Sensores para medir la velocidad

Elegir el sensor de velocidad adecuado para una aplicación es de vital importancia para obtener una medición precisa y fiable. Al fin y al cabo, la señal del sensor es la entrada para un sistema de protección contra el exceso de velocidad. Un sensor defectuoso produce una señal de entrada poco fiable e influye negativamente en la precisión y fiabilidad del sistema de protección.

A la hora de elegir el sensor adecuado, hay que tener en cuenta varias consideraciones, que pueden clasificarse en medioambientales y relativas a la máquina.

Consideraciones sobre la máquina:

  1. ¿Cuál es el alcance de RPM previsto?
  2. ¿Cuál es el objetivo que se mide y cuáles son sus especificaciones?
  3. ¿Existen limitaciones de peso y tamaño en el lugar de montaje?
  4. ¿Cuál es la longitud de cable necesaria?

Consideraciones medioambientales:

  1. ¿Cuál es la temperatura ambiente prevista?
  2. ¿La medición se realiza en zonas con riesgo de explosión (ATEX)?
  3. ¿Hay campos electromagnéticos intensos?
  4. ¿Se realiza la medición en un entorno corrosivo?

Para las mediciones industriales de velocidad existen tres tipos principales de principios de medición:

  • Sensores electromagnéticos - también conocidos como: sensores pasivos, sensores de reluctancia variable (VR) o captadores magnéticos.
  • Sensores de proximidad - también conocidos como: eddy current sensores o sensores de desplazamiento
  • Sensores de efecto Hall - también denominados: sensores activos

Sensores electromagnéticos

Un sensor electromagnético utiliza un campo magnético para medir los cambios en la distancia entre la punta del sensor y el objeto objetivo. El sensor contiene una bobina que se enrolla alrededor de un imán que provoca un cambio en la corriente magnética (flujo) y la bobina cuando los dientes de un engranaje pasan por el sensor. El engranaje en movimiento crea un flujo variable que induce una tensión proporcional en la bobina cuya frecuencia está relacionada con la velocidad de rotación. La señal es una onda sinusoidal cuya amplitud depende del tamaño, la velocidad y la distancia del objetivo.

Figura 1 - Un sensor electromagnético da una señal de salida sinusoidal

Ventajas

Una ventaja de los sensores electromagnéticos es su aplicabilidad a altas temperaturas. Existen tipos específicos de sensores aptos para funcionar con temperaturas superiores a 300 °C. Además, los sensores electromagnéticos son fáciles de usar y muy fiables. Otra gran ventaja es que el sensor tiene una conexión de dos hilos y, por lo tanto, suele encajar en las infraestructuras existentes.

Desventajas

Una gran desventaja de los sensores electromagnéticos es que la amplitud de la señal depende de un factor de tamaño, velocidad y distancia del objetivo. Si la velocidad es demasiado baja, el diente del engranaje demasiado pequeño o la distancia al material objetivo demasiado grande, la señal será demasiado plana. En cambio, si la velocidad es alta, el diente del engranaje grande o la distancia pequeña, la señal mostrará pulsos enormes (de hasta 80 V). La aplicación y el posicionamiento de los sensores electromagnéticos requieren mucha atención y experiencia para que funcionen correctamente. Como este tipo de sensores no funcionan bien con velocidades bajas, no son adecuados para la detección de velocidad cero.

Figura 2 - Cuando la velocidad es demasiado baja, no se crea ninguna señal utilizable.

 

Sensores de proximidad

Un sensor de proximidad utiliza un campo electromagnético para medir los cambios en la distancia a un objeto. Cuando un engranaje pasa por delante del sensor, éste mide una variación en la distancia; cerca (diente) y lejos (muesca). La velocidad de rotación puede determinarse en función del tiempo transcurrido entre estos eventos.

Figura 3 - Un sensor de proximidad emite una señal de salida sinusoidal

Ventajas

Una gran ventaja de las sondas de proximidad es que el principio de medición muestra tanto los impulsos como la posición con respecto a los dientes. Esto permite conocer la distancia establecida con respecto a los dientes del objetivo.

Los sensores de proximidad también están disponibles con una salida de corriente dinámica, que permite longitudes de cable muy largas (1000m+). Los sensores con salida de corriente dinámica no se ven influidos por la impedancia del cable, como ocurre con los sensores de proximidad basados en señales de tensión, efecto Hall y sensores electromagnéticos.

Desventajas

El uso de sensores de proximidad para medir la velocidad tiene una desventaja. A una velocidad elevada (RPM), puede producirse una saturación, como resultado de la cual la línea sinusoidal se aplana cada vez más. Cuando el diente del engranaje pasa por delante del sensor a altas velocidades, un sensor de proximidad apenas detecta diferencia de distancias. Cuanto mayor sea la velocidad, menos eficaz será un sensor de proximidad para las mediciones de velocidad.

Otra desventaja es que un sensor de proximidad no puede manejar bien la excentricidad del objetivo. La excentricidad del objetivo (un engranaje oscilante) genera un seno dentro de otro seno. Esto da lugar a problemas, especialmente cuando se produce una saturación de la señal correspondiente. El sensor puede emitir el seno de la excentricidad del engranaje en lugar del seno del diente y las muescas.

Sensores de efecto Hall

Un sensor de efecto Hall mide los cambios en el flujo magnético entre el imán y el material objetivo. Los sensores llevan acondicionadores de señal incorporados, que generan una señal de onda cuadrada clara. A diferencia de los sensores electromagnéticos, los sensores de efecto Hall son sensibles al tamaño del flujo magnético más que a la velocidad a la que cambia. Los sensores de velocidad de efecto Hall tienen un amplio rango de medición y pueden utilizarse para medir tanto piezas de baja velocidad o estacionarias como piezas de alta velocidad.

Figura 4 - Un sensor de efecto Hall da una señal de salida de onda cuadrada

Ventajas

Una ventaja de los sensores de efecto Hall es que proporcionan directamente una salida digital fácil de transmitir y procesar. Otra ventaja es que los sensores de efecto Hall suelen incorporar un procesamiento interno de la señal. La señal se digitaliza y amplifica muy rápidamente, lo que la hace menos vulnerable a interferencias como las EMI (interferencias electromagnéticas).

Desventajas

Debido a la electrónica incorporada, los sensores de efecto Hall están limitados a aplicaciones que funcionan a temperaturas comprendidas entre -40 °C y + 150 °C. Además, los sensores de efecto Hall requieren una conexión de 3 hilos.

Por qué son preferibles los sensores de efecto Hall:

  • Registro fiable de la velocidad desde parada. Permite medir desde frecuencias tan bajas como 0,1 Hz.
  • Las señales digitales son adecuadas para largas distancias (hasta 300 m).
  • Las señales de onda cuadrada son fáciles de procesar por los sistemas de velocidad.
  • Posibilidad de construir dos elementos sensores en una misma carcasa, lo que permite realizar mediciones de dirección.
  • La construcción del sensor es más pequeña y ligera (peso) que la de otros sensores de velocidad.
  • Un sensor de efecto Hall es menos difícil de posicionar correctamente que un sensor electrónico y menos sensible a la excentricidad del objetivo que los sensores de proximidad.
  • Este tipo de sensor es el menos sensible a las vibraciones y a las fluctuaciones de temperatura.