Sensores Transductores y Actuadores

SENSORES Y TRANSDUCTORES

EXPOSITOR

MG. ING. ELECTRONICO CIP

NOE CHAVEZ TEMOCHE

MG. ING. ELECTRONICO CIP NOE CHAVEZ TEMOCHE

Planta o ProcesoActuadorControlador

Sensor

SPSeal de Control

PV

Figura 1

SISTEMAS DE CONTROL

Figura 1


GLOSARIO DE TERMINOS

1. LAZO DE CONTROL: Combinacin de uno o msinstrumentos o funciones de control que sealan el paso de unoa otro con el propsito de medir y/o controlar las variables de unproceso.

2. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO: Son aquellos enlos que la salida no tiene efecto sobre la accin de control. En otraspalabras, en un sistema de control de lazo abierto la salida no seretroalimenta para compararla con la entrada. Un ejemplo prcticolo constituye una lavadora de ropa domstica. El remojo, lavado yenjuague en la lavadora se cumplen por tiempos. La mquina nomide la seal de salida, es decir, la limpieza de la ropa.

3. SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO: En estossistemas la variable controlada es continuamente medida y ascomparada con un valor predeterminado (Variable de referencia).


GLOSARIO DE TERMINOS

4. PROCESO: Es cualquier operacin o secuencia de operacionesque involucren un cambio de energa, estado, composicin,dimensin, u otras propiedades.

5. VARIABLE DE PROCESO: Cualquier propiedad variable de unproceso. El trmino variable de proceso es usado como un standard

para la aplicacin a todas las variables.

6. SENSOR: Instrumento que detecta el valor de una variable deproceso. El sensor puede ser integrado o separado de un elementofuncional o de un lazo. Al sensor tambin se le conoce comoelemento primario.

7. SET POINT: El set point, punto de referencia o valor deseadopuede ser establecido manualmente, automticamente oprogramado. Su valor se expresa en las mismas unidades que lavariable controlada.


GLOSARIO DE TERMINOS8. TRANSDUCTOR I/P: Dispositivo que recibe informacin en

forma de corriente y produce una seal de salida resultante,en este caso presin de aire, se emplea para accionar lasvlvulas neumticas de control.

9. TRANSMISOR: Dispositivo que detecta la variable de unproceso a travs de un sensor y tiene una salida la cual varasu valor solamente como una funcin predeterminada de lavariable del proceso

10. CONTROLADOR: Instrumento o dispositivo que posee unasalida que vara para regular una variable de control de una maneraespecfica. El controlador mas utilizado es el PID o ProporcionalIntegral-Derivativo.

11. VALVULA DE CONTROL: Es un dispositivo, el mscomnmente usado, que acta en forma manual o automtica yque directamente manipula el flujo de uno o ms procesos.


GLOSARIO DE TERMINOS12. ELEMENTO FINAL DE CONTROL: Dispositivo que controla

directamente los valores de la variable manipulada en unlazo de control. Generalmente el elemento final de control esuna vlvula de control.

13. DIAGRAMA P&ID: Diagrama de Procesos e Instrumentacinque es empleado para representar la instrumentacin y loslazos de control de un proceso.

14. INSTRUMENTACION VIRTUAL: Empleo de software grficoespecializado para simular aplicaciones de control de procesosempleando hardware para adquisicin de datos.

15. CONTROLADOR PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO (PID): Algoritmo de control que utiliza la sealde error o diferencia entre el set point y la variable de procesopara calcular una seal de control proporcional dirigida alactuador o elemento final.


SISTEMAS DE CONTROL

Los Sistemas Automticos de Control se

representan por diagramas como el de la figura 1,

donde se muestra una representacin en bloques

de un sistema de control que tiene las siguientes

caractersticas

En la Figura 1 se muestra el diagrama de bloques

representa un lazo de control realimentado, muestra

los 4 elementos bsicos del lazo de control:

1. Planta o Proceso

2. Controlador

3. Actuador

4. Sensor


SISTEMAS DE CONTROL

En este lazo de control tambin encontramos 3

seales:

1.SP: Set Point

2.PV: Process Var

3.Seal de Control

Para ilustrar las funciones de cada elemento citemos el

ejemplo del intercambiador de calor. En este equipo

industrial, el objetivo es calentar un fluido que puede ser

combustible hasta una temperatura deseada. El

calentamiento se efecta por la transferencia de calor

desde un fluido mucho ms caliente comnmente vapor de

agua saturado.


SISTEMAS DE CONTROLEl intercambiador es de tipo carcaza-tubo por lo cual, el vapor de agua

fluye por los tubos y alrededor fluye petrleo Diesel a temperatura

ambiente. La temperatura deseada es 110C. El esquema se muestra

en la Figura 2

Sensor de

temperatura

Controlador de

Temperatura

Vlvula de

Control

Intercambiador de calor

I/PPetrleo

calentado

Condensado

Ingreso de

Petrleo

Ingreso de

Vapor

Figura 2


SISTEMAS DE CONTROL

Sensor de

temperatura

Controlador de

Temperatura

Vlvula de

Control

Intercambiador de calor

I/PPetrleo

calentado

Condensado

Ingreso de

Petrleo

Ingreso de

Vapor

Figura 2

Figura 2

El sistema cuenta con un sensor RTD que detecta la temperatura delpetrleo calentado y enva esta informacin al controlador PID.


SISTEMAS DE CONTROL

0

( ) * * * .... Ec. 1

tt

t p i dt t

t

deu K e K e dt K

dt

donde u(t) es la seal de control calculada

e(t) es el error producido entre el setpoint y la

variable del proceso:t

e SP PV

Si el petrleo se encuentra a menor temperatura

de la requerida, entonces la seal de control

calculada por el controlador abrir la vlvula para

dejar pasar mayor flujo de vapor y de esa forma

calentar mas al petrleo, caso contrario si la

temperatura es mayor, entonces el controlador

cerrar la vlvula.

SISTEMAS DE CONTROL

En la figura 3 se muestra el diagrama P&ID del ejemplo del intercambiador decalor, este diagrama se ha construido basndose en la simbologa ISA En elmercado existen Software para el diseo de plantas y el desarrollo de diagramasP&ID basados en CAD como CADWORX entre otros.

te SP PV

I/P

TI

Lnea de Vapor

Intercambiador de Calor

Figura 3


SISTEMAS DE CONTROLDIAGRAMA P&IDEl diagrama de instrumentacin, junto al diagrama simplificado de equipos,recibe el nombre de Diagrama de Instrumentacin y Proceso, referidohabitualmente como el P&ID representando la abreviacin de PROCESSAND INSTRUMENTATION DIAGRAM

te SP PV

I/P

SP

4 20 mA

PID 4 20 mA

PV

OUT

Aire de la compresora

3-15 psi

Figura 4


SISTEMAS DE CONTROL

te SP PV

TT

300

TIC

300

FY

300

TE

201 TE

202

Proceso

Figura 5

En la figura 5 se muestra otro ejemplo de Diagrama P&ID

de un condensador de vapor

SENSORES Y TRANSDUCTORES

El lazo de realimentacin de un sistema decontrol requiere de elementos de captacin delas variables de la planta, a los que se lesdenomina sensores.

Un sensor o captador adicionando un circuitode acondicionamiento de seal, se obtiene untransductor.

Tambin requiere de los elementos que actansobre la planta llamados actuadores.


1. SENSORES

Un sensor es un dispositivo que mide automticamenteuna variable de proceso sobre la base de principios

fsicos o qumicos, generando una seal neumtica,

electrnica o digital que sigue la evolucin en el tiempo

de la variable medida.

Generalmente al sensor o captador se le adiciona uncircuito de acondicionamiento de seal, denominndose

transductor.

SensorCircuito

de acond.

Variablede proceso

Valormedido


1. SENSORES


Sensor de presin Sensor de nivel Sensor de flujo Sensor de temperatura

1.1 CLASIFICACIN SEGN EL TIPO DE

SEAL DE SALIDA

Analgicos: Su salida toma un valor en forma continuadentro del campo de medida. Frecuentemente estnnormalizados:

Seales elctricas: 4 a 20 ma - 0 a 5V.

Seales neumticas : 3 a 15 psi.

Digitales: Su salida es una seal codificada en formade pulsos o en forma de palabra digital:8 o 12 bits (256o 4096 niveles).

Todo-nada: Indican nicamente cuando la variabledetectada supera un cierto lmite. Es el caso lmite delos sensores digitales en el que se codifican slo dosestados.


1.2 CLASIFICACIN SEGN REQUIERA O

NO UNA ALIMENTACIN EXTERNA

Pasivos: Se basan, por lo general, en la modificacinde la impedancia de un material bajo determinadas

condiciones fsicas o qumicas (resistencia, capacidad,

inductancia, etc.). Este tipo de sensores, requieren

alimentacin para provocar cambios de tensin,

corriente o presin proporcionales a la variable medida.

Activos: Son generadores de pequea seal. Por ellono necesitan alimentacin exterior para funcionar,

aunque si suelen necesitarla para amplificar la dbil

seal del captador.


1.3 CLASIFICACIN SEGN LA

MAGNITUD FSICA A MEDIR

Magnitud Transductor

Posicin lineal o angular.

Pequeos desplazamientos o deformaciones.

Velocidad lineal o angular.

Potencimetro (analgico)

Encoders (digital)

Sincros (analgico)

Transformador diferencial (analgico)

Galga extensiomtrica (analgico)

Tacmetro (analgico)

Encoders (digital)

Detector ptico (digital)





Fuerza y par.

Presin.

Caudal.

Temperatura.

Galgas (analgico)

Membrana + detector de desplazamiento (analgico)

Piezoelctrico (analgico)

De turbina (analgico)

De presin diferencial (anal.)

Magntico (analgico)

Termocupla (analgico)

Termoresistencia (analgico)

Bimetlicos (todo-nada)





Sensores de proximidad.

Sensores tctiles,

Visin artificial.

Inductivos y capacitivos (todo-nada o analgicos)

pticos (todo-nada o analgicos)

Ultrasnicos (analgicos)

Matriz de contactos (todo-nada)

Matriz capacitiva, piezoelctrica (todo-nada)

Cmaras de video (procesam. digital por puntos o pixels)


1.4 CARACTERSTICAS ESTTICAS DE

LOS SENSORES

Campo de medida: Rango de valores entre el mximo y elmnimo detectables por el sensor.

Resolucin: Indica la capacidad del sensor para discernir entrevalores muy prximos de la variable medir.

Precisin: Mxima desviacin entre la salida real del sensor y elvalor terico segn un patrn.

Sensibilidad: Indica la relacin entre la variacin de la salida y lavariacin de la entrada a medir.

Linealidad: Cuando existe una constante de proporcionalidad(ganancia) que relaciona los incrementos de la salida con loscorrespondientes de la entrada.

Histresis: Existe cuando la salida depende si la entrada sealcanz en sentido creciente o en sentido decreciente.


1.5 CARACTERSTICAS DINMICAS DE

LOS SENSORES

Velocidad de respuesta: Mide la capacidad del sensor para que laseal de salida siga sin retraso las variaciones de la seal de entrada. Secuantifica a partir de la respuesta al escaln, midiendo la constante detiempo, la cual corresponde al tiempo empleado para que la salida alcanceel 63% de su valor estacionario.

Respuesta frecuencial: Relacin entre la sensibilidad y la frecuenciacuando la entrada es una excitacin sinusoidal. Se indica mediante losgrficos de Bode.

Estabilidad y derivas: Caractersticas que indican la desviacin de lasalida del sensor cuando varan ciertos parmetros externos, tales comoalimentacin, condiciones ambientales, u otras perturbaciones.


1.6 MEDICIN DE TEMPERATURA



1.6.1 Detectores de temperatura resistivos (RTD)Emplean un elemento sensible de alambre de platino,cobre o nquel que proporcionan un valor de resistenciadefinido para cada temperatura dentro de su rango.La variacin de resistencia debido a la temperatura sepuede medir con un puente de Wheatstone.

Caractersticas del RTD de platino (PT-100):Rango : -260C a 800C. Sensibilidad : alta. Constante de tiempo : alrededor de 15 s. Linealidad : buena.



: RTD



1.6.2 TermistoresUtilizan el mismo principio que los RTD pero fabricados con semiconductores (normalmente xidos de metales). Caractersticas: Coeficiente de variacin de la resistencia con la temperatura elevado.

No son lineales.

Tipos:NTC: Con coeficiente de temperatura negativo. PTC: Con coeficiente de temperatura positivo.



1.6.3TermocuplasSe basan en el efecto Seebeck segn el cual cuando dosmetales distintos se unen en un punto, se obtiene en suextremo abierto una diferencia de potencial que esfuncin de la temperatura de las uniones fra y caliente.

Metal A + To (unin fra)

Metal B + To (unin fra)

(unincaliente) T

ddp(mv)



TermocuplasTipo + - RangoK Chromel Alumel 0 a 1100 C T Cobre Constantan -185 a 300 C J Hierro Constantan 20 a 700 C E Chromel Constantan 0 a 800 C R 87%Pt-13%Rodio Platino 0 a 1600 C S 90%Pt-10%Rodio Platino 0 a 1550 C B 70%Pt-30%Rodio 94%Pt-6%Rodio 100 a 1600 C

Aleacin ComposicinChromel Nquel - Cromo Alumel Nquel - Aluminio Constantan Cobre - Nquel



1.6.4 Pirmetros de radiacinMiden la temperatura a partir de la radiacin trmicaque emiten los cuerpos calientes. No es necesario elcontacto directo con el cuerpo cuya temperatura sequiere medir.

Se fundamenta en la teora de Stefan-Boltzam : Laintensidad de la energa radiante emitida por lasuperficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a lacuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo.Basndose en la relacin mencionada y conocida lageometra del cuerpo, se puede conocer su temperaturamidiendo la potencia radiada.


1.7 MEDICIN DE PRESIN

1.7.1 Medidores de funcionamiento mecnico

Medidores de equilibrio presin-fuerza: Se basan enequilibrar una fuerza o presin desconocida con otra conocida.Se utilizan los de columna lquida y los de campana.

Medidores de membrana elstica: Se basan en ladeformacin de un elemento elstico (fuelle, diafragma, tubo deBourdon, etc.)

1.7.2 Manmetros electromecnicosCombinan las membranas elsticas con un transductor de pequeosdesplazamientos, del que se obtiene una seal elctricaproporcional a la presin.

Los transductores de presin pueden medir presin absoluta ypresin diferencial o relativa.


1.7 MEDICIN DE PRESIN

p1

p2

LVDT

MEDIDOR ELECTROMECNICO

Seal elctricaFuelles


1.8 MEDICIN DE FLUJO O CAUDAL

1.8.1 Medidores de flujo de cargaGeneran una diferencia de presin entre dos puntos de unatubera por donde circula un fluido, mediante una restriccin alflujo, basndose en el Teorema de Bernoulli. Los elementos derestriccin mas utilizados son el tubo Venturi, el tubo Pitot y laplaca-orificio. El caudal es directamente proporcional a la razcuadrada de la diferencia de presin generada.

1.8.2 Medidores por presin dinmicaSe basan en el desplazamiento de un pequeo flotadorsometido a la presin dinmica de la corriente del fluido. Dichapresin provoca un desplazamiento del flotador proporcional ala velocidad del fluido. Para fluidos incompresibles, con lavelocidad se tiene una indicacin indirecta del caudal. Unavariante de stos son los de turbina.MG. ING. ELECTRONICO CIP NOE CHAVEZ TEMOCHE


Placa-orificio

Tubo Venturi



1.8.3 Medidores volumtricosCapturan y liberan un volumen fijo de fluido mediante alguna accinde bombeo, que se puede realizar mediante un pistn, una aletagiratoria, un diafragma o una bomba peristltica. Estos medidorescuentan el nmero total de ciclos que se producen e indican oregistran un volumen de flujo integrado.

1.8.4 Medidores electromagnticosSe basan en la ley de induccin de Faraday, segn la cual, sobreun fluido conductor en movimiento que se desplazatransversalmente a un campo magntico se genera un f.e.m.proporcional al campo inductor y a la velocidad del fluido. El valorde la velocidad da una indicacin de caudal. Los electrodos decaptacin de la f.e.m. no entorpecen el flujo.


1.9 MEDICIN DE NIVEL

1.9.1 MEDIDORES TODO O NADAPermiten detectar niveles de referencia. Suele emplearse

detectores fotoelctricos o de proximidad capacitivos.

1.9.2 MEDIDORES POR PRESINConsisten en medir la presin sobre el fondo del depsito que

contiene el lquido. La diferencia de presiones entre el fondo y la

superficie es directamente proporcional al nivel respecto del fondo y

al peso especfico del lquido.

1.9.3 MEDIDORES ULTRASNICOSEl transductor emite un impulso de presin (ultrasonidos) que es

reflejado por la superficie del material y recogido por un receptor

colocado al lado del emisor. El tiempo total de ida y vuelta es

proporcional a la distancia y a la densidad del medio.


1.9 MEDICIN DE NIVEL


1.10 TRANSDUCTORES DE POSICIN

Permiten medir la distancia de un objeto respecto a un punto oeje de referencia o simplemente detectar la presencia de un

objeto.

Se les agrupa en:

Detectores de presencia o proximidad : Son del tipo todo onada que entregan una seal binaria que indica la

existencia o no de un objeto. Es el caso del interruptor final

de carrera por contacto mecnico.

Medidores de distancia o posicin : Entregan una sealanalgica o digital que permite determinar la posicin lineal

o angular respecto a un punto o eje de referencia.

Transductores de pequeas deformaciones : Se les utilizaadosados a piezas elsticas o con palpadores como

transductores indirectos de fuerza o par.


1.11 DETECTORES DE PROXIMIDAD

Se trata de sensores con respuesta todo o nada, con una ciertahistresis en la distancia de deteccin y con salida a base deinterruptor esttico (transistor, tiristor o triac), pudiendo actuarcomo interruptores de CC o de CA. Algunos de ellos puede daruna salida analgica proporcional a la distancia.

Segn el tipo de salida se clasifican en:

Detectores todo o nada de CA: Su salida es un interruptoresttico de CA a base de tiristores o triacs.

Detectores todo o nada de CC: Su salida suele ser untransistor PNP o NPN.

Detectores de salida analgica: Dan una corrienteproporcional a la distancia entre el cabezal detector y elobjeto a detectar.



Segn el tipo de conexin se clasifican en:

Con dos hilos: El sensor se conecta en serie con la carga.

Con tres hilos: Se tiene un hilo comn para la alimentacin ycarga y los otros dos son diferenciados, uno paraalimentacin y otro para la carga.

Con cuatro o cinco hilos: Emplean dos hilos para laalimentacin, y otros dos (o tres, en montaje conmutado)corresponden al contacto de salida para control de carga.

Este tipo de detectores presentan siempre una cada de tensinresidual en el estado cerrado y una corriente de fuga en elestado abierto.



FORMAS DE CONEXIN

+

-

CC 2 hilos

+

-

CC 3 hilos NPN

+

-CC 4 hilos

+

-

CC 3 hilos PNP



1.11.1 DETECTORES INDUCTIVOSDetectan la proximidad de piezas metlicas en un rango de

distancias que va desde 1 mm. a unos 30 mm. con una

resolucin del orden de dcimas de milmetro.

Emplea el cambio en la reluctancia del circuito magntico almomento de detectar metales, lo cual permite obtener una seal

de salida todo o nada.

Su campo de aplicacin es como interruptores finales decarrera.

Sus ventajas son la ausencia de contacto con el objeto adetectar, resistencia a temperaturas altas, robustez mecnica,

entre otras.



INDUCTIVOS



1.11.2 DETECTORES CAPACITIVOS

Su principio de funcionamiento es anlogo alinductivo, pero en este caso el elemento sensible esun condensador del circuito oscilante formado pordos aros metlicos concntricos situados en la carasensible, y cuyo dielctrico es el material de la zonasensible.

Permiten detectar materiales metlicos o no.

Las aplicaciones tpicas son en deteccin demateriales como vidrio, cermica, plstico, madera,aceite, papel, etc.



DETECTOR CAPACITIVO



1.11.3 Detectores pticos

Emplean fotoclulas como elementos de deteccin.Consta de un emisor de luz y un detector.

En el modo barrera, el emisor y el detector estnseparados y el objeto detectar interrumpe el rayo.

En el modo de reflexin, el emisor y el detector estnen una sola unidad y trabaja por reflexin del rayo sobreel objeto a detectar.

Ambos tipos suelen trabajar en frecuencias luminosas enla gama de los infrarrojos.

Para el caso de ambientes muy iluminados se emplea luzpolarizada.



1.11.3 DETECTORES PTICOS

Caractersticas: - Inmunidad a perturbaciones electromagnticas externas. - Distancias de deteccin grandes: en modo barrera : hasta 500 m. en modo de reflexin : hasta 5 m. - Permite identificar colores. - Permite detectar objetos pequeos (dcimas de mm). - Alta velocidad de respuesta y frecuencia de conmutacin.

Otra variante de detectores pticos son los de fibra ptica, quetienen los puntos de emisin/recepcin de luz separados de launidad generadora, y unidos a ella mediante la fibra. De estaforma, la deteccin puede llevarse a puntos inaccesibles paralas fotoclulas de barrera o de reflexin, aprovechando laflexibilidad de la fibra.



DETECTORES PTICOS

Modo barrera

Emisor Detector

Emisor

Detector

Objeto

Modo reflexinObjeto Reflector



1.11.4 DETECTORES ULTRASNICOS

Estn basados en la emisin-recepcin de ondasultrasnicas. Cuando un objeto interrumpe el haz, el nivelde recepcin vara y el receptor lo detecta.

Como ventaja frente a las fotoclulas, los detectoresultrasnicos pueden detectar con facilidad objetostransparentes, como cristal y plsticos, materiales queofrecen dificultades para la deteccin ptica.

Como utilizan ondas ultrasnicas que se mueven por elaire, no podrn ser utilizados en lugares donde stecircule con violencia (bocas de aire acondicionado,cercanas de puertas), o en medios de elevadacontaminacin acstica (prensas, choques entre metales,etc.)



CRITERIOS DE SELECCIN

MATERIALMetlico

DISTANCIA< 50 mm

DETECTORInductivo

SlidoNo metlico

> 50 mm< 50 mm

Ultras. u opt.Capacitivo

Metlico> 50 mm< 50 mm

Ultras. u opt.Inductivo

Polvo o gran.No metlico

> 50 mm< 50 mm

UltrasnicoCapacitivo

Transparente> 50 mm< 50 mm

UltrasnicoCapacitivo

LquidoOpaco

> 50 mm< 50 mm> 50 mm

UltrasnicoCapacitivoOptico


1.12 MEDIDORES DE DISTANCIA O

POSICIN

1.12.1 POTENCIMETROS Es un transductor de posicin angular, de tipo absoluto y con salida de tipo analgico.



POSICIN

1.12.2 ENCODERS

Son dispositivos formados por un rotor con uno o variosgrupos de bandas opacas y translcidas alternadas y por unaserie de captadores pticos alojados en el estator, quedetectan la presencia o no de banda opaca frente a ellos.

Los encoders incrementales dan un determinadonmero de impulsos por vuelta y requieren de uncontador para determinar la posicin a partir de un origende referencia.

Los encoders absolutos disponen de varias bandas enel rotor ordenadas segn un cdigo binario. Loscaptadores pticos detectan un cdigo digital completo,que es nico para cada posicin del rotor.



POSICIN

1.12.2.1 ENCODERS INCREMENTALES O RELATIVOSTienen una sola banda de marcas transparentes y opacasrepartidas a lo largo del rotor y separadas por un paso (p)

En el estator se tiene dos pares de emisor-receptor pticodecalados un nmero entero de pasos mas 1/4. Al girar elrotor, cada par ptico genera una seal cuadrada. Cuando elrotor gira en un sentido las seales cuadradas de salidatienen entre s un desfase de 1/4 de periodo. Cuando gira ensentido contrario el desfase es de 3/4 de periodo, lo cual seutiliza para discriminar el sentido de giro.La resolucin del encoder depender del nmero (N) dedivisiones del rotor o lo que es lo mismo, del nmero deimpulsos por revolucin. La resolucin en grados vale 360/N.



POSICIN

ENCODER INCREMENTAL



POSICIN

1.12.2.2 ENCODERS ABSOLUTOSCuentan con varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concntricas, con zonas opacas o transparentes dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en una serie de sectores, con combinaciones de opacos y transparentes que siguen un cdigo Gray o binario reflejado. El estator dispone de un captador para cada corona del rotor, dispuestos en forma radial. El conjunto de informacin binaria obtenida de los captadores es nico para cada posicin del rotor y representa en el cdigo su posicin absoluta. Para un encoder de N bandas en el rotor, se tendr un cdigo de N bits. Su resolucin ser igual 360/2N. Tpicamente N va de 12 a 16 bits, obtenindose resoluciones entre 0.0879 y 0.00054.



POSICIN

ENCODER ABSOLUTO



POSICIN

1.12.3 Sincros

Es un transductor de posicin angular de tipo electromagntico, quese trata de un transformador con uno de sus devanados rotativo. Eltipo de sincro mas frecuente consta de un primario alojado en elrotor (monofsico) y un secundario alojado en el estator (trifsico).Cuando se aplica una tensin senoidal al devanado del primario, seobtienen en los devanados secundarios de cada una de las fasestres tensiones, cuya amplitud y fase con respecto a la tensin delprimario dependen de la posicin angular del rotor.



POSICIN

Sincro


1.13 Medidores de pequeos

desplazamientos y deformaciones

1.13.1 Transformador diferencial

Dispone de un primario y dos secundarios idnticos acopladosmagnticamente al primero mediante un ncleo mvil. Dicho ncleose hace solidario a un vstago, cuyo desplazamiento se va a medir,de tal forma que, en posicin de reposo, el ncleo est colocadosimtricamente respecto a ambos secundarios y, al desplazarse,queda descentrado. El desplazamiento del ncleo puede ser lineal orotativo. Los dos secundarios se suelen conectar en oposicin, detal forma que, en la posicin cero, las tensiones inducidas en cadauno de ellos son iguales y, por tanto, la tensin total obtenida esnula. Al desplazarse el ncleo, las tensiones de los secundariosdejan de ser iguales y la tensin total vara en mdulo y signosegn la magnitud y sentido del desplazmiento. Tiene resolucionesde algunas dcimas de milmetro.


1.13 MEDIDORES DE PEQUEOS

DESPLAZAMIENTOS Y

DEFORMACIONES

a) LVDT b) RVDT



DESPLAZAMIENTOS Y

DEFORMACIONES

1.13.2 Galgas extensomtricas

Son sensores de deformaciones basados en la variacin de laresistencia de un hilo conductor o de un semiconductor cuandoestn sometidas a esfuerzo de traccin, compresin, torsin, etc.Son utilizados como transductores indirectos de fuerza o de par.En las galgas de hilo la variacin de resistencia se produce pordos causas simultneamente, el aumento de longitud y ladisminucin de la seccin del hilo conductor.En las galgas de semiconductor la variacin de resistencia seproduce simultneamente por el efecto de alargamiento y estriccinde la pista del semiconductor y por efecto piezoelctrico (variacinde la resistividad por deformacin del semiconductor).Es necesario compensar trmicamente las galgas.



DESPLAZAMIENTOS Y

DEFORMACIONES

Galgas de hilo



DESPLAZAMIENTOS Y

DEFORMACIONES

1.13.3 Transductores piezoelctricos

Algunos elementos cristalinos como el cuarzo poseen la propiedad de adquirir una polarizacin en la direccin de los denominados ejes elctricos, cuando se les somete a un esfuerzo y se deforman segn la direccin de los llamados ejes mecnicos. Esta propiedad se aprovecha para obtener sensores de deformacin o indirectamente de fuerza, par o presin. Las formas de aprovechar este efecto son: - Medicin de la carga de polarizacin. - Medicin de la frecuencia de oscilacin. En el segundo caso se le ubica en un circuito oscilador.



DESPLAZAMIENTOS Y

DEFORMACIONES

Transductor piezoelctrico


1.14 TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD

1.14.1 Dinamo tacomtrica

Es un generador de corriente continua con excitacin a base deimanes permanentes. La tensin generada (e) al girar el rotor esproporcional a la velocidad angular de giro (w): e = K.w . Lasensibilidad K est normalmente entre 50 y 100 mV/rpm.

1.14.2 Generadores de impulsos

Es un transductor digital basado en la deteccin de frecuencia degeneradores de impulsos a base de captadores pticos o inductivos,de forma anloga a la indicada para un encoder incremental. Lavelocidad es directamente proporcional a la frecuencia de la sealobtenida, de acuerdo a: f = n.N/60 , donde f: frecuencia en Hz,n: velocidad angular en rpm y N: nmero de impulsos porrevolucin del generador.


1.15 TRANSDUCTORES DE FUERZA Y

PAR

La deteccin de fuerza y par se realiza de forma indirecta a partirde las deformaciones que experimenta un slido bajo la accin dedicha fuerza o par.

Podemos citar el caso de la clula de carga, formada por una piezacilndrica deformable solidaria al ncleo de un transformadordiferencial.

Es de especial importancia la colocacin de los sensores, as comoel diseo de las piezas elsticas para la captacin del esfuerzo en ladireccin deseada.

Algunos transductores de par estn basados en mtodosfotoelctricos.


1.16 GUA PARA EL DISEO DE UN

SISTEMA DE MEDICIN

1. Definir el objetivo de la medicin en base a:

a) La naturaleza de la medicin (presin, flujo, etc.).

b) El rango.

c) La precisin.

d) La linealidad.

e) El nivel de ruido en el ambiente de medicin.

2. Seleccionar el sensor, considerando:

a) La naturaleza de su salida (voltaje, resistencia, etc.).

b) Su funcin de transferencia (relacin entre la salida y la variable medida).

c) La constante de tiempo.

d) El rango de salida para el rango de medicin dado.

e) Especificaciones de potencia.


1.16 GUA PARA EL DISEO DE UN

SISTEMA DE MEDICIN

3. Disear el circuito de acondicionamiento, considerando:

a) La naturaleza de la seal de salida. Lo mas frecuente esvoltaje, pero corriente y frecuencia son tambin utilizadas. Enestos casos hay que realizar conversiones.

b) El rango de la salida. Generalmente son rangos normalizados,por ejemplo 0 a 5 V, 4 a 20 mA.

c) La impedancia de entrada que presenta, para evitar efectosde carga.

d) La impedancia de salida que presenta.


2. ACTUADORES

Son los dispositivos o subsistemas que actan sobre la parte depotencia de la planta. Pueden estar bajo el control directo delcontrolador o pueden requerir alguna operacin de amplificacin oconversin de la seal de control mediante los pre-actuadores.

Atendiendo a la tecnologa se clasifican en:

Actuadores elctricos.

Actuadores hidrulicos.

Actuadores neumticos.

Dentro de estas tecnologas tenemos dos tipos:

Actuadores todo o nada.

Actuadores continuos


2.1 ACTUADORES ELCTRICOS

2.1.1 Rels y contactores

Son dispositivos electromagnticos que conectan o desconectan uncircuito elctrico de potencia al excitar un electroimn o bobina demando.Los rels accionan pequeas potencias, mientras que loscontactores accionan grandes potencias.Los rels accionan contactores, electrovlvulas, etc, es decirseparan la parte de mando de la parte de potencia.

Caractersticas tpicas:

Rels: Tensiones de mando: DC: 6,12,24,48,110V, AC: 12 a220V. Potencia de mando : 0.25 a 5 W.

Contactores:Tensiones de mando: DC: 24,48,110,220V, AC: 24a 380V. Potencia de mando : 5 a 1000 W.



2.1.2 Servomotores DC

Son pequeas mquinas especialmente diseadas para elcontrol de posicionamiento. Su principio de funcionamiento es elde una mquina de continua convencional con excitacinindependiente.

Su comportamiento dinmico es rpido y estable con un par dearranque importante.

Por lo general el inductor se encuentra en el estator y puede serbobinado o de imn permanente. El inducido alojado en el rotorpresenta una inercia mnima.Las formas del rotor mas comunes son: alargado, en forma decesta y de disco.



Modelo de un servomotor DC

Va

+

-

Ia Ra

La

+

-

Eb J

Bo cte.

w



Diagrama de bloques del servomotor DC

1---------Ra+sLa

Kb

Km1

------Js+B

Va + Ia

-Eb

Tm -

Td

+

w

Permite determinar el comportamiento dinmico y seleccionarel controlador para regular la velocidad o posicin de la carga.



2.1.3 Servomotores AC

Para mayores potencias el motor AC presenta ventajas frente alde continua y principalmente la ausencia de colector yescobillas.

Se tienen dos tipos: asncronos y sncronos.

Los asncronos tienen poca linealidad entre par - velocidad. Seles utiliza en accionamientos de velocidad variable acompaadode variadores de frecuencia y en lazo cerrado.

Los sncronos son utilizados en sistemas de posicionamiento.En una mquina sncrona se tiene un devanado estatricoalimentado de CA y el rotor suele estar constitudo por unbloque de hierro (motor de reluctancia) o por imn permanente.



2.1.4 Motores paso a paso

Son motores sncronos que a partir de una seal de mando enforma de impulsos, giran a un cierto ngulo cuyo valor es unnmero entero de veces un ngulo elemental, o paso. Debido aesta caracterstica, este motor es especialmente adecuado parael control en lazo abierto.

Pueden ser de imn permanente, de reluctancia variable ohbridos. Los del primer tipo presentan un par elevado, bajasfrecuencias de trabajo, y elevada inercia. Los de reluctanciavariable pueden girar a mayor velocidad y tener un paso maspequeo. Los hbridos son un intermedio entre ambos tipos.

En general son de potencia baja, pero pueden conseguirsepotencias de 1 kW con un par mximo de 1.7 kgm y 1.8 depaso.



Secuencia de entrada a un motor paso a paso


2.2 ACTUADORES HIDRULICOS Y

NEUMTICOS

2.2.1 Vlvulas

Una vlvula es un dispositivo pre-actuador que permite establecer o cortar laconexin hidrulica o neumtica entre dos o mas conductos o vas.

Tiene dos partes: el elemento de mando y el circuito de potencia.

El elemento de mando se encarga de conmutar la conexin hidrulica oneumtica entre conductos del circuito de potencia. El mando puede sermanual (pulsador), elctrico (electroimn), hidrulico, o neumtico.

Una vlvula 4/2 indica que tiene 4 vas de entrada y/o salida y 2 posiciones.

Las vlvulas de dos posiciones se pueden clasificar en:

monostables, cuando en ausencia de mando tienden a una posicin fija.Permiten realizar funciones tipo AND, OR, NOT (combinacionales).

biestables, cuando en ausencia de mando permanece en la ltimaposicin que tuvo. Permiten realizar la funcin memoria (secuencial).



NEUMTICOS

Tipos de vlvulas

2/2 3/2 4/2

5/2 5/3 (vstago bloqueado)



NEUMTICOS

2.2.2 Servovlvulas

- Es una vlvula que es capaz no solo de abrir o cerrar un circuitohidrulico o neumtico, sino de regular la presin o el caudal travsde un determinado conducto siguiendo una cierta magnitud deconsigna de tipo elctrico. -Generalmente se tratan de componentes oleohidrulicos con undispositivo motorizado que regula la posicin de un pistn de tipocnico, un obturador de tipo rotativo o un distribuidor. -Sus parmetros a considerar para efectos de control son:

a) Sensibilidad: Relacin entre el caudal de salida y la sealanalgica de control en rgimen permanente.

B) Constante de tiempo: Es el tiempo que tarda la vlvula enalcanzar el rgimen permanente, cuando se aplica un escaln dereferencia.



NEUMTICOS

I/P

Servovlvula reguladora de caudal

Seal decontrolador

Actuador neumtico

Vstago



NEUMTICOS

Tipos de servovlvulas de acuerdo a su respuesta

De aberturarpida

Lineal

De igualporcentaje

Caudal

Posicin del vstago



NEUMTICOS

2.2.3 Cilindros

- Son dispositivos que permiten obtener un movimiento linealaplicando una presin a uno u otro lado del mbolo.- Segn sus posibilidades de posicionamiento se clasifican en:de simple efecto , de doble efecto y de accin diferencial.

Los de simple efecto permiten empujar en un solo sentido yretornar automticamente al origen por la accin de un muelle.

Los de doble efecto permiten empujar en ambos sentidos.

Los de accin diferencial permiten mantener el mbolo encualquier posicin .



NEUMTICOS

Cilindro de simple efecto con vlvula 3/2



NEUMTICOS

Cilindro de doble efecto con vlvula 4/2



NEUMTICOS

2.2.4 Motores neumticos e hidrulicos

Los motores neumticos son ligeros y compactos. El arranque y paro esmuy rpido y pueden trabajar con velocidad y par variables sinnecesidad de un control complejo. Pueden trabajar sin problemas hastatemperaturas de 120 C y soportan sobrecargas. En el caso de motoresreversibles, pueden cambiarse el sentido de giro sin producir sacudidassobre la carga. En robtica son muy utilizados los de tipo rotativos conreductor, utilizndose tambin los de pistn radial y axial.

Los motores hidrulicos permiten manejar cargas importantes. Nopresentan problemas de refrigeracin y soportan sobrecargas. Lavelocidad de rotacin es regulable y la inversin del sentido de giro essimple. Manteniendo constante el caudal y la presin se puedeaumentar la velocidad disminuyendo la cilindrada, aunque esto significauna disminucin de par.



NEUMTICOS

MOTOR NEUMTICO


Sensores Transductores y Actuadores

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