Sensor de Par

¿Cómo funcionan los distintos tipos de sensores de par utilizados para la medición del par y cuáles son las diferencias entre ellos? Resumimos los puntos más importantes en esta completa introducción a los transductores de par para medir el par.

Sensores de medición de par fabricados en EE. UU. por FUTEK Advanced Sensor Technology (FUTEK), un fabricante líder que produce una amplia selección de transductores de par, utilizando una de las tecnologías más avanzadas en la industria de sensores: La tecnología de galgas extensométricas de lámina metálica. Para la medición de par (detección de par) se usa un transductor que convierte un par mecánico de entrada en una señal eléctrica de salida. A los sensores de torsión también se les conoce comúnmente como transductor de torsión, célula de torsión, comprobador de torsión, medidor de torsión o sensor de momento. Existen dos tipos principales de sensores de par: sensores de par de reacción y sensores de par de rotación.

¿Qué es un sensor de medición de par?

Por definición, el sensor de medición de par es un tipo de transductor, concretamente un transductor de par que convierte una medición de par (de reacción, dinámico o rotativo) en otra variable física, en este caso, en una señal eléctrica que se puede medir, convertir y normalizar. A medida que aumenta el par aplicado al sensor, la señal eléctrica de salida cambia proporcionalmente (detector de par). Los sensores de par son uno de los dispositivos de medición de fuerza y herramienta de medición de par en los que se especializa FUTEK.

¿Cuáles son los tipos de sensores de medición de par?

Existen dos categorías principales de sensores de torsión: sensor de torsión rotativo y sensores de torsión de reacción. En resumen, un sensor de reacción mide el par estacionario (estático o no rotacional), y el rotativo mide el par rotacional (sensor de par dinámico).

Comprender la aplicación y definir los requisitos es una parte crucial de la selección del sensor de par adecuado.

Sensores de par rotativo (par dinámico o rotativo)

Los sensores rotacionales (o comprobadores de par dinámicos) se utilizan en aplicaciones en las que la medición del par debe realizarse en un eje giratorio, un motor o un motor estacionario. En este caso, el transductor debe girar en línea unido al eje. Un transductor de par rotativo está equipado con un anillo colector y un sistema electrónico inalámbrico para transmitir la señal de par mientras gira (sensor sin contacto).

Los transductores de par rotativos se utilizan con frecuencia como herramientas de prueba/auditoría para motores, herramientas de medición de par, turbinas y generadores para medir el par rotativo. Un sensor de par rotativo de eje a eje también puede utilizarse para el control de retroalimentación, la supervisión del par y el análisis de la eficiencia de los bancos de pruebas, así como para la medición del par del eje rotativo mediante galgas extensométricas (es decir, analizadores de par).

¿Como medir el torque de un motor electrico? La medición del par de rotación (también conocida como medición del par giratorio) se acopla entre el motor y la carga. A medida que el eje gira, el sensor de torsión mide el par producido por el motor en respuesta a la carga aplicada al eje giratorio. Algunos sensores de torsión están equipados con codificadores incorporados. Estos codificadores miden el ángulo/velocidad producidos durante la prueba. Las mediciones de torsión se pueden supervisar con éxito en una pantalla digital local (también conocida como indicador del sensor de par), como una pantalla montada en panel, un visor portátil conectado a un PLC o transmitido a un PC mediante un instrumento digital USB (es decir, un sensor de par digital).

El transductor de par rotativo también es una parte crucial de los dinamómetros (o «dyno», para abreviar), ya que proporciona la medición del par y la velocidad angular (RPM) para calcular fácilmente la potencia de salida, lo que permite calcular con precisión el rendimiento del motor en KW o CV, así como su eficiencia electromecánica.

Sensores de par de reacción (estáticos)

En algunas aplicaciones, la medición del par tomada con un sensor rotativo en línea puede medirse en el punto en el que el par se transfiere al suelo mediante un transductor de par de reacción (medición del par estático).

Un sensor de torsión de reacción (no los sensores de desplazamiento LVDT) tiene dos bridas de montaje (sensor de brida a brida). Una cara está fijada al suelo o a un miembro estructural rígido y la otra al eje giratorio o al elemento giratorio. La rotación genera fuerzas de cizallamiento entre las bridas, que son captadas por las galgas extensométricas de lámina adheridas a las vigas del sensor y transducidas en corriente eléctrica por el puente de Wheatstone.

¿Cómo medir el par de bloqueo de un motor de CC? Para una aplicación determinada, es decir, la medición del par motor, un sensor de reacción (también conocido como sensor de momento) suele ser menos complejo y, por lo tanto, menos costoso que un sensor giratorio. Los transductores de par de reacción se utilizan frecuentemente como herramienta de calibración de par o herramienta de calibración de llave dinamométrica. Los sensores de par de reacción también pueden utilizarse como destornilladores eléctricos de par en miniatura (también conocidos como mini llave dinamométrica), lo que permite a los ingenieros recopilar información en directo del par y/o estudiar el par aplicado durante el montaje. La industria del automóvil utiliza sensores de par de dirección para la validación y verificación de sistema de dirección electrónica (Steer by Wire) y otras aplicaciones de sensores para automóviles (sensores de automoción). FUTEK también personaliza sensores de par de engranajes armónicos de ondas de deformación de alta precisión, ligeros y de bajo perfil, para la retroalimentación en bucle cerrado con una gran flexibilidad en cuanto a geometría y diseño.

¿Cómo funciona un sensor de par?

¿Cómo se mide el par? En primer lugar, tenemos que entender la física subyacente y la ciencia de los materiales detrás del principio de funcionamiento del sensor de par, que es la galga extensométrica (también conocida como banda extensométrica). La galga extensométrica de lámina metálica es un transductor de fuerza cuya resistencia eléctrica varía con la fuerza aplicada. En otras palabras, convierte la deformación derivada de la fuerza, la presión (también conocida como sensores de presión industriales para medir la presión), la tensión, la compresión, el par, el peso (también conocidos como sensores de peso), etc... en un cambio en la resistencia eléctrica, que puede estandarizarse para medir el par.

Estructuralmente, un sensor de torsión de reacción está formado por un cuerpo metálico (también llamado flexor) al que se adhieren galgas extensométricas de lámina. El cuerpo del sensor suele ser de aluminio o acero inoxidable, lo que confiere al transductor dos características importantes: (1) proporciona la robustez necesaria para soportar pares de torsión elevados; y, (2) tiene la elasticidad necesaria para deformarse mínimamente y volver a su forma original cuando se elimina el par de torsión. Los sensores de torsión se utilizan habitualmente en los comprobadores de torsión.

Cuando se aplica un par de torsión (en sentido horario o antihorario), el cuerpo metálico actúa como un «muelle» y se deforma ligeramente, y a menos que se sobrecargue, vuelve a su forma original. A medida que la flexión se deforma, la banda extensométrica también cambia su forma y, en consecuencia, su resistencia eléctrica, lo que crea una variación de tensión diferencial a través de un circuito de puente de Wheatstone. Así, el cambio de tensión es proporcional al par aplicado al transductor, que puede calcularse a través de la salida de tensión del circuito del sensor de par.

En un sensor de par giratorio, la galga extensométrica está unida al eje giratorio que se deforma ligeramente cuando se aplica el par. La deformación del eje induce una tensión en la galga extensométrica que modifica su resistencia. Una combinación de galgas extensométricas (normalmente 4) se dispone en un circuito eléctrico, el amplificador de puente de Wheatstone, que convierte las variaciones de resistencia en una salida de tensión, que puede calibrarse y medirse.

Los sensores de par rotativos están diseñados para medir el par de un eje giratorio. Por lo tanto, es necesario transferir energía al puente de galgas extensométricas, así como un medio para recibir la señal del torquímetro giratorio o del eje. Para ello se pueden utilizar anillos colectores, telemetría inalámbrica o transformadores rotativos. Opcionalmente, los sensores también pueden incorporar un codificador para medir el ángulo o la velocidad.

Los sensores deben diseñarse cuidadosamente procurando eliminar las cargas fuera del eje (también llamadas cargas laterales o momentos externos), y deben ser sensibles sólo a las cargas de par en sentido antihorario y antihorario. La salida del sensor es una función de la fuerza y la distancia (T=F x d), y suele expresarse en pulgadas-libra (in-lb), pies-libra (ft-lb) o Newton-metros (N.m).

Para más información, vea nuestro Webinar sobre el funcionamiento de los sensores de par.

¿Cómo elegir un sensor de par para su caso de aplicación?

Una pregunta que escuchamos con frecuencia es: «¿Cuál es el sensor adecuado para mi aplicación?». La razón por la que se plantea con tanta frecuencia es que puede resultar complicado orientarse entre las distintas ofertas de sensores del mercado. Así que, ya sea un sensor de par pequeño o uno de alta capacidad (no un potenciómetro de cadena), asegúrese de seguir los pasos que se indican a continuación para dimensionar adecuadamente el sensor de par.

Para ayudarle a seleccionar su sensor de par, FUTEK ha desarrollado una guía de 4 pasos fácil de seguir. Aquí tiene un vistazo para ayudarle a reducir sus opciones. Consulte nuestra guía completa «Cómo elegir un sensor de par» para obtener más información.

• Paso 1: Comprenda su aplicación y lo que desea medir o controlar. En primer lugar, comprenda su aplicación y defina el tipo de par que desea medir: ¿par de reacción, par giratorio o necesita un sensor de par de fuerza dual? Además, ¿cuál es el entorno (temperatura, presión, humedad)? La aplicación puede requerir sensores de par subacuáticos acompañados de un transductor de presión. Los sensores de par se utilizan en gran medida en la industria del automóvil para pruebas y validación de productos (sensor de par para automoción).
• Paso 2: Definir las características de montaje del sensor y su ensamblaje. ¿Cómo va a montar el sensor? (brida con brida, accionamiento cuadrado, eje con eje, accionamiento hexagonal, etc.) ¿Lo utilizará en sentido horario, antihorario o ambos?
• Paso 3: Defina su capacidad mínima y máxima y los requisitos clave. Asegúrese de seleccionar la capacidad por encima del par máximo de funcionamiento y determine todas las cargas externas (cargas laterales o descentradas) y momentos antes de seleccionar la capacidad. Además, ¿cuáles son las RPM máximas requeridas? ¿Necesita medir la velocidad y la posición angular?
• Paso 4: Defina el tipo de salida que requiere su aplicación. Algunos sensores emiten una señal mV/V, que puede emparejarse con un amplificador para obtener hasta ±10VDC, mientras que otros sensores rotacionales sin contacto proporcionarán una salida de ±5VDC. Por lo tanto, si su PLC o DAQ requiere salida analógica, salida digital o comunicación serie, necesitará un amplificador de sensor de par o un acondicionador de señal. Asegúrese de seleccionar el amplificador de bandas extensométricas adecuado, así como de calibrar todo el sistema de medición (sensor + acondicionador de señal). Esta solución llave en mano se traduce en una mayor compatibilidad y precisión de todo el sistema de medición de par.

NOTA: En algunas aplicaciones especiales, la medición del par puede realizarse utilizando una célula de carga.

FUTEK dispone de tipos especiales de módulo acondicionador de señal universal que admiten una amplia gama de entradas de sensor, como entradas de tipo ± 10 VCC, 0-20 mA, ±400 mV/V y pulsos de codificador TTL. El módulo USB acondicionador de señal universal USB520 puede emparejarse con varios tipos de sensores y elimina la necesidad de alimentación externa para el sensor y el equipo de visualización. El módulo se alimenta del PC a través de un cable USB, proporcionando una tensión de excitación de 5-24 VDC al sensor y simultáneamente 5 VDC para los codificadores.

Para más detalles sobre nuestra guía de 4 pasos, visite nuestra guía completa «Cómo elegir un sensor de par».