Sensores de desplazamiento por corrientes de Foucault de alta precisión para aplicaciones industriales

Los sensores de desplazamiento por corrientes de Foucault pertenecen al grupo de sensores de desplazamiento inductivos y están bien adaptados para aplicaciones industriales. A diferencia de los sensores inductivos convencionales, el principio de medición de los sensores de corrientes de Foucault permite mediciones en materiales no ferromagnéticos (p. ej., aluminio) así como ferromagnéticos (p. ej., acero). Están diseñados para mediciones sin contacto y sin desgaste de desplazamiento, distancia, posición, oscilación, vibración y espesor. Por tanto, son ideales para monitorear máquinas y sistemas —pueden medir en entornos industriales hostiles, incluso donde ocurren presión, suciedad o fluctuaciones de temperatura.

Típicamente, los sensores de desplazamiento por corrientes de Foucault se usan donde se requiere alta precisión de medición y otros sensores no pueden hacer frente a las condiciones ambientales prevalecientes. Los sensores ópticos, por ejemplo, se ven influidos por suciedad o polvo en la ranura de medición y por altas temperaturas. Los sensores de desplazamiento inductivos convencionales usan núcleos de ferrita, que tienen un error de linealidad comparativamente alto y una respuesta de frecuencia menor. Además, su precisión de medición disminuye con la temperatura ambiente fluctuante.

Solo objetivos metálicos conductivos, ya sean ferromagnéticos o no ferromagnéticos, pueden medirse usando sensores de desplazamiento por corrientes de Foucault. Los materiales no conductivos son invisibles para el sistema de medición por corrientes de Foucault y, por tanto, no afectan los resultados. Por esta razón, estos sensores pueden medir a través de materiales como plásticos y aceite sobre objetos metálicos. Esto permite aplicaciones como mediciones de holgura de aceite y mediciones de distancia contra rodillos que guían películas plásticas.

Limitaciones de los sensores de desplazamiento inductivos convencionales

El sensor de desplazamiento inductivo clásico usa una bobina enrollada alrededor de un núcleo ferromagnético. Debido a ese núcleo, la salida es no lineal, por lo que debe linearizarse en la electrónica del sensor o el usuario debe tener en cuenta esta no linealidad en su sistema de control de planta.

Además de la no linealidad, otras limitaciones incluyen pérdidas por hierro causadas porque el propio núcleo absorbe el campo magnético. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia, hasta el punto de que un sensor de desplazamiento inductivo alcanza los límites de su rendimiento alrededor de 100 mediciones por segundo.

Otro problema con los sensores de desplazamiento inductivos es su sensibilidad a variaciones extremas de temperatura debido al alto coeficiente de expansión térmica del núcleo de ferrita. Esto hace que la compensación de temperatura sea desafiante, resultando normalmente en alta deriva térmica.

Sensores de corrientes de Foucault vs sensores de desplazamiento capacitivos

Los sensores de corrientes de Foucault y capacitivos detectan la distancia a un objeto de medición eléctricamente conductor basándose en cambios en el campo eléctrico. Los sensores de corrientes de Foucault miden la distancia a través del cambio de impedancia de la bobina del sensor. Con la detección capacitiva, el sensor y el objeto de medición forman las placas de un capacitor.

Ambos tipos pueden medir en el rango submicrométrico. Sin embargo, difieren considerablemente respecto al entorno operativo. Los sensores de corrientes de Foucault son ideales para entornos industriales hostiles que incluyen suciedad, polvo y humedad. Los sensores capacitivos, por otro lado, requieren entornos limpios como los de producción electrónica, laboratorios y salas blancas.

Sensores de desplazamiento por corrientes de Foucault

Aunque los sensores de corrientes de Foucault emplean las mismas leyes de inducción magnética que los sensores de desplazamiento y proximidad inductivos, su construcción de bobina de aire permite mayor precisión, velocidad de medición y estabilidad —la no linealidad y la deriva térmica no son problemas.

Sus ventajas incluyen:

• Mediciones rápidas hasta 100 kHz.

• Alta resolución hasta 0.5 μm o mejor.

• Alta linealidad.

• Alta estabilidad de temperatura en temperaturas ambientales fluctuantes, que incluso puede mejorarse con compensación de temperatura activa integrada.

• Medición usando materiales objetivo ferromagnéticos o no ferromagnéticos.

• No se ven afectados por alta presión, alta temperatura, suciedad, vapor o aceite.

Principio de funcionamiento del sensor de corrientes de Foucault

Una corriente alterna en la bobina de detección produce un campo magnético variable. Este campo induce una corriente en el objetivo —la corriente de Foucault. La corriente de Foucault alterna produce su propio campo magnético, que se opone al campo de la bobina de detección, cambiando así la impedancia de la bobina de detección. La cantidad de cambio de impedancia depende de la distancia entre el objetivo y la bobina de detección en la sonda. El flujo de corriente en la bobina de detección, que depende de la impedancia, se procesa para producir el voltaje de salida, que es una indicación de la posición del objetivo relativo a la sonda.

Compensación de temperatura

Dado que hay varios diseños de sensores de corrientes de Foucault disponibles de Micro-Epsilon, los ingenieros pueden seleccionar el sensor óptimo para su aplicación particular. Por ejemplo, la compensación de temperatura activa es necesaria si se requieren mediciones altamente precisas. Con temperaturas variables hay dos factores que pueden influir en la señal de medición: cambios mecánicos, donde las dimensiones geométricas del sensor y el objetivo cambian en forma de extensión o contracción del sensor y el objetivo. Y los efectos eléctricos tienen un impacto aún mayor que los mecánicos debido a las características electromagnéticas cambiantes.

Por ejemplo, la serie eddyNCDT 3001 está especialmente diseñada para aplicaciones donde los sensores de desplazamiento inductivos convencionales a menudo han alcanzado sus límites de rendimiento. Tienen dimensiones compactas y están disponibles en carcasas M12 y M18, cubriendo rangos de medición de 2mm a 8mm. Están protegidos IP67, por lo que son aplicables en automatización, construcción de máquinas y diseño. Además, están compensados en temperatura hasta 70 °C. Tienen alta precisión y linealidad de medición, así como una tasa de respuesta de frecuencia de 5 kHz y están calibrados de fábrica para objetos ferromagnéticos y no ferromagnéticos como aluminio y acero.

Cojinetes hidrostáticos

Una aplicación para sensores de desplazamiento por corrientes de Foucault es en maquinaria grande como molinos de piedra o instalaciones telescópicas, que a menudo trabajan con cojinetes hidrostáticos. Estos sistemas de cojinetes se suministran continuamente con lubricante líquido a través de un suministro de presión externo. El lubricante se presiona entre las superficies del cojinete, que por tanto están continuamente separadas entre sí por una fina película de lubricante. Las superficies del cojinete no están expuestas a fricción y, por tanto, operan sin desgaste. Esto permite control de posición sub-micrométrico. Cualquier perturbación en la hidráulica, o caídas de presión, sin embargo, pueden tener consecuencias desastrosas. Esto podría resultar en daño a los cojinetes y, en última instancia, fallo del sistema, causando altos costos de mantenimiento y reparación. La holgura de aceite en cojinetes hidrostáticos, por tanto, requiere inspección continua y fiable. Para esta aplicación, el sensor se monta horizontalmente al zapato del cojinete, por lo que no está expuesto directamente a la presión del aceite. Mide a través de la película de aceite sobre la superficie opuesta del cojinete.

Motores de combustión

La posición exacta del pistón, los segmentos del pistón y las condiciones de presión existentes son información esencial para fabricantes de motores de combustión. Usando herramientas de simulación, estos datos se usan principalmente para hacer predicciones fiables sobre desgaste, fricción y consumo de aceite. El sensor de corrientes de Foucault mide el segmento del pistón y los llamados movimientos secundarios del pistón, con altas precisiones. Aquí son evidentes las ventajas de los sensores de corrientes de Foucault —resistencia a las altas temperaturas en motores de combustión (hasta 180°C e incluso más por cortos períodos). La vibración prevaleciente, presión, aceite, combustible, gas de combustión y movimiento mecánico continuo no influyen en la precisión de los resultados. Además, los sensores eddyNCDT ofrecen velocidades de medición rápidas con rangos de medición pequeños (0–0.5 mm) y resolución extremadamente alta (menos de 1 μm).

Miniaturización

Micro-Epsilon ha desarrollado un sensor que usa tecnología de bobina embebida (ECT) para miniaturización. Esta técnica de producción permite un alcance casi ilimitado en términos de diseño externo y forma geométrica de los sensores, mientras permite integrar la electrónica de evaluación en el sensor. Se construye embebiendo una bobina de corrientes de Foucault bidimensional en un material inorgánico, lo que mejora la estabilidad, robustez y resistencia térmica de los sensores. Estos sensores son adecuados para aplicaciones extremadamente hostiles como ultra-alto vacío en producción de semiconductores.

Sensores de desplazamiento por corrientes de Foucault —Pequeños pero poderosos trabajadores industriales

Estos pequeños sensores son ideales para entornos industriales, donde los entornos son más hostiles y desafiantes, pero exigen mediciones extremadamente precisas. Pueden usarse en todo, desde medir holguras en cojinetes hidrostáticos en máquinas grandes, el clearance entre pistón y cilindro, hasta mediciones de distancia contra rodillos que guían películas plásticas.

Este artículo fue escrito por Martin Dumberger, Director Gerente, Micro-Epsilon USA, (Raleigh, NC). Para más información, contacte al Sr. Dumberger en Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verla. o visite aquí .