ES2823450T3 - Sensor inductivo de posición angular - Google Patents
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Abstract
Sensor inductivo de posición angular, que comprende: - un disco (3) parcialmente metalizado móvil en rotación alrededor de su eje de revolución (A); - un estátor que comprende una bobina primaria (6), de eje sustancialmente confundido con dicho eje de revolución (A), y varias bobinas secundarias (7, 8, 9, 10) idénticas y dispuestas para permitir un acoplamiento inductivo entre dicha bobina primaria y dichas bobinas secundarias, y - un medio de alimentación (11) que alimenta la bobina primaria (6), siendo el eje de cada bobina secundaria sustancialmente paralelo a dicho eje de revolución (A), caracterizado por que las bobinas secundarias (7, 8, 9, 10) forman uno o varios pares de bobinas secundarias, y estando dichas bobinas secundarias del o cada par unidas, por un lado, entre sí, en serie y en oposición de fase la una con respecto a la otra y, por otro lado, a los bornes de un medio de medición (12, 13) apto para generar una señal de salida que depende de la tensión a los bornes de dicho par, estando las dos bobinas secundarias del o cada par (7, 9; 8, 10) dispuestas sustancialmente de manera simétrica con respecto a dicho eje de revolución (A), por que dicha bobina primaria (6) y dichas bobinas secundarias (7, 8, 9, 10) se realizan en un circuito impreso (5) y por que dicho medio de alimentación (11) es un generador de impulsos.
Description
DESCRIPCIÓN
Sensor inductivo de posición angular
La presente invención tiene por objeto un sensor inductivo de posición angular.
Es habitual utilizar una pieza mecánica que gira en función del flujo de un fluido a fin de medir un caudal. Generalmente, un sensor de posición angular detecta la velocidad de rotación de la pieza que gira a fin de permitir un tratamiento electrónico de la información. La presente invención está particularmente adaptada a esta aplicación, aunque no está limitada a ella.
Se conocen varias soluciones para detectar una posición angular.
Una primera solución utiliza unos sensores magnéticos. La pieza giratoria está entonces equipada de un pequeño imán permanente cuyo campo magnético acciona el contacto eléctrico de una ampolla Reed colocada cerca. Las conmutaciones de este contacto eléctrico son, por lo tanto, representativas del flujo del fluido. Algunos sensores utilizan varias ampollas a fin de permitir, por ejemplo, detectar el sentido de rotación de la pieza giratoria, por lo tanto el sentido de flujo del fluido. Estos sensores de posición angular presentan el inconveniente de ser frágiles, ya que la ampolla Reed es de vidrio. Además, son sensibles a los fraudes ya que un campo magnético exterior suficientemente potente permite modificar el comportamiento de las ampollas Reed.
Una segunda solución utiliza unos sensores capacitivos. La pieza giratoria está entonces equipada de un disco parcialmente metalizado. Cerca y paralelamente a este disco se encuentra una disposición particular de zonas metalizadas cuyos diferentes acoplamientos capacitivos varían en función de la posición del disco. La observación de estos acoplamientos capacitivos permite detectar la rotación de la pieza giratoria, por tanto el flujo del fluido. Según la disposición de estas zonas metalizadas es también posible detectar el sentido de rotación de la pieza giratoria, por tanto el sentido de flujo del fluido. Los sensores capacitivos presentan el inconveniente de tener que estar muy próximos del disco giratorio. Además, son fácilmente perturbados por cualquier cambio geométrico o cualquier variación de lo que se encuentra entre el disco giratorio y el sensor.
Una tercera solución utiliza unos sensores inductivos. La pieza giratoria está equipada de un disco parcialmente metalizado. Cerca de este disco se encuentra un circuito oscilante del tipo LC (condensador de bobina) cuya amortización depende de la distancia entre la bobina L y la zona metalizada recorrida por las corrientes de Foucault generadas durante la oscilación. La observación de esta amortización permite detectar la rotación de la pieza giratoria, por tanto el flujo del fluido. El empleo de varias bobinas puede permitir, por ejemplo, detectar también el sentido de rotación de la pieza giratoria, por tanto el sentido de flujo del fluido. Los sensores inductivos presentan los inconvenientes de tener un precio y un consumo eléctrico relativamente elevados.
Por el documento DE-A-4335701, se conoce un sensor inductivo de posición angular según el preámbulo de la reivindicación 1, a saber un sensor inductivo de posición angular, que comprende:
- un disco parcialmente metalizado móvil en rotación alrededor de su eje de revolución;
- un estátor que comprende una bobina primaria, de eje sustancialmente confundido con dicho eje de revolución, y varias bobinas secundarias idénticas y dispuestas para permitir un acoplamiento inductivo entre dicha bobina primaria y dichas bobinas secundarias, y
- un medio de alimentación que alimenta la bobina primaria,
siendo el eje de cada bobina secundaria sustancialmente paralelo a dicho eje de revolución, formando las bobinas secundarias uno o varios pares de bobinas secundarias, y estando unidas dichas bobinas secundarias del o cada par, por un lado, entre sí, en serie y en oposición de fase la una con respecto a la otra y, por otro lado, a los bornes de un medio de medición apto para generar una señal de salida que depende de la tensión a los bornes de dicho par.
Esta construcción de sensor conocida presenta una estructura compleja voluminosa y costosa de realizar, montándose las dos bobinas secundarias sobre un soporte específico, distinto del de la bobina primaria, y que se extiende cada uno sobre todo el perímetro de dicho soporte específico.
Además, la bobina primaria se alimenta permanentemente por una tensión alterna, lo que hace a dicho sensor poco económico de usar, más susceptible a las circunstancias de instalación y vulnerable a intentos de fraudes.
Por el documento EP-A-1 122520, se conoce, por otro lado, un sensor de posición que comprende una bobina primaria y dos bobinas secundarias.
La bobina primaria se alimenta, en este segundo sensor conocido, por una fuente de corriente alterna, las dos bobinas secundarias no presentan una construcción simétrica y están conectadas a un medio de medición de manera separada.
Tal construcción es sensible a las condiciones de instalación, así como a los campos magnéticos perturbadores y a los intentos de fraude. Además, con el uso, tal construcción de sensor alimentado permanentemente es poco económico.
La presente invención tiene como objetivo proponer un sensor inductivo de posición angular que evite al menos algunos de los inconvenientes antes citados, que sea poco sensible a las condiciones de instalación, que resista a los intentos de fraude, y económico durante su construcción y durante el uso.
Este objetivo se alcanza, para un sensor según el preámbulo de la reivindicación 1, gracias a las características de la parte caracterizante de dicha reivindicación 1.
Preferentemente, el sensor comprende dos pares de bobinas secundarias, repartiéndose dichas bobinas secundarias uniformemente alrededor de dicho eje de revolución.
Según una característica de la invención, dicho medio de alimentación es un generador de impulsos.
Según un modo de realización de la invención, dicho medio de medición comprende un comparador asociado a cada par.
Según otro modo de realización de la invención, dicho medio de medición comprende un medio de medición cuantitativo asociado a cada par, estando dicho medio de medición cuantitativo combinado con un medio de tratamiento.
Según un modo de realización de la invención, dicha bobina primaria rodea dichas bobinas secundarias.
Preferentemente, dicho disco parcialmente metalizado está metalizado sobre una superficie que corresponde a un semidisco.
Según una característica de la invención, dicha bobina primaria y dichas bobinas secundarias se realizan sobre un circuito impreso.
La invención se entenderá mejor, y otros objetivos, detalles, características y ventajas de esta aparecerán más claramente durante la descripción explicativa detallada siguiente, de un modo de realización de la invención dado a título de ejemplo puramente ilustrativo y no limitativo, en referencia a los dibujos esquemáticos anexos.
En estos dibujos:
- la figura 1 es una vista esquemática en perspectiva que muestra un sensor inductivo de posición angular según un modo de realización de la invención;
- la figura 2 es una vista esquemática del circuito impreso del sensor de la figura 1;
- la figura 3 es un esquema eléctrico del circuito impreso de la figura 2; y
- la figura 4 es una vista esquemática en perspectiva del sensor de la figura 1 que muestra el disco giratorio, la bobina primaria y las bobinas secundarias.
Refiriéndose a la figura 1, se ve un móvil giratorio 2 que se arrastra en rotación según su eje de revolución A, por ejemplo por el flujo de un fluido (no representado). Un sensor inductivo de posición angular 1 comprende un estátor 20 y un rotor 21. El estátor 20 y el rotor 21 son desplazables angularmente el uno con respecto al otro según el eje A. Cabe señalar que la utilización del térmico estátor no implica que el estátor 20 tenga una orientación fija.
El rotor 21 comprende un disco giratorio 3. El disco giratorio 3 está dispuesto sobre el móvil giratorio 2, de manera que el disco giratorio 3 sea solidario en rotación según el eje A del móvil giratorio 2. La superficie plana 4 del disco 3 opuesta al móvil giratorio 2 está parcialmente metalizada. Por ejemplo un semidisco 4a está metalizado.
El estátor 20 comprende un circuito impreso 5 (figura 2). El circuito impreso 5 está dispuesto a la derecha y cerca del disco 3, de manera sustancialmente paralela a la superficie 4.
Refiriéndose a las figuras 2 y 3, se describirá ahora el circuito impreso 5. El circuito impreso 5 está dispuesto en la cara 20a del estátor 20 haciendo frente a la superficie 4. El circuito impreso 5 comprende una bobina primaria 6. Por ejemplo, la bobina primaria comprende cinco espiras. Cuatro bobinas secundarias 7, 8, 9 y 10 están dispuestas en el
interior de la bobina primara 6. Las bobinas secundarias 7, 8, 9 y 10 son idénticas y comprenden, por ejemplo, cuatro espiras cada una. En una variante representada en la figura 4, la bobina primaria 6 comprende tres espiras y cada bobina secundaria comprende dos espiras. El circuito impreso 5 está dispuesto con respecto al disco 3 de manera que el eje de la bobina principal 6 se confunda con el eje A, estando el eje de cada bobina secundaria 7, 8, 9 y 10 en este momento sustancialmente paralelo al eje A. Las bobinas secundarias 7, 8, 9 y 10 están uniformemente repartidas alrededor del eje A.
La bobina primaria 6 se alimenta por un generador de impulsos 11. La información útil en la salida de las cuatro bobinas 7, 8, 9 y 10 está inmediatamente presente, tal como se describirá en detalle más adelante, por lo tanto la duración de cada impulso puede ser relativamente corta. Por ejemplo, la duración de un impulso es del orden de algunos nanosegundos, lo que permite especialmente minimizar el consumo de corriente en la bobina primaria 6. Cabe señalar que tal sensor 1 es particularmente resistente a los intentos de fraudes, ya que la medición tarda sólo algunos nanosegundos.
Las bobinas secundarias 7, 8, 9 y 10 están acopladas por pares 7 y 9 (respectivamente 8 y 10), estando las bobinas de cada par montadas en serie y en oposición de fase. El extremo 7a de la bobina 7 que no está unida a la bobina 9 está unida a una entrada positiva 12a de un comparador 12. El extremo 9a de la bobina 9 que no está unido a la bobina 7 está unido a una entrada negativa 12b del comparador 12. El extremo 8a de la bobina 8 que no está unido a la bobina 10 está unido a una entrada positiva 13a de un comparador 13. El extremo 10a de la bobina 10 que no está unido a la bobina 8 está unido a una entrada negativa 13b del comparador 13. Los comparadores 12 y 13 son unos comparadores de tensión. El valor de la salida 12c (respectivamente 13c) del comparador 12 (respectivamente 13) depende de la tensión V12 (respectivamente V13) entre sus entradas 12a y 12b (respectivamente 13a y 13b). Cabe señalar que el hecho de conectar las bobinas secundarias 7, 8, 9 y 10 en modo diferencial garantiza un excelente rechazo de los campos magnéticos perturbadores exteriores que pueden existir, lo que contribuye a reducir el riesgo de fraude.
Se describirá ahora el funcionamiento del sensor 1.
Cuando se aplica un impulso a la bobina primaria 6, ésta crea un campo magnético de excitación que atraviesa las cuatro bobinas 7, 8, 9 y 10. Cabe señalar que al estar dispuestas las bobinas 7, 8, 9 y 10 de manera similar con respecto a la bobina 6, la amplitud del campo magnético de excitación que atraviesa cada bobina 7, 8, 9 y 10 es idéntica. El campo magnético de excitación alcanza también el semidisco metalizado 4a. Esto tiene por efecto generar unas corrientes de Foucault sobre el semidisco 4a. Estas corrientes de Foucault generan un campo magnético opuesto que se opone al campo magnético de excitación.
Se considera en un primer momento que, cuando se genera el impulso, el semidisco metalizado 4a se encuentra justo debajo de la bobina 7 (figura 4). En este momento, cada bobina 7, 8, 9 y 10 es atravesada por un campo magnético que resulta de la suma del campo magnético de excitación y del campo magnético opuesto que la atraviesa. Al estar la bobina 7 a la derecha del semidisco 4a, el campo magnético opuesto que la atraviesa tiene una amplitud débil pero no despreciable. El campo magnético resultante que atraviesa la bobina 7 es, por lo tanto, ligeramente inferior al campo magnético de excitación. Al ser la bobina 9 la bobina secundaria más alejada del semidisco 4a, la amplitud del campo magnético opuesto que la atraviesa es mucho más débil, por ejemplo sustancialmente igual a cero, que la amplitud del campo magnético de excitación que atraviesa la bobina 9. El campo magnético resultante que atraviesa la bobina 9 es, por lo tanto, sustancialmente igual al campo magnético de excitación. Al estar dispuestas las bobinas 8 y 10 de manera simétrica con respecto al semidisco 4a, son atravesadas por un campo magnético resultante de misma amplitud. Los campos magnéticos resultantes que atraviesan las bobinas 7, 8, 9 y 10 generan unas tensiones inducidas en las bobinas 7, 8, 9 y 10, dependiendo cada tensión inducida del campo magnético resultante asociado. Las tensiones inducidas en las bobinas 7 y 9 (respectivamente 8 y 10) determinan la amplitud y la señal de las tensiones V12 y V13. Las salidas 12c y 13c pueden tomar varios valores en función de la amplitud y de la señal de las tensiones V12 y V13.
Al ser iguales las tensiones inducidas en las bobinas 8 y 10 y estando montadas las bobinas 8 y 10 en oposición de fase, la tensión V13 es sustancialmente nula. Al ser la tensión inducida en la bobina 7 inferior a la tensión inducida en la bobina 9, la tensión V12 es negativa. La salida 13c es por lo tanto nula y la salida 12c es negativa. Cabe señalar que se trata de un ejemplo de montaje y que el sensor 1 funcionaría de manera similar con bobinas 7, 8, 9 y 10 invertidas.
Cuando el semidisco 4a gira un octavo de vuelta, de manera que se encuentra debajo de las bobinas 7 y 10 cuando se genera un impulso, el campo magnético opuesto generado por el semidisco 4a en respuesta a un impulso de la bobina 6 atraviesa de manera idéntica las bobinas 7 y 10. Cabe señalar que, tal como se ha descrito anteriormente, el campo magnético de excitación atraviesa de manera idéntica las cuatro bobinas 7, 8, 9 y 10. Los campos magnéticos resultantes que atraviesan las bobinas 7 y 10 son, por lo tanto, idénticos. De la misma manera, los campos magnéticos resultantes que atraviesan las bobinas 8 y 9 son idénticos. Las tensiones inducidas tienen, por lo tanto, el mismo valor en las bobinas 7 y 10 por un lado y en las bobinas 8 y 9 por otro lado. Las tensiones V12 y V13 tienen por lo tanto la misma amplitud. En el ejemplo de montaje de la figura 3, las tensiones V12 y V13 son de señal inversa, siendo V12 negativa y V13 positiva debido al efecto diferencial.
Cuando el semidisco 4a gira también un octavo de vuelta, se encuentra justo debajo de la bobina 10. En este momento, se obtiene, de manera similar al caso en el que el semidisco 4a se encuentra debajo de la bobina 7, una tensión V12 sustancialmente nula y una tensión V13 positiva. La salida 12c es por lo tanto nula y la salida 13c positiva.
Cuando el semidisco 4a gira también un octavo de vuelta, de manera que se encuentra debajo de las bobinas 10 y 9, la tensión V12 y la tensión V13 tienen la misma amplitud y la misma señal. En cada impulso, el sensor 1 mide de la misma manera las tensiones V12 y V13.
Cuando el disco 3 gira, la frecuencia de las señales de las salidas 12c y 13c permite determinar la velocidad de rotación del disco 3, por lo tanto el flujo del fluido. Además, las curvas de la salida 13c en función del tiempo y de la salida 12c en función del tiempo están en cuadratura. Esto permite determinar el sentido de la rotación del móvil 2, determinando qué curva está adelantada sobre la otra, es decir comparando la amplitud y la señal de las salidas 12c y 13c. En el ejemplo de la figura 3, cuando el móvil 2 gira en el sentido horario, representado por la flecha 15, la curva de salida 13c está adelantada sobre la curva de salida 12c, y cuando el móvil 2 gira en el sentido trigonométrico representado por la flecha 16, la curva de salida 12c está adelantada sobre la curva de salida 13c.
Son posibles otras variantes. Por ejemplo, el número de espiras de las bobinas puede ser cualquiera.
Puede preverse un solo par de bobinas secundarias, en este caso, el sensor no permite detectar el sentido de rotación del móvil.
El generador que alimenta la bobina primaria puede generar una señal de cualquier forma, por ejemplo una señal alternativa.
Cabe señalar que el posicionamiento relativo de los diferentes elementos del sensor, los unos con respecto a los otros, no es esencial, provocando cualquier diferencia de posicionamiento un offset constante en la señal detectada, siendo tal offset muy fácil de corregir.
Los comparadores comprenden generalmente un offset del orden de la decena de milivoltios. Cuando la señal es débil, por ejemplo del orden de 2-3 mV, lo que puede ser una consecuencia del alejamiento del disco con respecto a las bobinas, se utiliza un medio de medición de la tensión en los bornes de los pares de bobinas en lugar del comparador, a fin de obtener un valor cuantitativo de la tensión, siendo este valor después tratado por un medio de tratamiento, por ejemplo programa informático o electrónico, a fin de disociar la señal del offset.
Aunque la invención se haya descrito en relación con varios modos de realizaciones particulares, es evidente que no está de ninguna manera limitada a ello y que comprende todos los equivalentes técnicos de los medios descritos, así como sus combinaciones, si éstas entran en el ámbito de la invención.
Claims (6)
1. Sensor inductivo de posición angular, que comprende:
- un disco (3) parcialmente metalizado móvil en rotación alrededor de su eje de revolución (A);
- un estátor que comprende una bobina primaria (6), de eje sustancialmente confundido con dicho eje de revolución (A), y varias bobinas secundarias (7, 8, 9, 10) idénticas y dispuestas para permitir un acoplamiento inductivo entre dicha bobina primaria y dichas bobinas secundarias, y
- un medio de alimentación (11) que alimenta la bobina primaria (6),
siendo el eje de cada bobina secundaria sustancialmente paralelo a dicho eje de revolución (A),
caracterizado por que las bobinas secundarias (7, 8, 9, 10) forman uno o varios pares de bobinas secundarias, y estando dichas bobinas secundarias del o cada par unidas, por un lado, entre sí, en serie y en oposición de fase la una con respecto a la otra y, por otro lado, a los bornes de un medio de medición (12, 13) apto para generar una señal de salida que depende de la tensión a los bornes de dicho par,
estando las dos bobinas secundarias del o cada par (7, 9; 8, 10) dispuestas sustancialmente de manera simétrica con respecto a dicho eje de revolución (A), por que dicha bobina primaria (6) y dichas bobinas secundarias (7, 8, 9, 10) se realizan en un circuito impreso (5) y por que dicho medio de alimentación (11) es un generador de impulsos.
2. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende dos pares de bobinas secundarias (7, 8, 9, 10), estando dichas bobinas secundarias repartidas uniformemente alrededor de dicho eje de revolución (A).
3. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho medio de medición comprende un comparador (12, 13) asociado a cada par.
4. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho medio de medición comprende un medio de medición cuantitativo asociado a cada par, estando dicho medio de medición cuantitativo combinado con un medio de tratamiento.
5. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado por que dicha bobina primaria rodea dichas bobinas secundarias.
6. Sensor según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho disco parcialmente metalizado está metalizado sobre una superficie que corresponde a un semidisco (4a).
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