Source: https://es.scribd.com/document/70812520/Sensores-y-actuadores
Timestamp: 2016-07-24 19:00:18+00:00

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Tal como se ha dicho en los capítulo anterior es la cadena de realimentación resulta imprescindible en muchos automatismos industrial es para poder realizar un control en el lazo cerrado, con las conocidas ventajas en cuanto a la cancelación de errores y posibilidades de regulación precisa y rápida. A su vez, dicha cadena de realimentación requiere unos elementos de captación de las magnitudes de la planta, a los que llamamos genéricamente censores o transductores y unos circuitos adaptadores llamados circuitos de interfaz. Por otro lado, es evidente la necesidad de algunos accionamientos o elementos que actúan sobre la parte de potencia de la planta. La potencia necesaria para actuar sobre los accionamientos puede ser considerable y a veces no puede ser suministrada directamente por el sistema recontrol. En tales casos, se requieren unos elementos intermedios encargados reinterpretar las señales recontrol y actuar sobre la parte de potencia propiamente dicha. Dichos elementos se denominan habitualmente preaccionamientos y cumplen una función de amplificadores, ya sea para señales analógicas o para señales digitales. En el presente capitulo nos centraremos en el estudio de los censores y fraccionamientos ligados a sistemas de control de equipo eléctrico o electrónico, básicamente autómatas programables. En definitiva, nos ocuparemos básicamente de aquellos sensores cuya salida es una señal eléctrica o electromagnética y de los preaccionamientos gobernados por señales eléctricas. También es habitual que los sensores adquieran una adaptación de la señal eléctrica que suministra para que sean conectáble a un determinado sistema de control. Esta función la realízalos bosques de interfaz, que pueden ser totalmente independientes del sensor o estar parcialmente incluidos en él. En cualquier caso, en las descripciones que vamos a dar aquí, pretendemos aclarar especialmente el principio del funcionamiento del captador propiamente dicho e incluiremos únicamente la parte de interfaz que incorporen habitualmente los sensores disponibles comercialmente. Los circuitos de interfaz estándar se estudiaran en mayor detalle en el capitulo 8. 7.2 SENSORES CLASIFICACION Los términos <<censor>> y <<tranductor>> se suelen aceptar como sinónimos, aunque, si hubiera que hacer alguna distinción, en el término transductor es quizás más amplio, incluyendo una parte sensible o << captador>> propiamente dicho y algún tiempo de circuito descondicionamiento de señal detectada. Si nos centramos en el estudio de los transductores cuya salida es una señal eléctrica, podemos dar la siguiente definición: <<Un transductor es un dispositivo capaz de convertir el valor de una magnitud física en una señal eléctrica codificada ya sea una forma analógica o digital>> No todos los transductores tienen porque dar una salida en forma de señal eléctrica como ejemplo puede valer el caso de un termómetro basado en la diferencia de dilatación de una lamina metálica, donde la temperatura se convierte directamente en un desplazamiento de una aguja picadora. Sin embargo, el termino transductor suele asociarse bastante a dispositivos cuya salida es a una magnitud eléctrica o magnética y, por otro lado, nos interesa aquí solo este tipo de transductores, en la medida que son elementos conectables a autómatas programables a través de las interfases adecuadas. Limitándonos pues, a los transductores basados en fenómenos eléctricos o magnéticos, estos suelen tener una estructura general consola que se muestra en la figura 7.1, en la cual podemos distinguirlas siguientes partes:
Elemento sensor o captador. Convierte las variaciones de una magnitud física en variaciones de una magnitud eléctrica o magnética que denominaremos habitualmente señal. Bloque de tratamiento de señal. Si existe, suele filtrar, amplificar, linealizar y, en general modifican la señal obtenida en el captador, por regla general utilizando circuitos electrónicos. Etapa de salida. Esta etapa comprende los amplificadores, interruptores, conservadores de código, transmisores y, en general, todas aquellas partes que adaptan la señal a las necesidades de la caga exterior.
MAGNITUD DETECTADA Posición lineal o angular Pequeños desplazamientos deformaciones Velocidad lineal o angular
TRANSDUCTOR Potenciómetro Encoders Sincro y resolver Transformador diferencial o Galga extensométrica
CARACTERISTICAS Analógico Digital Analógicos Analógico Analógico Analógico Digital Digitales Analógico Digital Analógicos Analógicos Analógicos Analógicos Analógicos Analógico Analógico Analógico Todo – nada Todo – nada Todo – nada o analógicos Todo – nada Todo – nada o Analógicos Analógicos Todo – nada Todo – nada Analógico Procesamiento digital por puntos o pixels
Dinamo tacométrica Encoders Detector inductivo u óptico Aceleración Acelerómetro censor de velocidad + calculador Fuerza y par Medición indirecta (galgas o trafos diferenciales) Presión Membrana + detector de desplazamiento Piezoeléctricos Caudal De turbina Magnético Temperatura Termopar Resistencias PT100 Resistencias NTC Resistencias PTC Bimetálicos censores de presencia o Inductivos proximidad Capacitivos Ópticos Ultrasónicos censores táctiles Matriz de contactos Matriz capacitiva piezoeléctrica u óptica Piel artificial Sistemas de visión Cámaras de video y artificial tratamiento de imagen Cámaras de CCD
Podemos dar varias clasificaciones de transductores de todo tipo eléctrico o magnético, atendiendo diversos puntos de vista que vamos a repasar a continuación. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE SEÑAL DE SALIDA. Atendiendo la forma de codificar la magnitud medida podemos establecer una clasificación en: -Analógicos: Aquellos que dan como salida un valor de tensión o corriente variable en forma continua dentro del campo de medida. Es frecuente que este tipo de transductores que incluyan una etapa de salida para suministrar señales normalizadas 0-10 V o 4-20 mA. -Digitales: Son aquellos que dan como salida una señal codificada en forma de pulsos o en forma de una palabra digital codificada en binario, BCD u otro sistema cualquiera. -Todo – nada: indican únicamente cuando la variable detectada rebasa un cierto umbral o limite. Pueden considerarse como un caso limite de los censores digitales en el que codifican solo dos estados.
Este tipo de censores.
7. Para definir el comportamiento real de los transductores se suelen comparar estos con un modelo ideal de comportamiento o con un transductor <<patrón>> y se define una serie de características que pone en manifiesto las relaciones respecto a dicho modelo. es el hecho de que el captador propiamente dicho requiera o no una alimentación externa para su funcionamiento. a base de dar una respuesta temporal ante determinados estímulos estándar o a base de identificar el comportamiento del transductor como sistema estándar como los estudiamos en el capitulo 3 e identificar las constantes de tiempo relevantes. para fuerza y par se utilizan captadores de deformación unidos a piezas elásticas eléctricas. provoca cambios de tensión o de corriente en un circuito. tal como se ha visto en el capitulo 3 la relación salida/entrada en régimen permanente depende casi exclusivamente del bucle de realimentación.1 se da un resumen de los mas frecuentes utilizados en los automatismos industriales. Efecto fotovoltaico. tiene un campo limitado de validez.Otro criterio de clasificación relacionado con la señal de salida. Los censores activos son en realidad generadores eléctricos. Sin embargo. por lo general. existe una gran variedad de censores en la industria. Obsérvese que en la columna encabezada como <<TRANSDUCTOR>> aparece a veces el nombre del elemento captador de dicho transductor. así pues. generalmente de pequeña señal. la respuesta real de los transductores nunca es del todos lineal. dejando a la do las características constructivas particulares de cada transductores o de cada sistema de medida previsto como lazo de realimentación. etc. Electromagnetismo (inducción electromagnética) Piroelectricidad. aunque si suelen necesitarla para amplificar la débil señal del captador. Los censores pasivos se basan. en la modificación de la impedancia eléctrica o magnética de un material bajo determinadas condiciones físicas y químicas (resistencias. características dinámicas: que describen la actuación del censor en régimen transitorio.
. Por ello no necesita alimentación exterior para funcionar. En general. Dichas características pueden agruparse en dos grandes grupos:
Características estáticas: que describen la actuación del censor en régimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir. En la tabla 7. Un transductor ideal seria aquel en que la relación entre la magnitud de salida y la variable de entrada fuese puramente proporcional y de respuesta instantánea e idéntica para todos los elementos de un mismo tipo. los principios físicos en los que suelen estar basados los elementos censores son los siguientes: cambios de resistividad. En el primer caso se denominan censores pasivos y en el segundo caso activos o directos.3 CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS SENSORES El comportamiento de un sistema de lazo cerrado depende muy directamente de los transductores e interfases empleados en el lazo de realimentación. inductancia. los cuales son recogidos por el circuito de interfaz. capacidad.). suele estar afectada por perturbaciones del entrono del exterior y tiene un cierto retardo a la respuesta. Es mas. Termoelectricidad. En cuanto a la naturaleza de la magnitud física a detectar. debidamente alimentados. reluctancia. Así por ejemplo. sobre todo en casos de medición indirecta. es importante conocer diversos aspectos genéricos de su comportamiento a fin de prever o corregir la actuación tanto estática como dinámica de lazo de control. CLASIFICACION SEGÚN LA MAGNITU FÍSICA A DETECTAR.
La precisión define la máxima desviación entre la salida real obtenida de un censor en determinadas condiciones de entorno y el valor teórico de dicha salida que correspondiera. que produce una desviación de la salida con respecto al valor teórico. pues. según el modelo ideal especificado como patrón. mientras que en un transductor de respuesta no lineal depende del punto en que se mida.
Características que indica la máxima desviación entre valores de salida obtenidos al medir varias veces un mismo valor de entrada.
Se dice que un transductor es lineal si existe una constante de proporcionalidad única que relaciona los incrementos de señal de salida con los correspondientes incrementos de señal de entrada.
Indica la capacidad del censor para descirbir entre valores muy próximos de la variable de entrada. La sensibilidad se mide. Lo no linealidad se mide por la máxima desviación entre la respuesta real y la característica puramente lineal. con una tolerancia aceptable. Un censor es tanto mas sensible cuanto mayor sea la variación de la salida producida por una determinada variación de entrada.
7. con el mismo censor y en idénticas condiciones ambientales.
. en todo el campo de medida. Se mide por la mínima diferencia entre dos valores próximos que el censor es capaz de distinguir.
Se entiende por ruido cualquier perturbación aleatoria que del propio transductor o del sistema de medida. Se suele indicar en valor absoluto de la variable en entrada o en porcentaje sobre el fondo de escala de salida.A continuación se dan las definiciones de las características estéticas y dinámicas más relevantes que suelen aparecer en la mayoría de las especificaciones técnicas de los transductores.
Característica que indica la menor variación de la salida por unidad de la magnitud de entrada. referida al fondo de escala. en idénticas condiciones. Se suele expresar en porcentaje referido al fondo de escala y da una indicación del error aleatorio del censor.1
Es el rango de valores en la magnitud de entrada comprendiendo entre el máximo y el minimo detectables por un censor.3. por la relación:
Δ magnitud de salida Δ magnitud de entrada
Obsérvese que para que para transductores lineales esta relación es constante en todo el campo de medida.
7. A continuación damos un resumen de las características dinámicas más importantes:
La velocidad de respuesta mide la capacidad de un transductor para que la señal de salida siga sin retraso las variaciones de la señal de entrada.
. es decir.HISTÉRISIS
Se dice que un transductor presenta histérisis cuando.3.1 %. términos que suelen confundirse a veces. dos constantes de tiempo dominantes. con una tolerancia de +. pues. cuando a la entrada se le aplica un cambio de escalón.
Relación entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada es una excitación senoidal. Se suele identificar gráficamente mediante un grafico de Bode. La forma de cuantificar este parámetro es a base de una o más constantes de tiempo. Los principales parámetros que caracterizan el comportamiento dinámico de un transductor será. Obsérvese que la histérisis puede no ser constante con todo el campo de medida. es decir. repetibilidad y sensibilidad. los que se definen para estos tipos de sistemas. Se suele medir en términos de valor absoluto de la variable física o en porcentaje sobre el fondo de escala. con una o máximo. Los parámetros más relevantes empleados en la definición de la velocidad de respuesta son los siguientes: Tiempo de retardo Es el tiempo transcurrido desde la aplicación del escalón de entrada asta que la salida alcanza el 10 % de su valor permanente. Obsérvese la clara diferencia entre los términos resolución.2
La mayor parte de transductores tienen un comportamiento dinámico que se puede asimilar a un sistema de primer o segundo orden. Tiempo de establecimiento al 99 % Es el tiempo transcurrido desde la aplicación de un escalón de entrada hasta que la respuesta alcanza el régimen permanente. a igualdad de la magnitud de entrada. Solo cabe destacar que los transductores que responden a modelos de segundo orden suelen ser sistemas sobre amortiguados. sistemas en los que no hay rebasamiento de en la respuesta al escalón. En el caso de censores todo – nada se denomina histéresis a la diferencia entre el valor de entrada que provoca el basculamiento de 0 1 y aquel que provoca el basculamiento inverso de 1 0. Constante de tiempo Para un transductor con respuesta de primer orden se puede determinar la constante de tiempo a base de medir el tiempo empleado para que la salida alcance el 63% de su valor de régimen permanente. incluso en alguna bibliografía. Tiempo de subida Es el tiempo transcurrido desde que la salida alcanza un 10 % de su valor permanente hasta que llega por primera vez al 90 % de dicho valor. precisos. la salida depende de dicha entrada se alcanzo con aumentos en sentido creciente o en sentido decreciente. que suelen obtenerse de la respuesta al escalón.
o triac). lo estudiaremos como verdaderos medidores de posición.
.4 TRANSDUCTORES DE POSICION: CONCEPTOS GENERALES
Los transductores de posición permiten medir la distancia de un objeto respecto a un punto o eje de referencia o simplemente detectar la presencia de un objeto a una cierta distancia. Se trata de censores de posición especialmente diseñados para detectar pequeñas deformaciones o movimientos. se trata de censores con respuesta todo – nada. pudiendo actuar como interruptores de CC o de CA. Detectores Ultrasónicos
Por lo general.5. Atendiendo al tipo de alimentación (CC o CA). Transductores de pequeñas transformaciones. Detectores Ópticos. al tipo de salida y a la forma de conexión podemos clasificar los detectores de proximidad en diferentes grupos (figura 7. El más elemental de estos censores es quizás el conocido interruptor final de carrera por contacto mecánico. Medidores de distancia o posición. alimentación u otras perturbaciones. Detectores Capacitivos.2).
7. En tal caso. Entregan una señal analógica o digital que permite determinar la posición lineal o angular respecto a un punto o eje de referencia. Pero algunos de ellos pueden llegar a dar una salida analógica proporcional a la distancia.5 DETECTORES DE PROXIMIDAD 7.ESTABILIDAD Y DERIBADAS
Características que indican la desviación de la salida del censor al variar ciertos exteriores distintos del que se puede medir. Muchas veces se emplean adosados a piezas elásticas o con palpadores como transductores indirectos de fuerza o de par. Se trata de censores de posición todo – nada que entregan una señal binaria que informa de la existencia o no de un objeto ante el detector. Precisamente su capacidad de medida o solo indicación de presencia y la capacidad de medir distancias más o menos grandes permiten establecer una división en los grupos que se citan a continuación:
detectores de presencia o proximidad.
7. con una cierta histéresis en la distancia de detección y con salida a base de interruptor estático (transistor. tales como condiciones ambientales.1 Conceptos generales
Los detectores de proximidad pueden estar basados en distintos tipos de captadores siendo los mas frecuentes los siguientes:
-Detectores todo-nada de CA.2 CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE SALIDA. Se trata de detectores cuya salida es un interruptor estático de CA a base de tiristores o triacs. -Detectores Namur. Precisamente el tipo de transistor determina la forma de conexión de la carga.
CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE CONEXIÓN. Detectores de tipo inductivo previsto para funcionamiento en atmósferas explosivas. -Conexión a tres hilos. Ésta es la más frecuente para los detectores de CC con salida por transistor. no pueden utilizarse mas que para CA. Únicamente los de tipo óptico y ultrasónico pueden detectar distancias considerables con una resolución aceptable. Se tiene un hilo común para alimentación y carga y los otros 8
.Figura 7. Los de tipo inductivo y capacitivo tienen una linealidad y una resolución bastante pobres. En general se usan como captador en atmósferas explosivas y la señal que generan se conecta a un amplificador externo con relé de salida -Detectores con salida analógica. Se trata de detectores cuya salida suele ser un transistor PNP o NPN. como si se tratara de un interruptor electromecánico. -Conexión a dos hilos. aunque como se ha dicho no son propiamente interruptores. La actuación puede considerarse todo o nada con una histéresis . Son detectores de dos hilos que absorben una intensidad alta o baja dependiendo de la presencia o no del objeto detectado. -Detectores todo-nada de CC. Los sensores NAMUR siguen también una conexión de dos hilos. La conexión suele ser a dos hilos y permite detectar un rango de distancias limitado. que hacen que no puedan emplearse como verdaderos medidores de distancia. ya que para CC una vez cebados no desenganchan.234). El sensor se conecta en serie con la carga. Esta conexión es habitual para los detectores de CA. según recomendaciones NAMUR (DIN 19. Por lo general. Los detectores con salida analógica dan una corriente proporcional a la distancia entre el cabezal detector y el objeto a detectar. igual que los tipos mencionados anteriormente. sino que precisan de un circuito auxiliar externo.
. Esto implica que no pueden trabajar por debajo de una cierta tensión de alimentación y que requieren una mínima corriente de carga para asegurar una buena conmutación.2 Detectores inductivos Este tipo de detectores sirven para detectar la proximidad de piezas metálicas en un rango de distancias que va desde 1 mm a unos 30 mm. los detectores de proximidad suelen tener salida estática a base de tiristores o transistores. Este tipo de conmutadores presentan siempre una caída de presión residual en el estado cerrado y una corriente de fugas en el estado abierto. M18 y M30.036.4). Desde el punto de vista de su aptitud para ser usados como elementos de mando en los autómatas. los detectores con excesiva corriente de fugas no son aptos para accionar las entradas de los autómatas. en montaje conmutado) corresponden al contacto de salida para control de la carga. La distancia de detección está definida según norma para una placa cuadrada de acero ST57 de 1 mm de espesor y de dimensiones acordes al diámetro del cabezal sensible.037.032. y otros dos (o tres. una excesiva corriente de fugas puede ocasionar problemas de interpretación de nivel alto de entrada cuando en realidad el interruptor está desactivado. Se suele emplear para detectores de CC.5. -Forma C de paralelepípedo con cabeza orientable. de forma que el flujo se cierra en la parte frontal a través de la zona sensible. M12. La presencia de metal dentro de dicha zona sensible altera la reluctancia del circuito magnético. con una posible resolución del orden de décimas de milímetro.6 y 1. La bobina está construida sobre un núcleo de ferrita abierto en forma de “pot-core” (ver detalle en la figura 7. Para otros tipos de metal y otras dimensiones la distancia nominal de detección debe corregirse con un factor de valor entre 0.3): -Forma A cilíndrica roscada con diámetros normalizados de M8. EN 50. además. A su vez. CARACTERÍSTICAS DE SALIDA. Por ello. atenúa el circuito oscilante y hace variar la amplitud de oscilación. La ejecución mecánica y eléctrica está normalizada a nivel europeo por CENELEC (normas EN 50.038) Mecánicamente las mencionadas normas definen varios tipos (figura 7. Emplean dos hilos para la alimentación. La detección de dicha amplitud permite obtener una señal de salida todo-nada. El hilo común debe conectarse al terminal negativo de la alimentación para transistores PNP y al terminal positivo para los de tipo NPN -Conexión a cuatro o cinco hilos. A nivel de bloques están formados por un circuito oscilador L-C con alta frecuencia de resonancia. otros tipos sin rosca con tamaños de diámetro de 4 a 5 mm. Generalmente son utilizados para distancias grandes.4 a 0. 7. Existen.dos son diferenciados uno para la alimentación y otro para la carga. dependiendo de si se puede o no enrasar el cabezal detector en metal. EN 50. todos ellos pueden ser de tipo enrasable o no enrasable. Como se ha dicho. EN 50.
depende mucho del tipo de metal y de las condiciones ambientales. la medida es muy imprecisa.3 Formas constructivas de los detectores de proximidad
La variación de amplitud de la oscilación.
. puede utilizarse para obtener una señal analógica de posición. resistencia a ambientes agresivos y altas temperaturas y bajo precio. provocada por la presencia de metal frente al cabezal detector.Figura 7. robustez mecánica. El detector de proximidad da entonces una señal que es proporcional a la distancia. Sin embargo. tales como: ausencia de contacto con el objeto a detectar.
El campo de aplicación más importante de los detectores inductivos es como interruptores final de carrera con algunas ventajas con respecto a los electromecánicos.
formado por dos aros metálicos concéntricos situados en la cara sensible. sin embargo.5. Algunos tipos disponen de un cabezal que incorpora un emisor de luz y la fotocélula de 11
. se suelen construir con un ajuste de sensibilidad que permite utilizarlos para la detección de algunos materiales entre otros (por ejemplo. cerámica. pero su sensibilidad se ve muy afectada por el tipo de material y por el grado de humedad ambiental y del cuerpo a detectar. Para paliar el problema de dependencia de la sensibilidad con el tipo de material. cartón. y cuyo dieléctrico es el material de la zona sensible.4 Diagrama de bloques y detalle del núcleo captador de los detectores de proximidad inductivos.Figura 7. la detección de materiales no metálicos como vidrio. 7. tipos de alimentación y formas de conexión son idénticas a las de los detectores inductivos. pero en este caso el elemento sensible es el condensador del circuito oscilante.4 Detectores ópticos Los detectores ópticos emplean fotocélulas como elementos de detección. con una repetitibilidad bastante dependiente de las condiciones ambientales.3 Detectores capacitivos El principio de funcionamiento y las características son análogas a las descritas para los detectores inductivos. Por ello se utilizan exclusivamente como detectores todos.nada. Las aplicaciones típicas son . etc.5. madera. agua. aluminio entre cobre y latón). plástico. papel. En cuanto a las formas de ejecución mecánica.
7. Este tipo de sensores permiten detectar materiales metálicos o no. aceite.
como cristal y plástico. los detectores ultrasónicos pueden detectar con facilidad objetos transparentes. Ambos tipos suelen trabajar con frecuencia luminosas en la gama de los infrarrojas. Existen también variantes de detectores ópticos con salida analógica.6 muestra la respuesta típica de uno de dichos detectores con salida analógica 7.5 muestra algunos de los tipos de fotocélulas de barrera y de reflexión. etc.) o en medio de elevada contaminación acústica (prensas. Cuando un objeto interrumpe el haz. De esta forma. actuando por reflexión y detección del haz de luz reflejado sobre el objeto que se pretende detectar. Sin embargo. Cualquier objeto. el nivel de recepción varía y el receptor lo detecta. La figura 7. choques entre metales. disponibles en versiones de reflexión y de barrera.5. Otra variante de detectores ópticos son los de fibra óptica. Las características particulares de los detectores de proximidad ópticos. la detección puede llevarse a puntos inaccesibles para las fotocélulas de barrera o reflexión. Por lo demás. incluso reflectante.5 Detectores ultrasónicos Estos detectores están basados en la emisión-recepción de ondas ultrasónicas. materiales que ofrecen dificultades para la detección óptica. Como ventaja frente a las fotocélulas. respecto a otros detectores de proximidad son: -Elevada inmunidad a perturbaciones electromagnéticas (EMI) externas. pudiendo detectar objetos muy pequeños. para ambientes muy iluminados pueden emplearse barreras ópticas basadas en detección de luz polarizada. -Distancias de detección grandes respecto a los inductivos o capacitivos.detección. que tienen los puntos de emisión/ recepción de luz separados de la unidad generadora. no podrán ser utilizados en lugares donde éste circule con violencia (bocas de aire acondicionado. u objetos estáticos de hasta unas 20 micras de diámetro.
. etc. que se interponga entre el emisor y el reflector será detectado. Existen algunas variantes de detectores ópticos previstas para aplicaciones especiales. estos detectores son semejantes a las células fotoeléctricas. Estos detectores. -Alta velocidad de respuesta y frecuencia de conmutación. aprovechando la flexibilidad de la fibra. cercanías de puertas. Por ejemplo. y hasta 5 m por reflexión. tienen distancias de detección de 3 mm a 10 metros. La figura 7. unidos a ellos mediante la fibra. ambientes polvorientos y otras condiciones el entorno. puesto que no girará el plano de polarización del haz luminoso. previsto para recibirla en el plano vertical. -Capaces de detectar objetos del tamaño de décimas de milímetro. y dado que estos detectores utilizan ondas ultrasónicas que se mueven por el aire. El emisor emite luz polarizada contra una placa receptora que hace girar el plano de polarización 90º y la devuelve hacia el detector. como marcas de 1 mm sobre piezas que se mueven a gran velocidad (30 m/ s). aunque suelen tener problemas de falta de repetibilidad frente a cambios de iluminación ambiental. y en cuanto a características de funcionamiento. Otros tipos trabajar a modo de barrera y están previstos para detección a mayores distancias con fuentes luminosas independientes del cabezal detector. Se obtienen fácilmente hasta 500 m en modo barrera.).
6 MEDIDORES DE POSICIÓN O DISTANCIA Dentro de los transductores de posición podemos distinguir dos grandes grupos: -Los indicadores de posición lineal o angular para grandes distancias. La mayoría de medidores de coordenadas están basados en detectores de desplazamiento angular. en el campo de la robótica y la máquina-herramienta. la resolución y otras características de los diferentes tipos de detectores de proximidad. incluso en caso de pérdida de alimentación. -Los detectores de pequeñas deformaciones o detectores de presencia de objetos a una cierta distancia que dan una señal análoga o digital proporcional a dicha distancia. en cambio.7. por lo general. MATERIAL DISTANCIA TIPO DE DETECTOR METÁLICO < 50 mm INDUCTIVO SÓLIDO > 50 mm ULTRASÓNICO U ÓPTICO NO METÁLICO < 50 mm CAPACITIVO > 50 mm ULTRASÓNICO U ÓPTICO METÁLICO < 50 mm INDUCTIVO POLVO O > 50 mm ULTRASÓNICO GRANULADOS NO METÁLICO < 50 mm CAPACITIVO > 50 mm ULTRASÓNICO TRANSPARENTE < 50 mm CAPACITIVO LÍQUIDO > 50 mm ULTRASÓNICO OPACO < 50 mm CAPACITIVO > 50 mm ÓPTICO 7. pero mecánicamente resulta fácil la conversión de movimiento lineal en angular y viceversa. Podemos distinguir dos tipos: absolutos e incrementales.6 Criterios de selección Vistos los principios de medida. Los incrementales. Su característica esencial es que permiten medir grandes distancias con una excelente resolución y se usan. Tabla 7.2 Criterios de selección de detectores de proximidad. cuando estos últimos pierden la alimentación pueden perder la referencia al origen. basándose en husillos o mecanismos de 13
.5. el alcance. pueden establecerse los criterios indicados en la tabla 7. sino únicamente la posición relativa de objetos a partir de un origen de desplazamiento. para determinar la posición relativa de partes móviles de una máquina. y decimos medición indirecta por cuanto en realidad no permiten determinar la distancia entre objetos estáticos. Los medidores de coordenadas se utilizan. detectan desplazamientos y obtienen la posición final a base de acumular dichos desplazamientos respecto a un origen. sobre todo. Se trata de transductores de desplazamiento relativo previstos para medición indirecta de distancias. En consecuencia. conocidos también como sistemas de medición de coordenadas. Los primeros dan en todo momento una indicación de la posición respecto a un origen.2 como guía para la elección de uno u otro tipo de detector.
7. pues. El segundo grupo de detectores que hemos mencionado. como muestra la figura 7. un código digital completo.piñón y cremallera. los detectores de pequeñas distancias.1 Potenciómetros El potenciómetro es un transductor de posición angular. La tensión de salida depende del ángulo girado respecto al origen y de la tensión de alimentación entre extremos. Existen dos tipos de encoders: los incrementales y los absolutos. 14
.2. Esto puede dar lugar a errores de media en caso de que dicha tensión no fuese estrictamente constante. Los primeros dan un determinado número de impulsos por vuelta y requieren un contador para determinar la posición a partir de un origen de referencia. que es único para cada posición del rotor. 7. En cuanto a la respuesta dinámica. Los absolutos.6. Existen también potenciómetros con carrera lineal. cuando se alimenta entre los extremos de la resistencia con una tensión constante. disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario. distribuida a lo largo de un soporte en forma de arco y un cursor solidario a un eje de salida. Este método de media. tiene la ventaja de entregar una salida independiente del valor de la tensión de alimentación y dependiente únicamente del ángulo girado por el cursor. que detectan la presencia o no de banda opaca frente a ellos. En el caso de potenciómetros con topes. Para los potenciómetros utilizados como censores de posición interesa que la ley de variación de la resistencia en función del ángulo de giro sea lineal. denominado ratiométrico. Los captadores ópticos detectan. en cambio. permiten determinar la distancia entre un objeto estático o en movimiento respecto al cabezal del sensor. Únicamente cabría considerar el retardo debido a la inductancia del bobinado si los movimientos fuesen muy rápidos.8. aparece entre la toma media y uno de los extremos una tensión proporcional al ángulo girado a partir del origen.6. pero la frecuencia de funcionamiento suele quedar limitada por razones mecánicas a unos 5 HZ. que se utilizan para otras aplicaciones. en lugar de medir la tensión V. no haremos distinción entre detectores de posición angular o lineal. aunque existen potenciómetros con ley de variación logarítmica u otras. de tipo absoluto y con salida de tipo analógico. es emplear los rotativos con o sin topes y de una o más vueltas. es decir. que puede deslizar sobre dicho conductor (figura 7. Encoders Los encoders son dispositivos formados por un rotor con uno o varios grupos de bandas opacas y traslúcidas alternadas y por una serie de captadores ópticos alojados en el estator. cuando se usan como detectores de posición. por lo que se prefiere muchas veces medir la relación V/V0. Por tanto.7). el ángulo comprendido entre los extremos de la resistencia se denomina ángulo de giro eléctrico y suele ser algo menor que el ángulo de giro mecánico entre topes. Consiste en una resistencia de hilo bobinado o en una pista de material conductor. El movimiento del eje arrastra el cursor provocando cambios de resistencia entre éste y cualquiera de los extremos. Así pues. pero lo más frecuente. el potenciómetro es prácticamente un elemento proporcional sin retardo.
Algunos encoders incrementales disponen de un canal adicional. tal como lo muestra la figura 7. y ¾ de período cuando gira en sentido contrario. En el estator suelen disponer de dos pares de emisorreceptor óptico (salida de dos canales) decalados un número entero de pasos más ¼ . lo cual se utiliza para discriminar el sentido de giro. ENCODERS INCREMETALES O RELATIVOS Los encoders incrementales suelen tener una sola banda de marcas transparentes y opacas repartidas a lo largo del disco rotórico y separadas por un paso (p). cada par óptico genera una señal cuadrada. que dependerán además de la desmultiplicación mecánica. La lógica de control puede utilizar esta señal para implementar un contador de vueltas y otro para fracciones de vuelta. a base de contar los impulsos de un canal y determinar el sentido de giro a partir del desfase entre las señales de los dos canales. Un simple sistema lógico permite determinar desplazamientos a partir de un origen. La resolución expresada en grados vale: Resolución = 360°/N (7. 7. La resolución del encoders dependerá del numero (N) de divisiones del rotor o.10. del numero de impulsos por revolución.9. según se muestra en la figura 7.
.7 Potenciómetro
Figura 7. Al girar el rotor.Figura. que proporciona un impulso por revolución. lo que es lo mismo.1)
No debe confundirse la resolución angular del encoder con la posible resolución de un sistema de medidas de coordenadas lineales.8 Respuesta de un potenciómetro lineal A. El decalaje de ¼ de división de los captadores hace que las señales cuadradas de salida tengan entre sí un desfase de ¼ de período cuando el rotor gira en un sentido.
El tipo de código reflejado tiene la ventaja de que en cada cambio de sector sólo cambia el estado de una de las bandas.9 Encoder incremental
Figura 7.11). Como ejemplo se indica la generación del código Gray de tres bits:
. evitando así que puedan producirse errores por falta de alineación de los captadores. ENCODERS ABSOLUTOS Los encoders absolutos disponen de varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas. dispuestos en forma radial. El estator dispone de un captador para cada corona del rotor. con combinaciones de opacos y transparentes que siguen un código Gray o binario reflejado (figura 7. con zonas opacas y transparentes dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en una serie de sectores.10 Discriminador de posición y sentido de giro B.Figura 7. El conjunto de informaciones binarias obtenidas de los captadores es único para cada posición absoluta.
Código Gray 0 0 00 1 0 01 2 0 11 3 0 10 4 1 10 5 1 11 6 1 01 7 1 00 Obsérvese que a partir de los ejes de simetría se obtienen los bits correspondientes por imagen especular de los bits subrayados. De ahí el nombre de código reflejado. Para un encoder con N bandas en el rotor, se tendrá un código de N bits, que permite 2N combinaciones. La resolución del encoder será, por lo tanto, la siguiente: Resolución = 360° / 2N (7.2)
Típicamente los encoders disponibles van desde los 12 a los 16 bits con lo que se consiguen resoluciones entre 1/4096 y 1/65.536 de revolución
Fig. 7.11 Encoder absoluto 7.6.3. Sincros y Resolvers Un sincro es un transductor de posición angular de tipo electromagnético, cuyo principio de funcionamiento puede resumirse diciendo que se trata de un transformador con uno de sus devanados rotativo. Existen diversos tipos de sincros, dependiendo del número de devanados y de su posición, pero las configuraciones más frecuentes son las que disponen de: Primario alojado en el rotor y, en general, monofásico. Secundario alojado en el estator y, en general, trifásico. Para comprender el funcionamiento de un sincro nos referiremos a la figura 7.12, donde se representa esquemáticamente uno con las características antes indicadas (primario monofásico y secundario trifásico conectado en estrella). Cuando se aplica una tensión senoidal U1 al devanado primario, se recogen en los devanados secundarios de cada una de las fases tres tensiones, es1, es2, y es3, cuya amplitud y fase con respecto a la tensión de primario dependen de la posición angular del rotor.
Fig. 7.12 Principio de funcionamiento de un sincro La figura 7.13 muestra esquemáticamente la amplitud y signo de las tensiones en los devanados del estator para diferentes orientaciones del devanado rotórico. En algunos servos de posición se utilizan pares de sincros en una configuración denominada transmisor-receptor o “maestro-esclavo” que permite generar una señal proporcional a la diferencia de ángulos de los sincros interconectados. Esta configuración encuentra su aplicación en servos de seguimiento, copiadoras, pilotos automáticos, etc, basándose en el siguiente principio (figura 7.14). El sincro maestro es alimentado por el rotor, al tiempo que dicho rotor es accionado mecánicamente siguiendo, por ejemplo, un contorno en el caso de copiadoras. El sistema trifásico de tensiones que genera el sincro maestro alimenta el devanado estatórico del sincro esclavo y en el devanado rotórico de este último aparece una tensión que depende de la desviación angular relativa entre los dos rotores, tal como lo indica la ecuación 7.7. Un sistema de regulador de posición, que tienda a hacer cero dicha desviación, hará que el rotor del sincro esclavo siga exactamente los movimientos del sincro maestro, constituyendo lo que se llama a veces un “eje eléctrico”. U2 = K U1 sen wt cos (teta1 – teta2) 7.7
Una configuración particular de sincros es la de resolver, cuyo principio de funcionamiento es análogo al indicado anteriormente, con las siguientes particularidades constructivas: Primario alojado en el estator y generalmente bifásico. Secundario alojado en el rotor, que puede ser monofásico o bifásico. Así pues, los resolver son sincros con una configuración distita de devanados. En la figura 7.15 se ha representado en forma esquemática una configuración típica. Los devanados del estator se alimentan generalmente en serie (sistema monofásico), dando un campo estacionario sobre el eje y los devanados del rotor (bifásico) recogen sendas de tensiones.
para distintas orientaciones del rotor
Fig.14 par de sincros transmisor y receptor (eje eléctrico)
Fig. 7. con una precisión del orden de micras.Fig. Principio de funcionamiento de un resolver
7.13 Diagramas de amplitud y fase de un sincro.6. Inductosyn El inductosyn es un transductor electromagnético utilizado para la medida de desplazamientos lineales. 7.4.15. Se utiliza en la actualidad como medidor de coordenadas en muchísimas máquinas-herramienta y 20
más la variación dentro de un ciclo. 7. La parte móvil tiene dos circuitos impresos más pequeños.11) (7. según que las escalas fija y móvil se encuentren enfrentadas o decaladas ½ paso.de control numérico.12)
Vb = KV sen wt cos (2*3. Otra. o permiten también la utilización como detectores de desplazamientos por análisis de interferencias en la emisión-recepción de un mismo rayo (interferómetros láser). La parte fija tiene gravado un circuito impreso con pistas en forma de onda rectangular con un paso (p). utilizando técnicas de reflexión y triangulación parecidas a las de otros detectores ópticos. En éste último caso la medición de distancias se hace contando crestas y valles en la 21
. que es fija y está situada sobre el eje de desplazamiento.
Fig. El transductor consta de dos partes acopladas magnéticamente. encarados con los de la escala.16). La medida se realiza sumando el número de ciclos de señal de salida completos.1416x/p) (7. y desfasados entre sí un número entero de pasos más ¼ de paso ( principio análogo al visto para los encoders incremetales).5. Sensores láser Los sensores láser pueden utilizarse como detectores de distancias. solapada a la anterior. se recogerá en cada uno de los circuitos de la parte deslizante una tensión: Va = KV sen wt cos (2*3.16 Principio de funcionamiento del inductosyn
7. La amplitud de la señal de salida varía entre un máximo y un mínimo. Una denominada escala. Si se excita la parte fija con una señal alterna (5 KHZ a 20KHZ) de valor v = V sen wt.1416x/p + 3.1416/2
Donde (x) es el desplazamiento lineal y (p) es la distancia o paso de la onda grabada en la escala. de forma parecida a lo que se indicó con los encoders. es deslizante y solidaria con la parte móvil (figura 7. La indeterminación del sentido del movimiento se resuelve comparando la fase de los dos captores.6.
etc. Si las ondas están en fase. con resoluciones del orden de la longitud de onda de la luz empleada.interferencia y.6. de forma que al desplazarse el objeto a detectar se generan máximos y mínimos de amplitud a cada múltiplo de la longitud de onda del haz. una directa y otra reflejada. 7. Los dos haces se superponen de nuevo en el separador.
Fig.17 Interferómetro láser 7. Sensores ultrasónicos Los sensores ultrasónicos emiten una señal de presión hacia el objeto cuya distancia se pretende medir. La onda resultante de la superposición pasa por valores máximos y mínimos al variar la fase de la señal reflejada. y se miden el tiempo transcurrido entre la emisión del pulso hasta la recepción del eco reflejado en dicho objeto. y si están en contrafase. Un haz se aplica directamente sobre espejo plano fijo. El más conocido de estos sistemas es quizás el “sonar” que incorporan los submarinos y actualmente los sistemas de ecografía o incluso en el medio natural la forma de detectar obstáculos que emplean los murciélagos en la oscuridad. L as frecuencias de la perturbación están en el rango de 20 a 40 KHZ. o diferencia relativa de posiciones. mientras que el otro se refleja en el objeto cuya distancia se quiere determinar.6. El principio de funcionamiento del interferómetro láser se basa en la superposición de dos ondas de igual frecuencia. por un principio similar a un encoder incremental. se determina contando dichas oscilaciones o franjas. 7. la superposición es aditiva. En el campo industrial se suelen emplear para controlar niveles de sólidos o áridos en silos.6.7 Sensores magnetoestrictivos Los sensores magnetoestrictivos están basados también en la detección de eco de 22
. obteniéndose una salida digital de elevada precisión. por tanto. sustractivas. El desplazamiento.17). presencia de obstáculos en el campo de alcance de robots. Los sensores industriales basados en este principio generan un haz de luz que se divide en dos partes ortogonales mediante un separador (figura 7.
En general. en posición de reposo. de tal forma que.20). cuyo desplazamiento se va a medir. como transductores indirectos de esfuerzos (fuerza o par).1. Este tipo de transductores suelen ser muy robustos y muy aptos para ambientes agresivos.un impulso ultrasónico generado por la deformación elástica que se produce en algunos materiales bajo el efecto de un campo magnético. las tensiones de los secundarios dejan de ser iguales y la tensión U2 resultante varía en módulo y signo según la magnitud y sentido del desplazamiento. las tensiones inducidas en cada uno de ellos son iguales y. con distancias de detección de hasta 10 metros.
. de tal forma que. con una señal cuadrada y se mide el desfase entre ésta y el eco. Sí el núcleo se desplaza. 7.19 y 7. etc.18 Principio de funcionamiento de un detector por magnetoestrcción MEDIDORES DE PEQUEÑOS DESPLAZAMIENTOS Y DEFORMACIONES Este tipo de sensores se utiliza para la detección de pequeños desplazamientos. la tensión total obtenida es nula (figuras 7. deformaciones. El imán provoca un cambio de permeabilidad del medio y esto provoca una reflexión de la onda ultrasónica. en la posición cero. Tanto en los transformadores de desplazamiento lineal como angular. Con este tipo de transductores se pueden alcanzar resoluciones de algunas décimas de milímetro. tal como lo muestra la figura 7. Se emplean también unidos solidariamente a sólidos deformables. por tanto. rugosidad y planitud de superficies. se excita. Consisten básicamente en una varilla de material magnético en la que se genera una perturbación ultrasónica mediante una bobina inductora. el núcleo está colocado simétricamente respecto a ambos secundarios y. Sobre la varilla se coloca un imán móvil que puede deslizarse. queda descentrado.7. los dos secundarios se suelen conectar en oposición. 7. Mecánicamente el desplazamiento del núcleo puede ser lineal o rotativo.18. Dicho núcleo se hace solidario a un palpador o vástago. Transformadores diferenciales El transformador diferencial dispone de un primario y dos secundarios idénticos acoplados magnéticamente al primero mediante un núcleo móvil. pudiéndose detectar la distancia al imán por el tiempo en recibir el eco.
Fig. al desplazarse.
19 Transformador diferencial lineal Para desplazamientos de unos milímetros o ángulos de giro de hasta unos 45°.5% y 1% sin histéresis apreciable.
Fig. La relación de amplitudes secundario / primario varía casi linealmente con el desplazamiento alcanzándose linealidades entre 0.Figura 7. 7.20 Transformador diferencial rotativo 24
Este tipo de sensores suele utilizarse en la construcción de células de carga para grúas y otros sistemas de pesaje de baja resolución. 7. basado en la variación del entrehierro de un núcleo y cuyo esquema de principio puede verse en la figura 7.21 Transformador de reluctancia variable
Fig.Una variante del sistema de transformador diferencial la constituye el transformador de reluctancia variable.
torsión.22 Galgas extensométricas 7.22) Al deformarse la galga por tracción en la dirección preferente. una variación de su resistencia. dado que el coeficiente de sensibilidad suele ser muy pequeño. etc. con una orientación preferente según la cual se encuentra la mayor parte de la longitud del hilo (figura 7. La medición de deformaciones requiere una meticulosa colocación de las galgas y una calibración laboriosa. detectores de presión. Se utilizan generalmente combinadas con muelles o piezas deformables.2. etc.
GALGAS DE HILO En tipo de galgas la resistencia está formada por un hilo dispuesto en forma de zigzag sobre un soporte elástico. Se describen a continuación los dos tipos básicos de galgas extensométricas: las de hilo y las de semiconductor. por tanto. más recientemente.Fig. resistencias construidas a base de pistas de semiconductor. Galgas extensométricas Las galgas extensométricas son sensores de deformaciones basados en la variación de resistencia de un hilo conductor calibrado o. se produce un alargamiento del hilo y una disminución de su sección y. La posterior amplificación de las señales suele hacerse por métodos 26
. 7.7. En definitiva. para detectar de forma indirecta esfuerzos de tracción. más que como sensores de desplazamiento se usan como transductores indirectos de fuerza o de par. También se aplican como transductores indirectos en otros tipos de sensores como acelerómetros. compresión. células de pesaje.
Transductores piezoeléctricos Algunos elementos cristalinos como el cuarzo. y el conjunto se conecta por el método de 3 o 4 hilos para compensar las resistencias del cableado. E es el módulo de Young. Fig. la turmalina y otros materiales sintéticos poseen la propiedad de adquirir una polarización en la dirección de los denominados ejes eléctricos. R2. 3. R3. el coeficiente de sensibilidad de las galgas de hilo es muy pequeño y requiere el empleo de amplificadores de alta sensibilidad y muy bajas derivas.24).23 Puente de medidas para galgas extonsométricas GALGAS DE SEMICONDUCTOR Como hemos dicho.23.17)
Donde: dR/R es la variación unitaria de resistencia. dl/l es la variación unitaria de longitud. Por lo general.1416eE) dl/l (7. cuando se les somete a un esfuerzo y se deforman según la dirección de los llamados ejes mecánicos (figura 7.3.
.diferenciales.7. de galgas idénticas a la utilizada para la medición. la resistividad de los semiconductores tiene una gran dependencia de la temperatura y esto obliga a compensarlas térmicamente y dificulta en cierto modo la calibración. En dichas galgas la expresión que liga la deformación longitudinal con la variación unitaria de resistencia es la siguiente: DR/R = (1 + 2 + 3. 7. se disponen como resistencia R1. Como solución alternativa pueden emplearse galgas de semiconductor. como el representado en la figura 7. con tres hilos.1416e es el coeficiente de piezorresistividad. para compensar los errores debidos a las condiciones ambientales a al propio calentamiento por efecto joule. con lo cual la sensibilidad de dichas galgas es mucho mayor que las de hilo. en las cuales la variación de resistencia se produce simultáneamente por el efecto de alargamiento y estricción de una pista de semiconductor y por efecto piezoeléctrico (variación de la resistividad por deformación del semiconductor). 7.
. No obstante. El coeficiente de piezorresistividad toma valores típicos entre 100 y 200 para los semiconductores más frecuentes.
Las formas de aprovechar este efecto pueden ser básicamente dos: Medición de la carga de polarización.25. varían cuando éste se deforma y se aprovecha esta propiedad como base de los sensores piezoeléctricos. es de 2. f0. La frecuencia propia de resonancia. en condiciones estáticas depende de los valores de L y C. donde la inductancia L y la capacidad C dependen de las dimensiones del cristal. Dicha densidad de cargas es proporcional a la presión: q/S = K F/S (7. Un circuito electrónico permite detectar por influencia la carga eléctrica y proporcionar una señal de salida proporcional a la deformación. Un cristal con electrodos dispuestos en la dirección de los ejes eléctricos tiene una frecuencia propia de oscilación que depende básicamente de sus dimensiones. El segundo método aplicable con los cristales piezoeléctricos se basa en la medición de su frecuencia de oscilación cuando se les coloca en un circuito con realimentación positiva. Medición de la frecuencia de oscilación. Eléctricamente el sistema tiene un circuito equivalente como el que se muestra en la figura 7.
. 7. y la capacidad C0 es una capacidad parásita que aparece entre los electrodos. par o presión. Esta propiedad se aprovecha para obtener sensores de deformación o indirectamente de fuerza. por ejemplo. por tanto.Fig. Transductores piezoeléctricos: principio de funcinamiento El fenómeno se debe al desplazamiento que sufre el centro de gravedad de las cargas o iones positivos y negativos.24. generándose un efecto de dipolo eléctrico.1x10-12 culombios / newton.18)
la constante de proporcionalidad para el cuarzo. la frecuencia propia de oscilación del cristal. La capacidad C y. Los sensores basados en el primer método miden la densidad de carga superficial que aparece en la dirección de los ejes eléctricos al someter al cristal a una presión en la dirección de los ejes mecánicos.
e.. del orden de 5 V /ㄠ〰‰ 1000 r. Dicho acoplamiento debe ser algo flexible.m.2. a la velocidad nominal (ωn ). La sensibilidad K se expresa generalmente en V / r. pero sin permitir holguras.p.e. Los transductores de velocidad suelen pertenecer a uno de los siguientes tipos: ANALÓGICOS: Basados en generadores de CC o dinamos tacométricas DIGITALES : Basados en la detección de frecuencia de un generador de pulsos. 7.p.8.m. Cristales de cuarzo TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD La detección de velocidad forma parte de un gran número de sistemas industriales. a una velocidad ( ω ) y ( En ) es la f. un generador de corriente continua con excitación a base de imanes permanentes. en los que se requiere un control de la dinámica de los mismos. Algunas dinamos dan valores más bajos.1. ya que..p. Dinamo tacométrica La dinamo tacomét trica es. de lo contrario. pero esto requiere después un tratamiento de señal más cuidadoso para obtener una resolución aceptable. La tensión generada al girar el rotor es estrictamente proporcional a la velocidad angular de giro: E = ( En / ωn ) ω = k * ω (7.Fig.25.19 )
Donde ( E ) es la f. 7. siendo normales valores entre 50 y 100 mV / r. en esencia.m. puede influir muy negativamente en la estabilidad de los sistemas en lazo cerrado. Generadores de impulsos
.8. 7. Es importante resaltar que el comportamiento de estos transductores depende en gran medida del acoplamiento de ejes entre parte móvil y transductor.m.m.
por lo que la aceleración puede detectarse indirectamente como variación de la velocidad en el tiempo. x. La velocidad es directamente proporcional a la frecuencia de señal obtenida de acuerdo con la siguiente expresión: f = n * N / 60 ( 7.20 )
Donde f = frecuencia en Hz. No obstante.Los transductores digitales de velocidad están basados en la detección de frecuencia de generadores de impulsos a base de captadores ópticos o inductivos. Acelerómetro de inercia En régimen de aceleración constante la deformación. como las galgas extensométricas. o un transformador diferencial. Esta medición puede hacerse a través de sensores piezoeléctricos o simplemente midiendo la deformación de un muelle solidario al sistema.21 )
Donde K es la constante del muelle y m la masa de inercia del acelerómetro. En la mayoría de casos en que se requiere el control de aceleraciones se precisa controlar también la velocidad. La robustez. 7. La buena adaptación a sistemas de control digital y la buena relación coste / precisión de este tipo de sensores hacen que actualmente sustituyan a los generadores tacométricos en muchas aplicaciones. Para amortiguar el régimen dinámico se suele incluir un rozamiento. Los transductores de aceleración reciben el nombre de acelerómetros. existen transductores directos basados en la medición de la fuerza de inercia que actúa sobre una masa conocida. se obtiene una medición indirecta de aceleración a base de medir el desplazamiento x. siendo entonces la ecuación diferencial para dicho régimen: f = m (d2x / dt2) + f ( dx / dt ) + k x (7. Aplicando la transformación de 30
. y N = número de impulsos por revolución del generador.22)
Donde f es el coeficiente de rozamiento viscoso. Utilizando un transductor para pequeños desplazamientos. de forma análoga a la indicada para un encoder incremental.26
Fig. ACELERÓMETROS El movimiento de grandes masas a velocidades elevadas requiere un control de las aceleraciones para evitar esfuerzos dinámicos excesivos.m.9.p. del muelle es proporcional a la aceleración según la siguiente expresión: a = ( K / m) x ( 7. 7.26. como muestra el esquema de principio dela figura 7. n = velocidad en r.
formada por una pieza cilíndrica deformable solidaria al núcleo de un transformador diferencial. Algunos transductores de par están basados en métodos fotoeléctricos parecidos a los indicados en los interferómetros láser. producida por la flexión o torsión de alguna pieza elástica. En la captación de esfuerzos adquiere una especial importancia la colocación de los sensores. 7. Así pues.Laplace puede obtenerse la función de transferencia del sistema.10.27.
Fig. La figura 7. la detección de fuerza y par se realiza siempre de forma indirecta a partir de las deformaciones que experimenta un sólido bajo la acción de dicha fuerza o par. así como el diseño de las piezas elásticas para la captación del esfuerzo en a dirección deseada.27. 7. Como ejemplo tenemos la célula de carga de la figura 7. TRANSDUCTORES DE FUERZA Y PAR Tal como se ha dicho anteriormente al hablar de transductores de deformaciones. Célula de carga En el caso de transductores de par se suele medir también la deformación lineal en una determinada zona. una de las bases del transductor la constituyen los sensores y el resto suele consistir en piezas elásticas diseñadas de forma que se obtenga una deformación proporcional a la fuerza o par que se desea medir. que resulta ser una típica función de segundo orden.28 muestra algunos ejemplos de piezas elásticas previstas para la medición de fuerzas y pares.
Termostatos. 7. utilizables en general para altas temperaturas.2.). podemos distinguir tres grandes grupos de sensores térmicos: TERMOSTATOS TODO-NADA: Interruptores que conmutan a un cierto valor de temperatura.11. 7.28 Piezas deformables para medida de fuerzas y pares 7. etc. 32
. TERMORRESISTENCIAS: Sensores pasivos de tipo analógico basados en el cambio de resistividad eléctrica de algunos metales o semiconductores con la temperatura. Atendiendo al principio de funcionamiento de la mayoría de los sensores industriales. TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA La temperatura es otro de los parámetros que muchas veces debe controlarse en los procesos industriales.Fig.1. recintos con atmósfera explosiva u otros emplazamientos donde se requiere que ocupen poco espacio o que no se produzca arco eléctrico por apertura de un circuito. en general con cierta histéresis. en general.11. Los formados por una sonda analógica y un sistema comparador tienen la ventaja de ser. Los de tipo bimetalito se utilizan típicamente en sistemas de climatización y en algunas aplicaciones industriales como interruptores de protección (falta de ventilación. 7. maquinas. Termopares. regulables y de poder utilizar sondas de muy pequeño tamaño (sensores PTC o NTC de semiconductor) que pueden ubicarse en el interior de bobinados. Los termostatos son sensores con salida de tipo o nada que conmuta a un cierto valor de la temperatura. que están basados en la radiación térmica emitida por los cuerpos calientes. Los más simples están basados generalmente en la diferencia de dilatación de dos metales y los mas sofisticados se suelen construir a base de un sensor de tipo análogo y uno o varios compradores con histeresis. PIRÓMETROS DE RADIACIÓN: Sensores de tipo analógico.11.
para recoger esta f. La fuerza electromotriz generada depende de la diferencia de temperaturas entre la unión fría y la unión caliente: E = F (Tc . Sin embargo.e.m. debe mantenerse constante la temperatura de las uniones frías. a que darían lugar sus variaciones mediante un circuito adicional. 0 – 600 °C 0 – 1000°C 0 – 1600°C Característica Más relevante Robustez Robustez Estabilidad 33
. NiCr – Ni PtRh – Pt Tipo J K R Constante termoeléctrica 0.Los termopares son sensores activos de tipo analógico basados en el efecto Cebe. Materiales Fe-Const.3 Características de distintos tipos de termopares. aunque esto requiere un sensor adicional.m.
Figura 7.29.Tf ) (7. que solo se compensaran en el caso de que ambas uniones frías se mantengan a idéntica temperatura. o compensarse la f.24)
Para ciertos materiales existe una relación bastante lineal entre la diferencia de temperaturas y la f.e. que suele ser una NTC.e.041 mV/°C 0. para que la tensión de salida sea proporcional a a temperatura en la unión caliente. Si se requiere una buena precisión.m. Por otro lado.m.012 mV/°C Rango de Temperaturas. generada. se prefiere generalmente compensar las variaciones de temperatura en la unión fría. se deberán conectar los extremos fríos a conductores de cobre u otro metal y por el mismo efecto aparecerán unas f. cuando este se calienta (unión caliente) y se mantienen los otros dos extremos a una misma temperatura inferior (unión fría). de contacto.e. muy adecuados como transductores. Dicho efecto consiste en la aparición de una tensión eléctrica entre dos piezas de distintos metales unidas o soldadas por un extremo. por tanto. siendo. Termopares.057 mV/AC 0.
En la figura 7. El comportamiento frente a las variaciones de temperatura puede expresarse. Las NTC son resistencias con un coeficiente de temperatura negativo ( “Negative Temperature Coefficient” ). el termopar es un sensor económico. Las sondas industriales se suelen construir a base de platino. Aprovechando esta propiedad. Las sondas PTC y NTC son esencialmente termorresistencias a base de semiconductor. se aplican básicamente en combinación con circuitos detectores de umbral como elementos todo-nada. manganeso y níquel dopados con ionice de titanio o litio. por la siguiente ecuación: R = A eˆ(B/T) (7. construidas a base de óxidos de hierro.11.25)
Donde α se denomina coeficiente térmico de resistencia.00385 ohm/ohm°C. Se puede aumentar la sensibilidad a base de conectar termopares en serie si el aspecto volumen no es importante. Las sondas Pt100 son aptas como sensores para un amplio margen de temperaturas que va desde – 250 °C hasta 850 °C.3 indica algunas de las uniones de metales y aleaciones mas utilizadas en la construcción de termopares. Se ha utilizado para Constatan. Las PTC (Positive Temperature Coefficient) son resistencias construidas a base de óxidos de bario y titanio. Dichas sondas suelen tener un valor nominal de 100 Ω a 0°C. Debido a su comportamiento poco lineal. aproximadamente. con una muy buena linealidad entre – 200 °C y 500 °C. que muestran cambios muy bruscos de valor a partir de una cierta temperatura. en general. requerirán amplificadores de señal de muy bajo ruido y de una gran resolución. 7. material cuyo coeficiente térmico es de 0.NiCr – Const.3. se construyen sondas de temperatura. Precisamente la temperatura de cambio es un parámetro característico de las PTC.4. según una ley que puede expresarse en forma simplificada por la siguiente ecuación: RT = Ro [1 + α (TT – To)] (7.
0. así como sus principales características. Termorresistencias Pt100 Los conductores eléctricos presentan. cobalto. aleación con 58% de Cu y 42 % de Ni. pero para ello se requiere un material cuyo coeficiente se mantenga relativamente constante y que de una buena sensibilidad.26) 34
. un aumento de resistencia con la temperatura.11. Estos suelen presentar coeficientes de sensibilidad bastante mayores que en el caso de metales. ya que. pero a costa de un gran perdida de linealidad. Termorresistencias PTC y NTC. por tanto.075 mV/°C
0 – 600°C
Nota: la abreviación Const. cromo. 7. de donde se deriva el nombre de Pt100.30 se muestra la característica resistencia/temperatura a distintas frecuencias para una sonda PTC.
La tabla 7. Se observa que los valores de sensibilidad son realmente bajos y. en general.
Termistores PTC: curvas de respuesta.30.
Figura 7. son constantes que dependen de la NTC y T es la temperatura en grados Kelvin. La figura 7.5. por lo que su respuesta debe normalmente compensarse.27)
El valor de la constante B se suele determinar experimentalmente a partir de los valores de resistencia a 0°C y a 50°C. Donde A y B. presentan una fuerte alinealidad con la temperatura (téngase presente que la escala de ordenadas es logarítmica). este contacto resulta imposible si la temperatura a medir es superior al 36
7.31. Pirómetros de radiación. Sin embargo. los valores de resistencia se refieren a 25°C. La medida de temperaturas con termopar o termorresistencia implica el contacto directo entre el transductor y el cuerpo cuya temperatura se desea medir. Termistores NTC: curvas de respuesta. con lo que resulta una relación: RT = R25 eˆB(1/T – 1/298) (7. Como puede verse.11. Por lo general.31 muestra la característica real de distintos tipos de NTC.
La radiación emitida puede medirse en su totalidad. se puede conocer su temperatura midiendo la potencia radiada. que miden la temperatura a partir de la radiación térmica que emiten los cuerpos calientes. A es la superficie del cuerpo emisor y T es la temperatura absoluta del cuerpo. 0. σ es la constante de Kurlbaum para el cuerpo negro σ= 5. o si el cuerpo caliente es muy pequeño y cambia su temperatura al efectuar la medida. etc. resultando así dos tipos de pirómetros: ⇒ De banda ancha. La potencia emitida por los cuerpos reales es siempre menor que la del cuerpo negro ideal.25 para el hierro.81 para el carbón. o de brillo. Basándose en esta ecuación y conocida la geometría de un cuerpo. Todos los cuerpos producen radiación térmica. 0.punto de fusión del material del transductor. La potencia total emitida por la superficie de un cuerpo negro (emisión total en todas las longitudes de onda) viene dada por la ley de Stefan-Boltzmann: QT = σ A T⁴ En el cual QT es la potencia total emitida. o solo en una banda de frecuencias. aunque esta solo es visible para temperaturas por encima de 500°C. En estos casos pueden utilizarse los pirómetros de radiación.75x10 ⁻ ⁸ Jm ⁻ ² K ⁻ ⁴ s ⁻ ¹. 0.32 muestra el espectro de emisión de un cuerpo negro ideal a diferentes temperaturas.
. por ejemplo. Los factores de corrección εr son.08 para el acero.02 para el oro. o de radiación total. 0. ⇒ De banda estrecha. La figura 7.
32. cuyo movimiento bajo la acción del fluido es detectado por un transductor de pequeños desplazamientos 38
. Los pirómetros de brillo miden únicamente la radiación emitida en una longitud de onda específica a través de fotocélulas. Los primeros están construidos a base de una cámara negra. La medida de la temperatura de dicha superficie permite determinar la temperatura del cuerpo emisor. TRANSDUCTORES DE PRESION.Figura 7.12. Los transductores de presión suelen estar basados en la deformación de un elemento elástico (membrana. que recibe la radiación a través de una ventana de superficie conocida.). etc. El haz radiado se hace incidir sobre una superficie metálica.
7. tubo de Bordón. Potencia radiada por un cuerpo negro ideal a distintas longitudes de onda. que se calentara por efecto de la radiación.
33). Los devanados están conectados a un circuito tipo puente de forma que los efectos de ambas se suman entre si. se obtiene una medida indirecta de la presión (figura 7.34.
Figura 7. La figura 7. o un transformador diferencial.34 muestra el esquema de principio de un transductor de presión diferencial P2 – P1 basado en el cambio que experimenta la inductancia de un par de bobinas cuando se deforma e diafragma. ⇒ Presión diferencial. Transductor de presión diferencial. etc.33. o medida respecto al vacío. Los transductores de presión pueden efectuar dos tipos de medidas: ⇒ Presión absoluta. midiendo la diferencia de presión entre dos puntos.). 39
. El diafragma consiste en una pared delgada que se deforma bajo el efecto de la presión. resultando una tensión alterna proporcional a la diferencia de presiones aplicada.
Figura 7. o relativa. Los transductores de presión mas frecuentes son los de diagrama o membrana. transformador diferencial. Si se mide dicha deformación mediante un puente de galgas extensométricas.(galgas. Transductor de presión de membrana. elemento piezoeléctrico. del que se obtiene una señal eléctrica proporcional a la presión.
13. tal como se ha indicado en el apartado anterior.35 muestra el principio de funcionamiento de estos medidores. El efecto Venturi consiste en la aparición de una diferencia de presión entre dos puntos de una misma tubería con distinta sección y. Cabe recordar que el caudal puede definirse como masa por unidad de tiempo ( Qm ) o como volumen por unidad de tiempo ( Qv ) de un fluido que atraviesa una sección de un cierto conducto. Detección volumétrica mediante turbina. diferente velocidad de paso del fluido. de la temperatura. los métodos mas adecuados son los puramente volumétricos basándose en turbinas. Para los fluidos compresibles. En el caso de fluidos no compresibles. El caudal volumétrico ( Qv ) depende solo de la sección considerada y de la velocidad del fluido. Los sensores de caudal suelen estar basados en alguno de los siguientes principios: ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Detección por presión estática (efecto Venturi) Detección por presión dinámica sobre un flotador o pistón. la forma habitual de medición consiste en hallar la velocidad de paso por una sección conocida. pero el caudal masco ( Qm ) depende además de la densidad del fluido y esta. Medidores por efecto Venturi. pero para fluidos compresibles no es así. del caudal y de la densidad y. Los transductores de caudal se basan en distintos principios según se trate de fluidos compresibles o no (gases o líquidos).13. Para fluidos no compresibles ambos caudales son relacionables por una densidad que es prácticamente constante.
La mayoría de transductores miden caudal volumétrico. Para fluidos no compresibles. por tanto. de la presión y temperatura. Dicha diferencia de presiones nos dará una medición indirecta del caudal. a su vez. TRANSDUCTORES DE CAUDAL. en cambio. por tanto. dicha diferencia de presión depende de la relación de diámetros (d/D). La figura 7. 7.7. pueden construirse transductores de caudal para líquidos a base de hacer que circulen por un estrangulamiento con diámetros de entrada y salida calibrados y medir la diferencia de presiones con un transductor de presión diferencial. Detección de velocidad por inducción electromagnética.
. Basándose en el mencionado efecto.1.
permite tener una indicación indirecta de velocidad. La medición de dicho desplazamiento. conociendo la velocidad y la sección de paso se tiene una indicación indirecta de caudal. 7. Medidores por presión dinámica.Figura 7.2. A su vez. Transductores de caudal basados en el efecto Venturi. Estos transductores se basan en el desplazamiento de un pequeño pistón o flotador sometido a la presión dinámica de la corriente de fluido (figura 7.35.
Figura 7. Transductores de caudal basados en la medición de presión dinámica. Dicha presión equilibra el peso del cuerpo y provoca un desplazamiento del pistón proporcional a la velocidad del fluido. tal como se ha indicado en apartados anteriores.36). para fluidos incompresibles.36.
13. según la cual. 7. campo (B) y f.Como variante de estos se pueden considerar los de turbina. La figura 7.m.
Figura 7.e. Transductores de caudal de turbina. (E). La figura 7.38 muestra un esquema de principio del transductor. en el que se indican las direcciones de movimiento ( v). Este tipo de transductores se basan en la ley de inducción de Faraday. en sentido perpendicular al movimiento y a la dirección del campo. se produce por este mismo principio una f. La medida de dicha velocidad puede hacerse mediante un simple captador inductivo u óptico sin romper la estanqueidad de la tubería. esta ultima captada por un par de electrodos situados en la paredes de un tubo. proporcional a la longitud del conductor. a su velocidad de desplazamiento y a la inducción del campo: E = I (v Λ B) (7. En el caso de un fluido conductor en movimiento.e.37.e. La velocidad de giro de una turbina intercalada en la tubería es proporcional al caudal en el caso de fluidos incompresibles. sobre un conductor que se desplaza transversalmente a un campo magnético se genera una f. Medidores por velocidad y por inducción.3.37 muestra un esquema de principio de este tipo de transductores.
.m. donde la presión dinámica hace girar un rodete.m.29)
Donde ( Λ ) representa el producto vectorial.
. no hay pérdidas de carga ni partes en movimiento.e.4. El método de medida tiene la ventaja de no entorpecer el flujo y.39.m. depende de la permeabilidad magnética del liquido.Figura 7. Como ejemplos mas típicos de este tipo de transductores se tiene los de disco oscilante y los de lóbulos. Como inconvenientes podemos citar que las medidas pueden tener error si la tubería no esta totalmente llena o si hay burbujas y que la f.m.38. La f. es apto para líquidos corrosivos o muy viscosos.e. Medidores volumétricos. por tanto. 7. Transductor de caudal por inducción electromagnética (líquidos conductores). a la distancia entre electrodos de captación y a la velocidad del fluido. Representados en la figura 7. Por otro lado. por tanto. para una sección y densidad constantes una indicación de caudal. obtenida es proporcional al campo inductor.13. Para medir caudal de gases se suelen emplear métodos de medición volumétricos intentando mantener presión y temperatura constantes. Manteniendo constantes los dos primeros se obtiene una indicación de velocidad y.
7. se si se trata de líquidos o de sólidos. su nivel puede medirse por contacto entre dos electrodos sumergidos en el. En otros casos se detecta diferencia de temperatura entre un electrodo sumergido o no. Para el paso de sólidos u líquidos no conductores suelen emplearse métodos fotoeléctricos o detectores de proximidad capacitivos. Transductores todo o nada. Podemos distinguir dos tipos de detección de niveles: ⇒ Detección de varios niveles de referencia mediante un número discreto de transductores todo o nada. si el liquido es conductor. los detectores de nivel mas adecuados para sólidos son los de tipo capacitivo. Los transductores de nivel se utilizan para conocer el estado de llenado de depósitos de líquidos o sólidos en forma de polvo o granulados. De todas formas.1. obteniendo una señal proporcional al nivel Cabe señalar que la detección de nivel de sólidos es poco frecuente.Figura 7. Transductores por presión. Transductores de caudal volumétricos (gases).14.39. 7. dependiendo. Una de las formas de obtener una indicación analógica de nivel de líquidos consiste en medir la presión sobre el fondo del depósito que los contiene. Para líquidos es frecuente emplear flotadores con un contacto de mercurio o. siendo más habitual su pesaje. 7.14.2. sobre todo. los ópticos y los ultrasónicos. TRANSDUCTORES DE NIVEL. La detección de niveles de referencia mediante dispositivos todo o nada puede basarse en diferentes principios. 44
.14. ⇒ Detección de tipo analógico.
en cambio. empleando alguno de los métodos indicados en el apartado 7.)
En tanques abiertos (figura 7.40. El tiempo total de ida y vuelta es proporcional a la distancia y a la densidad del medio 45
. Transductores ultrasónicos.41. es directamente proporcional al nivel (h) respecto a dicho fondo y al peso especifico (ρ) del líquido: Pf – P s = ρ h (7.
Figura 7.14.41 muestra unos esquemas de principio para recipientes abiertos y cerrados.
7.La diferencia de presiones entre el fondo y la superficie (Pf – Ps). 7. La figura 7.6. Transductores de nivel por presión hidrostática. ya que los cambios de presión atmosférica suelen tener poca importancia.30.40) el nivel es aproximadamente proporcional a la presión absoluta. Transductores por flotador.6.4. sobre todo si se trata de líquidos densos. en la medición de la distancia desde el fondo a la superficie o desde el punto máximo a la superficie. El método mas fiel para detectar el nivel de líquidos consiste en el empleo de un flotador solidario a un sistema de palancas y unido a un sensor de distancia o desplazamiento.14. El transductor emite un impulso de presión (ultrasonidos) que es reflejado por la superficie del material y recogido por un receptor colocado al lado del emisor.
Figura 7.3. es imprescindible utilizar transductores de presión diferencial. Transductores de nivel por flotador. Para tanques cerrados. en realidad. Los detectores por ultrasonidos se basan.
tales como servomotores. accionamientos de dos tipos: ⇒ Accionamientos todo o nada. a su vez. etc. 7.
Dentro de cada una de estas tecnologías encontramos. etc. Este tipo de detector es apto también para detectar nivel de sonidos. Transductores de nivel por ultrasonidos. que se pueden considerar como complementos del autómata en las funciones de regulación.
Figura 7. bombas u otros tipos de accionamientos convencionales.). La gama de posibles accionamientos que puede controlar un autómata programable es enormemente extensa y variada. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS. Entre los mas habituales se encuentran los destinados a producir movimiento (motores y cilindros). Según esto podemos distinguir: ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Accionamientos eléctricos. ACCIONAMIENTOS: CLASIFICACION. Para empezar podemos establecer una clasificacion atendiendo a la tecnología o. intercambiadores. ⇒ Accionamientos de tipo continuo. dependiendo del tipo de energía empleada em el accionamiento.42 muestra un esquema de principio del medidor. La figura 7. los destinados a trasiego de fluidos (hornos. El accionamiento puede estar bajo el control directo de la parte de mando o puede requerir algún prerracionamiento para amplificar la seña de mando.42.15. Sin embargo. Accionamientos térmicos. Accionamientos neumáticos. si se quiere.
En la introducción hemos definido el accionamiento como aquel dispositivo o subsistema que se encarga de regular la potencia de una planta o de un automatismo.(velocidad del sonido en el medio). sino que trataremos preferentemente de los preaccionamientos y otras partes mas directamente ligadas al control..16. no es nuestro propósito estudiar aquí motores. Accionamientos hidráulicos. 7. servovalvulas.
etc.16. motores. AC3:Mando de motores de CA de rotor en cortocircuito. todos los preaccionamientos que se conectan a los autómatas suelen tener mando eléctrico. AC11:Mando de bobinas y electroimanes en general en corriente alterna.  Poder de corte: se define por la corriente que el rele es capaz de accionar e interrumpir para cada tipo de carga (inductiva. Los reles están previstos para accionar pequeñas potencias. PARA CONTACTORES. capacitiva. contactores y servomotores de tipo eléctrico. El rele separa en general la parte de mando.  Tensión de empleo: tensión de empleo de los contactos de potencia. de la parte de potencia. con posibilidad de corte durante el arranque e inversion de marcha a motor lanzado.De alguna manera. AC4:Mando de motores de CA con corriente limitada por resistencias. los tipos de servicio más frecuentes según normas I E C son: PARA RELÉS. 7.16. Las características mas relevantes de relees y contactares son:  Tensión de mando: tensión de alimentación de la bobina de mando.  Corriente térmico: corriente máxima que pueden soportar los contactos una vez cerrados sin sobrepasar los límites de calentamiento. DC11:Mando de bobinas y electroimanes en general en contracorriente continua. electrovalvulas u otros. autotransformador u otros medios. Pero dentro de este aparato nos referiremos únicamente a reles. que trabaja con tensiones y corrientes debiles.) y para un numero de maniobras determinado .2. AC1:Conexión y corte de cargas resistivas. Muchas etapas de salida de autómatas utilizan relees cuya bobina va gobernada directamente por los circuitos electrónicos y que aportan la ventaja de aislar eléctricamente el circuito electrónico de los contactos de utilización. mientras que los contactores pueden accionar grandes potencias (centenares de kilovatios). sin posibilidad de corte durante el arranque ni inversion a motor lanzado. Los reles se suelen emplear como etapa previa para accionar dispositivos mas potentes como los propios contactores.  Corriente de empleo: es la corriente que el dispositivo es capaz de accionar e interrumpir para cada tensión de empleo y con carga resistiva. con tensiones y corrientes mas elevadas. Los reles y contactores son dispositivos electromagnéticos que conectan o desconectan un circuito eléctrico de potencia al excitar un electroimán o bobina de mando. AC2:Mando de motores de CA de rotor en cortocircuito. La diferencia entre rele y contactor esta precisamente en la potencia que es capaz de seccionar cada uno.  Potencia de mando: potencia necesaria para accionar la bobina de mando  Tensión de aislamiento: tensión de prueba entre circuito de mando y contactos. Reles y contactores. 7.1. generalmente inferiores a 1 kW. SERVOMOTORES DE CC 47
alojado en el rotor. Los parámetros esenciales de un servomotor de CC y las unidades de medida habituales son los siguientes: n = velocidad E1= fuerza electromotriz del inducido U1= tensión del inductivo Ii = corriente de inducido Qe = flujo inductor o excitación Te= constante de tiempo eléctrica Cm =par motor (metros . newton) P = potencia (vatios) Ke = constante eléctrica Km = constante mecánica
Las relaciones parámetros para un por imanes independiente y siguientes:
fundamentales entre dichos servomotor con excitación permanentes o excitación constante son las
. mientras que en los de disco suele estar dispuesto en forma radial. El rotor de muchos motores de disco puede estar construido a base de circuito impreso o cable rígido con soporte de resina dando una inercia propia extremadamente baja. Constructivamente se diferencia básicamente el la forma de rotor las mas habituales son:  Rotor alargado  Rotor en forma de cesta  Rotor de disco Los dos primeros suelen tener un colector clásico de forma cilíndrica . se suele construir de forma que presente una inercia mínima. Aunque el principio de funcionamiento es el de una maquina de continua convencional con excitación independiente. El inducido. Por lo general el inductor se encuentra en el estator y puede ser o bobinado o de imán permanente. su forma constructiva esta adaptada a obtener un comportamiento dinámico rápido y estable y un par de arranque importante.Los servomotores de CC son pequeñas maquinas especialmente diseñadas para control de posicionamiento.
Dado que el rozamiento viscoso suele ser pequeño frente a la inercia.cuyo valor es:
. donde Tm es la denominada constante de tiempo mecánica .A partir de estas relaciones se deduce que el control de velocidad del motor puede hacerse regulando la tensión del inducido y compensando la caída de tensión. se obtiene la siguiente función de transferencia. en tal caso simplicando el diagrama en lazo cerrado. el sistema mecánico se comporta prácticamente como un integrador puro. En ambos casos se debe mantener constante el flujo de excitación.
16.3.Este modelo de motor permite determinar el comportamiento dinámico del motor de mas carga y elegir un regulador mas conveniente para sistemas de regulación de velocidad o posición. Dentro de los motores de alterna podemos distinguir los asíncronos y los síncronos.
No obstante. 7. Las piezas polares y el rotor suelen tener forma dentada igual que se vera en los motores paso a paso. en sistemas de posicionamiento y pequeña potencia los motores de alterna mas utilizados son el sincrono y el de reluctancia debido a la ausencia de deslizamiento. Los parámetros esenciales de los que depende el funcionamiento del motor son los siguientes:
. SERVOMOTORES DE CA Para accionamientos de cierta potencia. A ellos nos referimos habitualmente al hablar de servomotor de CA. Sin embargo en los servomotores el rotor puede estar construido por un bloque de hierro o por un imán permanente para evitar la presencia de escobillas . Los motores sincronos con rotor de imán permanente y los motores de reluctancia con rotor liso funcionan con devandos trifásicos en el estator y con uno o mas pares polos por fase de forma que se cree un campo giratorio sin saltos. El motor asíncrono convencional no es apropiado para muchos servosistemas que requieran cierta precisión a causa del deslizamiento y de la poca linealidad de las características par velocidad. el motor de alterna presenta diversas ventajas frente al de continua la principal de ellas la ausencia de colector y escobillas. las formas constructivas de servomotor de CA pueden ser varias lo clásico en una máquina sincronía es disponer un devanado estatorico alimentado en CA y un devando rotatorio alimentado en CC a través de escobillas y un sistema de anillos rozantes . Se emplea acompañado de variadores de frecuencia para accionamientos de velocidad variable donde gracias a un control de lazo cerrado pueden ser obtenidas precisiones aceptables.
Los motores paso a paso. con estator imantado al objeto de obtener un par de retención a motor parado. pueden considerarse también dentro de esta familia pues no son mas que motores de reluctancia bifásicos. o con polos salientes. que se estudian en el apartado siguiente. pueden perder el sincronismo y pasan a funcionar como maquinas asíncronas.En cuanto a los motores de reluctancia. Para pares altos.45. tal como se muestra en la figura 7. De esta forma el rotor tiende siempre a orientarse en la posición de menor reluctancia y se consigue una curva par-velocidad con una zona plana (deslizamiento cero) manteniendo el sincronismo para una amplia gama de par y actuando como verdaderos motores asíncronos. sin embargo. son en realidad maquinas asíncronas. en los que la velocidad depende solo de la frecuencia de alimentación para una amplia gama de par (figura 7.
. pero se suelen construir con una forma dentada de rotor y del estator.6).
45.4 MOTORES PASO A PASO Como se ha dicho en el apartado anterior. incluso en la ausencia de alimentación.47 y 7. En el caso de motores de tres hilos. 3.48.16.7.
Sin embargo. En el caso de motores de devanado partido se puede tener un ciclo de ocho pasos como se muestra en la figura 7. En estos últimos hay que tener en cuanta que el par de motor es aproximadamente un 30% menor. de forma que solo un diente de rotor queda enfrentado a uno del estator y el resto queda decalados entre si. En el primer caso se habla de motores de tres hilos y en el segundo se llaman motores de devanado partido. 7. tal como se muestra en la figura 7. en general bifásicos. los motores paso a paso no son mas que motores de reluctancia. Obsérvese que en el ciclo de 8 pasos llamado también de medio paso hay momentos en que hay 2 bobinas excitadas y otros en que solo hay una. El estator puede tener una o dos bobinas por fase. como muestran la fig.47. las piezas polares del rotor y del estator no tienen el mismo paso entre dientes. la secuencia de conmutadores es la que muestra la propia figura 7.48. donde se ve que el ciclo se completa con cuatro conmutaciones o *pasos*. Ambos tipos de motores se suelen alimentar de una fuente de corriente continua a través de un conmutador a base de transistores. cuyo estator tiene una imantación permanente con objeto de obtener un par de retención a motor parado.5 y 7 de la citada figura. El estator contiene dos conjuntos de bobinas decaladas 90º eléctricos y las piezas polares tienen forma dentada. o se puede tener un ciclo de 4 pasos que correspondería a los pasos 1.
Así pues a tensión constante el par decrece con la velocidad. Así. debido al distinto paso entre dientes del rotor y del estator cada vez que se hace girar el campo una vuelta completa. La figura 7. El par motor depende de la corriente de alimentación y. a su vez esta depende de la frecuencia de forma de alimentarlo a tensión constante suele decrecer con la frecuencia ya que aumenta la impedancia de los devanados. la velocidad del motor será:
Puede invertirse el sentido de giro del motor sin más que invertir el orden de las conmutaciones.Cada vez que se efectúa una conmutación o paso se cambia la orientación del campo en el entrehierro en saltos de 90º.
. De todas formas. que cada ciclo completo de conmutaciones con el campo gira 360º eléctricos. por lo que la curva de par-velocidad depende del motor y de la forma de actuación del convertidor. el convertidor puede aumentar la tensión a medida que aumenta la frecuencia.49 muestra las curvas parvelocidad de un motor típico en los dos casos: a tensión constante y aumentando la tensión con frecuencia. para la secuencia de 4 pasos por ciclo viene dado por la expresión:
Si se conmuta con una frecuencia de F pasos. el rotor avanza solo uno o dos dientes ya que se tiende siempre a que los dientes del rotor queden alineados con el campo. Para el ciclo de 4 pasos el ángulo de avance que corresponde a un paso será:
El número de pasos por vuelta. Sin embargo. el número de dientes del rotor y del estator y p es el número de pares de polos de estator. pero el rotor avanza solo un Angulo Aciclo tal que: Aciclo= 360º/P (NR-NB)/NR
Donde NR y NB indican respectivamente.
Sin embargo también describiremos brevemente las electroválvulas y servovalvulas como elementos previos de control o preaccionamientos indispensables en estos sistemas. En cualquier válvula hay que distinguir dos partes: • Elemento de mando • Circuito de potencia El elemento de mando se encarga de conmutar la conexión hidráulica o neumática entre conductos del circuito de potencia. Básicamente estudiaremos dos tipos de accionamientos: los cilindros hidráulicos o neumáticos y los motores hidráulicos. neumático.17. Las biestables permiten realizar la función memoria y por tanto cualquier circuito secuencial.2 SERVOVALVULAS
. manual.52 muestra los símbolos de una serie de válvulas de dos posiciones con distintos tipos de mando y la figura 7. Las válvulas de dos posiciones pueden clasificarse. gracias a se robustez y facilidad de control. además en monoestables o biestables.1 VALVULAS
Una válvula es un dispositivo que permite establecer o cortar la conexión hidráulica o neumática entre dos o más conductos o vías. Desde el punto de vista lógico. Las válvulas suelen clasificarse atendiendo al número de posiciones distintas que permite el circuito de mando y al número de vías de entrada y salida del circuito de potencia en cada posición. Las primeras tienden en una ausencia fija de reposo. El mando puede ser de tipo eléctrico. hidráulico. La fig. las válvulas monoestables permiten realizar funciones de tipo Y. La figura 7.7. la lógica suele encargarse a éste. En los automatismos controlados por autómata.
7. 7. activadas a través de salidas de tipo lógico ya sea por relé o con interruptor estático.51 muestra la forma constructiva de una válvula con mando eléctrico y un manual de dos vías y dos posiciones.17 ACCIONAMIENTOS HIDRAULICOS Y NEUMATICOS Los accionamientos hidráulicos y neumáticos se aplican de forma masiva en los automatismos industriales.53 muestra algunos ejemplos de circuitos de potencia.7.54 muestra la estructura de varios dispositivos lógicos de tipo neumático. por lo que las válvulas suelen jugar un papel de preaccionamientos que vistos desde el autómata son puramente bobinas de electroimán.17. O Y NO y por lo tanto permiten realizar cualquier circuito neumático o hidráulico de tipo combina nacional. La figura 7.
Según sus posibilidades de posicionamiento. abierta o cerrada según se muestra en la figura 7. un obturador tipo rotativo o un distribuidor.
7. es decir para el autómata programable servovalvulaes un elemento análogo que se gobierna a través de una señal continua entre 0. la definición de estos términos es la que dio el capitulo.El nombre de servoválvulas o válvulas proporcional se suele dar a una válvula que es capaz no solo de abrir o cerrar un circuito hidráulico o neumático sino de regular la presión o el caudal a través de un determinado conducto siguiendo una cierta magnitud de consigna de tipo eléctrico. SENSIBILIDAD: Relación entre el cauda de salida y la señal análoga de control del régimen permanente.10 V o de 4 a 2 mA.3 CILINDROS Un cilindro neumático o hidráulico es un accionamiento que permite obtener un movimiento lineal aplicando una presión a uno u otro lado del embolo. En general sin embargo se suelen dotar de un amortiguamiento suficiente para que no se produzca oscilaciones. podemos clasificar los cilindros en tres grandes grupos: • De simple efecto • De doble efecto • De acción diferencial Los primeros permiten empujar en un solo sentido y retornan automáticamente el origen por la acción de un muelle. Generalmente se trata de componentes óleo hidráulicos con un dispositivo o motorizado que regula la posición de un pistón tipo cónico. o a través de una señal digital. Los parámetros importantes para el sistema de control son la sensibilidad la constante de tiempo y el coeficiente de amortiguamiento.17. Así pues.
. la constante de tiempo es aproximadamente igual al tiempo que tarda la válvula en alcanzar el régimen permanente cuando se aplica un escalafón de referencia. El mando de estos se suele efectuar mediante una válvula de 3 vías y 2 posiciones.55a. En tal caso. Para el propósito de este texto. CONSTANTE DE TIEMPO Y CONSTANTE DE AMORTIGUAMIENTO Generalmente las servovalvulas suelen tener un comportamiento como un sistema de segundo orden.
2 Servoválvulas El nombre de servoválvulas o “válvula proporcional” se suele dar a una válvula que es capaz no sólo de abrir o cerrar un circuito hidráulico o neumático. o a través de una señal digital.7.17. Para el autómata programable. sino de regular la presión o caudal a través de un determinado conducto siguiendo una cierta magnitud de consigna de tipo eléctrico. se trata de componentes oleohidráulicos con un dispositivo motorizado que regula la posición de un pistón de tipo cónico. la servoválvula es un elemento analógico que se gobierna a través de una señal continua entre 0 y 10 V o de 4 a 20 mA. un obturador de tipo rotativo o un distribuidor. Generalmente. además. si la válvula lleva incorporado su propio control. 56
. algún tipo de sensor de posición que permite mantener su posición mediante un servo en lazo cerrado. La mayoría de servoválvulas suelen llevar.
Cilindros Un cilindro neumático o hidráulico es un accionamiento que permite obtener un movimiento lineal aplicando una presión a uno u otro lado del émbolo. Para su control hacen falta dos válvulas de bloqueo y un distribuidor 4/2.55 a. tal como se muestra la figura 7. conseguir un movimiento más uniforme en el caso de carreras largas.De doble efecto . la constante de tiempo y el coeficiente de amortiguamiento. aplicando presión a ambos lados del mismo o. En tal caso. Constante de tiempo y constante de amortiguamiento: Generalmente. las servoválvulas suelen tener un comportamiento como un sistema de segundo orden.De acción diferencial Los primeros permiten empujar en un solo sentido y retornan automáticamente al origen por la acción de un muelle. 7.3. Sensibilidad: Relación entre el caudal de salida y la señal analógica de control en régimen permanente.55 b. cuando se aplica un escalón de referencia. En general.
Los de doble efecto empujar en ambos sentidos.56.Los parámetros importantes para el sistema de control son la sensibilidadf. se suelen dotar de un amortiguamiento suficiente para que no se produzcan oscilaciones. la constante de tiempo es aproximadamente igual al tiempo que tarda la válvula en alcanzar el régimen permanente. El mando de éstos se suele efectuar mediante de 3 vías y 2 posiciones. El mando se suele realizar a través de una válvula de 4 vías y 2 posiciones tal como se muestra en la figura 7.De simple efecto . simplemente. Según sus posibilidades de posicionamiento. podemos clasificar los cilindros en tres grandes grupos: .
. Los cilindros de acción diferencial permiten mantener el émbolo en cualquier posición. abierta o cerrada. sin embargo. según se muestra la figura 7.17.
7. La figura 7. En cuanto al comportamiento dinámico. se suelen indicar en las tablas de características los tiempos empleados en efectuar un recorrido en vacío en función de la presión y de las pérdidas de carga o “longitud equivalente” del circuito de distribución.6 Cilindro de acción diferencial. que se suele tomar entre 0. el empuje de los cilindros de doble efecto no suele ser el mismo en ambas direcciones.45) (7. además.5 y 0. P. P . Dicha fuerza viene dada por: Fs = K . En general. SE (Sentido de salida del vástago) FE = K . equipar con amortiguadores al final de la carrera.17. Para suavizar la parada se suelen. (7.44)
.4. SE es la sección del émbolo. (SE – SV) (Sentido de entrada del vástago) Donde P es la presión. las especificaciones técnicas de los cilindros suelen indicar la fuerza que es capaz de efectuar en cada uno de los sentidos en función de la fuerza aplicada. La respuesta dinámica en carga dependerá de la masa o inercia que deba moverse.Figura 7.57 muestra un esquema de un principio de este tipo de accionamiento. SV es la sección de vástago y K es el denominado coeficiente de carga. Sujeción por vacío La técnica de sujeción por vacío permite la manipulación de pequeñas piezas a base de utilizar ventosas en las cuales se efectúa el vacío a través de un chorro de aire que provoca el efecto Venturi. Debido a la sección del vástago. 7.
en la medida que éstos sean precisos. Hemos visto que los sensores son una parte esencial de los sistemas realimentados y que. 7. Como elementos periféricos de los autómatas. indicando cuáles eran los parámetros esenciales que influyen en el control.5. lo único que nos interesa es que las bombas suelen accionarse a través de motores eléctricos de CA regulados mediante onduladotes a frecuencia y tensión variables. pudiéndose observar que. siendo en general. con un par creciente con la velocidad. una vez conocida su función de trasferencia. se trata de bloques funcionales que. En cuanto a los motores hidráulicos. siendo imprescindibles para el estudio dinámico de los sistemas de control. En la actualidad. Dicho modelo puede obtenerse por métodos análogos para el servomotor de alterna o el motor paso a paso o para otros accionamientos.18.
.57. A título de ejemplo hemos desarrollado el servomotor de CC. aunque sea superficial. controlados por otros dispositivos hidráulicos o neumáticos. a distintos tipos de sensores y accionamientos que tienen cierta relación con el mundo de los autómatas. muchos de estos reguladores se construyen con un microprocesador de control y admiten órdenes del autómata a través de un sistema de comunicación digital. permitirán obtener mejores prestaciones a los automatismos. Bombas y motores hidráulicos En realidad las bombas y los motores oleohidráulicos son una misma máquina. en realidad y desde el punto de vista del sistema de control.17. cambiando únicamente el sentido de transferencia de la energía. En consecuencia. ofrecen relativa facilidad para ser regulados. En cuanto a los accionamientos. pueden ser tratados por la teoría.Figura 7. éstos tienen poca relación directa con el mundo de los autómatas. RESUMEN Hemos dado un repaso. Lo más frecuente es que las bombas sean del tipo centrífugo. nos hemos limitado a un estudio superficial de los más frecuentes. Hemos estudiado a los principios de funcionamiento de diversos sensores y hemos definido los parámetros básicos que los caracterizan. Ventosa de sujeción por vacío 7.
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