Cómo medir el par motor

Lo básico de la medición del par

El par puede dividirse en dos categorías principales, estático y dinámico. Estos métodos usados para medir par pueden dividirse en dos categorías más, reacción o en-línea. Comprendiendo el tipo de par medido, además de los diferentes tipos de sensores del par que están disponibles, tendremos un profundo impacto en la exactitud de los datos resultantes, además del coste de la medición.

Estático contra dinámico

En una discusión del par estático contra dinámico, a menudo es más fácil comenzar con la comprensión de la diferencia entre una fuerza estática y dinámica. Por decirlo de una forma simple, una fuerza dinámica implica aceleración, mientras que una fuerza estática no. La relación entre fuerza dinámica y aceleración se describe por la segunda ley de Newton; F = ma (fuerza igual a masa por aceleración). La fuerza requerida para parar un coche con su masa sustancial sería una fuerza dinámica, como la que el coche debe usar para decelerar. La fuerza ejercida por la pinza del freno usada para parar el coche sería una fuerza estática debido a que no hay implicada aceleración en las zapatas del freno.

El par es justamente una fuerza rotacional, o fuerza a través de una distancia. De la discusión previa, se considera estática si no tiene una aceleración angular. El par ejercido por un resorte de reloj sería un par estático, ya que no hay rotación y por ello no hay aceleración angular. El par transmitido a través de un el eje de accionamiento de un coche cuando cruza la autopista (a una velocidad constante) sería un ejemplo de un par estático rotatorio, ya que incluso aunque hay rotación, a una velocidad constante no hay aceleración. El par producido por el motor de los coches sería tanto estático como dinámico, dependiendo donde se mida, dependiendo donde se mida. Si el par se mide en el cigüeñal, hay grandes fluctuaciones de par dinámico en la explosión de cada cilindro y su pistón hace rotar el cigüeñal. Si el par se mide en el eje de transmisión será casi estático debido a la inercia rotacional del volante de inercia y la transmisión se moderará el par dinámico producido por el motor.

Reacción vs en-línea

La medición del par en-línea se hace insertando un sensor del par entre los componentes de transporte del par, como insertando una extensión entre un enchufe y una llave de tubo.

El par requerido para girar el contacto será llevado directamente por la extensión del socket. Este método permite que el sensor del par se coloque tan cerca como sea posible al par de interés para evitar posibles errores en la medición tales como pares parásitos (rodamientos, etc.), cargas extrañas, y componentes que tienen una gran inercia rotacional que amortiguaría cualquier par dinámico.

Un sensor de par de reacción toma ventaja de la tercera ley de Newton: para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Para medir el par producido por un motor, podemos medirlo en línea como se describe anteriormente, o podemos medir cuanto par se requiere para prevenir que el motor gire, comúnmente llamado el par de reacción.

Midiendo el par de reacción se evita el problema obvio de hacer la conexión eléctrica al sensor en una aplicación rotatoria, pero tiene sus desventajas. Un sensor de par de reacción se requiere a menudo para transportar cargas extrañas significativas, tales como el peso de un motor. Estas cargas pueden dar lugar a errores y pueden humedecer las cargas dinámicas de interés, ya que el sensor tiene que ser sobredimensionado para transportar las cargas extrañas, reduciendo por tanto su sensibilidad. Ambos métodos, en línea y reacción, producirán resultados idénticos para mediciones de par estáticas.

Haciendo mediciones en línea en una aplicación rotatoria casi siempre se presentarán al usuario con el desafío de conectar el sensor desde el mundo rotatorio al mundo estacionario. Hay numerosas opciones disponibles para llevar a cabo esto, cada una con sus propias ventajas y desventajas.

Anillo deslizante

El método más comúnmente usado para hacer esta conexión entre sensores rotatorios y electrónica estacionaria es el slipring (anillos deslizantes). Consiste en una serie de anillas conductoras que rotan con el sensor, y una serie de escobillas que entran en contacto con las anillas y transmiten las señales del sensor.

Sliprings es una solución económica que trabaja bien en una gran variedad de aplicaciones. Hay soluciones probadas con sólo desventajas menores para la mayoría de las aplicaciones. Las escobillas, y en menor extensión los anillos, son objetos que se desgastan con vidas limitadas que no se prestan a ensayos a largo plazo, o a aplicaciones que no son fáciles para prestar servicio en una base regular. A velocidades moderadas bajas la conexión eléctrica entre las anillas y escobillas están relativamente libres de ruido, sin embargo en ruidos de velocidad alta severamente se degradará su rendimiento. La velocidad rotacional máxima (rpm) para un anillo deslizante viene determinado por la velocidad de superficie en la interface escobilla/anillo. Como resultado, la velocidad de operación máxima será menor para los sensores de capacidad de par típicamente más alta, por virtud del hecho de que los anillos deslizantes serán más grandes en diámetro, y por lo tanto tendrán una velocidad de superficie más alta a una rpm dada. Las velocidades máximas típicas estarán en el rango de 5.000 rpm para un sensor de par de capacidad media. Finalmente, la interface de anillas de las escobillas es una fuente de par de arrastre que puede ser un problema, especialmente para mediciones de capacidad baja o aplicaciones donde el par de transmisión será un problema superando el arrastre de la escobilla.

Transformador rotatorio

En un esfuerzo para superar algunos de los defectos del anillo deslizante, se ideo el transformador rotatorio. Se usa un acoplamiento de transformador rotatorio para transmitir potencia y recibir la señal del par del sensor rotatorio.

Un instrumento externo proporciona un voltaje de excitación AC al puente de galgas extensiométricas vía el transformador de excitación. El puente de galgas extensiométricas del sensor luego proporciona un segundo bobinado de transformador rotatorio en orden de conseguir la señal del par off del sensor rotatorio. Eliminando las escobillas y anillas de la anilla deslizante, el problema del desgaste se supera, haciendo el sistema del transformador rotatorio conveniente para aplicaciones de ensayo a largo plazo. El par de arrastre parásito causado por las escobillas en un ensamblaje de anillos deslizantes también se elimina. Sin embargo, la necesidad de los rodamientos y la fragilidad de los núcleos del transformador también limitan el rpm máximo a niveles solamente ligeramente mejores que en el anillo deslizante. El sistema también es susceptible de provocar ruido y errores inducidos por el alineamiento de los bobinados primario a secundario del transformador. Debido a los requerimientos especiales impuestos por los transformadores rotatorios, también se requiere acondicionamiento de señal especializado para producir una señal aceptable para la mayoría de los sistemas de adquisición de datos.

Infrarrojo (IR)

Como el transformador rotatorio, el sensor de par (IR) de infrarrojo utiliza un método de conseguir sin contacto la señal de un sensor rotatorio. Similarmente usando un acoplamiento de transformador rotatorio, la potencia se transmite al sensor rotatorio. El circuito proporciona el voltaje de excitación al puente de galgas extensiométricas  (strain gag bridge) del sensor, y digitaliza la señal de salida del sensor. La señal de salida digital luego se transmite, vía luz infrarroja, a un diodo receptor estacionario, donde otro circuito controla la señal digital para errores y la convierte en un voltaje analógico.

Ya que la señal de salida del sensor es digital, es mucho menos susceptible al ruido de fuentes tales como motores eléctricos y campos magnéticos. Distinto al sistema de un transformador rotatorio, un transductor rotatorio puede configurarse sin rodamientos para estar libre de mantenimiento.

Si bien es más caro que un anillo deslizante simple, ofrece varios beneficios. Cuando se configuran sin rodamientos, como un auténtico sistema de medición sin contacto, el desgaste se elimina, haciéndolo idealmente conveniente para aparejos para ensayos a largo plazo. Más importante aún, con la eliminación de los rodamientos, las velocidades de operación (rpm´s suben dramáticamente, hasta 25.000 rpm o más, incluso para unidades de alta capacidad. Para aplicaciones de alta velocidad esto a menudo es la mejor solución para un método de transmisión de par rotatorio.

Telemetría FM

Otra aproximación para hacer la conexión entre un sensor rotatorio y el mundo estacionario utiliza un transmisor FM. Estos sensores se usan para conectar remotamente cualquier sensor, ya sea fuerza o par, a su sistema de adquisición de datos remoto convirtiendo la señal de un sensor a una forma digital y transmitiéndolo a un receptor FM donde la convierte en un voltaje analógico.

Bibliografía:

How to measure torque – A definitive guide from Datum Electronics

The Basics of Torque Measurement. Sendev