Los sensores
inductivos se usan ampliamente para medir posición o velocidad, especialmente
en ambientes agresivos. Sin embargo, para muchos ingenieros, la terminología y
técnica de sensores inductivos puede ser confusa. En este artículo explicamos
varios tipos y los principios de operación, además de sus fortalezas y
debilidades.
Los sensores
de velocidad y posición inductivos vienen en una variedad de formas, tamaños y
diseños. Todos los sensores inductivos trabajan según los principios del
transformador y todos usan un fenómeno físico basado en las corrientes eléctricas
alternas. Este fenómeno fue observado por primera vez por Faraday en 1830
cuando encontró que un conductor transportando corriente puede inducir un flujo
de corriente en un segundo conductor. Los descubrimientos de Faraday fueron la
base para el desarrollo de los motores eléctricos, dinamos, y por supuesto,
sensores de velocidad y posición inductivos. Tales sensores incluyen
interruptores de proximidad simples, sensores de inductancia variable, sensores
de reluctancia variable, synchros, resolvers, transformadores diferenciales
variables linealmente y rotatorios (RVDTs & LVDRs).
Varios tipos
En un sensor
de proximidad el dispositivo es alimentado con energía eléctrica, que origina
el flujo de corriente alterna hasta una bobina (a veces referida como bucle,
bobina o devanado). Cuando un objeto permeable magnéticamente o conductor, tal
como un disco de acero, se aproxima a la bobina, cambia la impedancia de la
bobina. Cuando se pasa un umbral, esto actúa como señal que el objeto está
presente. Los sensores de proximidad típicamente se usan para detectar la
presencia o ausencia de un objeto metálico y la salida eléctrica a menudo emula
un interruptor. Estos sensores se usan ampliamente en muchas aplicaciones
industriales donde los contactos eléctricos en un interruptor tradicional
serían problemáticos – notablemente donde está presente mucha suciedad o
humedad. Podemos ver muchos sensores inductivos por ejemplo en un lavadero de
coches. Los sensores de reluctancia variable e inductancia nVariable típicamente
producen una señal eléctrica proporcional al desplazamiento de un objeto
permeable magnéticamente o conductivo (normalmente una varilla de acero)
relativo a una bobina. Como con los sensores de proximidad, la impedancia de
una bobina varía en proporción al desplazamiento de un objeto relativo a una
bobina energizada con una corriente alterna. Tales dispositivos normalmente se
usan para medir el desplazamiento de los pistones en los cilindros – por
ejemplo en sistemas neumáticos o hidráulicos. El pistón puede disponerse para
pasar sobre el diámetro exterior de la bobina. Los sincronizadores miden el
acoplamiento inductivo entre bobinas cuando se mueven una en relación a otra.
Usualmente son rotatorias y requieren conexiones eléctricas en ambas para
moverse y partes estacionarias (típicamente referidas como rotor y estator). A
menudo ofrecen una exactitud extremadamente alta y se usan en metrología
industrial, antenas de radar y telescopios. Los sincronizadores son
notoriamente caros y son cada vez más raros hoy en día, y mayoritariamente se
han visto desplazados por resolvers sin escobillas. Estos son otra forma de
detectores inductivos pero las conexiones eléctricas sólo se hacen a los
devanados en el estator. LVDTs, RVDTs y resolvers miden el cambio en
acoplamiento inductivo entre bobinas, usualmente referidos como devanados
primarios y secundarios. El devanado primario acopla energía entre los
devanados secundarios pero el ratio de energía acoplado en cada uno de los
devanados secundarios varía en proporción al desplazamiento relativo de un
objeto permeable magnéticamente. En un LVDT, esto es usualmente una varilla
metálica pasando a través del hueco del devanado. En un RVDT o resolver, esto
es normalmente un rotor conformado o una pieza del polo que rota relativa al
devanado dispuesto alrededor de la periferia del rotor. Aplicaciones típicas
para LVDTs & RVDTs incluyen servos hidráulicos en alerones aeroespaciales,
controles del sistema de combustible y motor. Aplicaciones típicas para resolvers
incluyen conmutación de motores eléctricos sin escobillas. Una ventaja
significativa de los sensores inductivos es que la circuitería de procesado de
la señal asociada no necesita localizarse en la proximidad de las bobinas del
sensor. Esto permite que las bobinas del sensor se localicen en ambientes
agresivos, pudiéndose evitar otras técnicas sensoras tales como las magnéticas
u ópticas que requieren electrónica basada en el silicio relativamente delicada
que debe colocarse en el punto del sensor.
Aplicaciones
Los sensores
inductivos se usan tradicionalmente para operaciones fiables en condiciones
difíciles. Consecuentemente, son a menudo la elección automática para
aplicaciones relacionadas con la seguridad, seguridad crítica y fiabilidad.
Tales aplicaciones son comunes en la industria pesada, militar, aeroespacial y
ferrocarril. El motivo de esta sólida reputación está relacionada con la física
básica y los principios de operación, que generalmente son independientes de
contactos eléctricos móviles, temperatura, humedad, agua, condensación y
materias extrañas tales como suciedad, grasa o arena.
Fortalezas y debilidades
Debido a la
naturaleza de los elementos de operación básicos – wound coils y partes
metálicas – la mayoría de los sensores inductivos son extremadamente robustos.
Dada su sólida reputación, una cuestión obvia es por qué los sensores
inductivos no se usan más frecuentemente. El motivo es que su robustez física
es tanto una fortaleza como una debilidad. Los sensores inductivos tienden a ser
exactos, fiables y robustos, pero también grandes y pesados. Son también
costosos de producir, especialmente los dispositivos de alta exactitud que
requieren devanados de precisión. Además de los sensores de proximidad simples,
los sensores inductivos más sofisticados son prohibitivamente caros para muchas
aplicaciones.
Otro motivo
de la relativa escasez de los sensores inductivos es que son difíciles de
especificar para un ingeniero de diseño. Esto se debe a que cada sensor a
menudo requiere que la generación AC asociada y circuitería de procesado deben
ser especificadas y compradas separadamente.
Dispositivos de nueva generación
Una nueva
generación de sensores inductivos ha entrado en el mercado en los últimos años
y su reputación es creciente, no sólo en los mercados tradicionales, sino
también en industria, automoción, aplicaciones médicas, generación de energía,
ciencia y sector gasístico. Esta nueva generación de sensores inductivos usa la
misma física básica que los dispositivos tradicionales pero usa circuitos
impresos y electrónica digital moderna. Se abren nuevos rangos de aplicaciones
para los sensores inductivos que incluyen sensores 2D y 3D, dispositivos
lineales de corto alzance (<1 mm), geometrías curvilineales y encoders de
ángulo de precisión alto. Zettlex tecnología es la impulsora de esta técnica de
inducción de última generación.
Bibliografía
How Inductive Sensors Work. IEN March 2013
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