Transductores como elementos de control
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Transductores como elementos de control G ESQUEMA DE CONTROL BASICO Control: Control: magnitudes magnitudes eléctricas eléctricas Planta: Planta:otras otras magnitudes magnitudes e X + - Y GP GC H Realimentación Realimentación (Transducción) (Transducción) G MAGNITUDES FÍSICAS A MEDIR Temperatura Fuerza Desplazamiento Presión Magnitudes eléctricas (V, I, R, f) Tiempo Nivel Transductores Transductores Convierten Conviertenuna una determinada determinadavariable variable física/química/eléctrica física/química/eléctrica en enuna unamagnitud magnitud eléctrica eléctricacon con características características especificas. especificas. Caudal Etcétera … G G DEFINICIONES • Error: diferencia entre el valor medido y el valor verdadero de una determinada variable. Se puede expresar en forma absoluta o porcentual. • Exactitud: un dispositivo es más exacto cuanto menor es el error respecto del valor verdadero. • Precisión: capacidad de un instrumento de reproducir idénticas medidas en ensayos sucesivos dentro de una tolerancia dada. Densidad de probabilidad Valor verdadero Exactitud Medición Precisión • Resolución: mínima medición capaz de realizar con un instrumento. Ejemplo: RVDT y encoder. • Deriva: variación continua de una magnitud en función del tiempo. • Estabilidad: capacidad de un instrumento de mantener sus características de precisión y exactitud con un mínimo de derivas. G TEMPERATURA DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA Eléctricos Termocuplas, Termorresistencias, Termistores, Semiconductores, etc. Mecánicos Sistemas de dilatación, Termómetros de vidrio con líquidos, Termómetros bimetálicos Radiación Térmica Pirómetros de radiación: Total (banda ancha), Espectral o radiación parcial, Fibra óptica, etc. Varios Indicadores de color, indicadores pirométricos, cristales líquidos, etc. Rangos de temperatura Termocuplas -200 ºC a 2.300 ºC Sistemas de dilatación -195 ºC a 750 ºC Termorresistencias -250 ºC a 850 ºC Termistores -195 ºC a 450 ºC Pirómetros de radiación -40 ºC a 3.000 ºC G TERMOCUPLAS - Definiciones Es el resultado de la unión metálica, por soldadura (arco eléctrico, sin aporte de otro metal), retorcido o compresión, de dos alambres de diferentes materiales (puros o aleados). A T1 Efecto Thompson: al someter un metal a un gradiente térmico aparece una diferencia de potencial (mV) entre el extremo frío y el caliente. T2 I B RA VA + + + I VBA(T1) VBA(T2) RB + Efecto Peltier: La unión de dos metales diferentes sometida a un gradiente de temperatura producirá una circulación de corriente. VB G TERMOCUPLAS – Medición de temperatura Efecto Seebeck: Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. T3 = T6 T4 = T5 V = α ⋅ (T1 − T2 ) = α ⋅ ∆T α = Coeficiente de Seebeck (µV/ºC) Para Paramedir medirTT11es esnecesario necesarioconocer conocer la latemperatura temperaturade dereferencia referenciaTT2 2 G TERMOCUPLAS – Juntura fría o de referencia Al intentar medir la temperatura de la juntura J1 se generan dos nuevas junturas J2 y J3. La juntura J3 es CuCu, por lo que V3=0. La diferencia de tensión en bornes es proporcional a la diferencia de temperatura entre las junturas J1 y J2. Cu-Constantan (45%Ni-55%Cu): Tipo “T” J3,T2 Cu Cu + V3 - Cu + V2 - J2,T2 Cu + Const. V1 - J1,T1 + Cu + V2 - Const. V1 J1,T1 - J2,T2 G TERMOCUPLAS – Compensación de juntura fría Cu Cu Cu + Cu Cu + V2 - Const. V1 - J1,T1 + Cu + V2 - Const. J1,T1 V1 - J2 T2=0ºC J2 T2=0ºC V = (V1 − V2 ) = α ⋅ (T1 − T2 ) T2 = 0º C ⇒ V = α ⋅ T1 [º C ] No es necesario agregar una termocupla adicional VV2 ≠≠0V 0V 2 TT2 ==0ºC 0ºC==273,15ºK 273,15ºK 2 G TERMOCUPLAS En el caso de que ninguno de los materiales de la termocupla coincida con el material de los terminales de conducción … Ley de los metales intermedios Fe-Constantan: Tipo “J” Bloque isotérmico (TREF=T2) C Conexión isotérmica Fe Cu + Cu B A Fe + V2 - Const. V1 C A J1,T1 J3 Cu Fe + J2 T2=0ºC Se conecta J2 en el mismo bloque isotérmico que los terminales de Cu Cu Const. V1 J1,T1 - J2 TREF G TERMOCUPLAS Compensación de la juntura fría sin baño de hielo Bloque isotérmico Fe Cu + Cu Const. V1 J1,T1 - JREF,TREF Sensor ¿Por qué utilizamos dos elementos de medición (termocupla + sensor)? ¿No convendría utilizar uno sólo (RTD, termistor)? G TERMOCUPLAS Compensación de la juntura fría sin baño de hielo G TERMOCUPLAS Tipo α Material Rango de Temperatura (útil) Rango de Temperatura (máximo) Características –210 to 1200°C Reducing, Vacuum, Inert. Limited Use in Oxidizing at High Temperatures. Not Recommended for Low Temperatures. –270 to 1372°C Clean Oxidizing and Inert. Limited Use in Vacuum or Reducing. Wide Temperature Range, Most Popular Calibration –270 to 400°C Mild Oxidizing, Reducing Vacuum or Inert. Good Where Moisture Is Present. Low Temperature and Cryogenic Applications 51,7 µV/ºC HIERRO CONSTANTAN 40,6 µV/ºC CROMEL ALUMEL 40,6 µV/ºC COBRE CONSTANTAN E 60,9 µV/ºC CROMEL ALUMEL –200 to 900°C –270 to 1000°C Oxidizing or Inert. Limited Use in Vacuum or Reducing. Highest EMF Change Per Degree N 39 µV/ºC NICROSIL NISIL –270 to 1300°C –270 to 1300°C Alternative to Type K. More Stable at High Temps S 6,0 µV/ºC PLATINO PLATINO-RODIO 0 to 1400°C –50 to 1768°C Oxidizing or Inert. Do Not Insert in Metal Tubes. Beware of Contamination. High Temperature 0 to 2320°C Vacuum, Inert, Hydrogen. Beware of Embrittlement. Not Practical Below 399°C (750°F) Not for Oxidizing Atmosphere J K T C 13,5 µV/ºC TUNGSTENO RENIO 0 to 750°C –200 to 1250°C –250 to 350°C 0 to 2320°C G TERMOCUPLAS Cambio de pendiente inversión de signo en la ganancia Inestabilidad Ventajas Ventajas No Norequiere requierealimentación alimentación Simple Simple Robusto Robusto Económico Económico Rango Rangode detemperaturas temperaturas ********************************* ********************************* Desventajas Desventajas No Nolineal lineal Poca sensibilidad Poca sensibilidad Se requiere Se requiereuna unareferencia referencia G TERMOCUPLAS – Construcción a) Unión soldada en extremos b) Unión soldada en paralelo c) Hilo trenzado d) Termopar expuesto: respuesta rápida e) Termopar encapsulado: aislamiento eléctrico y ambiental f) Termopar unido a la cubierta: aislamiento ambiental G R.T.D. - Definiciones RTD (Resistance Temperature Detector): dispositivo que varía su resistencia en función de la temperatura. Su funcionamiento se basa en la dependencia de la resistividad de los materiales respecto de la temperatura. Tipo Film Capa de platino (u otro material) de ~1µm sobre un sustrato cerámico Tipo Bobina Mayor precisión, ideal para rangos amplios de temperatura G R.T.D. – Modelo matemático ( ) R (T ) = RO 1 + α1T + α 2T 2 + K RO= Resistencia a 0ºC Existen también RTD de Tungsteno, Iridio y aleaciones de Níquel. Tipo Cte. del material (α1) [1/ºC] Resistividad (ρ) [µΩ.cm] Rango de temperatura [ºC] Platino (Pt) 3,9 x10-3 9,8 -200 / 850 Níquel (Ni) 6,6 x10-3 6,4 -150 / 300 Cobre (Cu) 4,3 x10-3 1,6 -200 / 200 G R.T.D. – Características generales Precisión = 0,1 ºC (Pt) ~ 0,5 ºC (Ni) Drift = 0,01 ºC/año RTD de platino: α = 3,92 x10-3 [1/ºC] (ASTM 1137) α = 3,85 x10-3 [1/ºC] (IEC 60751) Ejemplo: RIEC (100ºC) = 138,5 Ω según IEC RASTM (100ºC) = 139,2 Ω según ASTM ∆R = 0,7 Ω ∆T ≈ 2ºC Ventajas Ventajas Linealidad Linealidad Estabilidad Estabilidad Intercambiabilidad Intercambiabilidad Rango Rangode detemperaturas temperaturas ********************************* ********************************* Desventajas Desventajas Elevado Elevadocosto costo Poca Pocasensibilidad sensibilidad Complejidad en Complejidad eninstrumentación instrumentación Autocalentamiento Autocalentamiento Fragilidad Fragilidad G R.T.D. – Instrumentación: Circuitos de 2 y 3 hilos 2 Hilos Treal R1 RTD Tmedida R2 R − 1 R = O α R + RW − 1 RO = error( T ) = α RW αRO R1 V RTD R2 3 Hilos R3 G R.T.D. – Instrumentación: Puente de Wheatstone R1 ⋅ R3 = R2 ⋅ (RT + RW 1 + RW 2 ) RT = R1 ⋅ R3 − RW 1 − RW 2 R2 R1 ⋅ (R3 + 2 RW 3 ) = R2 ⋅ (RT + RW 1 + RW 2 ) RT = R1 ⋅ (R3 + 2 RW 3 ) − RW 1 − RW 2 R2 Si R1=R2 y RW1=RW2=RW3 RT = R3 G R.T.D. – Instrumentación: Puente de Wheatstone RT = Si R1=R2, y RW1=RW2 R1 ⋅ (R3 + RW 2 ) − RW 1 R2 RT = R3 VIN R3 + RW 2 − VO = VIN R3 + RW 2 + RT + RW 1 2 G R.T.D. – Error en la medición de un puente de Wheatstone Si R1=R2, y RW1=RW2 Considerando RW=0 RT = R3VIN − (2 R3 + 4 RW ) ⋅ VO 2VO + VIN RT = 199,01Ω Error ≈2,5ºC G R.T.D. – Instrumentación: Circuito de 4 hilos 4 Hilos Fuente de corriente constante Voltímetro de elevada impedancia de entrada La precisión del sistema de 4 hilos depende de la precisión de la fuente de corriente. El puente de Wheatstone es inmune a las variaciones de la fuente. Existen circuitos que combinan los 4 hilos con el puente de Wheatsone. G R.T.D. Transmisor analógico para RTD- Pt100. Entrada: Pt100, con 2, 3 o 4 cables de conexión Salida: 4-20 mA lineal con la temperatura Exactitud: +/- 0.15% G Lazo de corriente 4-20 mA G Termistores – Definiciones Resistencia sensible a la temperatura, que presenta una gran variación en su magnitud en función de los cambios en la temperatura. Se componen de un aglomerado de semiconductores ú óxidos (hierro, níquel, cobalto, etc.). Coeficiente Coeficientede de temperatura temperatura PP NN Sensibilidad 2%/ºC ~ 6%/ºC Permite obtener una gran resolución en intervalos reducidos de temperatura. Rango Temp. 0ºC / 100ºC Ventajas Ventajas Sensibilidad Sensibilidad Estabilidad Estabilidad Precisión Precisión(±0,1ºC) (±0,1ºC) Velocidad de Velocidad derespuesta respuesta ********************************* ********************************* Desventajas Desventajas Alinealidad Alinealidad Frágil Frágil Rango Rangolimitado limitadode deTemp. Temp. Autocalentamiento Autocalentamiento Costo Costo G Termistores - NTC R (T ) = RO ⋅ e β 1 − 1 TO T R (T ) = R ∞ ⋅ e β T −β R ∞ = RO ⋅ e TO β = cte del termistor Normalmente se especifican RO y β a 25ºC G Termistores – Instrumentación y aplicaciones T R eO (T ) = R + RT RT eS R eS ⋅ eS = 1 + RT R eO(T) eO(T) eS RT = RTO ⋅ r (T ) RTO S= R eO (T ) 1 = = F (T ) eS 1 + S ⋅ r (T ) Temp G Termistores – Instrumentación y aplicaciones T RT eS R eO(T) eO (T ) 1 = = F (T ) 1 + S ⋅ r (T ) eS S= RTO R G Termistores - PTC Se construyen de titanato de Bario. A cierta temperatura, la estructura cristalina del material cambia, pasando de una estructura tetragonal a una cúbica, aumentando su constante dieléctrica. Se utilizan mayoritariamente como elementos de protección, como limitadores de corriente y para compensar coeficientes de temperatura negativos. G Semiconductores – Definiciones LM35 + I V - qV I = I S ⋅ e kT − 1 V = I kT ⋅ ln q IS Bajo costo Fácil implementación Linealidad Mínimos requisitos para acondicionamiento Rangos de temperatura reducidos (-55ºC / +150ºC) Velocidad de respuesta G Semiconductores – Otros dispositivos AD590 La corriente varía en función de la temperatura: 1µA/ºK G Pirómetros – Definiciones Medición remota (sin contacto) de la temperatura, basada en la radiación térmica emitida por todo objeto que se encuentra a una temperatura superior a 0ºK Planck E = hυ = hc λ Ley Leyde deStefan-Boltzmann Stefan-Boltzmann W = ε ⋅ σ ⋅T 4 W = Energía radiante [W/cm2] ε = Coeficiente de emisividad (0…1) T = Temperatura absoluta [ºK] σ = 5,67 x10-8 [W/(m2K4)] G Pirómetros - Definiciones Emisividad (ε): relación entre la radiación térmica emitida por superficie a una cierta temperatura y la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y para las mismas condiciones direccionales. W = ε ⋅ σ ⋅T 4 Emisión = Absorción Temperatura constante Emisión > Absorción Enfriamiento Emisión < Absorción Calentamiento G Pirómetros - Emisividad G Pirómetros Los pirómetros se utilizan: - Cuando no se pueden utilizar termopares (rango, ambiente agresivo). - Cuando el área a medir se mueve o tiene difícil acceso. Diseño: Se componen de tres subsistemas: óptica, detector y electrónica Para la medición de temperatura se suele utilizar el rango de 0.7 micrones hasta 14 micrones G Pirómetros Tipos de pirómetros: de banda ancha ó radiación total de banda angosta de relación ó dos colores ópticos Pirómetro de banda ancha ó radiación total Simples. Longitudes de onda desde 0,3 micrones 2,5-20 micrones (depende de la óptica). Dependen de la emitancia total de la superficie a medir. El camino hacia el objetivo debe estar despejado. Vapor, polvo y gases pueden producir una lectura menor a la real. Rangos estándar: 0-1000ºC, y 500-900ºC. Precisión del 1% a fondo de escala. G Pirómetros Pirómetro de banda angosta El detector determina la respuesta espectral. La respuestas espectral es menor a 1 micrón. Usan filtros para restringir la operación a de determinada longitud de onda. Ejemplos: 7.9 micrones, para la medición de film plásticos; 5 micrones, para la medición de superficies de vidrio; y 3,86 micrones para evitar la interferencia del dióxido de carbono y vapores de agua. La elección de la longitud de onda se relaciona con los rangos de temperatura. Longitudes de onda muy cortas son usadas para medir temperaturas mayores a 500ºC. Longitudes de onda largas se utilizan en la medición de bajas temperaturas (-45.5ºC). Rangos estándar: -37 a 600ºC, 0 a 1000ºC, 600 a 3000ºC, y 500 a 2000ºC. Precisión típica desde 0,25% a 2% a fondo de escala. G Pirómetros Pirómetro de relación ó de dos colores Miden la energía radiada por un objeto en dos bandas angostas de longitudes de onda, y calculan la relación entre las dos energías. La medición depende de la relación y no del valor absoluto. Parámetros como el tamaño del objeto, que afecta la cantidad de energía, no afectan la medición de temperatura. Es inherentemente más preciso. La precisión diminuye cuando la diferencia entre señales es muy pequeña Puede eliminar o reducir los errores introducidos por el acabado de la superficie, materiales absorbentes (gas, vapor, etc.) y cambios en la emisividad. No todos los materiales afectan la longitud de onda por igual. Rangos estándar: 900-3000ºC y 50-3700ºC. Precisión típica: 0.5%-2% a fondo de escala. G Pirómetros Pirómetro de relación Partición del haz Pirómetro de relación Multiespectral G Pirómetros Pirómetro óptico Miden la radiación del objetivo en una banda angosta de longitudes de onda. Antiguamente utilizaban el brillo óptico en el espectro rojo visible (0,65 micrones). Se ajusta el color de un filamento calibrado hasta que coincide con el color del objetivo (operación manual). Otros diseños utilizan un generador de corriente constante para el filamento y emplean un obturador que absorbe energía para cambiar el color del objetivo. Los pirómetros automáticos comparan la cantidad de radiación emitida por el objetivo con una fuente de referencia interna. Algunos modelos utilizan el ojo humano para el ajuste del foco. Precisión típica: 1% - 2% a fondo de escala. G Pirómetros - Detectores Termopilas Detectores de fotones Son de tipo fotoconductivo o fotovoltaico. Tienen un ancho de banda angosto. Presentan una sensibilidad 1000 a 100.000 veces mayor que las termopilas. Bolómetros Absorbe los fotones incidentes y convierte su energía en calor. Consiste de tres partes: absorbedor, termómetro, y un baño frío. G Pirómetros – Detectores / Desventajas Desventajas Desventajas Precio Precioelevado elevadoen encomparación comparación instalaciones basadas instalaciones basadasen en termocuplas y RTDs. termocuplas y RTDs. Robustez: Robustez:lalalínea líneade devisión visión debe estar despejada y la debe estar despejada y laóptica óptica debe mantenerse limpia. debe mantenerse limpia. Complejidad Complejidaddel delequipo. equipo. Calibración: no hay Calibración: no haycurvas curvasde de calibración calibraciónconfiables confiablescomo comolas las que queexisten existenpara paratermocuplas termocuplasyy RTDs. RTDs. G FUERZA – Conceptos generales W - DW L + DL ε= ∆L ∆W εr = L W Relación de Poisson εr ν= ε σ F ε= = A⋅E E E=módulo de elasticidad o de Young G GALGA EXTENSIOMÉTRICA (STRAIN GAUGE) Las galgas convierten las variaciones de fuerza en variaciones de resistencia. Se basan en la relación de la resistencia de un material con la longitud y el área del mismo. L R=ρ A Una galga típica se construye con un conductor largo y delgado distribuido en forma de zig-zag, de forma de multiplicar el efecto de la fuerza sobre la longitud efectiva del conductor. Materiales: Materiales:Constantan Constantan(aleación (aleaciónde de 45%Ni-55%Cu) 45%Ni-55%Cu)yySilicio Siliciodopado dopadocon con Boro Boro G GALGA EXTENSIOMÉTRICA Factor de galga (gauge factor): representa la sensibilidad de la celda respecto de los estiramientos que soporta. ∆RG GF = ∆L RG L ∆RG = RG ε R [W] Puede variar entre 2 y 4 para galgas metálicas hasta 45 y 175 para galgas construidas con materiales semiconductores (Si, Ge) R+DR R R-DR L-DL L L+DL L [mm] Es necesario compensar el efecto de la temperatura… G GALGA EXTENSIOMÉTRICA – Métodos de medición RG R1 VIN R3 R2 VOUT = VIN ⋅ − R + R R + R G 1 2 3 R1 ⋅ R3 = R 2 ⋅ RG VOUT R2 R3 ε ⋅ GF = ∆RG RG = ∆R 2 R2 Se puede determinar ε mediante un potenciómetro en R2 que se escale en µε (∆L/Lx10-6) RG R1 VIN VOUT R2 R3 V Vr = OUT VIN V − OUT strain VIN − 4Vr ε= GF (1 + 2Vr ) reposo ¡Sin tener en cuenta el efecto de los cables! G GALGA EXTENSIOMÉTRICA – Métodos de medición R1 VIN +e RW RW VOUT R2 -e RW -e VIN +e VOUT +e Configuración medio puente − 2Vr ε= GF Rw ⋅ 1 + RG Configuración puente completo − Vr ε= GF -e G GALGA EXTENSIOMÉTRICA – Tipos de montajes G GALGA EXTENSIOMÉTRICA – Modelos comerciales G SENSOR PIEZOELECTRICO Se basa en la medición directa de la fuerza por efecto piezoeléctrico. Este efecto se da en materiales con estructuras cristalinas dieléctricas que poseen una fuerte diferencia en la carga de sus átomos (p.ej. Cuarzo). La señal eléctrica decae en el tiempo, por lo que estos sensores no son adecuados para la medición de fuerzas estáticas. G DESPLAZAMIENTO Principales transductores: LVDT, transductores potenciométricos, sistemas de medición sin contacto (Laser, capacitivos, etc), encoders, etc. G DESPLAZAMIENTO: L.V.D.T. LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMERS (LVDTS) G DESPLAZAMIENTO: L.V.D.T. Ventajas Ventajas Medición Mediciónlibre librede de fricción. fricción. Robustez. Robustez. Vida Vidaútil. útil. Sensibilidad Sensibilidaden enuna una sola dimensión. sola dimensión. Velocidad Velocidadde derespuesta respuesta elevada. elevada. G DESPLAZAMIENTO: R.V.D.T. Ejemplo Ejemplo(Omega) (Omega) Resistencia: Resistencia:5000 5000ohms ohms±20% ±20%(LP801) (LP801) Rango máximo: 122 mm Rango máximo: 122 mm Linearidad: Linearidad:±1% ±1%FS FS Histéresis: Histéresis:0.025 0.025mm mm Repetibilidad: Repetibilidad:0.012 0.012mm mm Sensibilidad: Sensibilidad:0.0012 0.0012mm mm Consumo: Consumo:0.3 0.3W/cm W/cm Fuerza: Fuerza:450 450gramos gramos(máximo) (máximo) Vida Vidaútil: útil:100 100millones millonesde deoperaciones operaciones (~5 (~5cm/s cm/spara paraelelLP801, LP801,~25 ~25cm/s cm/spara para elelLP802) LP802) G DESPLAZAMIENTO: Inductivos Características Características Medición Mediciónsin sincontacto contacto Salida analógica Salida analógica proporcional proporcionalaalaladistancia distanciadel del objeto objetoaamedir medir Inductivos: Inductivos:solo soloobjetos objetos metálicos metálicos Rango Rangode desensado sensadodepende depende del material del material Insensible Insensibleaapolvo, polvo,suciedad, suciedad, etc. etc. G DESPLAZAMIENTO: Láser Medición sin contacto Elevada resolución (4-5 µm) Robustez G DESPLAZAMIENTO: Láser y CCD G NIVEL Existen muchas opciones: Presión Flotantes Ultrasónicos Radar Laser Magnéticos Capacitivos Etc. G NIVEL: Medición sin contacto TDV Ultrasónicos: Ultrasónicos: dependencia dependencia de de lala temperatura, temperatura, presión y composición, zona muerta. presión y composición, zona muerta. Radar: dependencia del del material, material, presencia presencia de de Radar: dependencia ecos por dispersión. ecos por dispersión. Laser: Laser:baja bajadispersión, dispersión, elevada distancia elevada distancia G NIVEL: Capacitivos, conductivos, flotantes G PRESIÓN Presión Absoluta Se mide respecto del vacío perfecto. Presión Diferencial ó Manométrica (Gauge) Se mide respecto de la presión atmosférica. UNIDADES 1 PSI = 6895 Pa 1 ‘’H2O = 249 Pa 1 mmHg = 133,3 Pa G PRESIÓN – Tipos de transductores G PRESIÓN – Equipos comerciales Salida 4-20mA Indicador LCD en bar, PSI ó % Ajuste de cero y alcance (span) Conformidad a normas de EMC y seguridad eléctrica G OTROS TEMAS Acondicionamiento Acondicionamientode delas lasseñales señales • Ajustes de niveles (amplificación, atenuación, offset) Actuadores Actuadores • Relés / llaves semiconductoras • Solenoides • Linealización • Motores CC / Motores AC • Digitalización • Motores paso a paso • Filtrado • Válvulas neumáticas • Transmisión de señales (4-20mA, 0-10V, V/f, etc.) • Resistencias calefactoras G
