Source: https://es.scribd.com/doc/70812520/Sensores-y-actuadores
Timestamp: 2016-05-25 14:06:38+00:00

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En la tabla 7. para fuerza y par se utilizan captadores de deformación unidos a piezas elásticas eléctricas. los principios físicos en los que suelen estar basados los elementos censores son los siguientes: cambios de resistividad. capacidad. 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. Efecto fotovoltaico.). CLASIFICACION SEGÚN LA MAGNITU FÍSICA A DETECTAR. debidamente alimentados. 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. 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. la respuesta real de los transductores nunca es del todos lineal. provoca cambios de tensión o de corriente en un circuito.1 se da un resumen de los mas frecuentes utilizados en los automatismos industriales. Sin embargo. tal como se ha visto en el capitulo 3 la relación salida/entrada en régimen permanente depende casi exclusivamente del bucle de realimentación. generalmente de pequeña señal. Termoelectricidad.
7. Es mas. Electromagnetismo (inducción electromagnética) Piroelectricidad. existe una gran variedad de censores en la industria. suele estar afectada por perturbaciones del entrono del exterior y tiene un cierto retardo a la respuesta. tiene un campo limitado de validez. Por ello no necesita alimentación exterior para funcionar. Obsérvese que en la columna encabezada como <<TRANSDUCTOR>> aparece a veces el nombre del elemento captador de dicho transductor. Este tipo de censores. por lo general.Otro criterio de clasificación relacionado con la señal de salida. Así por ejemplo. Los censores pasivos se basan. los cuales son recogidos por el circuito de interfaz. etc. En general. En cuanto a la naturaleza de la magnitud física a detectar. aunque si suelen necesitarla para amplificar la débil señal del captador.
. dejando a la do las características constructivas particulares de cada transductores o de cada sistema de medida previsto como lazo de realimentación.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. Los censores activos son en realidad generadores eléctricos. 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. así pues. En el primer caso se denominan censores pasivos y en el segundo caso activos o directos. en la modificación de la impedancia eléctrica o magnética de un material bajo determinadas condiciones físicas y químicas (resistencias. inductancia. es el hecho de que el captador propiamente dicho requiera o no una alimentación externa para su funcionamiento. reluctancia. características dinámicas: que describen la actuación del censor en régimen transitorio. sobre todo en casos de medición indirecta. 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.
Se suele indicar en valor absoluto de la variable en entrada o en porcentaje sobre el fondo de escala de salida. que produce una desviación de la salida con respecto al valor teórico.
. Lo no linealidad se mide por la máxima desviación entre la respuesta real y la característica puramente lineal.
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. con el mismo censor y en idénticas condiciones ambientales. referida al fondo de escala. pues. en todo el campo de medida.3.
Característica que indica la menor variación de la salida por unidad de la magnitud de entrada.
Indica la capacidad del censor para descirbir entre valores muy próximos de la variable de entrada. Se mide por la mínima diferencia entre dos valores próximos que el censor es capaz de distinguir.
Características que indica la máxima desviación entre valores de salida obtenidos al medir varias veces un mismo valor de entrada.1
Es el rango de valores en la magnitud de entrada comprendiendo entre el máximo y el minimo detectables por un censor. mientras que en un transductor de respuesta no lineal depende del punto en que se mida. La sensibilidad se mide. en idénticas condiciones.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. según el modelo ideal especificado como patrón.
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. Se suele expresar en porcentaje referido al fondo de escala y da una indicación del error aleatorio del censor.
Se entiende por ruido cualquier perturbación aleatoria que del propio transductor o del sistema de medida. 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. por la relación:
con una tolerancia de +. 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. sistemas en los que no hay rebasamiento de en la respuesta al escalón. Los principales parámetros que caracterizan el comportamiento dinámico de un transductor será. Solo cabe destacar que los transductores que responden a modelos de segundo orden suelen ser sistemas sobre amortiguados.
. 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. que suelen obtenerse de la respuesta al escalón. pues. 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. 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. Se suele identificar gráficamente mediante un grafico de Bode. Se suele medir en términos de valor absoluto de la variable física o en porcentaje sobre el fondo de escala. repetibilidad y sensibilidad.
Relación entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada es una excitación senoidal. términos que suelen confundirse a veces. a igualdad de la magnitud de entrada.
7.3.1 %. con una o máximo. dos constantes de tiempo dominantes.HISTÉRISIS
Se dice que un transductor presenta histérisis cuando. es decir. es decir. 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 que la histérisis puede no ser constante con todo el campo de medida.2
La mayor parte de transductores tienen un comportamiento dinámico que se puede asimilar a un sistema de primer o segundo orden. Obsérvese la clara diferencia entre los términos resolución. los que se definen para estos tipos de sistemas. incluso en alguna bibliografía. La forma de cuantificar este parámetro es a base de una o más constantes de tiempo. precisos. cuando a la entrada se le aplica un cambio de escalón. la salida depende de dicha entrada se alcanzo con aumentos en sentido creciente o en sentido decreciente. 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.
lo estudiaremos como verdaderos medidores de posición. se trata de censores con respuesta todo – nada. Se trata de censores de posición especialmente diseñados para detectar pequeñas deformaciones o movimientos. Atendiendo al tipo de alimentación (CC o CA).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.ESTABILIDAD Y DERIBADAS
Características que indican la desviación de la salida del censor al variar ciertos exteriores distintos del que se puede medir.
. tiristor
o triac). Medidores de distancia o posición.1 Conceptos generales
Detectores Inductivos. Detectores Ópticos. Muchas veces se emplean adosados a piezas elásticas o con palpadores como transductores indirectos de fuerza o de par. El más elemental de estos censores es quizás el conocido interruptor final de carrera por contacto mecánico.
7. tales como condiciones ambientales. alimentación u otras perturbaciones. Detectores Capacitivos. al tipo de salida y a la forma de conexión podemos clasificar los detectores de proximidad en diferentes grupos (figura 7. 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. pudiendo actuar como interruptores de CC o de CA. 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. En tal caso. Pero algunos de ellos pueden llegar a dar una salida analógica proporcional a la distancia. Entregan una señal analógica o digital que permite determinar la posición lineal o angular respecto a un punto o eje de referencia. Detectores Ultrasónicos
Por lo general. con una cierta histéresis en la distancia de detección y con salida a base de interruptor estático (transistor.5 DETECTORES DE PROXIMIDAD 7.5.
7.2). Transductores de pequeñas transformaciones.
Esta conexión es habitual para los detectores de CA. Se trata de detectores cuya salida es un interruptor estático de CA a base de tiristores o triacs. Por lo general.Figura 7. Precisamente el tipo de transistor determina la forma de conexión de la carga. Detectores de tipo inductivo previsto para funcionamiento en atmósferas explosivas. Los sensores NAMUR siguen también una conexión de dos hilos. no pueden utilizarse mas que para CA. -Detectores Namur. como si se tratara de un interruptor electromecánico. -Conexión a tres hilos. sino que precisan de un circuito auxiliar externo. igual que los tipos mencionados anteriormente. La actuación puede considerarse todo o nada con una histéresis . Ésta es la más frecuente para los detectores de CC con salida por transistor.234). ya que para CC una vez cebados no desenganchan. -Detectores todo-nada de CA. 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. El sensor se conecta en serie con la carga. Se tiene un hilo común para alimentación y carga y los otros 8
. -Conexión a dos hilos. 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. -Detectores todo-nada de CC. según recomendaciones NAMUR (DIN 19. Únicamente los de tipo óptico y ultrasónico pueden detectar distancias considerables con una resolución aceptable.
CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE CONEXIÓN.2 CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE SALIDA. Los de tipo inductivo y capacitivo tienen una linealidad y una resolución bastante pobres. Son detectores de dos hilos que absorben una intensidad alta o baja dependiendo de la presencia o no del objeto detectado. aunque como se ha dicho no son propiamente interruptores. Los detectores con salida analógica dan una corriente proporcional a la distancia entre el cabezal detector y el objeto a detectar. Se trata de detectores cuya salida suele ser un transistor PNP o NPN.
5. 7.036.3): -Forma A cilíndrica roscada con diámetros normalizados de M8. una excesiva corriente de fugas puede ocasionar problemas de interpretación de nivel alto de entrada cuando en realidad el interruptor está desactivado. EN 50. Emplean dos hilos para la alimentación. La detección de dicha amplitud permite obtener una señal de salida todo-nada. y otros dos (o tres. Como se ha dicho. Para otros tipos de metal y otras dimensiones la distancia nominal de detección debe corregirse con un factor de valor entre 0. A nivel de bloques están formados por un circuito oscilador L-C con alta frecuencia de resonancia. 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.4 a 0. atenúa el circuito oscilante y hace variar la amplitud de oscilación. todos ellos pueden ser de tipo enrasable o no enrasable. Se suele emplear para detectores de CC. de forma que el flujo se cierra en la parte frontal a través de la zona sensible. M18 y M30. Generalmente son utilizados para distancias grandes. A su vez. con una posible resolución del orden de décimas de milímetro.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.
. Existen. CARACTERÍSTICAS DE SALIDA.6 y 1. -Forma C de paralelepípedo con cabeza orientable.dos son diferenciados uno para la alimentación y otro para la carga. Desde el punto de vista de su aptitud para ser usados como elementos de mando en los autómatas. otros tipos sin rosca con tamaños de diámetro de 4 a 5 mm. además. La presencia de metal dentro de dicha zona sensible altera la reluctancia del circuito magnético. La ejecución mecánica y eléctrica está normalizada a nivel europeo por CENELEC (normas EN 50. EN 50.037. en montaje conmutado) corresponden al contacto de salida para control de la carga. los detectores con excesiva corriente de fugas no son aptos para accionar las entradas de los autómatas. 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. La bobina está construida sobre un núcleo de ferrita abierto en forma de “pot-core” (ver detalle en la figura 7. 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.032. Este tipo de conmutadores presentan siempre una caída de presión residual en el estado cerrado y una corriente de fugas en el estado abierto. Por ello. dependiendo de si se puede o no enrasar el cabezal detector en metal.038) Mecánicamente las mencionadas normas definen varios tipos (figura 7. M12. los detectores de proximidad suelen tener salida estática a base de tiristores o transistores.4). EN 50.
. tales como: ausencia de contacto con el objeto a detectar. robustez mecánica. Sin embargo. resistencia a ambientes agresivos y altas temperaturas y bajo precio. la medida es muy imprecisa.3 Formas constructivas de los detectores de proximidad
La variación de amplitud de la oscilación. depende mucho del tipo de metal y de las condiciones ambientales. provocada por la presencia de metal frente al cabezal detector.
El campo de aplicación más importante de los detectores inductivos es como interruptores final de carrera con algunas ventajas con respecto a los electromecánicos.Figura 7. puede utilizarse para obtener una señal analógica de posición. El detector de proximidad da entonces una señal que es proporcional a la distancia.
tipos de alimentación y formas de conexión son idénticas a las de los detectores inductivos. se suelen construir con un ajuste de sensibilidad que permite utilizarlos para la detección de algunos materiales entre otros (por ejemplo.3 Detectores capacitivos El principio de funcionamiento y las características son análogas a las descritas para los detectores inductivos.5.Figura 7. sin embargo.5. etc.4 Detectores ópticos Los detectores ópticos emplean fotocélulas como elementos de detección. agua. pero su sensibilidad se ve muy afectada por el tipo de material y por el grado de humedad ambiental y del cuerpo a detectar. Por ello se utilizan exclusivamente como detectores todos.nada. aluminio entre cobre y latón).
7. pero en este caso el elemento sensible es el condensador del circuito oscilante. 7. Algunos tipos disponen de un cabezal que incorpora un emisor de luz y la fotocélula de 11
. la detección de materiales no metálicos como vidrio. Las aplicaciones típicas son . Para paliar el problema de dependencia de la sensibilidad con el tipo de material. con una repetitibilidad bastante dependiente de las condiciones ambientales. En cuanto a las formas de ejecución mecánica. cerámica. aceite. madera. y cuyo dieléctrico es el material de la zona sensible. plástico. Este tipo de sensores permiten detectar materiales metálicos o no. papel. cartón. formado por dos aros metálicos concéntricos situados en la cara sensible.4 Diagrama de bloques y detalle del núcleo captador de los detectores de proximidad inductivos.
6 muestra la respuesta típica de uno de dichos detectores con salida analógica 7. y hasta 5 m por reflexión. que tienen los puntos de emisión/ recepción de luz separados de la unidad generadora. De esta forma. Las características particulares de los detectores de proximidad ópticos.
. Ambos tipos suelen trabajar con frecuencia luminosas en la gama de los infrarrojas. -Capaces de detectar objetos del tamaño de décimas de milímetro. previsto para recibirla en el plano vertical. -Alta velocidad de respuesta y frecuencia de conmutación.5 muestra algunos de los tipos de fotocélulas de barrera y de reflexión. Se obtienen fácilmente hasta 500 m en modo barrera. Por lo demás. pudiendo detectar objetos muy pequeños. el nivel de recepción varía y el receptor lo detecta. Cualquier objeto. -Distancias de detección grandes respecto a los inductivos o capacitivos. incluso reflectante. Como ventaja frente a las fotocélulas. aunque suelen tener problemas de falta de repetibilidad frente a cambios de iluminación ambiental. u objetos estáticos de hasta unas 20 micras de diámetro.detección.). La figura 7. no podrán ser utilizados en lugares donde éste circule con violencia (bocas de aire acondicionado.) o en medio de elevada contaminación acústica (prensas. disponibles en versiones de reflexión y de barrera. los detectores ultrasónicos pueden detectar con facilidad objetos transparentes. y dado que estos detectores utilizan ondas ultrasónicas que se mueven por el aire. Otra variante de detectores ópticos son los de fibra óptica. tienen distancias de detección de 3 mm a 10 metros. puesto que no girará el plano de polarización del haz luminoso. Cuando un objeto interrumpe el haz. Existen algunas variantes de detectores ópticos previstas para aplicaciones especiales. Otros tipos trabajar a modo de barrera y están previstos para detección a mayores distancias con fuentes luminosas independientes del cabezal detector. aprovechando la flexibilidad de la fibra. la detección puede llevarse a puntos inaccesibles para las fotocélulas de barrera o reflexión. El emisor emite luz polarizada contra una placa receptora que hace girar el plano de polarización 90º y la devuelve hacia el detector. etc. y en cuanto a características de funcionamiento. como marcas de 1 mm sobre piezas que se mueven a gran velocidad (30 m/ s). cercanías de puertas. materiales que ofrecen dificultades para la detección óptica. para ambientes muy iluminados pueden emplearse barreras ópticas basadas en detección de luz polarizada. choques entre metales. estos detectores son semejantes a las células fotoeléctricas. unidos a ellos mediante la fibra. etc. Existen también variantes de detectores ópticos con salida analógica. Estos detectores. La figura 7. actuando por reflexión y detección del haz de luz reflejado sobre el objeto que se pretende detectar. como cristal y plástico. respecto a otros detectores de proximidad son: -Elevada inmunidad a perturbaciones electromagnéticas (EMI) externas. que se interponga entre el emisor y el reflector será detectado.5 Detectores ultrasónicos Estos detectores están basados en la emisión-recepción de ondas ultrasónicas. ambientes polvorientos y otras condiciones el entorno. Sin embargo. Por ejemplo.5.
conocidos también como sistemas de medición de coordenadas. la resolución y otras características de los diferentes tipos de detectores de proximidad.7.6 Criterios de selección Vistos los principios de medida. Se trata de transductores de desplazamiento relativo previstos para medición indirecta de distancias. y decimos medición indirecta por cuanto en realidad no permiten determinar la distancia entre objetos estáticos.5. cuando estos últimos pierden la alimentación pueden perder la referencia al origen. Su característica esencial es que permiten medir grandes distancias con una excelente resolución y se usan. Tabla 7. pero mecánicamente resulta fácil la conversión de movimiento lineal en angular y viceversa.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. En consecuencia. para determinar la posición relativa de partes móviles de una máquina. basándose en husillos o mecanismos de 13
. -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. Los primeros dan en todo momento una indicación de la posición respecto a un origen. sobre todo. 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. incluso en caso de pérdida de alimentación. Podemos distinguir dos tipos: absolutos e incrementales. Los incrementales. Los medidores de coordenadas se utilizan. sino únicamente la posición relativa de objetos a partir de un origen de desplazamiento.2 Criterios de selección de detectores de proximidad.2 como guía para la elección de uno u otro tipo de detector. detectan desplazamientos y obtienen la posición final a base de acumular dichos desplazamientos respecto a un origen. La mayoría de medidores de coordenadas están basados en detectores de desplazamiento angular. en el campo de la robótica y la máquina-herramienta. pueden establecerse los criterios indicados en la tabla 7. en cambio. por lo general. el alcance.
en lugar de medir la tensión V. tiene la ventaja de entregar una salida independiente del valor de la tensión de alimentación y dependiente únicamente del ángulo girado por el cursor. Únicamente cabría considerar el retardo debido a la inductancia del bobinado si los movimientos fuesen muy rápidos.7). 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. no haremos distinción entre detectores de posición angular o lineal. 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. es decir. que detectan la presencia o no de banda opaca frente a ellos. disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario. pues. por lo que se prefiere muchas veces medir la relación V/V0. El segundo grupo de detectores que hemos mencionado. los detectores de pequeñas distancias. que puede deslizar sobre dicho conductor (figura 7. un código digital completo. Este método de media. pero la frecuencia de funcionamiento suele quedar limitada por razones mecánicas a unos 5 HZ. La tensión de salida depende del ángulo girado respecto al origen y de la tensión de alimentación entre extremos. Esto puede dar lugar a errores de media en caso de que dicha tensión no fuese estrictamente constante.1 Potenciómetros El potenciómetro es un transductor de posición angular. Los absolutos. Los captadores ópticos detectan. En cuanto a la respuesta dinámica. distribuida a lo largo de un soporte en forma de arco y un cursor solidario a un eje de salida.piñón y cremallera. Por tanto. 14
. de tipo absoluto y con salida de tipo analógico. cuando se usan como detectores de posición. 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. aparece entre la toma media y uno de los extremos una tensión proporcional al ángulo girado a partir del origen. 7.8. Existen también potenciómetros con carrera lineal. Consiste en una resistencia de hilo bobinado o en una pista de material conductor. permiten determinar la distancia entre un objeto estático o en movimiento respecto al cabezal del sensor. denominado ratiométrico. es emplear los rotativos con o sin topes y de una o más vueltas. como muestra la figura 7. Existen dos tipos de encoders: los incrementales y los absolutos. 7. pero lo más frecuente.2. cuando se alimenta entre los extremos de la resistencia con una tensión constante. aunque existen potenciómetros con ley de variación logarítmica u otras. que es único para cada posición del rotor. El movimiento del eje arrastra el cursor provocando cambios de resistencia entre éste y cualquiera de los extremos. En el caso de potenciómetros con topes.6. que se utilizan para otras aplicaciones. en cambio. 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. Así pues. el potenciómetro es prácticamente un elemento proporcional sin retardo.6.
7 Potenciómetro
Figura 7. según se muestra en la figura 7. La lógica de control puede utilizar esta señal para implementar un contador de vueltas y otro para fracciones de vuelta. cada par óptico genera una señal cuadrada. En el estator suelen disponer de dos pares de emisorreceptor óptico (salida de dos canales) decalados un número entero de pasos más ¼ .Figura. Al girar el rotor. 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.9. lo cual se utiliza para discriminar el sentido de giro. La resolución expresada en grados vale: Resolución = 360°/N (7. del numero de impulsos por revolución. 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. que proporciona un impulso por revolución. tal como lo muestra la figura 7. 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). y ¾ de período cuando gira en sentido contrario. Un simple sistema lógico permite determinar desplazamientos a partir de un origen. lo que es lo mismo. Algunos encoders incrementales disponen de un canal adicional. 7. La resolución del encoders dependerá del numero (N) de divisiones del rotor o.8 Respuesta de un potenciómetro lineal A.
. que dependerán además de la desmultiplicación mecánica.1)
No debe confundirse la resolución angular del encoder con la posible resolución de un sistema de medidas de coordenadas lineales.10.
con combinaciones de opacos y transparentes que siguen un código Gray o binario reflejado (figura 7. ENCODERS ABSOLUTOS Los encoders absolutos disponen de varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas.11). Como ejemplo se indica la generación del código Gray de tres bits:
.9 Encoder incremental
Figura 7.Figura 7. dispuestos en forma radial. El conjunto de informaciones binarias obtenidas de los captadores es único para cada posición absoluta. El tipo de código reflejado tiene la ventaja de que en cada cambio de sector sólo cambia el estado de una de las bandas. con zonas opacas y transparentes dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en una serie de sectores. evitando así que puedan producirse errores por falta de alineación de los captadores.10 Discriminador de posición y sentido de giro B. El estator dispone de un captador para cada corona del rotor.
15. 7. Principio de funcionamiento de un resolver
7. Se utiliza en la actualidad como medidor de coordenadas en muchísimas máquinas-herramienta y 20
. Inductosyn El inductosyn es un transductor electromagnético utilizado para la medida de desplazamientos lineales.Fig.6. con una precisión del orden de micras.14 par de sincros transmisor y receptor (eje eléctrico)
Fig. para distintas orientaciones del rotor
Fig.13 Diagramas de amplitud y fase de un sincro.4. 7. 7.
16). La parte fija tiene gravado un circuito impreso con pistas en forma de onda rectangular con un paso (p). solapada a la anterior.de control numérico. Otra. según que las escalas fija y móvil se encuentren enfrentadas o decaladas ½ paso. Sensores láser Los sensores láser pueden utilizarse como detectores de distancias.12)
Vb = KV sen wt cos (2*3. se recogerá en cada uno de los circuitos de la parte deslizante una tensión: Va = KV sen wt cos (2*3. más la variación dentro de un ciclo. La amplitud de la señal de salida varía entre un máximo y un mínimo.
Fig.16 Principio de funcionamiento del inductosyn
7. o permiten también la utilización como detectores de desplazamientos por análisis de interferencias en la emisión-recepción de un mismo rayo (interferómetros láser). es deslizante y solidaria con la parte móvil (figura 7. Una denominada escala.1416/2
Donde (x) es el desplazamiento lineal y (p) es la distancia o paso de la onda grabada en la escala. 7. de forma parecida a lo que se indicó con los encoders.1416x/p) (7. El transductor consta de dos partes acopladas magnéticamente. La medida se realiza sumando el número de ciclos de señal de salida completos.6. En éste último caso la medición de distancias se hace contando crestas y valles en la 21
.5.1416x/p + 3. La indeterminación del sentido del movimiento se resuelve comparando la fase de los dos captores. utilizando técnicas de reflexión y triangulación parecidas a las de otros detectores ópticos. y desfasados entre sí un número entero de pasos más ¼ de paso ( principio análogo al visto para los encoders incremetales). La parte móvil tiene dos circuitos impresos más pequeños. encarados con los de la escala. Si se excita la parte fija con una señal alterna (5 KHZ a 20KHZ) de valor v = V sen wt. que es fija y está situada sobre el eje de desplazamiento.11) (7.
Los dos haces se superponen de nuevo en el separador. por un principio similar a un encoder incremental. 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. 7.interferencia y. Un haz se aplica directamente sobre espejo plano fijo.7 Sensores magnetoestrictivos Los sensores magnetoestrictivos están basados también en la detección de eco de 22
. 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. y se miden el tiempo transcurrido entre la emisión del pulso hasta la recepción del eco reflejado en dicho objeto. 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. 7.17).
Fig. El desplazamiento. y si están en contrafase. una directa y otra reflejada.6. sustractivas. la superposición es aditiva. obteniéndose una salida digital de elevada precisión.6. con resoluciones del orden de la longitud de onda de la luz empleada.17 Interferómetro láser 7. se determina contando dichas oscilaciones o franjas. El principio de funcionamiento del interferómetro láser se basa en la superposición de dos ondas de igual frecuencia. En el campo industrial se suelen emplear para controlar niveles de sólidos o áridos en silos.6. o diferencia relativa de posiciones. mientras que el otro se refleja en el objeto cuya distancia se quiere determinar. etc. Si las ondas están en fase. por tanto. 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. L as frecuencias de la perturbación están en el rango de 20 a 40 KHZ.
cuyo desplazamiento se va a medir. como transductores indirectos de esfuerzos (fuerza o par). Se emplean también unidos solidariamente a sólidos deformables. Mecánicamente el desplazamiento del núcleo puede ser lineal o rotativo.un impulso ultrasónico generado por la deformación elástica que se produce en algunos materiales bajo el efecto de un campo magnético.19 y 7. los dos secundarios se suelen conectar en oposición. las tensiones inducidas en cada uno de ellos son iguales y. en la posición cero. En general. Transformadores diferenciales El transformador diferencial dispone de un primario y dos secundarios idénticos acoplados magnéticamente al primero mediante un núcleo móvil. 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. tal como lo muestra la figura 7. etc. de tal forma que. deformaciones. de tal forma que. El imán provoca un cambio de permeabilidad del medio y esto provoca una reflexión de la onda ultrasónica. por tanto. la tensión total obtenida es nula (figuras 7. queda descentrado.18. Sobre la varilla se coloca un imán móvil que puede deslizarse. 7. el núcleo está colocado simétricamente respecto a ambos secundarios y. Sí el núcleo se desplaza. 7. Dicho núcleo se hace solidario a un palpador o vástago. 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.7. Este tipo de transductores suelen ser muy robustos y muy aptos para ambientes agresivos.20).
. con distancias de detección de hasta 10 metros.
Fig. Tanto en los transformadores de desplazamiento lineal como angular.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. en posición de reposo. pudiéndose detectar la distancia al imán por el tiempo en recibir el eco. con una señal cuadrada y se mide el desfase entre ésta y el eco. al desplazarse. Con este tipo de transductores se pueden alcanzar resoluciones de algunas décimas de milímetro.1.
5% y 1% sin histéresis apreciable. La relación de amplitudes secundario / primario varía casi linealmente con el desplazamiento alcanzándose linealidades entre 0.19 Transformador diferencial lineal Para desplazamientos de unos milímetros o ángulos de giro de hasta unos 45°.
Fig.20 Transformador diferencial rotativo 24
.Figura 7. 7.
Fig. Este tipo de sensores suele utilizarse en la construcción de células de carga para grúas y otros sistemas de pesaje de baja resolución.21.21 Transformador de reluctancia variable
.Una variante del sistema de transformador diferencial la constituye el transformador de reluctancia variable. basado en la variación del entrehierro de un núcleo y cuyo esquema de principio puede verse en la figura 7.
detectores de presión. La medición de deformaciones requiere una meticulosa colocación de las galgas y una calibración laboriosa. por tanto. En definitiva. También se aplican como transductores indirectos en otros tipos de sensores como acelerómetros. dado que el coeficiente de sensibilidad suele ser muy pequeño.
GALGAS DE HILO En tipo de galgas la resistencia está formada por un hilo dispuesto en forma de zigzag sobre un soporte elástico. más recientemente.22) Al deformarse la galga por tracción en la dirección preferente. se produce un alargamiento del hilo y una disminución de su sección y.22 Galgas extensométricas 7. para detectar de forma indirecta esfuerzos de tracción.Fig. 7. compresión. células de pesaje. La posterior amplificación de las señales suele hacerse por métodos 26
. etc. una variación de su resistencia. con una orientación preferente según la cual se encuentra la mayor parte de la longitud del hilo (figura 7. etc. Se describen a continuación los dos tipos básicos de galgas extensométricas: las de hilo y las de semiconductor.7. resistencias construidas a base de pistas de semiconductor. torsión. más que como sensores de desplazamiento se usan como transductores indirectos de fuerza o de par. Galgas extensométricas Las galgas extensométricas son sensores de deformaciones basados en la variación de resistencia de un hilo conductor calibrado o.2. Se utilizan generalmente combinadas con muelles o piezas deformables.
Fig. dl/l es la variación unitaria de longitud. con lo cual la sensibilidad de dichas galgas es mucho mayor que las de hilo. El coeficiente de piezorresistividad toma valores típicos entre 100 y 200 para los semiconductores más frecuentes. R3.
. para compensar los errores debidos a las condiciones ambientales a al propio calentamiento por efecto joule. Por lo general. 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.1416e es el coeficiente de piezorresistividad.24). y el conjunto se conecta por el método de 3 o 4 hilos para compensar las resistencias del cableado. de galgas idénticas a la utilizada para la medición.
. la turmalina y otros materiales sintéticos poseen la propiedad de adquirir una polarización en la dirección de los denominados ejes eléctricos. como el representado en la figura 7. se disponen como resistencia R1. R2. 3. 7. cuando se les somete a un esfuerzo y se deforman según la dirección de los llamados ejes mecánicos (figura 7. 7.3.23 Puente de medidas para galgas extonsométricas GALGAS DE SEMICONDUCTOR Como hemos dicho. 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. 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). En dichas galgas la expresión que liga la deformación longitudinal con la variación unitaria de resistencia es la siguiente: DR/R = (1 + 2 + 3. E es el módulo de Young. con tres hilos. Transductores piezoeléctricos Algunos elementos cristalinos como el cuarzo.1416eE) dl/l (7.7.diferenciales. Como solución alternativa pueden emplearse galgas de semiconductor.17)
Donde: dR/R es la variación unitaria de resistencia. No obstante.23.
y la capacidad C0 es una capacidad parásita que aparece entre los electrodos.Fig.18)
la constante de proporcionalidad para el cuarzo. 7. Medición de la frecuencia de oscilación. generándose un efecto de dipolo eléctrico. Un circuito electrónico permite detectar por influencia la carga eléctrica y proporcionar una señal de salida proporcional a la deformación. Dicha densidad de cargas es proporcional a la presión: q/S = K F/S (7. la frecuencia propia de oscilación del cristal. Eléctricamente el sistema tiene un circuito equivalente como el que se muestra en la figura 7. varían cuando éste se deforma y se aprovecha esta propiedad como base de los sensores piezoeléctricos. donde la inductancia L y la capacidad C dependen de las dimensiones del cristal. Las formas de aprovechar este efecto pueden ser básicamente dos: Medición de la carga de polarización. Esta propiedad se aprovecha para obtener sensores de deformación o indirectamente de fuerza. Un cristal con electrodos dispuestos en la dirección de los ejes eléctricos tiene una frecuencia propia de oscilación que depende básicamente de sus dimensiones. por tanto. La capacidad C y. f0.24. 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. 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.1x10-12 culombios / newton. es de 2.25.
. La frecuencia propia de resonancia. par o presión. 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. en condiciones estáticas depende de los valores de L y C. por ejemplo.
m..e.1. 7.. Es importante resaltar que el comportamiento de estos transductores depende en gran medida del acoplamiento de ejes entre parte móvil y transductor. pero sin permitir holguras.p.m.m.m. Dicho acoplamiento debe ser algo flexible.p. siendo normales valores entre 50 y 100 mV / r.2. pero esto requiere después un tratamiento de señal más cuidadoso para obtener una resolución aceptable. en los que se requiere un control de la dinámica de los mismos. un generador de corriente continua con excitación a base de imanes permanentes.25.p. Cristales de cuarzo TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD La detección de velocidad forma parte de un gran número de sistemas industriales. Generadores de impulsos
. del orden de 5 V /ㄠ〰‰ 1000 r. ya que.m.Fig. a la velocidad nominal (ωn ).8. La sensibilidad K se expresa generalmente en V / r. 7. puede influir muy negativamente en la estabilidad de los sistemas en lazo cerrado.19 )
Donde ( E ) es la f. 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. Dinamo tacométrica La dinamo tacomét trica es. a una velocidad ( ω ) y ( En ) es la f.e. La tensión generada al girar el rotor es estrictamente proporcional a la velocidad angular de giro: E = ( En / ωn ) ω = k * ω (7.8. de lo contrario. 7. Algunas dinamos dan valores más bajos. en esencia.
Acelerómetro de inercia En régimen de aceleración constante la deformación.9.p. Utilizando un transductor para pequeños desplazamientos.20 )
Donde f = frecuencia en Hz. existen transductores directos basados en la medición de la fuerza de inercia que actúa sobre una masa conocida. 7.m. x. como muestra el esquema de principio dela figura 7. de forma análoga a la indicada para un encoder incremental. como las galgas extensométricas.26. o un transformador diferencial. En la mayoría de casos en que se requiere el control de aceleraciones se precisa controlar también la velocidad. 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. 7. No obstante. n = velocidad en r. por lo que la aceleración puede detectarse indirectamente como variación de la velocidad en el tiempo.22)
Donde f es el coeficiente de rozamiento viscoso. del muelle es proporcional a la aceleración según la siguiente expresión: a = ( K / m) x ( 7. se obtiene una medición indirecta de aceleración a base de medir el desplazamiento x.Los transductores digitales de velocidad están basados en la detección de frecuencia de generadores de impulsos a base de captadores ópticos o inductivos. y N = número de impulsos por revolución del generador. La robustez. siendo entonces la ecuación diferencial para dicho régimen: f = m (d2x / dt2) + f ( dx / dt ) + k x (7. Esta medición puede hacerse a través de sensores piezoeléctricos o simplemente midiendo la deformación de un muelle solidario al sistema. Los transductores de aceleración reciben el nombre de acelerómetros. La velocidad es directamente proporcional a la frecuencia de señal obtenida de acuerdo con la siguiente expresión: f = n * N / 60 ( 7.26
Fig.21 )
Donde K es la constante del muelle y m la masa de inercia del acelerómetro. ACELERÓMETROS El movimiento de grandes masas a velocidades elevadas requiere un control de las aceleraciones para evitar esfuerzos dinámicos excesivos. Aplicando la transformación de 30
Algunos transductores de par están basados en métodos fotoeléctricos parecidos a los indicados en los interferómetros láser.10. 7. que resulta ser una típica función de segundo orden. Como ejemplo tenemos la célula de carga de 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. En la captación de esfuerzos adquiere una especial importancia la colocación de los sensores. Célula de carga En el caso de transductores de par se suele medir también la deformación lineal en una determinada zona.27.28 muestra algunos ejemplos de piezas elásticas previstas para la medición de fuerzas y pares.27.
Fig. La figura 7. formada por una pieza cilíndrica deformable solidaria al núcleo de un transformador diferencial. producida por la flexión o torsión de alguna pieza elástica. así como el diseño de las piezas elásticas para la captación del esfuerzo en a dirección deseada.Laplace puede obtenerse la función de transferencia del sistema. 7.
. 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. Así pues. TRANSDUCTORES DE FUERZA Y PAR Tal como se ha dicho anteriormente al hablar de transductores de deformaciones.
Termostatos. 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.2. 32
. 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. utilizables en general para altas temperaturas. TERMORRESISTENCIAS: Sensores pasivos de tipo analógico basados en el cambio de resistividad eléctrica de algunos metales o semiconductores con la temperatura. PIRÓMETROS DE RADIACIÓN: Sensores de tipo analógico. que están basados en la radiación térmica emitida por los cuerpos calientes.11. maquinas. 7. Los de tipo bimetalito se utilizan típicamente en sistemas de climatización y en algunas aplicaciones industriales como interruptores de protección (falta de ventilación. etc. en general.1. Los termostatos son sensores con salida de tipo o nada que conmuta a un cierto valor de la temperatura. podemos distinguir tres grandes grupos de sensores térmicos: TERMOSTATOS TODO-NADA: Interruptores que conmutan a un cierto valor de temperatura. 7. Atendiendo al principio de funcionamiento de la mayoría de los sensores industriales. regulables y de poder utilizar sondas de muy pequeño tamaño (sensores PTC o NTC de semiconductor) que pueden ubicarse en el interior de bobinados. Termopares.11. 7. en general con cierta histéresis. TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA La temperatura es otro de los parámetros que muchas veces debe controlarse en los procesos industriales.Fig.28 Piezas deformables para medida de fuerzas y pares 7.11. Los formados por una sonda analógica y un sistema comparador tienen la ventaja de ser.).
a que darían lugar sus variaciones mediante un circuito adicional.29.e.m.041 mV/°C 0. Termopares. generada. se deberán conectar los extremos fríos a conductores de cobre u otro metal y por el mismo efecto aparecerán unas f. Por otro lado. Materiales Fe-Const. cuando este se calienta (unión caliente) y se mantienen los otros dos extremos a una misma temperatura inferior (unión fría). aunque esto requiere un sensor adicional.m. que suele ser una NTC.24)
Para ciertos materiales existe una relación bastante lineal entre la diferencia de temperaturas y la f.Los termopares son sensores activos de tipo analógico basados en el efecto Cebe.m. que solo se compensaran en el caso de que ambas uniones frías se mantengan a idéntica temperatura. muy adecuados como transductores.3 Características de distintos tipos de termopares. NiCr – Ni PtRh – Pt Tipo J K R Constante termoeléctrica 0. de contacto.057 mV/AC 0.012 mV/°C Rango de Temperaturas. para recoger esta f. para que la tensión de salida sea proporcional a a temperatura en la unión caliente.e.
Tabla 7. Dicho efecto consiste en la aparición de una tensión eléctrica entre dos piezas de distintos metales unidas o soldadas por un extremo. o compensarse la f. Si se requiere una buena precisión.Tf ) (7. 0 – 600 °C 0 – 1000°C 0 – 1600°C Característica Más relevante Robustez Robustez Estabilidad 33
.e. siendo.e.
Figura 7. debe mantenerse constante la temperatura de las uniones frías. por tanto. Sin embargo.m. se prefiere generalmente compensar las variaciones de temperatura en la unión fría. La fuerza electromotriz generada depende de la diferencia de temperaturas entre la unión fría y la unión caliente: E = F (Tc .
Termorresistencias PTC y NTC. cromo. Las sondas industriales se suelen construir a base de platino.
La tabla 7.3 indica algunas de las uniones de metales y aleaciones mas utilizadas en la construcción de termopares. aleación con 58% de Cu y 42 % de Ni. Aprovechando esta propiedad.11. Precisamente la temperatura de cambio es un parámetro característico de las PTC. 7. manganeso y níquel dopados con ionice de titanio o litio. de donde se deriva el nombre de Pt100. En la figura 7. Debido a su comportamiento poco lineal. Se puede aumentar la sensibilidad a base de conectar termopares en serie si el aspecto volumen no es importante.00385 ohm/ohm°C. por tanto. por la siguiente ecuación: R = A eˆ(B/T) (7. Se ha utilizado para Constatan. Se observa que los valores de sensibilidad son realmente bajos y. requerirán amplificadores de señal de muy bajo ruido y de una gran resolución.30 se muestra la característica resistencia/temperatura a distintas frecuencias para una sonda PTC. el termopar es un sensor económico. pero a costa de un gran perdida de linealidad. en general. así como sus principales características. Las sondas PTC y NTC son esencialmente termorresistencias a base de semiconductor. construidas a base de óxidos de hierro. cobalto.NiCr – Const. Termorresistencias Pt100 Los conductores eléctricos presentan.25)
Donde α se denomina coeficiente térmico de resistencia. un aumento de resistencia con la temperatura. con una muy buena linealidad entre – 200 °C y 500 °C. en general.4.3. Las NTC son resistencias con un coeficiente de temperatura negativo ( “Negative Temperature Coefficient” ). aproximadamente.26) 34
. se aplican básicamente en combinación con circuitos detectores de umbral como elementos todo-nada. ya que. Las PTC (Positive Temperature Coefficient) son resistencias construidas a base de óxidos de bario y titanio.
0. Las sondas Pt100 son aptas como sensores para un amplio margen de temperaturas que va desde – 250 °C hasta 850 °C. pero para ello se requiere un material cuyo coeficiente se mantenga relativamente constante y que de una buena sensibilidad. El comportamiento frente a las variaciones de temperatura puede expresarse.075 mV/°C
Nota: la abreviación Const. Dichas sondas suelen tener un valor nominal de 100 Ω a 0°C. que muestran cambios muy bruscos de valor a partir de una cierta temperatura.11. se construyen sondas de temperatura. 7. según una ley que puede expresarse en forma simplificada por la siguiente ecuación: RT = Ro [1 + α (TT – To)] (7. material cuyo coeficiente térmico es de 0. Estos suelen presentar coeficientes de sensibilidad bastante mayores que en el caso de metales.
Figura 7. Termistores PTC: curvas de respuesta.30.
5. presentan una fuerte alinealidad con la temperatura (téngase presente que la escala de ordenadas es logarítmica).11.27)
El valor de la constante B se suele determinar experimentalmente a partir de los valores de resistencia a 0°C y a 50°C.31 muestra la característica real de distintos tipos de NTC. La figura 7. Termistores NTC: curvas de respuesta.
7. Donde A y B. Como puede verse. Por lo general. este contacto resulta imposible si la temperatura a medir es superior al 36
. son constantes que dependen de la NTC y T es la temperatura en grados Kelvin. Sin embargo. con lo que resulta una relación: RT = R25 eˆB(1/T – 1/298) (7. Pirómetros de radiación. por lo que su respuesta debe normalmente compensarse.31.Figura 7. 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.
0. aunque esta solo es visible para temperaturas por encima de 500°C. 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. por ejemplo.75x10 ⁻ ⁸ Jm ⁻ ² K ⁻ ⁴ s ⁻ ¹. 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. La figura 7. o de radiación total.02 para el oro. 0. 0. Los factores de corrección εr son.punto de fusión del material del transductor.32 muestra el espectro de emisión de un cuerpo negro ideal a diferentes temperaturas. se puede conocer su temperatura midiendo la potencia radiada. Basándose en esta ecuación y conocida la geometría de un cuerpo. Todos los cuerpos producen radiación térmica. o solo en una banda de frecuencias. A es la superficie del cuerpo emisor y T es la temperatura absoluta del cuerpo.25 para el hierro. La radiación emitida puede medirse en su totalidad. σ es la constante de Kurlbaum para el cuerpo negro σ= 5. En estos casos pueden utilizarse los pirómetros de radiación.
. ⇒ De banda estrecha. o si el cuerpo caliente es muy pequeño y cambia su temperatura al efectuar la medida. que miden la temperatura a partir de la radiación térmica que emiten los cuerpos calientes. o de brillo. 0.08 para el acero.81 para el carbón. etc.
7. tubo de Bordón. que se calentara por efecto de la radiación. Los transductores de presión suelen estar basados en la deformación de un elemento elástico (membrana. Los pirómetros de brillo miden únicamente la radiación emitida en una longitud de onda específica a través de fotocélulas. El haz radiado se hace incidir sobre una superficie metálica. que recibe la radiación a través de una ventana de superficie conocida. TRANSDUCTORES DE PRESION.32. etc. La medida de la temperatura de dicha superficie permite determinar la temperatura del cuerpo emisor.). Potencia radiada por un cuerpo negro ideal a distintas longitudes de onda. cuyo movimiento bajo la acción del fluido es detectado por un transductor de pequeños desplazamientos 38
. Los primeros están construidos a base de una cámara negra.12.
Si se mide dicha deformación mediante un puente de galgas extensométricas. o medida respecto al vacío. o relativa.(galgas. Transductor de presión diferencial. Los transductores de presión mas frecuentes son los de diagrama o membrana. resultando una tensión alterna proporcional a la diferencia de presiones aplicada. transformador diferencial. Los transductores de presión pueden efectuar dos tipos de medidas: ⇒ Presión absoluta.33). Los devanados están conectados a un circuito tipo puente de forma que los efectos de ambas se suman entre si. La figura 7. del que se obtiene una señal eléctrica proporcional a la presión.33.34 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. El diafragma consiste en una pared delgada que se deforma bajo el efecto de la presión. Transductor de presión de membrana.34. midiendo la diferencia de presión entre dos puntos.
Figura 7. ⇒ Presión diferencial.). 39
. elemento piezoeléctrico. etc. se obtiene una medida indirecta de la presión (figura 7.
Figura 7. o un transformador diferencial.
1. Los transductores de caudal se basan en distintos principios según se trate de fluidos compresibles o no (gases o líquidos). de la temperatura. de la presión y temperatura. tal como se ha indicado en el apartado anterior. del caudal y de la densidad y. dicha diferencia de presión depende de la relación de diámetros (d/D). 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.7. por tanto. En el caso de fluidos no compresibles. en cambio. Para los fluidos compresibles. TRANSDUCTORES DE CAUDAL. Medidores por efecto Venturi. pero para fluidos compresibles no es así. diferente velocidad de paso del fluido.
La mayoría de transductores miden caudal volumétrico.13. 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 figura 7. El caudal volumétrico ( Qv ) depende solo de la sección considerada y de la velocidad del fluido. pero el caudal masco ( Qm ) depende además de la densidad del fluido y esta. Para fluidos no compresibles ambos caudales son relacionables por una densidad que es prácticamente constante. Para fluidos no compresibles. por tanto. Detección volumétrica mediante turbina. la forma habitual de medición consiste en hallar la velocidad de paso por una sección conocida. Dicha diferencia de presiones nos dará una medición indirecta del caudal. 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. a su vez. Detección de velocidad por inducción electromagnética.13.
.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. los métodos mas adecuados son los puramente volumétricos basándose en turbinas. Basándose en el mencionado efecto.
. 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. 7. La medición de dicho desplazamiento. para fluidos incompresibles. tal como se ha indicado en apartados anteriores.36. permite tener una indicación indirecta de velocidad.Figura 7.13. A su vez.36).35. Medidores por presión dinámica. Dicha presión equilibra el peso del cuerpo y provoca un desplazamiento del pistón proporcional a la velocidad del fluido.
Figura 7. Transductores de caudal basados en la medición de presión dinámica.2. conociendo la velocidad y la sección de paso se tiene una indicación indirecta de caudal.
según la cual.e. Transductores de caudal de turbina. La velocidad de giro de una turbina intercalada en la tubería es proporcional al caudal en el caso de fluidos incompresibles.
Donde ( Λ ) representa el producto vectorial. en el que se indican las direcciones de movimiento ( v).
Figura 7. Medidores por velocidad y por inducción. en sentido perpendicular al movimiento y a la dirección del campo. esta ultima captada por un par de electrodos situados en la paredes de un tubo.m.37 muestra un esquema de principio de este tipo de transductores. proporcional a la longitud del conductor. donde la presión dinámica hace girar un rodete. La figura 7. Este tipo de transductores se basan en la ley de inducción de Faraday. La medida de dicha velocidad puede hacerse mediante un simple captador inductivo u óptico sin romper la estanqueidad de la tubería.e.3.m.Como variante de estos se pueden considerar los de turbina.m. se produce por este mismo principio una f.37.13. En el caso de un fluido conductor en movimiento. La figura 7.e.38 muestra un esquema de principio del transductor. (E). campo (B) y f. a su velocidad de desplazamiento y a la inducción del campo: E = I (v Λ B) (7. sobre un conductor que se desplaza transversalmente a un campo magnético se genera una f. 7.
e.Figura 7. Medidores volumétricos. por tanto. El método de medida tiene la ventaja de no entorpecer el flujo y. Manteniendo constantes los dos primeros se obtiene una indicación de velocidad y. por tanto. 7. Por otro lado. Como ejemplos mas típicos de este tipo de transductores se tiene los de disco oscilante y los de lóbulos. es apto para líquidos corrosivos o muy viscosos.
.m. depende de la permeabilidad magnética del liquido. no hay pérdidas de carga ni partes en movimiento. para una sección y densidad constantes una indicación de caudal.13.39. a la distancia entre electrodos de captación y a la velocidad del fluido.e.4. Representados en la figura 7. 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. Transductor de caudal por inducción electromagnética (líquidos conductores). La f.38. obtenida es proporcional al campo inductor. Para medir caudal de gases se suelen emplear métodos de medición volumétricos intentando mantener presión y temperatura constantes.
se si se trata de líquidos o de sólidos. 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. 7. Los transductores de nivel se utilizan para conocer el estado de llenado de depósitos de líquidos o sólidos en forma de polvo o granulados. Para el paso de sólidos u líquidos no conductores suelen emplearse métodos fotoeléctricos o detectores de proximidad capacitivos. ⇒ Detección de tipo analógico. TRANSDUCTORES DE NIVEL.2. 44
. Transductores de caudal volumétricos (gases). si el liquido es conductor. los detectores de nivel mas adecuados para sólidos son los de tipo capacitivo.1. Transductores todo o nada. 7.Figura 7. En otros casos se detecta diferencia de temperatura entre un electrodo sumergido o no. su nivel puede medirse por contacto entre dos electrodos sumergidos en el. 7. La detección de niveles de referencia mediante dispositivos todo o nada puede basarse en diferentes principios.14.14.39. siendo más habitual su pesaje. obteniendo una señal proporcional al nivel Cabe señalar que la detección de nivel de sólidos es poco frecuente.14. Para líquidos es frecuente emplear flotadores con un contacto de mercurio o. Transductores por presión. dependiendo. los ópticos y los ultrasónicos. sobre todo. Podemos distinguir dos tipos de detección de niveles: ⇒ Detección de varios niveles de referencia mediante un número discreto de transductores todo o nada. De todas formas.
Figura 7.6. en la medición de la distancia desde el fondo a la superficie o desde el punto máximo a la superficie.6. Los detectores por ultrasonidos se basan. es directamente proporcional al nivel (h) respecto a dicho fondo y al peso especifico (ρ) del líquido: Pf – P s = ρ h (7. La figura 7.
Figura 7. sobre todo si se trata de líquidos densos.3. 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. Para tanques cerrados.40.4. Transductores de nivel por presión hidrostática. 7. en realidad.La diferencia de presiones entre el fondo y la superficie (Pf – Ps).14. empleando alguno de los métodos indicados en el apartado 7.)
En tanques abiertos (figura 7.41 muestra unos esquemas de principio para recipientes abiertos y cerrados. 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.41.14.40) el nivel es aproximadamente proporcional a la presión absoluta.30. en cambio. ya que los cambios de presión atmosférica suelen tener poca importancia. Transductores ultrasónicos. Transductores por flotador. Transductores de nivel por flotador. es imprescindible utilizar transductores de presión diferencial. El tiempo total de ida y vuelta es proporcional a la distancia y a la densidad del medio 45
si se quiere. dependiendo del tipo de energía empleada em el accionamiento.).
Dentro de cada una de estas tecnologías encontramos. los destinados a trasiego de fluidos (hornos.
. no es nuestro propósito estudiar aquí motores. Accionamientos neumáticos.. accionamientos de dos tipos: ⇒ Accionamientos todo o nada.(velocidad del sonido en el medio). etc. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS. intercambiadores. Sin embargo. a su vez. 7. servovalvulas. El accionamiento puede estar bajo el control directo de la parte de mando o puede requerir algún prerracionamiento para amplificar la seña de mando. Accionamientos hidráulicos. sino que trataremos preferentemente de los preaccionamientos y otras partes mas directamente ligadas al control. Transductores de nivel por ultrasonidos.
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. 7. Accionamientos térmicos. La gama de posibles accionamientos que puede controlar un autómata programable es enormemente extensa y variada.
Figura 7. bombas u otros tipos de accionamientos convencionales. Según esto podemos distinguir: ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Accionamientos eléctricos. ⇒ Accionamientos de tipo continuo. Para empezar podemos establecer una clasificacion atendiendo a la tecnología o.42 muestra un esquema de principio del medidor.15. ACCIONAMIENTOS: CLASIFICACION. tales como servomotores. que se pueden considerar como complementos del autómata en las funciones de regulación. etc.16. Este tipo de detector es apto también para detectar nivel de sonidos. La figura 7.42. Entre los mas habituales se encuentran los destinados a producir movimiento (motores y cilindros).
) y para un numero de maniobras determinado . AC1:Conexión y corte de cargas resistivas. electrovalvulas u otros. La diferencia entre rele y contactor esta precisamente en la potencia que es capaz de seccionar cada uno. El rele separa en general la parte de mando.16. generalmente inferiores a 1 kW. capacitiva. sin posibilidad de corte durante el arranque ni inversion a motor lanzado. autotransformador u otros medios.  Corriente de empleo: es la corriente que el dispositivo es capaz de accionar e interrumpir para cada tensión de empleo y con carga resistiva.  Corriente térmico: corriente máxima que pueden soportar los contactos una vez cerrados sin sobrepasar los límites de calentamiento.2. Los reles se suelen emplear como etapa previa para accionar dispositivos mas potentes como los propios contactores.16. Pero dentro de este aparato nos referiremos únicamente a reles. Los reles y contactores son dispositivos electromagnéticos que conectan o desconectan un circuito eléctrico de potencia al excitar un electroimán o bobina de mando. Reles y contactores.  Tensión de empleo: tensión de empleo de los contactos de potencia. 7. DC11:Mando de bobinas y electroimanes en general en contracorriente continua. contactores y servomotores de tipo eléctrico.De alguna manera. que trabaja con tensiones y corrientes debiles.  Poder de corte: se define por la corriente que el rele es capaz de accionar e interrumpir para cada tipo de carga (inductiva. SERVOMOTORES DE CC 47
. todos los preaccionamientos que se conectan a los autómatas suelen tener mando eléctrico. 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. 7. AC2:Mando de motores de CA de rotor en cortocircuito. con tensiones y corrientes mas elevadas.  Potencia de mando: potencia necesaria para accionar la bobina de mando  Tensión de aislamiento: tensión de prueba entre circuito de mando y contactos. etc. mientras que los contactores pueden accionar grandes potencias (centenares de kilovatios). Los reles están previstos para accionar pequeñas potencias. de la parte de potencia.1. AC11:Mando de bobinas y electroimanes en general en corriente alterna. Las características mas relevantes de relees y contactares son:  Tensión de mando: tensión de alimentación de la bobina de mando. AC3:Mando de motores de CA de rotor en cortocircuito. 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. motores. con posibilidad de corte durante el arranque e inversion de marcha a motor lanzado. PARA CONTACTORES.
Los servomotores de CC son pequeñas maquinas especialmente diseñadas para control de posicionamiento. alojado en el rotor. El inducido. newton) P = potencia (vatios) Ke = constante eléctrica Km = constante mecánica
. su forma constructiva esta adaptada a obtener un comportamiento dinámico rápido y estable y un par de arranque importante. 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. Por lo general el inductor se encuentra en el estator y puede ser o bobinado o de imán permanente. 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 . 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. mientras que en los de disco suele estar dispuesto en forma radial. Aunque el principio de funcionamiento es el de una maquina de continua convencional con excitación independiente.
En ambos casos se debe mantener constante el flujo de excitación.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.cuyo valor es:
. el sistema mecánico se comporta prácticamente como un integrador puro. Dado que el rozamiento viscoso suele ser pequeño frente a la inercia. se obtiene la siguiente función de transferencia. donde Tm es la denominada constante de tiempo mecánica . en tal caso simplicando el diagrama en lazo cerrado.
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 .3. Los parámetros esenciales de los que depende el funcionamiento del motor son los siguientes:
. el motor de alterna presenta diversas ventajas frente al de continua la principal de ellas la ausencia de colector y escobillas.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. Las piezas polares y el rotor suelen tener forma dentada igual que se vera en los motores paso a paso. A ellos nos referimos habitualmente al hablar de servomotor de CA.
No obstante. 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. SERVOMOTORES DE CA Para accionamientos de cierta potencia. 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 . 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. Dentro de los motores de alterna podemos distinguir los asíncronos y los síncronos. 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. 7. 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.16.
6). pero se suelen construir con una forma dentada de rotor y del estator. son en realidad maquinas asíncronas. que se estudian en el apartado siguiente. pueden perder el sincronismo y pasan a funcionar como maquinas asíncronas. pueden considerarse también dentro de esta familia pues no son mas que motores de reluctancia bifásicos. tal como se muestra en la figura 7. Los motores paso a paso.
. 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. o con polos salientes.En cuanto a los motores de reluctancia. en los que la velocidad depende solo de la frecuencia de alimentación para una amplia gama de par (figura 7.45. Para pares altos. con estator imantado al objeto de obtener un par de retención a motor parado. sin embargo.
o se puede tener un ciclo de 4 pasos que correspondería a los pasos 1. cuyo estator tiene una imantación permanente con objeto de obtener un par de retención a motor parado. En estos últimos hay que tener en cuanta que el par de motor es aproximadamente un 30% menor.48. de forma que solo un diente de rotor queda enfrentado a uno del estator y el resto queda decalados entre si.48. En el caso de motores de devanado partido se puede tener un ciclo de ocho pasos como se muestra en la figura 7. 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 contiene dos conjuntos de bobinas decaladas 90º eléctricos y las piezas polares tienen forma dentada. 3. 7. El estator puede tener una o dos bobinas por fase. En el primer caso se habla de motores de tres hilos y en el segundo se llaman motores de devanado partido. En el caso de motores de tres hilos.
.47 y 7. donde se ve que el ciclo se completa con cuatro conmutaciones o *pasos*.
Sin embargo.5 y 7 de la citada figura.45.16. en general bifásicos. como muestran la fig. los motores paso a paso no son mas que motores de reluctancia.7. Ambos tipos de motores se suelen alimentar de una fuente de corriente continua a través de un conmutador a base de transistores. incluso en la ausencia de alimentación.4 MOTORES PASO A PASO Como se ha dicho en el apartado anterior. las piezas polares del rotor y del estator no tienen el mismo paso entre dientes.47. tal como se muestra en la figura 7. la secuencia de conmutadores es la que muestra la propia figura 7.
que cada ciclo completo de conmutaciones con el campo gira 360º eléctricos. el convertidor puede aumentar la tensión a medida que aumenta la frecuencia. El par motor depende de la corriente de alimentación y.49 muestra las curvas parvelocidad de un motor típico en los dos casos: a tensión constante y aumentando la tensión con frecuencia. De todas formas.Cada vez que se efectúa una conmutación o paso se cambia la orientación del campo en el entrehierro en saltos de 90º. La figura 7. 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. por lo que la curva de par-velocidad depende del motor y de la forma de actuación del convertidor. Para el ciclo de 4 pasos el ángulo de avance que corresponde a un paso será:
El número de pasos por vuelta. Así. pero el rotor avanza solo un Angulo Aciclo tal que: Aciclo= 360º/P (NR-NB)/NR
Donde NR y NB indican respectivamente. debido al distinto paso entre dientes del rotor y del estator cada vez que se hace girar el campo una vuelta completa. para la secuencia de 4 pasos por ciclo viene dado por la expresión:
Si se conmuta con una frecuencia de F pasos. la velocidad del motor será:
Puede invertirse el sentido de giro del motor sin más que invertir el orden de las conmutaciones. el número de dientes del rotor y del estator y p es el número de pares de polos de estator. Sin embargo. Así pues a tensión constante el par decrece con la velocidad. el rotor avanza solo uno o dos dientes ya que se tiende siempre a que los dientes del rotor queden alineados con el campo.
53 muestra algunos ejemplos de circuitos de potencia.1 VALVULAS
Una válvula es un dispositivo que permite establecer o cortar la conexión hidráulica o neumática entre dos o más conductos o vías. hidráulico.17 ACCIONAMIENTOS HIDRAULICOS Y NEUMATICOS Los accionamientos hidráulicos y neumáticos se aplican de forma masiva en los automatismos industriales.52 muestra los símbolos de una serie de válvulas de dos posiciones con distintos tipos de mando y la figura 7. las válvulas monoestables permiten realizar funciones de tipo Y.
7. gracias a se robustez y facilidad de control. Las biestables permiten realizar la función memoria y por tanto cualquier circuito secuencial. En los automatismos controlados por autómata. neumático. Básicamente estudiaremos dos tipos de accionamientos: los cilindros hidráulicos o neumáticos y los motores hidráulicos. 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. 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. por lo que las válvulas suelen jugar un papel de preaccionamientos que vistos desde el autómata son puramente bobinas de electroimán.7.7. activadas a través de salidas de tipo lógico ya sea por relé o con interruptor estático. además en monoestables o biestables. Desde el punto de vista lógico. La figura 7. manual. La figura 7. O Y NO y por lo tanto permiten realizar cualquier circuito neumático o hidráulico de tipo combina nacional. la lógica suele encargarse a éste. Sin embargo también describiremos brevemente las electroválvulas y servovalvulas como elementos previos de control o preaccionamientos indispensables en estos sistemas. El mando puede ser de tipo eléctrico. La fig.51 muestra la forma constructiva de una válvula con mando eléctrico y un manual de dos vías y dos posiciones. Las válvulas de dos posiciones pueden clasificarse.17.54 muestra la estructura de varios dispositivos lógicos de tipo neumático.2 SERVOVALVULAS
. 7.17. Las primeras tienden en una ausencia fija de reposo.
55a.10 V o de 4 a 2 mA. un obturador tipo rotativo o un distribuidor. Los parámetros importantes para el sistema de control son la sensibilidad la constante de tiempo y el coeficiente de amortiguamiento.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. o a través de una señal digital. Para el propósito de este texto.17. El mando de estos se suele efectuar mediante una válvula de 3 vías y 2 posiciones. es decir para el autómata programable servovalvulaes un elemento análogo que se gobierna a través de una señal continua entre 0. Así pues. abierta o cerrada según se muestra en la figura 7. 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. 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. En tal caso. la definición de estos términos es la que dio el capitulo. En general sin embargo se suelen dotar de un amortiguamiento suficiente para que no se produzca oscilaciones.
7. SENSIBILIDAD: Relación entre el cauda de salida y la señal análoga de control del régimen permanente. Según sus posibilidades de posicionamiento. CONSTANTE DE TIEMPO Y CONSTANTE DE AMORTIGUAMIENTO Generalmente las servovalvulas suelen tener un comportamiento como un sistema de segundo orden. Generalmente se trata de componentes óleo hidráulicos con un dispositivo o motorizado que regula la posición de un pistón tipo cónico.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.
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. La mayoría de servoválvulas suelen llevar.17. además.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. si la válvula lleva incorporado su propio control. sino de regular la presión o caudal a través de un determinado conducto siguiendo una cierta magnitud de consigna de tipo eléctrico. o a través de una señal digital. Para el autómata programable.7. algún tipo de sensor de posición que permite mantener su posición mediante un servo en lazo cerrado. se trata de componentes oleohidráulicos con un dispositivo motorizado que regula la posición de un pistón de tipo cónico. Generalmente. 56
. abierta o cerrada. simplemente. 7.De doble efecto . la constante de tiempo y el coeficiente de amortiguamiento. cuando se aplica un escalón de referencia.
Los de doble efecto empujar en ambos sentidos. Según sus posibilidades de posicionamiento. las servoválvulas suelen tener un comportamiento como un sistema de segundo orden. El mando de éstos se suele efectuar mediante de 3 vías y 2 posiciones.Los parámetros importantes para el sistema de control son la sensibilidadf. según se muestra la figura 7. conseguir un movimiento más uniforme en el caso de carreras largas. Constante de tiempo y constante de amortiguamiento: Generalmente. tal como se muestra la figura 7. sin embargo. Sensibilidad: Relación entre el caudal de salida y la señal analógica de control en régimen permanente. se suelen dotar de un amortiguamiento suficiente para que no se produzcan oscilaciones. aplicando presión a ambos lados del mismo o.De acción diferencial Los primeros permiten empujar en un solo sentido y retornan automáticamente al origen por la acción de un muelle. Los cilindros de acción diferencial permiten mantener el émbolo en cualquier posición.De simple efecto .55 a. 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. podemos clasificar los cilindros en tres grandes grupos: . la constante de tiempo es aproximadamente igual al tiempo que tarda la válvula en alcanzar el régimen permanente. En tal caso. Para su control hacen falta dos válvulas de bloqueo y un distribuidor 4/2.55 b. En general. El mando se suele realizar a través de una válvula de 4 vías y 2 posiciones tal como se muestra en la figura 7.17.56.
P. 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. (7. además. 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. equipar con amortiguadores al final de la carrera. 7. SV es la sección de vástago y K es el denominado coeficiente de carga.Figura 7.6 Cilindro de acción diferencial. En general. el empuje de los cilindros de doble efecto no suele ser el mismo en ambas direcciones. SE (Sentido de salida del vástago) FE = K . La respuesta dinámica en carga dependerá de la masa o inercia que deba moverse. Dicha fuerza viene dada por: Fs = K . 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.7. P . SE es la sección del émbolo.44)
.45) (7.4. (SE – SV) (Sentido de entrada del vástago) Donde P es la presión.5 y 0. En cuanto al comportamiento dinámico. Debido a la sección del vástago. Para suavizar la parada se suelen. que se suele tomar entre 0. La figura 7.57 muestra un esquema de un principio de este tipo de accionamiento.17.
. Hemos visto que los sensores son una parte esencial de los sistemas realimentados y que. cambiando únicamente el sentido de transferencia de la energía. En consecuencia. En cuanto a los accionamientos. A título de ejemplo hemos desarrollado el servomotor de CC. En cuanto a los motores hidráulicos. permitirán obtener mejores prestaciones a los automatismos. con un par creciente con la velocidad. pueden ser tratados por la teoría. en la medida que éstos sean precisos. en realidad y desde el punto de vista del sistema de control. ofrecen relativa facilidad para ser regulados. Lo más frecuente es que las bombas sean del tipo centrífugo. se trata de bloques funcionales que. éstos tienen poca relación directa con el mundo de los autómatas. Bombas y motores hidráulicos En realidad las bombas y los motores oleohidráulicos son una misma máquina. muchos de estos reguladores se construyen con un microprocesador de control y admiten órdenes del autómata a través de un sistema de comunicación digital.18. RESUMEN Hemos dado un repaso. 7.57.17. una vez conocida su función de trasferencia. 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.Figura 7. a distintos tipos de sensores y accionamientos que tienen cierta relación con el mundo de los autómatas. siendo en general. controlados por otros dispositivos hidráulicos o neumáticos. Hemos estudiado a los principios de funcionamiento de diversos sensores y hemos definido los parámetros básicos que los caracterizan. Ventosa de sujeción por vacío 7.5. Como elementos periféricos de los autómatas. En la actualidad. aunque sea superficial. Dicho modelo puede obtenerse por métodos análogos para el servomotor de alterna o el motor paso a paso o para otros accionamientos. indicando cuáles eran los parámetros esenciales que influyen en el control. siendo imprescindibles para el estudio dinámico de los sistemas de control. pudiéndose observar que. nos hemos limitado a un estudio superficial de los más frecuentes.
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