AUTOMATIZACIÓN I Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática Área de Ingeniería de Sistemas y Automática Profesor: Antonio José Calderón Godoy 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 1 BLOQUE I: Hardware en los sistemas de automatización Tema 5. Sensores y actuadores industriales Índice: 1. 2. 3. 4. 5. 7/3/17 Introducción. Sensores industriales. Características de los sensores industriales. Sensores industriales de aplicación general. Accionamientos: a) Clasificación b) Accionamientos eléctricos. c) Accionamientos hidráulicos y neumáticos. Antonio José Calderón Godoy 2 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 1. Introducción. ELEMENTOS DEL PROCESO PARTE DE CONTROL (SUPERVISIÓN Y MANDO) PARTE OPERATIVA (DISPOSITIVOS DE CAMPO) ACCIONADOR PREACCIONADOR UNIDAD DE CONTROL PROCESO CAPTADOR Sensores de: § proximidad § posición lineal o angular § pequeños desplazam. § velocidad § fuerza, par y presión § temperatura § caudal § nivel 7/3/17 Preactuadores y actuadores: § eléctricos § hidráulicos § neumáticos § térmicos COMUNICACIÓN CON OTRAS UNIDADES DE CONTROL O CON NIVEL SUPERVISOR DIÁLOGO HOMBRE-MÁQUINA Antonio José Calderón Godoy 3 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 2. Sensores industriales. Ø Para que un sistema electrónico de control pueda controlar un proceso o producto es necesario que reciba información de la evolución de determinadas variables físicas del mismo, que en su mayoría no son eléctricas (temperatura, presión, nivel, fuerza, posición, velocidad, desplazamiento, …) Ø Los dispositivos que realizan esta función reciben diversos nombres: captador, detector, transductor, transmisor, sonda y sensor. Ø No existe una única definición de sensor aceptada de manera universal. Se considera, en general, que es todo “dispositivo que tiene algún parámetro que es función del valor de una determinada variable física del medio en el cual está situado”. Ø En general, la mayoría de los sensores pueden ser divididos en dos grandes grupos: Ø Sensores Analógicos Ø Sensores Digitales 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 4 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 2. Sensores industriales. Ø En general, convierten una señal física no eléctrica en otra eléctrica que, en algunos de sus parámetros (nivel de tensión, nivel de corriente, frecuencia, …) contiene la información correspondiente a la primera. Ø Por otra parte, es necesario utilizar circuitos de acondicionamiento con el objeto de que éste genere una señal eléctrica normalizada (ya sea por el fabricante o siguiendo pautas de organismos de normalización como IEC, IEEE, …). 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 5 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 2. Sensores industriales. Ø ¿Para qué sirven? Ø DETECTAR (Todo o nada) • • • • • • • Presencia Posición Material Color Marcas Movimiento Presión Ø MEDIR (Analógico) • • • • 7/3/17 Presión Posición Distancia Temperatura Antonio José Calderón Godoy 6 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 3. Características de los sensores industriales. Clasificación de los sensores Según el principio de funcionamiento Según el tipo de señal eléctrica que generan Según el rango de valores que proporcionan Según el nivel de integración Según el tipo de variable física medida 7/3/17 Activos La magnitud física a medir proporciona la energía necesaria Pasivos La magnitud física a medir modifica alguno de sus parámetros eléctricos característicos Analógicos Generan señales eléctricas que pueden tomar cualquier valor dentro de unos determinados márgenes Digitales Generan señales eléctricas que sólo toman un número finito de niveles o valores: Binarias Temporales Proporcionan a su salida señales eléctricas en las que la información está asociada al parámetro tiempo: senoidales o cuadradas De medida Proporcionan a la salida todos los valores posibles correspondientes a cada valor de la variable de entrada dentro de un determinado rango. Pueden ser analógicos, digitales o temporales. Todo-Nada Detectan solamente si la magnitud de la variable de entrada está por encima o por debajo de un determinado valor. Discretos Circuito de acondicionamiento realizado mediante componentes electrónicos separados e interconectados entre sí. Integrados Están construidos en un único circuito integrado monolítico o híbrido Inteligentes Tiene capacidad para realizar la mayoría de las funciones siguientes: Cálculos numéricos, comunicación en red, autocalibración y autodiagnóstico, múltiples medidas con identificación del sensor, etc. Presión, temperatura, humedad, fuerza, aceleración, velocidad, caudal, presencia y/o posición de objetos, nivel de sólidos o líquidos, desplazamiento de objetos, químicos Antonio José Calderón Godoy 7 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 3. Características de los sensores industriales. • Características de entrada de los sensores industriales • Campo o rango de medida: Conjunto de valores de la magnitud a medir que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida del sensor. • Forma de variación de la magnitud de entrada: Pueden producirse errores si la velocidad de cambio de la variable a medir se sale del margen aceptado por el sensor. • Características eléctricas • Características eléctricas de salida: Compatibilidad entre el sensor industrial y el sistema • Sensores de salida analógica: Proporcionan señales normalizadas: 0 ~10V, 1 ~ 5V, -5 ~ +5V, -10 ~ +10V, 0 ~ 20mA, 4 ~ 20mA. • Sensores de salida digital: Corriente de carga máxima (cargabilidad de salida) • Transistor NPN y resistencia de carga • Transistor NPN y colector abierto • Sensores de salida todo-nada • Sensores todo-nada de salida tipo relé; de salida electrónica; de dos, tres o cuatro hilos • Sensores de salida temporal • Características de alimentación: • Tensión de funcionamiento, ondulación residual, consumo de corriente en vacío, impedancia de salida • Características de aislamiento: resistencia de aislamiento, tensión de ruptura o rigidez dieléctrica. • Características mecánicas • Grado de protección ambiental de los sensores industriales 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 8 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 3. Características de los sensores industriales. • Características de funcionamiento • Características estáticas • • • • • • • • Exactitud Precisión, repetibilidad y reproductibilidad Calibración Histéresis Linealidad Mínimo valor medible o umbral Resolución Sensibilidad • Características dinámicas • • • • • Respuesta en frecuencia Tiempo de respuesta Tiempo de subida Constante de tiempo Amortiguamiento o sobreoscilación • Características ambientales • • • • • Efectos térmicos: Intervalos de operación y derivas térmicas Efectos de la aceleración y las vibraciones Efectos de la presión ambiental Efectos de las perturbaciones eléctricas: Interferencias Otros efectos: Humedad, corrosión, atmósfera salina, etc • Características de fiabilidad • Vida útil de un sensor y errores surgidos a causa del envejecimiento. 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 9 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. Tipo de señal Clase Finales de carrera Subclase De palanca, de émbolo y de varilla Detectores de proximidad: • Inductivos • Capacitivos • Ópticos DE POSICIÓN VELOCIDAD PRESIÓN (Fuerza aceleración...) TEMPERATURA HUMEDAD 7/3/17 Sensibles a materiales ferromagnéticos y metálicos Resto de materiales Directos con fibra óptica y con células fotoeléctricas (barrera, reflexión y proximidad) Desplazamiento lineal: • Grandes distancias • Distancias cortas • Pequeño desplazamiento Radares y ultrasonidos Potenciómetros y reglas de código continuo Bandas extensiométricas, inductivo, con devanados planos y capacitivo Desplazamiento angular Resistivos, inductivos (resolver y syncro), capacitivos y discos codificados Tacómetros, tacodinámicos, por impulsos y sistemas ópticos Mecánicos De presión absoluta, de columna de líquido Deformables: tubo Bourdon, diafragma, fuelle Electromecánicos Eléctricos, de equilibrio de fuerzas, resistivos magnéticos, capacitivos, piezoeléctricos, extensiométricos, etc. Electrónicos, para alto vacío Termorresistencias Termistores Termopares Pirómetro de radiación Láminas Cu Mecánicos térmicos, Mac Leud, ionización PTC /NTC Tipos T, J, K, E, R y S Ópticos y de radiación total Antonio José Calderón Godoy 10 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. 7/3/17 Sensores industriales de aplicación general. Antonio José Calderón Godoy 11 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. a) Interruptor. El interruptor es un elemento de maniobra, que permite abrir y cerrar el paso de la corriente eléctrica en un circuito eléctrico. Realizan un contacto que dura hasta su accionamiento en sentido contrario b) Pulsador. Es un elemento de maniobra que puede ser: normalmente abierto (NO) o normalmente cerrado (NC) . Cuando se actúa sobre un pulsador se cambia su estado normal, cuando se deja de pulsar vuelve a la situación inicial. Un pulsador normalmente abierto mantendrá el circuito abierto, excepto mientras se pulsa. Un pulsador normalmente cerrado mantendrá el circuito cerrado, excepto mientras se pulsa. Los pulsadores normalmente cerrados se emplean, en alarmas. 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 12 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. c) Finales de carrera • Los finales de carrera o sensores de contacto (también conocidos como "interruptor de límite” o limit switch), son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido 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. 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 13 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. c) Finales de carrera • Principio de funcionamiento 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 14 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. d) Detectores capacitivos • La función del detector capacitivo consiste en señalar un cambio de estado, basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. • Los sensores capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos, midiendo el cambio en la capacitancia • Los detectores capacitivos están construidos en base a un oscilador RC. Se encuentran disponibles detectores capacitivos para: ü Montajes enrasados ü Montajes no enrasados 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 15 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. e) Detectores inductivos • El sensor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un sensor de nivel de disparo de la señal y un circuito de salida. Al aproximarse un objeto "metálico" o no metálico, se inducen corrientes de histéresis en el objeto. Debido a ello hay una pérdida de energía y una menor amplitud de oscilación. El circuito sensor reconoce entonces un cambio específico de amplitud y genera una señal que conmuta la salida de estado sólido o la posición "ON" y "OFF". 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 16 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. e) Detectores inductivos • Estados de un sensor inductivo. Histéresis Distancias de sensado 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 17 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. g) Detectores fotoeléctricos: infrarrojo • El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender. La señal enviada por el emisor puede ser codificada para distinguirla de otra y así identificar varios sensores a la vez. Esto es muy utilizado en la robótica, en casos en que se necesita tener más de un emisor infrarrojo y sólo se quiera tener un receptor. • Los sensores infrarrojos pueden ser: 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 18 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. h) Detectores ultrasónicos • Los sensores ultrasónicos tienen como función principal la detección de objetos a través de la emisión y reflexión de ondas acústicas. • Funcionan emitiendo un pulso ultrasónico contra el objeto a detectar, y al detectar el pulso reflejado, se para un contador de tiempo que inició su conteo al emitir el pulso. 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 19 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. i) Detector magnético • Detectan los objetos magnéticos (imanes generalmente permanentes) que se utilizan para accionar el proceso de la conmutación • Se aplican fundamentalmente en la detección de posición de cilindros neumáticos. • El imán permanente fijado en el pistón del cilindro neumático satura con su campo magnético el núcleo de la bobina del detector. • De esta forma se varía la corriente que circula por un circuito oscilante. • Esta variación la detecta un circuito que la transforma en una señal de conmutación. 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 20 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. j) Encoder • Un encoder es un codificador rotatorio, también llamado codificador del eje, suele ser un dispositivo electromecánico, utilizado para convertir la posición angular de un eje a un código digital, lo que lo convierte en una clase de transductor. • Estos dispositivos se utilizan en robótica, en lentes fotográficas de última generación, en dispositivos de entrada de ordenador (tales como el ratón), etc. • Se utilizan como transductores de posición y velocidad • Hay dos tipos principales: absoluto y relativo o incremental. • Encoder incremental • Un encoder incremental es un dispositivo que transforma un movimiento rotatorio en pulsos digitales. 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 21 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. j) Encoder • Encoder absoluto • Un encoder absoluto produce un código digital único para cada ángulo distinto del eje. • Los encoders absolutos no pierden la posición real cuando se corta la alimentación. • El principio de funcionamiento de un encoder absoluto es muy similar al de un encoder incremental en el que un disco que gira, con zonas transparentes y opacas interrumpe un haz de luz captado por fotorreceptores. 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 22 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. k) Sensores de temperatura • La medida de la temperatura es una de las funciones más comunes en cualquier proceso. • Clasificación en función de la señal entregada: • Continuos: Sondas de temperatura. ü Proporciona una información eléctrica proporcional a la temperatura que existe en el lugar • Discretos: Termostatos ü Proporciona dos valores eléctricos: uno para cuando la temperatura es superior a un valor prefijado y otro cuando la temperatura es inferior. ü Suelen tener una brecha diferencial para separar ambos puntos de conmutación. ü Proporcionan una salida de relé libre de tensión. • Clasificación en función de su principio de funcionamiento (elemento sensor): • Pares termoeléctricos • Termorresistencias • Termistores • El empleo de éstos vendrá establecido por factores económicos, de fiabilidad, de margen de medidas y de instalación. 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 23 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. k) Sensores de temperatura • 7/3/17 Pares termoeléctricos ü Se basan en el efecto termoeléctrico (Seebeck) y se forman por la unión de dos metales de distinta naturaleza por sus extremos. ü Se crea un circuito en el que existen dos uniones: fría o de referencia y caliente o de medida ü La selección de los metales que constituyen el termopar da lugar a los distintos tipos de sensores. Antonio José Calderón Godoy 24 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. k) Sensores de temperatura • Termorresistencias (RTD) ü Son sensores construidos a base de metales conductores de la electricidad. ü Se basan en la variación de la resistencia con la temperatura ü Los materiales suelen ser: Níquel-Cobre, Platino y Wolframio ü Se acoplan mediante acondicionadores basados en puentes de Wheatstone ü Las más conocidas son las sondas PT100, PT500 y PT1000 (la cifra indica el valor de la resistencia del sensor a 0ºC) Medida a 2 hilos Medida a 3 hilos Medida a 4 hilos 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 25 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. k) Sensores de temperatura • • 7/3/17 Termistores (NTC ó PTC) ü Sensores fabricados con material semiconductor cuya resistencia varía con la temperatura ü Dos tipos: • Termistores tipo NTC (Coeficiente de temperatura negativo) • Termistores tipo PTC (Coeficiente de temperatura positivo) Sensores de temperatura integrados (LM35) ü Sensores fabricados en un circuito integrado (IC) ü Produce una tensión proporcional a la temperatura (10 mV/ºC) Antonio José Calderón Godoy 26 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. l) Sensores de luz • Los sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida representativa respecto a la cantidad de luz detectada. Un sensor de luz incluye un transductor fotoeléctrico para convertir la luz a una señal eléctrica y puede incluir electrónica para acondicionamiento de la señal, compensación y establecer el formato de la señal de salida. Tipos: • • • • • 7/3/17 LDR (Light Dependant Resistor o Resistencia Dependiente de la Luz) o célula fotoeléctrica. Una LDR es básicamente un elemento semiconductor que modifica su resistencia cuando cambia la intensidad de la luz. Fotodiodo: Un fotodiodo es una unión PN. Cuando una luz de suficiente energía llega al diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. Célula fotovoltaica o fotocélula: es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el efecto fotovoltaico. Antonio José Calderón Godoy 27 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 4. Sensores industriales de aplicación general. m) Sensores de humedad • Clasificación en función de la señal entregada: • Continuos: Sondas de humedad. • Discretos: Humidostatos • Clasificación en función de su principio de funcionamiento (elemento sensor): • Sensores resistivos: Los sensores de humedad resistivos están hechos sobre una delgada tableta de un polímero capaz de absorber agua, sobre la cual se han impreso dos contactos entrelazados de material conductor metálico o de carbón. • Por efecto capacitivo. Fundamentado en el efecto capacitivo que se establece entre un alambre de aluminio revestido con una capa higroscópica y una fina capa de oro poroso que lo recubre. La capacidad depende de la capa higroscópica que produce el efecto dieléctrico. • Por variaciones dimensionales. Funcionamiento basado en el cambio de longitud que sufren ciertas fibras orgánicas o sintéticas cuando varía la humedad relativa del aire. • De cloruro de litio. Método de medida indirecta basado en la variación de la conductividad de una solución con este compuesto (muy higroscópico) aplicada sobre un electrodo. 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 28 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 5. Accionamientos Ø Para que un sistema electrónico de control pueda controlar un proceso o producto es necesario que pueda actuar sobre el mismo. Ø Los dispositivos que realizan esta función reciben diversos nombres, entre ellos: accionamientos y actuadores. Ø No existe una única definición de actuador aceptada de manera universal. Se considera, en general, que es todo “dispositivo que convierte una magnitud eléctrica en una salida, generalmente mecánica, que puede provocar un efecto sobre el proceso automatizado”. Ø Tipos de accionamientos más comunes en la industria: • Eléctricos • Neumáticos • Hidráulicos 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 29 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 5. Accionamientos: Clasificación Tecnología Accionadores Preaccionadores - Motores de velocidad constante o variable - Válvulas eléctricas de flujo (electroválvulas) - Resistencias de calentamiento - Cabezas de soldadura, etc - Contactores (relés) Neumática - Cilindros neumáticos - Distribuidores Hidráulica - Cilindros o motores hidráulicos - Distribuidores Eléctrica 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy - Variadores de velocidad 30 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 5. • Accionamientos: Accionamientos eléctricos. Relés: • • • 7/3/17 El relé es un dispositivo de conmutación. Una de las principales ventajas de un relé sobre un simple interruptor es que permite operaciones remotas. Un relé al que se acciona con una baja tensión y baja corriente puede controlar un circuito de alto voltaje o elevada corriente. El relé realiza también las funciones de un amplificador de potencia, pues, con una acción muy pequeña, que consiste simplemente en permitir el paso de una pequeña corriente, produce a su vez una acción superior, al activar el electroimán que mueve el interruptor de control de una gran corriente o tensión. Es decir, con una pequeña potencia, podemos controlar el funcionamiento de una gran potencia. Por supuesto que el relé no aporta energía. La energía la aporta la fuente de alimentación controlada por el relé. Pero éste es el caso general de la mayoría de amplificadores. La gran potencia la aporta un elemento exterior que es la fuente de alimentación. Los relés se emplean para controlar potencias altas con señales débiles, por lo que se puede considerar como un actuador; pero el relé es algo más que un actuador: se puede emplear como: elemento de enclavamiento, elemento de memoria, inversor, o para relacionar varias señales eléctricas. Antonio José Calderón Godoy 31 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 5. • Accionamientos: Accionamientos eléctricos. Tipos de relés: Relés electromecánicos ü Básicamente se trata de un interruptor que está accionado por una corriente eléctrica que produce un campo magnético. Relés de estado sólido ü Circuito de Entrada o de Control: que puede activarse por C.C. o por C.A, normalmente utilizado en optoacoplador ü Utilizan como elementos de conmutación transisores y TRIACS. 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 32 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 5. • Accionamientos: Accionamientos eléctricos. Motores: ü Motor de corriente continua • Excitación en serie • Excitación en paralelo ü Motor de corriente alterna (asíncrono, jaula de ardilla) • Control con variador de frecuencia (No usual) ü Motor de corriente alterna (rotor bobinado) • Control con variador de frecuencia ü Motor paso a paso: posicionamientos con precisión • Tecnología bipolar • Tecnología unipolar ü Servomotores: Trabajan con un amplificador que controla su funcionamiento. • Servomotor brushless DC • Servomotor brushless AC 7/3/17 Antonio José Calderón Godoy 33 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 5. Accionamientos: Accionamientos hidráulicos y neumáticos. • Actuadores neumáticos: Ø Componentes básicos de un sistema neumático: • Compresores y depósitos de aire • Sistemas de preparación del aire comprimido: Regulador, lubricador y filtro de aire comprimido • Actuadores neumáticos: Cilindros con o sin vástago, con membrana (músculo), ventosas, etc • • 7/3/17 Válvulas neumáticas: Distribuidores neumáticos Otros elementos y accesorios … Antonio José Calderón Godoy 34 SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES 5. • 7/3/17 Accionamientos: Accionamientos hidráulicos y neumáticos. Actuadores neumáticos: Antonio José Calderón Godoy 35
