Instrumentación Industrial y Control de Procesos - Definiciones básicas de posición

Detección de posición y movimiento. Definiciones básicas de posición

Muchos procesos industriales requieren mediciones de posición y movimiento tanto lineales como angulares. Estos son necesarios en robótica, trenes de laminación, operaciones de mecanizado, aplicaciones de herramientas controladas numéricamente y transportadores. En algunas aplicaciones también es necesario medir la velocidad, la aceleración y la vibración. Algunos transductores usan dispositivos de detección de posición para convertir la temperatura y/o la presión en unidades eléctricas y los controladores pueden usar dispositivos de detección de posición para monitorear la posición de una válvula ajustable para el control de retroalimentación.

La posición absoluta es la distancia medida con respecto a un punto de referencia fijo y se puede medir siempre que se aplique energía.

La posición incremental es una medida del cambio de posición y no está referenciada a un punto fijo. Si se interrumpe la alimentación, se pierde el cambio de posición incremental. Con este tipo de sensor se suele utilizar una referencia de posición adicional, como un interruptor de límite, o fin de carrera. Este tipo de detección puede brindar un posicionamiento muy preciso de un componente con respecto a otro y se usa cuando se fabrican placas maestras para herramientas y similares.

El movimiento rectilíneo se mide por la distancia recorrida en un tiempo dado, la velocidad cuando se mueve a una velocidad constante o la aceleración cuando la velocidad cambia en línea recta.

La posición angular es una medida del cambio de posición de un punto alrededor de un eje fijo medido en grados o radianes, donde una rotación completa es de 360° o 2π radianes. Los grados de rotación de un eje pueden ser absolutos o incrementales. Estos tipos de sensores también se utilizan en equipos giratorios para medir la velocidad de rotación, así como la posición del eje y para medir el desplazamiento del par.

El minuto de arco es un desplazamiento angular de 1/60 de grado.

El movimiento angular es una medida de la velocidad de rotación. La velocidad angular es una medida de la velocidad de rotación cuando gira a una velocidad constante alrededor de un punto fijo o la aceleración angular cuando la velocidad de rotación cambia.

La velocidad es la tasa de cambio de posición. Puede ser una medida lineal, es decir, pies por segundo (ft/s), metros por segundo (m/s), etc., o una medida angular, es decir, grados por segundo, radianes por segundo, velocidad por minuto (r /m), y así sucesivamente.

La aceleración es la tasa de cambio de la velocidad, es decir, pies por segundo al cuadrado (ft/s²), metros por segundo al cuadrado (m/s²) y similares para el movimiento lineal, o grados por segundo al cuadrado, radianes por segundo al cuadrado y similar, en el caso de movimiento de rotación.

La vibración es una medida del movimiento periódico sobre un punto de referencia fijo o la sacudida que puede ocurrir en un proceso debido a cambios repentinos de presión, golpes o carga desequilibrada en equipos rotativos. Pueden producirse aceleraciones máximas de 100 g durante las vibraciones, lo que puede provocar fracturas o autodestrucción. Los sensores de vibración se utilizan para monitorear los rodamientos en rodillos pesados ​​como los que se usan en los trenes de laminación; una vibración excesiva indica una falla en los rodamientos o daños en las piezas giratorias que luego pueden reemplazarse antes de que ocurran daños graves.

Dispositivos de medición de posición y movimiento

Los potenciómetros son un método conveniente para convertir el desplazamiento de un sensor en una variable eléctrica. El cursor o el brazo deslizante de un potenciómetro lineal se pueden conectar mecánicamente a la sección móvil de un sensor. Cuando se trata de rotación, se puede utilizar un tipo de potenciómetro giratorio de una o varias vueltas (hasta 10 vueltas). Para mayor estabilidad, se deben utilizar dispositivos de alambre bobinado, pero en condiciones no amigables con el medio ambiente, la vida útil del potenciómetro puede verse limitada por la suciedad, la contaminación y el desgaste.

Los transformadores diferenciales de variación lineal (LVDT) son dispositivos que se utilizan para medir pequeñas distancias y son una alternativa al potenciómetro. El dispositivo consta de una bobina primaria con dos devanados secundarios, uno a cada lado del primario. (ver Fig. 1a). Un núcleo móvil, cuando se coloca en el centro del primario, dará un acoplamiento igual a cada una de las bobinas secundarias. Cuando se aplica un voltaje de corriente alterna al primario, se obtendrán voltajes iguales de los devanados secundarios que están cableados en oposición en serie para dar un voltaje de salida cero, como se muestra en la figura b. Cuando el núcleo se desplaza ligeramente, se obtendrá un voltaje de salida proporcional al desplazamiento. Estos dispositivos no son tan económicos como los potenciómetros, pero tienen la ventaja de no tener contacto. Las salidas están aisladas eléctricamente, son precisas y tienen una mayor duración que los potenciómetros.

Fig. 1 - Se demuestra (a) el LVDT con un núcleo móvil y tres devanados y (b) el voltaje secundario versus el desplazamiento del núcleo para las conexiones que se muestran.

Los láseres de interferencia de luz se utilizan para mediciones de posición incrementales muy precisas. La luz monocromática (frecuencia única) se puede generar con un láser y colimar en un haz estrecho. El haz es reflejado por un espejo unido al objeto en movimiento que genera franjas de interferencia con la luz incidente a medida que se mueve. Las franjas se pueden contar a medida que se mueve el espejo. La longitud de onda de la luz generada por un láser es de aproximadamente 5 × 10⁻⁷ m, por lo que se puede lograr un posicionamiento relativo con esta precisión en una distancia de 1/2 a 1 m.

Se pueden utilizar dispositivos ultrasónicos, infrarrojos, láser y microondas para medir distancias. Se mide el tiempo que tarda un pulso de energía en viajar a un objeto y volver a reflejarse en un receptor, a partir del cual se puede calcular la distancia, es decir, la velocidad de las ondas ultrasónicas es de 340 m/s y la velocidad de la luz y las microondas es 3 × 10⁸ m/s. Las ondas ultrasónicas se pueden utilizar para medir distancias de 1 a unos 50 m, mientras que la luz y las microondas se utilizan para medir distancias más largas.

Si un objeto está en movimiento, el efecto Doppler se puede utilizar para determinar su velocidad. El efecto Doppler es el cambio en la frecuencia de las ondas reflejadas causado por el movimiento del objeto. La diferencia de frecuencia entre la señal transmitida y la reflejada se puede utilizar para calcular la velocidad del objeto.

Fig. 2 - Se muestra una placa semiconductora utilizada como (a) dispositivo de efecto Hall y (b) aplicación de un dispositivo de efecto Hall para medir la velocidad y la posición de una rueda dentada.

Los sensores de efecto Hall detectan cambios en la intensidad del campo magnético y se utilizan como detector de proximidad. El efecto Hall ocurre en dispositivos semiconductores y se muestra en la Fig. 2a. Sin un campo magnético, la corriente fluye directamente a través de la placa semiconductora y el voltaje de Hall es cero. Bajo la influencia de un campo magnético, como se muestra, la trayectoria de la corriente en la placa semiconductora se curva, dando un voltaje de Hall entre los lados adyacentes a la corriente de entrada/salida. En la figura 2b se usa un dispositivo de efecto Hall para detectar la rotación de una rueda dentada. A medida que los engranajes pasan por el dispositivo Hall, la fuerza del campo magnético aumenta considerablemente, lo que provoca un aumento en el voltaje Hall. El dispositivo se puede usar para medir la posición o la velocidad lineales y rotacionales y también se puede usar como un interruptor de fin de carrera.

El elemento magneto resistivo (MRE) es una alternativa al dispositivo de efecto Hall. En el caso del MRE, su resistencia cambia con la intensidad del campo magnético.

En la era digital, la medición de la rotación de un eje mecánico en un motor o en el eje de un instrumento giratorio debe realizarse de manera rápida y eficiente. Los métodos analógicos, como los potenciómetros y los interruptores giratorios, están siendo reemplazados por codificadores giratorios que digitalizan directamente el movimiento giratorio, pero los diseñadores deben poder apreciar las diferencias entre los distintos tipos de codificadores e interpretar con precisión sus salidas digitales.

Los codificadores rotatorios son un tipo de sensor que mide la rotación de un eje mecánico. El eje podría estar en un motor, donde leería la posición angular o la velocidad de rotación. También podrían leer la posición angular de un dial, perilla u otro control electrónico en el panel frontal de un instrumento o dispositivo, reemplazando potenciómetros e interruptores giratorios.

Considere un control de temporizado en un dispositivo. En los tiempos pasados analógicos, se usaba una resistencia variable o un potenciómetro para detectar la posición de ese control. Con los diseños actuales, basados ​​en microprocesadores, las entradas digitales generadas por un codificador rotatorio son más eficientes.

Los dispositivos ópticos detectan el movimiento midiendo la presencia o ausencia de luz. La figura 3 muestra dos tipos de discos ópticos utilizados en la detección rotacional. La figura 3a muestra un codificador de eje óptico incremental. La luz del diodo emisor de luz (LED) brilla a través de las ventanas del disco hacia una serie de fotodiodos. A medida que gira el eje, la posición de la imagen se mueve a lo largo de la matriz de diodos. Al final de la matriz, la imagen de la siguiente ranura se encuentra al comienzo de la matriz. La posición relativa de la rueda con respecto a su ubicación anterior se puede obtener contando el número de fotodiodos interceptados ​​y multiplicándolos por el número de ranuras monitoreadas. La matriz de diodos mejora la precisión de la posición de las ranuras, es decir, la resolución del sensor es de 360° dividida por la cantidad de ranuras en el disco dividida por la cantidad de diodos en la matriz. Las ranuras también se pueden reemplazar por tiras reflectantes, en cuyo caso la luz del LED se refleja de vuelta a una matriz de fotodiodos.

Fig. 3 - Gráficos de (a) un disco óptico incremental, (b) un disco óptico de posición absoluta y (c) un acelerómetro piezoeléctrico.

Fig. 3a - Discos codificadores ópticos

Los codificadores también se pueden usar en sistemas de control para proporcionar información de que una pieza mecánica se mueve correctamente en respuesta a un comando de control. Ya sea que el sistema de control esté en un automóvil o en un dispositivo robótico, los codificadores proporcionan la detección necesaria al microprocesador de control. Las soluciones más antiguas, como los potenciómetros de una sola vuelta, detectan menos de una rotación completa del eje, pero los codificadores rotatorios pueden detectar la rotación completa sin paradas.

Los codificadores rotatorios convierten estos desplazamientos mecánicos en señales eléctricas que pueden enviarse a un procesador para su interpretación. En función de las salidas eléctricas del codificador, se pueden derivar la dirección de rotación, la posición angular y la velocidad de rotación. Las salidas digitales de los codificadores rotatorios hacen que esto sea mucho más simple en comparación con los potenciómetros.

Los codificadores ópticos se construyen utilizando un disco con segmentos translúcidos y opacos dispuestos para dejar pasar la luz a través de ciertas áreas. Usando un LED y fotodiodos en lados opuestos del disco, los fotodiodos detectan la luz que pasa a través del disco y emiten formas de onda de pulso correspondientes a los patrones translúcidos y opacos en los segmentos del disco.

Solo se requiere una ranura en el disco para medir la velocidad por minuto. La Figura 3b muestra un codificador de posición absoluta. Una matriz de LED (uno para cada ventana) con un fotodetector correspondiente para cada ventana puede dar la posición de la rueda en cualquier momento. En la figura solo se muestran tres ventanas, para una mayor precisión se serían necesarias más ranuras. El patrón que se muestra en el disco es para el código gris.

Hay dos tipos principales de codificadores, incrementales y absolutos. El codificador incremental lee los cambios en el desplazamiento angular, mientras que el codificador absoluto lee el ángulo absoluto del eje codificado. Se implementan utilizando tres tecnologías comunes; ópticos, mecánicos o magnéticos.

Figura 4: Ejemplos de discos ópticos incrementales y absolutos. El disco incremental genera dos señales de onda cuadrada con una diferencia de fase de 90˚ entre ellas. El disco de posición absoluta emite datos codificados en binario. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Se pueden usar otros patrones en el disco, como el código binario.

El disco absoluto de la Figura 4 tiene cuatro salidas que proporcionan un código binario único para cada segmento del disco, dieciséis en este caso. Una alternativa al código binario es el código gris, que es un código binario en el que las palabras binarias adyacentes difieren en una sola transición de bit.

Fig. 5 - La relación de fase entre las señales de cuadratura determina la dirección de desplazamiento del disco codificador. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El patrón generado por el disco incremental consta de dos ondas cuadradas con una diferencia de fase de 90˚ y se denomina salida en cuadratura. Esto también se puede lograr usando un patrón de fila única y dos sensores fotoeléctricos desplazados por una distancia equivalente al cambio de fase de 90˚.

Las salidas de los codificadores incrementales en cuadratura generalmente se denominan "A" y "B". El codificador también puede incluir un tercer pulso, una vez por revolución, llamado pulso índice destinado a proporcionar una referencia física conocida. Al combinar el pulso índice con las salidas de cuadratura, se puede calcular la orientación absoluta del eje.

Los dispositivos ópticos tienen muchos usos en la industria además de la medición de la posición y la velocidad de los equipos giratorios. Los dispositivos ópticos se utilizan para contar objetos en cintas transportadoras en una línea de producción, medición y control de la velocidad de una cinta transportadora, ubicación y posición de objetos en un transportador, ubicación de marcas de registro para alineación, lectura de códigos de barras, medición y control de espesor, y detección de roturas en filamentos, etc.

Los codificadores ópticos ofrecen la ventaja de tener la resolución más alta de todos los tipos de codificadores. Sus costos se ajustan bien para aplicaciones económicas de gama baja. Pero por el lado negativo, éstos pueden ser voluminosos.

Los codificadores mecánicos utilizan un disco giratorio que contiene anillos concéntricos idénticos a los patrones utilizados en los codificadores ópticos. Los anillos tienen un patrón de áreas conductoras y aisladas. Los contactos del cursor estacionarios se deslizan sobre el disco giratorio haciendo contacto con cada anillo, actuando como interruptores. A medida que los contactos se deslizan por la superficie del disco, se establece un contacto cuando se barre sobre una región conductora o se abre cuando se frota sobre un área aislada. De esta manera se desarrolla un patrón digital para cada anillo.

Un problema que puede ocurrir con los codificadores mecánicos es el ruido causado por el rebote de los contactos. Este ruido se puede eliminar mediante el uso de un filtrado pasa bajos o mediante el uso de software para monitorear el estado de la salida después de que el ruido de rebote haya disminuido.

Los codificadores mecánicos son generalmente el tipo de codificador más económico. Encuentran aplicación como dispositivos de interfaz de usuario en paneles frontales electrónicos que reemplazan a los potenciómetros.

Los codificadores rotatorios magnéticos utilizan un imán circular multipolar. Los polos magnéticos norte y sur alternos son detectados por efecto Hall o sensores magnetorresistivos, generando salidas eléctricas en cuadratura a medida que gira el imán. Los codificadores magnéticos, al igual que los codificadores ópticos, no tienen contacto y pueden funcionar a velocidades más altas y durante más tiempo que los codificadores de contacto mecánico.

En resumen, los codificadores rotatorios satisfacen la necesidad de detectar y digitalizar de manera rápida y eficiente la rotación angular de un control de panel frontal, un brazo robótico o un eje de motor giratorio. Los codificadores incrementales o absolutos proporcionan una interfaz necesaria para los microprocesadores o microcontroladores que permiten la detección y el control de los componentes de los sistemas electromecánicos.

Los láseres de potencia también se pueden incluir con dispositivos ópticos, ya que se utilizan para grabado y mecanizado de metales, laminados y similares.

Los acelerómetros detectan los cambios de velocidad midiendo la fuerza producida por el cambio de velocidad de una masa conocida (masa sísmica). Estos dispositivos pueden fabricarse con una masa en voladizo y una galga extensiométrica para medir la fuerza o se pueden usar técnicas de medición capacitivas. Los acelerómetros ahora están disponibles comercialmente, hechos usando técnicas de micromecanizado. Los dispositivos pueden ser tan pequeños como 500 µm × 500 µm, de manera que la carga efectiva del acelerómetro en una medición es muy pequeña. Este dispositivo es una pequeña masa sísmica en voladizo que usa cambios capacitivos para monitorear la posición de la masa. Los dispositivos piezoeléctricos similares al que se muestra en la Fig. 3c también se utilizan para medir la aceleración. La masa sísmica produce una fuerza sobre el elemento piezoeléctrico durante la aceleración que hace que se desarrolle un voltaje a través del elemento. Los acelerómetros se utilizan en la industria para medir los cambios en la velocidad de los equipos en movimiento, en la industria automotriz como sensores de choque para el despliegue de bolsas de aire (airbags) y en cajas de envíos donde se usan registradores que funcionan con baterías para medir el impacto durante el envío de equipos de alto valor económico y frágiles.