AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC 3 ELEMENTOS PRIMARIOS, TRANSDUCTORES Y SENSORES. APLICACIONES. Las señales eléctricas pueden representar su información clasificándolas como sigue: Elementos primarios Los INSTRUMENTOS CONVERTIDORES DE SEÑALES (TRANSDUCTORES), son dispositivos que convierten una señal eléctrica o no eléctrica en otra señal eléctrica de características y rangos determinados en cuyos parámetros está toda la información correspondiente a la primera. EL SENSOR, es el dispositivo que situado en un cierto medio genera una señal (función de alguna característica de dicho medio) de una determinada forma física (Presión, temperatura, nivel, etc.) convertible en otra señal física diferente. Es usual denominar sensor al conjunto formado por el sensor en sí y el transductor acoplado a él. Debido a la gran cantidad de variables susceptibles a conversión, existen variadas tecnologías o principios de transducción y por su principio pueden ser: Según el principio de funcionamiento • • Activos Pasivos Según el tipo de señal • • • Digitales Analógicas Temporales Según el rango de valores que proporcionan • • Todo o nada (on-off) De medida 15 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC Según el nivel de integración • • • Discretos Integrados Inteligentes Según el tipo de variable medida • • • • • • • • • • Mecánicos Eléctricos Magnéticos Térmicos Acústicos Ultrasónicos Químicos Ópticos Radiación Laser CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR Un sensor ideal sería aquel en que la relación entre la magnitud de salida y la variable de entrada fuese puramente proporcional y de respuesta instantánea e idéntica para todos los elementos de un mismo tipo. Sin embargo, la respuesta real de los sensores nunca es del todo lineal, tiene un campo limitado de validez, suele estar afectado por perturbaciones del entorno exterior y tiene un cierto retardo a la respuesta. Todo ello hace que la relación salida/entrada deba expresarse por una curva, o mejor por una familia de curvas, para sensores de un mismo tipo y modelo. Para definir el comportamiento real de los sensores se suelen comparar éstos con un modelo ideal de comportamiento o con un sensor “patrón” y se definen una serie de características que ponen de manifiesto las desviaciones respecto a dicho modelo; estas características se agrupan en dos grandes bloques. Estáticas Describen la actuación del sensor en régimen permanente o con cambios muy lentos a la variable a medir: exactitud, fidelidad o precisión, sensibilidad. Las tres características son suficientes para describir el comportamiento estático de un sensor, pero a veces se emplean, además o en su lugar la linealidad y la resolución Dinámicas Describen la actuación del sensor en régimen transitorio, a base de dar su respuesta temporal ante determinados estímulos estándar e indicar las constantes de tiempo relevantes. La velocidad de respuesta indica la rapidez con que el sistema de medida responde a los cambios en la variable de entrada. Para poder determinar las características dinámicas hay que aplicarle una magnitud variable (impulso, escalón, rampa, senoidal, aleatoria o ruido blanco). 16 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC MAGNITUDES A SENSAR, EL TRANSDUCTOR Y SU CARACTERÍSTICA A continuación, se coloca un resumen de las magnitudes a sensar, el transductor y su característica1. POSICIÓN LINEAL Y ANGULAR Transductor: Potenciómetro Característica: Analógica Es el elemento primario más común, pueden utilizarse solos o unirse a un sensor mecánico de tal manera que se convierta el movimiento mecánico en una variación eléctrica. Está formado por un elemento resistivo y un contacto móvil. La gran mayoría de los potenciómetros son lineales, es sumamente importante el grado de linealidad por lo que algunos fabricantes especifican un porcentaje de linealidad. Muchos potenciómetros son del tipo bobinado, en este caso, el contacto no se mueve en forma uniforme, sino que varía a pasos. Normalmente un potenciómetro se instala con una tensión aplicada a sus terminales como simple divisor de tensión; haciendo puente, con el potenciómetro formando un lado del puente o en circuito puente con el potenciómetro formando una rama del puente. La variable medida u otro estímulo podrá estar en función a la resistencia y la posición del eje del potenciómetro (contacto móvil) representa el valor de la variable. El eje puede unirse a algún dispositivo indicador para leer el valor de la variable medida. 1 Cabe manifestar que el autor hizo una concisión desde diversa información tanto de internet, catálogos de empresas comerciales, separata anterior y textos especializados. Al final del fascículo 14 se colocan las referenciales correspondientes 17 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC Sensores potenciométricos de desplazamiento Transductor: Encoder Característica: Digital Son dispositivos formadas por un rotor con uno o varios grupos de bandas opacas y translúcidas alternadas y por una serie de captadores ópticos alojados en el estator, que detectan la presencia o no de banda opaca frente a ellos. Los encoders incremental dan un determinado número de impulsos por vuelta y requieren un contador para determinar la posición a partir de un origen de referencia. Los encoders absolutos disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario. Los captadores ópticos captan un código digital completo, que es único para cada posición del rotor. Encoder incremental 18 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS Transductor: Sensor Hall FIEE - UNAC Característica: Digital El sensor de efecto Hall o simplemente sensor Hall o sonda Hall (denominado según Edwin Herbert Hall) se sirve del efecto Hall para la medición de campos magnéticos o corrientes o para la determinación de la posición en la que está. Si fluye corriente por un sensor Hall y se aproxima a un campo magnético que fluye en dirección vertical al sensor, entonces el sensor crea un voltaje saliente proporcional al producto de la fuerza del campo magnético y de la corriente. Si se conoce el valor de la corriente, entonces se puede calcular la fuerza del campo magnético; si se crea el campo magnético por medio de corriente que circula por una bobina o un conductor, entonces se puede medir el valor de la corriente en el conductor o bobina. Si tanto la fuerza del campo magnético como la corriente son conocidos, entonces se puede usar el sensor Hall como detector de metales. Se usa para medir el número de revoluciones del motor y detectar la posición del cigüeñal (posición de los pistones del motor) entre otras muchas aplicaciones. El número de revoluciones se calcula mediante el intervalo de tiempo entre las señales del sensor. La señal de este sensor es una de las magnitudes más importantes del control electrónico del motor. DESPLAZAMIENTO Y DEFORMACIÓN Transductor: Galga extensiométrica Característica: Analógica Son dispositivos (Strain gages) que se utilizan en la industria para medir con precisión grandes fuerzas, especialmente grandes pesos. Una galga extensiométrica básicamente es un hilo de resistencia que está firmemente adherido a una superficie de un objeto fuerte que recibe una presión. Cuando es aplicada una fuerza al objeto, ésta se deforma ligeramente sea por compresión o por tracción, el hilo que está adherido también se deforma ligeramente modificando su resistencia, la cual es detectada y relacionada al valor de la fuerza. La resistencia del hilo que forma la galga depende de la resistividad, la longitud y de su sección, luego la longitud final de la resistencia depende de la longitud del objeto y esta a su vez depende de la fuerza aplicada. Midiendo con precisión el cambio de la resistencia podemos medir la fuerza. Se usa como transductor principal en las balanzas de grandes pesos, o en sistemas para detectar deformaciones en diferentes materiales sean éstos de ensayo o de trabajo. 19 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS Transductor: Magnetoestrictivos FIEE - UNAC Característica: A/D Se basan en el fenómeno de la magnetoestricción (propiedad de los materiales magnéticos que hace que estos cambien de forma al encontrarse en presencia de un campo magnético) Ejemplo. Sonar que es un equipo que genera y recibe el sonido de carácter infrasonoro. Transductor: Magnetorresistivos Característica: Analógica La magnetorresistencia es una propiedad que tienen ciertos materiales de variar su resistencia eléctrica cuando son sometidas a un campo magnético. Las investigaciones recientes han permitido descubrir materiales que presentan magnetorresistencia gigante (Giant Magnetoresistance Effect, o GMR), magnetorresistencia colosal (Colossal Magnetoresistance o CMR) y magnetorresistencia de efecto túnel (Tunnel Magnetoresistance Effect o TMR). Tanto la MR como la GMR se basan en el espín de los electrones y por eso forman parte de la espintrónica. Los ordenadores actuales hacen uso de esta propiedad. Los discos duros utilizan bien magnetoresistencia, bien magnetoresistencia gigante. Las cabezas lectoras de los discos duros están compuestas por un grupo de elementos tal que su resistencia eléctrica depende del campo magnético. Los “bits” en un disco duro se guardan como un pequeño imán. La cabeza de lectura eléctrica (MR) tiene una resistencia eléctrica que varía cuando pasa por encima del “pequeño imán” que es un bit. Por tanto, cuando un bit pasa por debajo de la cabeza lectora hay una variación de la resistencia que puede detectarse fácilmente. La principal ventaja del sensor magnetorresistivo es la ausencia de contactos mecánicos entre elemento activo y estímulo externo, de modo que se evita el desgaste mecánico del sensor, incrementando su vida útil y su fiabilidad. La vida útil y la fiabilidad son características clave en sectores como la automoción, ya que los vehículos requieren cada vez un número mayor de sensores de máxima duración y fiabilidad. La construcción de sensores de este tipo requiere la deposición de un material magnetorresistivo sobre un substrato. 20 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS Transductor: LVDT FIEE - UNAC Característica: Característica: Analógica Un transformador diferencial de variación lineal entrega una señal de tensión de salida AC que es proporcional a un desplazamiento físico. Las figuras muestran la construcción así como la ubicación de las bobinas. El LVDT se construye de tal manera que la diferencia entre los voltajes de los dos devanados secundarios es proporcional al desplazamiento del núcleo. Cuando el LVDT se usa como dispositivo de medida, los devanados secundarios se conectan en serie sustractiva. Por tanto, si el núcleo está centrado y el voltaje del devanado 1 es igual al voltaje del devanado 2, la salida neta (Vout) es cero. A mayor desplazamiento del núcleo, mas grande es Vout. La entrada está en fase con las salidas (por polarización de bobinas) por tanto si el núcleo se mueve hacia abajo el voltaje del devanado 2 es mas grande que V1, esta vez Vout estará 180º fuera de fase, con respecto a Vin. Si la medición de desplazamiento 21 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC supera a 1 pulgada debe utilizarse un aparato mecánico de relación apropiada. La tensión de entrada es usualmente 10Vac y la salida está entre 0,5 y 10Vac, según modelo. VELOCIDAD LINEAL Y ANGULAR Transductor: Dinamo tacométrica Característica: Analógica Una dinamo es un generador de tensión. Convierte energía mecánica en energía eléctrica. Si colocamos una espira de hilo de un material conductor, capaz de girar libremente, en el campo magnético entre los polos opuestos de dos imanes, y la hacemos girar, en los extremos abiertos de la espira podemos medir una tensión proporcional a la intensidad del campo magnético, el área de la espira y la velocidad angular. En este principio se basa el funcionamiento de la dinamo tacométrica. Consiste en dos imanes semicilíndricos opuestos y una bobina capaz de girar en su interior. Mediante un colector y un sistema de escobillas, se recoge la tensión de salida. 22 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC Transductor: Encoder Digital Un encoder rotativo es un dispositivo genérico que permite determinar la posición y velocidad angular de un accionamiento, y registrar la medición desde un procesador o autómata como por ejemplo Arduino. No es la primera vez que hablamos de encoders y su utilidad. Previamente hemos visto encoders ópticos y encoders magnéticos, así como su importancia a la hora de aplicar criterios de selección de motores y accionamientos. Existen múltiples tipos de encoders rotativos, pero en el ámbito de Arduino y los proyectos de electrónica caseros es muy frecuente encontrar encoders rotativos electromecanicos. Externamente estos encoders pueden ser parecidos a ciertos tipos modelos de potenciómetros, lo cual puede ser una ventaja porque hace que ciertos accesorios sean similares, e incluso sea posible sustituir uno por otro. Transductor: Detector inductivo Característica: Digital Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirve para detectar materiales ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetos metálicos en un determinado contexto: detección de paso, de atasco, de codificación y de conteo. Los sensores inductivos se basan en el electromagnetismo y actúa por variación de este mediante la conductancia del material, tienen rangos amplios, etc. El principio de funcionamiento se basa en el mismo del electromagnetismo, con una fuente osciladora a 20kHz siendo el efecto similar al de un transformador donde el objeto a sensar actúa como el secundario. El campo magnético intersecta el objeto y crea un “remolino” de corrientes en círculos alrededor de cada línea magnética. Si el material del objeto tiene una relativa alta resistencia magnética entonces actúa como el secundario y se refleja en el primario (sensando la bobina). El oscilador se detiene y las salidas cambian su estado inicial. 23 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC Trabajan en pequeñas distancias, pueden actuar como interruptores límite y solo con metales. Se recomienda usar este tipo de sensores en lugares de paso, nunca en lugares finales, asimismo el objeto a sensarse debe ser del mismo diámetro del detector, la distancia de objeto a objeto debe ser como mínimo 3 veces el diámetro del sensor. entre otras consideraciones. Transductor: Servo-inclinómetros Característica: A/D Los servoinclinómetros o inclinómetros tipo servo, son los inclinómetros más estables y precisos disponibles en el mercado. Su funcionamiento se basa en la realimentación en corriente de un elemento sísmico que está sumergido en un denso líquido. Esto permite contar con una linealidad de hasta 0.02% y derivas térmicas sumamente bajas para su salida proporcional en corriente, voltaje, RS232 y MODBUS. Gracias a estas excepcionales características los servoinclinómetros se pueden emplear en sectores donde las exigencias son máximas, como ingeniería civil para instrumentación de puentes y túneles, fundiciones, para el control de los recipientes de metal fundido, etc. Transductor: RVDT Característica: Analógica Los sensores de ángulo inductivos o RVDT son transductores de tipo inductivo, son sensores de posición angular, que al igual que ocurre con los LVDT´s, un núcleo móvil se desplaza por un bobinado, haciendo variar la relación de tensión y fase entre los bobinados primario y secundario del transformador. Por todo ello, los RVDT son elementos sin rozamiento, por tanto sin desgaste, muy indicados en aplicaciones donde hay muchos millones de operaciones y se quiere asegurar el correcto funcionamiento. Existen diferentes versiones de sensores de ángulo inductivo, acondicionados con salida análoga, sin acondicionar, para alta temperatura, etc . 24 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC Transductor: Giróscopo Aparato consistente en un disco o un trompo pesado que gira a gran velocidad sobre un eje, para que cualquier alteración en la inclinación de este provoque un movimiento de precisión que lo contrarreste. "el giroscopio, ideado por Foucault en 1852, fue utilizado por este para demostrar la rotación del globo terrestre" también se llama giróscopo. Dispositivo que sirve para asegurar la estabilidad de un torpedo, un submarino o un avión. ACELERACIÓN Transductor: Acelerómetro Característica: Analógico Los acelerómetros o sensores de aceleración, están pensados para realizar una medida de aceleración o vibración, proporcionando una señal eléctrica según la variación física, en este caso la variación física es la aceleración o la vibración. Existen diferentes modelos combinando las diferentes tecnologías existentes, principalmente acelerómetros piezoresistivos, acelerómetros piezoeléctricos y acelerómetros capacitivos. Los rangos de medida son diversos, desde 1 g, hasta los miles de g´s. Respecto al rango de frecuencia disponible, hay acelerómetros que parten de 0 Hz, para medida de bajas frecuencias, acelerómetros que llegan hasta los miles de Hz para altas frecuencias de vibración, otros modelos de muy alta sensibilidad con bajo rango de frecuencia, etc. Lo mismo ocurre con los formatos, existen variados formatos según la aplicación de los acelerómetros, en aluminio, titanio, acero inoxidable, etc. con montaje de tornillos, magnético, pegado, etc 25 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC Transductor: Servo-accelerómetros Los servoacelerómetros o acelerómetros tipo servo, cuentan con una tecnología muy especial. El elemento sensor sometido a la aceleración está sumergido en aceite, de tal forma que es muy resistente a vibraciones y golpes, también esto lo hace muy lento para aplicaciones dinámicas, por ello los servoacelerómetros están pensados para aplicaciones muy lentas. La precisión y estabilidad de los servoacelerómetros es muy alta, ya que el elemento sensor está realimentado en corriente, por lo que la aceleración es proporcional a esa corriente. Este es el principio de un galvanómetro. Los formatos son diversos, pero debido a que estos servoinclinómetros trabajan en condiciones bastante duras, como tuneladoras, maquinaria especial, trenes, etc., cuentan con una protección muy alta, tanto electromagnética como ambiental. El tipo de salida es analógica y digital, esta última en serie RS232 o para bus RS485, que resulta muy útil cuando se desean conectar varias unidades para ver diferentes puntos de aceleración. FUERZA Y PAR (DEFORMACIÓN) Transductor: Galga extensiométrica Característica: Analógico Ver DESPLAZAMIENTO Y DEFORMACIÓN. Transductor: Triaxiales Característica: A/D Los acelerómetros triaxiales o acelerómetros de tres ejes, al igual que los acelerómetros monoaxiales se emplean para la medida de aceleración y vibración en múltiples sectores. La diferencia radica en que con el mismo elemento se pueden medir simultáneamente la aceleración o vibración en las tres coordenadas, mientras que con los acelerómetros monoaxiales solo tenemos una coordenada. Existe la posibilidad de montar un acelerómetro triaxial mediante acelerómetros uniaxiales, gracias a cubos de montaje que permiten instalar un acelerómetro monoaxial en cada una de las caras del cubo, contando así con un acelerómetro triaxial, claro que esto resulta menos compacto que un acelerómetro triaxial. Los rangos pueden ser diversos, aunque cuentan con la ventaja de poder tener diferentes rangos para los diferentes ejes de medida. En cuanto a la tecnología, al igual que en los monoaxiales, pueden ser piezoresistivos, MEMS, piezoeléctricos, capacitivos etc. 26 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC PRESIÓN Transductor: Membranas Característica: Analógica Los sensores y transductores de presión de membrana enrasada están pensados para la medida superficial o a ras de la superficie sometida a presión. Debido a su fabricación la membrana enrasada permite realizar una medida superficial que evita errores de medida por acumulación de burbujas en el tubo, así como la eliminación de suciedad en el tubo de medida, de tal forma que es fácilmente limpiable, de hecho hay series especiales para la manipulación de alimentos. A continuación, puede ver diferentes modelos con montaje en rosca, montaje a presión y montaje superficial en amplia superficie de medida, muy utilizada en la manipulación de alimentos. Transductor: Piezoeléctricos Característica: Analógica Cuando un material piezoeléctrico se estira o comprime genera cargas eléctricas; una de sus caras se carga en forma positiva y la cara opuesta se carga en forma negativa. En consecuencia, se produce una tensión. Los materiales piezoeléctricos son cristales iónicos que al estirarlos o comprimirlos originan un desplazamiento neto de la carga. 27 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS Transductor: Manómetros Digitales FIEE - UNAC Característica: Digital Los manómetros digitales son ideales para obtener una medida de presión rápida y precisa en un punto concreto de una instalación o ensayo. Tienen la particularidad de unir un sensor de presión y un visualizador LCD de bajo consumo. El resultado final es un elemento para la medida de presión con pantalla digital. Los rangos y características son variadas, las mismas que en los sensores de presión convencionales pero con la ventaja de tener la medida in situ. A diferencia de los manómetros analógicos en estas series digitales no se tienen problemas de rotura de aguja y errores en la medida por una mala ubicación del lector. Por otro lado los analógicos o de fuelle es esencialmente una serie de diafragmas metálicos conectados entre sí. Cuando se somete a la presión del fluido un diafragma se deforma ligeramente, cuando disminuye la presión el fuelle se contrae por la acción de un resorte interno o por el resortaje del propio fuelle, este desplazamiento acciona un enlace mecánico que mueve el contacto del potenciómetro. 28 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC CAUDAL Transductor: Turbina Característica: Analógica Consiste de un juego de paletas o aspas acopladas a un eje, las cuales giran cuando pasa un fluido a través de ellas. La velocidad a la cual giran estas aspas es proporcional a la velocidad del flujo, y si tenemos la velocidad y el área del conducto se puede determinar el caudal. Las turbinas deben instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el medidor vacío lo dañaría seriamente. Transductor: Magnético Característica: Analógica Un medidor de flujo magnético (medidor de flujo mag) es un medidor de flujo volumétrico que no tiene piezas móviles y es ideal para aplicaciones de aguas residuales o cualquier líquido sucio que sea conductor o a base de agua. Los medidores de flujo magnéticos en general no funcionan con hidrocarburos, agua destilada y muchas soluciones no acuosas. Los medidores de flujo magnéticos también son ideales para aplicaciones en las que se requiere una baja caída de presión y bajo mantenimiento. Principio de funcionamiento Ley de Faraday El funcionamiento de un medidor de flujo magnético se basa en la ley de Faraday, que establece que el voltaje inducido en cualquier conductor mientras se mueve en ángulos rectos a través de un campo magnético es proporcional a la velocidad de ese conductor. Fórmula de Faraday: E es proporcional a V x B x D donde: E = El voltaje generado en un conductor V = La velocidad del conductor B = La intensidad del campo magnético D = La longitud del conductor 29 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC TEMPERATURA Transductor: Termopar Característica: Analógica La termocupla es un par de conductores metálicos distintos unidos entre si formando una bucla completa. Una unión (denominada caliente) está sometida a la alta temperatura y la otra unión (llamada fría) está a baja temperatura. Cuando se hace esto, se crea un pequeño voltaje neto en el bucle; este voltaje es proporcional a la diferencia entre la temperatura de las dos uniones. Al poner un voltímetro sensible como unión baja podemos conocer los milivoltios generados, al hacer ello se debe considerar la temperatura del medio ambiente y compensar con las tablas o curvas de cada fabricante. Transductor: RTD Característica: Analógica Un RTD (del inglés: resistance temperature detector) es un detector de temperatura resistivo, es decir, un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Su símbolo es el siguiente, en el que se indica una variación lineal con coeficiente de temperatura positivo. 30 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC Al calentarse un metal habrá una mayor agitación térmica, dispersándose más los electrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitación, y mayor resistencia. La variación de la resistencia puede ser expresada de manera polinómica como sigue a continuación. Por lo general, la variación es bastante lineal en márgenes amplios de temperatura. Transductor: Termistor NTC Característica: Analógica Cuando se utilizan óxidos metálicos este es moldeado en formas que se parecen a pequeños bulbos o pequeños condensadores, este dispositivo se denomina TERMISTOR que tiene gran coeficiente térmico negativo el cual no es constante así a una pequeña resistencia el cambio de temperatura es grande y en otra dirección. Resistencias NTC.- Se caracteriza por su disminución del valor resistivo a medida que aumenta la temperatura, por tanto presenta un coeficiente de temperatura negativo. Sus principales características son resistencia nominal de 10 ohmios a 2MΩ,, potencias entre 1µW y 35W, coeficiente de temperatura de –1 a –10% por ºC. Sus aplicaciones está la regulación, compensación y medidas de temperatura, estabilización de tensión, alarmas, etc. Transductor: Termistor PTC Característica: Analógica Resistencias PTC.- Estas a diferencia de las anteriores, tiene un coeficiente de temperatura positivo, de modo que su resistencia aumentará cuando aumenta la temperatura (aunque esto solo se da en un margen de temperaturas). Sus características son similares y su uso es mediciones lineales o directas. Si conocemos las características específicas del termistor es posible relacionar la medida de la corriente con la Tº operante, cuando se usa el voltímetro éste puede marcarse en unidades de Tº para así lecturar directamente la Tº, se hace con mayor precisión usando un puente. Transductor: Bimetal - Termostato Característica: I/0 31 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC Un termostato es el componente de un sistema de control simple que abre o cierra un circuito eléctrico en función de la temperatura.Su versión más simple consiste en una lámina metálica como la que utilizan los equipos de aire acondicionado para apagar o encender el compresor. Otro ejemplo lo podemos encontrar en los motores de combustión interna, donde controlan el flujo del líquido refrigerante que regresa al radiador dependiendo de la temperatura del motor. SENSORES DE PRESENCIA Transductor: Inductivos Característica: I/0 Ver principios en VELOCIDAD LINEAL Y ANGULAR 32 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS Transductor: Capacitivos FIEE - UNAC Característica: I/0 Este sensor detecta diferentes materiales de los objetos a sensar. Funciona bajo el principio de la capacitancia entre dos placas. Cuando existe un equilibrio entre las cargas positivas y negativas no hay flujo de corriente. Colocando un objeto entre las placas cargadas con una constante dieléctrica diferente será como mover las placas, posibilitando un flujo de corriente o cargas electrostáticas que se mueven. El sensor de este tipo usa una placa de un capacitor y el otro es la masa o tierra, para activar esta tierra referencial es provista por una fuente conectada al sensor y dicha masa; cuando un objeto es detectado la capacitancia activa un oscilador RC que setea a un nuevo estado posibilitando la activación de un actuador. Las características del objeto ayudan para determinar el tipo de sensor, por ejemplo si queremos sensar agua es fácil que sea detectado por un capacitivo por la polarización molecular entretanto que el aceite es un elemento no polarizado y será difícil de detectar mediante este tipo de sensores. 33 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS Transductor: Ópticos FIEE - UNAC Característica: I/0 y Analógica Ver SENSOR DE LUZ Los detectores ópticos basan su funcionamiento en la emisión de un haz de luz que es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar. Tiene muchas aplicaciones en al ámbito industrial y son ampliamente utilizados. SENSORES TÁCTILES Transductor: Matriz de contactos Característica: I/0 Los sensores táctiles son dispositivos que indican el contacto de algún objeto sólido con ellos mismos. Suelen ser empleados en los extremos de los brazos de robot (pinzas) para controlar la manipulación de objetos. A su vez se pueden dividir en dos tipos: de contacto y de fuerza. Sensores de Contacto. Los sensores de contacto nos indican simplemente si ha habido contacto o no con algún objeto, sin considerar la magnitud de la fuerza de contacto. Suelen ser dispositivos sencillos cuyo uso es muy variado. Se pueden situar en las pinzas delos brazos de robot para determinar cuándo se ha cogido un objeto, pueden formar parte de sondas de inspección para determinar dimensiones de objetos, o incluso pueden situarse en el exterior delas pinzas para ir tanteando un entorno. Transductor: Piel artificial Característica: Analógica Al igual que sucede con la piel humana, el contacto con la piel artificial podría, por ejemplo, hacer que el robot apartase su mano si ésta ha alcanzado algo que pueda no ser. Cada una de estas diminutas placas contiene cuatro sensores infrarrojos que detectan cualquier cosa a menos de 1 centímetro. Para hacer ser factible, un sensor flexible, tendría que funcionar con baja tensión (por lo que sería compatible con las baterías en dispositivos portátiles de hoy en día), hacer medidas de un amplio rango, y hacer más de una medición a la vez, incluyendo humedad, temperatura, presión, y la presencia de productos químicos. Además, estos sensores también tendrían que ser capaces de ser producidos de forma rápida, fácil, y barata. 34 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC VISIÓN ARTIFICIAL Transductor: Cámaras de video Característica: Procesamiento digital Se puede definir la “Visión Artificial” como un campo de la “Inteligencia Artificial” que, mediante la utilización de las técnicas adecuadas, permite la obtención, procesamiento y análisis de cualquier tipo de información especial obtenida a través de imágenes digitales. La visión artificial la componen un conjunto de procesos destinados a realizar el análisis de imágenes. Estos procesos son: captación de imágenes, memorización de la información, procesado e interpretación de los resultados. Con la visión artificial se pueden: • • • • • • • • • Automatizar tareas repetitivas de inspección realizadas por operadores. Realizar controles de calidad de productos que no era posible verificar por métodos tradicionales. Realizar inspecciones de objetos sin contacto físico. Realizar la inspección del 100% de la producción (calidad total) a gran velocidad. Reducir el tiempo de ciclo en procesos automatizados. Realizar inspecciones en procesos donde existe diversidad de piezas con cambios frecuentes de producción. Las principales aplicaciones de la visión artificial en la industria actual son: • • • • • • Identificación e inspección de objetos. Determinación de la posición de los objetos en el espacio. Establecimiento de relaciones espaciales entre varios objetos (guiado de robots) Determinación de las coordenadas importantes de un objeto. Realización de mediciones angulares. Mediciones tridimensionales. Transductor: Cámaras CCD o CMOS Característica: Procesamiento digital Todas las cámaras, desde la primera que se inventó, tienen un sensor. Con el paso de los años, éste ha evolucionado, desde ser una hoja de papel muy receptiva a la luz, pasando por la película (el rollo) también de este tipo de material, hasta lo digital, un chip muy complejo con componentes de alta sensibilidad. Sin embargo cuando vemos que nuestras cámaras tienen un sensor CCD o CMOS, nos quedamos confundidos sin saber en realidad qué significa o cuál es la diferencia. Por un lado está el CCD (Charge Coupled Device o, en español, Dispositivo de Carga Acoplada). Este tipo de sensor lo tienen la mayoría de las cámaras digitales y significa que: - Es sensible a la luz y trabaja a manera de líneas de pixeles con una cobertura de los colores primarios (RGB). - Es más sensible a la luz que el CMOS. - Consume más energía, así que la batería puede agotarse más rápido. 35 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC - Captura un rango más amplio de tonos (luces brillantes, tonos medios y sombras) en las fotografías. Por otro lado, el sensor CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor o, en español, Semiconductor Complementario de Óxido Metálico) se encuentra en las cámaras más actuales y la mayoría de las profesionales. Sus características son: - Mejor desempeño en una estructura más simple, sin necesidad de más equipo. - Menos sensible a la luz, pero un consumo mucho más bajo de energía, por lo que las cámaras son más económicas. SENSOR DE PROXIMIDAD Transductor: Sensor final de carrera Dentro de los componentes electrónicos, se encuentra el final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite"), son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido o de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito. Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados, de ahí la gran variedad de finales de carrera que existen en mercado. Los finales de carrera están fabricados en diferentes materiales tales como metal, plástico o fibra de vidrio. Entre las ventajas encontramos la facilidad en la instalación, la robustez del sistema, es insensible a estados transitorios, trabaja a tensiones altas, debido a la inexistencia de imanes es inmune a la electricidad estática. Los inconvenientes de este dispositivo son la velocidad de detección y la posibilidad de rebotes en el contacto, además depende de la fuerza de actuación. Dentro de los dispositivos sensores de final de carrera existen varios modelos: 36 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS • • • FIEE - UNAC Honeywell de seguridad: Este final de carrera está incorporado dentro de la gama GLS de la empresa Honeywell y se fabrica también en miniatura, tanto en metal como en plástico y madera,con tres conducciones metálicas muy compactas.. Fin de carrera para entornos peligrosos: Se trata en concreto de un microinterruptor conmutador monopolar con una robusta carcasa de aluminio. Esta cubierta ha sido diseñada para poder soportar explosiones internas y para poder enfriar los gases que la explosión genera en su interior. Este interruptor se acciona mediante un actuador de la palanca externo de rodillo que permite un ajuste de 360º. Set crews: Estos tipos de finales de carrera se utilizan para prevenir daños en el sensor provocados por el objeto sensado. Están compuestos por un cilindro roscado conteniendo un resorte con un objetivo de metal el cual es detectado por el sensor inductivo por lo que puede soportar impactos de hasta 20 N sin sufrir daños. Transductor: Sensor capacitivo Característica: Analógica Ver SENSORES DE PRESENCIA Transductor: Sensor inductivo Característica: Analógica Ver VELOCIDAD LINEAL Y ANGULAR Ver SENSORES DE PRESENCIA Transductor: Sensor fotoeléctrico Característica: Analógica Ver SENSORES ÓPTICOS Ver SENSOR DE LUZ SENSOR ACÚSTICO (PRESIÓN SONORA) Transductor: micrófono Característica: Analógica Los micrófonos sirven para transformar ondas sonoras en energía eléctrica, pero no todos los micrófonos realizan esta transformación de una forma fiel y precisa. El fabricante alemán Roga cuenta con sus series MI, con capacidad de detección desde tan solo 5Hz hasta 20kHz, con sensibilidad de hasta 50mV/Pa. Todo ello con salidas IEPE-ICP, USB o jack para conexión directa a PC. 37 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC SENSORES DE ACIDEZ Característica: ISFET Un ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transitor, transistor de efecto campo sensible a iones) es un sensor electroquímico que reacciona a cambios en la actividad de un ion dado. Si el cambio es en la actividad del ion hidrógeno, se habla entonces de un ISFET sensible al pH. Cuando cambia la concentración de iones (pH), también varía la cantidad de éstos que pasan a través de la membrana y van a parar a la puerta del transistor. Por tanto, también puede variar la corriente que pasa a través del transistor. Esto ocurre cuando el sensor entra en contacto con la sustancia que se desea analizar. Este dispositivo se basa en el MOSFET, estando compuesto de los siguientes elementos: • • • Una compuerta o membrana. Áreas de fuente y drenaje para la sustancia. Los materiales típicos para la compuerta son el Si3N4, Al2O3 y el Ta2O5. Su uso se encuentra en la industria química, alimenticia y ecología. 38 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC SENSOR DE LUZ Transductor: fotodiodo Característica: Analógica 39 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC Transductor: Fotorresistencia Característica: Analógica Un fotorresistor o fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas, LDR, se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor. Transductor: Fototransistor Característica: Analógica Sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor. 40 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS • • • FIEE - UNAC Un fototransistor es igual a un transistor común, con la diferencia que el primero puede trabajar de 2 formas: Como transistor normal con la corriente de base Ib (modo común). Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. Ip (modo de iluminación). Puede utilizarse de las dos en formas simultáneamente, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con el pin de la base sin conectar. Transductor: Célula fotoeléctrica Característica: Analógica Las Fotoceldas son pequeños dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a un cambio de intensidad luminosa. Las fotoceldas pueden clasificarse en fotovoltaicas o fotoconductoras. Las fotoceldas industrialmente se usan para: Detectar la presencia de un objeto opaco.- En este caso actúa ante la presencia o no presencia del objeto, es decir todo o nada, on-off. Detecta el grado de translucidez (capacidad de dejar pasar la luz) o el grado de luminiscencia (capacidad de generar luz) de un fluido o un sólido. Algunos ejemplos de variables que pueden medirse de esta forma son densidad, Tº , concentración de algún compuesto químico. La principal ventaja de los fotosensores es que no requieren contacto físico con el objeto que están detectando. SENSORES CAPTURA DE MOVIMIENTO Transductor: Sensores inerciales Un sensor inercial es un sensor que mide aceleración y velocidad angular y se utiliza en aplicaciones de captura y análisis de movimiento. Está compuesto por acelerómetros, giróscopos y magnetómetros. Los acelerómetros miden la aceleración lineal con que se mueve el sensor, los giróscopos la velocidad angular y los magnetómetros dan información acerca del norte magnético. Con estos tres sensores es posible estudiar el movimiento del sensor inercial completo en el plano o el espacio (esto depende de los ejes que posean los sensores). • • • • • • Aplicaciones Robótica (medir velocidades, aceleraciones… de cada eslabón). Air-Bag Análisis de la marcha humana. Estudios de ergonomía. Animación. 41 AUTOMATISMO Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES Docente: ING. VÍCTOR GUTIÉRREZ TOCAS FIEE - UNAC TENDENCIAS Finalmente se coloca el resumen del catalogo de BALLUFF: El constante crecimiento en estos últimos años de la demanda en tecnología de automatización ha provocado dos tendencias: una, hacia sensores sin contacto y libre de desgaste, los cuales aseguran significativamente mayor exactitud en la máquina; y la otra, desde accionamientos biestables a sensores de medición. El crecimiento en la complejidad e individualidad de las máquinas y sistemas van a continuar conduciendo la tendencia en un futuro hacia sensores de medición. Los principales fabricantes de sensores de desplazamiento y de distancia están trabajando para expandir la variedad de los principios de medición. Los nuevos principios como el de desplazamiento Magneto-Inductivo ya están en el mercado, y continuarán otros nuevos principios basados en la inducción, magnetismo, óptica y relaciones físicas. Son concebibles por ejemplo, sensores de microonda, en versiones binarias y de medición. Se anticipan avances tecnológicos también con respecto a los materiales en electrónica y óptica. Esto lleva a un inmenso rango de mejoras, exactitud y dinámica de sensores con gran flexibilidad. El aumento en la miniaturización entrega sensores con requerimientos mínimos de espacio y de alto rendimiento, así como también en detectores que ofrecen una mejor funcionalidad sin necesidad de un cuerpo más grande. Innovaciones potenciales permitirán que se incluyan ópticas de silicio y bobinas de silicio, técnicas modernas de construcción electrónica así como también ventajas en los cuerpos y en las tecnologías de montaje La gran capacidad de integración de modernos sensores de desplazamiento y de distancia es un requisito para todos los futuros logros en la construcción de máquinas y sistemas. El crecimiento en la inteligencia del sensor puede ser visto por ejemplo en su capacidad de diagnóstico y configuración. Esto irá de la mano con un crecimiento en el número de interfases de sensor intérpretes de protocolos. Al mismo tiempo se necesitará fomentar constantemente la estandarización de las interfases en el sensor y en el control. Todas estas mejoras harán que las máquinas y los sistemas se vuelvan más rápidos, flexibles, confiables y amigables. Todas estas mejoras harán que las máquinas y los sistemas se vuelvan más rápidos, flexibles, confiables y amigables. 42
