Instrumentación industrial: medición de posición y movimiento
Definiciones básicas de posición
Muchos procesos industriales requieren mediciones de posición y movimiento tanto lineales como angulares. Son necesarias en robótica,
trenes de laminación, operaciones de mecanizado, aplicaciones de control numérico y transportadores. En algunas aplicaciones también es
necesario medir velocidad, aceleración y vibración. Además, algunos transductores usan dispositivos de detección de posición para convertir
temperatura y/o presión en unidades eléctricas, y los controladores pueden monitorear la posición de una válvula ajustable para control por
realimentación.
Posición absoluta: distancia medida respecto de un punto de referencia fijo; puede medirse siempre que se aplique energía.
Posición incremental: cambio de posición no referenciado a un punto fijo; si se interrumpe la alimentación, se pierde el conteo. Suele complementarse con una referencia (fin de carrera).
Movimiento rectilíneo: distancia recorrida en un tiempo dado; se expresa como velocidad (constante) o aceleración (cuando cambia la velocidad).
Posición angular: cambio de posición alrededor de un eje fijo, medido en grados o radianes (360° o 2π por vuelta).
Minuto de arco: desplazamiento angular de 1/60 de grado.
Movimiento angular: velocidad de rotación (constante) o aceleración angular (si cambia la velocidad de rotación).
Velocidad: tasa de cambio de posición (lineal o angular), por ejemplo m/s, rad/s o rpm.
Aceleración: tasa de cambio de la velocidad (lineal: m/s2; angular: rad/s2).
Vibración: movimiento periódico respecto de un punto de referencia; puede causar daños en equipos rotativos si es excesiva.
Dispositivos de medición de posición y movimiento
Los potenciómetros son un método conveniente para convertir el desplazamiento de un sensor en una variable eléctrica. En desplazamiento lineal,
el cursor se acopla mecánicamente al elemento móvil; en rotación se emplean potenciómetros de una o varias vueltas (hasta 10).
Para mayor estabilidad se prefieren los de alambre bobinado, aunque su vida útil puede limitarse por suciedad, contaminación y desgaste.
Los transformadores diferenciales de variación lineal (LVDT) se usan para medir pequeñas distancias y son una alternativa al potenciómetro.
Consta de una bobina primaria y dos secundarios (uno a cada lado). Con el núcleo centrado, los secundarios entregan tensiones iguales que,
cableadas en oposición, dan salida cero. Al desplazarse el núcleo, aparece una tensión proporcional al desplazamiento. Tienen ventaja de
no contacto, buena precisión, aislamiento eléctrico y mayor vida útil.
Fig. 1: (a) LVDT con núcleo móvil y tres devanados; (b) voltaje secundario vs. desplazamiento para la conexión indicada.
Los láseres de interferometría permiten mediciones incrementales muy precisas: un haz monocromático se refleja en un espejo unido al objeto,
generando franjas de interferencia que se cuentan para inferir el desplazamiento. Con longitudes de onda del orden de 5 × 10−7 m,
se logran resoluciones muy altas en recorridos típicos.
Para medición de distancia también se emplean sistemas ultrasónicos, infrarrojos, láser y microondas,
midiendo el tiempo de vuelo del pulso (ida y vuelta). Si el objeto está en movimiento, el efecto Doppler permite estimar su velocidad a partir
del corrimiento de frecuencia entre la señal transmitida y la reflejada.
Fig. 2: (a) Dispositivo de efecto Hall; (b) aplicación para medir velocidad y posición en una rueda dentada.
Los sensores de efecto Hall detectan cambios en la intensidad del campo magnético y se usan como detectores de proximidad y para medir posición o
velocidad. Sin campo magnético, el voltaje Hall es aproximadamente cero; bajo campo magnético, la trayectoria de corriente se curva y aparece un voltaje transversal.
En una rueda dentada, el paso de los dientes modifica el flujo y genera pulsos medibles.
El elemento magnetorresistivo (MRE) es una alternativa al Hall: su resistencia varía con la intensidad del campo magnético.
Los codificadores rotatorios digitalizan el movimiento angular y suelen reemplazar potenciómetros e interruptores giratorios. Permiten derivar
dirección de giro, posición y velocidad a partir de salidas digitales.
Los codificadores ópticos usan un disco con segmentos translúcidos/opacos (o reflectivos) y un conjunto LED + fotodiodos.
El giro produce pulsos. Un codificador incremental genera típicamente señales en cuadratura (A y B) con 90° de desfase, y puede incluir un pulso
índice (una vez por revolución). Un codificador absoluto entrega un código único por posición (frecuentemente código Gray).
Fig. 3: (a) Disco óptico incremental; (b) disco óptico de posición absoluta; (c) acelerómetro piezoeléctrico.Fig. 3a: Ejemplos de discos codificadores ópticos.
Hay dos tipos principales de codificadores: incrementales (miden cambios) y absolutos (miden el ángulo absoluto). Se implementan
con tecnologías ópticas, mecánicas o magnéticas.
Fig. 4: Ejemplos de discos incrementales y absolutos. El incremental puede generar dos señales en cuadratura; el absoluto entrega datos codificados.
La salida incremental en cuadratura consta de dos ondas cuadradas con 90° de desfase (A y B). La relación de fase permite determinar la
dirección de giro. Un pulso índice por revolución aporta una referencia física para calcular orientación absoluta combinándolo con A/B.
Fig. 5: La relación de fase entre señales de cuadratura determina la dirección de desplazamiento.
Los codificadores mecánicos emplean anillos conductores/aislantes y contactos deslizantes. Son económicos, pero pueden presentar
rebote (ruido) que se mitiga con filtrado pasa-bajos o software (debounce).
Los codificadores magnéticos usan un imán multipolar; los polos alternos se detectan mediante Hall o magnetorresistivos, produciendo señales
en cuadratura. Son de no contacto y suelen tolerar mejor el entorno que los ópticos.
Los acelerómetros detectan cambios de velocidad midiendo la fuerza sobre una masa sísmica. Pueden ser extensiométricos,
capacitivos o piezoeléctricos. Existen acelerómetros micromecanizados (MEMS) muy pequeños, usados en industria, automoción (airbags) y
registradores de impacto en transporte de equipos frágiles.
Conceptos destacados :
absolute position
(posición absoluta). Distancia medida respecto de un punto de referencia fijo; puede medirse mientras exista alimentación/energía en el sistema.
incremental position
(posición incremental). Medida del cambio de posición sin referencia a un punto fijo; si se interrumpe la alimentación se pierde el conteo y suele requerir una referencia (fin de carrera).
linear motion
(movimiento rectilíneo). Movimiento en línea recta, descrito por distancia recorrida, velocidad lineal y aceleración lineal según varíe con el tiempo.
angular position
(posición angular). Cambio de posición alrededor de un eje fijo, medido en grados o radianes; una vuelta completa equivale a 360° o 2π rad.
arc minute
(minuto de arco). Unidad de desplazamiento angular equivalente a 1/60 de grado, usada para pequeñas variaciones angulares.
angular velocity
(velocidad angular). Tasa de cambio de la posición angular; se expresa típicamente en rad/s, °/s o rpm.
linear velocity
(velocidad lineal). Tasa de cambio de la posición en movimiento rectilíneo; se expresa en m/s, ft/s u otras unidades equivalentes.
acceleration
(aceleración). Tasa de cambio de la velocidad; puede ser lineal (m/s2) o angular (rad/s2), según el tipo de movimiento.
vibration
(vibración). Movimiento periódico respecto de un punto de referencia; se usa para diagnóstico de rodamientos y equipos rotativos, donde niveles excesivos indican falla o desbalance.
potentiometer
(potenciómetro). Sensor resistivo que convierte desplazamiento lineal o angular en una variable eléctrica; su vida útil puede verse limitada por desgaste, suciedad o contaminación.
LVDT (linear variable differential transformer)
(transformador diferencial de variación lineal). Transductor sin contacto para medir pequeñas distancias mediante un primario y dos secundarios en oposición; entrega una salida proporcional al desplazamiento del núcleo.
non-contact measurement
(medición sin contacto). Medición donde no existe rozamiento mecánico entre partes móviles y el sensor; mejora la duración y reduce el desgaste (ej.: LVDT, codificadores ópticos, sensores Hall).
laser interferometry
(interferometría láser). Técnica de alta precisión para medir desplazamientos incrementales contando franjas de interferencia generadas por la reflexión del haz en un espejo unido al objeto.
time-of-flight distance measurement
(medición de distancia por tiempo de vuelo). Cálculo de distancia midiendo el tiempo que tarda un pulso (ultrasónico, IR, láser o microondas) en viajar al objeto y regresar reflejado.
Doppler effect
(efecto Doppler). Cambio de frecuencia entre una señal transmitida y su reflejo debido al movimiento del objeto; permite estimar la velocidad a partir del corrimiento de frecuencia.
Hall effect sensor
(sensor de efecto Hall). Dispositivo semiconductor que genera un voltaje transversal cuando circula corriente bajo un campo magnético; se usa para proximidad, posición y velocidad (por ejemplo en ruedas dentadas).
magnetoresistive element (MRE)
(elemento magnetorresistivo). Sensor cuya resistencia eléctrica varía con la intensidad del campo magnético; alternativa común al sensor Hall.
rotary encoder
(codificador rotatorio). Sensor que digitaliza el giro de un eje y permite obtener dirección, posición angular y velocidad; reemplaza potenciómetros e interruptores en sistemas modernos.
quadrature output
(salida en cuadratura). Dos señales digitales (A y B) desfasadas 90°; la relación de fase permite detectar dirección de giro y contar incrementos de posición.
index pulse
(pulso índice). Pulso único por revolución en codificadores incrementales, usado como referencia física conocida para establecer o recalibrar una posición de referencia.
