Un sensor de velocidad de rueda ( WSS ) o sensor de velocidad del vehículo ( VSS ) es un tipo de tacómetro . Es un dispositivo transmisor que se utiliza para leer la velocidad de rotación de la rueda de un vehículo . Por lo general, consta de un anillo dentado y una pastilla.
El sensor de velocidad de las ruedas se utilizó inicialmente para sustituir la conexión mecánica de las ruedas al velocímetro , eliminando la rotura de cables y simplificando la construcción del medidor al eliminar las piezas móviles. Estos sensores también producen datos que permiten el funcionamiento de las ayudas a la conducción automatizada, como el ABS .
El sistema de sensor de velocidad de rueda más común consta de un anillo reluctor dentado ferromagnético ( rueda fónica ) y un sensor (que puede ser pasivo o activo).
La rueda fónica suele estar hecha de acero y puede tener un diseño abierto o sellado (como en el caso de los conjuntos de cojinetes unificados). La cantidad de dientes se elige como un equilibrio entre la detección/precisión a baja velocidad y la detección/costo a alta velocidad. Una mayor cantidad de dientes requerirá más operaciones de mecanizado y (en el caso de sensores pasivos) producirá una señal de salida de mayor frecuencia que puede no ser tan fácil de interpretar en el extremo receptor, pero que brinda una mejor resolución y una mayor tasa de actualización de la señal. En sistemas más avanzados, los dientes pueden tener una forma asimétrica para permitir que el sensor distinga entre la rotación hacia adelante y hacia atrás de la rueda.
Un sensor pasivo consiste típicamente en una varilla ferromagnética que está orientada para sobresalir radialmente de la rueda fónica con un imán permanente en el extremo opuesto. La varilla está enrollada con un alambre fino que experimenta un voltaje alterno inducido a medida que la rueda fónica 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 variante del sensor pasivo no tiene un imán detrás, sino una rueda fónica que consta de polos magnéticos alternos que producen el voltaje alterno. La salida de este sensor tiende a parecerse a una onda cuadrada , en lugar de una sinusoide, pero aún así aumenta 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 consistir en amplificar la magnitud de la señal, cambiar la forma de la señal a PWM , onda cuadrada u otras, o codificar el valor en un protocolo de comunicación antes de la transmisión.
El sensor de velocidad del vehículo (VSS) puede ser, pero no siempre, un verdadero sensor de velocidad de las ruedas. Por ejemplo, en la transmisión AOD de Ford , el VSS está montado en la carcasa de extensión del eje de cola y es un anillo de tono y un sensor autónomos. Aunque esto no proporciona la velocidad de las ruedas (ya que cada rueda de un eje con diferencial puede girar a diferentes velocidades y ninguna depende únicamente del eje de transmisión para su velocidad final), en condiciones de conducción típicas, esto es lo suficientemente cercano como para proporcionar la señal del velocímetro, y se utilizó para los sistemas ABS de las ruedas traseras en los modelos Ford F-Series de 1987 y posteriores , las primeras camionetas con ABS.
Los sensores de velocidad de las ruedas son un componente crítico de los sistemas de frenos antibloqueo .
Muchos de los subsistemas de un vehículo ferroviario, como una locomotora o una unidad múltiple , dependen de una señal de velocidad rotatoria fiable y precisa, en algunos casos como medida de la velocidad o de los cambios en la velocidad. Esto se aplica en particular al control de tracción , pero también a la protección contra deslizamiento de las ruedas , el registro, el control del tren, el control de las puertas, etc. Estas tareas las realizan una serie de sensores de velocidad rotatoria que pueden encontrarse en varias partes del vehículo.
Los fallos 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 que se dan son a menudo aún más extremas (como golpes / vibraciones y, especialmente, compatibilidad electromagnética (CEM)).
Aunque los vehículos ferroviarios utilizan ocasionalmente sistemas de transmisión sin sensores, la mayoría necesita un sensor de velocidad rotativa para su sistema regulador. El tipo más común es un sensor de dos canales que escanea una rueda dentada en el eje del motor o la caja de cambios, que puede estar dedicada a este propósito o puede estar ya presente en el sistema de transmisión.
Los sensores de efecto Hall modernos de este tipo utilizan el principio de modulación del campo magnético y son adecuados para ruedas de destino ferromagnéticas con un módulo entre m = 1 y m = 3,5 (DP = 25 a DP = 7). La forma de los dientes es de importancia secundaria; se pueden escanear ruedas de destino con dentado evolvente o rectangular. Dependiendo del diámetro y de los dientes de la rueda, es posible obtener entre 60 y 300 pulsos por revolución, lo que es suficiente para accionamientos de potencia de tracción baja y media.
Este tipo de sensor normalmente consta de dos sensores de efecto Hall , un imán de tierras raras y una electrónica de evaluación adecuada. El campo del imán se modula mediante el paso de los dientes del objetivo. 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 control.
El efecto Hall varía mucho con la temperatura. La sensibilidad de los sensores y también el desfase de la señal dependen, por tanto, no sólo del entrehierro, sino también de la temperatura. Esto también reduce considerablemente el entrehierro máximo admisible entre el sensor y la rueda de destino. A temperatura ambiente, se puede tolerar sin problemas un entrehierro de 2 a 3 mm para una rueda de destino típica con un módulo m = 2, pero en el rango de temperatura requerido de −40 °C a 120 °C, el entrehierro máximo para un registro de señal efectivo se reduce a 1,3 mm. A menudo se utilizan ruedas de destino con un paso más pequeño con un módulo m = 1 para obtener una resolución temporal mayor o para que la construcción sea más compacta. En este caso, el entrehierro máximo posible es de sólo 0,5 a 0,8 mm.
Para el ingeniero de diseño, el entrehierro visible que queda en 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 entrehierro posible debe estar dentro de un rango muy pequeño, entonces también se limitarán las tolerancias mecánicas de la carcasa del motor y las ruedas de destino para evitar pérdidas de señal durante el funcionamiento. Esto significa que en la práctica pueden surgir problemas, especialmente con ruedas de destino de paso más pequeño de módulo m = 1 y combinaciones desventajosas de tolerancias y temperaturas extremas. Por lo tanto, desde el punto de vista del fabricante del motor, y más aún del operador, es mejor buscar sensores de velocidad con un rango de entrehierro más amplio.
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 para la desviación de la señal Hall inducida físicamente. La forma convencional de hacerlo es medir la temperatura en el sensor y utilizar esta información para compensar la desviación, pero esto falla por dos razones: en primer lugar, porque la desviación no varía linealmente con la temperatura y, en segundo lugar, porque ni siquiera el signo de la desviación es el mismo para todos los sensores.
Algunos sensores ofrecen ahora un procesador de señal integrado que intenta corregir el desfase y la amplitud de las señales del sensor Hall. Esta corrección permite un mayor espacio de aire máximo admisible en el sensor de velocidad. En una rueda objetivo de módulo m = 1, 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 ruedas objetivo de módulo m = 2. En una rueda objetivo de módulo m = 2, los nuevos sensores de velocidad pueden tolerar un espacio 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 solo 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 codificadores que utilizan magnetorresistencia. Como la rueda de destino es un imán multipolar activo, los espacios de aire pueden ser incluso mayores, hasta 4,0 mm. Como los sensores magnetorresistivos son sensibles al ángulo e insensibles a la amplitud, la calidad de la señal es mayor que la de los sensores Hall en aplicaciones con espacios de aire fluctuantes. Además, la calidad de la señal es mucho mayor, lo que permite la interpolación dentro del sensor/codificador o mediante un circuito externo.
Existe un límite en la cantidad de pulsos que pueden alcanzar los sensores Hall sin cojinetes integrados: con una rueda de destino de 300 mm de diámetro, normalmente no es posible superar los 300 pulsos por revolución. Sin embargo, muchas locomotoras y unidades múltiples eléctricas (EMU) necesitan una mayor cantidad de pulsos para el funcionamiento correcto del convertidor de tracción, por ejemplo, cuando existen restricciones estrictas en el regulador de tracción a bajas velocidades.
Estas aplicaciones de sensores de efecto Hall pueden beneficiarse de cojinetes integrados, que pueden tolerar un entrehierro de muchos órdenes de magnitud menor debido a la holgura mucho menor en el sensor real en comparación con la del cojinete del motor. Esto hace posible 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 una precisión incluso mayores que los sensores Hall cuando se implementan en codificadores de motor con cojinetes integrados.
Para una precisión de señal aún mayor se puede utilizar un codificador de precisión.
Los principios de funcionamiento de los dos codificadores son similares: un sensor magnetorresistivo multicanal escanea una rueda de destino con 256 dientes, generando señales seno y coseno . La interpolación arcotangente se utiliza para generar pulsos rectangulares a partir de los períodos de la señal seno/coseno. El codificador de precisión también posee funciones de corrección de amplitud y de offset. Esto permite mejorar aún más la calidad de la señal, lo que mejora en gran medida la regulación de la tracción.
Los sensores de velocidad sin cojinetes se encuentran en casi todos los juegos de ruedas de un vehículo ferroviario. Se utilizan principalmente para la protección contra deslizamiento de las ruedas y, por lo general, los suministra el fabricante del sistema de protección contra deslizamiento de las ruedas. Estos sensores requieren un espacio de aire lo suficientemente pequeño y deben ser especialmente fiables. Una característica especial de los sensores de velocidad rotativos que se utilizan para la protección contra deslizamiento de las ruedas es su función de monitorización integrada. Los sensores de dos cables con una salida de corriente de 7 mA/14 mA se utilizan para detectar cables rotos. Otros diseños prevén 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 MHz del sensor cuando la fuente de alimentación se modula periódicamente a 50 MHz. También es habitual que los sensores de dos canales tengan canales aislados eléctricamente.
En ocasiones es necesario desconectar la señal de protección contra deslizamiento de las ruedas en el motor de tracción y, en ese caso, la frecuencia de salida suele ser demasiado alta para la electrónica de protección contra deslizamiento de las ruedas. Para esta aplicación se puede utilizar un sensor de velocidad con un divisor de frecuencia o un codificador integrado.
Un vehículo ferroviario, en particular una locomotora , posee numerosos subsistemas que requieren señales de velocidad separadas y eléctricamente aisladas. Por lo general, no hay suficientes lugares de montaje ni espacio suficiente para instalar generadores de pulsos separados. Los generadores de pulsos multicanal que se montan con bridas sobre los cojinetes o las cubiertas de los juegos de ruedas ofrecen una solución. El uso de varios sensores de velocidad sin cojinetes también implicaría cables adicionales, que es preferible evitar en equipos al aire libre porque son muy susceptibles a daños, por ejemplo, por el balasto de la vía que sale volando .
Se pueden implementar de uno a cuatro canales, cada uno de los cuales tiene un fotosensor que escanea una de las dos pistas de señal como máximo en un disco ranurado. La experiencia demuestra que el número posible de canales que se puede lograr con esta técnica aún no es suficiente. Por lo tanto, una serie de subsistemas deben conformarse con señales en bucle de la electrónica de protección contra deslizamiento de las ruedas y, por lo tanto, se ven obligados a aceptar, por ejemplo, el número de pulsos disponible, aunque una señal de velocidad separada podría tener algunas ventajas.
El uso de sensores ópticos está muy extendido en la industria. Estos presentan dos problemas fundamentales para funcionar de forma fiable durante años: los componentes ópticos son muy susceptibles a la suciedad y la fuente de luz envejece demasiado rápido.
Los restos de suciedad reducen considerablemente la cantidad de luz que pasa a través de la lente y pueden provocar pérdidas de señal. Por ello, es necesario que estos codificadores estén muy bien sellados. Además, surgen problemas cuando los generadores de impulsos se utilizan en entornos en los que se supera el punto de rocío: las lentes se empañan y la señal se interrumpe con frecuencia.
Las fuentes de luz utilizadas son diodos emisores de luz (LED). Sin embargo, los LED están sujetos a un envejecimiento constante, lo que al cabo de unos años hace que el haz de luz se reduzca notablemente. Se intenta compensar este efecto mediante reguladores especiales que aumentan gradualmente la corriente que pasa por el LED, pero, por desgracia, esto acelera aún más el proceso de envejecimiento.
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 se ha producido un fallo en el sello y se ha descubierto que un generador de pulsos estaba completamente cubierto por una gruesa capa de polvo de freno y otra suciedad, pero dichos generadores de pulsos 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 magnetorresistivos y de efecto Hall magnético se pueden incrustar en plástico o material de encapsulado , lo que aumenta la confiabilidad mecánica y elimina los daños causados por el agua y la grasa.
Los sensores de velocidad de las ruedas también pueden incluir histéresis , lo que suprime cualquier pulso extraño mientras el vehículo está parado.
Los generadores de impulsos construidos según este principio han sido probados con éxito en campo por varios operadores ferroviarios desde principios de 2005. La prueba de tipo especificada en EN 50155 [1] también se ha completado con éxito, de modo que estos generadores de impulsos ahora pueden entregarse.
Los bogies con apoyos internos plantean exigencias especiales al diseñador del generador de impulsos, ya que no tienen una tapa de cojinete en el extremo que sirva como base para registrar la rotación del eje del eje montado. En este caso, el generador de impulsos debe montarse en un muñón del eje fijado al eje montado y equipado con un convertidor de par conectado al bastidor del bogie para evitar que gire.
La vibración extrema en esta ubicación genera una carga considerable en el cojinete del generador de impulsos, que, con este método de instalación, tiene que soportar no solo la masa relativamente pequeña del eje del generador de impulsos, sino también la de todo el generador de impulsos. Si tenemos en cuenta que la vida útil del cojinete se reduce al menos con la tercera potencia de la carga, podemos ver que un generador de impulsos confiable y duradero para tal situación no puede simplemente adaptarse a partir del generador de impulsos estándar más común para bogies con apoyo externo simplemente colocando una brida intermedia o una construcción similar. Realmente es necesario tener un generador de impulsos con un diseño modificado adaptado a los requisitos de tal ubicación.
Algunas empresas de transporte se enfrentan a un problema especial: el aire circulante que mantiene refrigerados los motores arrastra virutas de desgaste de las ruedas y los raíles, que se acumulan en los cabezales de los sensores magnéticos. También hay cada vez más motores en los que los sensores tienen que escanear ruedas de aluminio , por ejemplo, porque los impulsores están hechos de una aleación de aluminio y el fabricante no quiere tener que encogerse en una corona dentada ferromagnética aparte .
Para estas aplicaciones existen sensores de velocidad que no requieren un imán objetivo. [2] Se utilizan varias bobinas de transmisión y recepción para generar un campo eléctrico alterno con una frecuencia del orden de 1 MHz y luego se evalúa la modulación del acoplamiento entre transmisores y receptores. Este sensor es compatible en cuanto a instalación y señal con los sensores magnéticos; para la mayoría de los módulos de rueda objetivo comunes, las unidades se pueden reemplazar simplemente sin que sea necesaria ninguna otra medida.
Los clientes suelen querer un número mayor de pulsos por revolución del que se puede conseguir en el espacio disponible y con el módulo más pequeño m = 1. Para lograr este objetivo, existen 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 más baratos, pero de menor precisión, los sensores magnetorresistivos son más caros, pero de mayor precisión.