¿Cómo funciona realmente un transductor de par?

Aunque los sensores de par están disponibles en varios diseños, todos tienen algunas características en común. Para entender cómo funcionan los transductores de par, echemos un vistazo al diseño de los sensores.

Un breve recorrido basado en la tecnología de galgas

Como muchos otros tipos de sensores, los transductores de par utilizan tecnología de galgas extensométricas para la medición. El sensor consiste en un cuerpo de medición, generalmente de metal, en el que se montan galgas extensométricas (SG). Se trata de una lámina delgada y un conductor eléctrico firmemente conectado a la lámina. A medida que la lámina (y, por lo tanto, el conductor) cambia de forma, la resistencia eléctrica también cambia. Esto indica cuánta carga está actuando actualmente en las galgas extensométricas.

Si una carga externa actúa sobre el sensor, la galga extensométrica se deforma al igual que el elemento de resorte, y la medición puede comenzar. Esto se aplica no solo a los transductores de par, sino también a las células de carga, los sensores de fuerza y otros tipos de sensores. Sin embargo, los sensores de par tienen algunas características especiales.

Dos diseños típicos de sensores de par

A diferencia de las células de carga o los transductores de fuerza, el cuerpo de medición de un transductor de par no está sujeto a tensión o compresión cuando está en uso, sino a torsión. El sensor no está expuesto a una fuerza que actúe desde una o dos direcciones opuestas, sino más bien a una fuerza de palanca o par de torsión. Por lo tanto, los sensores de par también están equipados con galgas extensométricas especiales que pueden registrar muy bien este tipo de carga, es decir, la torsión. Dos diseños típicos de transductores de par son son de eje y tipo brida de medición.

Transductores tipo eje

El eje de medición consiste en un eje, que también puede ser hueco. Las galgas extensométricas se montan aquí, a veces en una sección cónica en el medio, por ejemplo, según la versión. El eje está protegido por una carcasa. El eje, o rotor, se mueve mientras la carcasa o el estator están fijos. Ambas piezas están interconectadas por cojinetes de baja fricción y juego cero. El transductor se puede incorporar en una estructura o banco de ensayos por medio de abrazaderas tipo cubo en ambos extremos del eje. Están disponibles en varias formas y tamaños.

Tipo brida

Las bridas de medición tienen básicamente una estructura similar a la de los ejes de medición, pero tienen un aspecto completamente diferente. También consisten en un eje mayoritariamente hueco, aunque este es extremadamente corto. Las bridas están situadas en ambos extremos del eje. Esto permite que el transductor se integre en una estructura o banco de ensayos mediante una conexión roscada. Las bridas de medición también constan de un rotor y un estator. Sin embargo, a diferencia de los transductores tipo eje, el rotor no está completamente cerrado en la carcasa. Por lo tanto, no se necesita ningún conjunto de rodamientos porque el rotor está instalado como parte de  la sección de medición.

Transmisión de datos medidos sin contacto

Aquí es donde vemos la mayor diferencia entre los transductores de par giratorios y otros sensores, como los transductores de fuerza o las células de carga. En los transductores giratorios, los cables que suministran energía y transfieren datos de medición no se pueden usar porque los cables se enredan a medida que gira el rotor. Para evitar esto, la energía se transfiere desde el estator al rotor giratorio mediante una conexión sin contacto, que a su vez alimenta el puente de medición de galgas extensométricas montado. A cambio, el rotor giratorio transfiere los datos medidos al estator mediante telemetría.

Los componentes electrónicos se alojan en el cuerpo de medición. Aquí, la señal del puente de medición de galgas extensométricas se amplifica, filtra y digitaliza antes de transferirse de forma inalámbrica al estator. Los datos pueden emitirse a través de una señal de frecuencia o voltaje o digitalmente a través de un bus de campo, por ejemplo, con EtherCAT o Profinet, según la aplicación.

Medición de par giratorio o no giratorio

El transductor no siempre gira al medir el par. Los ejemplos típicos de configuraciones no giratorias son las máquinas de prueba estándar y las mediciones en mezcladoras. En este último, el transductor está soportado por la carcasa del motor eléctrico, y el eje de transmisión gira a través de un orificio central en el sensor.

En la mayoría de las aplicaciones, el sensor forma parte del tren motriz giratorio entre la muestra de prueba y el dinamómetro. La muestra podría ser un motor de combustión interna, una caja de cambios o un motor eléctrico, por ejemplo.

Medición de par estática y dinámica

El par se puede medir estática o dinámicamente. Un ejemplo de una medición dinámica podría ser el par pulsante generado cuando los elementos giratorios se aceleran continuamente y luego se ralentizan (o se "frenan"), o a través del tren de potencia de un motor de combustión interna. Además, el par dinámico(variaciones dinámicas de par o vibraciones torsionales) también puede ocurrir completamente sin rotación. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, como los bancos de pruebas de motores (motor de combustión interna o motor eléctrico), el par dinámico se produce en relación con la rotación.

Más que solo torque

Los sensores de par pueden hacer más. Además del par, otras variables medidas se pueden registrar con un solo sensor. Esto es opcional, pero muchos transductores de par ya vienen con esta capacidad. El parámetro más obvio es la velocidad de rotación, que se puede medir a través de un pick up y un  disco ranurado en el rotor. A medida que el sensor gira, el haz de luz se interrumpe a ciertos intervalos. Cuando la ventana de tiempo es constante, la velocidad de rotación se calcula simplemente contando los pulsos.

Una característica importante de interés para muchos usuarios es la potencia, que se puede calcular multiplicando el par por la velocidad de rotación.

Además, muchos transductores de par tienen un sensor de temperatura incorporado, que puede indicarnos cuánto se está calentando el sensor o la transmisión, por ejemplo.

Aplicaciones típicas de transductores de par

Los transductores de par son ideales para todo tipo de pruebas de motor, motor y accionamiento en el campo de la investigación y el desarrollo. La medición precisa del par es indispensable cuando se desea mejorar la eficiencia de los nuevos accionamientos, ya que permite determinar y minimizar las pérdidas por fricción. En los motores eléctricos e híbridos, lo que importa es la autonomía y la mejora de la eficiencia; en los motores híbridos y de combustión interna, la clave es siempre el respeto al medio ambiente a través de las menores emisiones de CO2 posibles.

Además, los sensores de par se utilizan en pruebas de fin de línea en transmisiones y motores o en pruebas de funcionamiento en interruptores rotativos. Sin embargo, algunas aplicaciones se ven completamente diferentes, como cuando se mezclan líquidos y el proceso requiere monitoreo por un transductor de par. O cuando se instalan sensores de par en el tren motriz de un barco. Estos transductores también se utilizan como transductores de referencia en máquinas de calibración.

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