ES2883120T3 - Dispositivo sensor, disposición de sensores, y método para medir una propiedad de un objeto - Google Patents

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ES2883120T3 ES06791715T ES06791715T ES2883120T3 ES 2883120 T3 ES2883120 T3 ES 2883120T3 ES 06791715 T ES06791715 T ES 06791715T ES 06791715 T ES06791715 T ES 06791715T ES 2883120 T3 ES2883120 T3 ES 2883120T3
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Abstract

Disposición de sensores, que comprende: un objeto (102); y un dispositivo sensor para medir una propiedad del objeto, comprendiendo el dispositivo sensor un generador de campo magnético (103) adaptado para generar un campo magnético en por lo menos una parte del objeto; por lo menos un detector de campo magnético (104) adaptado para detectar por lo menos una señal de detección en respuesta al campo magnético generado en por lo menos una parte del objeto, en el que la por lo menos una señal de detección es indicativa de la propiedad del objeto; en el que una corriente continua o una tensión continua es aplicable al generador de campo magnético para generar temporalmente el campo magnético en por lo menos una parte del objeto; el detector de campo magnético (104) tiene un alojamiento para recibir el objeto (102), en el que el alojamiento es una abertura central dispuesta en el generador de campo magnético, y en el que el objeto (102) es un eje; el objeto es un objeto móvil (102); el objeto está realizado en un material magnético o está realizado en un material magnetizable; la propiedad del objeto (102) es un par aplicado al objeto, una fuerza aplicada al objeto, una fuerza de corte aplicada al objeto; y en el que el por lo menos un detector de campo magnético está dispuesto o integrado en el generador de campo magnético y la disposición de sensores está configurada para medir la propiedad del objeto (102) durante la aplicación de la corriente continua o la tensión continua.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo sensor, disposición de sensores, y método para medir una propiedad de un objeto
Esta solicitud reivindica prioridad de la solicitud de patente europea n° 05018794.7 presentada el 30 de agosto de 2005, y de la solicitud de patente americana provisional n° 60/712.926 presentada el 30 de agosto de 2005.
La invención se refiere a un dispositivo sensor. Además, la invención se refiere a una disposición de sensores. La invención se refiere, además, a un método para medir una propiedad de un objeto.
La tecnología de transductores magnéticos encuentra aplicación en la medición de par y posición. Se ha desarrollado especialmente para la medición sin contacto de par en un eje o cualquier otra pieza sometida a par o movimiento lineal. Un elemento giratorio o con movimiento alternativo puede presentar una región magnetizada, es decir, una región codificada magnéticamente, y cuando el eje gira o se mueve con un movimiento alternativo, dicha región codificada magnéticamente genera una señal característica en un detector de campo magnético (tal como una bobina magnética) que permite determinar el par o la posición del eje. Este tipo de sensores se describe, por ejemplo, en el documento WO 02/063262
El documento WO 05/064301 describe otro sensor de par basado en un principio de sensor magnético y se basa en la aplicación de pulsos de corriente directamente a un eje, estando definidos los pulsos por un borde de elevación pronunciada y un borde de bajada lento.
El documento US 6.810.754 describe un transductor para medir desplazamiento que comprende un conjunto transductor en el que hay una bobina enrollada alrededor de un eje y que puede activarse para generar un campo magnético, y un primer y segundo dispositivo sensor de campo magnético, que están separados axialmente con la bobina dispuesta entre ellos, quedando cada dispositivo cerca de la bobina para responder a un componente de campo magnético generado por la activación de la bobina. Se dispone un elemento ferromagnético para interactuar con el campo generado por la bobina, estando montado el elemento ferromagnético y el conjunto transductor para un desplazamiento relativo en la dirección de dicho eje, de modo que el equilibrio de los respectivos componentes del campo detectados por el primer y el segundo dispositivo sensor es en función de la posición axial del elemento ferromagnético respecto al conjunto transductor.
El documento WO 02/059555 A1 describe una unidad de mano para medir par que tiene una estructura magnética con dos extremos de polo separados. La estructura magnética incorpora una fuente magnética proporcionada por un imán permanente o una bobina funciona con corriente continua o con corriente alterna.
El documento FR 0490710 A1 describe un aparato para detectar un desplazamiento.
El documento CH 340903 A describe un método para medir un par utilizando desfases.
El documento WO 88/02842 A1 describe un método y un sistema de medición para medir los valores de magnitudes relativas a materiales eléctricamente conductores.
Un objetivo de la invención es disponer un sensor eficaz.
Para lograr el objetivo definido anteriormente, se presenta una disposición de sensores para medir la propiedad de un objeto de acuerdo con la reivindicación 1.
Se presenta un dispositivo sensor que incluye un generador de campo magnético y uno o más detectores de campo magnético. El dispositivo sensor puede acoplarse a un objeto estático o móvil bajo examen para obtener una pequeña distancia entre el objeto y el generador de campo magnético para una transferencia eficiente del campo magnético, de modo que puede medirse un parámetro físico (por ejemplo, relacionado con el movimiento) del objeto con gran precisión y eficiencia. Dicho parámetro puede ser, por ejemplo, una posición angular del objeto giratorio, una velocidad angular del objeto giratorio, una aceleración angular del objeto giratorio, una posición de un objeto con un movimiento alternativo, una velocidad de un objeto en movimiento, una aceleración de un objeto en movimiento, un par aplicado a un objeto, una fuerza aplicada a un objeto, una fuerza de corte aplicada al objeto, etc. Es posible medir uno de estos parámetros u otros o una pluralidad de estos u otros parámetros posteriormente o de manera simultánea.
La solución de sensor puede aplicarse a objetos que pueden estar en una posición estática o que pueden estar en un estado dinámico (objetos en movimiento, donde "en movimiento" puede significar: movimiento de rotación, flexión, lineal, etc.). La tecnología de detección puede utilizarse para medir por lo menos una de las siguientes fuerzas mecánicas: par, carga de flexión, de corte, axial, etc.
A diferencia de los enfoques conocidos, las realizaciones de la invención no se basan en aplicación de pulsos de corriente (que se cree que da como resultado un sensor que puede no funcionar correctamente y sin errores), sino en la implementación de la aplicación de una corriente o tensión continua al generador de campo magnético.
La tecnología puede aplicarse a dispositivos estáticos y móviles. La tecnología no requiere necesariamente que el objeto pueda ser magnetizable (es decir, no requiere necesariamente que pueda almacenarse permanentemente un campo magnético en el objeto). Sin embargo, puede resultar ventajoso que el material utilizado para el objeto tenga unas propiedades magnéticas de manera que se adhiera un imán al mismo. Es evidente que los objetos magnetizables funcionarán correctamente.
Además, puede ser ventajoso que el material del objeto sea suficientemente duro o sea endurecido para que la especificación de histéresis de señal sea precisa. Puede aplicarse endurecimiento superficial y cementación, dependiendo del material utilizado.
El dispositivo sensor puede montarse (de manera fija o desmontable) sobre el objeto que se va a investigar. El objeto puede estar realizado en un material que sea magnetizable, es decir, que pueda tener propiedades magnéticas por lo menos en presencia de un campo magnético externo. Dicho material puede ser, por ejemplo, acero industrial, o hierro ferromagnético, o cualquier otro material que tenga propiedades paramagnéticas o ferromagnéticas (por ejemplo, un imán 3d o un imán 4f).
Puede aplicarse una corriente continua o una tensión continua (a diferencia de una corriente alterna o una tensión alterna) al generador de campo magnético que puede ser una bobina generadora de campo magnético (un electroimán o similar). En consecuencia, puede generarse un campo magnético en la superficie y/o en el interior del objeto que puede quedar dispuesto rodeado por los devanados de la bobina generadora de campo magnético. Por lo tanto, la aplicación de dicha corriente continua (CC) o tensión continua puede generar un campo magnético esencialmente homogéneo y orientado longitudinalmente a lo largo de una extensión del objeto que, en consecuencia, puede magnetizarse. Por ejemplo, el objeto puede ser el eje de un motor.
La corriente o tensión que genera el campo magnético puede ser lo suficientemente elevada para generar un campo magnético lo suficientemente intensa dentro del objeto para producir una magnetización medible, pero debe ser lo suficientemente pequeña para que la distribución del campo magnético dentro del eje sea modificable con sensibilidad mediante un movimiento u otra fuerza aplicada al objeto. En otras palabras, cuando se genera un campo magnético de amplitud apropiada en el objeto por medio del generador de campo magnético, un par u otra fuerza que se aplica simultáneamente al objeto móvil puede modificar de manera característica la distribución del campo magnético dentro del objeto móvil. Por lo tanto, una señal magnética (por ejemplo, una tensión de inducción o similar que puede detectarse por medio del detector de campo magnético, que puede realizarse como bobinas) puede ser indicativa del par o la fuerza aplicado. Dicha señal puede tomarse entonces como base para determinar la amplitud y/o la dirección del par o fuerza aplicado cualitativa o cuantitativamente. Se cree que, por medio de la influencia externa ejercida sobre el objeto, se manipula de manera característica la dirección y/o amplitud del vector de magnetización dentro del objeto magnetizable. Este efecto puede servir de base para un principio de detección de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
Después de haber medido una o más señales de detección por medio de uno o más detectores de campo magnético, puede desconectarse la señal eléctrica activa directa (o constante durante un período de tiempo), de modo que puede suceder que esencialmente no quede magnetización en el objeto móvil. En otras palabras, la magnetización del objeto móvil mediante el campo magnético generado por la corriente continua puede ser reversible.
Las señales de detección pueden evaluarse o analizarse en una unidad de determinación (por ejemplo, una instancia informática como una unidad central de procesamiento, un microprocesador o un ordenador) para obtener el resultado deseado, por ejemplo, el valor del par que se aplica actualmente al objeto móvil. Después de dicha medición, el dispositivo sensor puede retirarse del objeto móvil y puede transportarse a otro lugar. De este modo, puede proporcionarse un sistema portátil para medir cualquier tipo de fuerza o par que puede ser fácil de fabricar, flexible, rápido, y económico de utilizar.
Una señal eléctrica constante aplicada a la bobina generadora genera, temporalmente, un campo magnético en el objeto móvil (por ejemplo, un eje) con un valor suficientemente pequeño (por ejemplo, menor o igual a 30 Gauss (3 mili Tesla) en una parte de la superficie del objeto móvil). El campo magnético introducido en el objeto móvil debe estar por debajo de un umbral de magnetización permanente. Además, el campo magnético debe ser lo suficientemente pequeño para asegurar que los vectores del campo magnético "sigan" influencias externas (particularmente inducidas por el movimiento) al eje.
Con una orientación adecuada del (de los) detector(es), se cree que la aplicación del campo magnético constante en sí mismo no genera una señal en las bobinas detectoras en ausencia de una fuerza o par aplicado al objeto móvil.
Dicho efecto "nulo" en ausencia de un campo magnético generado por la bobina generadora y un impacto externo simultáneo sobre el objeto puede lograrse mediante una orientación adecuada de las bobinas detectoras, ya que la orientación del eje de la bobina respecto al vector de magnetización puede tener una gran influencia en la sensibilidad de una bobina de detección para detectar tal magnetización. Por lo tanto, la orientación puede seleccionarse de manera que las bobinas detectoras solamente detecten una señal cuando se produzca una "inclinación" o "torsión" del vector de campo magnético como consecuencia de la fuerza o el par aplicados. Dicho efecto de "inclinación" o "torsión" parece que puede obtenerse aplicando, al generador de campo magnético, una corriente continua o una tensión continua, es decir, una señal eléctrica que no varía en el tiempo.
De acuerdo con una realización de ejemplo de la invención, el propio eje no tiene que estar magnetizado permanentemente.
Por lo tanto, de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención, se suministra una señal de corriente continua para activar el generador de campo magnético. Los valores de corriente apropiados están dentro de un rango y deben ser lo suficientemente pequeños para permitir que los vectores de magnetización se modifiquen por medio de un par o fuerza, y también deben ser lo suficientemente grandes para permitir obtener una señal detectable.
De acuerdo con una realización de ejemplo de la invención, puede disponerse un dispositivo sensor portátil que simplemente puede deslizar o montarse sobre un objeto móvil que será objeto de medición. Las bobinas de detección van montadas directamente o van integradas en una carcasa de la bobina generadora. Por lo tanto, puede obtenerse un ancho de banda de señal completo con una medición de acuerdo con la invención, ya que la señal de detección puede medirse permanentemente durante la aplicación de la señal de corriente continua. Por lo tanto, el método puede ser apropiado para una medición en tiempo real de fuerza o par, en particular, en un escenario en el que la fuerza y/o el par pueden variar en el tiempo. Por ejemplo, es posible medir las modificaciones del par de un eje de un automóvil durante un arranque.
También es posible calibrar el dispositivo sensor, por ejemplo, aplicando un par conocido al dispositivo sensor y midiendo la señal de detección correspondiente. Al tomar tal medida, puede mejorarse la confiabilidad y reproducibilidad de los resultados.
La bobina generadora puede tener un número optimizado de devanados, por ejemplo 300.
Para reducir una posible contribución al desplazamiento de la(s) señal(es) de detección, puede ser posible realizar (o repetir) la medición con dos valores de corriente o tensión diferentes. Por lo tanto, pueden realizarse dos mediciones o partes de medición posteriormente con dos valores de corriente o tensión constante diferentes.
La duración de tales intervalos puede seleccionarse en función del grosor del eje y del valor de la corriente continua. Por ejemplo, para un eje que tenga un diámetro de entre 15 mm y 18 mm, puede aplicarse una corriente eléctrica de 100 mA durante 20 ms. Para un eje de 30 mm de diámetro, la aplicación de 100 mA puede ser apropiada para un intervalo de tiempo de 100 ms.
Al implementar dos o más fases de corriente continua, puede ser posible eliminar una compensación de medición de una manera matemática.
Con referencia a las reivindicaciones dependientes, a continuación, se describirán otras realizaciones de ejemplo de la invención.
A continuación, se describirán unas realizaciones de ejemplo del dispositivo sensor. Sin embargo, estas realizaciones también se aplican a la disposición de sensores y al método de medición de una propiedad de un objeto.
La corriente continua o la tensión continua pueden adaptarse de manera que, después de desconectar la corriente continua o la tensión continua, el objeto quede esencialmente libre de una magnetización restante. Esto puede tener la ventaja de que, una vez finalizada la medición, el objeto fijo o móvil ya no se ve afectado por la medición, es decir, las propiedades físicas del objeto móvil son idénticas después de la medición en comparación con las propiedades físicas del objeto móvil antes de la medición.
La corriente continua o la tensión continua puede ser aplicable al generador de campo magnético para generar el campo magnético en por lo menos una parte del objeto con una fuerza menor o igual a 30 Gauss (3 mili Tesla, medida cerca de la superficie del objeto).
La generación de un campo magnético lo suficientemente pequeño puede garantizar que el sensor magnético siga siendo muy sensible a cualquier movimiento, par o fuerza aplicada al objeto, de modo que incluso un pequeño par o fuerza puede modificar la respuesta del objeto temporalmente magnetizado de una manera característica.
Por ejemplo, la corriente continua aplicable al generador de campo magnético puede tener una intensidad menor o igual a 500 mA, particularmente menor o igual a 300 mA, más particularmente menor o igual a 200 mA.
La corriente continua o la tensión continua pueden tener un valor constante durante por lo menos un intervalo de tiempo. Dicha aplicación independiente del tiempo de una señal eléctrica constante para activar la bobina generadora puede simplificar el circuito eléctrico y puede permitir medir fuerza o par de una manera dependiente del tiempo.
El dispositivo sensor puede comprender, además, una unidad de determinación adaptada para determinar por lo menos un parámetro indicativo de una o más propiedades del objeto (por ejemplo, de una influencia externa ejercida sobre el objeto) en base a la por lo menos una señal de detección. Dicha unidad de determinación puede ser un microprocesador o un ordenador.
El generador de campo magnético puede ser una bobina generadora de campo magnético. Para dicha bobina generadora de campo magnético, el número de devanados y/o la longitud y/o el área de la sección transversal pueden seleccionarse (por ejemplo, optimizarse) de acuerdo con las especificaciones requeridas o predefinidas. El eje de la bobina puede configurarse o diseñarse de manera que el objeto pueda situarse dentro del mismo. En otras palabras, los devanados de la bobina generadora de campo magnético pueden rodear el objeto.
Para este fin, el generador de campo magnético puede tener un alojamiento para recibir el objeto. Esto puede permitir operar el dispositivo sensor como un dispositivo sensor portátil que puede conectarse de manera reversible o separable a un objeto bajo examen.
El alojamiento puede ser una abertura central del generador de campo magnético. En base a esta geometría, puede obtenerse una configuración simétrica con una gran relación señal/ruido.
La corriente continua o la tensión continua (que sirve de señal generadora de campo magnético) puede tener un primer valor aplicado durante un primer intervalo de tiempo y puede tener un segundo valor aplicado durante un segundo intervalo de tiempo. Al dividir la medición en dos intervalos separados, cada uno de los cuales se caracteriza por una señal de corriente constante o de tensión constante, puede ser posible compensar efectos de desviación para reducir así defectos en la medición. Esto puede mejorar la precisión del dispositivo sensor. Las contribuciones de desviación constantes incluidas en las señales de medición, cuyas contribuciones de desviación son independientes de la propiedad a medir (por ejemplo, par), pueden eliminarse de la medición evaluando matemáticamente (por ejemplo, restando) las señales de detección relacionadas con los dos intervalos de medición. Tomando estas medidas, puede suprimirse o eliminarse cualquier contribución "independiente de la propiedad" (por ejemplo, que se origine en el campo magnético terrestre o campos magnéticos parásitos).
El primer valor y el segundo valor pueden tener diferentes amplitudes. Por ejemplo, el primer valor puede ser 20 mA y el segundo valor puede ser 100 mA.
Adicional o alternativamente, el primer valor y el segundo valor pueden tener signos contrarios. Por ejemplo, el primer valor puede ser 100 mA y el segundo valor puede ser -100 mA. O, el primer valor puede ser 50 mA y el segundo valor puede ser -10 mA.
Por lo menos uno del primer intervalo de tiempo y el segundo intervalo de tiempo puede estar en el rango entre 1 ms y 500 ms, particularmente entre 20 ms y 100 ms. Por lo tanto, el dispositivo sensor puede permitir una medición rápida y/o dependiente del tiempo del parámetro a detectar.
El por lo menos un detector de campo magnético puede estar dispuesto (por ejemplo, acoplado a) al generador de campo magnético. Montando el (los) detector(es) de campo magnético en el generador de campo magnético, puede realizarse una unidad de detección portátil compacta y económica. Más allá de esto, particularmente con una orientación correspondiente del eje de la bobina, la posición del generador de campo magnético puede ser ventajosa para los detectores de campo magnético, dado que la señal de detección puede ser relativamente intensa en esta posición.
El por lo menos un detector de campo magnético está integrado en el generador de campo magnético. Tomando esta medida, el tamaño del dispositivo sensor puede mantenerse pequeño. Colocar los detectores cerca del generador puede permitir una medición precisa, ya que la señal de detección puede tener aquí un valor elevado.
El dispositivo sensor puede comprender dos detectores de campo magnético que estén dispuestos simétricamente (respecto a y/o) en el generador de campo magnético. En tal configuración, las señales de los dos detectores de campo magnético pueden analizarse o evaluarse simultáneamente, y los efectos y artefactos perturbadores (como el campo magnético terrestre o campos magnéticos parásitos) pueden eliminarse mediante un análisis matemático (por ejemplo, calculando una señal de diferencia, una señal ponderada o una señal promediada).
El dispositivo sensor puede comprender una pluralidad de detectores de campo magnético. Por ejemplo, es posible utilizar dos, tres, cuatro, cinco, seis o incluso más detectores de campo magnético para mejorar la precisión. Por ejemplo, cada uno la pluralidad de detectores de campo magnético puede detectar una señal para llevar a cabo una medición por lo menos parcialmente redundante.
Cualquiera de los detectores de campo magnético puede comprender una bobina que tenga un eje de bobina orientado esencialmente paralelo a una extensión del objeto. Alternativamente, cualquiera de los detectores de campo magnético puede realizarse como una bobina que tenga un eje de bobina orientado esencialmente perpendicular a una extensión del objeto. También es posible una bobina orientada con cualquier otro ángulo entre el eje de la bobina y la extensión del objeto. Como alternativa a una bobina en la que una región magnetizada en movimiento puede generar una señal de detección eléctrica dependiente del movimiento, puede utilizarse una sonda de efecto Hall como detector de campo magnético utilizando el efecto Hall. Alternativamente, puede utilizarse un sensor de campo magnético de resonancia magnética gigante o un sensor de campo magnético de resonancia magnética como detector de campo magnético. Sin embargo, puede utilizarse cualquier otro detector de campo magnético para detectar (cualitativa o cuantitativamente) la presencia o ausencia y/o la intensidad de un campo magnético dentro del objeto, cuyo campo magnético puede ser modificado por cualquier influencia externa ejercida sobre el objeto en movimiento.
El dispositivo sensor puede ser capaz de medir una posición angular del objeto cuando gira, una posición del objeto cuando realiza un movimiento alternativo, un par aplicado al objeto, una fuerza aplicada al objeto, una fuerza de corte aplicada al objeto, una velocidad del objeto, una aceleración del objeto, y una potencia del objeto. Sin embargo, estos ejemplos no son los únicos parámetros posibles que pueden detectarse de acuerdo con las realizaciones de ejemplo de la invención. Además, es posible medir una pluralidad de los parámetros anteriores u otros simultáneamente o posteriormente. Los parámetros medidos también pueden procesarse, por ejemplo, para derivar otros parámetros. Por ejemplo, el producto de una velocidad estimada y de un par estimado puede ser indicativo de la potencia aplicada a un objeto giratorio.
La propiedad del objeto a medir puede ser una influencia externa ejercida sobre el objeto. Dicha influencia externa puede ser cualquier tipo de fuerza, particularmente una fuerza de rotación y/o una fuerza lineal. Dicha fuerza puede hacer que el objeto se ponga en movimiento, por ejemplo, una aceleración lineal o angular.
Además, el dispositivo sensor puede estar adaptado como dispositivo sensor portátil. Por ejemplo, el dispositivo sensor puede transportarse a un lugar donde se vaya a medir la propiedad de un objeto. El dispositivo sensor puede instalarse en el lugar donde se encuentre situado el objeto, por ejemplo, puede acoplarse o montarse en el objeto bajo examen. Entonces, puede realizarse la medición. Después de ello, el dispositivo sensor puede desmontarse del objeto bajo examen y puede llevarse a otra ubicación para otra medición. Por lo tanto, el objeto puede realizarse como un dispositivo de mano que puede ser transportado por un ingeniero a cualquier ubicación deseada de modo que puede obtenerse una operatividad flexible.
El dispositivo sensor puede comprender una pluralidad de generadores de campo magnético. De este modo, puede refinarse la precisión de la medición. En particular, la pluralidad de generadores de campo magnético puede disponerse a lo largo de una extensión del objeto. Si los generadores de campo magnético se realizan como bobinas generadoras de campo magnético, los ejes de bobina de las múltiples bobinas generadoras de campo magnético pueden quedar orientados paralelos entre sí.
El por lo menos un detector de campo magnético puede disponerse móvil o desplazable a lo largo de una extensión del objeto. Tomando esta medida, es posible muestrear o explorar, con uno o varios detectores de campo magnético, la señal de detección a lo largo de la extensión del objeto y/o el generador de campo magnético para mejorar la medición.
El generador de campo magnético puede adaptarse para generar el campo magnético de manera temporal o permanente en por lo menos una parte del objeto. En otras palabras, después de desconectar la señal de activación para generar un campo magnético en el generador de campo magnético, puede quedar una magnetización en el objeto o no, dependiendo del material del objeto y/o de los parámetros que especifican la señal de activación.
El objeto puede ser un objeto móvil (por ejemplo, para medir par, velocidad, aceleración) o puede ser un objeto estático (por ejemplo, para medir un peso o una fuerza de corte). Un objeto estático puede ser un objeto que no se mueva o que no pueda moverse, es decir, que esté fijo en el espacio.
El objeto puede estar realizado en un material magnético (por ejemplo, un material paramagnético o ferromagnético) o puede estar realizado en un material magnetizable (es decir, un material que tenga una magnetización en presencia de un campo magnético externo).
A continuación, se describirán unas realizaciones de ejemplo de la disposición de sensores. Sin embargo, estas realizaciones también se aplican al dispositivo sensor y al método de medición de una propiedad de un objeto. El objeto puede ser por lo menos uno del grupo que consiste en un eje redondo, un tubo, un disco, un anillo, y un objeto no redondo, por ejemplo, que presente una sección transversal rectangular. Sin embargo, estas configuraciones geométricas son sólo de ejemplo.
El objeto puede ser uno del grupo que consiste en un eje de un motor, un cilindro de trabajo de movimiento alternativo, y una barra de tracción y compresión. En todas estas aplicaciones, la magnetización inducida por campo magnético de dicho sensor de posición, par, fuerza de corte y/o posición angular puede ser ventajosa, ya que puede permitir fabricar un sensor de fuerza, posición, par, fuerza de corte y/o posición angular con bajos costes. Particularmente, pueden proporcionarse equipos de minería y perforación con los sistemas de la invención y pueden utilizarse para controlar el ángulo de perforación, dirección de perforación y/o fuerzas de perforación. Otro ejemplo de aplicación de la invención es el reconocimiento y el análisis de par motor y/o detonación del motor. Además, en una lavadora, puede estimarse una carga de ropa mediante un dispositivo sensor de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
Los aspectos definidos anteriormente y otros aspectos de la invención son evidentes a partir de los ejemplos de realización que se describirán a continuación y se explican con referencia a estos ejemplos de realización.
La invención se describirá con más detalle a continuación con referencia a unos ejemplos de realizaciones.
La figura 1 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 2 ilustra un dispositivo sensor de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
Las figuras 3 a 6 ilustran esquemáticamente el proceso de magnetización y desmagnetización de un objeto móvil en diferentes estados operativos.
La figura 7 y la figura 8 muestran unas gráficas en las que cada una ilustra una secuencia de señales de corriente continua para hacer funcionar un dispositivo sensor de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención. La figura 9 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
Las figuras 10 a 12 ilustran diferentes orientaciones de bobina de un dispositivo sensor de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 13 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 14 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 15 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 16 y la figura 17 ilustran la disposición de sensores de la figura 15 y la dependencia espacial de una señal de medición detectada con esta disposición de sensores.
La figura 18 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 19 ilustra la dependencia espacial de una señal de medición detectada con la disposición de sensores de la figura 18.
La figura 20 detecta una unidad de determinación para evaluar las señales capturadas por la disposición de sensores de la figura 18.
La figura 21 ilustra esquemáticamente una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 22 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 23 y la figura 24 ilustran la disposición de sensores de la figura 22 y la dependencia espacial de una señal de medición detectada con esta disposición de sensores.
La figura 25 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 26 ilustra la dependencia espacial de una señal de medición detectada con la disposición de sensores de la figura 25.
La figura 27 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 28 ilustra la dependencia espacial de una señal de medición detectada con la disposición de sensores de la figura 27.
La figura 29 ilustra la dependencia espacial de una señal de medición detectada con una disposición de sensores similar a la de la figura 27 con una distancia reducida entre las bobinas generadoras de campo magnético.
La figura 30 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 31 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 32 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 33 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 34 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La ilustración del dibujo es esquemática. En diferentes dibujos, elementos similares o idénticos presentan los mismos signos de referencia.
A continuación, se describirá, con referencia a la figura 1, una disposición de sensores de par 100 para medir par ejercido sobre un eje de motor 102 fabricado en un acero industrial (que es magnetizable) de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La disposición de sensores de par 100 comprende un dispositivo sensor de par 101 y el eje de motor 102. El eje de motor 102 está rodeado por una bobina generadora 103 y situado en las proximidades de una primera bobina de detección 104 y una segunda bobina de detección 105 del dispositivo sensor de par 101.
El dispositivo sensor de par 101 está adaptado para medir par aplicado al eje de motor 102 el cual, por lo tanto, gira. El dispositivo sensor de par 101 comprende la bobina generadora 103 que está adaptada para generar un campo magnético en una parte del eje de motor 102 que está rodeado por la bobina generadora 103. Además, las dos bobinas detectoras 104, 105 están adaptadas para detectar dos señales de detección en respuesta a un campo magnético generado en el eje giratorio 102 por la bobina generadora 103. Las señales de detección son indicativas del par que se ejerce actualmente sobre el eje de motor 102. En particular, se aplica una corriente continua (CC) a la bobina generadora 103 para generar el campo magnético en una parte central del eje giratorio 102.
De acuerdo con la realización descrita, se aplica una corriente continua de 100 mA durante un tiempo de 20 ms al eje giratorio 102. Esta fuerza y este tiempo pueden ser apropiados para que una magnetización generada durante el experimento de medición no permanezca de manera permanente en el eje de motor 102 después de haberse desconectado la señal de activación de CC. Así, después del experimento, el eje 102 queda nuevamente libre de magnetización restante, es decir, queda esencialmente desmagnetizado.
La corriente de activación aplicada a la bobina generadora 103 es constante en el tiempo. A diferencia de una medición pulsada, esto puede permitir una detección casi continua del par aplicado al eje de motor 102 y puede simplificar la constitución de una electrónica de control 107 conectada.
La electrónica de control 107 puede ser un circuito integrado (que puede fabricarse con tecnología de silicio, por ejemplo) o puede ser un circuito convencionalmente cableado (por ejemplo, una placa de circuito impreso, PCB). La electrónica de control 107 proporciona a la bobina generadora 103 señales de control y sirve de suministro de energía para generar la señal de corriente continua aplicada a la bobina generadora 103 para magnetizar el eje giratorio 102. Además, la electrónica de control 107 también está conectada a las bobinas detectoras 104, 105 para recibir y evaluar las señales de detección capturadas por las bobinas detectoras 104, 105 para determinar, de este modo, el par aplicado al eje giratorio 102. Este resultado de detección puede visualizarse por medio de la electrónica de control 107 o puede transmitirse a otra entidad, por ejemplo, un ordenador para procesar adicionalmente el resultado y/o para proporcionar una interfaz de usuario (gráfica).
Tal como también puede apreciarse en la figura 1, puede disponerse una articulación de bisagra 106 para instalar de manera desmontable el dispositivo sensor 101 en el objeto móvil 102. En otras palabras, cuando se abre la articulación de bisagra 106, el dispositivo sensor 101 puede abrirse para permitir retirar el eje de motor 102. Esto permite utilizar el dispositivo sensor de par 101 como un dispositivo sensor portátil que puede ser transportado después a otro lugar para medir par allí.
El orificio central de la bobina generadora 103 sirve de alojamiento para el eje de motor 102 y puede rodear el eje del sensor 102. Cuando el eje de motor 102 está rodeado por el dispositivo sensor 101, el eje de motor 102 todavía puede ser capaz de girar libremente quedando el dispositivo sensor 102 en una posición fija no giratoria. Alternativamente, el eje de motor 102 puede acoplarse firmemente mediante el dispositivo sensor 101, de modo que el eje de motor 102 pueda girar con el dispositivo sensor 101 siguiendo la rotación del eje de motor 102.
Tal como puede apreciarse en la figura 1, las dos bobinas detectoras 104, 105 están dispuestas simétricamente en la bobina generadora 103. Por lo tanto, puede obtenerse un sensor compacto y preciso.
A continuación, con referencia a la figura 2, se describirá un dispositivo sensor 200 de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
Tal como puede apreciarse en la figura 2, además de una pluralidad de elementos mostrados en la figura 1, se dispone una tercera bobina de detección 201 que también está conectada a la electrónica de control 107. Además, las bobinas detectoras 104, 105, 201 están integradas dentro de una carcasa de la bobina generadora 103. Esto puede permitir una geometría muy compacta.
A continuación, con referencia de la figura 3 a la figura 6, se describirá de manera esquemática y demostrativa cómo se cree que podría explicarse el principio de detección de acuerdo con una realización de la invención.
La figura 3 muestra el eje 102 en un estado no giratorio y en un estado de funcionamiento en el que no se aplica ningún campo magnético al eje magnetizable 102.
Tal como se muestra en la figura 4, después de haber aplicado un campo magnético al eje magnetizable 102 que todavía se encuentra en un estado no giratorio, se genera una magnetización indicada por un vector de magnetización 400 en el eje 102. Dicha magnetización longitudinal 400 puede obtenerse mediante la configuración de bobina de la figura 1.
Tal como se muestra en la figura 5, cuando se aplica un par al eje 102, este par también influye en las propiedades de magnetización del eje 102. Por lo tanto, se obtiene un vector de magnetización modificado por par 500 que varía, en dirección, respecto al vector de magnetización 400. En otras palabras, el vector de magnetización se inclina bajo la influencia del par ejercido sobre el eje 102. En consecuencia, las bobinas detectoras 104, 105 pueden medir una señal de detección modificada.
Tal como se muestra en la figura 6, después de eliminar el campo magnético aplicado externamente, es decir, al desconectar la corriente continua aplicable a la bobina generadora 103, puede eliminarse de manera reversible la magnetización generada.
A continuación, con referencia a la figura 7, se explicará una secuencia de señales que pueden aplicarse durante los experimentos utilizando una disposición de sensores de par 100.
La figura 7 muestra un diagrama 700 que tiene una abscisa 701, a lo largo del cual se indica un tiempo. A lo largo de una ordenada 702 del diagrama 700, se ilustra un valor de una corriente que puede aplicarse para activar la bobina generadora 103.
Tal como puede apreciarse en una primera señal 703 mostrada en la figura 7, se aplica una primera señal de corriente continua que tiene una amplitud de 100 mA a la bobina generadora 103 durante un tiempo de 20 ms. Posteriormente, puede aplicarse una segunda señal de corriente continua 704 que tiene un valor de corriente de -100 mA a la bobina generadora 103 durante 20 ms más.
Con las dos mediciones diferentes relacionadas con las señales 703, 704, puede eliminarse matemáticamente un desplazamiento de una medición.
De manera similar, la figura 8 muestra un diagrama 800 que tiene una abscisa 801 a lo largo de la cual se indica un tiempo y que tiene una ordenada 802 a lo largo de la cual se indica una corriente. En la figura 8 se indica también una primera señal de corriente continua 803 y una segunda señal de corriente continua 804.
La primera señal de corriente continua 803 corresponde a una corriente de 100 mA aplicada durante 20 ms. La segunda señal de corriente continua 804 corresponde a un valor de corriente de 30 mA aplicado durante 30 ms más.
De nuevo, cuando se analizan o se evalúan de manera combinada las dos mediciones 803, 804 puede eliminarse o reducirse un desplazamiento mediante un algoritmo de cálculo correspondiente.
A continuación, se explicará una disposición de sensores 900 con referencia a la figura 9.
La disposición de sensores 900 puede apreciarse como una vista en sección transversal de la figura 1, en la cual se muestra una magnetización longitudinal 901 del eje 102 generada por un campo magnético de la bobina generadora 103.
A continuación, se muestran algunos esquemas simplificados, con referencia a la figura 10 a la figura 12, para explicar orientaciones relativas de ejemplo del eje 102 respecto a la bobina de detección 104 correspondiente. La disposición mostrada en la figura 10 puede indicarse como una alineación "axial" de la bobina de detección 104 respecto al eje 102. En dicha configuración, puede ser ventajoso disponer la bobina de detección 104 cerca de la posición de la bobina generadora 103 (por ejemplo, para acoplar la bobina de detección 104 a la bobina generadora 103, no mostrada en la figura 10).
En una geometría "tangencial" tal como se muestra en la figura 11 en la que la bobina de detección 104 está orientada perpendicular a la extensión del eje 102, podría ser ventajoso disponer la bobina de detección 104 separada lateralmente respecto a la bobina generadora 103 (no mostrado en la figura 11).
En una geometría "radial" tal como se muestra en la figura 12 en la que la bobina de detección 104 está orientada perpendicular a la extensión del eje 102 y perpendicular a la orientación de la bobina de detección 104 de la figura 11, puede ser posible disponer la bobina de detección 104 cerca de la posición de la bobina generadora 103 (no mostrada en la figura 12) o separada lateralmente respecto a la bobina generadora 103.
A continuación, con referencia a la figura 13, se describirá una disposición de sensores 1300 de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 13 muestra una sección longitudinal a través de un tubo 1301 (que puede estar cerrado en una dirección circunferencial) el cual puede estar realizado o no en acero u otro material magnético permanente o magnetizable (por ejemplo, ferromagnético). El tubo 1301 puede, por ejemplo, alojar un eje de engranaje 102 (no mostrado) que se extienda a lo largo del eje del tubo 1301. Dentro del tubo 1301 va montado un conjunto de transductor magnético 104, 105. Para soportar mecánicamente la disposición 1300, puede disponerse opcionalmente un elemento 1302. La disposición 1300 comprende la bobina generadora 103, tal como una bobina helicoidal, montada en la superficie de la pared interior del tubo 1301 o muy cerca de la misma, estando enrollada la bobina generadora 103 alrededor del eje del tubo 1301. Un dispositivo sensor magnético 104 y 105 respectivo queda montado muy adyacente a cada extremo de la bobina generadora 103. Dispositivos sensores adecuados incluyen los de tipo efecto Hall magnetorresistivo o de núcleo de saturación. Puede utilizarse un circuito de procesamiento y acondicionamiento de señales 107 (por ejemplo, electrónica de control con capacidad para aplicar una corriente continua a la bobina generadora 103).
La disposición de sensores 1300 puede montarse en un objeto móvil, por ejemplo, un eje 102. El eje 102 puede magnetizarse activando la bobina generadora 103. Cuando se hace girar el eje 102, sus propiedades de magnetización pueden modificarse en respuesta a la rotación, de modo que también puede modificarse una señal de detección magnética medible por las bobinas de detección 104, 105. Por lo tanto, por medio de los recursos informáticos 107, el par que se aplica actualmente al eje 102 puede detectarse en base a las señales detectadas por las bobinas de detección 104, 105.
A continuación, con referencia a la figura 14, se describirá una disposición de sensores de par 1400 para medir par aplicado a un eje de motor 102 de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La disposición de sensores de par 1400 también puede indicarse como sensor de fuerza total que funciona con corriente continua.
El principio de detección de fuerza mecánica de la disposición de sensores de par 1400 puede permitir la producción de un módulo de detección completo sin necesidad de ningún procesamiento magnético previo del eje de accionamiento de potencia mecánica 102. Esto presenta ventajas dado que resultará mucho más sencillo producir, calibrar, y transportar el módulo sensor a un usuario. En tecnologías en las que el eje de accionamiento de potencia mecánica 102 tiene que ser previamente procesado magnéticamente, el eje 102 forma parte del envío del sistema sensor, lo cual podría ser más costoso.
La tecnología de detección de fuerza mecánica de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención puede permitir detectar y medir la mayoría de las fuerzas mecánicas que pueden aplicarse a un eje de accionamiento de potencia mecánica 102, incluyendo (pero no exclusivamente) par, flexión, carga axial, carga radial, y fuerza de corte. La presente descripción se centra principalmente en la medición de par para que la descripción sea razonablemente breve.
La tecnología descrita de medición de fuerzas mecánicas puede permitir medir, de manera precisa y confiable, el valor absoluto de campos magnéticos muy pequeños en un amplio rango de temperatura de funcionamiento. Las soluciones tradicionales de detección y medición de cambios de campos magnéticos (tales como sensores de efecto Hall) pueden tener dificultades para medir en el punto "cero" o cerca del mismo (intensidad de campo magnético inferior a /- 0,00001 T = /- 0,01 mT = /-0,1G). En relación con la tecnología de detección de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención, pueden obtenerse buenos resultados cuando se utiliza un sistema de detección de campo magnético operativo en modo diferencial sensible a la polaridad con una resolución de señal mejor que 1 mG (0,0001 mT = 1 * 10-7 T). En muchos casos, para el uso con aceros industriales, la intensidad máxima del campo magnético aplicable para que funcionen las realizaciones de esta tecnología puede ser inferior a /- 30 G (+/- 0,003 T = /- 3 mT).
Tal como puede apreciarse en la figura 14, elementos de las disposiciones de sensores 1400 son el eje sensor 102 (eje de accionamiento de potencia mecánica) tal como un eje de entrada de la caja de engranajes, la bobina de un generador de flujo magnético 103, y el sensor de campo magnético 104.
Un elemento de ventaja de la tecnología de detección descrita es que funciona correctamente cuando la corriente eléctrica continua utilizada en la bobina generadora 103 se encuentra dentro de una "ventana" de valores. Si la corriente continua es demasiado elevada, la señal de detección puede desaparecer. Si la corriente continua es demasiado baja, la señal de detección puede ser muy pequeña y será más difícil separar la señal de detección de la desviación de la señal. La desviación de la señal puede ser causada por el campo magnético de la corriente continua generado por la bobina generadora de flujo magnético 103.
Es posible alternar la corriente continua de la bobina generadora de flujo magnético 103 siempre que los intervalos de tiempo de cada ciclo de medición por corriente continua sean lo suficientemente largos para que el flujo magnético se desarrolle (se asiente) completamente en el eje del detector 102. Para un eje con un diámetro de 20 mm, un ciclo de medición puede ser de 20 ms o más antes de que pueda invertirse la corriente continua en la bobina generadora 103.
Alternar la señal del controlador de corriente continua puede tener la ventaja de eliminar un desplazamiento de señal y/u otros efectos perturbadores, incluyendo la cancelación del campo magnético terrestre. Sin embargo, existen otras soluciones disponibles con las que puede obtenerse el mismo efecto.
A continuación, se resumirán algunos beneficios que pueden obtenerse con el principio de detección (por ejemplo, fuerza mecánica) de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención: con este diseño de sensor puede lograrse un ancho de banda de señal de detección elevado, ya que este sistema puede ser capaz de una medición "continua". No se requiere procesamiento del host del sensor (eje 102). Se cree que no se produce ningún envejecimiento del sensor (reducción o pérdida no deseada de la señal del sensor) ya que el campo magnético necesario para la medición se genera de manera activa. Puede obtenerse un sensor con un diseño muy simplificado, ya que la bobina generadora de campo magnético y el dispositivo sensor de campo magnético los puede montar y enviar el fabricante del sensor como una unidad completa y montarlos alrededor del objeto los propios clientes. Además, los dispositivos sensores de acuerdo con realizaciones de la invención pueden utilizarse junto con aceros industriales que tengan muy poca o ninguna remanencia magnética. Por lo tanto, no es absolutamente necesario que los materiales del objeto puedan magnetizarse (lo que significa que tenga que almacenarse un campo magnético permanentemente en el lado del objeto). Esta característica (que puede prescindirse en realizaciones de la invención) requiere aceros industriales muy específicos, por ejemplo, aquellos con algún contenido de níquel. La tecnología de acuerdo con una realización de la invención no se basa en almacenar un campo magnético permanente en el objeto y, por lo tanto, permite relajar en gran medida la especificación del material del objeto demandado.
A continuación, se describirán otros diseños y funciones de sensores.
La figura 15 muestra una disposición de sensores 1500 que funciona de acuerdo con el principio de una exploración de flujo magnético "axial" (o "en línea").
La disposición de sensores 1500 comprende una bobina de detección móvil 104 que puede desplazarse a lo largo de una dirección de movimiento 1501 de modo que la señal pueda detectarse con una única bobina de detección 104 a lo largo de toda la extensión del eje 102.
La figura 16 y la figura 17 ilustran la disposición de sensores 1500 de la figura 15 y la dependencia espacial de una señal de medición detectada con esta disposición de sensores.
La figura 17 muestra un diagrama 1700 que tiene una abscisa 1701 a lo largo de la cual se indica la posición (de la bobina de detección móvil 104) a lo largo de una extensión del eje 102. A lo largo de una ordenada 1702 del diagrama 1700 se indica la intensidad de una señal detectable por la bobina de detección móvil 104. Una curva de medición 1703 ilustra las características detectables.
La figura 17 ilustra la amplitud de la señal de par cuando se mueve una bobina de detección de campo magnético orientada axialmente 104 a lo largo del lado del eje de detección 102 (utilizando el método de exploración de flujo magnético axial). La señal de par utilizable puede tener la mayor amplitud en el centro de la bobina generadora de campo magnético 103.
A continuación, con referencia a la figura 18, se describirá una disposición de sensores de par 1800 para medir el par aplicado a un eje de motor 102 de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
Tal como puede apreciarse en la figura 18, para eliminar o reducir los efectos de desviación de la señal y/o interferencias no deseadas de campos magnéticos parásitos uniformes, pueden colocarse dos sensores que funcionen con corriente continua uno al lado del otro. En particular, puede disponerse una bobina generadora de campo magnético adicional 1801. Las corrientes de accionamiento eléctrico para cada bobina generadora de campo magnético 103, 1801 (I1 e I2) pueden ser idénticas (suponiendo que la especificación de bobina para la bobina generadora de campo magnético 103 y para la bobina generadora de campo magnético 1801 sea la misma y que el eje sensor 102 sea idéntico en ambas ubicaciones de las bobinas generadoras de campo magnético 103, 1801) y puede ir en dirección contraria. La señal de salida diferencial de las dos bobinas detectoras de campo magnético 104, 104 (estando asignada una de cada una de ellas a una respectiva de las bobinas generadoras de campo magnético 103, 1801) puede cumplir con altas especificaciones de rechazo de modo común.
La figura 19 muestra un diagrama 1900 que tiene una abscisa 1901 a lo largo del cual se indican las posiciones de las bobinas de detección fijas 104, 105 a lo largo de la extensión del eje 102 como puntos oscuros. A lo largo de una ordenada 1902 del diagrama 1900 se indica la intensidad de una señal detectable por las bobinas de detección 104, 105. Una curva de medición 1903 ilustra las características detectables. Con una flecha doble se indica una señal diferencial con alto rechazo de modo común.
Tal como puede deducirse de la figura 20 que ilustra la electrónica de acondicionamiento de señal y procesamiento de señal 2000, pueden lograrse resultados adecuados si la señal de cada bobina de detección 104, 105 se procesa por separado. De esta manera, es posible compensar o suprimir efectos de bobinas que no coincidan. Si las bobinas detectoras 104, 105 no coinciden, la señal de salida de cada electrónica de acondicionamiento de señal y procesamiento de señal puede variar en ganancia y también puede tener una desviación diferente. Esto puede ajustarse y corregirse individualmente en cada uno de los dos módulos electrónicos de acondicionamiento y procesamiento de señal 2001, 2002 antes de construir la salida de señal diferencial (en el módulo electrónico de cálculo de señal 2003).
La figura 21 muestra una electrónica de acondicionamiento de señal y procesamiento de señal 2100 con una señal de salida de modo diferencial con rechazo de modo apropiado 2101.
Si las especificaciones de "coincidencia" de las bobinas detectoras 104, 105 utilizadas son suficientes, entonces su señal puede restarse "directamente" entre sí antes de que el resultado sea procesado adicionalmente en la etapa de electrónica de acondicionamiento de señal y procesamiento de señal 2100. Desde el punto de vista de los costes, se trata de una solución ventajosa.
La figura 22 muestra una disposición de sensores 2200 que funciona de acuerdo con el principio de una exploración de flujo magnético "radial".
La disposición de sensores 2200 comprende una bobina de detección móvil 104 que puede desplazarse a lo largo de una dirección de movimiento 1501 de modo que la señal puede detectarse con una única bobina de detección 104 a lo largo de toda la extensión del eje 102.
La figura 23 y la figura 24 ilustran la disposición de sensores 2200 de la figura 22 y la dependencia espacial de una señal de medición detectada con esta disposición de sensores.
La figura 24 muestra un diagrama 2400 que tiene una abscisa 2401 a lo largo de la cual se indica la posición (de la bobina de detección móvil 104) a lo largo de una extensión del eje 102. A lo largo de una ordenada 2402 del diagrama 2400 se indica la intensidad de una señal detectable por la bobina de detección móvil 104. Una curva de medición 2403 ilustra las características detectables.
Por lo tanto, las figuras 22 a 24 ilustran el principio de una exploración de flujo magnético radial.
La figura 24 ilustra la amplitud de señal de par 2403 cuando se toma una bobina de detección 104 orientada radialmente y se mueve a lo largo del lado del eje de detección 102 (utilizando el método de exploración de flujo magnético radial). La señal de par utilizable puede tener la mayor amplitud en los bordes y ligeramente más alejada de la bobina generadora de campo magnético 103.
A continuación, con referencia a la figura 25, se describirá una disposición de sensores de par 2500 para medir par aplicado a un eje de motor 102 de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
La figura 26 muestra un diagrama 2600 que tiene una abscisa 2601 a lo largo de la cual se indican las posiciones de las bobinas de detección fijas 104, 105 a lo largo de la extensión del eje 102 como puntos oscuros. A lo largo de una ordenada 2602 del diagrama 2600, se indica la intensidad de una señal detectable por las bobinas de detección 104, 105. Una curva de medición 2603 ilustra las características detectables. Con una flecha doble, se indica una señal de sensor funciona con corriente continua total.
Al colocar dos bobinas de detección de orientación radial 104, 105 en la parte superior del eje sensor 102, una bobina de detección 104, 105 en cada extremo de la bobina generadora de campo magnético 103 y luego restar las señales entre sí, la señal de salida resultante cumplirá estándares adecuados de rechazo de modo común. Esto significa que este diseño de sensor que funciona con corriente continua rechazará los efectos no deseados causados por campos magnéticos parásitos uniformes, como el campo magnético terrestre.
A continuación, con referencia a la figura 27, se describirá una disposición de sensores de par 2700 para medir par aplicado a un eje de motor 102 de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
En esta realización, una bobina generadora 2701 se divide en una primera parte 2702 que se extiende a lo largo de una primera longitud L1 del eje 102 y en una segunda parte 2703 que se extiende a lo largo de una segunda longitud L1 (sin embargo, la segunda longitud puede ser distinta de la primera longitud) del eje 102, en el que la primera parte 2702 está separada de la segunda parte 2703 una distancia L2.
Para estirar la sección de uniformidad de señal axial hay que disponer dos bobinas generadoras de campo magnético una al lado de la otra (o, como en la figura 27, una bobina generadora de campo magnético 2701 que tenga dos partes 2702, 2703) con un espacio o separación (L2) entre las mismas. Suponiendo que ambas bobinas generadoras de campo magnético sean idénticas y que la corriente eléctrica I1 sea la misma, entonces la separación requerida L2 es una función de la bobina generadora de campo magnético L1.
Cuanto mayor sea la sección de uniformidad de la señal axial, más puede moverse axialmente la bobina generadora de campo magnético respecto a la bobina de detección del campo magnético sin interferir con la calidad de la señal del sensor. Esto puede simplificar el montaje del sensor ya que el diseño del sensor puede hacer frente a tolerancias mayores.
La figura 28 muestra un diagrama 2800 que tiene una abscisa 2801 a lo largo del cual se indica la posición de la bobina de detección 104 a lo largo de la extensión del eje 102 (posición axial en mm). A lo largo de una ordenada 2802 del diagrama 2800 se indica la intensidad de una señal (salida de sensor) detectable por la bobina de detección 104 del dispositivo 2700. Una curva de medición 2803 ilustra las características detectables.
En la figura 28, la separación L2 entre las partes de la bobina generadora de campo magnético 2702, 2703 es demasiado grande, por lo que la ganancia de señal cae en la sección central (posición axial de la bobina de detección de campo magnético 104: 17 mm a 28 mm).
La figura 29 muestra un diagrama 2900 que tiene una abscisa 2901 a lo largo del cual se indica la posición de la bobina de detección 104 a lo largo de la extensión del eje 102 (posición axial en mm). A lo largo de una ordenada 2902 del diagrama 2900 se indica la intensidad de una señal (salida de sensor) detectable por la bobina de detección 104 del dispositivo 2700 con una distancia L2 modificada. Una curva de medición 2903 ilustra las características detectables.
Tal como puede apreciarse en la figura 29, al reducir la separación L2 entre las dos partes de la bobina generadora de campo magnético 2702, 2703, la sección de uniformidad de señal axial es casi constante en toda la sección (de 10 mm a 32 mm en este ejemplo específico). El ejemplo que se muestra aquí tiene una ondulación de la amplitud de la señal aproximadamente de /- 4%.
A continuación, con referencia a la figura 30, se describirá una disposición de sensores 3000 para medir fuerzas de flexión de un eje 102 en un eje geométrico de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención.
Para poder detectar y medir fuerzas de flexión en un eje (como en el eje X), se implementan por lo menos dos dispositivos de sensor de campo magnético (Magnetic Field Sensor, MFS) 104, 105. Estos dos dispositivos de sensor de campo magnético 104, 105 se colocan uno frente al otro en el plano (eje) donde se van a medir las fuerzas de flexión (en este ejemplo específico: en la posición "0°" y "180°", respecto al objeto 102). La señal de "flexión" es la diferencia entre las señales de medición: (MFS-0° - MFS-180°) * Constante = Fuerzas de flexión, donde un factor de corrección puede ser ventajoso ("constante") para convertir el resultado directamente en fuerza de flexión en Newton.
A continuación, con referencia a la figura 31, se describirá una disposición de sensores 3100 para medir fuerzas de flexión de un eje 102 en dos ejes geométricos X e Y de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención. Aquí, se implementan cuatro dispositivos de sensores de campo magnético (MFS) 104, 105, 3101, 3102.
Para detectar y medir las fuerzas de flexión en el segundo eje, Y, se disponen dos dispositivos MFS 3101, 3102 adicionales que se colocan uno frente al otro en el plano de las fuerzas de flexión en Y: m FS-90° y MFS-270°.
A continuación, con referencia a la figura 32, se describirá una disposición de sensores 3200 para medir fuerzas de flexión de un eje 102 en dos ejes geométricos X e Y de acuerdo con otra realización de ejemplo de la invención. En lugar de utilizar cuatro dispositivos MFS para detectar y medir las fuerzas de flexión en el eje geométrico X e Y, sólo pueden utilizarse tres dispositivos MFS 104, 105, 3101 cuando se colocan en un ángulo de 120° entre ellos: MFS-0°, MFS-120° y MFS-240°.
Tal como se describirá a continuación, la tecnología de acuerdo con un ejemplo de realización de la invención también puede utilizarse para el análisis de materiales (control de calidad).
Al girar el eje (pueden ser ventajosas, en este caso, propiedades ferromagnéticas) dentro de la bobina generadora de campo magnético y controlar la señal de salida de un dispositivo sensor de campo magnético, la señal de salida del proceso del dispositivo sensor de campo magnético variará en amplitud en relación con cambios de la profundidad de endurecimiento del eje. Esta solución puede permitir verificar si la profundidad de endurecimiento de un eje endurecido se encuentra dentro de las dimensiones deseadas.
Tal como se describirá a continuación, la tecnología de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención también puede utilizarse para detectar grietas superficiales en un eje ferromagnético.
Al girar el eje dentro de la bobina generadora de campo magnético activada, la señal de salida de un dispositivo sensor de campo magnético es capaz de detectar grietas en la superficie del eje. La señal de salida procesada variará bruscamente de amplitud cuando una grieta en la superficie del eje se encuentre directamente por debajo de la bobina del sensor de campo magnético. Las dimensiones físicas de las grietas metálicas que pueden detectarse con este método pueden depender de las siguientes especificaciones:
- Dimensión física del dispositivo sensor de campo magnético (cuanto más pequeña es la bobina, más pequeñas son las grietas que pueden detectarse en la superficie del eje)
- Separación entre el dispositivo sensor de campo magnético y el eje (cuanto más pequeño es el espacio de aire, más detallada y precisa es la señal)
Tal como se describirá a continuación, la tecnología de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención también puede utilizarse para rugosidad de superficial o incluso para contar dientes.
La señal de salida de un dispositivo sensor de campo magnético puede mostrar grandes cambios de amplitud cuando varía el diámetro del eje o la estructura de la superficie del eje. Esto permite utilizar esta tecnología para controles de calidad del material (atención: sin más disposiciones de bobina de sensor de campo magnético o cálculo/filtrado de señales, puede ser difícil diferenciar entre cambios de señal causados por modulaciones de profundidad de endurecimiento o cambios en las características de la superficie del eje), y para medir la velocidad de rotación del eje (sensor de velocidad/RPM).
La figura 33 ilustra una disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención, que es esencialmente idéntica a la disposición de sensores de la figura 14. La figura 34 ilustra otra disposición de sensores de acuerdo con una realización de ejemplo de la invención que difiere de la disposición de sensores de la figura 33 respecto a la orientación del eje de la bobina de la bobina de detección 104 respecto al eje de la bobina de excitación 103. En la figura 33, ambos ejes son esencialmente paralelos entre sí. En la figura 34, los dos ejes son esencialmente perpendiculares entre sí. Ambas configuraciones dan lugar a un sensor en funcionamiento.
A continuación, se explicarán algunos aspectos adicionales relacionados con un sistema eléctrico de detección de par motor.
Un módulo de detección de par activo (ATS) de ejemplo se basa en la comprensión recopilada sobre cómo discurren las líneas de flujo magnético a través de un objeto ferromagnético (eje de accionamiento) que se encuentra bajo tensiones mecánicas (como cuando se aplica un par al eje de accionamiento). Una diferencia principal del principio de detección de ATS en relación con tecnologías de detección de par de magnetoestricción anteriores es que ya no es necesario almacenar el campo de la fuente magnética permanentemente en el eje de accionamiento. El campo de la fuente magnética requerido es generado activamente por una fuente electromagnética que se coloca cerca del eje de accionamiento mientras se miden las fuerzas de par aplicadas.
En consecuencia, una serie de prestaciones y características difieren cuando se compara el sensor de par AST con otras tecnologías:
- Los requisitos del material del eje ferromagnético son más relajados, dado que ya no es necesaria una retentividad magnética en el material del eje.
- No hay necesidad de un "procesamiento" magnético del eje de accionamiento.
- No hay necesidad de "hacer coincidir" los ejes de accionamiento codificados magnéticamente con el módulo de detección electrónica (que puede denominarse sensor secundario) en aplicaciones de "alto rendimiento" de sensor.
- La codificación magnética del eje de accionamiento ya no puede destruirse puesto que se trata de una "vida" generada "activamente" durante las mediciones de par reales
- Esta tecnología de detección puede detectar con mayor precisión la presencia de campos magnéticos parásitos interferentes (cuando se opera en el modo de corriente alterna) y, por lo tanto, compensar desviaciones de señales no deseadas.
- Los consumos de corriente eléctrica de todo el sistema de sensores serán más elevados ya que el campo de fuente magnético requerido debe generarse activamente (estimado en la región y por debajo de 100 mA con un suministro de 5 voltios).
- El módulo de sensor de par AST puede fabricarse como un dispositivo sensor independiente (una "única" unidad). Esto simplifica la logística y es más fácil de administrar en situaciones de mantenimiento y reparación de productos (ejemplo: al reemplazar un eje de accionamiento en un automóvil de pasajeros).
A continuación, se presentará el rendimiento del sensor de la tecnología descrita.
Un objetivo principal cuando se trabaja en la tecnología de detección ATS es eliminar la necesidad de procesar magnéticamente el eje de accionamiento (que puede denominarse sensor primario).
Esto puede simplificar enormemente el proceso de fabricación del módulo sensor y también tiene un impacto en el material requerido del eje de accionamiento (sensor primario): reducción de costes. Un módulo de sensor de par ATS de par "completo" puede producirse, probarse, y marcarse por completo y, mucho más tarde, acoplarse al eje de accionamiento (sensor primario) donde debe tener lugar la medición de par real.
En comparación con las tecnologías de detección convencionales, puede lograrse la misma sensibilidad de la señal de par y el mismo ancho de banda de señal elevado. Dado que puede mejorarse la sensibilidad a campos magnéticos parásitos que interfieren (en comparación con la tecnología de detección convencional), el consumo total de corriente del sensor puede ser siempre mayor.
Respecto al diseño del sensor, una cuestión de diseño clave de la tecnología de detección ATS es la intensidad del campo magnético muy específico que debe generarse para un eje de accionamiento específico (sensor primario). El principio de detección de magnetoestricción es muy sensible a la cantidad de flujo magnético que tiene que pasar a través del eje durante la medición.
En la mayoría de las aplicaciones, donde las fuerzas de torsión deben medirse desde un eje de accionamiento giratorio, será más fácil utilizar una bobina generadora de campo magnético eléctrico (campo generador) que se encuentre colocada (enrollada) alrededor de la región de detección objetivo. Es tolerable para este principio de detección que haya un espacio (ejemplo: un espacio de aire) entre la superficie del eje de accionamiento y la bobina generadora de campo magnético.
También es concebible que la bobina generadora de campo magnético no esté completamente enrollada alrededor del eje de accionamiento, sino que quede colocada en uno o más lados cerca de la región de detección. Dicha solución de diseño mecánico potencial tiene ventajas cuando el eje de accionamiento tiene extremos de eje no uniformes o muy grandes (una bobina normal de "forma redonda" no podría empujarse fácilmente sobre los extremos de un diseño de eje de este tipo).
Igualmente importante es la ubicación y la orientación (en relación con el campo del generador) donde pueden detectarse y medirse las señales de detección de par. En la actualidad se supone que el principio de detección de flujo magnético mejorado proporciona la sensibilidad y las características óptimas para detectar los cambios del campo magnético que son causados por las fuerzas de par aplicadas al eje de accionamiento.
Cabe señalar que el término "que comprende" no excluye otros elementos o etapas y "un" o "una" no excluye una pluralidad. También pueden combinarse elementos descritos en asociación con diferentes realizaciones. También debe tenerse en cuenta que los signos de referencia en las reivindicaciones no se interpretarán como una limitación del alcance de las reivindicaciones.
Lista de signos de referencia
100 disposición de sensores de par
101 dispositivo sensor de par
102 eje de motor
103 bobina generadora
104 primera bobina de detección
105 segunda bobina de detección
106 articulación de bisagra
107 electrónica de control
200 dispositivo sensor
201 tercer detector de bobina
400 vector de magnetización
500 vector de magnetización modificada por par
700 diagrama
701 abscisa
702 ordenada
703 primera señal de corriente continua
704 segunda señal de corriente continua
800 diagrama
801 abscisa
802 ordenada
803 primera señal de corriente continua
804 segunda señal de corriente continua
900 disposición de sensores
901 magnetización longitudinal
1300 disposición de sensores
1301 tubo
1302 elemento de soporte
1400 disposición de sensores de par
1500 disposición de sensores
1501 dirección de movimiento
1700 diagrama
1701 abscisa
1702 ordenadas
1703 curva de medición
1800 disposición de sensores
1801 bobina generadora adicional
1900 diagrama
1901 abscisa
1902 ordenada
1903 curva de medición
2000 electrónica de acondicionamiento de sensor y procesamiento de sensor
2001 primer canal de acondicionamiento y procesamiento de sensor
2002 segundo canal de acondicionamiento y procesamiento de sensor
2003 unidad de cálculo de señal
2004 señal de salida de modo diferencial con rechazo de modo común
2100 electrónica acondicionamiento de sensor y procesamiento de sensor 2101 señal de salida de modo diferencial con rechazo de modo común 2200 disposición de sensores
2400 diagrama
2401 abscisa
2402 ordenada
2403 curva de medición
2500 disposición de sensores
2600 diagrama
2601 abscisa
2602 ordenada
2603 curva de medición
2700 disposición de sensores de par
2701 bobina generadora
2702 primera parte
2703 segunda parte
2800 diagrama
2801 abscisa
2802 ordenada
2803 curva de medición
2900 diagrama
2901 abscisa
2902 ordenada
2903 curva de medición
3000 disposición de sensores
3100 disposición de sensores
3101 dispositivo MFS
3102 dispositivo MFS
3200 disposición de sensores

Claims (21)

REIVINDICACIONES
1. Disposición de sensores, que comprende:
un objeto (102); y
un dispositivo sensor para medir una propiedad del objeto, comprendiendo el dispositivo sensor un generador de campo magnético (103) adaptado para generar un campo magnético en por lo menos una parte del objeto; por lo menos un detector de campo magnético (104) adaptado para detectar por lo menos una señal de detección en respuesta al campo magnético generado en por lo menos una parte del objeto, en el que la por lo menos una señal de detección es indicativa de la propiedad del objeto; en el que una corriente continua o una tensión continua es aplicable al generador de campo magnético para generar temporalmente el campo magnético en por lo menos una parte del objeto;
el detector de campo magnético (104) tiene un alojamiento para recibir el objeto (102), en el que el alojamiento es una abertura central dispuesta en el generador de campo magnético, y en el que el objeto (102) es un eje;
el objeto es un objeto móvil (102);
el objeto está realizado en un material magnético o está realizado en un material magnetizable;
la propiedad del objeto (102) es un par aplicado al objeto, una fuerza aplicada al objeto, una fuerza de corte aplicada al objeto; y
en el que el por lo menos un detector de campo magnético está dispuesto o integrado en el generador de campo magnético y la disposición de sensores está configurada para medir la propiedad del objeto (102) durante la aplicación de la corriente continua o la tensión continua.
2. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la corriente continua o la tensión continua está adaptada de manera que, después de desconectar la corriente continua o la tensión continua, el objeto queda esencialmente libre de magnetización restante.
3. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la corriente continua o la tensión continua es aplicable al generador de campo magnético para generar el campo magnético en por lo menos una parte del objeto con una amplitud menor o igual a 30 Gauss.
4. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la corriente continua aplicable al generador de campo magnético tiene una amplitud menor o igual a 500 mA.
5. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la corriente continua o la tensión continua tienen un valor constante durante por lo menos un intervalo de tiempo.
6. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una unidad de determinación adaptada para determinar por lo menos un parámetro indicativo de la propiedad del objeto en base a la por lo menos una señal de detección.
7. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el generador de campo magnético es una bobina generadora de campo magnético.
8. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la corriente continua o la tensión continua tiene un primer valor aplicado al generador de campo magnético durante un primer intervalo de tiempo y tiene un segundo valor aplicado durante un segundo intervalo de tiempo al generador de campo magnético.
9. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 8, en la que el primer valor y el segundo valor tienen diferentes amplitudes.
10. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 8, en la que el primer valor y el segundo valor tienen signos contrarios.
11. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 8, en la que por lo menos uno del primer intervalo de tiempo y el segundo intervalo de tiempo es entre 1 ms y 500 ms.
12. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 8, en la que por lo menos uno del primer intervalo de tiempo y el segundo intervalo de tiempo es entre 20 ms y 100 ms.
13. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende dos detectores de campo magnético dispuestos simétricamente en el generador de campo magnético.
14. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una pluralidad de detectores de campo magnético.
15. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el por lo menos un detector de campo magnético comprende por lo menos uno del grupo que consiste en una bobina que tiene un eje de bobina orientado esencialmente paralelo a una extensión del objeto; una bobina que tiene un eje de bobina orientado esencialmente perpendicular a una extensión del objeto; una sonda de efecto Hall; un sensor de campo magnético de resonancia magnética gigante; y un sensor de campo magnético de resonancia magnética.
16. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la propiedad del objeto es una influencia externa ejercida sobre el objeto.
17. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el dispositivo sensor está adaptado como dispositivo sensor portátil.
18. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una pluralidad de generadores de campo magnético.
19. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 20, en la que la pluralidad de generadores de campo magnético puede disponerse a lo largo de una extensión del objeto.
20. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el por lo menos un detector de campo magnético se dispone móvil a lo largo de una extensión del objeto.
21. Disposición de sensores de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el generador de campo magnético está adaptado para generar el campo magnético temporalmente o permanentemente en por lo menos una parte del objeto.
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