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1. EL SISTEMA DE CONTROL: ELEMENTOS
Transductores y captadores:
En cualquier sistema de control hay que identificar el proceso sobre el cual
actuar (ej: calor en el interior de un horno) y medir las variables (ej: Tª a
partir de alguna propiedad-termopar) para luego expresar el resultado de la
medida (ej: display), de esto se encargan los transductores.
Los transductores se encargan de traducir (transformar) una magnitud de
entrada en otra de salida que sea fácil de procesar, por lo general una señal
eléctrica.
Transductores es la denominación general de: sensores, detectores, captadores
o transmisores.
El concepto más genérico del transductor es el de
SENSOR, que mide el valor de una magnitud, esta
posteriormente se tiene que transformar en una
señal que se pueda manipular, función que efectúa
el TRANSMISOR.
Tanto el transductor como el captador son dispositivos
similares su diferencia radica en su posición en el
sistema de control, tanto uno como otro utilizan
sensores.
El transductor se sitúa en el inicio del sistema y
acondiciona la señal de mando
El captador coge la señal de salida y la envía al
comparador para confrontarla con la señal del
transductor.
Los comparadores proporcionan una señal al
regulador según la diferencia entre el valor de
salida y el esperado.
Los reguladores → (P, PD, PI,PDI) se encargan de las
respuestas.
Los actuadores actúan sobre el proceso según la
orden del regulador, ej: abren cierran, se pone en
marcha el motor…
2. TRANSDUCTORES
CLASIFICACIONES:
• Según la forma de la señal convertida:
– Analógicos: la señal es continua como el voltaje.
– Digitales: producen la señal de salida como un conjunto de
bits en paralelo, a pulsaciones, cada “señal” representará un
valor. Tienen la ventaja de que son compatibles con los
ordenadores, sin necesidad de DAC.
• Según la alimentación:
– Pasivos: necesitan alimentación.
– Activos: generan señal sin necesidad de alimentación
externa.
• Según la magnitud física detectada: de posición, de
proximidad, de movimiento, de presión, Tª, luz,
velocidad…
2.1 Transductores de posición
• Los transductores de posición son dispositivos
capaces de responder a una señal mecánica.
• Los microrruptores son interruptores que
obedecen a una señal mecánica externa. Se
utilizan para pequeñas potencias.
• Los pulsadores son dispositivos de accionamiento
manual capaces de transmitir una señal eléctrica.
Pueden ser de diferentes formas y se clasifican
según su campo de aplicación.
• Los finales de carrera son mecanismos que
transmiten las señales mecánicas que capta el
microrruptor.
2.2 Transductores de proximidad
• Los transductores de proximidad son dispositivos capaces de
responder con una señal frente a un objeto situado en su entorno.
• Detectores de proximidad inductivos: Son dispositivos que basan su
actuación en la acción de un campo magnético; funcionan a partir
de la variación del campo magnético producido en una bobina
detectora como consecuencia del acercamiento o del alejamiento
de un objeto.
La permeabilidad magnética es la facilidad que poseen ciertos cuerpos
para dejarse atravesar por los campos magnéticos.
a) Materiales ferromagnéticos: poseen una permeabilidad mucho
mayor que la unidad.
b) Materiales paramagnéticos: tienen una permeabilidad igual a la
unidad.
c) Materiales diamagnéticos: presentan una permeabilidad menor que
la unidad.
Funcionamiento de un detector de proximidad inductivo:
-Detectores de proximidad capacitivos: son dispositivos que basan su
actuación en la acción de un campo eléctrico. Se fundamentan en la
variación de capacidad existente entre una placa sensora y tierra.
El detector de proximidad capacitivo también puede ser utilizado para
detectar materiales conductores. En este caso, basta sustituir la
capacidad C1 por la resistencia R correspondiente al material
conductor
• Detectores de proximidad magnéticos: son los conocidos como relés o
interruptores reed. Consisten en un par de contactos ferromagnéticos
encerrados al vacío dentro de un tubo de vidrio
-Al acercarse a un campo magnético, los contactos se unen y se cierra el
circuito eléctrico en el que se encuentra el detector.
-Cuando desaparece el campo magnético, la rigidez de los contactos hace
que se separen y se abra el circuito eléctrico.
• Detectores de proximidad ópticos: es un dispositivo que responde al
cambio en la intensidad de la luz. Consta de dos elementos, un emisor y un
receptor de luz, ya sea separados o integrados en un mismo cuerpo.
2.3 Transductores de movimiento
Son los dispositivos capaces de medir la distancia entre objetos. Estudiaremos los
potenciómetros, el transformador diferencial, el medidor láser y los encoders.
• Potenciómetros: Transductores compuestos por una resistencia
variable cuyo valor depende de la posición del cursor. Un ejemplo los
controladores de volumen. Son los más sencillos pero presentan un
inconveniente pero presentan un problema de rozamiento.
Encoders:
– Son los transductores de movimiento angular. Los hay dos tipos:
incrementales y absolutos.
– Incrementales:
Consisten en un disco que dispone de dos ranuras, gira sobre un eje
y un haz de luz, que es recogido por un diodo, se sitúa en uno de
los lados. Calcula el movimiento del giro del eje.
Los encoders incrementales pueden ser unidireccionales (solo se usa una de
las ranuras) o bidireccionales (se usan las dos y permite determinar el
sentido de rotación)
– Absolutos:
Discos divididos en sectores de color blanco o negro. Funciona
mediante reflexión y proporcionan un valor absoluto.
Encoders:
– Son los transductores de movimiento angular. Los hay dos tipos:
incrementales y absolutos.
– Incrementales:
Consisten en un disco que dispone de dos ranuras, gira sobre un eje
y un haz de luz, que es recogido por un diodo, se sitúa en uno de
los lados. Calcula el movimiento del giro del eje.
Los encoders incrementales pueden ser unidireccionales (solo se usa una de
las ranuras) o bidireccionales (se usan las dos y permite determinar el
sentido de rotación)
– Absolutos:
Discos divididos en sectores de color blanco o negro. Funciona
mediante reflexión y proporcionan un valor absoluto.
2.4 Transductores de presión
Los transductores de presión, son elementos que se utilizan en los
procesos industriales, para controlar la presión a la cual está sometido
un objeto.
Tipos de transductores de presión:
– Transductores mecánicos.
– Transductores electromecánicos
– Transductores electrónicos
• Transductores electromecánicos
Son transductores mecánicos con un transductor eléctrico añadido
encargado de generar la señal eléctrica. Pueden ser de varias clases
según el tipo de funcionamiento y se clasifican en: resistivos,
magnéticos, capacitivos, extensiométricos y piezoeléctricos.
• Transductores electromecánicos resistivos:
Son los más sencillos, es basan en la variación de
resistencia que se produce en una bobina, en función
de la posición del cursor.
Esta posición depende de un muelle que actúa como
apoyo.
• Transductores electrónicos:
Son unos tipos de transductores, utilizados para trabajos,
que por algún motivo se precisa un margen de error
muy reducido, ya que estos dispositivos permiten
obtener medidas de mucha precisión.
• Transductores electromecánicos piezoeléctricos:
Se basan en la propiedad de los materiales piezoeléctricos, es decir, generan una
señal eléctrica cuando son sometidos a una presión.
Algunas de las principal características de estos dispositivos son:
-Su robusteza
-Una frecuencia de trabajo hasta los 500 kHz.
-Permiten medir un amplio rango de presiones.
2.5 Transductores de temperatura
• Existen varias formas de medir y controlar la temperatura según si el
dispositivo tienen o no contacto físico con el objeto, aquí
estudiaremos los:
– Termopares
– Termisores
– Termoresistencias
• Termopares:
Esta constituido por dos metales unidos
mediante soldadura en uno de sus
extremos, esta soldadura se denomina
unión caliente.
Se basan en la fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales
distintos por uno de sus extremos, efecto Seebeck. Cuando la unión se
calienta aparece una diferencia de potencial entre los extremos libres.
Tipos:
• Termistores:
Se basan en la variación de la resistencia
de un semiconductor con la temperatura.
Se clasifican en:
- Termistores o resistencias NTC: son de coeficiente de temperatura
negativo, es decir la R ↓ al aumentar la temperatura y viceversa.
- Termistores o resistencia PTC: son de coeficiente de temperatura
positivo, es decir R ↑ al aumentar la temperatura y R ↓ cuando la
temperatura baja.
• Termoresistencias RTD:
Están constituidas por un hilo muy fino
de un conductor metálico, bobinado entre
capas de material aislante y protegido con
un revestimiento de vidrio o de cerámica.
Para el hilo se pueden emplear platino, níquel, cobre o wolframio.
Se basan en la variación de la resistencia de un conductor con la
temperatura.
2.6 Transductores de velocidad
Son los encargados de determinar la velocidad de desplazamiento de un
objeto. Los hay de dos tipos:
• Transductores de movimiento
• Tacómetros
– Tacómetros:
• Los tacómetros mecánicos transmiten la información del
número de vueltas. Un ejemplo es el regulador industrial de
bolas.
• Los tacómetros electrónicos: generan una señal de corriente
continua (dinamos tacométricas) o una de corriente alterna
(alternadores tacométricos).
• Los tacómetros ópticos funcionan de una manera parecida a los
encoders.
2.7 Transductores de luz
Hacen uso de las radiaciones luminosas. Los
mas importantes son:
-Resistencias LDR: varían su resistencia
dependiendo de la luz que inciden sobre
ellas. Son de coeficiente de luz negativo, es
decir la R ↓ al aumentar la luz o viceversa.
-Fotodiodos: su funcionamiento se basa en la
conducción inversa de un diodo cuando éste se
somete a la acción de la luz. Al aumentar la cantidad
de luz incidente se incrementa la circulación de
corriente inversa. Cuando no hay luz se comportan
como un diodo normal.
-Fototransistores: funcionan de manera similar a la de
un transistor normal en el que la corriente que se
inyecta por la base del transistor ha sido suministrada
por la luz.
3. COMPARADORES
• Los comparadores son los elementos del sistema de control
encargados de proporcionar una señal en función de la comparación
de dos señales.
• Para comparar las señales, deben ser del mismo tipo.
• La mayoría de comparadores son eléctricos o electrónicos.
3.1 Comparadores eléctricos
• El potenciómetro lineal consiste en dos
potenciómetros unidos por uno de sus
extremos y conectados a la tensión de
alimentación.
v = Va – Vb
• En el potenciómetro angular la señal de
error es proporcional a la diferencia de los
ángulos.
e = V(∂1 - ∂2) / 2π
3.2 Comparadores electrónicos
Los comparadores electrónicos son
dispositivos que incorporan algún
componente electrónico para su
funcionamiento.
El amplificador operacional ofrece una
tensión de salida de acuerdo con:
Vs = K(Vc - Vr)
Donde el valor de K depende de las
características de cada operador.