sensores inductivos - presentacion - 1

Leccin 7 Sensores inductivos7.1 Sensores inductivos bsicos. 7.2 Transformador diferencial lineal (LVDT) 7.3 Detectores de proximidad inductivos. Apndice: Parmetros de una bobina

Instrumentacin Electrnica

1

Leccin 7. Sensores inductivos

7.1 Sensores inductivos bsicosDetectan una variacin en el valor de la autoinduccin de una bobina en respuesta a la variacin de una magnitud fsica

K L= x

L1 L2

Falta de linealidad Pequeos desplazamientos

Gran sensibilidad Corto alcance


2

Leccin 7. Sensores Inductivos

La figura izquierda muestra un primer sistema para la medida de desplazamientos basado en el cambio de la longitud del entrehierro. Se puede demostrar (ver apndice) que el valor de la autoinduccin se puede expresar de la forma: L = K/x donde K es una constante que depende del rea efectiva del ncleo y del nmero de espiras y x es el entrehierro. Este sistema presenta dos importantes limitaciones: no es lineal y solo permite la medida de pequeos desplazamientos.

Bobinas diferencialesv(t) =Vm sen (t)

iL (t) =

1 V v Ldt = 2m 0 cos(t ) 2 L0 Ldi L V = (L0 + L ) m sen ( t ) = dt 2L0

v(t)

iL

L1 a b vab L2

R

v a (t) = (L0 + L ) =

R

L 1 Vm sen ( t ) + Vm sen ( t ) 2 2L0

v b (t) =L1=L0-L L2=L0+L

1 V sen ( t ) 2 m

El valor mximo: v ab = v(t)

L 2L 0

Cul es el sentido de desplazamiento?Instrumentacin Electrnica 3 Leccin 7. Sensores Inductivos

Para el circuito con dos arrollamientos de la transparencia anterior (bobina diferencial) en el que una de las bobinas sufre un aumento en el valor de su L y la otra, una disminucin, el circuito de medida mas adecuado es la configuracin en puente (ver figura). La magnitud del cambio se puede conocer por medio del valor mximo de la tensin vab:

v ab = v(t)

L 2L0

Esta expresin solo proporciona el valor absoluto del cambio de L, pero no el sentido de desplazamiento.

Deteccin sentido desplazamientovab v(t) + vs vc vab t v(t) vs vm vc t vs t vm4

Filtro PB

vm

vab

t v(t) vc t t



Es posible conocer el sentido de desplazamiento midiendo el ngulo de desfase de Vab respecto de la seal de alimentacin v(t), ya que cuando el L es positivo, la fase de la seal Vab es nula, pero cuando ese incremento es negativo, la fase es de 180. Aprovechando este hecho podemos emplear el circuito de la figura, que introduce el signo en el valor de la seal obtenida, de tal manera que la salida es positiva cuando L sea positivo y negativa cuando el incremento sea negativo. Se compara la seal v(t) con cero para obtener una seal cuadrada vC a la salida del comparador; esta seal se multiplica por vab obtenindose un valor siempre positivo o siempre negativo segn coincidan o no las fases de v(t) y vab. Finalmente se obtiene el valor medio mediante un filtro paso bajo.

5.3 Transformador diferencial lineal (LVDT)

Lucas Schaevitz

Medida de desplazamientos: 1,25 mm a 250 mm Buena linealidad. Medidas extremadamente exactas y repetibles. Aplicaciones industriales, militares, aeroespaciales.Instrumentacin Electrnica 5 Leccin 7. Sensores Inductivos

El transformador diferencial lineal (LVDT) es uno de los dispositivos ms empleados en la medida de desplazamientos ya que presenta buenas caractersticas de linealidad y de sensibilidad.

Principio de funcionamientoDispositivo electromecnico que produce una tensin proporcional al desplazamiento de un ncleo mvil

VA Vexc VB Vo

Vo = VA VB Salida diferencial


6


Cuando el devanado primario es energizado por una fuente ac externa, se inducen tensiones en las dos bobinas secundarias. Estas boninas estn conectadas en serie-oposicin de forma que las dos tensiones tienen polaridad opuesta. La salida es la diferencia entre estas dos tensiones, y ser nula cuando el ncleo se encuentre en la posicin central. Si se desplaza el ncleo la tensin inducida se incrementar en el sentido del movimiento y disminuir en el sentido contrario. Esto da lugar a una tensin diferencial que vara linealmente con los cambios en la posicin del ncleo. La fase de la tensin de salida cambia bruscamente en 180 cuando el ncleo se mueve desde la posicin central de un sentido a otro.

Caracterstica de salida


7


EspecificacionesSchaevitz E100: Margen lineal nominal: 2,54 mm Tensin de entrada: 3V RMS Frecuencia de operacin: 50 Hz a 10 kHz (2,5 kHz nominal) Linealidad: 0,5% FS Sensibilidad: 2,4 mV/0,001/V excitacin Impedancia primario: 660 Impedancia secundario: 960


8


Si bien es ms fcil de generar una seal cuadrada, es preferible emplear como seal de excitacin una seal senoidal, ya que la linealidad y la sensibilidad son dependientes del contenido frecuencia de la onda. Adems se complican las etapas de demodulacin y filtrado. Por otro lado las frecuencias altas no son deseables ya que complican su tratamiento (se requieren circuitos ms rpidos).

Acondicionamiento de seal

vab -1

vex

0 MPX 1

vo

+ 1 + 2

Direccin (Fase)


9


En los comparadores 1 y 2 se obtiene una seal cuadrada con la misma fase que vab y vexc, respectivamente. Si las fases son iguales la puerta EXOR proporciona una salida a nivel bajo y se selecciona el canal 0 del multiplexor analgico (MPX); si por el contrario, las seales estn desfasadas 180, la salida de la puerta estar a nivel lgico alto y el canal seleccionado en MPX es el 1. Por otro lado, al canal 0 del MPX se llevar el valor medio de la seal (para ello se habr rectificado y filtrado) y, al canal 1, ese mismo valor pero multiplicado por -1, es decir, con el mismo valor absoluto pero signo contrario.

Ajuste del cero y del alcance

AJUSTE DE ALCANCE -1 0 MPX 1 SIGNO R1

P

+-Vcc

SALIDA

+Vcc AJUSTE DE CERO


10


Para garantizar la independencia de los ajustes de cero y valor mximo (alcance) del sistema se pueden incluir una etapa adicional en el sistema de amplificacin y offset situada detrs del multiplexor e inmediatamente antes del filtro. Un pequeo amplificador con ganancia ajustable y nivel de continua variable puede fijar el valor de salida para el punto central (0 V) y para uno de los extremos de medida (+Vmx o Vmx); el sistema a utilizar puede ser como el de la figura. Obsrvese que dada la ganancia negativa de la etapa de amplificacin, los signos de la salida estarn cambiados respecto de los de la figura anterior.

AD698

Vo = IREF x (A/B) x R2 donde IREF =500 A


11


Existen CIs especficos para realizar el acondicionamiento del LVDT como el 5521 de Philips o el AD698 de Analog Devices. En el AD698 se realiza una medida basada en el cociente entre las seales A y B. Esto permite eliminar las posibles variaciones que experimentes dichas seales como consecuencia de variaciones en la excitacin.

Aplicaciones


12


5.4 Detectores de proximidad inductivosDetectan una distancia crtica y la sealizan mediante una salida del tipo ON/OFF (interruptores de proximidad). Detectan la presencia o ausencia de un objeto metlico.


13


Los detectores de proximidad son dispositivos que detectan una distancia critica y la sealizan mediante una salida del tipo todo-nada. Los detectores de proximidad inductivos son muy empleados en aplicaciones industriales para la deteccin de objetos metlicos.

CaractersticasVentajas: No le afecta la humedad No le afectan los entornos contaminados o sucios. No tienen partes mviles ni mecnicas. Independencia del color. No tiene zonas ciegas

Desventajas: Solo detecta la presencia de objetos metlicos. Distancia de deteccin pequea (< 50 mm) Pueden se afectados por campos electromagnticos fuertes.Instrumentacin Electrnica 14 Leccin 7. Sensores Inductivos

Principio de funcionamientoPrincipio ECKO: oscilador controlado por corrientes de Eddy


15


El principio de funcionamiento de este tipo de sistemas es muy simple: consiste en un oscilador cuya salida se aplica a una bobina de ncleo abierto capaz de generar un campo electromagntico en sus proximidades; la presencia de objetos metlicos en la zona modificara el campo y se manifestara algn cambio en las magnitudes elctricas de la bobina. Los cambios pueden detectarse y conseguir, as, saber si existe o no un objeto metlico dentro del radio de accin del sistema. Un caso particular de este sistema y bastante empleado es el principio ECKO (Eddy Current Killed Oscillator) que se aplica en un sistema como el de la figura a. La fuente estabilizada de alterna produce una seal a frecuencia f, frecuencia a la que est sintonizado el circuito LC, cuya bobina es de ncleo abierto y produce campo magntico en las proximidades. En presencia de un objeto metlico, las corrientes de Eddy que se producen en el objeto provocan una carga adicional en la bobina, carga que es mayor en la medida que el objeto est ms prximo. Esta carga produce una cada de la seal en la propia bobina que puede detectarse midiendo la tensin en ella y comparndola con una referencia. Por debajo de esa referencia, se considerar que hay un objeto metlico prximo y, por encima, se considerar que no (figura b).

Especificaciones tpicas3 hilos Salida Tensin nominal de alimentacin Capacidad de conmutacin Frecuencia mx. de conmutacin Distancia nominal de deteccin Temperatura de funcionamiento Dim. (mm) Grado de estanqueidad: (con conector) (cableado)Instrumentacin Electrnica 16

2 hilos 2W n/a 20-264Va.c./d.c. 200mA 25 a.c. 1.000Hz d.c 4mm de -25C a +70C M12 50 IP 67 IP68Leccin 7. Sensores Inductivos

PNP n/a 10-36Vd.c. 200mA 2,5kHz 4mm de -25C a +70C M12 50 IP 67 IP68

Salidas tpicasLa colocacin de la carga depende del tipo de salida: Vcc Salida PNP Carga 0V El sensor conmuta la carga al terminal positivo. La carga ha de conectarse entre la salida del sensor y el terminal negativo.Instrumentacin Electrnica 17

Vcc Carga NPN Salida 0V El sensor conmuta la carga al terminal negativo. La carga ha de conectarse entre la salida del sensor y el terminal positivo.Leccin 7. Sensores Inductivos

Distancia nominal de deteccin


18


La distancia nominal de deteccin depende de dos factores: el dimetro del sensor y de si la bobina est o no apantallada.

Bobina apantalladaPermite montar el sensor a nivel del metal sin provocar falsos disparos El apantallamiento reduce la distancia de deteccin.


19


El uso de estos sensores es realmente sencillo pero, para optimizar su aplicacin, ser conveniente tener en cuenta: a) La presencia de una bobina apantallada o no apantallada modifica la distribucin del campo, ocasionando un cambio en la distancia de deteccin del sistema. El apantallamiento reduce la distancia de deteccin.

Bobina no apantalladaLos sensores son ms sensibles al entorno metlico


20


Material del objetoLas corrientes inducidas pueden ser ms o menos grandes en funcin del material a detectar. Factor de correccin Bobina apantallada 0,30 0,35 0,40 0,70 0,90 1,00 Bobina no apantallada 0,40 0,45 0,50 0,80 1,00 1,00

Material del objeto Cobre Aluminio Latn Acero inox. Lmina Al Acero


21


b) El material del objeto. El material del objeto es importante porque las corrientes inducidas pueden ser ms o menos grandes en funcin de l y, como consecuencia, lo ser su influencia sobre el circuito resonante. En la tabla se indican una serie de factores de correccin de la distancia de alcance en funcin del material.

Tamao del objetoUn objeto ms grande se detectar a una distancia ms grande que otro objeto ms pequeo. Los fabricantes proporcionan los datos de alcance para un objeto estndar Factor de correccin Sobj/Sst 0,25 0,50 0,75 1,00 Bobina apantallada 0,56 0,83 0,92 1,00 Bobina no apantallada 0,50 0,73 0,90 1,00

Sobj=superficie del objeto a detectar; Sst =superficie del objeto estndarInstrumentacin Electrnica 22 Leccin 7. Sensores Inductivos

c) El tamao del objeto. El tamao del objeto resulta, obviamente importante ya que el efecto producido ser mayor en la medida en que lo sea el objeto a detectar. O, lo que es lo mismo, un objeto ms grande se detectar a una distancia ms grande que otro objeto ms pequeo. Los fabricantes suelen proporcionar un tamao de objeto estndar y proporcionan los datos de alcance de sus sensores para este objeto. Como gua para saber cmo se modifica el alcance en funcin del tamao del objeto, se puede utilizar la tabla de la figura, donde, Sobj es la superficie del objeto y Sst es la superficie del objeto estndar. Como se puede observar, la bobina apantallada presenta una menor influencia del tamao del objeto a detectar.

Aplicaciones


Rockwell Automation

23


Apndice: Parmetros de una bobinaH1l1 + H2l2 = NIAe le gH= B

B B g + le = NI 0 g le + = NI A e 0

B=

Ae

N espiras

LI = N

L=g = entrehierro le = longitud efectiva Ae = rea efectiva

Ae N g le + 0

2

0

sensores inductivos - presentacion - 1

Documents