Resolución digital de sensores de efecto Hall, Parte 5

Nota del editor: Esta es la quinta de una serie de siete partes sobre resolución digital y otros temas. Ahora lee el resto: parte 1 , parte 2 , parte 3 , parte 4 , parte 6 , y Parte 7 .

Un problema importante con un captador magnético como dispositivo de medición de velocidad es que, en su forma más simple, no funcionará por debajo de un cierto umbral de velocidad mínima. El voltaje de salida del captador magnético varía no solo en frecuencia, sino también en amplitud. La Ley de Lenz requiere que ambos sean diferentes. A cierta velocidad baja, el voltaje de salida se vuelve tan bajo que el contador digital no puede detectar el pulso que pasa. Si no se detecta, no se puede contar y se produce un error de datos. Este es el efecto de la modulación de amplitud.

Por ejemplo, en el caso de la velocidad de la bomba, las condiciones cercanas a cero generalmente no son muy importantes, por lo que las captaciones magnéticas son factibles. Sin embargo, si se requiere detección de velocidad cero, debe reemplazarse con un sensor magnético capaz de detectar dientes de engranaje de velocidad cero. Dichos dispositivos son sensores de efecto Hall.

Soluciones de efecto Hall

La ventaja de un sensor de efecto Hall (Figura 1) es que no depende de un campo magnético cambiante (ley de Lenz) para generar su voltaje de salida. Solo detecta la magnitud del campo magnético y produce un voltaje de salida proporcional. Por lo tanto, la salida del sensor de velocidad de efecto Hall solo cambia en frecuencia, no en amplitud, hasta velocidad cero.

Un sensor de efecto Hall es un circuito integrado con forma de onda, por lo que la señal final es una onda cuadrada con amplitudes máximas y mínimas constantes que otros circuitos de acondicionamiento de señales pueden manejar bien. La desventaja de un sensor de efecto Hall es que requiere una fuente de alimentación de CC para alimentar su circuito de sensor. Sin embargo, esto no es un problema serio en la mayoría de las aplicaciones. Si se configura correctamente, el sensor también se puede usar como un codificador de eje de baja resolución si hay suficientes irregularidades ferromagnéticas (dientes) alrededor del perímetro del engranaje.

Este método de medición de la velocidad se basa en el tren de pulsos de su fuente de datos subyacente. Si se requiere una resolución y velocidad muy altas, y la frecuencia es el parámetro preferido, puede usar un codificador óptico en el eje. La ventaja de los codificadores ópticos es que pueden acomodar miles de pulsos por revolución, proporcionando una resolución muy alta incluso con mediciones de frecuencia y tiempos de activación cortos. Además, pueden operar hasta cero, al igual que los sensores de efecto Hall. Sin embargo, los codificadores ópticos son el tipo más caro.

La figura 2 resume el funcionamiento del sensor magnético de velocidad. La Figura 2 no representa necesariamente las condiciones para la velocidad del eje, pero está diseñada para ayudar a ilustrar algunos otros escenarios de las características de AM y FM.

La figura 2a muestra la velocidad instantánea del eje del motor. Podría ser un circuito de control de retroalimentación inestable que se cierne alrededor del punto estacionario. La velocidad del eje varía de 32 a 94 radianes por segundo (o seg-1 para abreviar), con un promedio de alrededor de 63 seg-1. Estas velocidades angulares corresponden a velocidades de eje promedio de 305 rpm, 897 rpm y 600 rpm. La frecuencia promedio de la salida del sensor (Fig. 2b) es 62.8 seg-1, lo que significa que solo ocurre un pulso por revolución del eje. Esta no es una configuración típica, pero el gráfico que produce separa los puntos que son importantes para ilustrar este método de medición de velocidad. Aquí hay un buen diagrama para enseñar los principios involucrados.

La figura 2b tiene dos características importantes. Primero, a medida que el eje gira, la frecuencia de salida cambia, la frecuencia más alta es consistente con la velocidad más alta y la frecuencia más baja es consistente con la velocidad más baja. Esto no debería ser una sorpresa. Tenga en cuenta, sin embargo, que la amplitud de la salida de la pastilla también cambia. Esto está de acuerdo con la ley de Lenz. Cuanto más rápido gira el eje, mayor es el voltaje. Esta es la característica antes mencionada, si la velocidad cae a algún nivel mínimo (no fácil de determinar sin probar), el voltaje será tan bajo que el contador electrónico no podrá detectarlo. El contador devolverá un valor de velocidad cero, aunque el eje en realidad pueda estar girando a una velocidad baja limitada.

La Figura 2c muestra el efecto de usar una pastilla de velocidad de efecto Hall en lugar de un tipo magnético simple. No depende de la velocidad para generar su voltaje de salida. En cambio, la salida que produce depende solo de la magnitud de la fuerza del campo magnético instantáneo (densidad de flujo) cerca del elemento sensor. No genera ondas cuadradas por sí mismo. La cuadratura que se muestra en la Figura 2 se logra con el circuito de conformación que normalmente se incluye con los sensores de efecto Hall.

en la puerta

También tenga en cuenta que en la Figura 2, se ha trazado un lapso de tiempo de 1 segundo y se ha colocado en cualquier punto del gráfico. Representa la puerta en un contador digital electrónico típico. El contador abre su puerta de entrada durante un tiempo preciso, por ejemplo, 1,000000 segundos. Cuando se abre la puerta, cada pulso del sensor de velocidad incrementa un conteo en el registro digital del contador, al igual que en el odómetro de un automóvil. Después de que haya transcurrido el tiempo exacto de la puerta, la puerta se cierra y el contador registra el número de pulsos que pasaron en 1 segundo, que por definición es la frecuencia del tren de pulsos en ciclos por segundo, o Hertz.

Usando una onda cuadrada como se muestra, el circuito de detección puede detectar fácilmente grandes cambios de voltaje y medir de manera confiable el número total de pulsos. Sin embargo, el conteo resultante conducirá a una evaluación de la frecuencia o velocidad promedio durante el intervalo de puerta. Esta no es la velocidad instantánea. Imagina que el intervalo de 1 segundo ahora comienza en un momento diferente en el gráfico. El valor que se muestra en la pantalla de salida del contador electrónico dependerá de dónde comience y se detenga la puerta de un segundo.

Por ejemplo, si la puerta comienza en 1,5 segundos (Figura 2) y luego se detiene en 2,5 segundos, la cantidad de pulsos contados será mayor que la cantidad de pulsos que la puerta comienza en 2,5 segundos y finaliza en 3,5 segundos.(Cada vez que se abre la compuerta, el contador muestra el conteo acumulativo y el valor mostrado se denomina muestra). En funcionamiento normal, la compuerta y la pantalla (muestreo) se repiten periódicamente o de manera irregular. Los valores mostrados variarán de una muestra a otra y nos llevarán a concluir que la velocidad está cambiando, lo que claramente es variable, o que el comportamiento es irregular, lo cual claramente no lo es.

Ahora considere que el tiempo de puerta ha aumentado a exactamente 2 segundos. No importa dónde se coloque el intervalo, el número total de pulsos es 10, lo que nos lleva a concluir que la velocidad es absolutamente constante. Los gráficos muestran claramente las diferentes situaciones. Pero esta es la desventaja del método de medición de frecuencia. Producen un promedio en un intervalo de tiempo específico (tiempo de puerta en el contador), siempre producen retrasos y, cuando se usan para evaluación de datos y control de velocidad, a veces están llenos de errores de retraso de tiempo.

Por otro lado, las mediciones de velocidad de frecuencia pueden ser útiles; por ejemplo, durante las pruebas de rendimiento de la bomba en estado estable, la velocidad promedio es la cantidad deseada. Pero cuando se realiza un control de circuito cerrado, el error promedio y la demora subsiguiente pueden ser difíciles de manejar.

La Figura 2 también muestra un intervalo de tiempo más pequeño, etiquetado como un ciclo o un ciclo completo de salida de efecto Hall. Es una medida del pequeño intervalo de tiempo entre los flancos ascendentes de dos pulsos cuadrados consecutivos. La elección de un par particular en el gráfico es completamente arbitraria. El tiempo medio entre dos flancos de ataque consecutivos en el ejemplo es de unos 100 ms. Si medimos el intervalo de tiempo, podemos determinar la velocidad más rápido, y si se hace bien, la resolución es mayor (cifras más significativas).

Para tener en cuenta la resolución, vuelva a los intervalos de 1 segundo. Durante el intervalo de activación, se acumularán 10 pulsos (Figura 2) y el registro leerá 10 Hz. Esto es sólo dos dígitos significativos. Para tener en cuenta esta resolución deficiente, el tiempo de puerta suele aumentarse a 100 segundos, lo que produce un recuento de 1000 o cuatro dígitos significativos. Esto mejora la resolución a costa de una mayor latencia y velocidad promedio durante intervalos de tiempo más largos. Depende de la aplicación, pero es probable que ambos resultados sean muy objetables. Si medimos el período, podemos aumentar la resolución mientras reducimos el tiempo de retardo.

Soluciones de efecto Hall

Muchos dispositivos electrónicos digitales, como las computadoras, están equipados con un reloj interno, que es simplemente un oscilador electrónico con una frecuencia muy alta. Un valor común para los contadores electrónicos es 1 MHz. En la función de contador normal, el contador interno comienza cuando ocurre cualquier «disparador» cronometrado, el flip-flop también abre la puerta para permitir que pulsos de señal desconocidos ingresen al registro de conteo. Al mismo tiempo, un contador interno acumula los pulsos del reloj interno hasta que cuenta un millón de pulsos, momento en el que cierra la puerta. De esta manera, aparecen puertas de 1 segundo determinadas con precisión con una resolución de 1 PPM.

Al medir el período de una señal cambiante, se invierten los roles de la señal de entrada desconocida y el reloj interno. Es decir, el primer borde del pulso entrante abre una puerta. La puerta permite que los pulsos pasen del reloj al registro del contador, por lo que el registro acumula microsegundos (un millón de pulsos de reloj por segundo). Cierra la puerta cuando llega el borde de ataque del siguiente pulso de entrada desconocido. Así que ahora, el contenido del registro es el número de microsegundos entre dos flancos de ataque consecutivos.

El resultado es una medida que está más relacionada con la velocidad instantánea y se ha obtenido en un tiempo más corto. La regla general es medir la frecuencia cuando la frecuencia es alta y el período cuando la frecuencia es baja. En sistemas digitales con control de procesador, cambiar dinámicamente los métodos es una tarea relativamente simple. Se pueden desarrollar fórmulas muy simples para determinar cuándo se debe realizar un cambio de método para mantener una resolución óptima para una situación de medición determinada.

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