Transductores inductivos

Transcripción

1 Transductores inductivos 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 61

2 Transductores inductivos 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 potencia necesaria para posicionar este segundo eje (normalmente el de un indicador analógico) sin necesidad de un servosistema. 62

3 Transductores inductivos 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. 63

4 Transductores inductivos 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 control (CT) El transformador de control (CX) es una versión de alta impedancia del TX. Un tanto de lo mismo, para el 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. 64

5 Transductores inductivos 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. 65

6 Transductores inductivos 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 s13 s42 = K cosωt senα; = K cosωt cosα; 66

7 Transductores inductivos Transformadores variables Resolvers o resolucionadores Resolver eléctrico Hay dos devanados en el rotor y dos en el estator, pero puede que uno de los cuatro no se utilice (se cortocircuita o se deja en circuito abierto según convenga). Tensiones inducidas e e R24 R13 ( e cosα + e senα ) = K s13 s24 ; = K( e cosα e senα ); s24 s13 67

8 Transductores inductivos 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 1 R24 R13 = EM cosωt; E = E1 cosα; = E senα; 1 M M ; 68

9 Transductores inductivos Transformadores variables Resolvers o resolucionadores Aplicaciones Transformación de coordenadas cartesianas a polares: Composición. En el devanado R1-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 100% del flujo y, por tanto, su salida alcanza el valor máximo. e e e R24 s13 s24 = e s13 cosα + e = E cosα; = E senα; s24 senα; 69

10 Transductores inductivos 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 = x cosα y senα; y = xsenα + y cosα; Tensiones de entrada en el estator, so proporcionales a x e y 70

11 Transductores inductivos 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 es13 y al otro una tensión es24, estando el rotor girado un ángulo a, las tensiones inducidas en éste son: e e e s13 R24 R13 = E senωt; e = = E E s24 = E cosωt; ( senωt cosα + cosωt senα ) = E sen( ωt + α ) ( cosωt cosα senωt senα ) = E sen( ωt α ); ; 71

12 Transductores inductivos Transformadores variables Resolvers o resolucionadores Transmisión de datos para la medida de ángulos 72

13 Transductores inductivos Transformadores variables Inductosyn Es la marca registrada de un tipo de transformador variable que, admite realizaciones no sólo angulares sino también lineales. 73

14 Transductores inductivos 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 2Π x P ; 74

15 Transductores inductivos 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 2Π x P ; 75

16 Transductores inductivos Transformadores variables Inductosyn Fundamento El acoplamiento es inductivo exclusivamente, puesto que se interpone un apantallamiento electrostático entre ellos. Normalmente: P es de 2mm, Longitud total entre 250mm-36m, separación estator y rotor 0,178mm. 76

17 Transductores inductivos 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 ; 77

18 Transductores inductivos Transductores magnetoelásticos Dos tipos de disposiciones, con el fin de aplicar este efecto en la medida de magnitudes físicas. Transductores magnetoelásticos basados en una distribución de flujo constante: la carga 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. 78

19 Transductores inductivos 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 0.1 Nm -2. Aplicaciones Medidas de fuerza, par, y presión en automóviles e industrias 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. 79

20 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 80

21 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. 81

22 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). 82

23 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 devanado primario para disminuir el coeficiente de temperatura total. 83

24 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. 84

25 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) 85

26 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; 86

27 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. 87

28 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, que los polos opuestos del imán inducirían a lo largo del devanado tensiones opuestas que se cancelaría entre sí. 88

29 Transductores electromagnéticos velocidad lineal (LVT) Aplicaciones Medidas de velocidades mediante el empleo de un sistema inercial (masa-resorte) como sensor. 89

30 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 caudal sólo es cierta si el perfil de velocidades es simétrico respecto al eje central longitudinal y el campo magnético es uniforme. 90

31 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Fundamento El efecto Hall consiste en la aparición de una diferencia de potencial transversal en un conductor o semiconductor, por el que circula, cuando hay un campo magnético aplicado en dirección perpendicular a ésta. 91

32 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 denominado 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 92

33 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 mayoritarios, y por lo tanto, a la sensibilidad. La presencia de una tensión de desequilibrio (offset) que se debe a inexactitudes físicas 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. 93

34 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 ausencia 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. 94

35 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 zona central) y también en forma de cruz simétrica (en cuyo caso los electrodos son intercambiables). 95

36 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. 96

37 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Características Elementos Hall de conmutación 97

38 Transductores electromagnéticos Transductores basados en el efecto Hall Características Elementos Hall lineales 98