Tecnología de sensor de posición para retroalimentación de cilindros hidráulicos

Alliance Sensors Group, una división de HG Schaevitz LLC, Moorestown, Nueva Jersey

Los sensores de retroalimentación de posición para cilindros hidráulicos o neumáticos han utilizado una de las tres tecnologías tradicionales: magnetoestrictiva, resistencia variable e inductancia variable. A medida que aumenta la demanda de un mayor control y funcionalidad, los cilindros instrumentados por sensores se están volviendo más importantes en los mundos de la industria pesada, submarinos y equipos móviles. En última instancia, un usuario o un integrador de sistemas debe determinar los requisitos de la aplicación y qué tecnología los satisface mejor en función del costo total instalado versus el rendimiento. Las fortalezas y debilidades de los sensores magnetoestrictivos, de resistencia variable y de inductancia variable se muestran en la figura. Estas tecnologías de detección comunes utilizan una sonda larga que se extiende hacia un orificio ciego profundo y de pequeño diámetro que ha sido perforado con pistola en el extremo interno de la varilla del cilindro.

Los sensores de tipo potenciómetro de resistencia variable, comúnmente llamados potenciómetros, se seleccionan cuando el costo es un factor determinante y la alta precisión no es primordial. Por lo general, se incrusta una olla de resistencia en la placa del extremo trasero del cilindro, a diferencia del montaje del puerto de los sensores magnetoestrictivos. Utiliza un soporte redondo aislado que se conecta al extremo interno de la varilla del cilindro perforada con pistola y sostiene un limpiador conductor de electricidad que entra en contacto con la superficie de una sonda de plástico parcialmente conductora. A medida que el limpiaparabrisas se mueve a lo largo de este elemento de plástico, su resistencia cambia de forma lineal, lo que facilita determinar la posición del portador y, por lo tanto, la posición de la varilla. Los potenciómetros se han considerado una buena solución de medición de posición para su uso en cilindros debido a su robustez, su favorable relación carrera-longitud y su gran salida de voltaje de CC analógica, que es un gran porcentaje del voltaje de entrada. El principal inconveniente de los potenciómetros de resistencia es el desgaste, especialmente si el cilindro se acciona a alta frecuencia o, lo que es más importante, se oscila en un rango corto para mejorar las características dinámicas del sistema. Dado que un recipiente de resistencia está incrustado en el cilindro, el reemplazo de un recipiente desgastado puede llevar mucho tiempo y ser costoso, e incluso podría resultar en la necesidad de un cilindro completamente nuevo.

Los sensores de posición de inductancia variable se han utilizado en la industria de los cilindros, pero no han tenido el reconocimiento generalizado de los sensores magnetoestrictivos o los potenciómetros de resistencia. Esta tecnología sin contacto tiene muchas ventajas significativas sobre los potenciómetros de resistencia con respecto a la vida útil del producto y la confiabilidad a largo plazo y, por lo general, puede competir favorablemente con el rendimiento de los sensores magnetoestrictivos en términos de linealidad, resolución y respuesta de frecuencia, pero a un costo significativamente menor. Igualmente importante es el hecho de que los sensores de inductancia variable pueden soportar impactos y vibraciones mucho mayores, como los que se encuentran comúnmente en aplicaciones de equipos móviles e industriales pesados.

Los sensores de inductancia lineal variable cubren el término medio entre el mayor nivel de rendimiento y la flexibilidad de montaje de puerto externo asociados con un sensor magnetoestrictivo, y la robustez y el precio de un potenciómetro de resistencia integrado. Estos sensores funcionan midiendo la frecuencia de resonancia de un circuito oscilador que utiliza una sonda inductiva cuya inductancia varía según la posición de la varilla perforada con pistola sobre ella. Por lo general, se ofrecen en rangos de escala completa de 4" (100 mm) a 36" (900 mm), están disponibles paquetes integrados y montados en puerto, con terminaciones de cable y conector que coinciden con las que se encuentran en la mayoría de los sensores magnetoestrictivos del catálogo. Estos sensores ofrecen una salida de corriente o voltaje de CC analógica, con una salida digital SSI disponible para aplicaciones OEM. El sensor de inductancia variable presenta una solución sin contacto que no requiere un imán anular. De hecho, si se instalara un sensor de inductancia variable para reemplazar un sensor magnetoestrictivo existente, el imán se puede dejar en el extremo del vástago del cilindro sin interferir con la operación básica del sensor.

En los últimos años, los requisitos de cilindros instrumentados para aplicaciones submarinas han aumentado drásticamente. Los sensores de inductancia variable se pueden ofrecer en una versión sellada a presión que permite al usuario instalar el sensor/cilindro en un entorno submarino a profundidades de 10 000 pies (3000 m) con 3000 psig de presión hidráulica interna.

La calibración de campo remota es una función estándar que se ofrece en muchos sensores de inductancia variable. Esta función permite al usuario escalar la salida del sensor mientras se instala en el cilindro. Con solo presionar un botón para establecer los puntos de salida de escala completa y cero, el sensor brindará la salida de escala completa deseada en su rango recién establecido, por lo que ya no es necesario escalar la unidad en un sistema de control operativo.

En otra aplicación de energía fluida, aunque no se usa comúnmente dentro de cilindros hidráulicos, los LVDT se usan a menudo en aplicaciones de retroalimentación de posición de carrete para válvulas hidráulicas de dos etapas. Un sensor de inductancia variable de corto alcance con su sonda inductiva simple insertada en un orificio en el extremo del carrete principal suele ser una instalación más fácil que un LVDT que requiere un tubo de aislamiento para sellar su núcleo de la presión piloto de la válvula.

Donde hay muchas aplicaciones de energía fluida donde los potenciómetros de resistencia y los sensores magnetoestrictivos son una buena solución, estas aplicaciones tienden a caer a ambos lados de una curva de campana. Los avances electrónicos recientes y la flexibilidad de los diseños de paquetes hacen que los sensores de inductancia variable sean muy rentables para las aplicaciones convencionales en cilindro que tienden a estar cerca del pico de esa curva de campana.

Este trabajo fue realizado por Edward E. Herceg, director de tecnología de Alliance Sensors Group, una división de HG Schaevitz LLC. Para obtener más información, haga clic aquí.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de septiembre de 2015 de la revista NASA Tech Briefs.

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