Medición de par con sensores de ángulo

La medición del par motor aplicado a un eje estático y de metal es normalmente un proceso muy bien definido. Siempre que no se supere el límite elástico del eje, la cantidad de giros del eje es proporcional al par motor. Tras medir el grado del giro; consultar el módulo de Young del material del eje; aplicar una fórmula matemática del manual para ingenieros: listo, ya tiene una medición bastante buena del par motor.

Medir el par motor de un eje en constante rotación es más complicado. Existen varias maneras de hacerlo, pero el método más común es deducir el par motor de la cantidad de energía necesaria para rotar el eje. Esto normalmente significa medir la energía eléctrica suministrada al motor que acciona el movimiento. Es una operación simple y elegante, pero inexacta, puesto que el consumo de energía depende de otros factores como la velocidad, el suministro de voltaje, el estado de los cojinetes, la temperatura, etc.

Medición de par motor con extensómetros

Una forma más precisa es medir el giro en el eje utilizando extensómetros o dispositivos de medición de ondas acústicas de superficie (SAW, por sus siglas en inglés). Es un método preciso, pero tiene la dificultad de que requiere o bien un anillo colector o algún método inalámbrico de transferencia de señal entre los extensómetros en el eje y el mundo exterior. Cualquier ingeniero que haya tenido que utilizar un extensómetro estando enfadado confirmará que hay una gran diferencia entre la teoría de los extensómetros y su puesta en práctica. Los extensómetros tienen a tener altos coeficientes de temperatura y la fea costumbre de desprenderse en condiciones difíciles. Utilizar los extensómetros o dispositivos SAW para medir el par motor en el laboratorio funciona muchas veces, pero no es una opción realista para muchas aplicaciones industriales.

Medición de par con sensores de ángulo

Existe otra manera. No es nada nuevo, pero parece que ha caído en el olvido. Se ha utilizado por primera vez en los años cincuenta para medir el par de los motores, especialmente en los motores turbohélice de la aeronave de carga Hercules/C-130. Esta técnica mide el giro y por tanto el par motor de un eje al medir el cambio de fase entre dos resolucionadores «multivelocidad» instalados y alineados en el eje. («Multivelocidad» se refiere a la salida del resolucionador: un resolucionador de dos velocidades tiene una salida cíclica que es absoluta por encima de los 180 grados; un resolucionador de 36 velocidades tiene una salida cíclica que es absoluta por encima de los 10 grados, etc.)

Cuando el eje rota, cada resolucionador produce dos señales, una que varía como un sinusoide y otra que varia como un cosinusoide. En la Figura 2 a continuación puede ver simplificada la señal sinusoidal demodulada.

Figura 1: medición de par motor utilizando resolucionadores multivelocidad

Cuando se aplica el par motor cero, las señales de los dos resolucionadores muestran cambio de fase cero. Cuando se aplica el par motor, la fase de una salida aparece para cambiar respecto a la otra. Por consiguiente, el cambio de fase es directamente proporcional al par motor aplicado. Al utilizar un resolucionador multivelocidad con alto número de ciclos (p.ej. 128) solo son necesarios pocos giros para producir un cambio de fase significativo. Dicho de otra manera, es una técnica muy sensible y apta para medir giros de <1 grado o incluso <0,1 grados. Esto significa que el eje no tiene por qué ser necesariamente largo. De hecho, la longitud del eje necesaria para esta técnica puede ser <25 mm. Esto se puede conseguir utilizando un eje intencionadamente flexible o colocando los resolucionadores de forma concéntrica, uno dentro del otro, y conectar las partes interiores y exteriores del eje utilizando un muelle de torsión (muy) rígido.

A diferencia de los extensómetros, los resolucionadores son popularmente resistentes, fiables y precisos, por esta razón se eligen para las aplicaciones difíciles en equipos aeroespaciales, militares, de petróleo y gas. Puesto que son dispositivos sin contacto, no hay necesidad de utilizar anillos colectores o transporte de señales de radiofrecuencia.

Entonces, ¿por qué esta técnica ha caído en desuso? Quizás una de las razones es que también los resolucionadores han perdido popularidad. Los resolucionadores Slab (planos con un gran hueco en el medio) tienen la forma ideal para medir el par motor, pero son notablemente caros. Además, la especificación de los componentes electrónicos de accionamiento y procesado puede ser difícil. Puesto que los ingenieros actuales están mayormente familiarizados con la electrónica digital, quizás sean reacios a enfrentarse a la electrónica analógica y medición de fases del eje de señales CA.

La nueva generación de sensores inductivos

Actualmente los resolucionadores se están sustituyendo cada vez más por sus equivalentes modernos: los codificadores inductivos o «incoders». Los incoders funcionan utilizando los mismos principios inductivos que un resolucionador, pero utilizan circuitos impresos en lugar de voluminosas construcciones de transformador de bobinados. Esto es importante a la hora de minimizar el volumen, el peso y el costo del incoder y al mismo tiempo maximizar el rendimiento de medición. Los incoders también ofrecen una interfaz eléctrica simple y sencilla de utilizar: alimentación CC y salida de datos en serie. Puesto que los incoders se basan en los mismos principios físicos que un resolucionador, ofrecen el mismo tipo de ventajas operativas: alta precisión, medición fiable en entornos complicados. Además, tienen el factor forma perfecto para la medición de ángulos: planos con un gran hueco en el medio. Esto permite pasar el eje por el hueco central del estátor del incoder con el rotor fijado directamente al eje en rotación. Así se elimina la necesidad de utilizar anillos colectores, así como resolucionadores.

Figura 2: medición de par motor y ángulo absolutos con codificadores inductivos

No hay necesidad de especificar y separar por fuente la electrónica porque toda la electrónica del incoder ya se encuentra dentro del estátor. Otra ventaja es que los incoders están disponibles con hasta 4 millones de recuentos por revolución, de modo que un pequeño giro angular es suficiente para obtener una medición de par motor de alta resolución.

El coeficiente térmico de un incoder es pequeño en comparación con los niveles que alcanzan las mejores soluciones de extensómetros y cualquier efecto dinámico de distorsión de los ejes con alta velocidad angular se pueden eliminar utilizando la misma señal horaria para desencadenar las lecturas en ambos codificadores.

A diferencia de la técnica con extensómetros, no existe el peligro de dañar el equipo con un par excesivo o aplicado de forma repentina, demás, esta técnica proporciona dos mediciones: ángulo y par motor con un coste menor que el de la medición solo del par motor con un extensómetro.

Se trata de una técnica antigua que ha pasado de moda, probablemente porque los resolucionadores también han caído en desuso. Los cidificadores inductivos modernos están reactivando el uso de la física inductiva para la medición de ángulo y con ello, vuelven a popularizar este método tan útil, resistente y efectivo de medir el par motor y el ángulo.