WO2000055571A1 - Dispositivo para la deteccion de la posicion de un piston neumatico - Google Patents

Abstract

En la presente memoria describe una invención para la detección de la posición de un pistón neumático móvil al que se ha adosado un imán permanente en un extremo. El dispositivo es capaz de distinguir sin ambigüedades la presencia del pistón en las posiciones finales de su recorrido. El dispositivo está basado en el uso hilos amorfos ferromagnéticos que varían su impedancia cuando se encuentran bajo la acción de un campo magnético. Dos elementos sensores son colocados en los brazos de un puente de Wheatstone. La posición de pistón neumático se realiza mediante la comparación de la fase relativa entre la señal de alimentación y la señal en el puente.

Description

Título.

Dispositivo para la detección de la posición de un pistón neumático.

Objeto de la invención.

La presente invención tal y como se describe en el presente documento se refiere a un dispositivo, basado en el uso de un hilo amorfo ferromagnético, para la detección de la posición de un pistón neumático. Esta invención se encuadra dentro del campo técnico de la electrónica y el electromagnetismo.

Antecedentes.

La presente invención permite determinar mediante un dispositivo magnético la posición de un pistón neumático móvil.

Existen actualmente dispositivos con esta funcionalidad basados en el uso de transductores o elementos mecánicos deformables (patente número EP 0845654 Al). Estos dispositivo presentan el problema de ser esencialmente de contacto, por lo que son susceptibles a presentar problemas de fatiga debido a la aplicación reiterada de tensiones mecánicas. La presente invención esta basada en un método de detección que no necesita contacto entre el elemento sensor y el objeto del sensado.

El elemento sensor del dispositivo detallado en la presente memoria está basado en el uso de las especiales propiedades magnéticas y de conducción de los hilos amorfos ferromagnéticos, en concreto de la llamada magnetoimpedancia gigante. Una revisión completa de este fenómeno puede encontrarse en: Vázquez et al. Sensors and Actuators A 59 (1997) 20-29. Además, una revisión del uso de este tipo de materiales como elementos sensores puede encontrarse en M .Vázquez & A. Hernando J.Phys. D: Appl. Phys. 29, 939-949 (1996)

Este fenómeno ha sido utilizado anteriormente para la detección de la posición de elementos móviles ( patente ES 2109879). La principal novedad de la presente invención consiste en la configuración de los elementos sensores que hace posible la detección en fase de las posiciones extremas del pistón y que redunda en una gran simplicidad de la electrónica necesaria para su funcionamiento.

Explicación de la invención

Dispositivo para la detección de la posición de un pistón neumático.

El dispositivo objeto de la invención es capaz de detectar sin ambigüedades la posición de un pistón neumático móvil que se mueve en el interior de un cilindro. El sensor es capaz de detectar la posición en los puntos finales de su recorrido, que son los habituales en el funcionamiento del pistón. Además el dispositivo es capaz de detectar la posición del pistón en la zona intermedia entre los puntos finales, lo que indicaría en la mayoría de los casos una avería en el sistema neumático.

Una propiedad que poseen determinados hilos amorfos ferromagnéticos es la denominada magnetoimpedancia gigante, que consiste en el cambio de impedancia eléctrica del hilo cuando se le somete a un campo magnético continuo. Este efecto es consecuencia de la particular estructura de dominios de este tipo de materiales, la cual puede ser optimizada mediante tratamientos térmicos adecuados. La variación de impedancia de estos materiales puede superar valores de mas del 100%. La presente invención está basada en este efecto.

El sistema de detección está basado en la colocación de un pequeño imán permanente adosado a la parte móvil del pistón. De este modo se crea un campo magnético de magnitud considerable y localizado en la zona cercana al extremo del pistón. Los dos elementos sensores se colocan fijados en la parte exterior del cilindro, uno de ellos colocado en una posición cercana al inicio del recorrido del pistón y otro en una posición cercana al final. Así, el campo magnético producido por el sensor afectará a un elemento sensor u otro según en cual de las posiciones extremas se encuentra el pistón. Además si el pistón se encuentra en una posición intermedia ninguno de los elementos se verá sometido a la acción del campo. Los elementos sensores son dos piezas de hilo amorfo ferromagnético que presentan baja magnetostricción. Un esquema del dispositivo se muestra en la figura 1.

El circuito eléctrico de la invención consiste en un puente de Wheatstone inductivo que es alimentado por una corriente alterna de frecuencia y amplitud apropiada para que ios elementos sensores presenten efecto de magnetoimpedancia de valor óptimo. Los hilos amorfos se colocan en dos ramas contiguas del puente inductivo. Las otras dos ramas están formadas por dos resistencias de valor aproximado a la resistencia de los trozos de hilo en ausencia de campo. En la figura 2 se puede observar un esquema del circuito eléctrico de la invención. Cuando el pistón se encuentra en el punto intermedio de su recorrido, los hilos amorfos no se encuentran sometidos a campo magnético alguno, tienen igual impedancia y consecuentemente el puente está compensado. Sin embargo cuando el pistón se encuentra próximo a un extremo el puente se descompensa. Esto produce la aparición de una señal en el puente (6, según figura 2), desfasada con respecto a la señal de alimentación. El signo de este desfase dependerá de cuál de los dos elementos sensores está sometido al campo, es decir de en cual de las posiciones extremas se encuentra el pistón. De este modo la detección se realiza mediante la comparación de la fase de las señales de alimentación y la del puente.

Descripción de las Figuras.

Con el objeto de complementar la descripción y ayudar a una mejor comprensión del invento se incluyen en la presente memoria tres figuras en las que se muestra lo siguiente.

En la figura 1 puede verse un esquema del dispositivo. Esta figura incluye las posiciones de colocación del imán permanente (1), los dos elementos sensores (2) y el pistón móvil (3).

La figura 2 muestra el circuito eléctrico del dispositivo. Consiste en un puente inductivo alimentado con una señal alterna de frecuencia y amplitud adecuada (4). Los elementos sensores (2) se colocan en dos ramas adyacentes del puente, en las otras dos ramas se disponen dos resistencias (5). En la figura se puede observar también el significado del voltaje en el puente (6).

La figura 3 muestra resultados experimentales correspondientes a medidas realizadas con el dispositivo construido tal como se describe más adelante. En ellas se representa la señal de salida recogida en un amplificador lock-in frente a la posición del pistón neumático. La posición x=0 corresponde a I pistón completamente introducido en el cilindro.

Explicación del modo de realización de la invención

Se ha procedido a la realización de un prototipo según la idea descrita en la presente memoria. Se utilizo un pistón neumático de 30 cm de longitud en el que el pistón puede moverse a lo largo de 21 cm. Un imán permanente se adosó al final de pistón. Posteriormente se dispusieron dos trozos de hilo de 1 cm de longitud en el exterior del pistón, en las posiciones aproximadas del principio y final de su recorrido. Se utilizó para la confección del prototipo un hilo amorfo ferromagnético de composición

sometido a tratamientos térmicos adecuados que potencian sus propiedades de magnetoimpedancia.

Posteriormente se procedió a realizar las conexiones eléctricas con las resistencias para formar el circuito de la figura 2. La alimentación se hizo mediante una corriente sinusoidal de 80 kHz de frecuencia y 10 mA de amplitud. La comparación de fase entre el voltaje del puente y la señal de alimentación se llevó a cabo mediante un amplificador lock-in. Los resultados obtenidos se muestran el figura 3. En ella se puede observar como la presencia del pistón en un extremo de su recorrido genera un voltaje positivo, mientras que se genera un voltaje negativo cuando se encuentra en el otro extremo. Además, se puede ver también cómo en el caso de que el pistón se encuentre en un punto intermedio de su recorrido el voltaje generado es nulo.

Claims

Reivindicaciones.

1. Dispositivo para la detección de la posición de un pistón neumático, caracterizado por tener como elemento sensor un hilo amorfo ferromagnético, que alimentado por una corriente alterna de alta frecuencia y sometido a un campo magnético continuo cambia el valor de su impedancia.

2.Dispositivo para la detección de la posición de un pistón neumático según reivindicación anterior, caracterizado por que la variación de la impedancia de dos elementos sensores colocados en los extremos del recorrido del pistón es producida por un imán permanente adosado al pistón.

3. Dispositivo para la detección de la posición de un pistón neumático según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los elementos sensores forman dos ramas de un puente de Wheatstone.

4. Dispositivo para la detección de la posición de un pistón neumático según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la presencia del pistón en uno de los extremos de su recorrido, crea un campo magnético que afecta a uno de los elementos sensores, de manera que descompensa el puente provocando la aparición de una señal en él.

5. Dispositivo para la detección de la posición de un pistón neumático según reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la detección de la posición del pistón se lleva a cabo mediante la comparación de la fase de las señales del puente y de alimentación.