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10-12 TACÓMETROS


Un tacometro es un dispositivo que mide la velocidad angular de un eje giratorio. Las unidades más comunes para expresar la velocidad angular son rotaciones por minuto (r/min) y radianes por segundo. Un radian es igual a 1/(2pi) revoluciones, o aproximadamente 57 grados mecánicos. Usaremos exclusivamente las unidades de r/min.
Los tacómetros en la industria usan dos métodos básicos de medición:
1. La velocidad angular es representada por la
magnitud de un voltaje generado.
2. La velocidad angular es representada por la
frecuencia de un voltaje generado.
Entre los tacómetros de magnitud hay dos tipos principales. Son el
tacómetro generador de CD y el tacómetro de rotor de metal no magnético.
Entre los tacómetros de frecuencia, hay tres tipos principales. Son el tacómetro de campo rotatorio de ca, el tacómetro de rotor dentado y el tacómetro de captación por fotocelda. Estos nombres no son aceptados universalmente, pero describen la acción de varios tacómetros bastante bien y se usarán en este libro.


10-12-1 Tacómetros generadores de CD


El tacómetro generador de CD es, simple y sencillamente, un generador de CD. El campo se establece por medio de un imán permanente montado en el estator o por un electroimán excitado separadamente en el estator. El voltaje de salida es generado en un devanado de armadura de CD convencional con conmutador y escobillas. La ecuación para un voltaje generado verdadero en un generador de CD es

VG = kBS

 
Donde V representa el voltaje generado verdadero, k es alguna constante proporcional que depende de los detalles de construcción dongitud del rotor, diámetro del rotor, etc.), B es la intensidad del campo magnético y S es la velocidad angular medida en revoluciones por minuto.

Manteniendo constante la intensidad del campo, el voltaje generado es proporcional a la velocidad angular del eje. Por tanto es posible conectar el eje del tacómetro al eje en medición, aplicar el voltaje generado a un voltímetro, y calibrar el medidor en términos de r/min. Una característica interesante de un tacómetro generador de CD es que la polaridad del voltaje generado se invierte si la dirección de rotación se invierte. Por tanto, este tipo de tacómetro puede indicar la dirección de giro al igual que la velocidad

.
10-12-2 Tacómetros de rotor de metal no magnético

 
Un tacómetro de rotor de metal no magnético tiene dos grupos de devanados en su estator a ángulos rectos entre ellos, al igual que un servomotor. Haga referencia a la figura 11—14(a). Sin embargo, el rotor no es un rotor jaula de ardilla. Es un cilindro hueco de cobre, llamado copa, con un núcleo interno laminado de hierro, que no hace contacto con la copa. La copa se sujeta al eje de entrada del tacómetro y gira a la velocidad medida.
Uno de los devanados del estator, llamado devanado de excitación, es manejado por una fuente estable de voltaje de ca. El otro devanado de estator es el devanado de salida. El devanado de excitación establece un campo magnético alternante que induce corrientes de Foucault en la copa de cobre. Las corrientes de Foucault establecen un campo de reacción de la armadura a ángulos rectos con el campo del devanado de excitación. El campo de ángulo recto entonces inducirá un voltaje de ca en el devanado de salida cuya magnitud depende de la velocidad de rotación de la copa. El resultado es un voltaje de salida de ca que varía linealmente con la velocidad del eje.
La frecuencia de voltaje de salida es igual a la frecuencia de excitación (generalmente 60 Hz). y está desfasado 90º del voltaje de excitación. La dirección de rotación del eje determina si el voltaje de salida antecede o sigue al voltaje de excitación. Por tanto, este tacómetro también puede indicar dirección al igual que velocidad de rotación.
Todos los tacómetros que dependen de una magnitud de voltaje para representar la velocidad están sujetos a errores causados por tres cosas:
1. Carga de señal.
2. Variación de la temperatura.
3. Vibración del eje.
Con respecto al problema 1, el voltaje suministrado por cualquier tipo de generador variara ligeramente a medida que varía la carga de corriente en el devanado de salida. Esto es porque la caída del voltaje IR en un devanado de salida varía a medida que varía su corriente.
Sobre el problema 2, a medida que cambia la temperatura, las propiedades magnéticas de núcleo cambian, causando variaciones en la intensidad del campo magnético. A medida que varía la intensidad del campo magnético, también varía el voltaje generado.
En relación con el problema 3. a medida que vibra el eje, el espacio preciso entre el devanado del campo y el de la armadura cambia. Este cambio en el espaciado causa variaciones en el voltaje generado.
El diseño de los tacómetros modernos ha reducido al mínimo estos errores y ha producido tacómetros en los que la linealidad del voltaje y velocidad es mejor que 0.5%. Esto es bastante adecuado para la mayoría de las aplicaciones industriales.

10-12-3 Tacómetros de campo rotatorio de ca

 
El tacómetro de campo rotatorio de ca es un alternador de campo rotatorio, lisa y llanamente. El campo generalmente es creado por imanes permanentes montados en el rotor. El eje del rotor esta conectado al eje de medición. Y el campo magnético rotatorio entonces induce un voltaje de ca en el devanado de salida del estator. La ecuación para la frecuencia del voltaje generado en un alteranor de ca es:

F=(PxS)/120


Donde f es la frecuencia en hertz, P es el número de polos magneticos del rotor y S es la velocidad de rotacion en r/min. Puede verse que la frecuencia de salida es una medición exacta de la velocidad angular del eje.


10-12-4 Tacómetros de rotor dentado


EI tacometro de rotor dentado es el más común de los tacómetros de frecuencia. Este tacomnetro tiene Varios dientes ferromagneticos en su rotor. En el estator tiene un iman permanente con una bobina de alambre enrollada al rededor del imán. Este arreglo se muestra en la  figura 10—31(a) para un rotor con seis dientes.
A medida que jira el rotor, los dientes  llegan a una proximidad cercana con el imán luego lo pasan. Al acercarse un diente al imán, la reluctancia del circuito magnético es baja. por lo que aumenta la intensidad del campo en el nucleo del imán. Al no estar cerca ningún diente, la reluctancia del circuito magnético es alta, por lo que disminuye la intensidad del campo en el núcleo del imán. Por tanto, se produce un ciclo de intensidad de campo cada vez que pasa un diente. Esta variación en la intensidad del campo magnético induce un voltaje en la bobina enrollada sobre el imán permanente. Se produce un pulso de voltaje por cada diente. Esto se muestra en la figura 10—31(b).
La relación entre la frecuencia de los pulsos y la velocidad está dada por
rev/s = pulsos/s ÷ 6
Dado que se requieren seis pulsos para representar una revolución. El número de revoluciones por minuto es igual al número de revoluciones por segundo multiplicado por 60. o
S (r entrada/mm) = 60 (rev/s) = 60 (pulsos/s ÷ 6)  
S (r entradalmin)= 10f
donde f representa la frecuencia de pulsos. Cualquier método usado tendrá que reflejar la ecuación, es decir, que la velocidad de rotación es igual a la frecuencia medida multiplicada por el factor 10. Para un número distinto de dientes en el rotor, el factor será diferente.

10-12-5 Tacómetros de captación por fotocelda


Una tacómetro de captación por fotocelda es básicamente el mismo dispositivo que el sugerido en la sección 10-7-1 para cortar periódicamente un haz de luz. Se coloca un disco rotatorio entre una fuente de luz y una celda fotovoltaica. Parte del disco permite el paso del haz de luz, y parte del disco bloquea el haz de luz. Por tanto, la celda fotovoltaica constantemente está. siendo encendida y apagada, a una frecuencia que depende de la velocidad angular del disco. Conectando el eje del disco al eje medido, la fotocelda generará una forma de onda de voltaje. La frecuencia de la forma de onda medirá entonces la velocidad angular del eje.
Por ejemplo, si el disco tiene cuatro áreas de luz y cuatro áreas obscuras, la velocidad estará dada por
S (r entradalmin) l5f
donde f es la frecuencia de la forma de onda de salida de la fotocelda. Esta ecuación la debe justificar usted mismo. Siga el mismo procedimiento de derivación usado en la sección 10-12-4.


10-12-6 Tacómetros de frecuencia contra tacómetros de magnitud

 
La ventaja principal de los tacómetros de medición de frecuencia es que no están sujetos a errores debidos a la carga de salida, a la variación de temperatura y a la vibración del eje. También, su linealidad es perfecta. Sin embargo, todos los tacómetros de frecuencia tienen la desventaja de la incomodidad para la lectura de la velocidad. Se requiere mucho mayor esfuerzo para convertir una frecuencia a un formato legible que el requerido para convertir una magnitud de voltaje a un formato legible. Es verdad que las mediciones de frecuencia se prestan para la detección y lectura digital, pero la medición y lectura digital es mucho más complicada que la lectura de un medidor analógico sencillo. Los circuitos digitales deben pasar repetidamente por el ciclo de conteo, almacenamiento, presentación y restablecimiento.
Por otra parte, para una persona la lectura digital es más comprensible que la lectura analógica, pues quien toma la lectura no tiene que resolver el valor de cada marca del medidor. Por tanto, en cuanto se refiere a la lectura, los tacómetros de frecuencia y los tacómetros de magnitud tienen ambos sus ventajas y desventajas.
Muchas veces en el control industrial la velocidad medida se usa como una señal de realimentación. Esto es ciertamente el caso de un sistema de control de velocidad en lazo cerrado, en el que la velocidad medida es comparada con el punto de ajuste para encontrar la señal de error de velocidad. La velocidad medida es también usada como realimentación en un sistema de control de seguimiento, donde la velocidad de aproximación es usada para restarla de la señal de error de posición para evitar el sobrepaso. Este proceso, llamado amortiguamiento de razón de error, es común en los sistemas de seguimiento. En los casos como éste, la señal de velocidad debe expresarse como un voltaje analógico en lugar de un número digital. Por tanto, en los sistemas realimentados, los tacómetros de magnitud tienen ventaja sobre los tacómetros de frecuencia porque los tacómetros de magnitud proporcionan automáticamente una señal analógica de voltaje.
Los tacómetros de frecuencia pueden proporcionar una señal analógica de voltaje, pero sólo agregando un circuito procesador de señal extra (un convertidor de D a A  o un demodulador de frecuencia). En general, los tacómetros de magnitud son preferidos a los tacómetros de frecuencia para las aplicaciones de realimentación.

 

 

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