Testeo de Transductor Magnetostrictivo en Cilindro Hidráulico

El presente post desarrolla un ejemplo práctico de testeo en un cilindro hidráulico equipado con un transductor de posición con tecnología magnetostrictiva.

Tras instalar el transductor lineal en el cilindro, se procede a chequearlo mediante un comprobador capaz de detectar tanto los fallos de conexión de cableado del transductor, como los fallos de instalación mecánica de los imanes albergados en el cilindro.

Para chequear el correcto ensamblaje y conexión del transductor, se utiliza un dispositivo electrónico fabricado en Bi-Yak; éste incluye un led de «error» que se ilumina en caso de anomalía, permitiendo una lectura instantánea de la señal 4-20mA generada por el convertidor electrónico del transductor lineal.

Comprobador para
transductor magnetostrictivo

De toda la variedad existente en el mercado, en este caso se ha escogido un transductor magnestroctictivo de 4 hilos (3 hilos + pantalla de cable), que permite la conexión a un convertidor electrónico de 4-20mA mediante un conector industrial (en este caso M12 4P), o bien cablearlo directamente (a través de las bornas de conexión eléctrica al efecto) al equipo electrónico de comprobación.

El principio de funcionamiento de un transductor de tecnología magnetostrictiva puede consultarse en detalle mediante un post anterior del presente blog técnico: «Lectura de la Posición de un Cilindro Hidráulico mediante Tecnología Magnetostrictiva»

Comprobación de un transductor lineal magnetostrictivo

Los diferentes elementos que intervienen en el test del transductor lineal son los siguientes:

1. Cilindro hidráulico

Bi-Yak es fabricante de cilindros.





Cilindro + transductor
(obsérvese que el transductor
está sin atornillar al cilindro)



2. Transductor magnetostrictivo

Bi-Yak suministra transductores lineales con tecnología magnetrostrictiva de diferentes marcas comerciales. El transductor utilizado en este caso tiene una zona muerta mucho menor que los sensores convencionales, aunque también es más caro.





Detalle de transductor
magnetostrictivo






Transductor magnetostrictivo
con Conector M12 4P
(en este caso incluye funda protectora para alta temperatura)



3. Convertidor electrónico de 4-20mA

En este caso, se trata de un convertidor 4-20mA ubicado en el interior del comprobador de funcionamiento del transductor.





Convertidor 4-20mA






Conector M12 4P



4. Comprobador de funcionamiento del transductor

El comprobador de funcionamiento del transductor ha sido fabricado en Bi-Yak. Incluye led de señalización de error y permite la lectura instantánea de la señal de 4-20mA para su comprobación antes de entregar al cliente.

Testeo de errores y
lectura analógica 4-20mA

Lectura de la Posición de un Cilindro Hidráulico mediante Tecnología Magnetostrictiva

Bi-Yak es fabricante de sistemas para la lectura de posición en cilindros hidráulicos, con la capacidad para suministrar el sistema completo.

En el presente post se desarrollarán los siguientes puntos:

1. Principio de detección magnetrostrictiva
2. Ventajas de la tecnología magnetostrictiva
3. Características principales
4. Precauciones a tener en cuenta

Principio de detección magnetostrictivo

Básicamente, el sistema propuesto consiste en instalar mecánicamente una sonda metálica alargada junto con un pequeño anillo imantado, en el interior del vástago mecanizado de un cilindro hidráulico. Mediante dicho sistema, es posible leer la posición actual de un cilindro hidráulico (plc, visualizador digital, etc.).

En este caso, el principio magnetostrictivo se utiliza para la lectura del posicionamiento de un cilindro hidráulico. Se trata de un sistema muy preciso, en el que no existe contacto entre las partes móviles, lo cual le otorga la mayor vida útil posible.

A continuación puede verse un croquis con los diferentes elementos que componen un sistema de lectura de posición con tecnología magnetostrictiva , así como algunas de sus características principales:

Componentes y características de un sistema de lectura
de posicionamiento con tecnología magnetostrictiva

El sistema completo necesario para la lectura de la posición del cilindro incluye un cabezal de lectura con electrónica integrada, una sonda metálica y un imán (en otros casos, la electrónica puede encontrarse en un módulo de convertidor analógico aparte, con señal 4-20mA, 0-10v, etc.).

El funcionamiento es el siguiente: la electrónica envía un pulso eléctrico que genera un campo magnético a lo largo del sensor (guía ondas); en nuestro caso, el sensor es una sonda protegida mediante un tubo de acero inoxidable. A lo largo del guía ondas puede moverse un imán, que está unido con el componente de la instalación cuya posición se desea determinar. El pulso generado se mueve a lo largo del guía ondas, hasta que golpea el campo magnético del imán que rodea la sonda. Una onda mecánica elástica se propaga por reflexión hasta el cabezal de lectura, integrado en el sensor. Esto permite determinar la posición del campo magnético externo en función del tiempo de respuesta de la onda mecánica elástica. El pulso vuelve a la electrónica con la velocidad del sonido, y se calcula la posición actual del cilindro.

Principio de funcionamiento
magnetostrictivo

Ventajas de la tecnología magnetostrictiva

Las ventajas principales de utilización de la tecnología magnetostrictiva para la determinación del posicionamiento de un cilindro hidráulico, son las siguientes:

• Medición absoluta, lo cual elimina búsquedas de origen, etc.
• Gran precisión.
• Muy preciso con longitudes largas.
• Robustez.
• Sin desgaste ni mantenimiento, las partes del sistema trabajan sin contacto físico.





Instalación para lectura de posición con tecnología magnetostrictiva
en cilindro hidráulico






Instalación para lectura de posición con tecnolgía magnetostrictiva
en cilindro hidráulico



• Inmune frente a choques, vibraciones y suciedad.
• Carcasa herméticamente estanca.
• Aplicaciones de regulación altamente dinámicas.
• Larga vida útil.
• Gran flexibilidad de instalación y uso.

Características Principales

Las características principales de la tecnología magnetostrictiva, son las siguientes:

• Sin contacto físico entre el elemento posicionador y elemento de medición, por lo que no hay desgaste, lo cual se traduce en una elevada vida útil que minimiza los tiempos de parada.
• Salida analógica industrial convencional: 4-20mA, 0-10Vcc.
• Alta resolución de hasta 1 µm.
• Longitudes de medición largas, de hasta 7.620 mm.
• Señales de salida con rango de medición configurable. Es posible acotar el rango de la salida analógica, de acuerdo al recorrido del cilindro.
• Montaje flexible, mediante diferentes tipos de rosca.

Valores señal analógica
Transductor magnetostrictivo

Ejemplo de conexión eléctrica
conector SM32

Precauciones a tener en cuenta

Las precauciones a tener en cuenta para la utilización de tecnología magnetostrictiva, son las siguientes:

• El sistema debe encontrarse alejado de campos magnéticos intensos, alta tensión, etc.
• Mecánicamente, la sonda precisa de una zona final adicional que, aunque no sirve para nada, es necesaria para el funcionamiento de la tecnología magnetostrictiva (en el siguiente gráfico, ver el detalle de la zona de amortiguación, o damping).

Detalle de la zona de amortiguación
o damping

Transductor de Posición Externo en Cilindro

A continuación se detalla un ejemplo de instalación de un transductor de posición externo con tecnología magnetostrictiva, acoplado a un cilindro.

Al tratarse de un transductor externo acoplado al cilindro, el transductor precisa de una pieza magnética denominada «sensor de desplazamiento», que debe acoplarse mecánicamente al vástago del cilindro.

El sensor de desplazamiento puede ser libre, o guiado; es decir, puede estar en contacto físico con el transductor, o moverse a cierta distancia del mismo, normalmente por encima de éste.

El transductor incluye una marca «cero» de inicio de posición o referencia.

Bi-Yak es asimismo fabricante de cilindros y dispone de la capacidad para fabricar el conjunto completo: ensamblado, conectado eléctricamente y listo para su uso.

El siguiente vídeo muestra información relativa a un transductor de posición externo, instalado en un cilindro hidráulico:

El transductor de posición externo dispone de 2 salidas analógicas (4-20mA ó 0-10v) integradas, parametrizables en toda la carrera útil del transductor.

La particularización de la recta de escalado o parametrización de las salidas analógicas, se lleva a cabo mediante un adaptador USB y un software de libre descarga.

Transductor de Posición Externo
(ejemplo: 250mm de carrera)

El sensor de desplazamiento puede ser guiado (acoplado al transductor de posición mediante una cola de milano), o libre (como en el ejemplo propuesto).

Ejemplo de Sensor de Desplazamiento Libre

La principal ventaja de un transductor de posición externo es su implementación en aplicaciones que ya están funcionando, de tal modo que el cilindro puede continuar trabajando con normalidad, interviniendo lo menos posible durante la instalación mecánica.

Tan sólo es necesario instalar el transductor, alineándolo con el cilindro, y acoplar el sensor de posición al vástago del cilindro, de modo que pueda desplazarse a lo largo de toda la carrera del cilindro.

Bi-Yak tiene capacidad para fabricar el cilindro y entregar el conjunto completo, ensamblado y listo para su uso.

Cilindro Hidráulico

El transductor de posición externo se instala en disposición paralela al vástago del cilindro:

Conjunto Transductor + Cilindro

El transductor incluye una marca de «cero» para facilitar el ajuste mecánico.

Marca Cero en Transductor de Posición

Las salidas analógicas del transdutor son fácilmente parametrizables mediante un adaptador con conexión USB y software de descarga gratuita.

Adaptador Conexión USB para Software gratuito

Es posible visualizar el desplazamiento del cilindro a través de un visualizador analógico.

Visualizador Analógico

Elementos que Intervienen

En la fabricación del conjunto propuesto, intervienen los siguientes elementos:

1. Transductor de posición. En este caso con 250mm de carrera (como el cilindro en el que va instalado), con tecnología magnetostrictiva (capacidad de medir posición y velocidad, con y sin signo). Dos salidas analógicas (4-20mA, 0-10V, escalables en la carrera del transductor).
2. Sensor de posición. En este caso se trata de un sensor de posición libre, sobre el transductor de posición.
3. Cilindro. En este caso se trata de un cilindro hidráulico de 250mm de carrera.
4. Manguera de conexión al transductor de posición y cuadro eléctrico con protección y alimentación. Fabricado en Bi-Yak.
5. Visualizador analógico. En este caso es un modelo con visualización de 2 entradas analógicas.
6. Módulo Electrónico de comunicaciones USB. Permite conectarse al transductor y realizar un «teaching» de dos puntos.

Bi-Yak es fabricante de cilindros neumáticos e hidráulicos con capacidad para suministrar el bloque completo de cilindro y sensores, chequeado y listo para funcionar.

Detalles Técnicos

A continuación se muestran algunos detalles técnicos a título de ejemplo, tanto del transductor como del sensor de posición:

El sensor de posición también puede ser guiado, instalado sobre el transductor de posición, que es arrastrado por el vástago del cilindro.

Ejemplo de Transductor de Posición con
Sensor de Posición Guiado

También puede ser libre, instalado a una distancia como la que se indica en la tabla (diferentes modelo).

Ejemplo de Transductor
con Sensor de Posición Libre

Distancias al Transductor de posición en Sensores Libres (función del modelo)

El transductor admite conectores estándar S32 o S115, de 8 pines.

Conector Estándar S32

Ocupación Pines Conector S32

La tecnología magnetostrictiva precisa de una cierta longitud adicional a la carrera, a ambos lados del transductor de posición. Dicho espacio es inservible aunque necesario.

Ejemplo de Cotas y Distancias para Transductor Externo

Fabricación de Conectores Estándar Para Detección en Cilindros

A continuación se detalla un ejemplo de fabricación de un sistema de conexión estándar para dos detectores inductivos instalados en un cilindro neumático o hidráulico (presión). Las principales ventajas del sistema planteado son la estandarización y la flexibilidad para adaptarse a las necesidades del cliente.

Conjunto Cilindro con Detectores y Latiguillos en Banco de Pruebas

El conjunto propuesto integra toda la interconexión de dos sensores inductivos acoplados a un cilindro, mediante conector tipo «Harting». El conjunto completo ha sido fabricado en las instalaciones de Bi-Yak, que además es fabricante y suministrador de cilindros neumáticos e hidráulicos.

En la fabricación del conjunto propuesto, intervienen los siguientes elementos:

1. Cables con conector M12. En este caso se trata de una manguera con recubrimiento de resistencia a temperatura. Los conectores integran la electrónica necesaria para señalizar la alimentación de los sensores y la detección, mediante sendos leds. Incluye asimismo 2 portaetiquetas de plástico por cada manguera de conexión, para el marcado e identificación.
2. Conjunto de conector tipo Harting. En nuestro caso se opta por un conector Harting macho.
3. Dos detectores inductivos para detección de principio y final de posicionamiento del cilindro. En este caso se trata de sensores inductivos (PNP NO), alimentados a 24vcc (10-30Vcc).
4. Los cables fabricados son chequeados en fábrica.
5. El sistema propuesto es fácilmente integrable en cilindros neumáticos e hidráulicos. Bi-Yak es fabricante de cilindros neumáticos e hidráulicos con capacidad para suministrar el bloque completo de cilindro y sensores, chequeado y listo para funcionar.

Elementos que Intervienen

Intervienen los siguientes elementos:

Conector Estándar Para Cilindros
Neumáticos e Hidráulicos

Conectores con Electrónica Integrada
Leds de «Señalización de Alimentación» + «Detección»

Sensores Inductivos (PNP, NO) Estándar,
Instalados en el Cilindro.
(Flexible según Necesidad del Cliente)

«Datasheet» Sensor del Ejemplo

Sistema de Conexiones Estándar, Incluye Esquema de Conexiones
y Cables Numerados

El Conjunto es Testeado en Fábrica

Chequeo de Funcionamiento (Bi-Yak)

Vídeo Resumen

Pinchando en el siguiente vídeo puede ampliar información acerca del conjunto de cilindro hidráulico con detección de posición estándar mediante conector tipo «Harting»:

Generador de Señales Para Consignas y Ensayos Industriales

A continuación se detalla una aplicación consistente en un pequeño cuadro eléctrico con dispositivos electrónicos para el testeo y la puesta en marcha de equipos industriales de regulación y control con tecnología analógica, desarrollado en Bi-Yak.

El equipo permite generar señales de consigna industriales en tensión o corriente, suministrando asimismo alimentación de potencia para los equipos o dispositivos a ensayar.

Vista Frontal Cuadro Eléctrico

Detalle Cuadro Eléctrico

El equipo incluye los siguientes elementos:

1. Cuadro eléctrico en poliéster, robusto y resistente en entornos industriales, que permite su transporte para ensayos y pruebas en campo. El cuadro se alimenta a través de clavija Schuko.
2. Conexión de alimentación de potencia para equipos electrónicos y señales de consigna o mando. El equipo dispone de fuente de alimentación interna de 24Vcc 5A, con protección magnetotérmica.
3. Conmutadores de Off/On y generación de escalones. Es posible crear escalones de señal para el testeo y ensayo de los equipos, objetos del ensayo.
4. Cuatro dispositivos electrónicos para suministro de consignas analógicas con mando rotativo de encoder. Los dispositivos electrónicos suministran consignas en corriente y tensión: (4-20mA), 0-10Vcc y +/-10Vcc, así como otras señales posibles parametrizables por el usuario, regulables en tensión y corriente para lograr otras consignas más específicas, con sus respectivas protecciones.
5. Panel de conexión. El equipo permite su conexión a dispositivos de campo mediante un panel frontal, bananas de conexión y conector lateral tipo Harting, haciéndolo totalmente flexible.

Generador de Rampas Analogicas

A continuación se detalla una aplicación consistente en un generador de rampas analógicas desarrollado en Bi-Yak, que permite generar un perfil de velocidad con diferentes rampas analógicas de tensión o corriente, que en este caso puede servir de consigna para un variador de frecuencia que gobierna un motor asincrono, que puede funcionar indistintamente en lazo abierto o en lazo cerrado, mediante PID. Para llevar a cabo el generador de Rampas Analógicas se ha utilizado un PLC Siemens convencional 1212 con un módulo de salidas analógicas, así como una pantalla Siemens Basic700 PN.

La implementación del Generador de Rampas Analógicas incluye los siguientes elementos:

1. PLC Siemens 1212. Su función es generar las diferentes rampas analógicas que conforman el perfil de velocidad de un variador de frecuencia en lazo abierto o cerrado (mediante PID).
2. Pantalla HMI. Se trata de un modelo Siemens Basic700 PN, a través del cual panel es posible parametrizar los niveles de tensión y los tiempos que conforman la aceleración y deceleración del variador de frecuencia.
3. Transductor de Presión. En el caso de que el variador funcione en un lazo cerrado (por ejemplo de presión) es necesario dotar al sistema de un transductor analógico para leer la variable de proceso (PV) que cierra el lazo. En nuestro caso podría ser un sensor de presión con salida en tensión, de 0-10Vcc.
4. Consignas de tensión y tiempos que conforman el Perfil de Velocidad (SP). En este caso todo se realiza a través del panel de operador HMI al efecto.
5. Visualizadores de magnitudes. En nuestro caso visualizamos el valor actual de la variable de proceso en rpm (velocidad del variador), pero podríamos visualizar el valor de la presión actual, en bar, etc.