Sensor De Velocidad De Las Ruedas Propósito, Construcción, Variantes

Un sensor de velocidad de las ruedas o un sensor de velocidad del vehículo (VSS) es un tipo de tacómetro. Es un dispositivo emisor utilizado para leer la velocidad de rotación de las ruedas de un vehículo. Por lo general consiste en un anillo dentado y una camioneta.

Propósito

El sensor de velocidad de las ruedas se utilizó inicialmente para sustituir la conexión mecánica de las ruedas de carretera al velocímetro, eliminando la rotura del cable y simplificando la construcción del manómetro (eliminando todas las partes móviles excepto el conjunto aguja/muelle).

Con la llegada de las ayudas de conducción automatizadas, como el ABS electrónico, el sensor también proporcionó datos de velocidad de la rueda a los controladores para ayudar al operador a mantener el control del vehículo. El sensor de velocidad del vehículo también se utiliza para el correcto cambio de marchas hacia arriba para el mantenimiento del vehículo.

Construcción

El sistema de sensor de velocidad de la rueda más común consiste en un anillo ferromagnético dentado (rueda de tono) y un sensor (que puede ser pasivo o activo).

La rueda de tono es típicamente de acero y puede ser de diseño al aire libre, o sellada (como en el caso de los ensambles de rodamientos unitizados). El número de dientes se elige como una compensación entre la detección de baja velocidad/exactitud y la detección de alta velocidad/coste.

Un mayor número de dientes requerirá más operaciones de mecanizado y (en el caso de los sensores pasivos) producir una señal de salida de mayor frecuencia que puede no ser tan fácil de interpretar en el extremo receptor, pero que proporciona una mejor resolución y una mayor velocidad de actualización de la señal.

En los sistemas más avanzados, los dientes pueden tener una forma asimétrica para que el sensor pueda distinguir entre la rotación hacia delante y hacia atrás de la rueda.

Un sensor pasivo consiste típicamente en una varilla ferromagnética que está orientada para proyectarse radialmente desde la rueda de tono con un imán permanente en el extremo opuesto. La varilla se enrolla con alambre fino que experimenta una tensión alterna inducida a medida que la rueda de tono gira, ya que los dientes interfieren con el campo magnético. Los sensores pasivos emiten una señal sinusoidal que crece en magnitud y frecuencia con la velocidad de la rueda.

Una variación del sensor pasivo no tiene un imán que lo respalde, sino que una rueda de tono que consiste en polos magnéticos alternos produce el voltaje alterno. La salida de este sensor tiende a parecerse a una onda cuadrada, más que a un sinusoide, pero sigue aumentando en magnitud a medida que aumenta la velocidad de las ruedas.

Un sensor activo es un sensor pasivo con circuitos de acondicionamiento de señal integrados en el dispositivo. Este acondicionamiento de señal puede estar amplificando la magnitud de la señal; cambiando la forma de la señal a PWM, onda cuadrada u otros; o codificando el valor en un protocolo de comunicación (como CAN) antes de la transmisión.

Variaciones

El sensor de velocidad del vehículo (VSS) puede ser, pero no siempre es, un verdadero sensor de velocidad de las ruedas. Por ejemplo, en la transmisión Ford AOD, el VSS está montado en la carcasa de la extensión del eje de cola y es un anillo de tono y un sensor autónomo.

Aunque esto no da la velocidad de la rueda (ya que cada rueda en un eje con un diferencial es capaz de girar a diferentes velocidades, y ninguna de ellas depende únicamente del eje de transmisión para su velocidad final), bajo condiciones de conducción típicas esto es lo suficientemente cerca como para proporcionar la señal del velocímetro, y se usó para los sistemas ABS de la rueda trasera en 1987 y en los más recientes Ford F-Series, los primeros pickups con ABS.

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Sensores de velocidad especiales

Vehículos de carretera

Los sensores de velocidad de las ruedas se encuentran en los sistemas de frenado antibloqueo junto con el sistema del Programa Electrónico de Estabilidad (Control).

Sensores de velocidad rotativos para vehículos sobre rieles

Muchos de los subsistemas de un vehículo ferroviario, como una locomotora o una unidad múltiple, dependen de una señal de velocidad rotativa fiable y precisa, en algunos casos como medida de la velocidad o de los cambios de velocidad.

Esto se aplica en particular al control de tracción, pero también a la protección contra el deslizamiento de las ruedas, el registro, el control del tren, el control de las puertas, etc.

Estas tareas son realizadas por una serie de sensores de velocidad rotativa que se pueden encontrar en varias partes del vehículo.

Las averías de los sensores de velocidad son frecuentes y se deben principalmente a las condiciones de funcionamiento extremadamente duras que se dan en los vehículos ferroviarios.

Las normas pertinentes especifican criterios de prueba detallados, pero en la práctica las condiciones encontradas son a menudo aún más extremas (como los choques/vibraciones y especialmente la compatibilidad electromagnética (CEM)).

Sensores de velocidad rotativos para motores

Aunque los vehículos ferroviarios ocasionalmente utilizan accionamientos sin sensores, la mayoría necesita un sensor de velocidad rotativo para su sistema de regulación.

El tipo más común es un sensor de dos canales que escanea una rueda dentada en el eje del motor o la caja de engranajes que puede estar dedicada a este propósito o puede estar ya presente en el sistema de accionamiento.

Los modernos sensores de efecto Hall de este tipo utilizan el principio de modulación del campo magnético y son adecuados para ruedas de blancos ferromagnéticas con un módulo entre m =1 y m = 3,5 (D.P.=25 a D.P.=7). La forma de los dientes es de importancia secundaria; se pueden escanear las ruedas dentadas con dientes en espiral o rectangulares.

Dependiendo del diámetro y de los dientes de la rueda es posible obtener entre 60 y 300 impulsos por revolución, lo que es suficiente para accionamientos de menor y media tracción.

Este tipo de sensor consta normalmente de dos sensores de efecto Hall, un imán de tierra rara y una electrónica de evaluación adecuada. El campo del imán es modulado por el paso de los dientes diana. Esta modulación es registrada por los sensores Hall, convertida por una etapa de comparación en una señal de onda cuadrada y amplificada en una etapa de conductor.

Desafortunadamente, el efecto Hall varía mucho con la temperatura. La sensibilidad de los sensores y la desviación de la señal dependen, por tanto, no sólo del entrehierro, sino también de la temperatura. Esto también reduce en gran medida el espacio de aire máximo permitido entre el sensor y la rueda de destino.

A temperatura ambiente se puede tolerar sin dificultad un entrehierro de 2 a 3 mm para una rueda de destino típica del módulo m = 2, pero en el rango de temperatura requerido de -40 °C a 120 °C el entrehierro máximo para el registro efectivo de la señal cae a 1,3 mm. Las ruedas de objetivo de paso más pequeño con módulo m = 1 se utilizan a menudo para obtener una resolución de tiempo más alta o para hacer la construcción más compacta. En este caso, el entrehierro máximo posible es de sólo 0,5 a 0,8 mm.

Para el ingeniero de diseño, el espacio de aire visible con el que termina el sensor es principalmente el resultado del diseño específico de la máquina, pero está sujeto a las restricciones necesarias para registrar la velocidad de rotación.

Si esto significa que el posible espacio de aire tiene que estar dentro de un rango muy pequeño, entonces esto también restringirá las tolerancias mecánicas del alojamiento del motor y de las ruedas objetivo para evitar las caídas de señal durante la operación.

Esto significa que en la práctica puede haber problemas, especialmente con ruedas de objetivo más pequeñas de m = 1 y combinaciones desventajosas de tolerancias y temperaturas extremas. Desde el punto de vista del fabricante del motor, y más aún del operador, es mejor buscar sensores de velocidad con una gama más amplia de entrehierro.

La señal primaria de un sensor Hall pierde amplitud bruscamente a medida que aumenta el espacio de aire. Para los fabricantes de sensores Hall, esto significa que deben proporcionar la máxima compensación posible por la desviación de la señal Hall inducida físicamente.

La forma convencional de hacer esto es medir la temperatura en el sensor y usar esta información para compensar el desplazamiento, pero esto falla por dos razones: primero porque la deriva no varía linealmente con la temperatura, y segundo porque ni siquiera el signo de la deriva es el mismo para todos los sensores.

Algunos sensores ofrecen ahora un procesador de señales integrado que intenta corregir el desplazamiento y la amplitud de las señales de los sensores Hall. Esta corrección permite un mayor entrehierro máximo admisible en el sensor de velocidad.

En un módulo m = 1 rueda de destino, estos nuevos sensores pueden tolerar un espacio de aire de 1,4 mm, que es más amplio que el de los sensores de velocidad convencionales en el módulo m = 2 ruedas de destino. En un módulo m = 2 ruedas de destino, los nuevos sensores de velocidad pueden tolerar una distancia de hasta 2,2 mm.

También ha sido posible aumentar notablemente la calidad de la señal. Tanto el ciclo de trabajo como el desplazamiento de fase entre los dos canales son al menos tres veces más estables frente a la fluctuación del espacio de aire y la deriva de la temperatura. Además, a pesar de la compleja electrónica también ha sido posible aumentar el tiempo medio entre fallos de los nuevos sensores de velocidad en un factor de tres a cuatro. De este modo, no sólo proporcionan señales más precisas, sino que su disponibilidad de señal también es significativamente mejor.

Una alternativa a los sensores de efecto Hall con engranajes son los sensores o encoders que utilizan [magnetoresistencia]. Debido a que la rueda de destino es un imán multipolar activo, los espacios de aire pueden ser aún mayores, hasta 4,0 mm.

Debido a que los sensores magnetorresistivos son sensibles a los ángulos e insensibles a la amplitud, la calidad de la señal aumenta con respecto a los sensores Hall en aplicaciones con separación fluctuante. También la calidad de la señal es mucho mayor, permitiendo [interpolación] dentro del sensor/codificador o por un circuito externo.

Encóderes de motor con rodamientos integrados

Existe un límite en el número de impulsos que pueden alcanzar los sensores Hall sin rodamientos integrados: con una rueda de puntería de 300 mm de diámetro, normalmente no es posible superar los 300 impulsos por revolución.

Pero muchas locomotoras y unidades eléctricas múltiples (EMU) necesitan un mayor número de impulsos para el correcto funcionamiento del convertidor de tracción, por ejemplo, cuando existen limitaciones estrictas en el regulador de tracción a bajas velocidades.

Tales aplicaciones de sensores de efecto Hall pueden beneficiarse de los rodamientos incorporados, que pueden tolerar un espacio de aire muchos órdenes de magnitud más pequeño debido a la gran reducción del juego en el sensor real en comparación con el del rodamiento del motor.

Esto permite elegir un paso mucho más pequeño para la escala de medición, hasta el módulo m = 0,22. Asimismo, los sensores magnetorresistivos ofrecen una resolución y precisión aún mayor que los sensores Hall cuando se implementan en encoders de motor con rodamientos integrados.

Para una mayor precisión de la señal se puede utilizar un codificador de precisión.

Los principios de funcionamiento de los dos encoders son similares: un sensor magneto-resistivo multicanal escanea una rueda de destino con 256 dientes, generando señales seno y coseno. La interpolación arctangente se utiliza para generar impulsos rectangulares a partir de los períodos de señal seno/coseno.

El codificador de precisión también posee funciones de corrección de amplitud y offset. Esto permite mejorar aún más la calidad de la señal, lo que mejora considerablemente la regulación de la tracción.

Sensores de velocidad en el juego de ruedas

Sensores de velocidad de ejes sin rodamientos

Los sensores de velocidad sin rodamientos pueden encontrarse en casi todos los ejes de un vehículo ferroviario. Se utilizan principalmente para la protección contra el deslizamiento de las ruedas y suelen ser suministrados por el fabricante del sistema de protección contra el deslizamiento de las ruedas.

Estos sensores requieren un espacio de aire suficientemente pequeño y deben ser especialmente fiables. Una característica especial de los sensores de velocidad rotativos que se utilizan para la protección de la corredera de las ruedas son sus funciones de control integradas. Los sensores de dos hilos con una salida de corriente de 7 mA/14 mA se utilizan para detectar cables rotos.

Otros diseños proporcionan una tensión de salida de alrededor de 7 V tan pronto como la frecuencia de la señal cae por debajo de 1 Hz. Otro método utilizado es detectar una señal de salida de 50 & nbsp; MHz desde el sensor cuando la fuente de alimentación se modula periódicamente a 50 MHz. También es común que los sensores de dos canales tengan canales aislados eléctricamente.

Ocasionalmente es necesario quitar la señal de protección del deslizamiento de las ruedas en el motor de tracción, y la frecuencia de salida es a menudo demasiado alta para la electrónica de protección del deslizamiento de las ruedas. Para esta aplicación se puede utilizar un sensor de velocidad con un divisor o codificador de frecuencia integrado.

Generador de impulsos de la rueda con rodamiento integrado

Un vehículo ferroviario, especialmente una locomotora, posee numerosos subsistemas que requieren señales de velocidad separadas y aisladas eléctricamente. Por lo general, no hay suficientes lugares de montaje ni espacio suficiente para instalar generadores de impulsos separados.

Los generadores de impulsos multicanal que se montan con brida en los casquillos de los rodamientos o en las tapas de los juegos de ruedas ofrecen una solución. La utilización de varios sensores de velocidad sin cojinetes también implicaría cables adicionales, que preferiblemente deberían evitarse en el caso de los equipos de uso al aire libre, ya que son muy susceptibles de sufrir daños, por ejemplo, a causa de los balastos volantes de las vías férreas.

Sensor óptico

Se pueden implementar de uno a cuatro canales, cada canal tiene un fotosensor que escanea una de un máximo de dos pistas de señal en un disco ranurado. La experiencia demuestra que el posible número de canales que puede conseguirse con esta técnica sigue siendo insuficiente.

Por lo tanto, algunos subsistemas tienen que conformarse con señales en bucle de la electrónica de protección contra el deslizamiento de las ruedas y, por lo tanto, se ven obligados a aceptar, por ejemplo, el número de impulsos disponible, aunque una señal de velocidad separada podría tener algunas ventajas.

El uso de sensores ópticos está muy extendido en la industria. Desgraciadamente, tienen dos puntos débiles fundamentales que siempre han hecho muy difícil que funcionen de forma fiable durante varios años, a saber: - los componentes ópticos son extremadamente susceptibles a la suciedad, y - la fuente de luz envejece demasiado rápido.

Incluso los rastros de suciedad reducen en gran medida la cantidad de luz que pasa a través de la lente y pueden causar la caída de la señal. Por lo tanto, es necesario que estos encoders estén muy bien sellados. Otros problemas se presentan cuando los generadores de impulsos se utilizan en entornos en los que pasa el punto de rocío: la niebla de las lentes y la señal se interrumpen con frecuencia.

Las fuentes de luz utilizadas son los diodos emisores de luz (LED). Pero los LEDs están siempre sujetos al envejecimiento, lo que a lo largo de unos pocos años conduce a un haz de luz notablemente reducido. Se intenta compensar esto utilizando reguladores especiales que aumentan gradualmente la corriente a través del LED, pero desafortunadamente esto acelera aún más el proceso de envejecimiento.

Sensor magnético

El principio utilizado para escanear magnéticamente una escala de medición ferromagnética no presenta estas deficiencias.

Durante muchos años de experiencia en el uso de codificadores magnéticos, ha habido ocasiones en las que ha fallado un sello y se ha descubierto que un generador de impulsos está completamente cubierto por una gruesa capa de polvo de freno y otras impurezas, pero dichos generadores de impulsos seguían funcionando perfectamente.

Históricamente, los sistemas de sensores magnéticos cuestan más que los sistemas ópticos, pero esta diferencia se está reduciendo rápidamente. Los sistemas de sensores magnéticos Hall y magnetorresistivos se pueden insertar en plástico o en material de encapsulado, lo que aumenta la fiabilidad mecánica y elimina los daños causados por el agua y la grasa.

Los sensores de velocidad de las ruedas también pueden incluir histéresis. De este modo se suprimen los impulsos extraños mientras el vehículo está parado.

Los generadores de impulsos construidos de acuerdo con este principio han sido probados con éxito en el campo por varios operadores ferroviarios desde principios de 2005. El ensayo de tipo especificado en la norma EN 50155[1] también se ha completado con éxito, de modo que ahora se pueden suministrar estos generadores de impulsos.

Generadores de impulsos de rueda con rodamientos integrados para bogies de prensa interior

Los bogies de periodismo interno plantean exigencias especiales al diseñador del generador de impulsos, ya que no tienen una tapa de cojinete en el extremo que sirva de base para registrar la rotación del eje del eje del eje de la rueda. En este caso, el generador de impulsos debe montarse en un muñón de eje fijado al eje y equipado con un convertidor de par conectado al bastidor del bogie para evitar que gire.

Las vibraciones extremas en este lugar provocan una carga considerable en el cojinete del emisor de impulsos que, con este método de instalación, debe soportar no sólo la masa relativamente pequeña del eje del emisor de impulsos, sino también la del emisor de impulsos en su conjunto.

Cuando consideramos que la vida útil del rodamiento se reduce al menos con la tercera potencia de la carga, podemos ver que un generador de impulsos fiable y duradero para tal situación no puede adaptarse simplemente del generador de impulsos estándar más común para los bogies de la revista exterior mediante el montaje y la brida intermedia o una construcción similar.

Realmente es necesario disponer de un generador de impulsos con un diseño modificado y adaptado a las necesidades de dicho emplazamiento.

Sensores de velocidad con interpolación

Los clientes desean a menudo un número de impulsos por revolución superior al que se puede conseguir en el espacio disponible y con el módulo más pequeño m = 1. Para lograr este objetivo, se dispone de sensores que ofrecen interpolación.

Estos ofrecen una salida de 2 a 64 veces el número original de dientes de engranaje o polos magnéticos en la rueda de destino. La precisión depende de la calidad de la entrada del sensor: Los sensores Hall son de menor costo, pero de menor precisión, los sensores magnetorresistivos son de mayor costo, pero de mayor precisión.