SENSORES GENERADORES (FLUJO MAGNETICO)

Un sensor convierte una señal física de un tipo en una señal física de otra naturaleza. Por ejemplo una termocupla produce un voltaje que está relacionado con la temperatura, así mismo en una resistencia metálica se aprovecha el fenómeno de variación de la resistencia con la temperatura para producir una señal de voltaje que sea proporcional a la temperatura.

La diferencia entre los dos ejemplos está que para el caso de la termocupla se produce un milivoltaje producto de la unión de dos materiales a una determinada temperatura, en el segundo ejemplo la pura resistencia por sí sola no puede hacer la conversión a voltaje sino que requiere de un circuito y de una fuente de alimentación. En el primer caso tenemos al elemento sensor sólo, en el segundo a el elemento sensor más un circuito, en este segundo caso la unión de los dos constituye el transductor. Tanto en el caso de la termocupla como de la resistencia metálica se necesitan etapas adicionales de acondicionamiento como amplificación y filtraje de la señal.

Sensores Generadores
Se consideran Transductores Generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica.

Esto es una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias como por ejemplo:
temperatura, fuerza, presión, y otras magnitudes afines.

En algunos casos: Transductor ⇔ Efecto Reversible

En esta parte se toma en cuenta las fuentes de Interferencia cuyos efectos pueden producirse inadvertidamente en los circuitos. Ejemplos:

• Ruidos (Mecánicos, Magnéticos, Eléctricos, Térmicos, Electrónicos).
• Fuerzas Electromotrices.
• Vibraciones.
• Presencia de Dieléctricos o Potenciales galvánicos.

Sensores de Densidad de Flujo Magnético

En la generalidad se denominan GAUSIMETROS pero como en el Sistema Internacional de medidas, el gauss ha dejado de utilizarse, la expresión de la medición se realiza en Tesla.

Algunas relaciones que se encuentran en la literatura son:

1 gauss: 0.1 mili Tesla
1 gamma: 1 nano Tesla

Los sensores de densidad de flujo magnético más comúnmente utilizados son los dispositivos Hall. El dispositivo esta contenido cerca del extremo de una sonda. La sonda se conecta a un circuito de excitación de acondicionamiento de señal y de visualización. Estas sondas se diseñan para responder a campos axiales y a trasversales.

Fig. 1 Sensor de flujo magnetico

Clasificación de los Sensores de Flujo Magnético
Existen dos tipos de sensores magnéticos: Magneto-resistivos y de Efecto Hall.


Sensores Magnetorresistivos

El efecto magneto-resistivo data de 1856, donde Thomson observó este efecto aunque no se encontró ninguna aplicación práctica. Posteriormente con los semiconductores se empezó a utilizar como detectores de movimiento. La gama de sensores magnetorresistivos de Philips está caracterizada por su alta sensibilidad en la detección de los campos magnéticos, en un amplio rango de temperatura de trabajo, con un ‘offset’ muy bajo y estable, y con una baja sensibilidad a la tensión mecánica. Por lo tanto, son un excelente medio de medida tanto en desplazamiento lineal como en angular, bajo condiciones ambientales extremas en aplicaciones de automoción o maquinaria (ruedas dentadas, varillas de metal, levas, etc.). Otra aplicación de los sensores
magnetorresistivos es la medición de velocidad rotacional.

Un ejemplo donde las propiedades de los sensores magnetorresistivos pueden ser útiles es en las aplicaciones de automoción, tal como detección de velocidad de una rueda para el ABS, en sistemas de control de motores y en detectores de posición para la medición de la posición de un chasis, en la medición de posición de válvulas o de los pedales.

Otro ejemplo, es en la instrumentación y control de equipos, que frecuentemente requieren sensores de posición capaces de detectar desplazamientos en la región de las décimas de milímetro (o a veces menor) y en sistemas de ignición electrónica donde se tiene que poder determinar con gran precisión la posición angular de un motor de combustión. Debido a su alta sensibilidad los sensores magnetorresistivos pueden medir campos magnéticos muy débiles y son ideales para aplicaciones en brújulas electrónicas, corrección del campo de la tierra y detección de tráfico. Los sensores magnetorresistivos (MR) utilizan el efecto magneto-resistivo, que se basa en la propiedad de un material que cambia su resistividad por la presencia de un campo magnético externo.

Sensores de Efecto Hall
El fenómeno Efecto Hall fue descubierto por E.H. may en 1879. Si una corriente fluye en un conductor (o semiconductor) y se le aplica un campo magnético perpendicular a dicha corriente, entonces la combinación de corriente y campo magnético genera un voltaje perpendicular a ambos. Este fenómeno se denomina Efecto Hall. VH es una función de la densidad de corriente, el campo magnético, y la densidad de carga y movilidad portadora del conductor.

Principio de funcionamiento de los sensores de flujo Magnético.


Sensor Magnetorresistivos.

En la fig. 2 se muestra el principio de trabajo básico de un sensor MR, con una tira de material ferromagnético llamado permalloy (20% de Fe, 80% de Ni). Suponiendo que, cuando no está presente un campo magnético externo, el permalloy tiene un vector de magnetización interno paralelo al flujo de la corriente ‘I’ de izquierda a derecha. Si se aplica un campo magnético externo ‘H’ paralelo al plano del permalloy, pero perpendicular al flujo de la corriente ‘I’, el vector de magnetización interno del permalloy rotará alrededor de un ángulo α. Como resultado, la resistencia ‘R’ del ‘permalloy’ cambiará en función del ángulo de rotación α, dado por: R = RO + _RO cos2α

Fig. 2 Principio de trabajo básico de un Sensor Magnetorresistivos

RO y _RO son parámetros del material y para lograr las características óptimas del sensor, Philips utiliza Ni19Fe81, el cual tiene un valor alto de RO y una baja magneto-restricción. Con este material, _RO es del orden del 3%. Es obvio que es una ecuación cuadrática, es decir, que la característica de la resistencia/campo magnético no es lineal, entonces, cada valor de R no está asociado necesariamente con un único valor de H. Básicamente, el efecto MR se puede utilizar para la medición angular y la velocidad rotacional, donde no se requiera la linealización de la característica del sensor.

En la serie de sensores KMZ, hay cuatro tiras de ‘permalloy’ que están ordenadas en forma de laberinto en el silicio. Están conectadas en una configuración en puente de Wheatstone, que tiene las siguientes ventajas: la reducción de la deriva por temperatura, el que se duplica la señal de salida y que el sensor se puede alinear en fábrica. Además se incluyen dos resistencias RT, como se muestra en la figura, que son para ajustar el ‘offset’ del sensor casi a cero durante el proceso de producción, también se muestra la estructura de las cuatro tiras de permalloy.

Fig.3 configuración en puente de Wheatstone y estructura de cuatro tiras de permalloy

En la tabla siguiente se muestran las características de la familia de sensores magnetorresistivos KMZ de Philips, junto con sus aplicaciones típicas.

Sensores de corriente de efecto Hall

Estos sensores se pueden utilizar tanto para corriente alterna como para corriente continua. La corriente ocasiona un campo magnético en el cual se posiciona un dispositivo Hall, un semiconductor de un tipo específicamente seleccionado para este uso en función al factor de Hall del material. Dentro de la sonda se produce un campo eléctrico que se sitúa transversalmente a la corriente de excitación que pasa a través de él y que es transversal con el campo magnético.

La tensión de salida es proporcional al campo magnético, con una corriente de excitación constante.

Fig. 4 Sensor de corriente de efecto hall.

El campo magnético se genera usualmente mediante un núcleo toroidal ferro magnético con entrehierro por el que circula el conductor que transporta la corriente a medir. En el caso de la bobina con n vueltas formada alrededor del entrehierro vale entonces:

Bm= Im . n. m0

Siendo Im la corriente a ser determinada.
Así, nos queda la siguiente ecuación de la tensión de Hall:
UH= - (I. Im. n. m0) / (e. n. d)

Siendo datos conocidos entonces:
● La tensión UH,
● La corriente de excitación de la sonda Hall I,
● El factor de Hall del material y,
● La permeabilidad magnética del núcleo de la bobina de medición, Se obtiene el valor de la corriente a medir.

Si la corriente de excitación de la sonda Hall es del tipo continua, la tensión de Hall generada tendrá la misma forma de onda que la corriente a medir, incluso hasta frecuencias de 1 Mhz se obtiene buena reproducción de transitorios.

La corriente de excitación debe estar cuidadosamente controlada para garantizar el mínimo nivel de error en las mediciones.

Si la corriente de excitación de la sonda Hall es del tipo continua, la tensión de Hall generada tendrá la misma forma de onda que la corriente a medir, incluso hasta frecuencias de 1 Mhz se obtiene buena reproducción de transitorios. La corriente de excitación debe estar cuidadosamente controlada para garantizar el mínimo nivel de error en las mediciones.

Aplicación en la Industria de los Sensores de Flujo Magnético.

Aplicación del Sensor Magnetorresistivo.

• Brújula Electrónica
  
  La brújula electrónica es una aplicación típica de la medición de campos débiles, con dos sensores magnetorresistivos alineados en un mismo plano, pero a 90º el uno del otro. Esto configura una brújula bidimensional, con los sensores midiendo las componentes X e Y del campo medido (terrestre).

Fig.5 Brujula electronica

• Brújula Simple de 8 Segmentos.
  La función principal de una aplicación de una simple brújula, es indicar puramente en la dirección (N, NE E, SO, etc.). Esta función básica se encuentra típicamente en ayuda a la navegación, por ejemplo, en conductores de coches que requieren solamente unas indicaciones de su orientación y no una exacta indicación de su dirección.
  Para esta simple aplicación, solo es necesario mostrar las ocho direcciones. En este caso, las dos señales de salida se pueden comparar unas con otras para lograr tres señales digitales. Estas dan las informaciones básicas de N, S, E y O, mientras que otra señal del sensor invertida, determina si la señal del sensor está cambiando positiva o negativamente y se incluye en la comparación, para distinguir entre las ocho posiciones de la brújula. Se pueden utilizar simples comparadores para obtener tres señales digitales, que controlan una unidad de ‘display’ a través de un multiplexor.

fig.6 señales digitales de la brujula de ocho segmento

• Detección de Tráfico
  Como que el número de vehículos utilizando vías ya congestionadas aumenta constantemente, los sistemas de control de tráfico se están convirtiendo en más necesarios para evitar atascos. Estos sistemas monitorizan el flujo de tráfico, el promedio de velocidad y la densidad, permitiendo que signos indicadores de camino controlen el flujo y la velocidad del tráfico.


• Medición Angular
  El principio de la medición angular con un sensor magneto-resistivo es esencialmente simple; como se explicó anteriormente el efecto magnetorresistivo es de naturaleza angular. La resistencia de las tiras de ‘permalloy’ depende del ángulo _ entre el vector de magnetización interno de la tira de ‘permalloy’ y la dirección de la corriente a través de éste.
  
• Otras aplicaciones para los sensores magnetorresistivos de son la medición de corriente eléctrica. El principio de medición de la corriente con un sensor magneto-resistivo es directo. Si una corriente, ‘i’, que fluye a través de un hilo, genera un campo magnético alrededor del mismo que es directamente proporcional a la corriente. Midiendo la intensidad de este campo magnético con un sensor magneto-resistivo, se puede determinar exactamente la corriente. La relación entre la intensidad del campo magnético ’H’, la corriente ‘i’ y la distancia ‘d’ viene dado por:

Fig.7 campo magnetico producido por una corriente a traves de un hilo

La tabla anterior indica claramente que la medición de corriente puede involucrar medición de campos magnéticos débiles o fuertes. Como que la sensibilidad de los sensores magneto-resistivos se pueden ajustar fácilmente, utilizando diferentes configuraciones y diferentes electrónicas, un sensor individual se puede optimizar para una aplicación de medición de corriente específica, una clara ventaja sobre los sensores de efecto de Hall. La precisión alcanzable en la medición de corriente utilizando sensores magneto-resistivos es altamente dependiente de la configuración de la aplicación específica. Los factores que afectan a la precisión son las tolerancias mecánicas (tales como la distancia entre el sensor y el hilo), la deriva de la temperatura y la sensibilidad de la electrónica acondicionadora. Sin embargo, con los sensores magnetorresistivos se acercan a precisiones del 1%.

Hay una diferencia general en la configuración utilizada cuando se usan sensores MR para medida de corriente alterna o continua, debida a los efectos perturbadores tales como el campo geomagnético de la Tierra. Para corrientes alternas, los campos perturbadores se pueden eliminar utilizando técnicas de filtrado, mientras que para corrientes continuas, se tienen que utilizar técnicas de compensación (utilizando por ejemplo dos sensores).

Aplicaciones del Sensor de Efecto Hall

El efecto Hall se usa para hacer sensores de movimiento, particularmente en aplicaciones de posición y movimiento, lineal o rotatorio. Analog Devices ha integrado en un solo dispositivo el sensor y la circuitería de acondicionamiento para minimizar las derivas debidas a la temperatura asociadas a las características de la célula de silicio.

Otras Aplicaciones: Aceleración / Desaceleración (Air Bag), Velocidad / Cambio de velocidad, Choques / Vibraciones, Detección prematura de fallos en un equipo en rotación, Detección y medida de manipulaciones, Actividad sísmica.

Fig 8 Aplicacion del sensor de efecto hall

Sensores electrónicos y acondicionamiento de señal.

No se puede hablar de los sensores, como componentes electrónicos básicos, sin ver como se pueden adaptar a un sistema de adquisición y control. Por lo que se tendrán que ver las nuevas tecnologías de adaptación de estos sensores que como parte de una cadena de dispositivos, forman un sistema.

Estos adaptadores, como acondicionadores de señal, son los amplificadores operacionales en sus diferentes estructuras de montaje, pasando por filtros o por procesadores analógicos, convirtiendo estas señales de analógico a digital para posteriormente ser procesados los datos con un DSP o Micro controlador y actuando por medio de las salidas lógicas del procesador o por medio de un convertidor digital a analógico.

Fig.9 Acondicionamiento de sensores electronicos

ACONDICIONADORES DE SEÑALES.

Los acondicionadores de señal, como dice su palabra prepara la señal que vamos a procesar antes de entrarla a un convertidor A/D, a un microprocesador o DSP. La alta integración de los circuitos está desplazando los montajes con muchos componentes a diminutas placas con mayor precisión en el proceso analógico, empezando por el uso de amplificadores operacionales integrando varios de ellos en uno sólo, como los amplificadores de instrumentación.

Fig.10 Acondicionador de una señal a la entrada de un convertidor A/D

Ejemplo Practico Industrial.

El sistema de medición de flujo magnético en las unidades generadoras de casa de maquinas II de la represa de guri

La empresa canadiense Vibrosystem instaló un sistema de supervisión y monitoreo de las vibraciones y entrehierro de las unidades generadoras de casa de maquinas II en la represa de guri y además de los sensores de vibraciones y entrehierro se instaló un sensor de flujo magnético MFP-100 con un margen de medida de 0 a 1.5 tesla a 60hz, una sensibilidad de +-5% variación de campo, temperatura de operación de 0 a 125 °C.

Fig.11 Sistema de medicion de densidad de flujo magnetico MFM-100

La medición de flujo magnético MFM es un sistema de monitoreo y diagnostico en línea del campo magnético del generador cuando es emanado desde los polos del rotor; está diseñado para detectar el desbalance de campo que contribuye a la vibración de la maquina, sobrecalentamiento, espiras del estator abiertas, tensión excesiva sobre el rotor y estator y sus componentes.

La señal medida es transmitida hacia un acondicionador de señal MFC-100 que provee una tensión de 0 a 10 v de salida analógica, temperatura de operación de 0 a 55 °C. extensión de cable axial de 10 m El sensor MFP-100 se instaló pegado en el estator cercano al sensor entrehierro V.M 5 como se muestra en la figura.12

Fig.12 Acondicionador de señal MFC-100

Para un efectivo análisis de la medición del flujo magnético se combina el sensor MFM y el sensor entrehierro V.M 5 por intermedio de el sistema ZOOM de la empresa Vibrosystem el cual analiza los dos sensores permitiendo la correlación del flujo magnético y entrehierro en cada polo. En la casa de maquina II las unidades generadoras cuentan con 64 polos, se colocaron 16 sensores entrehierro (8 superiores y 8 inferiores) y un sensor de flujo magnético en la unidad 15. El sistema ZOOM determina el desbalance del campo magnético causado por una falla eléctrica, por un polo en cortocircuito, por polos abiertos, señal del entrehierro.

Fig.13 Representacion del sistema de monitoreo y diagnostico ZOOM, ubicacion de sensores y acondicionadores de la unidad generadora.

Fig.14 Instalacion del sensor de flujo magnetico MFM-100y sensor de entrehierro VM 5.0 sobre el estator entre dos polos del rotor.

Fig.15 El sistema ZOOM presenta la relación entre flujo magnético (grafica superior) y entrehierro (grafica inferior) indica cuando el sensor de flujo magnético detecta 0.04 tesla el sensor entrehierro VM.5 presenta 0.9 mm.