TEMA 9 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL1. El sistema de control: elementos2. Transductores

2.1 Transductores de posicin 2.2 Transductores de proximidad2.3 Transductores de movimiento 2.4 Transductores de presin2.5 Transductores de temperatura 2.6 Transductores de velocidad2.7 Transductores de luz

3. Comparadores3.1 Comparadores elctricos3.2 Comparadores electrnicos

4. Reguladores o controladores5. Actuadores o accionadores

5.1 Rels5.2 Motores paso a paso (steppers)5.3 Servomotores5.4 Electrovlvulas y servovlvulas

1. EL SISTEMA DE CONTROL: ELEMENTOS

Transductores y captadores:En cualquier sistema de control hay que identificar el proceso sobre el cual actuar (ej: calor en el interior de un horno) y medir las variables (ej: T a partir de alguna propiedad-termopar) para luego expresar el resultado de la medida (ej: display), de esto se encargan los transductores.Los transductores se encargan de traducir (transformar) una magnitud de entrada en otra de salida que sea fcil de procesar, por lo general una seal elctrica.Transductores es la denominacin general de: sensores, detectores, captadores o transmisores.

El concepto ms genrico del transductor es el de SENSOR, que mide el valor de una magnitud, esta posteriormente se tiene que transformar en una seal que se pueda manipular, funcin que efecta el TRANSMISOR.

Tanto el transductor como el captador son dispositivos similares su diferencia radica en su posicin en el sistema de control, tanto uno como otro utilizan sensores.El transductor se sita en el inicio del sistema y acondiciona la seal de mandoEl captador coge la seal de salida y la enva al comparador para confrontarla con la seal del transductor.Los comparadores proporcionan una seal al regulador segn la diferencia entre el valor de salida y el esperado.Los reguladores (P, PD, PI,PDI) se encargan de las respuestas.Los actuadores actan sobre el proceso segn la orden del regulador, ej: abren cierran, se pone en marcha el motor

2. TRANSDUCTORES

CLASIFICACIONES:Segn la forma de la seal convertida:

Analgicos: la seal es continua como el voltaje. Digitales: producen la seal de salida como un

conjunto de bits en paralelo, a pulsaciones, cada seal representar un valor. Tienen la ventaja de que son compatibles con los ordenadores, sin necesidad de DAC.

Segn la alimentacin: Pasivos: necesitan alimentacin. Activos: generan seal sin necesidad de alimentacin

externa.Segn la magnitud fsica detectada: de posicin, de proximidad, de movimiento, de presin, T, luz, velocidad

Los transductores de posicin son dispositivos capaces de responder a una seal mecnica. Los microrruptores son interruptores que obedecen a una seal mecnica externa. Se utilizan para pequeas potencias.Los pulsadores son dispositivos de accionamiento manual capaces de transmitir una seal elctrica. Pueden ser de diferentes formas y se clasifican segn su campo de aplicacin. Los finales de carrera son mecanismos que transmiten las seales mecnicas que capta el microrruptor.

2.1 Transductores de posicin

Los transductores de proximidad son dispositivos capaces de responder con una seal frente a un objeto situado en su entorno.

Detectores de proximidad inductivos: Son dispositivos que basan su actuacin en la accin de un campo magntico; funcionan a partir de la variacin del campo magntico producido en una bobina detectora como consecuencia del acercamiento o del alejamiento de un objeto.

2.2 Transductores de proximidad

La permeabilidad magntica es la facilidad que poseen ciertos cuerpos para dejarse atravesar por los campos magnticos.

a) Materiales ferromagnticos: poseen una permeabilidad mucho mayor que la unidad.b) Materiales paramagnticos: tienen una permeabilidad igual a la unidad.c) Materiales diamagnticos: presentan una permeabilidad menor que la unidad.

Funcionamiento de un detector de proximidad inductivo:

-Detectores de proximidad capacitivos: son dispositivos que basan su actuacin en la accin de un campo elctrico. Se fundamentan en la variacin de capacidad existente entre una placa sensora y tierra.

El detector de proximidad capacitivo tambin puede ser utilizado para detectar materiales conductores. En este caso, basta sustituir la capacidad C1 por la resistencia R correspondiente al material conductor

Detectores de proximidad magnticos: son los conocidos como rels o interruptores reed. Consisten en un par de contactos ferromagnticos encerrados al vaco dentro de un tubo de vidrio

-Al acercarse a un campo magntico, los contactos se unen y se cierra el circuito elctrico en el que se encuentra el detector.

-Cuando desaparece el campo magntico, la rigidez de los contactos hace que se separen y se abra el circuito elctrico.

Detectores de proximidad pticos: es un dispositivo que responde al cambio en la intensidad de la luz. Consta de dos elementos, un emisor y un receptor de luz, ya sea separados o integrados en un mismo cuerpo.

Son los dispositivos capaces de medir la distancia entre objetos. Estudiaremos los potencimetros, el transformador diferencial, el medidor lser y los encoders.

Potencimetros: Transductores compuestos por una resistencia variable cuyo valor depende de la posicin del cursor. Un ejemplo los controladores de volumen. Son los ms sencillos pero presentan un inconveniente pero presentan un problema de rozamiento.

2.3 Transductores de movimiento

Transformador diferencial: Constituido por un devanado primario, dos

secundarios y un ncleo mvil. Se basa en la variacin de inductancia.

Debido a su gran sensibilidad se usa para medir pequeas distancias.

Medidor lser:Se emite un rayo de una longitud de onda que al llegar al objetivo se refleja y va al receptor.

Encoders: Son los transductores de movimiento angular. Los hay dos tipos:

incrementales y absolutos. Incrementales:

Consisten en un disco que dispone de dos ranuras, gira sobre un eje y un haz de luz, que es recogido por un diodo, se sita en uno de los lados. Calcula el movimiento del giro del eje.

Los encoders incrementales pueden ser unidireccionales (solo se usa una de las ranuras) o bidireccionales (se usan las dos y permite determinar el sentido de rotacin)

Absolutos:Discos divididos en sectores de color blanco o negro. Funciona

mediante reflexin y proporcionan un valor absoluto.

2.4 Transductores de presinLos transductores de presin, son elementos que se utilizan en los procesos industriales, para controlar la presin a la cual est sometido un objeto.Tipos de transductores de presin:

Transductores mecnicos. Transductores electromecnicos Transductores electrnicos

Transductores electromecnicos

Son transductores mecnicos con un transductor elctrico aadido encargado de generar la seal elctrica. Pueden ser de varias clases segn el tipo de funcionamiento y se clasifican en: resistivos, magnticos, capacitivos, extensiomtricos y piezoelctricos.

Transductores electromecnicos resistivos:Son los ms sencillos, es basan en la variacin de resistencia que se produce en una bobina, en funcin de la posicin del cursor.Esta posicin depende de un muelle que acta como apoyo. Transductores electrnicos:Son unos tipos de transductores, utilizados para trabajos, que por algn motivo se precisa un margen de error muy reducido, ya que estos dispositivos permiten obtener medidas de mucha precisin.

Transductores electromecnicos piezoelctricos:Se basan en la propiedad de los materiales piezoelctricos, es decir, generan una seal elctrica cuando son sometidos a una presin.Algunas de las principal caractersticas de estos dispositivos son:

-Su robusteza-Una frecuencia de trabajo hasta los 500 kHz.-Permiten medir un amplio rango de presiones.

Existen varias formas de medir y controlar la temperatura segn si el dispositivo tienen o no contacto fsico con el objeto, aqu estudiaremos los:

Termopares Termisores Termoresistencias

2.5 Transductores de temperatura

Termopares:Esta constituido por dos metales unidosmediante soldadura en uno de susextremos, esta soldadura se denominaunin caliente.Se basan en la fuerza electromotriz creada en la unin de dos metales distintos por uno de sus extremos, efecto Seebeck. Cuando la unin se calienta aparece una diferencia de potencial entre los extremos libres.Tipos:

Termistores:

Se basan en la variacin de la resistenciade un semiconductor con la temperatura.Se clasifican en:- Termistores o resistencias NTC: son de coeficiente de temperatura negativo, es decir la R al aumentar la temperatura y viceversa. - Termistores o resistencia PTC: son de coeficiente de temperatura positivo, es decir R al aumentar la temperatura y R cuando la temperatura baja.

Termoresistencias RTD:

Estn constituidas por un hilo muy finode un conductor metlico, bobinado entrecapas de material aislante y protegido conun revestimiento de vidrio o de cermica.Para el hilo se pueden emplear platino, nquel, cobre o wolframio. Se basan en la variacin de la resistencia de un conductor con la temperatura.

Son los encargados de determinar la velocidad de desplazamiento de un objeto. Los hay de dos tipos:

Transductores de movimiento Tacmetros

Tacmetros: Los tacmetros mecnicos transmiten la informacin del nmero

de vueltas. Un ejemplo es el regulador industrial de bolas. Los tacmetros electrnicos: generan una seal de corriente

continua (dinamos tacomtricas) o una de corriente alterna (alternadores tacomtricos).

Los tacmetros pticos funcionan de una manera parecida a los encoders.

2.6 Transductores de velocidad

2.7 Transductores de luzHacen uso de las radiaciones luminosas. Los mas importantes son:-Resistencias LDR: varan su resistencia dependiendo de la luz que inciden sobre ellas. Son de coeficiente de luz negativo, es decir la R al aumentar la luz o viceversa.-Fotodiodos: su funcionamiento se basa en la conduccin inversa de un diodo cuando ste se somete a la accin de la luz. Al aumentar la cantidad de luz incidente se incrementa la circulacin de corriente inversa. Cuando no hay luz se comportan como un diodo normal.-Fototransistores: funcionan de manera similar a la de un transistor normal en el que la corriente que se inyecta por la base del transistor ha sido suministrada por la luz.

3. COMPARADORESLos comparadores son los elementos del sistema de control encargados de proporcionar una seal en funcin de la comparacin de dos seales.Para comparar las seales, deben ser del mismo tipo.La mayora de comparadores son elctricos o electrnicos.

3.1 Comparadores elctricos

El potencimetro lineal consiste en dos potencimetros unidos por uno de sus extremos y conectados a la tensin de alimentacin.

v = Va VbEn el potencimetro angular la seal de error es proporcional a la diferencia de los ngulos.

e = V(1 - 2) / 2

3.2 Comparadores electrnicosLos comparadores electrnicos son dispositivos que incorporan algn componente electrnico para su funcionamiento.El amplificador operacional ofrece una tensin de salida de acuerdo con:

Vs = K(Vc - Vr)Donde el valor de K depende de las caractersticas de cada operador.

4. REGULADORES O CONTROLADORES

Regulador P. Consigue un compromiso entre la respuesta en rgimen transitorio y en rgimen permanente.Regulador I. Anula todo error en rgimen permanente. No se suele utilizar.Regulador D. Se anticipa al error. No se suele utilizar.Regulador PD. Partiendo del regulador P mejora la respuesta en rgimen transitorio.Regulador PI. Partiendo del regulador P mejora la respuesta en rgimen permanente.Regulador PID. Combina los reguladores anteriores para conseguir un control ptimo.

5. ACTUADORES O ACCIONADORESActuador: Dispositivo capaz de actuar sobre el proceso, una vez recibida la orden de mando o control del regulador, si lo hay, o bien directamente del comparador. Suele ser una seal elctrica y de baja potencia, mientras que el actuador puede ser elctrico o incluso neumtico o hidrulico.Amplia gama de actuadores que dependen de la naturaleza del proceso.

5.1 RelsMuchos de los controladores comerciales, incorporan un rel a su salida para que este actue directamente sobre el proceso. Lo normal, o mas comn es que el rel, abra o cierre un circuito elctrico.De esta forma, para controlar una carga de gran capacidad, se utiliza normalmente, un rel de carga externo auxiliar que permite prolongar la vida til del rel principal.Es recomendado el uso de un circuito de proteccin del rel interno que permita suprimir el ruido elctrico y evitar la disposicin de carbonilla en sus contactos.Las diferentes tipos de protecciones sern ampliadas a continuacin.

Rels: ejemplos aplicaciones

Proteccin por resistencia / condensadorEl funcionamiento del circuito, es el siguiente:Cuando el contacto del rel interno est cerrado, la carga inductiva de la bobina almacena una cierta cantidad de energa elctrica.Al abrirse el contacto, la energa almacenada en la bobina se descarga por el condensador C, con lo que se evita que afecte al contacto del rel.La resistencia R limita la corriente que circula por el condensador.

Proteccin por diodoEl circuito consiste en conectar un diodo en paralelo con la bobina y su funcionamiento es el siguiente:Cuando el contacto del rel interno est cerrado, la carga inductiva de la bobina almacena una cierta cantidad de energa elctrica.Al abrirse el contacto, la tensin inversa generada por la bobina de descarga sobre si misma a travs del diodo colocado en antiparalelo.

Proteccin por varistorLos varistor son resistencias dependientes de la tensin, es decir, elementos cuyo valor hmico, aumenta conforme se incrementa la tensin. De este modo, la seal de salida puede ser constante aunque vare la tensin.Este circuito previene la aplicacin de picos de tensin a los contactos.Debido a la frecuencia de uso a la que est sometida el rel cuando el regulador actua en modo proporcional, sea PI, PD o PID, se utiliza como rel de salida un rel de estado slido (SSR) cuya vida til es an mayor.

Rel de estado slidoLos SSR, presentan un empleo en aumento, con rapidez puesto que los dispositivos o equipos que los incorporan no necesitan prcticamente mantenimiento, podra afirmarse que la vida til es ilimitada si se usan del modo adecuado.Caractersticas tcnicas:No provocan la aparicin de arcos elctricos ni rebotes de la seal, ya que no disponen de partes metlicas.Son muy compactos y resistentes a vibraciones y golpes.No generan ruido elctrico.Tampoco hay realimentacin de carga de entrada.

5.2 Motores paso a paso (steppers)El motor paso a paso es un dispositivo electromecnico que convierte una serie de impulsos elctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control.Segn los tipos , el ngulo de paso puede variar entre 1,8 hasta 15.Un motor cuyo paso sea de 15 necesitar 24 impulsos para girar una vuelta completa.En cambio, uno de 1,8 necesitar 200 impulsos para girar completamente.Existen de dos tipos: Los motores paso a paso unipolares y los motores paso a paso bipolares

5.3 ServomotoresLos son dispositivos que incorporan Un servomotor es un motor elctrico que posee la capacidad de ser controlado, tanto por velocidad como en posicin.Una de las tecnologas de los servomotores ms actuales se el llamado ''brushless''.Estos pueden ser de 2 tipo en funcin de la seal utilizada:- De conmutacin tipo bloque o de corriente continua.- De conmutacin sinusoidal.

5.4 Electrovlvulas y servovlvulasElectrovlvula: Vlvula neumtica o hidrulica accionada o pilotada por efecto de la corriente elctrica.

Servovlvula: Dispositivo encargado de regular la presin o caudal del fluido a travs suyo.