Transductores como elementos de sistemas 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 y fenómenos físicos 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 (1851): 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 (1834): La unión de dos metales diferentes sometida a un gradiente de temperatura producirá una circulación de corriente. Este proceso es reversible. El calor es proporcional a I y no a I2R como en el efecto Joule. VB G TERMOCUPLAS – Definiciones y fenómenos físicos Efecto Seebeck (1821): 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 Efecto termoeléctrico: Los efectos Peltier, Seebeck y Thompson pueden, en teoría, ser termodinámicamente reversibles, mientras que el calentamiento Joule no lo es. 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 … Fe-Constantan: Tipo “J” Bloque isotérmico (TREF=T2) Fe Cu + Cu Fe + V2 - Const. V1 - J2 T2=0ºC Dos termocuplas diferentes a la misma temperatura G J1,T1 TERMOCUPLAS En el caso de que ninguno de los materiales de la termocupla coincida con el material de los terminales de conducción … Fe-Constantan: Tipo “J” Ley de los metales intermedios B A C Conexión isotérmica A C 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 y modelo matemático RTD (Resistance Temperature Detector) 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. ( ) 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 Tipo Film Capa de platino (u otro material) de ~1µm sobre un sustrato cerámico Ventajas Ventajas Linealidad Linealidad Estabilidad Estabilidad Intercambiabilidad Intercambiabilidad Rango Rangode detemperaturas temperaturas ********************************* ********************************* Desventajas Desventajas Elevado Elevadocosto costo Poca sensibilidad Poca sensibilidad Complejidad Complejidaden eninstrumentación instrumentación Autocalentamiento Autocalentamiento Fragilidad Fragilidad Tipo Bobina Mayor precisión, ideal para rangos amplios de temperatura G R.T.D. – Instrumentación: Circuitos de 2 y 3 hilos 2 Hilos Treal Tmedida 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: 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. Existen circuitos que combinan los 4 hilos con el puente de Wheatsone. El puente de Wheatstone es inmune a las variaciones de la fuente. 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 Highway Addressable Remote Transducer (HART) La información de la variable primaria se transmite en 4-20 mA, mientras las medidas adicionales, parámetros de proceso, configuración del dispositivo, calibración, y la información de diagnóstico es transmitida sobre los mismos cables mediante el protocolo HART. 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 ) = RTO ⋅ e β 1T − 1T R (T ) = R ∞ ⋅ e R ∞ = RTO ⋅ e O β −β T TO β = cte del termistor Normalmente se especifican RTO y β a 25ºC G Termistores – Instrumentación y aplicaciones T R eO (T ) = R + RT RT eS R eO(T) eS ⋅ eS = 1 + RT R eO(T) eS RT = RTO RTO ⋅ r (T ) S = R eO (T ) 1 = = F (T ) 1 + S ⋅ r (T ) eS Temp G Termistores – Instrumentación y aplicaciones T RT eS R eO(T) eO (T ) 1 = = F (T ) eS 1 + S ⋅ r (T ) 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) 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 ⋅ T4 W = Energía radiante [W/cm2] ε = Coef. de emisividad (0…1) T = Temperatura absoluta [ºK] σ = 5,67 x10-8 [W/(m2K4)] Emisividad (ε): relación entre la radiación térmica emitida por una superficie a una cierta temperatura y la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura. 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. Para la medición de temperatura se suele utilizar el rango de 0.7 micrones hasta 14 micrones Tipos de pirómetros: • Banda ancha ó radiación total • Banda angosta • Relación • Ópticos 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 debemantenerse mantenerselimpia. limpia. Complejidad del Complejidad delequipo. equipo. No hay curvas de No hay curvas decalibración calibración confiables como las que confiables como las queexisten existen para termocuplas y RTDs. para termocuplas y 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: 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 VOUT = RX VIN RP + RX RX = k [Ω mm ] ⋅ L G DESPLAZAMIENTO: L.V.D.T. LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMERS (LVDTS) G DESPLAZAMIENTO: L.V.D.T. Ventajas Ventajas Medición Mediciónlibre librede defricción. fricción. Robustez. Robustez. Vida Vidaútil. útil. Sensibilidad Sensibilidaden enuna unasola sola dimensión. dimensión. Velocidad Velocidadde derespuesta respuesta elevada. elevada. G DESPLAZAMIENTO: Sensores Inductivos Características Características Medición Mediciónsin sincontacto contacto Salida analógica Salida analógicaproporcional proporcionalaa laladistancia distanciadel delobjeto objetoaamedir medir Inductivos: solo objetos Inductivos: solo objetosmetálicos metálicos Rango de sensado depende Rango de sensado dependedel del material material Insensible Insensibleaapolvo, polvo,suciedad, suciedad,etc etc Se necesita un factor de corrección en función del material Material Factor Acero 1 Acero inox. 0.75 Bronce 0.5 Aluminio 0.4 Cobre 0.35 G DESPLAZAMIENTO: Láser Medición sin contacto Elevada resolución (4-5 µm) Robustez 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. Presión Diferencial Se mide entre dos presiones diferentes. UNIDADES 1 PSI = 6895 Pa 1 ‘’H2O = 249 Pa 1 mmHg = 133,3 Pa Tubo Bourdon: El transductor suele ser un dispositivo potenciométrico G PRESIÓN – Tipos de transductores Diafragma – Galga extensiométrica El diafragma se deforma con las variaciones de presión. Estas deformaciones son medidas por una galga que está unida al diafragma. Resorte - Potenciométrico k1 ⋅ ∆x = P ⋅ A ∆x = P ⋅ A k 1 R = k2 ⋅ ∆x = k2 ⋅ P ⋅ A k 1 G PRESIÓN – Tipos de transductores Diafragma – Capacitivo CA CB VOUT XC 1 XCB = − VOSC XC 2 + XC 1 XCA + XCB VOUT C 2C B − C1C A = (C1 + C 2 )(C A + C B ) VOSC 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
