2.2. Sensores inductivos

Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos en un determinado contexto (control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo).

2.2.1. Reluctancia variable

La inductancia de un circuito indica la magnitud del flujo magnético que concatena debido a una corriente eléctrica. Si se trata de una corriente circulando por el propio circuito, se habla de autoinductancia, L. En caso contrario, se habla de inductancia mutua.

La inductancia se puede expresar como

Ec. 2.2.1.1

donde N es el número de vueltas del circuito, y la corriente y el flujo magnético. Este último está relacionado con la fuerza magnetomotriz M y con la reluctancia magnética R, de la forma

ec. 2.2.1.2

Dando que M = Ni, se tiene finalmente
ec.2.2.1.3

Para una bobina de sección A y de longitud l mucho mayor que sus dimensiones transversales, R viene dada por

ec. 2.2.1.4

donde μr es la permeabilidad relativa del núcleo de la bobina, lo el recorrido de las líneas de campo en el aire (fuera de la bobina) y Ao la sección transversal del camino recorrido. La aproximación indicada se basa en que Ao es muy grande.

Si el circuito magnético incluye tramos en el aire y tramos en un material ferromagnético dispuesto en serie, la expresión general es

ec. 2.2.1.5

Figura 2.2.1.1 Sensor de reluctancia variable con tramos en el hierro y tramos en el aire.

En el circuito magnético de la figura 2.2.1.2, por ejemplo, si se desprecian los flujos e dispersión en las armaduras y en los entrehierros, la reluctancia total viene dada por:

ec. 2.2.1.6

Así, cualquier variación en N, μ (permeabilidad del material en el interior y alrededor de la bobina) o la geometría (l o A) puede emplearse, en principio, para la transducción. No obstante, la mayoría de los sensores inductivos son de reluctancia variable y es un desplazamiento el que la modifica, afectando sobre todo a lo y a μ. Los primeros se denominan sensores de entrehierro variable y los segundos sensores de núcleo móvil. R también puede variar por las corrientes de Foucault.

La aplicación de una inductancia variable a la transducción está sujeta también a una serie de limitaciones. En primer lugar, los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que puede ser necesario disponer de un apantallamiento magnético a su alrededor para que los cambios observados sean sólo debidos al fenómeno a detectar.

La relación entre L y R no es constante sino que varía hacia los extremos del dispositivo pues el campo deja de ser uniforme. El flujo magnético disperso es mayor que el flujo eléctrico disperso en los conductores. Esto limita el alcance de medida para una longitud determinada y es una fuente de interferencias para otros dispositivos o circuitos de las proximidades.

Fig. 2.2.1.2 Distintas configuraciones para sensores de reluctancia variable.

Por otra parte, según (2.2.1.3) L y R son inversamente proporcionales. Si el parámetro variable es l, el dispositivo tendrá una impedancia inversamente proporcional a l. Si lo que varía es μ, entonces hay proporcionalidad.
Un factor adicional, frecuente aquí pero común a todos los sensores alimentados en alterna, es que si la salida puede ser bidireccional, es decir, si hay una posición central con salida nula, hace falta un amplificador de portadora para detectar la fase de la tensión de salida fija. No basta con medir su amplitud.

Por último, hay que recordar que todos los dispositivos basados en las propiedades magnéticas de los materiales deben trabajar a una temperatura inferior a la de Curie, y esto limita el margen de temperaturas donde se puede aplicar este tipo de sensores.

Entre las principales ventajas cabe señalar que les afecta poco la humedad ambiente y otros contaminantes, a diferencia de los sensores capacitivos; que imponen poca carga mecánica, aunque superior a la de un condensador variable; y, sobre todo, su alta sensibilidad.

En la figura 2.2.1.3 se representan los esquemas de distintas configuraciones empleadas en la medida. En las figuras 2.2.1.3a, b, c y d, un desplazamiento del cursor cambia el número de espiras de la bobina definida entre un contacto fijo y el cursor deslizante o giratorio. En las figuras 2.2.1.2e, f y g, el cambio se debe al desplazamiento de un núcleo ferromegnético. En la figuras 2.2.1.2h e y, la reluctancia cambia debido a la variación del entrehierro, mientras que en la figura 2.2.1.2j hay un cambio de inductancia mutua entre primario y secundario. Los modelos diferenciales (figuras 2.2.1.2b, d, f, g e y) son menos sensibles a campos magnéticos externos, cambios de temperatura y variaciones de la tensión y frecuencia de alimentación.

En cuanto a los materiales empleados en estos sensores, la consideración principal es el tipo de núcleo empleado. Con un núcleo de aire se puede trabajar hasta frecuencias más altas que con un núcleo de hierro, pero las variaciones de inductancias son pequeñas. Si se emplea núcleo de hierro (u otro material ferromagnético), la frecuencia de trabajo no debe rebasar unos 20khz, de lo contrario habría demasiadas pérdidas en el núcleo. Además, μ varia con la corriente, por lo que hay que limitar se a tensiones inferiores a unos 15V eficaces. Sus ventajas son que el circuito magnético está más definido y, en consecuencia, es más insensible a campos externos, produce menos campos de interferencias y, además, las variaciones de inductancias son mayores que cuando el núcleo es de aire. Las inductancias nominales empleadas son de 1 a 100mHy.

2.2.2. Inductancia mutua (LVDT)

Fundamento LVDT
Transformador con un primario, dos secundarios unidos en oposición serie y un ástago ferromagnético.

Fundamento El vástago, al cambiar su posición hace variar el coeficiente de inductancia mútua entre arrollamientos haciendo aumentar la tensión inducida en uno y disminuyéndola en el otro.

1ª Ley de Kyrchoff y con las condiciones L2+L2’-2 M3 =2 L2 y 2 L2 L1>>(M2-M1)

Rc : resistencia de carga; M1, M2 : coeficientes de inductancia mutua.
L1, L2 : inductancias de primario y secundario; R1, R2 : resistencia de los arrollamientos.
Para la frecuencia f a la que:


· La salida es independiente con la frecuencia y sólo guarda dependencia con la posición del vástago a través de M2-M1.
· La información a sensar (posición del vástago) da lugar a una variación en la amplitud de salida Eo.

No se corresponde a un cambio de impedancia o admitancia como ocurría en los tipos anteriores de sensores.


Limitaciones

-En posición central salida no nula (1% F.E.).
-Presencia de armónicos de la alimentacióna la salida → filtrado adicional.
-Dependencia térmica si se alimenta a tensión AC.

Ventajas

-Alta resolución (0,1% FE).
-Bajo rozamiento entre vástago y núcleo → Poca carga mecánica.
-Vida casi ilimitada (MTBF ~ 228 años).
-Ofrecen aislamiento entre sensor y electrónica → aplicaciones en atmósferas peligrosas.
-Alta repetibilidad.