Tecnología Industrial II
IES PEDRO SIMÓN ABRIL (ALCARAZ) Departamento de Tecnología
COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
ÍNDICE DEL TEMA
1. Introducción ........................................................................................................................... 3 2.
Tipos de transductores.................................................................................................... 3 2.1.
De posición o proximidad ......................................................................................... 3
2.2.
De desplazamiento .................................................................................................... 5
2.3.
De fuerzas y deformaciones................................................................................... 6
2.4.
Transductores de velocidad ................................................................................... 7
2.5.
Transductores de presión ....................................................................................... 8
2.6.
Transductores de temperatura ............................................................................. 9
2.7.
Transductores de luz ............................................................................................. 11
3.
Comparadores o Detectores de Error ........................................................................ 12
4.
Actuadores ....................................................................................................................... 13
IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
2
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
1. Introducción Una vez estudiado el funcionamiento de los sistemas de control, analizaremos en este tema los componentes físicos que los integran y las funciones desempeñadas por cada uno de ellos. Nos centraremos fundamentalmente en los transductores y captadores, ya que de ellos depende en gran medida, la exactitud de los sistemas de regulación y control empleados. Asimismo estudiaremos los comparadores y actuadores analizando algunos ejemplos representativos de estos componentes de los sistemas de control. Sensor: elemento que se encuentra en contacto directo con la magnitud que se va a evaluar. Transductor: Elemento que transforma la señal que proporciona el sensor en otra de tipo eléctrico que se puede utilizar para medir. El transductor incluye al sensor como parte de él. Captador: transductor propio de los sistemas de bucle cerrado que capta la señal controlada, también incluye un sensor. 2. Tipos de transductores 2.1.
De posición o proximidad
Proporcionan una señal de tipo todo o nada, al detectar la presencia o posición de un objeto en un punto o lugar. La detección puede producirse por contacto físico o sin contactar con el objeto a controlar. Dentro de este grupo destacamos: a) Finales de carrera mecánicos Son dispositivos cuyos contactos se activan o desactivan, en virtud del accionamiento mecánico del objeto sobre una palanca, émbolo o varilla que forma parte del propio dispositivo. Su principal inconveniente se debe a la necesidad de existir contacto entre el objeto y el sensor. b) Transductores de proximidad inductivos Se utilizan únicamente para detectar objetos metálicos o ferrromagnéticos. Detectan la variación del flujo magnético producido por una bobina cuando es cortado o atravesado por un objeto metálico. Al aproximar una pieza metálica a un campo magnético generando por una bobina sometida a una tensión alterna de alta frecuencia, se crean en él unas corrientes denominadas de Eddy, que aumentarán según se acerca a la bobina que genera el campo. Estas corrientes generan a su vez un campo magnético que se opone al producido por el generador disminuyendo la tensión existente en la bobina. IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
3
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
c) Transductores de proximidad capacitivos Se basan en un campo eléctrico para detectar el objeto en cuestión. Pueden detectar cualquier tipo de objeto (líquidos, metales, sustancias en polvo…). El sensor tiene forma de disco y, junto a una pantalla, forma un condensador cuya capacidad, conocida en ausencia del objeto a detectar, determinará la presencia o no de algún elemento. Al estar próximo un objeto, aumenta la capacidad del condensador lo que producirá una señal de conmutación en el circuito. En los utilizados para detectar metales, como se ve en la figura, una de las armaduras está fija recibiendo la alimentación del circuito, mientras que la placa móvil (objeto a detectar) está conectada a masa. Cuando el objeto a detectar está distante del electrodo fijo, la capacidad es muy pequeña, aumentado a medida que aproxima a aquel. Para
detectar
no
metales
(figura
de
la
izquierda) se emplean captadores en los que las dos armaduras están fijas, y el objeto a detectar
pasa
entre
ambas
variando
la
capacidad inicial del condensador.
d) Transductores de proximidad ópticos También son llamados fotocélulas o células fotoeléctricas. Se basan en la detección de la luz roja (visible) o infrarroja (invisible) mediante dispositivos ópticos y electrónicos. Están formados por un emisor de luz (LED) y un receptor (fototransistor o fotodiodo). Los detectores de luz infrarroja se utilizan para distancias superiores de detección. Además la luz infrarroja es insensible a las luces parásitas ambientales. Cuando el objeto a detectar produce una variación en el acoplamiento óptico, se activa un circuito de conmutación. Se pueden detectar vehículos, personas, líquidos, piezas de maquinaria,…. Por la disposición de los detectores ópticos pueden ser:
Emisor
Receptor Reflector
Objeto De barrera
IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
De reflexión
De reflexión directa 4
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
2.2.
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
De desplazamiento
En estos transductores mediante distintos dispositivos físicos se puede medir la distancia en muy amplios márgenes, que pueden ir desde varios kilómetros a fracciones de milímetro, por lo que se utilizan distintas técnicas, según los márgenes de medida deseados. a) Resistivos Se conocen como potenciómetros. Se basan en una resistencia sobre la que se desplaza un contacto eléctrico. Pueden ser lineales, para medir desplazamientos longitudinales, y circulares, para desplazamientos angulares. En el potenciómetro lineal, como se ve en la figura, al desplazar el contacto c, sobre la resistencia una cierta distancia, la resistencia entre el borne a y el contacto diferirá de la existente ente el borne b y el contacto. Para utilizar este dispositivo como transductor, se aplicará una tensión constante entre sus bornes fijos (a y b), de modo que entre el contacto (c) y uno de dichos bornes se obtenga una tensión proporcional al desplazamiento del contacto. De forma que:
E E1
X . Se utilizan para medir desplazamientos X1
desde 1 mm hasta aproximadamente 1 m. En el potenciómetro circular se podrán medir distancias angulares. Consiste en una resistencia en anillo casi completo, con dos bornes fijos (a y b) y un contacto eléctrico móvil, cuyo desplazamiento será proporcional al ángulo que queremos medir (α). Se emplean para medir ángulos desde 10º a varias decenas de vueltas.
b) Inductivos Uno de los más comunes es el transductor inductivo de desplazamiento lineal (LVDT). Se trata de un soporte cilíndrico sobre el que actúan tres bobinados, uno en la parte central que sería el primario, y dos en los extremos que actuarían de secundarios. Dentro del cilindro se desplaza un núcleo de material ferromagnético
movido
por
el
objeto
cuyo
desplazamiento se quiere medir. El bobinado primario se alimenta con corriente alterna de amplitud y frecuencia constantes, induciendo en los secundarios IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
5
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
unas tensiones que dependerán del núcleo ferromagnético de la siguiente manera: si el núcleo está en el centro, las tensiones inducidas en los secundarios serán iguales; cuando se desplace el núcleo hacia alguno de los secundarios, su tensión aumentará disminuyendo la del otro secundario, y viceversa. Se puede establecer una relación entre la tensión de salida (en los bobinados secundarios) del LVDT y el desplazamiento del núcleo. c) Capacitivos Se basan en la variación de la capacidad de los condensadores. Dicha capacidad es proporcional a la
superficie
de
las
placas
e
inversamente
proporcional a la distancia entre ellas. Suelen estar formados por un condensador doble, que comparte una de las placas o armaduras, la cual actúa como parte móvil del transductor. Analizando los parámetros de capacidad y tensión se puede determinar el desplazamiento. Se utilizan para pequeños desplazamientos. d) Transductores de desplazamiento de grandes distancias Los transductores estudiados se emplean para la medida de distancias cortas, para grandes distancias se utiliza principalmente el radar. Formado por un transmisor de ondas electromagnéticas, emitidas por una antena, y recogidas por el receptor que determina la distancia a la que se encuentra el objeto a detectar.
Si en el trayecto de la onda se
interpone un obstáculo, parte de la energía radiada se refleja en él y se propaga en sentido opuesto hasta alcanzar la misma antena emisora. Un receptor conectado a ella recibe el impulso y determina el tiempo que ha tardado la onda en efectuar el camino de ida y vuelta. Conocido el tiempo se calcula la distancia a partir de la ecuación
D c
t siendo D: la 2
distancia a la que se encuentra el objeto, c la velocidad de propagación de las ondas y t el tiempo que transcurre desde que se emite la onda hasta que llega al receptor. El radar se utiliza para distancias superiores a 10 km. 2.3.
De fuerzas y deformaciones
a) Bandas o galgas extensiométricas Se basan en la variación de la resistencia que experimentan los conductores y semiconductores cuando, al aplicarles una fuerza, se deforman. Una galga extensiométrica está compuesta por un hilo de material conductor de muy poca sección, menor de 0,1 mm2, unido íntimamente a la superficie que recibirá el esfuerzo o fuerza a medir, de forma que la deformación sufrida se transmita al hilo conductor que constituye la galga. Para mejorar la medida, se pliega el hilo múltiples veces en zigzag, de IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
6
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
forma que se aumente la longitud del hilo lo máximo posible ocupando el mínimo espacio posible.
Conocida
la
variación
de
la
resistencia eléctrica de la galga, se puede unitaria
obtener de
la
recurriendo a la
la
deformación
misma
(ε)
y
Ley de Hooke
establecer la fuerza o tensión aplicada, ya que:
E donde:
σ= tensión o fuerza aplicada ε= deformación unitaria E= módulo de elasticidad o de Young. Las galgas extensiométricas son muy empleadas para medir deformaciones en vigas de edificios y para construir balanzas electrónicas. 2.4.
Transductores de velocidad
a) Tacodinamos Están formados por un inductor fijo que genera un campo magnético, entre cuyos polos gira un inducido formado por una serie de espiras, cuyos extremos están unidos a unos colectores o delgas, de
los
cuales,
extraeremos
la
mediante tensión
unas
generada
escobillas, que
será
proporcional a la velocidad de giro del motor. b) Tacoalternadores Estos elementos generan una señal alterna cuya frecuencia y amplitud son proporcionales a la velocidad de rotación de su eje. Se diferencia del tacodinamo en que el elemento que gira es el inductor o rotor formado
por
un
imán
permanente
o
electroimán. En el estator está el inducido, bobina que recibe las variaciones del campo magnético del rotor. La tensión inducida en el estator es una señal senoidal de amplitud y frecuencia proporcional a la velocidad de IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
7
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
rotación. Una ventaja frente al tacodinamo es que no se necesita utilizar colector ni escobillas, lo que prolonga la vida útil. 2.5.
Transductores de presión
Los transductores de presión se pueden dividir en: mecánicos (cada vez menos empleados por su elevado coste), electrónicos (que están basados en transductores de fuerza) y los que mezclan una parte mecánica con un transductor electrónico (muy precisos). a) Transductores mecánicos a.1.) Tubo de Bourdon: se trata de un tubo metálico de sección elíptica, curvado
formando
casi
un
anillo
cerrado. El tubo está cerrado en uno de sus extremos y por el otro se le aplica la presión que se desea medir, de forma que el tubo tiende a enderezarse
originando
un
movimiento que es transmitido por un sistema de palanca o engranajes, sobre
una
aguja
indicadora
o
transductor que genera una señal eléctrica mediante un circuito de conmutación. a.2.) Diafragma: se trata de una o varias cápsulas metálicas huecas, unidas entre sí rígidamente en forma de batería. La presión a medir se ejerce en una de las caras exteriores, que deformará todas las cápsulas en mayor o menor medida. La suma de todas las
deformaciones,
amplificadas
convenientemente mediante un sistema de palancas y engranajes, nos dará la medición de la presión, más o menos exacta, en una escala graduada. a.3.) Fuelle: es muy similar al diafragma, pero con una sola pieza flexible que se deforma axialmente. Según la presión que le llegue se dilatará o contraerá con un desplazamiento considerable. Al igual que el diafragma se utiliza para medir presiones pequeñas.
IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
8
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
b) Electrónicos: son transductores de presión muy sensibles. Pueden ser de tipo térmico, de ionización, mecánicos (fuelle y diafragma),… c) Electromecánicos: formados por la combinación de un medidor de presión mecánico que actúa como sensor, y un transductor elástico que genera la señal eléctrica correspondiente según la presión detectada por el sensor. Ejemplos de este tipo de transductores son: c.1.) Galgas extensiométricas: basadas en la variación de longitud y sección, y por lo tanto, de resistencia eléctrica que presenta un hilo conductor eléctrico al ser deformado por una fuerza exterior (presión a medir) c.2.) Piezoeléctricos: basados en la propiedad que tienen algunos cristales (cuarzo) de producir una diferencia de tensión entre sus extremos al estar sometidos a un esfuerzo. Esta tensión es proporcional a la fuerza, aunque al ser muy pequeña necesitan de un circuito amplificador. 2.6.
Transductores de temperatura
En los procesos industriales la medida de la temperatura resulta de gran importancia y cada vez mejora la precisión de los dispositivos encargados de medirla según avanza la tecnología. a) Termostatos Proporcionan una señal de tipo todo-nada. El elemento sensor suele ser una placa o lámina bimetálica. Al dilatarse por efecto de la temperatura se curva activando o desactivando unos contactos eléctricos. Se utilizan cuando el control de la temperatura no es muy exigente, sistema conexión-desconexión (por ejemplo una plancha eléctrica). b) Termorresistencias También se denominan sondas de resistencia o sondas termométricas. Se basan en la variación de la resistencia eléctrica de los metales con las variaciones de temperatura. Por lo general los conductores muestran un aumento de su resistencia eléctrica con la temperatura. El cambio de resistencia sufrido viene dado por el coeficiente de temperatura α que depende del elemento. La ley de variación de la resistencia de un material conductor sigue la ecuación:
RT
Ro (1
Donde:
T)
Rt= resistencia del material a la temperatura T Ro= resistencia del material a 0ºC α = coeficiente de tª (depende de cada material)
IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
9
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
Los
transductores
de
temperatura
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
más
utilizados son los fabricados de platino debido a su buena relación R/T. c) Termistores Se basan en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura. Una de las características que los diferencia de las termorresistencias es su resistencia nominal a temperatura ambiente, que es mucho más elevada. Existen dos tipos de termistores según su variación con la temperatura: PTC: sondas de resistencia con coeficiente de temperatura positivo (la resistencia aumenta al aumentar la temperatura). Se emplea para controlar temperaturas entre -20 y 60 ºC. NTC:
sondas
de
resistencia
con
coeficiente
de
temperatura negativo (la resistencia disminuye al subir la temperatura). Se utilizan para medir temperaturas más extremas. Se fabrican a base de óxidos metálicos en el caso de las NTC, o base de titanio de bario o silicio para los PTC. Posteriormente se encapsulan con distintos materiales (vidrio, resinas epoxi,…) obteniendo distintas formas y tamaños. d) Termopares Se basan en el efecto Seebeck. Si unimos dos metales diferentes (A y B) por los extremos, mediante una soldadura formando un circuito cerrado, y sometemos a cada extremo a una temperatura diferente, entre ambos extremos se genera una ddp que provoca la circulación de corriente eléctrica por el circuito. La corriente eléctrica generada aumenta con la diferencia de temperatura entre las uniones. Si abrimos en cualquier punto el termopar, sigue apareciendo, en los extremos abiertos, la tensión correspondiente al efecto Seebeck, pero no circula corriente. Por tanto un termopar consiste en unir dos metales de distinto índice de metabilidad, mediante una soldadura en un extremo. Dicho extremo es sometido a la temperatura a medir, mientras que en el otro extremo de los metales se dispone un soporte que se mantiene a temperatura constante, que servirá de referencia de la medida. La tensión obtenida en el termopar será proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos metales.
IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
Efecto Seebeck
10
Termopar
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
2.7.
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
Transductores de luz
Se trata de transductores que utilizan las radiaciones luminosas (visibles o no). Dentro de este grupo destacamos: a) Resistencias LDR (Resistencias dependientes de la luz) Las LDR o fotorresistencias, se basan en la variación de la resistencia eléctrica de algunos materiales (semiconductores) con la luz.
El símbolo de estas resistencias es:
La relación entre la resistencia de un material semiconductor y la luz que incide sobre él no es lineal, obteniéndose a partir de la ecuación. R
K E
siendo K y α constantes
que dependen del material del que se fabrique la LDR y E la energía luminosa recibida. Estos sensores son robustos, fáciles de fabricar y de instalar. Son empleados en televisores, cámaras fotográficas, controles de iluminación,… b) Fotodiodos, fototransistores y diodos fotoemisores (LED) El fotodiodo es un dispositivo que al recibir luz, produce corriente eléctrica. Cuando no recibe luz se comporta como un diodo normal. Los paneles solares están constituidos por estos elementos.
El fototransistor es un dispositivo en el que al incidir la luz sobre el terminal que actúa como base, se produce una corriente entre el emisor y el colector. Los diodos LED tienen la propiedad de emitir la energía sobrante del proceso de conducción, además de en forma de calor, en forma de radiaciones luminosas.
Los fotodiodos y fototransistores se utilizan para controlar las radiaciones luminosas, y junto a los LED, como sensores ópticos de proximidad.
IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
11
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
3. Comparadores o Detectores de Error El detector de error o comparador es el elemento del sistema de control que compara la señal de referencia con la realimentada de salida y, en consecuencia genera una señal de error proporcional a la diferencia entre ellas. Una de las condiciones indispensables, para poder realizar la comparación, es que ambas señales sean del mismo tipo. Los comparadores pueden ser eléctricos, mecánicos, electrónicos, neumáticos e hidráulicos. Algunos ejemplos de comparadores son: Comparador potenciométrico: normalmente compara desplazamientos o ángulos. Está formado por dos potenciómetros de desplazamiento lineal o angular, uno mide la tensión de referencia y otro la tensión realimentada. La salida de error se obtiene entre ambas salidas. El cursor del potenciómetro de la izquierda actúa
normalmente
como
selector
de
referencia y el del potenciómetro de la derecha se acopla al objeto que se desplaza. Cuando el desplazamiento en la salida se iguala con el elegido en el selector de referencia, la salida del potenciómetro será cero y el sistema se detendrá. Amplificador operacional: se trata de un circuito integrado constituido por dos entradas, denominadas positiva (+) o no inversora y negativa (-) o inversora, y una única salida.
Su funcionamiento como comparador es muy simple: la tensión obtenida en la salida es una constante (denominada amplificación) multiplicada por la diferencia de tensiones introducidas en las entradas no inversora (+) e inversora (-). Este comparador sólo compara magnitudes eléctricas, por lo que suele acompañarse de algún transductor que obtenga como salida una tensión proporcional a la magnitud de entrada.
IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
12
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II
Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
4. Actuadores Son los elementos finales de un sistema de control, que actúan directamente sobre la salida, proceso o planta del sistema. Existe un actuador diferente, específicamente diseñado para cada uno de los procesos susceptibles de ser controlados, como puede ser: nivel de líquidos, velocidad, desplazamiento, giro, temperatura o aceleración. Cómo ejemplos de actuadores podemos citar: Servomotores: son dispositivos que transforman la energía eléctrica en mecánica de rotación. Según la naturaleza de la energía eléctrica utilizada, se dividen en servomotores de continua y servomotores de alterna. Los servomotores de continua pueden desarrollar mayor potencia que los de alterna, pero utilizan escobillas. Los servomotores de alterna, debido a su menor potencia se emplean en aquellos sistemas de control que requieren un par motor reducido. Motores paso a paso: convierten la información digital de control en movimientos mecánicos rotatorios. Es un dispositivo cuyo eje gira en pasos discretos controlados por un dispositivo electrónico que genera las señales digitales adecuadas para producir cada paso del eje rotor. Se utilizan en dispositivos cuyo movimiento debe ser controlado con precisión y donde es más importante controlar el ángulo de giro que la velocidad (impresoras, cámaras fotográficas, …). Estos motores en lugar de trabajar con tensiones continuas o alternas sinusoidales, lo hacen con pulsos que son generados por el circuito electrónico y aplicados a los distintos devanados que los componen. Sin embargo, desarrollan muy poca potencia, con lo que no pueden ser utilizados en aplicaciones que requieran grandes esfuerzos. Actuadores neumáticos y oleohidráulicos: -
Cilindros neumáticos: constituidos por un tubo circular cerrado en los extremos mediante dos tapas, entre las cuales se desliza un émbolo que separa
dos cámaras
por las que circulará aire
comprimido
o
aceite. El émbolo se moverá en una u otra dirección,
según
se
aplique más presión de fluido en una u otra cámara del cilindro. -
Motores neumáticos: realizan la función de transformar la energía neumática o hidráulica en mecánica de rotación. Su funcionamiento es análogo al de una turbina.
IES Pedro Simón Abril (Alcaraz)
13