; 47

48 Transformadores diferenciales Limitaciones Deriva del cero En la posición central la tensión de salida no pasa por cero, sino por un mínimo, debido a la existencia de capacidades parásitas entre primario y secundario y a la falta de simetría en los bobinados y circuitos magnéticos Presencia de armónicos Debido a fenómenos de saturación del núcleo Influencia de la temperatura La temperatura influye en la resistencia eléctrica de las bobinas, por lo que es mejor alimentar a corriente constante V T [ + α( T 5) + β ( 5) ]; V T 5 48

49 Transformadores diferenciales Ventajas Resolución muy alta > 0.% Rozamiento muy bajo y poca carga mecánica Aislamiento eléctrico entre primario y secundario Alta repetibilidad, linealidad, y sensibilidad unidireccional 49

50 Transformadores diferenciales Materiales y modelos 50

51 Transformadores diferenciales Aplicaciones Medidas de desplazamientos y posición Es muy frecuente como detector de cero en servosistemas de posición en aviones y submarinos. Se puede emplear también como pallador en máquinas-herramientas. Medición de cualquier magnitud que se pueda convertir en desplazamiento Mediante el empleo del sensor adecuado, se pueden medir otras magnitudes que puedan provocar finalmente el desplazamiento del núcleo 5

52 Transformadores diferenciales Aplicaciones 5

53 Transformadores diferenciales Aplicaciones Se puede aplicar a los instrumentos basados en un flotador, siempre y cuando los devanados sean herméticos. El flotador arrastra el vástago, o es el mismo núcleo Los rotámetros y los detectores de nivel se prestan fácilmente a este uso Las células de carga y los medidores de par, donde se produce un desplazamiento muy pequeño, pueden basarse en un LVDT como transductor 53

54 Transformadores variables Fundamento M NI φ B S BS cosα µ S cosα; l µ M NN S cosα M cosα; l E I M ω ωim N dφ ; di ( cosα )( senωt) k cosα senωt; 54

55 Transformadores variables M Fundamento La tensión de salida tiene la misma frecuencia que la de entrada, pero su amplitud depende de la inclinación relativa entre los devanados, si bien no de una forma proporcional NI φ B S BS cosα µ S cosα; l µ M NN S cosα M cosα; l E I M ω ωim N dφ ; di ( cosα )( senωt) k cosα senωt; 55

56 Transformadores variables Comparaciones Menos carga mecánica al eje de giro que los codificadores digitales (discos grandes, alta resolución) Aguantan mayores temperaturas y más humedad, choques y vibraciones que los codificadores y ciertos potenciómetros. Son particularmente consideradas en las aplicaciones militares y aereoespaciales Pueden transmitir la información analógica a gran distancia, con cable adecuado, y allí hacer la conversión a digital Presentan un aislamiento eléctrico entre excitación de entrada y salida 56

57 Transformadores variables Exactitud máxima aproximada para distintos transductores de posición angular 57

58 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Descripción Consta de un estator cilíndrico de material ferromagnético, con tres devanados dispuestos a 0º c0onectados en estrella, y un rotor en forma de H, también de material ferromagnético, con uno o tres devanados, que gira solidario al eje cuya rotación se va a medir 58

59 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Circuito equivalente Representación esquemática de un transformador síncrono trifásico (sincro) 59

60 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Circuito equivalente Tensiones inducidas e e e s0 s0 s30 k k k 3 cos cos cos ( ωt + φ ) cos( α + 0º ); ( ωt + φ ) cos( α ); ( ωt + φ ) cos( α 0º ); 3 60

61 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Circuito equivalente e Tensiones entre fases admitiendo que los acoplamientos son iguales, kkk3k, y que los estátores están en vacío, entonces las tensiones están en fase cambiando su envolvente. Sistema trifásico geométrico no temporal. s3 K cosωt e s3 K cosωt e s K K K K cosωt cosωt[ cos( α 0º ) cos( α + 0º )] ( )( senα ) sen( 0) 3K cosωt senα; cosωt[ cosα cos( α 0º )] ( ) sen( α 60º ) sen( 60º ) 3K cosωt sen( α + 0º ) cosωt[ cos( α + 0º ) cosα] ( ) sen( α + 60º ) sen 60º 3K cosωt sen( α + 40º ); ; 6

62 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Cuadro de características: Sincro 6V 08CX4c (Singer) 6

63 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Desde el punto de vista de su utilización, se clasifican en: Sincros de par: Selsyn Sincros de control 63

64 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Aplicaciones Sincros de par: Selsyn Par de salida pequeño Conjunto TX-RX TR: indicador analógico Conjunto TDX-TR 64

65 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Aplicaciones Sincros de par: Selsyn Ofrecen un par de salida pequeño Conjunto de un transmisor de par (TX) y un receptor de par (TR) para la transmisión de información angular Se emplean para transmitir información angular de un eje a otro con la portencia necesaria para posicionar este segundo eje (normalmente el de un indicador analógico) sin necesidad de un servosistema 65

66 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Aplicaciones Sincros de par: Selsyn Transmisor de par diferencial (TDX) conectado para sumar, con su signo, un ángulo representado en formato sincro con otro entrado manualmente o a través del eje de giro de un eje, y su símbolo 66

67 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Aplicaciones Sincros de control Transductor de posición angular Conjunto CX-CT Son más pequeño que los sincros de par y pueden actuar como transmisor de control (CX) o como transformador de contro (CT) El transformador de control (CX) es una versión de alta impedancia del TX. Un tano de lo mismo, para le transformador de control (CT), normalmente con un estator a base de hilo más fino y más vueltas para no cargar el estator de CX al que va conectado. Conjunto de un transmisor de control y un transformador de control conectados para posicionar una carga dentro de un servosistema de posición 67

68 Transformadores variables El transformador síncrono trifásico: sincros Aplicaciones Sincros de control Conjunto CDX-CT. Análogamente al TDX, existe también el transformador diferencial de control, CDX. Los sincros se emplean normalmente en servosistemas de posición angular en radar, robótica, posicionamiento de paneles solares, máquinas-herramientas, mesas de dibujo automáticas, etc. 68

69 Transformadores variables Resolvers o resolucionadores Vector resolver Generador de seno y coseno. El vector actúa de primario y los dos devanados del estator actúan de secundario Tensiones inducidas e e s3 s4 K cosωt senα; K cosωt cosα; 69

70 Transformadores variables Resolvers o resolucionadores Resolver eléctrico e e Hay dos devanados en el rotor y dos en el estator, peropuede que uno de los cuatro no se utilice (se cortocircuita o se deja en circuito abierto según convenga) Tensiones inducidas R4 R3 ( e cosα + e senα ) K s3 s4 ; K( e cosα e senα ); s4 s3 70

71 Transformadores variables Resolvers o resolucionadores Aplicaciones Transformación de coordenadas polares a cartesianas: Resolución En el devanado cortocircuitado la f.e.m. Neta inducida es nula, sin embargo, en la práctica se hace así para evitar tensiones residuales inducidas E e e R4 R3 E M E E cosωt; E cosα; senα; M M ; 7

72 Transformadores variables Resolvers o resolucionadores Aplicaciones Transformación de coordenadas cartesianas a polares: Composición En el devanado R-R3 habrá tensión hasta que quede dispuesto perpendicular al flujo resultante de las tensiones en el estator. En ese instante el otro devanado del rotor abarca el 00% del flujo y, por tanto, su salida alcanza el valor máximo. e e e R4 s3 s4 e s3 cosα + e E cosα; E senα; s4 senα; 7

73 Transformadores variables Resolvers o resolucionadores Aplicaciones Giro de ejes rectangulares El ángulo α se entra mecánicamente Tensiones inducidas en el rotor son proporcionales a: x y x cosα xsenα + y senα; y cosα; Tensiones de entrada en el estator, so proporcionales a x e y 73

74 Transformadores variables Resolvers o resolucionadores Introducción de un desfase temporal en una tensión senoidal Si en el esquema anterior (giro de ejes rectangulares) se aplica a un devanado del estator una tensión es3 y al otro una tensión es4, estándo el rotor girado un ángulo a, las tensiones inducidas en éste son: e e e s3 R4 R3 E senωt; e E E s4 E cosωt; ( senωt cosα + cosωt senα ) E sen( ωt + α ) ( cosωt cosα senωt senα ) E sen( ωt α ); ; 74

75 Transformadores variables Resolvers o resolucionadores Transmisión de datos para la medida de ángulos 75

76 Transformadores variables Inductosyn Es la marca registrada de un tipo de transformador variable que, admite realizaciones no sólo angulares sino también lineales 76

77 Transformadores variables Inductosyn Fundamento Consiste en un estator con una forma como la indicada en la figura y un rotor a modo de cursor deslizante,ambos de acero inoxidable. La tensión inducida en este último, depende de la posición relativa de un circuito respecto al otro. V S kv cos Π x P ; 77

78 Transformadores variables Inductosyn Fundamento Normalmente de emplea otro devanado de lectura situado a una distancia fija P/4 respecto al primero V S kv sen Π x P ; 78

79 Transformadores variables Inductosyn Fundamento El acoplamiento es inductivo exclusivamente, puesto que se interpone un apantallamiento electrostático entre ellos. Normalmente: P es de mm, Longitud total entre 50mm-36m, separación estator y rotor 0,78mm. 79

80 Transductores magnetoelásticos Fundamento Se fundamentan en el efecto Villari, consistente en cambios reversibles en las curvas de magnetización cuando se aplica un esfuerzo a un material ferromagnético e, inversamente, en cambios de forma y volumen durante la magnetización (J.P. Joule) k σ µ r ; 80

81 Transductores magnetoelásticos Dos tipos de disposiciones, con el fin de aplicar este efeco en la medida de magnitudes físicas. Transductores magnetoelásticos basados en una distribución de flujo constante: la carge mecánica varía la permeabilidad. Transductores magnetoelásticos basados en la variación producida en la distribución de flujo cuando se aplica una carga mecánica Cuando se deforma un material magnético isótropo hay una modificación diferente en la dirección de la carga y en la transversal, es decir, se hace magnéticamente anisótropo. 8

82 Transductores magnetoelásticos Materiales. En general deben tener buenas propiedades mecánicas y magnéticas a la vez. Materiales cristalinos magnéticamente blandos (con ciclos de histéresis pequeño) son también mecánicamente blandos. Metales amorfos ( vidrios metálicos ), que son aleaciones de hierro, niquel, cromo, cobalto, silicio, boro, etc.., permiten detectar tensiones de solo 0. Nm -. Aplicaciones Medidas de fuerza, par, y presión en automóviles e industrials mecánicas. Se fabrican células de carga donde hay una bobina cerrada sometida a compresión, tracción o ambas caras a la vez. Los presductores o torductores se basan en la disposición de un material magnético sometido a compresión, tracción o ambos casos a la vez 8

83 Transductores electromagnéticos Fundamento Se tratan de dispositivos en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o de capacidad. Transductores basados en la ley de Faraday Fundamento En un circuito o bobina con N espiras que abarque un flujo magnético, si éste varía con el tiempo se induce en él una tensión o fuerza electromotriz,e, tal que dφ e N ; dt 83

84 Transductores electromagnéticos Transductores basados en la ley de Faraday Dos tipos de disposiciones El flujo varía, por ejemplo, cuando es debido a una corriente alterna; los tacómetros de alterna entran dentro de este tipo. La posición del circuito con respecto al flujo (constante) varía; los medidores de velocidad lineal y los caudalímetros electromagnéticos entran dentro de este tipo. 84

85 Transductores electromagnéticos Transductores basados en la ley de Faraday Tacogeneradores (Tacómetros de alterna) En la figura se representa esquemáticamente este transductor, donde aparece el devanado de excitación, el de detección de tensión y el rotor en forma de lo que se denomina jaula de ardilla, debido a que está constituido por una serie de espiras cortocircuitadas alrededor de un tambor. En otros roores éste se constituye simplemente de un tambor metálico (aluminio). 85

86 Transductores electromagnéticos Transductores basados en la ley de Faraday Tacogeneradores (Tacómetros de alterna) Si la velocidad de giro varía, no deberá hacerlo con una frecuencia comparable a la de excitación, que actúa de portadora. Para demodular la envolvente conviene que la frecuencia de excitación sea al menos diez veces mayor que la de la velocidad a medir, de esta forma no se tendrá que recurrir a filtros complejos Algunos modelos incluyen un termistor linealizado en serie con el devandao primario para disminuir el coeficiente de temperatura total. 86

87 Transductores electromagnéticos Transductores basados en la ley de Faraday Tacómetros de continua (Dinamos tacométricas) Similares a los tacómetros de alterna, pero rectificando al salida, de igual forma que las máquinas generadoras de corriente continua. Descripción Un imán permanente (aleación especial obtenida por sinterización) crea un flujo magnético constante. Un circuito con varias espiras que gira en su seno genera una tensión alterna, la conexión de salida se va conmutando periódicamente de forma que se obtiene una tensión continua de polaridad dependiente de la velocidad de giro y de amplitud proporcional a esta. 87

88 Transductores electromagnéticos Transductores basados en la ley de Faraday Tacómetros de continua (Dinamos tacométricas) Limitaciones En la práctica, la tensión de salida no es estrictamente continua sino que se presenta una cierta ondulación debida a asimetrías mecánicas (excentricidad, rotor no cilíndrico,...), magnéticas (anisotropía) o causas eléctricas (contactos de las escobillas de conexión). La temperatura afecta a la magnetización de los imanes permanentes y puede ser, por tanto, otra fuente de error. Aplicaciones Medida de velocidades Dentro de servosistemas de velocidad o de posición (para tener realimentación de velocidad) 88

89 Transductores electromagnéticos velocidad lineal (LVT) Fundamento Basado en la ley de Faraday, pero en este caso aplicada a un conductor de longitud l que se mueva con velocidad lineal v perpendicular a un campo magnético con densidad de flujo B, con lo que se tiene proporcionalidad directa e Blv; 89

90 Transductores electromagnéticos velocidad lineal (LVT) Dos disposiciones distintas En los medidores de devanado móvil, similares a los altavoces electrodinámicos, hay un imán permanente fijo y el devanado se mueve con la velocidad a detectar. Para aumentar la longitud del conductor, y con ella la sensibilidad, se usa hilo muy fino, lo cual implica un aumento de la resistencia de salida y, por consiguiente, exige que la impedancia de entrada del medidor sea también alta 90

91 Transductores electromagnéticos velocidad lineal (LVT) Dos disposiciones distintas Los medidores de núcleo móvil están basados en una disposición similar a los transductores inductivos diferenciales de núcleo móvil, pero el núcleo es un imán permanente, en vez de ser un simple material ferromagnético Si sólo se empleara un devanado, una vez todo el núcleo hubiera entrado en el interior de la bobina, la tensión inducida sería nula en tanto en cuanto su velocidad fuera constante, qye que los polos opuestos del imán inducirían a lo largo del devanado tensiones opuestas que se cancelaría entre sí. 9

92 Transductores electromagnéticos velocidad lineal (LVT) Aplicaciones Medidas de velocidades mediante el empleo de un sistema inercial (masa-resorte) como sensor. 9

93 Transductores electromagnéticos Caudalímetros electromagnéticos Fundamento Se basan en la ley de Faraday, donde un líquido conductor se desplaza en el seno del campo magnético creado por dos bobinas externas; en dos electrodos dispuestos a 90º respecto al flujo y al campo, se recoge una pequeña tensión eléctrica. La proporcionalidad entre la tensión de salida y el cudal sólo es cierta si el perifl de velocidades es simétrico respecto al eje central longitudinal y el campo magnético es uniforme. 93

94 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Fundamento El efecto Hall consiste en la aparición de una diferencia de potencial transversal en un condcutor o semiconductor, por el que circula, cuando hay un campo magnético aplicado en dirección perpendicular a ésta. 94

95 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Fundamento La tensión Hall obtenida, VH, depende del grosor t del material en la dirección del campo magnético aplicado, de la corriente primaria I, del campo magnético aplicado B y de las propiedades eléctricas del material (densidad de carga y movilidad de los portadores) recogidas en el denomindao coeficiente hall, AH. Siendo la relación entre estos parámetros A H VHt IB Aunque en la práctica, la tensión Hall depende de otros factores como son la tensión mecánica o presión, r, y la temperatura, T, de forma que ( B) + V ( I ) + V ( ) V ( T ); VH VH H H ρ + H 95

96 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Limitaciones La temperatura afecta a la resistencia que presenta el elemento, por lo que si se alimenta a tensión constante la corriente de polarización, I, variará con la temperatura, y con ella la tensión de salida, VH. Es preferible alimentar a corriente constante. La temperatura afecta a la movilidad de los portadores myoritarios, y por lo tanto, a la sensibilidad. La presencia de una tensión de desequilibrio (offset) que se debe a inexactitudes fñisicas y no uniformidades en el material. La solución consiste en incorporar un electrodo de control adicional por el que se inyecta la corriente necesaria para tener una salida nula en ausencia de campo magnético. 96

97 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Ventajas Frente a otros transductores sensibles a un campo magnético, lo elementos Hall tiene la ventaja de que su salida es independiente a la velocidad de variación del campo detectado. Son inmunes a las condiciones ambientales, comparados con los transductores basaos en un emisor y detector óptico. La susencia de contactos, cuando se aplican a la detección de movimientos, les confiere mayor robustez que la que tienen los transductores donde aquellos están sometidos a desgaste y son una fuente de interferencias por la presencia de arco eléctricos. 97

98 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Materiales empleados SbIn, AsIn, Ga, AsGa, Si Se fabrican con forma rectangular, con forma de mariposa (para concentrar el flujo en la zonza central) y también en forma de cruz simétrica (en cuyo caso los electrodos son intercambiables). 98

99 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Aplicaciones Gausímetros Realización del producto entre dos magnitudes que se conviertan, respectivamente, en una corriente y un campo magnético Medidor de desplazamientos 99

100 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Características Elementos Hall de conmutación 00

101 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Características Elementos Hall lineales 0