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Resolvers y Tacómetro
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Mariluz Yip
Sensores y Adquisición de Datos
Prof.: Aída Pérez
Por:
1
INTRODUCCIÓN
Los procesos industriales, la ciencia y la tecnología se caracterizan
por la necesidad de generar y medir magnitudes con precisión y fiabilidad.
Los sensores y actuadores son los dispositivos del sistema de medida
y control que interactúan con el sistema físico que se pretende estudiar o
controlar: los primeros permiten la toma de medidas de las distintas
magnitudes físicas que se van a analizar; mientras que los actuadores
posibilitan la modificación de dicho sistema.
En la actualidad se han desarrollado técnicas efectivas para el
monitoreo y mantenimiento de las máquinas de forma rápida y confiable
que pone todo en manos de la instrumentación para evitar grandes costos
y para poder hacer un mantenimiento predictivo.
Los sistemas confiables para el monitoreo y diagnóstico de
máquinas, provisto de señales de entrada de mediciones correctas, son
muy apreciadas por su valor. Para medir su velocidad, por ejemplo, se
cuentan con diversos equipos como lo es el tacómetro, para medir
posición angular o simplemente llevar la cuenta de las rpm de una
máquina, uno de los sensores más utilizados es el resolver.
SENSORES INDUCTIVOS
Son una clase especial de sensores que sirve para detectar
materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto
para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia
o ausencia de objetos metálicos en un determinado contexto: detección
de paso, de atasco, de codificación y de conteo.
Figure 2 Forma de Funcionamiento de un Sensor Inductivo
Los sensores Inductivos causan una modificación de un campo magnético
por presencia de objetos metálicos. Consiste en una bobina situada junto
a un imán permanente.
Figure 1 Sensor Inductivo
2
En condiciones estáticas no hay ningún movimiento en las líneas de flujo y
no se induce ninguna corriente en la bobina, pero cuando un objeto
metálico penetra en el campo del imán o lo abandona, el cambio
resultante en las líneas de flujo induce un impulso de corriente, cuya
amplitud es proporcional a la velocidad del cambio del flujo.
La forma de onda de la tensión a la salida de la bobina proporciona un
medio para detectar la proximidad de un objeto.
ESTADOS DE UN SENSOR INDUCTIVO
En función de la distancia entre el sensor y el objeto, el primero mantendrá
una señal de salida:
1. Objeto a detectar ausente:
amplitud de oscilación al máximo, sobre el nivel de operación;
la salida se mantiene inactiva (OFF).
2. Objeto a detectar acercándose a la zona de detección:
se producen corrientes de Foucault, por tanto hay una
“transferencia de energía”;
el circuito de detección detecta una disminución de la amplitud,
la cual cae por debajo del nivel de operación;
la salida es activada (ON).
3. Objeto a detectar se retira de la zona de detección:
eliminación de corrientes de Foucault;
el circuito de detección detecta el incremento de la amplitud de
oscilación;
como la salida alcanza el nivel de operación, la misma se
desactiva (OFF).
Figure 3 Estados de un Sensor Inductivo
3
CONSIDERACIONES
La superficie del objeto a detectar no debe ser menor que
el diámetro del sensor de proximidad (preferentemente 2 veces
más grande que el tamaño o diámetro del sensor). Si fuera menor
que el 50% del diámetro del sensor, la distancia de detección
disminuye sustancialmente.
Debido a las limitaciones de los campos magnéticos, los sensores
inductivos tienen una distancia de detección pequeña
comparados con otros tipos de sensores. Esta distancia puede
variar, en función del tipo de sensor inductivo, desde fracciones de
milímetros hasta 40 mm en promedio.
Para compensar el limitado rango de detección, existe una
extensa variedad de formatos de sensores inductivos: cilíndricos,
chatos, rectangulares, etc.
Los sensores inductivos cilíndricos son los más usuales en las
aplicaciones presentes en la industria.
Posibilidad de montar los sensores tanto enrasados como no
enrasados.
Gracias a no poseer partes móviles los sensores de proximidad no
sufren en exceso el desgaste.
Gracias a las especiales consideraciones en el diseño, y al grado
de protección IP67, muchos sensores inductivos pueden trabajar en
ambientes adversos, con fluídos corrosivos, aceites, etc., sin perder
operatividad.
SENSOR RESOLVER
Estos son sensores analógicos con resolución teóricamente infinita.
Son elementos de medida de ángulo inductivos, ya que constan de
bobinados en el estator y en el rotor. En función de la posición de estos
bobinados entre sí, la señal de salida varía, aportando así valores de
tensión senoidal. El funcionamiento de los resolvers se basa en la utilización
de una bobina solidaria al eje excitada por una portadora, generalmente
con 400Hz, y por dos bobinas fijas situadas a su alrededor.
Los resolvers convencionales cuentan con escobillas, pero hoy día, casi
todos son de tipo Sincro, es decir no tienen contacto ninguno entre el
rotor y el estator.
Este tipo de sensores se montan en aplicaciones donde las
condiciones de trabajo son extremas, como altas temperaturas, alto
nivel de golpes y vibraciones, polvo, humedad, etc.
Figure 4 Sensor Resolver
Figure 5 Partes de un sensor Resolver
4
PRINCIPIO FÍSICO DE FUNCIONAMIENTO
Su principio de funcionamiento puede resumirse diciendo que se
trata de un transformador, en el que uno de los devanados es rotativo. La
configuración más habitual es:
Primario en el estator y bifásico
Secundario en el rotor, monofásico o bifásico.
En la Figura se representa de forma esquemática una configuración
típica. Los devanados del estator se alimentan en serie, dando un campo
estacionario sobre el eje y los devanados del rotor recogen distintas
tensiones en función de 1.
Figure 6 Esquema del Resolver
Constan de una bobina solidaria al eje excitada por una portadora,
y dos bobinas fijas situadas a su alrededor. La bobina móvil excitada con
tensión 𝑉𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑡) y girada un ángulo Ø induce en las bobinas fijas situadas
en cuadratura las siguientes tensiones:
𝑉1 = 𝑉𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑡)𝑠𝑒𝑛Ø
𝑉2 = 𝑉𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑡)𝑐𝑜𝑠Ø
Figure 7 Montaje y Esquema para giro
5
El cambio del llamado formato Sincro a formato resolver o viceversa es
inmediato, ya que se puede pasar de uno a otro a través de la llamada
red de Scott, transformador de Scott o funcionamiento bidireccional. Para
poder tratar el sistema de control la información generada por los resolvers
y los Sincros es necesario convertir las señales analógicas en digitales. Para
ello se utilizan los llamados convertidores resolver/ digital (r/d), que
tradicionalmente se basan en dos tipos de estructuras distintas traking y
muestreo (sampling).
Dado el carácter continuo de la señal, la resolución de los resolvers es
teóricamente infinita. Bien es verdad que depende en la mayoría de las
ocasiones de una electrónica asociada, lo que limita la precisión de forma
práctica. El rango dinámico se encuentra más limitado en el caso de los
codificadores ópticos, la resolución viene limitada por el número de
secciones opaco-transparentes que se utilicen.
La exactitud estática, definida como la diferencia entre la posición física
del eje y la señal eléctrica de salida, es relativamente alta tanto en los
resolvers como en los codificadores ópticos o digitales, no así en los
resolvers donde con conversiones R/D adecuadas se puede trabajar con
velocidades superiores a las 6000 rpm.
FORMAS DE CONEXIÓN
TRANSMISOR DE CONTROL DE RESOLUCIÓN
Un Resolver es un transformador rotatorio donde la magnitud de la
energía a través de los devanados del resolver varía sinusoidalmente a
medida que el eje gira.
Un transmisor de control de resolución tiene un devanado primario,
el devanado de referencia, y dos arrollamientos secundarios, los
bobinados SIN y COS (Véase la figura 6).
El devanado de referencia se encuentra en el rotor del resolver, y
los bobinados SIN y COS en el estator. Los bobinados SIN y COS están
desplazados mecánicamente 90 grados uno del otro. En un dispositivo
resolver sin escobillas, la energía se suministra al devanado de referencia
(rotor) a través de un transformador rotatorio. Esto elimina el roce entre
escobillas y anillos en el dispositivo y los problemas de fiabilidad asociados
con ellos.
En general, en un transmisor de control, el devanado de referencia
está excitado por una tensión alterna llamada tensión de referencia (Vr).
(Véase la figura 7).
Figure 8 Sección típica de un
Resolver sin escobillas
6
Figure 9 Esquema de un Transmisor Resolver sin escobillas
Las tensiones inducidas en los devanados SIN y COS son igual al valor de la
tensión de referencia multiplicado por el sen o cos del ángulo del eje de
entrada desde un punto cero fijo. Por lo tanto, el resolver proporciona dos
tensiones cuya relación representa la posición absoluta del eje de entrada.
(∅ 𝑠𝑒𝑛 / 𝑐𝑜𝑠 𝜃 = 𝑡𝑎𝑛 𝜃, 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝜃 = á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒) Debido a que la relación
de las tensiones del sen y cos se considera, cualquier cambio en las
características de los resolvers (como las causadas por el envejecimiento
o un cambio de temperatura) son ignorados.
TRANSFORMADOR DE CONTROL DE RESOLUCIÓN
Un transformador de control de resolución tiene dos bobinas de
entrada en el estator (los arrollamientos SIN y COS) y un bobinado de salida
en el rotor. (Ver figura 8).
La salida del rotor es proporcional al seno de la diferencia angular
entre el ángulo de entrada eléctrica de las entradas y la posición angular
mecánica de su eje, en otras palabras, la tensión inducida en el rotor es
proporcional al cociente (𝜙 − 𝜃 ), donde 𝜙 se mide desde alguna posición
del eje de referencia llamado cero.
Figure 10 Esquema de un Transformador de Control de Resolución sin escobillas
7
Figura 1.4 muestra lo que podría llamarse un "clásico" seguimiento de un
resolver en un servomecanismo. El ángulo de comando se establece por
la posición del eje del transmisor de control. Cuando el servomotor ha
alcanzado la posición ordenada, la salida de los transformadores de
control es cero y para el motor. Aunque la descripción anterior se simplifica,
es útil en la descripción de un transformador de control.
Figure 11 Típico seguimiento de un Servomecanismo
Ambos, transmisores de control y transformadores de control, son
dispositivos unidireccionales es decir, las especificaciones de los
transmisores de control suministrados por los fabricantes sólo son válidos
cuando la entrada eléctrica es el rotor, y las especificaciones de
transformadores de control sólo son válidos cuando las entradas eléctricas
son el estator. Aunque ambos pueden ser utilizados "hacia atrás", el
rendimiento no puede ser garantizado.
Entre sus ventajas destacan su buena robustez mecánica durante el
funcionamiento y su inmunidad a contaminación, humedad, altas
temperaturas y vibraciones. Debido a su reducido momento de inercia,
imponen poca carga mecánica del funcionamiento del eje.
A continuación un cuadro comparativo entre varios sensores de posición
angular:
Robustez
Mecánica
Rango
dinámico Resolución
Estabilidad
Térmica
Encoder Mala Media Buena Buena
Resolver Buena Buena Buena Buena
Potenciómetro Regular Mala Mala Mala
EJEMPLOS O APLICACIONES:
El resolver fue desarrollado originalmente para aplicaciones
militares y se ha beneficiado de más de 50 años de uso y el desarrollo
continuo.
8
No pasó mucho tiempo cuando numerosas industrias reconocieron
los beneficios de este sensor de posición rotatoria, diseñados para soportar
el castigo de una aplicación militar.
Las plantas de envasado de productos y líneas de prensas de
estampado son perfectos ejemplos de donde se puede encontrar los
sistemas basados en el trabajo del resolver. En aplicaciones típicas, el
sensor de resolución alimenta los datos de posición rotativos a un
decodificador colocado en un Controlador Lógico Programable (PLC)
que interpreta esta información y ejecuta órdenes basadas en la posición
de las máquinas.
TACOMETRO
Se conoce como tacómetros, a los instrumentos que sirven para
medir la velocidad de rotación de piezas giratorias. Casi universalmente
están calibrados en revoluciones por minuto (RPM), aunque para fines
particulares los hay con otras escalas.
FUNCIONAMIENTO
El órgano principal de un tacómetro es un imán permanente. Todo
imán está rodeado de un campo magnético cuyas líneas de fuerza se
pueden hacer visibles cubriendo el imán con una placa y esparciendo
luego limaduras de hierro sobre ella; las limaduras se ordenan entonces en
el espacio y pasan a dibujar las líneas de campo del imán. Si hacemos
girar el imán el campo de fuerza gira también junto con él.
El imán girando en el sensor transmite una fuerza sobre el indicador
de aguja proporcional a la velocidad del motor, mientras que un muelle
contrarresta la fuerza del sensor. El accionamiento tiene lugar a través de
una pequeña trasmisión y del llamado árbol del tacómetro.
En el tacómetro, el imán permanente gira dentro de un anillo de aluminio
concéntrico a él, y su campo magnético giratorio genera en dicho anillo
corrientes parásitas que, a su vez, originan otro campo.
La acción recíproca de ambos campos crea así sobre el anillo un
momento que tiende a hacerlo girar en el mismo sentido que el imán, y
que es tanto mayor cuanto mayor sea el número de revoluciones de este
último. Sin embargo, el tacómetro posee un muelle espiral que impide
que el anillo gire libremente, y sólo le permite girar levemente de
acuerdo con el momento aplicado sobre él (venciendo al par). Una
aguja fijada al anillo señala la velocidad sobre una escala graduada.
Figure 13 Industria
envasadora de botellas
Figure 12 Dispositivo
militar con Resolver
Figure 15 Partes de un Tacómetro
Figure 14 Tacómetro analógico
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En otros modelos de tacómetros (utilizados en carros) el anillo se prolonga
en forma de un tambor que lleva impresa la escala graduada. Al
aumentar la velocidad, el tambor gira entonces, y pasa a señalar el valor
de dicha velocidad a través de una ranura situada frente a él. Por regla
general, el tacómetro lleva junto a él un cuentakilómetros accionado por
un tornillo sinfín fijado al mismo árbol que acciona el imán.
El número de revoluciones del árbol se reduce primero mediante
una pequeña trasmisión, y la velocidad reducida se trasmite luego al
mecanismo contador. Así pues, el cuentakilómetros sólo cuenta en
realidad números de vueltas. Sin embargo, como cada kilómetro recorrido
equivale a un cierto número de vueltas, el cuentakilómetros marca ya
directamente los kilómetros, de acuerdo con su relación de trasmisión.
TACÓMETRO ELECTRÓNICO
Utiliza un captador magnético colocado cerca de una pieza de
motor de rotación para producir impulsos eléctricos a una frecuencia
proporcional a la velocidad del motor. Circuito en el metro convierte la
frecuencia de pulsación en la pantalla de RPM del motor usando una
aguja analógica o un lector digital.
TIPOS DE TACÓMETROS
Existen dos tipos de tacómetros muy utilizados: el tacómetro óptico y el
tacómetro de contacto.
EL TACÓMETRO ÓPTICO
Mide con precisión la velocidad rotatoria (RPM) usando un haz de
luz visible, puede ser usado a una distancia de hasta 8 m en un elemento
rotatorio. La construcción robusta, portabilidad y características notables
del tacómetro óptico, lo hacen la opción ideal para el departamento de
mantenimiento, operadores de máquinas y varias otras aplicaciones en
maquinarias.
EL TACÓMETRO DE CONTACTO
Mide con precisión la velocidad rotatoria y de superficies, así
como longitud. El interruptor incorporado del selector permite que el
usuario exhiba lecturas en una amplia variedad de unidades de
medidas. La medición con contacto se lleva a cabo por medio de
un adaptador mecánico con cabeza o con rueda de medición.
Figure 16 Tacómetro
Digital
Figure 17 Tacómetro Óptico
Figure 18 Tacómetro de Contacto
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Este tipo de instrumentos son óptimos para establecer las
revoluciones de máquinas, piezas e instalaciones giratorias (por ejemplo:
cintas transportadoras, motores y mecanismos accionados por correas,
entre otros).
Además, los dos tipos de tacómetros tienen la característica que al
medir las revoluciones y velocidades, las graban directamente con el
software para posteriormente hacer una valoración en la computadora.
EJEMPLOS Y APLICACIONES:
Los sistemas confiables para monitoreo y diagnóstico de
maquinaria, provistos de señales de entrada de mediciones correctas, son
muy apreciadas por su valor. Para medir la velocidad, por ejemplo, se
cuenta con diversos equipos, entre los que destacan los tacómetros.
El tacómetro es un dispositivo que mide las revoluciones por minuto (RPM)
del rotor de un motor o una turbina, velocidad de superficies y extensiones
lineares. Son utilizados para llevar un registro de las velocidades del
elemento que tengamos en estudio, que nos permita saber si está
trabajando de forma adecuada. Con este tipo de instrumentos
evitaríamos que se detenga la maquinaria, pudiendo hacer un
mantenimiento en el momento adecuado. También se pueden emplear
para conocer distancias recorridas por ruedas, engranes o bandas.
Figure 21 Vista en corte transversal de un Resolver y un Tacómetro en el mismo bastidor de un
Servomotor
Figure 19 Experimento con
Tacómetro óptico
Figure 20 Turbina con Tacómetro
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CONCLUSIÓN
En un sistema de control automático el sensor es el elemento que cierra el
lazo de control y tiene como tarea captar, del proceso o máquina en la
que se ejerce el control, de cómo se está comportando o realizando el
trabajo. Esta información es transmitida al controlador que la usará para
tomar la acción de control correspondiente.
Los sensores de proximidad pueden ser implantados con diferentes
técnicas de accionamiento, tienen en común que para que una reacción
sea producida, solo se requiere la proximidad física entre el objeto y el
sensor, sin necesidad de contacto mecánico alguno entre ambos.
Los sensores inductivos son útiles cuando se requiere detectar, sin
contacto, la presencia o movimientos funcionales de objetos metálicos
ubicados en máquinas, herramientas de ensamble y de procesado, robots,
líneas de producción, etc.
Cuando el entra al campo del sensor, este se activa como un interruptor
produciendo una señal eléctrica que puede utilizarse para el
accionamiento de electroválvulas, contadores, tarjetas de interfase, o PLC.
Los Detectores de Proximidad Inductivos son los Sincros y Resolvers.
Los sincros y los resolvers son transductores para la medida de ángulo de
un eje y la posición de un sistema servo. Esencialmente trabajan con el
mismo principio que un transformador en rotación.
Por otro lado, el tacómetro es un dispositivo que mide las RPM de
máquinas giratorias, y se utilizan para llevar un registro de velocidades del
objeto en estudio, para verificar así si funciona de manera adecuada.
Todas las aplicaciones antes mencionadas son posibles gracias a
que los sistemas de control se diseñan para conservar uno o más
parámetros de un proceso, respetando siempre las limitaciones, y con un
pequeño aporte (esfuerzo) humano.
RECOMENDACIONES
1. El empleo de un microcontrolador en cualquier proyecto
reduce notablemente el tamaño del circuito así como su
complejidad, además de que su tiempo de respuesta es
preciso y reduce el número de componentes.
2. Siempre es necesario emplear mecanismos y/o circuitos de
prevención a la hora de conectar alguno de los sensores,
pues siempre se está propenso a una mala conexión que
puede terminar dañando los sensores.
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BIBLIOGRAFÍA:
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2015,
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2015, http://www.quiminet.com/articulos/caracteristicas-y-usos-de-los-
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2015, http://www.sabelotodo.org/aparatos/tacometros.html
2015, http://www.ecured.cu/index.php/Tac%C3%B3metro
2015, http://www.automotriz.biz/coches/cars-trucks-autos/other-
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