Texto sensorica y actorica by Armando López

TECSUP AREQUIPA

SENSÓRICA Y ACTÓRICA

PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN PARA PROFESIONALES

Sensórica y Actórica

UNIDAD I SENSORES 1.

SENSORES Y ÓRGANOS SENSORIALES Un sensor es un convertidor, el cual convierte un valor físico tal como temperatura, distancia o presión en un valor diferente, el cual es fácil de evaluar. Esta es usualmente una señal eléctrica tal como voltaje, corriente, resistencia o frecuencia de oscilación. Definiciones alternativas para sensores son decodificadores, detectores o transductores, la palabra sensor es derivada del latín “sensus” que en castellano significa sensación. La eficiencia de muchos sensores está basada en desarrollos técnicos en la tecnología de los semiconductores. Son usados predominantemente para la adquisición de datos medibles. Los sensores pueden ser fácilmente comparados a los receptores de órganos sensoriales, los cuales tratan sobre la conversión de valores físicos tales como la luz, el calor, el sonido en sensaciones neuro-fisiológicas. La eficiencia de los sensores y receptores para tareas de medición comparativas o percepción sensorial respectivamente, varía considerablemente; así como nuestros órganos sensoriales perciben muchos valores sólo aproximadamente y por tanto no son apropiados para la medida de valores absolutos.

Bastoncillos

Fotoresistor

Figura 1.1.- Comparación de sensor y receptor. Los bastoncillos son receptores en la retina del ojo y transportan la percepción del blanco y el negro.

USO DE LOS SENSORES Los sensores son utilizados en muchas áreas de la ciencia y tecnología. En tareas de investigación, sensores especializados y de muy alta sensitividad son empleados con propósitos experimentales. En la tecnología de automatización, tanto sensores estándares como sensores desarrollados a medida son usados. En el caso de equipamiento para requerimientos básicos, mayormente se usan sensores ordinarios, sin embargo estos necesitan funcionar adecuadamente y requieren de un mantenimiento muy simple.

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Este texto se dedica principalmente a aquellos sensores binarios usados en automatización que cumplen con criterios importantes tales como: - Reducción de costos. - Racionalización. - Automatización. - Flexibilidad. - Protección del medio ambiente. El uso de sensores se ve también obligado debido a desarrollos inherentes en tecnología tales como: - Incremento en la sensitividad, precisión, velocidad de respuesta. - Adaptación a futuros desarrollos en diseño y tecnología. - Nuevas tecnologías. Los sensores son también usados en automatización porque ellos: - Proveen una rápida y veraz indicación de error en el funcionamiento de sistemas automatizados, tales como rotura de herramientas o colisiones. - Localizan la fuente de error como parte de un diagnóstico inteligente. - Detectan desgaste de herramientas. - Proveen los valores medidos, los que son requeridos para una optimización continua del proceso de producción a través del control adaptativo y ajuste. - Son usados en control de calidad automatizada. - Monitorean la administración de materiales y asisten en el flujo del material de automatización. - Realizan la identificación de productos, lo cual es esencial en automatización flexible. - Señalizan peligro en el área de trabajo, tal como la concentración excesiva de contaminantes. - Proveen un ambiente de trabajo más humano tal como en el caso de una inspección visual monótona, monitoreando y midiendo en ambientes peligrosos. Los sensores son una parte integral de un equipo complejo, los desarrollos futuros de robots estarán basados en el uso de sensores. Después de todo, incluso el concepto CIM con toda su estructura técnica, organizacional y social no podría ser posible sin el uso de módulos sensoriales.

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Figura 1.2.- Un sensor monitorea el ensamblaje de una tarjeta de circuito impreso.

3. 3.1

CLASIFICACION DE LOS SENSORES Clasificación en función a la magnitud física a ser detectada • Sensores de magnitudes dimensionales: Posición, distancia, longitud, carrera, extensión, velocidad, aceleración, ángulo de rotación; así como, también características superficiales de piezas trabajadas. • Sensores de magnitudes relacionadas a fuerza: Fuerza, peso, presión, torque y eficiencia mecánica. • Sensores de magnitud relacionadas a cantidad de material: Razones de flujo y nivel de llenado de gases, líquidos y sólidos. • Sensores de temperatura y cantidad de calor. • Sensores para evaluar magnitudes de radiación luminosa: Flujo radiante, energía radiante, intensidad de radiación, magnitudes de radiación y luminosidad tales como flujo luminoso, energía luminosa, intensidad luminosa, luminiscencia e iluminación. Además esta categoría debería incluir a todos los sistemas con procesamiento de imágenes para tareas con propósitos de medición. • Sensores de magnitudes características de ondas acústicas: Presión del sonido, energía del sonido, nivel del sonido y audiofrecuencia. • Sensores de magnitudes electromagnéticas: Generalmente reconocen magnitudes eléctricas fundamentales tales como voltaje, corriente, energía eléctrica y potencia. También están incluidas en el medio la intensidad de campo magnético y eléctrico y emisión electromagnética, la última está limitada

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por la emisión luminosa antes mencionada debido al traslape de longitud de onda λ > 10-3 m. • Sensores de radiación de alta energía: Rayos X, rayos gama. La radiación de alta energía está limitada por la emisión luminosa debido al traslape de longitud de onda λ < 10-10 m. • Sensores para radiación especial tal como electrones, partículas alfa, partículas elementales y fragmentos nucleares. • Sensores de substancias químicas (gases, iones), y en particular agua en forma de humedad, sensores de punto de hielo y punto de rocío. • Sensores de propiedades físicas de los materiales: Mecánicas, eléctricas, ópticas y acústicas. • Sensores de identificación de objetos y reconocimiento de patrones: Esta categoría incluye sistemas sensoriales tales como lector óptico de caracteres, lector de código de barras, lector de cinta magnética y sistemas de procesamiento de imágenes, los cuales pueden también estar incluidos en alguna de las categorías previas, pero desde un grupo separado debido a su campo especializado de aplicación.

3.2

Clasificación en función a la señal de salida Los sensores convierten un valor físico, usualmente en una señal eléctrica. Pueden ser divididas de acuerdo al tipo de señal de salida, en sensores binarios, también llamados interruptores y sensores analógicos.

3.2.1 Sensores Binarios Los sensores binarios generan sólo dos señales de salida diferentes, tales como los estados "ON” y “OFF”. El cambio de un estado al otro tiene lugar con un valor específico de la variable física; este valor de cambio puede ser ajustado. En muchos casos, el punto de conmutación de la curva característica de un objeto aproximándose difiere de cuando el objeto se está alejando. La diferencia entre estos dos puntos de conmutación o valores de umbral es conocida como histéresis. En muchas aplicaciones, la histéresis puede resultar favorable debido a que reduce la frecuencia de conmutación del actuador en el caso de control de lazo cerrado, permite proveer estabilidad al sistema. 3.2.2 Sensores Analógicos Los sensores analógicos crean una señal, la cual cambia continuamente de acuerdo al cambio constante en el valor físico. Esta correlación no necesita ser necesariamente lineal, pero en contraste con los sensores binarios siempre indica el valor actual de la magnitud física. Los sensores analógicos ofrecen más información que los sensores binarios, sin embargo el procesamiento de estas señales es más costoso. 5

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Desplazamiento / Distancia

Potenciómetro Lineal

Interruptor de proximidad

Señal de sensor analógico

Señal binaria

Figura 1.3.- Señales analógicas y binarias.

Este diagrama ilustra la relación entre un desplazamiento y las señales analógicas y binarias derivadas de éste. En automatización; se usan sensores analógicos, si es que un cambio gradual de la magnitud es significativo; los sensores binarios son más bien frecuentemente usados como monitores de límites o interruptores de alarma. 4.

FLUJO DE INFORMACIÓN EN AUTOMATIZACIÓN En laboratorios de investigación, para asegurar la calidad, así como el monitoreo del proceso; los sensores proveen información en una secuencia de producción técnica o en una reacción química. Estas funciones son conocidas como un proceso. La información es dada al operador a través de un indicador digital o analógico; o a través de un registrador o un computador dedicado a tal fin. En este contexto; ambos, tanto el operador como el dispositivo registrador del dato deben ser considerados como sistemas procesadores de información. El término “procesadores” es usado para describir estos sistemas.

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4.1 Medición del Proceso En la medición del proceso, la información fluye desde el proceso a través del sensor hacia el procesador.

Energía Auxiliar.

Proceso.

Procesamien to de señal

Sensores.

Procesadores.

Figura 1.4.- Flujo de información en tecnología de medición.

4.2 Control del Proceso En el control del proceso, el flujo de la información es el inverso. El operador de un procesador interviene en el proceso con la ayuda de actuadores, la información fluye desde el procesador al proceso a través de ellos.

Energía Auxiliar.

Procesadores.

Unidad de Salida.

Actuadores.

Proceso.

Figura 1.5.- Flujo de información en tecnología de control.

4.3 Tecnología de Automatización En la tecnología de automatización, ocurren ambos tipos de flujo de información. El circuito cerrado de información, trae consigo la tecnología de control de lazo cerrado del procesador al proceso y de retorno al procesador; pero pone énfasis en los métodos de transmisión y procesamiento de información. Los lazos de control pueden ser parte de un sistema automatizado.

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Energía del Control.

Energía del Proceso.

Energía Auxiliar.

Actuadores.

Proceso.

Sensores.

Unidad de Salida.

Procesadores.

Procesamiento de Señal.

Figura 1.6.- Flujo de información en automatización.

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UNIDAD II SENSORES BINARIOS

SENSORES BINARIOS: Se llaman así porque justamente su señal de respuesta es del tipo binaria (sólo dos estados). Se construyen como interruptores o a partir de sensores analógicos con sistema de disparo de un elementos interruptor. Se caracterizan por tener puntos de conmutación diferentes cuando la magnitud sube y cuando baja. Fenómeno conocido como Histéresis (Diferencial)

CLASIFICACIÓN

2.1 Sensores 2.1.1 Presostatos y Vacuostatos Sirven para controlar o regular una presión o una depresión en un circuito neumático o hidráulico. Estos aparatos transforman un cambio de presión en una señal eléctrica “todo o nada”. Cuando se alcanza una cierta presión seleccionada, el contacto de tipo ruptura brusca cambia de estado.

Figura 2.1.- Presostato

2.1.2 Principios de uso: a) Vigilancia de un Umbral: Para esta aplicación se elige un aparato con un solo punto (PA o PB) de consigna regulable. La diferencia (intervalo) entre el punto de consigna PA o PE (activación del contacto) y el punto no regulado (desactivación del contacto) es función del aparato regulado (carrera diferencial del contacto, rozamiento, etc.). Es el intervalo natural del presostato o vacuostato.

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b) Regulación entre dos umbrales: Se elige un aparato con puntos de consigna alto (PA) y bajo (PB) regulables independientemente la diferencia (intervalo) entre estos dos puntos, puede ser mas o menos grande, dependiendo de la regulación requerida. 2.1.3 Terminología Usada: a) Zona de Regulación: Se define por los límites mínimo y máximo en los cuales se puede regular el punto alto (PA). b) Punto de consigna Alto (PA): Es el valor de la presión máxima elegida y visualizada en el presostato, para lo cual el contacto cambiará de estado cuando la presión sea ascendente. Regulable en toda la zona de presión ascendente. c) Punto de Consigna Bajo (PB): Este valor no puede ser elegido. Para un punto alto (PA) visualizado, el punto bajo (PB) no es regulable, depende del presostato o vacuostato. Este punto bajo es constante y fiel. d) Intervalo PA – PB: Es la diferencia entre el punto de consigna alto (PA) y el punto de consigna bajo (PB). Existen presostatos en que el punto bajo no es regulable, el valor del intervalo es fijo (Vea la fig. 2.2a). Es el intervalo natural del presostato (carrera diferencial, rozamiento, etc.). También se fabrican presostatos donde el punto bajo puede ser regulado en cualquier valor comprendido entre PB y PB’ (Ver la fig. 2.2b).

Figura 2.2a

Figura 2.2b

e) Precisión (aparato con visualización): Es la tolerancia entre el punto de funcionamiento visualizado y el valor real de activación del contacto.

Figura 2.3

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Reproductibilidad: Es la variación del punto de consigna entre dos maniobras consecutivas.

Figura 2.4

g) Fidelidad: Es la deriva de los puntos de consigna durante la vida del presostato.

Figura 2.5

h) Presión máxima admisible: El Presostato puede soportar esta presión a cada ciclo, sin incidencia. Algunas instalaciones están sometidas a grandes sobrepresiones o a variaciones extremadamente rápidas de presión (presión ascendente). Estos fenómenos son, a menudo, muy difíciles de analizar. Para responder a este problema, se fabrican presostatos provistos de un dispositivo de laminado del fluido que elimina los efectos destructores de estos fenómenos.

Figura 2.6

Presión accidental: Si la duración del fenómeno de presión accidental es inferior a 50 milisegundos, el dispositivo de laminado de fluido incorporado en algunos presostatos disminuye los efectos de esta presión ocasional (golpe de ariete). Si el fenómeno es de larga duración, se debe usar presostatos de membrana que pueden soportar una presión de 30 bares premanentemente. 11

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Figura 2.7 Ejemplo de un ciclo de funcionamiento

Temperatura: Un termostato conectado en derivación del conducto principal, no estando sometido al consumo, no sufre íntegramente la temperatura del fluido. Basta con proveer una derivación de longitud suficiente para evitar todo calentamiento excesivo por conductibilidad. La temperatura del fluido puede no tener ninguna importancia. Ejemplo en un circuito de agua Conexión de derivación longitud 75mm. Temperatura del agua a 100°C, temperatura ambiente a 50°C. La temperatura del agua en contacto con el presotato sera de 68°C

Figura 2.8

k) Viscosidad y limpieza: Se fabrican presostatos previstos para funcionar con un grado de viscosidad elevado o suciedad importante. En los aparatos equipados con un dispositivo de laminado, este se puede destornillar y quitar para facilitar el paso del fluido. Esta posibilidad se aplicará solamente en circuitos sin fuertes sobrepresiones ni con variaciones rápidas de presión.

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Características del Agua Dulce: Los presostatos convencionales son fabricados para ser utilizados con aguas con pH de 5 a 9 (temperatura 20°C). Para trabajar fuera de estos valores se necesita utilizar los aparatos anticorrosivos.

2.1.4 Criterios mínimos necesarios para la elección de un presostato Un presostato será elegido en función de: - Su punto de consigna alto (PA), presión ascendente. - Su punto de consigna bajo (PB), presión descendente. - Su intervalo: diferencia entre el punto alto (PA) y el bajo (PB). - Las presiones máximas admisibles a cada ciclo. - Las presiones máximas admisibles ocasionalmente. 2.1.5 Ejemplos de lectura de una curva. Para la vigilancia de un umbral (intervalo no regulable). Regulación del punto alto (presión ascendente) a un valor de 18 bares. El cambio de estado del contacto (presión descendente) se hará a 14,9 bares,es decir 18 bares menos el intervalo natural de 3,1 bares.

Figura 2.9

Para la regulación entre 2 umbrales (intervalo regulable). Regulación del punto alto (presión ascendente) a un valor de 10 bares. Posibilidad de cambio de estado del contacto (punto bajo) entre 2,3 bares y 8,7 bares.

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Figura 2.10

2.2 Termostatos Sirven para detectar un umbral de temperatura en un depósito, una canalización, etc. Estos aparatos transforman un cambio de temperatura en una señal eléctrica. Cuando la temperatura alcanza el valor preseleccionado, el contacto eléctrico cambia de estado.

Figura 2.12

2.2.1 Aplicaciones de los termostatos Los termostatos solo se utilizan bajo el principio de vigilancia de un umbral; un solo punto de consigna es regulable (punto alto o punto bajo), el cambio

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a su estado de origen será dado por el intervalo natural (no regulable) del termostato. 2.2.2 Terminología usada Los términos zona de regulación, punto de consigna alto, punto de consigna bajo, intervalo, precision, reproductibilidad y fidelidad tratados anteriormente tambien se aplican para los termostatos. 2.2.3 Unidades de Medida Correspondencia entre unidades Temperatura: 1° Celcius = 1° Kelvin = 1,8° Farenheit Temperatura en °C =

° K − 273,15 Temperatura en °K = °C x 1 + 273,15 1

Temperatura en °C =

° F − 32 1,8

Temperatura en °F = °C x 1,8 + 32

2.2.4 Tiempo de respuesta de los termostatos El tiempo de reacción de un termostato depende de varios factores: - La temperatura inicial, - El punto de reglaje con respecto a la zona total del aparato, - La temperatura a la que está sometido, - La velocidad de circulación del fluido a controlar, - La naturaleza del líquido, - La presencia de una funda de bulbo. Una sonda sumergida en una bañera no alcanzará instantáneamente la temperatura de este último. Si un termostato no se enclava, es entre otras razones, porque su elemento sensible no ha alcanzado la temperatura de funcionamiento. Un termostato sumergido en un líquido inmóvil puede ser recubierto de una capa de aire aislante que retrasará su funcionamiento. Al agitar el líquido, el movimiento mejora el tiempo de respuesta. Cuanto más lenta sea la subida de temperatura de la instalación, mucho mejor será el seguimiento de temperatura de la instalación por el contacto sensible. El bulbo puede entonces estar permanentemente a la temperatura del fluido a controlar. En estas condiciones se obtienen los mejores resultados.

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2.3 Detectores de Proximidad Inductivos Conmutan por la aproximación de un metal a una superficie activa formada por una bobina sensora.

2.3.1 Principios de Operación

Bobinado Oscilador Circuito Circuito de Disparador Salida Figura 2.13

Los sensores de proximidad inductivos son diseñados para operar generando un campo electromagnético y detectando las pérdidas por corrientes de torbellino generadas cuando metales ferrosos y no ferrosos ingresan al campo. El sensor consiste de una bobina en un núcleo de ferrita, un oscilador, un disparador detector de nivel de señal y un circuito de salida. Cuando un objeto metálico avanza dentro del campo, las corrientes de torbellino se inducen en el objeto. El resultado es una pérdida de energía y una muy pequeña amplitud de oscilación. El circuito detector reconoce un cambio específico en amplitud y genera una señal, la cual cambia su salida de estado sólido de ON a OFF. Un objeto metálico aproximándose a un sensor de proximidad inductivo absorbe la energía generada por su oscilador. Cuando el objeto está dentro del alcance del sensor, la energía drenada detiene al oscilador y cambia el estado de la salida.

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Posición de la placa

Respuesta del Oscilador

Voltaje de salida Nivel de Desactivación

Nivel de activación

Salida

Figura 2.14

2.3.2 Terminología usada. a) Alcance nominal (Sn) (1) alcance convencional que sirve para designar el aparato. No tiene en cuenta las dispersiones (fabricación, temperatura, tensión). b) Alcance útil (S) (2) alcance de cada aparato medido con la placa de medida, en condiciones específicas de temperatura y de tensión. Se debe tener 0,81 Sn < S< 1,21 Sn.

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Figura 2.15

c) Placa de medida (placa Estándar): (3) serie cilíndrica: placa de acero dulce A37 de forma cuadrada, de lado igual al diámetro de la cara sensible y de espesor 1mm. Serie rectangular: placa de acero dulce A 37 de forma cuadrada, de lado igual a 3x Sn y de espesor 1mm. d) Carrera diferencial (H) (4) histéresis: distancia entre el punto de activación cuando la placa de medida se aproxima al detector y el punto de desactivación cuando la placa se aleja del detector. e) Campo de funcionamiento (S míni) (5) espacio en el cual la detección de la placa de medida es segura cualquiera que sean las dispersiones (temperatura, tensión). Prácticamente el campo está limitado por la cara sensible del detector y el alcance útil mínimo.

Figura 2.16

f) Frecuencia de conmutación: (6) la frecuencia de conmutación indicada en la hoja de datos del producto se obtiene según el método mostrado en la figura.

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Figura 2.17

g) Tiempo de retraso a la disponibilidad: (7) tiempo (t) necesario para garantizar la utilización de la señal de salida a la puesta en tensión de un detector.

Figura 2.18

h) Cálculo del alcance de trabajo: En la práctica, las piezas a controlar suelen ser de acero. Para conseguir una detección segura, procurar que las dimensiones de la pieza a detectar y el campo de funcionamiento sean compatibles con las características del aparato elegido. Para un cálculo más preciso y en los casos extremos de utilización, hay que tener en cuenta los parámetros siguientes que, influyen sobre el alcance, con los factores de corrección siguientes: Naturaleza del objeto de detectar (Km):

Acero A 37

Acero inox magn

Latón

: 0,36

Aluminio

: 0,34

Cobre

: 0,27

Dimensiones del objeto a detectar (Kd): (ver curva). Variaciones de temperatura (Kθ ): (ver curva). Variaciones de la tensión de alimentación: aplicar en todos los casos un coeficiente Kt = 0,9. Elección de un aparato para un alcance de trabajo definido por una aplicación:

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Sn = Alcance de trabajo Km x Kd x Kθx x Kt

Figura 2.19

2.3.3 Placa Estándar para Sensores de Proximidad Inductivos La cara activa de un sensor de proximidad inductivo es la superficie por donde emerge un campo electromagnético de alta frecuencia. Una placa estándar es una lámina cuadrada de acero especial de 1 mm. de espesor, cuya longitud es igual al diámetro de la cara activa ó 3 veces la distancia de conmutación nominal cuando esta es más grande.

Placa

Interruptor de proximidad Direccion de movimiento

Superficie activa 1 mm

Figura 2.20

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2.3.4 Factores de corrección para Sensores de Proximidad Inductivos: Para determinar la distancia de sensado para materiales distintos al acero especial, es necesario usar factores de corrección; la composición del objeto a detectar tiene un gran efecto sobre la distancia de sensado de los sensores de proximidad inductivos. Si el objeto a detectar está construido con alguno de los materiales listados en la tabla, multiplique la distancia nominal de sensado por el factor de corrección para determinar la distancia nominal de sensado del objeto, note que los sensores selectivos – ferrosos no detectarán bronce, aluminio o cobre, mientras que los sensores selectivos no ferrosos no detectaran el acero, los factores de corrección listados a continuación pueden ser usados como una guía general. (Rango nominal de sensado) x (Factor de corrección) = Rango de Sensado

Factores de Corrección Material

Factor de corrección aproximado

Acero especial

1,0

Acero inoxidable

0,85

Bronce

0,50

Aluminio

0,45

Cobre

0,40 Tabla 1

El tamaño y forma del objeto pueden también afectar la distancia de sensado, las siguientes consideraciones deben ser tomadas en cuenta como una guía general para determinar el tamaño y forma de la placa:

- Son preferibles las placas planas. - Las placas redondeadas pueden reducir la distancia de sensado. - Los materiales no ferrosos usualmente reducen la distancia de sensado. - Placas más pequeñas que la superficie de sensado, reducen la distancia de sensado. - Placas más grandes que la superficie de senado incrementan la distancia de sensado. - Las superficies laminares pueden incrementar la distancia de sensado.

2.3.5 Parámetros ligados al montaje. a) Proximidad de masas metálicas: La proximidad de masas metálicas que no sea el objeto a detectar se traduce por la carga del oscilador aumentando su sensibilidad y disminuyendo su reproductibilidad. Fig. 2.21.

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b) Influencia mutua entre sensores: El no respetar las distancias entre sensores puede traducirse en perturbaciones de funcionamiento. Vea la fig. 2.21. c) Entorno térmico: El no respetar los valores indicados en los datos técnicos conduce a modificaciones de alcance que pueden comprometer el buen funcionamiento de los sensores. d) Entorno químico: Los compuestos químicos utilizados en la industria son muy variados, por lo que es difícil dar una regla común para todos los sensores. Para garantizar un funcionamiento duradero, es imprescindible que los compuestos químicos que están en contacto con los sensores no puedan alterar su envoltura y por este hecho, perjudicar su funcionamiento. e) Choques, vibraciones: Los detectores de proximidad son comprobados según IEC 68.2.6 e IEC 68.2.7. Choques: 50g , duración 11ms Vibraciones: 25 g, amplitud ± 2 mm.

Figura 2.21

2.3.6 Parámetros eléctricos a) Definiciones: Intensidad residual en estado abierto (detectores de proximidad tipo 2 hilos): corriente que atraviesa el detector en estado abierto. (Fig. 2.22) Tensión residual (detectores de proximidad tipo 2 hilos): caída de tensión del detector en estado pasante. (Fig. 2.22)

Figura 2.22

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b) Señales de salida: Tipo 2 hilos Estos detectores de proximidad se conectan como los interruptores de posición mecánicos. Se alimentan en serie con la carga a controlar. Por este hecho, los detectores están sujetos a una intensidad residual (estado abierto) y a una tensión residual (estado cerrado), (ver las características técnicas). Están disponibles en variantes NA, NC o NANC. Tipo 3 hilos Estos detectores de proximidad tienen 2 hilos para la alimentación del sensor y 1 hilo para la transmisión de la señal de salida. Están disponibles en variantes NA, NC o NANC.

Figura 2.23

c) Alimentación: Para los sensores de corriente continua, la alimentación debe ser conforme a los límites de utilización del sensor. Si está realizada a partir de una fuente alterna monofásica, la tensión debe ser rectificada y filtrada dando por seguro que: - La tensión cresta de alimentación es inferior al límite máximo garantizado para el producto: tensión cresta = tensión nominal x √2 - La tensión mínima de alimentación es superior al límite mínimo garantizado para el producto sabiendo que.

ΔV = I x t

ΔV ondulación (V), I(mA), t(ms), c(μF).

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Por regla general, utilizar una tensión secundaria más baja. Ejemplo: 17 V en lugar de 24 V, 34 V en lugar de 48 V. Filtrar a razón de 400 μF por constituyente de detección.

Figura 2.24

d) Conexión: Longitud de cable: ninguna limitación en las características de los sensores hasta 200 m. Sin embargo, se aconseja considerar las posibles caídas de tensión de línea. Algunos aparatos son inmunes a las perturbaciones eléctricas encontradas en el campo industrial. En aplicaciones extremas en las que se pueden encontrar fuentes importantes de parásitos (motor, máquina de soldar, etc.), se recomienda tomar precauciones usuales: atacar los parásitos en la fuente, limitar las longitudes de cable, alejar los cables de potencia de los de señal, torsear y blindar los cables de las señales de salida.

e) Asociación serie – paralelo: Tipo 2 hilos 1- Cada detector se reparte, en estado no pasante, la tensión de alimentación. U detector y U alimentación deben ser compatibles con los límites de tensión del detector de proximidad. 2- Cada detector produce en estado pasante una tensión residual. La carga debe ser elegida en consecuencia. Tipo 3 hilos 1- El detector 1 pasa la corriente de carga y las corrientes de consumo en vacío de los demás detectores en serie. 2- Cada detector produce en estado pasante una caída de tensión de 1V. La carga debe ser elegida en consecuencia.

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Figura 2.25

2.4 Detectores de proximidad capacitivos: 2.4.1 Principio de operación

Sonda

O s c ila d o r

F iltr o C ir c u it o d e R e c t if i c a d o r S a lid a

V o lt a je d e S a lid a N iv e l d e D e s a c tiv a c ió n

N iv e l d e A c t iv a c ió n

S a lid a

Figura 2.26

Los sensores de proximidad capacitivos están diseñados para operar generando un campo electrostático y detectando cambios en este campo

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causados por un objeto que se aproxima a la superficie del sensor. El trabajo interno del sensor consiste de una sonda capacitiva, un oscilador, un rectificador de señal, un circuito filtro y un circuito de salida. En ausencia de un objeto, el oscilador está inactivo. Cuando un objeto se aproxima, varía la capacidad del sistema de prueba. Cuando la capacitancia alcanza un nivel de umbral específico, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de salida para cambiar entre ON y OFF. La capacitancia del sistema de prueba está determinada por el tamaño del objeto, la constante dieléctrica y distancia del sensor. A mayor distancia y constante dieléctrica del objeto; mayor capacitancia.

2.4.2. Tarjeta estándar para sensores de proximidad capacitivos. La tarjeta estándar (patrón) para los sensores capacitivos es la misma que para los sensores de proximidad inductivos.

2.4.3. Sensores Capacitivos Apantallados y sin Apantallamiento Los sensores de proximidad capacitivos apantallados son preferidos para el sensado de materiales (difíciles de sensar) con baja constante dieléctrica, debido a su muy alta concentración de campo electrostático, esto les permite detectar objetos que no podrían ser detectados por sensores sin apantallamiento. Por otro lado, esto también los hace más sensibles a falsos disparos debido a la acumulación de polvo o suciedad en la superficie del sensor. El campo electrostático de un sensor sin apantallamiento es menos concentrado. Esto los hace ideales para detectar materiales con alta constante dieléctrica o para diferenciar entre materiales con altas o bajas constantes. Para objetos de material adecuado los sensores de proximidad sin apantallamiento tienen mayores distancias de sensado que los apantallados. Frecuentemente los sensores sin apantallamiento poseen compensación de la sonda, lo cual le permite al sensor ignorar suciedad, partículas de polvo o películas de agua o aceite en la superficie activa del sensor.

Fig. 2.27

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2.4.4. Factores de Corrección para Sensores de Proximidad Capacitivos Para un tamaño de placa dado, los factores de corrección para los sensores capacitivos son determinados por una propiedad del material llamada constante dieléctrica. Los materiales con constantes dieléctricas elevadas son más fáciles de sensar.

2.5 Detectores Fotoeléctricos Los detectores fotoeléctricos se componen esencialmente de un emisor de luz asociado a un receptor fotosensible. La detección de un objeto es efectiva cuando este interrumpe o hace variar la intensidad del haz de luminoso. La emisión se efectúa por un diodo electroluminiscente que emite en un campo próximo al infrarrojo, la emisión modulada garantiza una alta inmunidad a las luces parásitas así como una duración prácticamente ilimitada.

2.5.1 Sistemas de Detección Para llevar a cabo la detección de objetos en distintas aplicaciones, se propone tres sistemas base.

2.5.1.1. Sistema Barrera Emisor y receptor están separados, es el sistema mejor adaptado para: -

La detección de materiales opacos y reflectantes.

Los entornos contaminados (polvo, lluvia, contaminación, etc.)

Las largas distancias

El posicionamiento exacto y la detección de pequeños objetos, el contaje.

Inconvenientes: -

Necesidad de un alineamiento riguroso.

No puede ser utilizado para la detección de materiales transparentes.

Los aparatos deben ser posicionados enfrente uno del otro y sus ejes ópticos confundidos. La fijación del emisor y receptor debe ser robusta e indeformable.

Sensórica y Actórica

Figura 2.28

2.5.1.2 Sistema Reflex Emisor y receptor en una misma cápsula, es el sistema mejor adaptado para: -

Las aplicaciones en que la detección sólo es posible de un lado.

Una instalación rápida y fácil; inclinación posible de un lado, respecto a la perpendicular del haz.

Los entornos relativamente limpios. Es el sistema más utilizado en transportadores de cajas, cartones, etc.

Inconvenientes -

Para la detección de objetos lisos y reflectantes,

En los entornos contaminados, para la detección de pequeños objetos.

El reflector debe estar situado en un plano perpendicular centrado en el eje óptico. La dimensión del reflector es función de la distancia de detección y de la dimensión del objeto a detectar. Por regla general, utilizar el reflector de mayor dimensión compatible con las condiciones de aplicación. Para evitar los riesgos de reflexiones parásitas, se aconseja utilizar una detección “en oblicuo” cuando los objetos presentan cierto brillo.

Figura 2.29

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2.5.1.3 Sistema de Proximidad Emisor y receptor en la misma cápsula, es el sistema mejor adaptado para: -

La detección de objetos transparentes o traslúcidos (tales como transportadores de botellas vacías), la detección de marcas.

Inconvenientes: -

Los alcances son función del poder reflectante y del color del objeto a detectar.

Influencia posible del entorno situado detrás del objeto a detectar.

Evitar su uso en entornos contaminados, para la detección de pequeñas piezas y para el posicionamiento preciso.

El objeto a detectar debe encontrarse en un plano ortogonal al eje óptico con el fin de conseguir un alcance óptimo.

Figura 2.30

2.5.2 Terminología Usada a) Alcance Util S: distancia máxima recomendada para un sistema dado teniéndo en cuenta los diversos factores de entorno y de un margen de seguridad.

Figura 2.31

Sensórica y Actórica

b) Reflector: Accesorio utilizado en el sistema réflex .Se compone de una multitud de triedros trirectángulares de reflexión total cuya propiedad es reflejar todo haz incidente en la misma dirección. c) Frecuencia de Conmutación: La frecuencia de conmutación indicada en las hojas de datos de los productos se determina según el método mostrado en la Fig. 2.32.

Figura 2.32.- Frecuencia de conmutación

d) Campo de Funcionamiento: Para asegurar una detección segura del móvil en los casos extremos las distancias emisor- receptor, aparatoreflector, aparato-objeto a detectar deben ser respectivamente inferiores o iguales al alcance útil.

2.5.3. Parámetros ligados al entorno: En los detectores fotoeléctricos que funcionan sobre el principio emisiónrecepción de un haz luminoso, cualquier contaminación de las lentes por el entorno (polvo, lluvia, hielo, niebla,etc.) se traducirá por una atenuación del nivel de detección que, puede llegar hasta un funcionamiento intermitente en casos extremos. Siendo estas atenuaciones tan variadas y función de los casos específicos de aplicación: es difícil dar una regla común. Sin embargo, se puede limitar estos efectos tomando las siguientes precauciones: 1. Limpieza periódica de las lentes y reflectores. 2. Aumento de los márgenes de seguridad de funcionamiento utilizando factores de corrección que limitan los alcances de utilización según el entorno.

2.5.3.1 Factor de Corrección El factor de corrección a aplicar sobre el alcance útil es como sigue: 1

* entorno limpio: aplicación en el interior almacenamiento, manutención.

de edificios, ejm

Sensórica y Actórica

0,5

* entorno ligeramente contaminado: presencia ocasional de polvo, humedad.

0,25

* entorno contaminado: presencia de polvo, gran humedad, vapores.

0,10

* entorno muy contaminado: partículas en el aire, operaciones de lavado que arrastran la contaminación de las lentes y que necesitan así una limpieza periódica de las lentes. Ejm elevadores de grano, transportadores de minerales, de carbón.

2.5.4 Parámetros Eléctricos a) Definiciones: Corriente residual en estado abierto: detectores fotoeléctricos tipo 2 hilos: corriente que atraviesa el detector en estado abierto.

Figura 2.33

Tensión residual: Detector fotoeléctrico tipo 2 hilos: tensión en los bornes del detector en estado cerrado.

Figura 2.34

b) Señales de Salida (1) Tipo 2 hilos: estos detectores se conectan igual que los interruptores de posición mecánicos. Están alimentados en serie con la carga a controlar. Por consiguiente los detectores están sujetos a una corriente residual (estado abierto) y a una tensión residual (estado cerrado) (ver las características técnicas). Están disponibles en variantes NA y NC.

Sensórica y Actórica

(2) Tipo 3 Hilos: estos detectores van provistos de 2 hilos para la alimentación del aparato y 1 hilo para la transmisión de la señal de salida. Están disponibles en variantes NA y NC. (3) Salida sobre relé inversor temporizado: las temporizaciones (0,03 a 60s) son programables en función frente ascendente o descendente de luz, en función monoestable y en función luz/sombra:

Figura 2.35

c) Asociación Serie.paralelo: Asociación serie: tipo 2 hilos. Cada detector se reparte, en estado no pasante, la tensión de alimentación U detector =

U alimentación n detector

U detector y U alimentación deben ser compatibles con los limites de tensión del detector. Cada detector produce en estado pasante una tensión residual. La caída de tensión que resulta sobre la carga será igual a la suma de las tensiones residuales. La carga debe ser elegida en consecuencia.

• Tipo 3 hilos: limitación de 2 aparatos en serie. • Tipo salida sobre relé: ninguna limitación. Asociación paralelo

• Tipo 2 hilos: asociaciones paralelas prohibidas. • Tipo 3 hilos y salida sobre relés: ninguna limitación. 32

Sensórica y Actórica

Figura 2.36

e) Asociación Prohibida: Los detectores fotoeléctricos tipo 2 hilos deben ser imperativamente conectados a la fuente de alimentación mediante una carga. En caso contrario, hay destrucción inmediata del aparato.

2.5.5 Comparación de los Tres Sistemas de Base: Sistema

Barrera

Reflex

De proximidad

Utilización

Para las largas distancias o para la detección de objetos cuyo poder reflectante prohibe la utilización de un sistema reflex.

Para las distancias medias y sobre todo cuando es difícil montar un receptor y un emisor separados.

Para las distan-cias cortas. Un reglaje de sensibilidad per-mite limitar la influencia eventual del entorno en la parte trasera del objeto a detectar.

Figura 2.37

Sensórica y Actórica

UNIDAD III VÁLVULAS SOLENOIDE

Electromagnetismo

En esta sección estudiaremos de manera breve los efectos producidos por el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor. Asumamos que una corriente eléctrica contínua (DC) circula por un conductor. Esta corriente genera un campo magnético B, que en la figura 3.1 se ha representado mediante un concepto abstracto denominado "lineas de fuerza del campo magnético".

Figura 3.1

La ley que relaciona la magnitud del campo magnético con la corriente eléctrica tiene el nombre de "Ley de Biot y Savart", misma que también fue deducida por Ampère y por lo tanto también conocida como "Ley de Ampère".

Solenoide Un solenoide es un alambre arrollado en forma helicoidal con espiras contiguas muy próximas entre sí. Los solenoides se emplean para producir campos magnéticos muy intensos en su interior. Figura 3.2. Cuando una corriente léctrica circula por el solenoide, el flujo de cada espira se con el de la siguiente, atravesando el interior de la bobina, de manera que se tiene un campo magnético bastante uniforme e intenso, considerando vueltas muy próximas entre sí.

Sensórica y Actórica

Figura 3.2

Fuera del solenoide, las líneas de fuerza entran por un extremo y salen por el otro, esparciéndose por el exterior y formando curvas cerradas. El concepto abstracto de las líneas de fuerza del campo magnético, nació a raíz del comportamiento adoptado por pequenas partículas de hierro en las inmediaciones de un campo magnético.

Figura 3.3

Sensórica y Actórica

Según la Ley de Ampère, el campo magnético de una bobina ideal viene dado por (ecuación obtenida por medio de aproximaciones):

Donde, B N l I µo

: Campo magnético en el interior del solenoide (Tesla) : Número de vueltas o espiras : longitud del solenoide : Intensidad de la corriente : Permeabilidad magnética del vacío (4π 10-7 T m/A)

Autoinductancia La autoinductancia es una propiedad que poseen los circuitos de oponerse a los cambios de la corriente eléctrica. Esta propiedad aparece más acentuada en las bobinas, por lo que todo solenoide se opone tanto al inicio de la circulación de corriente como a la extinción de la misma. La ley de Faraday enuncia que:

, donde ε es la fuerza electro-motriz inducida y ΦB es el flujo de campo magnético. Entonces, si

, donde L se denomina inductancia, tenemos que:

. 36

Sensórica y Actórica

Además, si el flujo de campo magnético

, donde A es el área de la sección transversal de la bobina, entonces tenemos que

. De todo esto se desprenden conclusiones sumamente importantes desde el punto de vista práctico: a) La circulación de corriente eléctrica por un solenoide genera campos magnéticos

muy intensos. Cualquier material ferromagnético que se encuentre en las inmediaciones de estos campos magnéticos será fuertemente atraido por los mismos. b) Una bobina se comporta como un cortocircuito ante las corrientes directas, ya que

al no variar con el tiempo estas no generan flujo magnético que induzca fems que se opongan a la fem que las origina. c) Durante la conexión y especialmente durante la desconexión de la alimentación

DC de un solenoide, se autoinducen fems elevadas que se oponen a la circulación y al corte de la corriente circulante, respectivamente. d) La inductancia de una bobina depende del número de espiras del solenoide y de

la permeabilidad magnética del material que se encuentra dentro del solenoide (µo en el caso del vacío, y µr -relativa al vacio o aire- en el caso de otros materiales).

Válvulas Solenoide

Una Válvula Solenoide, es una válvula accionada a la apertura o al cierre por medio de una corriente eléctrica AC o DC. En el primer caso, la válvula se abrirá para admitir la circulación de un fluido por su interior cuando por su solenoide circule una corriente eléctrica AC o DC. En el segundo caso, la válvula se cerrará para cortar la circulación de un fluido por su interior cuando por su solenoide circule una corriente eléctrica AC o DC.

Sensórica y Actórica

Una válvula solenoide consta de dos partes, figura 3.4, •

La válvula en sí, por la cual circula el fluido.

•

El actuador electromagnético.

La vávula, como cualquier otra se compone de un cuerpo, un asiento, un elemento de cierre (plug -que en este caso es un empaque-) y un vástago (shaft) que acciona al elemento de cierre. El actuador electroagnético está constituido por un solenoide en cuyo interior se encuentra un tubo de bronce por el cual se deslizará un vástago cada vez que el solenoide sea energizado. El vástago regresa a la posición de reposo por la acción de un resorte cada vez que el solenoide es desenergizado.

Figura 3.4

El principio de funcionamiento es muy simple en sí. En el caso de nuestro ejemplo, la válvula se mantendrá cerrada en tanto no circule corriente por el solenoide, ello debido a que el empaque obstruye el paso del fluido a través del aciento de la válvula. Cuando el solenoide sea energizado, se generará un campo magnético que atraerá fuertemente al vástago hacia arriba. Este, a su vez, jalará al retén permitiendo que el fluido circule por el asiento de la válvula. Las características principales de las válvulas solenoide son: •

Generalmente son de asiento, como la mostrada en la figura 3.4.

•

Disponen de un elemento de cierre que se comprime levemente sobre el aciento por medio de un resorte de acero. 38

Sensórica y Actórica •

La circulación del fluido tiene un sentido específico, que en este caso es de derecha a izquierda. De instalarse al revés, la presión del fluido vencería la fuerza del resorte y levantaría el empaque admitiendo el flujo sin que el solenoide sea accionado.

•

Están diseñadas para operar a una presión determinada, directamente relacionada con la fuerza que tiene el solenoide para jalar el vástago y vencer la fuerza ejercida por la presión del fluido sobre el empaque.

•

Pueden ser operadas con alimentación AC o DC.

•

Se diseñan para diferentes tipos de fluido, mismos que por ejemplo pueden ser aire, vapor, agua, combustibles, corrosivos, etc.

•

Comunmente se les conoce con el nombre de válvulas ON/OFF.

UNIDAD IV RELÉS Y CONTACTORES

Electroimán El electroimán es una parte básica de cantidad de aparatos eléctricos, como son, entre otros, el relé, el contactor, el temporizador, etc. La posibilidad de accionar contactos por medio de un electroimán ha posibilitado la realización de gran cantidad de maniobras, representando en su momento un gran avance técnico. El electroimán está constituido básicamente por un circuito magnético, una bobina solenoide y complementos mecánicos de fijación que se estudian a continuación y que se representan en la fig. 4.1.

Figura 4.1

El circuito magnético, está compuesto por un núcleo (1) y una armadura (2). El núcleo está separado de la armadura por la fuerza de unos resortes (3). Al dar corriente a la bobina (4), el núcleo atrae a la armadura venciendo la fuerza del resorte. La armadura se encarga de arrastrar a los contactos (5), cambiándolos de posición. Los circuitos magnéticos para corriente alterna están construidos con chapas magnéticas, para evitar el calentamiento de los mismos a causa de las corrientes parásitas. Los circuitos magnéticos para corriente continua están construidos en acero (piezas macizas), por no tener el inconveniente de las corrientes parásitas que se generan con corrientes alternas.

Instrumentación Industrial

En los circuitos electromagnéticos alimentados por corriente alterna es necesario colocar "espiras de sombra" para evitar vibraciones, a la frecuencia de red, del núcleo con la armadura (6). En la espira de sombra se induce una corriente que va desfasada respecto al campo de la bobina. Cuando la corriente de la bobina es cero (flujo magnético cero), la espira de sombra genera una pequeña corriente, cuyo campo magnético es capaz de mantener unidos el núcleo con la armadura durante ese corto espacio de tiempo, que se produce 100 veces por segundo, para frecuencia de 50 Hz. En la fig. 4.2 se representa un circuito electromagnético cuya bobina está alimentada por corriente continua. Una particularidad de estos circuitos es la de instalar en serie con la bobina una resistencia que limite la corriente absorbida una vez que el núcleo atrae a la armadura. En los circuitos alimentados por c.a., esa misión la cumple la impedancia Z que se genera en el circuito.

Figura 4.2

La fig. 4.3 representa otra variante de circuito magnético alimentado por c.a., siendo el de la fig. 4.1 en forma de U y éste en forma de E.

Figura 4.3

Instrumentación Industrial

Representación esquemática de un circuito electromagnético Un rectángulo con su alimentación representa a un circuito electromagnético, que puede accionar a contactos que en reposo pueden estar abiertos, cerrados, ser temporizados a la conexión, a la desconexión, etc. Las bobinas y su correspondiente circuito magnético se preparan de forma diferente si están conectados a redes de corriente alterna o continua.

TENSION - Las tensiones de servicio suelen variar respecto a la tensión de la red. Por lo general, la alimentación a los circuitos de maniobra parte de transformadores que suministran corriente a 220V, 110V, 48V, 24V y otras, según sea el caso o instalación de que se trate. FRECUENCIA - Dado que en Europa la frecuencia utilizadas es de 50Hz y en América 60Hz, resulta posible y asi se suele dar en alguna ocasión el que haya que utilizar bobinas para frecuencias diferentes a la de la red. A este respecto se estudian dos casos que pueden presentarse en la práctica. Ejemplo 1. Bobina para 220V y 60Hz. Supuesto de que hubiera que conectarla a una red de 50Hz. Calcular la tensión a que se ha de someter la bobina. U1 =

50 F1 •U = • 220 = 184V 60 F2

Ejemplo 2. Bobina para 220V y 50Hz. Supuesto de que hubiera que conectarla a una red de 60Hz. Calcular la tensión a que se ha de someter la bobina. U1 =

60 F1 •U = • 220 = 264V 50 F2

RELÉS El relé es un aparato eléctrico que se utiliza en gran número de esquemas de tele - mando como auxiliar del contactor y de otros aparatos que son necesarios para elaborar una determinada maniobra.

Instrumentación Industrial

El relé consta básicamente de un circuito electromagnético y de una serie de contactos abiertos y cerrados en posición de reposo. En la figura 4.4 - 1. queda representado un relé en estado de reposo. La fig. 4.4 - 2 representa al circuito electromagnético bajo tensión y por tanto con todos sus contactos cambiados respecto a la posición de reposo. En la práctica y a nivel de esquema los contactos se disponen en el lugar que convenga y el circuito electromagnético por un rectángulo.

EJEMPLOS DE MANIOBRA PARA RELES

Figura 4.4, Nº 1. Mando de un relé por impulsos Mientras que se mantenga pulsado Si, la bobina KA tendrá tensión, con lo que mantendrá cambiados los contactos respecto a la posición de reposo. a) Esquema en posición de reposo. b) Esquema en posición de trabajo, bobina excitada. Una maniobra similar a la que se realiza con el pulsador como medio de mando es la que se hace por medio de un contacto auxiliar de otro aparato eléctrico o con un interruptor.

Figura 4.4, Nº 2. Mando de un relé desde un pulsador de marcha y otro de paro Al pulsar en 51 se excita la bobina KA cambiando la posición de todos sus contactos. Al dejar de pulsar en Si, el relé se seguirá alimentando a través de un contacto auxiliar de KA. Cuando se desea hacer el paro, habrá que pulsar en S2, con lo que al cortar la corriente, cae la maniobra y los contactos vuelven a la posición de reposo. a) Esquema funcional que representa la maniobra arriba explicada. b) Esquema práctico que representa al relé, su pilotaje y los elementos que pilota con sus contactos. En esquemas complejos, esta forma de representar llevaría a complicar y a dificultar la lectura e interpretación del esquema.

Instrumentaci贸n Industrial

Figura 4.4

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CONTACTORES

4.1.

El Contactor Se define al contactor como un interruptor gobernado a distancia de muy diversas maneras, estando constituido principalmente por: 1) Circuito electromagnético. 2) Contactos auxiliares. 3) Contactos de potencia. La diferencia entre contactor y relé estriba principalmente en que el contactor pilota un circuito de potencia y tiene contactos auxiliares para su propio gobierno y para participar con otros componentes que forman el esquema. La aportación del contactor supuso el abaratar las maniobras, facilitarlas y poderlas integrar en diferentes procesos automáticos, por difíciles que sean. En la representación de los esquemas, los contactos auxiliares y el circuito electromagnético van con el llamado esquema de principio o funcional, mientras que los contactos principales van con el esquema de potencia.

Figura 4.5 En las figs. 4.5 - 1 y 4.5 - 2 puede apreciarse la representación del contactor en las tres partes que lo definen. La fig. 4.6 representa a un contactor tal como se presenta en el mercado. Hay gran cantidad de fabricantes, por lo que resulta fácil encontrar el tipo de aparato que se necesita para una maniobra concreta. El contactor es el elemento más utilizado en el gobierno de motores y otros aparatos de potencia. El dimensionado del contactor se corresponde con la potencia del receptor a pilotar y la clase de corriente que pasa por el circuito de potencia y con la que se pilota a la bobina (electroimán). 45

Instrumentación Industrial

Los contactos principales y auxiliares del contactor toman la marca que se asigna a la bobina del circuito electromagnético.

Figura 4.6

4.2.

Elección del contactor Seguidamente se señalan y enumeran una serie de datos que ayudan a la elección del contactor en función a su utilización. Dos datos importantes en la elección del contactor son: 1) Tiempo que permanecen los contactos pasando corriente a través de ellos. 2) La categoría de servicio según su aplicación.

4.3. Clasificación de los contactores, según el tiempo que permanecen los contactos cerrados pasando corriente a través de ellos a) Empleo ininterrumpido. b) Empleo de 8 horas. c) Empleo temporal. d) Empleo intermitente.

Empleo ininterrumpido

Los contactos pueden permanecer cerrados durante un tiempo ilimitado, pasando por ellos la corriente de la utilización.

Empleo de 8 horas

El tiempo de empleo puede ser del orden de 8 horas de tal forma que los contactos adquieran el equilibrio térmico.

Empleo temporal

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En este caso, el tiempo de paso de corriente por los contactos es tal que éstos no llegan a adquirir el equilibrio térmico. El tiempo de reposo será tal que asegure que los contactos adquieran la temperatura de ambiente.

Empleo intermitente

Este empleo esté constituido por una sucesión de ciclos iguales, compuesto cada uno por un tiempo de conexión en el que los contactos adquieran el equilibrio térmico y un tiempo de desconexión durante el cual los contactos adquieran la temperatura del ambiente.

4.4. Clasificación de los aparatos dentro de su empleo intermitente, teniendo en cuenta el número de maniobras a efectuar en una hora

4.5.

Clase

Número

maniobras por hora:

Clase

“

“ :

Clase

“

“ :

150

Clase

III

“

“ :

600

Clase

“

“:

1 .200

Factor de marcha Como quiera que, para un mismo número de maniobras por hora, las condiciones de empleo del contactor son diferentes, según el tiempo de duración de la conexión y desconexión, cada clase de uso se subdivide a su vez en cuatro regímenes de marcha, definidos por un factor marcha (ED) expresado en % según se indica a continuación: Factor de marcha ED = Tiempo de marcha

100 (en %)

Ciclo completo Ciclo completo = Tiempo de marcha + Tiempo de paro.

Factores de marcha a considerar en cada una de las cinco clases de uso Factor Clase 0 Clase I Clase II Clase III Clase IV de Ciclo Ciclo Ciclo Ciclo Ciclo march completo completo completo completo completo a 600seg=10m 120seg=2mg 24seg 6seg 3seg ED g March Paro March Paro March Paro March Paro March Paro a a a a a 60 360 240 72 48 14.4 9.6 3.6 2.4 1.8 1.2 40 240 360 48 72 9.6 14.4 2.4 3.6 1.2 1.8

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25 15

150 90

450 510

30 18

90 102

18 20.4

1.5 0.9

4.5 5.1

0.75 0.3

2.25 2.7

Categorías de servicio del aparato según sus aplicaciones Utilizaci ón

4.6

Cierre Tensión

Intensidad

Categorí a AC1

Categorí a AC2

Categorí a AC3 Categorí a AC4

Apertura cos ϕ

cos ϕ

Tensión

Intensidad

0.95

2.5 In

0.65

2.5 In

0.65

6In

0.35

0.17Un

0.35

6In

0.35

6In

0.35

Aplicaciones características Cargas no inductivas o débilmente inductivas. Hornos resistencias. Arranque de motores de anillos rozantes. Inversión de marcha. Arranque de motores de jaula. Corte a motor lanzado. Arranque de motores de jaula. Inversión de marcha. Marchas a intermitencias.

Clases de servicio A la hora de realizar el trabajo los contactores, se han de distinguir tres períodos distintos: 1) Momento de conexión (arranque). 2) Tiempo de trabajo (servicio nominal). 3) Momento de la desconexión. Los puntos 1 y 3 son de gran importancia para la vida o duración de un contactor. Las sobrecargas del período de arranque y los arcos formados en la desconexión, reducen sensiblemente la duración de los contactos. Así pues, resulta de suma importancia elegir para cada motor el contactor adecuado, teniendo en cuenta para su elección las indicaciones que se dan a continuación. a) El tipo de motor. b) El arranque más conveniente. c) El tipo de contactor que soporte las maniobras y trabajo del motor. d) La extinción del arco en el momento de la desconexión, lo más rápidamente posible. e) Dureza y composición de los contactos, adecuados a las maniobras a realizar por el contactor. f) En la elección de un contactor o conjunto de ellos para una maniobra o proceso, es corriente y añadir Íamos, necesario, consultar con los técnicos de la firma elegida, ya que nadie mejor que ellos conoce las características del material que fabrican. 48

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Mando de un contactor que alimenta a un motor trifásico, desde un pulsador de marcha S2 y otro de paro Si. Todas las maniobras de contactores pueden representa rse de tres formas diferentes, tal como se estudian a continuación.

Esquema de potencia

En este esquema se reflejan todos los elementos y conductores por los que pasa la corriente que alimenta al circuito objeto de la maniobra, como son por ejemplo, los fusibles, seccionador, contactor, relé térmico, etc.

Figura 4.7

Esquema de maniobra

En este esquema se representa solamente los circuitos electromagnéticos y contactos auxiliares de los contadores, así como, todo tipo de aparato auxiliar que intervenga en la maniobra, como son, entre otros, el temporizador, programador, captores, pulsadores, interruptores, etc.

Figura 4.8

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Esquema general de conexiones

Salvo excepciones, son los esquemas de potencia y maniobra los que se utilizan en la práctica para representar maniobras.

Figura 4.9 El esquema general de conexiones corresponde al esquema práctico, representando los aparatos eléctricos y su conexión, de la misma forma a como lo estarían en la práctica. Como fácilmente puede comprenderse, resultaría casi imposible y nada práctico, representar bajo esta forma de esquema maniobras o procesos, aunque sólo fueran de mediana complicación. Este tipo de esquema raramente se presenta y siempre en maniobras sencillas. En esta obra, solamente se presentan esquemas de potencia y maniobra. Es conveniente señalar, que esquema es la representación más simple de una cosa, capaz de ser entendida sin dificultad. Pretendemos cumplir con este requisito para que una estudiada presentación del esquema ayude a su comprensión y sirva a su vez como guía para su representación posterior en la práctica.

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UNIDAD V ACTUADORES NEUMÁTICOS Y SERVOVÁLVULAS El término servocontrol está referido a todos aquellos sistemas de regulación automática en los que la variable controlada, o variable de proceso, es una magnitud que representa una posición, misma que debe ajustarse al punto de control. Por lo general, en los sistemas de control automático la variable controlada se desvía del punto de control a raíz de perturbaciones que actúan sobre el sistema. En el caso de los sistemas servo controlados la perturbación más importante es el punto mismo de control, que generalmente varía de acuerdo a un valor de consigna subordinado a una variable primaria. Una válvula servo controlada será, por lo tanto, un sistema compuesto por una válvula, un actuador y un dispositivo servoposicionador que gobernará la posición de la primera, en función a una variable de referencia o variable de consigna determinada.

1. PRINCIPALES TIPOS DE VÁLVULAS INDUSTRIALES Las válvulas de control son los elementos finales de control más comunes utilizados en los sistemas de control automático. Las válvulas de control actúan como una suerte de resistencias variables, tales que mediante el cambio de su apertura se modifica la resistencia al flujo y, en consecuencia, el flujo mismo. En dos palabras, las válvulas de control son reguladores de flujo La clasificación de las válvulas es realmente variada, sin embargo se les puede clasificar, en primer lugar, por el tipo de acción que se ejerce sobre el vástago para regular la posición del elemento de cierre y, en segundo lugar, por el elemento de cierre mismo. La tabla de la figura 5.1 nos permite una visión de lo dicho.

POR LA ACCIÓN SOBRE EL VÁSTAGO

POR EL TIPO DE ELEMENTO DE CIERRE DE BOLA

DE MARIPOSA

DE CUCHILLA

VÁSTAGO RECÍPROCO

VÁSTAGO ROTATORIO

Figura 5.1

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En la figura 5.2 observamos una válvula de vástago rotatorio cuyo elemento de cierre (plug) es un disco. comúnmente esta válvula recibe el nombre de “válvula de disco” o “válvula de mariposa”. La figura 5.3 muestra una válvula de vástago recíproco de asiento simple, comúnmente llamada “válvula de bola”.

Figura 5.2

Figura 5.3

La figura 5.4 muestra una válvula “iso-proporcional”, cuyo elemento de cierre ha sido diseñado de manera tal que obstruye el paso del fluido de manera proporcional al ángulo de giro del eje. Debe notarse que en este caso solo el elemento de cierre se interpone al fluido circulante. 52

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Figura 5.4

2. VÁLVULAS DE CONTROL NEUMÁTICAS CON ACTUADOR TIPO PISTÓN Las válvulas de control neumáticas son unidades servocontroladas que emplean la presión del aire comprimido como fuente de energía y comando. Como fuente de energía la presión del aire genera el movimiento de un pistón de doble acción al ser sometido a presiones diferenciales o el de un diafragma accionado por resortes. Como fuente de comando un valor de presión de aire que varía entre 3 y 15 psi genera la referencia para que el posicionador regule correspondientemente el eje de la válvula entre 0° y 90°. En la figura 5.5 observamos las principales partes de una válvula neumática de disco. El actuador comprende el pistón de doble acción, mecanismo y los manómetros de presión superior y de presión inferior, el servo-posicionador y el eje que transmite el giro desde el actuador hasta el disco de la válvula). Se observa también la válvula en si que comprende el cuerpo, el disco y el asiento. En la figura 5.6 observamos el cilindro neumático y el mecanismo de conversión del movimiento lineal en movimiento angular (giro). Estas son dos partes del actuador neumático empleado en los actuadores neumáticos de tipo pistón. Al alimentar aire presurizado por la entrada/salida de aire inferior (4) siempre que la presión en el lado superior del pistón (2) sea menor, éste se desplazará hacia arriba dentro del cilindro (1). De igual manera si alimentamos aire presurizado por la entrada/salida superior (3) de tal manera que la presión en el lado inferior del pistón es menor, éste se desplazará hacia abajo dentro del cilindro. Este movimiento lineal se transmite a través de la biela (6) hasta el balancín (7), el mismo que transforma el movimiento lineal en movimiento angular. Toda la carrera del pistón es convertida en un movimiento angular que va desde 0° hasta 90°, equivalente a una apertura de la válvula desde 0% hasta 100%.

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Figura 5.5

El mecanismo está dotado de dos pernos de fin de carrera (9) que limitan el giro del balancín entre las posiciones mínima y máxima determinadas (pueden estar entre 0° y 90°). Cuando la presión de aire que acciona el pistón es cero, el resorte de seguridad (5) desplaza el pistón hasta la posición mínima inferior. Esto equivale a cerrar la válvula totalmente y esta diseñado como un sistema de seguridad. Finalmente observe el vástago (10) que está acoplado al balancín. Este sirve como una referencia de la posición de la válvula (entre 0° y 90°). El vástago en mención se acopla a una leva que se encuentra dentro del servo-posicionador y esta leva sirve como referencia de la posición al sistema de servo-posicionamiento. Cuando el servo-posicionador recibe una presión de referencia, inmediatamente compara la posición del pistón con la posición que la presión de referencia señala. De acuerdo al resultado de la comparación, el servo-posicionador accionará una válvula de cinco vías que suministrará y purgará el aire de ambos lados del cilindro simultánea y exclusivamente (es decir mientras a un lado se le abastece aire, del otro se purga aire). Esto genera presiones diferenciales a ambos lados del pistón que generan el movimiento del mismo. La presión de referencia determina una posición entre 0% y 100% de la carrera del pistón de manera lineal entre los valores: 3 psi 15 psi -

0% de la carrera 100% de la carrera

así por ejemplo, para una presión de referencia de 9 psi, tenemos un posicionamiento equivalente al 50% de la carrera del pistón.

Instrumentaciรณn Industrial

Figura 5.6

En la figura 5.7 podemos observar en detalle el mecanismo del servo-posicionador. La leva (1) se mueve de acuerdo a la posiciรณn del pistรณn y transmite esta posiciรณn al brazo del rango (2), este a su vez (y de acuerdo a la graduaciรณn realizada con el

Figura 5.7

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perno de regulación del rango (3)) mueve el brazo del cero (4). La posición adoptada por el brazo del cero cambia la tensión del resorte (8), generando un desplazamiento hacia arriba o hacia abajo del diafragma (7) y accionando la válvula (9). Esta válvula dejará pasar aire a uno de los lados del cilindro y liberará aire del otro de tal manera que el pistón se moverá por diferencia de presiones hasta un punto en el cual la presión de referencia del diafragma y la tensión en el resorte (que refleja la posición del pistón dentro del cilindro) se equilibren. Una vez en equilibrio, la válvula queda en la posición “cero” tal que no permite ni el abastecimiento ni la purga de aire en ningún sentido. En la figura 5.8 observamos la válvula de cinco vías en la posición “cero”. Si el vástago es accionado hacia abajo, la vía de abastecimiento inferior (4) permite el flujo de aire presurizado desde la vía de suministro (1), en tanto que la vía de abastecimiento superior (2) libera aire a través de la vía de purga superior (3), esto implica que a aumentado la presión en el lado inferior del cilindro y ha disminuido en el lado superior, por lo tanto el pistón se moverá hacia arriba (apertura de la válvula). Si el vástago es accionado hacia arriba, fluye aire presurizado desde (1) hasta (2) y se libera aires desde (4) vía (5), generándose una mayor presión en el lado superior del cilindro, por lo tanto el pistón se moverá hacia abajo (cierre de la válvula).

Figura 5.8

3. VÁLVULAS DE CONTROL NEUMÁTICAS CON ACTUADOR DE DIAFRAGMA En este tipo de válvulas, la única y mayor diferencia que encontramos respecto a las válvulas de tipo pistón radica en que el vástago se encuentra unido a un diafragma, el mismo que se acciona por medio de la presión de aire suministrada a un solo lado del mismo, en tanto que uno o varios resortes lo accionan en sentido contrario. Figura 5.9.

Instrumentación Industrial

Figura 5.9

4. CONVERTIDORES IP De todo lo anterior deducimos que para comandar una servo-válvula neumática, es necesario suministrarle una presión de referencia entre 3 y 15 psi. Obviamente esto no es práctico, puesto que si por ejemplo deseamos comandar automáticamente la válvula a cierta distancia, será necesario llevar tuberías de aire con la señal de referencia desde un punto hasta otro. A fin de simplificar y resolver el problema anterior, los fabricantes de válvulas neumáticas servo controladas proveen de una unidad conocida como “Convertidor IP”. Si bien su estructura interna y la electrónica empleada es sumamente compleja, su función es simple, y es convertir una señal de corriente 4-20 mA a una presión de referencia proporcional de 3 a 15 psi. En conclusión, los convertidores IP están dotados de un sistema electrónico que convierte la corriente entre 4 y 20 mA a una presión de aire entre 3 y 15 psi de manera proporcional. Un manómetro nos permite observar si la corriente de referencia se traduce a una presión proporcional. Los convertidores IP toman la fuente de aire (verificar el valor máximo) directamente del abastecimiento de aire del servoposicionador y usualmente se montan directamente sobre los mismos, esto hace que la válvula sea muy versátil y de fácil utilización.

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5. CONDICIONES DE SEGURIDAD a. AIRE PARA ABRIR (AIR TO OPEN) Y AIRE PARA CERRAR (AIR TO CLOSE) En toda válvula servo controlada debemos tener en cuenta la condición de seguridad en falla. Podemos elegir una de dos opciones, a saber: • La vávula se cierra totalmente en caso de una falla en el sistema de servocontrol de la válvula o en caso de pérdida de energía. Estas son las válvulas cuya denominación versa como aire para abrir (air to open).

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La vávula se abre totalmente en caso de una falla en el sistema de servocontrol de la válvula o en caso de pérdida de energía. Estas son las válvulas cuya denominación versa como aire para cerrar (air to close).

b. En todo equipo presurizado es imperativo mantener ciertas condiciones de seguridad, mismas que como mínimo deben ser:

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Tener válvulas “relief” graduadas a presión máxima adecuada.

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Mantener todos los fittings correctamente ajustados.

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Tener tubing en buen estado.

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Nunca desarmar unidades presurizadas.

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Utilizar siempre anteojos de seguridad.

TECSUP Marzo 2009.