Sensores y actuadores

5/10/2018 Sensores y actuadores - slidepdf.com

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SENSORES Y ACTUADORES

7.1 Introducción

Tal como se ha dicho en los capítulo anterior es la cadena de realimentación resulta

imprescindible en muchos automatismos industrial es para poder realizar un control en ellazo cerrado, con las conocidas ventajas en cuanto a la cancelación de errores yposibilidades de regulación precisa y rápida. A su vez, dicha cadena de realimentaciónrequiere unos elementos de captación de las magnitudes de la planta, a los que llamamosgenéricamente censores o transductores y unos circuitos adaptadores llamados circuitos deinterfaz.

Por otro lado, es evidente la necesidad de algunos accionamientos o elementos queactúan sobre la parte de potencia de la planta. La potencia necesaria para actuar sobre losaccionamientos puede ser considerable y a veces no puede ser suministrada directamentepor el sistema recontrol. En tales casos, se requieren unos elementos intermediosencargados reinterpretar las señales recontrol y actuar sobre la parte de potenciapropiamente dicha. Dichos elementos se denominan habitualmente preaccionamientos y

cumplen una función de amplificadores, ya sea para señales analógicas o para señalesdigitales.

En el presente capitulo nos centraremos en el estudio de los censores yfraccionamientos ligados a sistemas de control de equipo eléctrico o electrónico,básicamente autómatas programables. En definitiva, nos ocuparemos básicamente deaquellos sensores cuya salida es una señal eléctrica o electromagnética y de lospreaccionamientos gobernados por señales eléctricas.

También es habitual que los sensores adquieran una adaptación de la señal eléctricaque suministra para que sean conectáble a un determinado sistema de control. Esta funciónla realízalos bosques de interfaz, que pueden ser totalmente independientes del sensor oestar parcialmente incluidos en él. En cualquier caso, en las descripciones que vamos a dar aquí, pretendemos aclarar especialmente el principio del funcionamiento del captador propiamente dicho e incluiremos únicamente la parte de interfaz que incorporenhabitualmente los sensores disponibles comercialmente. Los circuitos de interfaz estándar se estudiaran en mayor detalle en el capitulo 8.

7.2 SENSORES CLASIFICACIONLos términos <<censor>> y <<tranductor>> se suelen aceptar como sinónimos, aunque, sihubiera que hacer alguna distinción, en el término transductor es quizás más amplio,incluyendo una parte sensible o << captador>> propiamente dicho y algún tiempo decircuito descondicionamiento de señal detectada. Si nos centramos en el estudio de lostransductores cuya salida es una señal eléctrica, podemos dar la siguiente definición:

<<Un transductor es un dispositivo capaz de convertir el valor de una magnitud físicaen una señal eléctrica codificada ya sea una forma analógica o digital>>

No todos los transductores tienen porque dar una salida en forma de señal eléctricacomo ejemplo puede valer el caso de un termómetro basado en la diferencia de dilataciónde una lamina metálica, donde la temperatura se convierte directamente en undesplazamiento de una aguja picadora.

Sin embargo, el termino transductor suele asociarse bastante a dispositivos cuyasalida es a una magnitud eléctrica o magnética y, por otro lado, nos interesa aquí solo estetipo de transductores, en la medida que son elementos conectables a autómatasprogramables a través de las interfases adecuadas.

Limitándonos pues, a los transductores basados en fenómenos eléctricos o

magnéticos, estos suelen tener una estructura general consola que se muestra en la figura7.1, en la cual podemos distinguirlas siguientes partes:

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• Elemento sensor o captador. Convierte las variaciones de una magnitud físicaen variaciones de una magnitud eléctrica o magnética que denominaremoshabitualmente señal.

• Bloque de tratamiento de señal. Si existe, suele filtrar, amplificar, linealizar y, engeneral modifican la señal obtenida en el captador, por regla general utilizando

circuitos electrónicos.• Etapa de salida. Esta etapa comprende los amplificadores, interruptores,

conservadores de código, transmisores y, en general, todas aquellas partes queadaptan la señal a las necesidades de la caga exterior.

Figura 1

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Podemos dar varias clasificaciones de transductores de todo tipo eléctrico omagnético, atendiendo diversos puntos de vista que vamos a repasar a continuación.

CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE SEÑAL DE SALIDA.Atendiendo la forma de codificar la magnitud medida podemos establecer unaclasificación en:

- Analógicos: Aquellos que dan como salida un valor de tensión o corriente variableen forma continua dentro del campo de medida. Es frecuente que este tipo de transductoresque incluyan una etapa de salida para suministrar señales normalizadas 0-10 V o 4-20 mA.

-Digitales: Son aquellos que dan como salida una señal codificada en forma depulsos o en forma de una palabra digital codificada en binario, BCD u otro sistemacualquiera.

-Todo – nada: indican únicamente cuando la variable detectada rebasa un ciertoumbral o limite. Pueden considerarse como un caso limite de los censores digitales en el

que codifican solo dos estados.

MAGNITUD DETECTADA TRANSDUCTOR CARACTERISTICASPosición lineal o angular Potenciómetro

EncodersSincro y resolver

AnalógicoDigitalAnalógicos

Pequeñosdesplazamientos odeformaciones

Transformador diferencialGalga extensométrica

AnalógicoAnalógico

Velocidad lineal o angular Dinamo tacométricaEncodersDetector inductivo u óptico

AnalógicoDigitalDigitales

Aceleración Acelerómetrocensor de velocidad +calculador

AnalógicoDigital

Fuerza y par Medición indirecta (galgaso trafos diferenciales)

Analógicos

Presión Membrana + detector dedesplazamiento

Piezoeléctricos

Analógicos

AnalógicosCaudal De turbinaMagnético

AnalógicosAnalógicos

Temperatura Termopar Resistencias PT100Resistencias NTCResistencias PTCBimetálicos

AnalógicoAnalógicoAnalógicoTodo – nadaTodo – nada

censores de presencia oproximidad

InductivosCapacitivosÓpticosUltrasónicos

Todo – nada o analógicosTodo – nadaTodo – nada o AnalógicosAnalógicos

censores táctiles Matriz de contactosMatriz capacitivapiezoeléctrica u ópticaPiel artificial

Todo – nadaTodo – nada

AnalógicoSistemas de visiónartificial

Cámaras de video ytratamiento de imagenCámaras de CCD

Procesamiento digital por puntos o pixels

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Otro criterio de clasificación relacionado con la señal de salida, es el hecho de que elcaptador propiamente dicho requiera o no una alimentación externa para su funcionamiento.En el primer caso se denominan censores pasivos y en el segundo caso activos o directos.

Los censores pasivos se basan, por lo general, en la modificación de la impedanciaeléctrica o magnética de un material bajo determinadas condiciones físicas y químicas(resistencias, capacidad, inductancia, reluctancia, etc.). Este tipo de censores, debidamentealimentados, provoca cambios de tensión o de corriente en un circuito, los cuales sonrecogidos por el circuito de interfaz.

Los censores activos son en realidad generadores eléctricos, generalmente depequeña señal. Por ello no necesita alimentación exterior para funcionar, aunque si suelennecesitarla para amplificar la débil señal del captador.

CLASIFICACION SEGÚN LA MAGNITU FÍSICA A DETECTAR.

En cuanto a la naturaleza de la magnitud física a detectar, existe una gran variedadde censores en la industria. En la tabla 7.1 se da un resumen de los mas frecuentesutilizados en los automatismos industriales. Obsérvese que en la columna encabezada

como <<TRANSDUCTOR>> aparece a veces el nombre del elemento captador de dichotransductor, sobre todo en casos de medición indirecta. Así por ejemplo, para fuerza y par se utilizan captadores de deformación unidos a piezas elásticas eléctricas.

En general, los principios físicos en los que suelen estar basados los elementoscensores son los siguientes:

- cambios de resistividad.- Electromagnetismo (inducción electromagnética)- Piroelectricidad.- Efecto fotovoltaico.- Termoelectricidad.

7.3 CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS SENSORES

El comportamiento de un sistema de lazo cerrado depende muy directamente de lostransductores e interfases empleados en el lazo de realimentación. Es mas, tal como se havisto en el capitulo 3 la relación salida/entrada en régimen permanente depende casiexclusivamente del bucle de realimentación, así pues, dejando a la do las característicasconstructivas particulares de cada transductores o de cada sistema de medida previstocomo lazo de realimentación, es importante conocer diversos aspectos genéricos de sucomportamiento a fin de prever o corregir la actuación tanto estática como dinámica de lazode control.

Un transductor ideal seria aquel en que la relación entre la magnitud de salida y lavariable de entrada fuese puramente proporcional y de respuesta instantánea e idénticapara todos los elementos de un mismo tipo. Sin embargo, la respuesta real de lostransductores nunca es del todos lineal, tiene un campo limitado de validez, suele estar afectada por perturbaciones del entrono del exterior y tiene un cierto retardo a la respuesta.

Para definir el comportamiento real de los transductores se suelen comparar estos conun modelo ideal de comportamiento o con un transductor <<patrón>> y se define una seriede características que pone en manifiesto las relaciones respecto a dicho modelo. Dichascaracterísticas pueden agruparse en dos grandes grupos:

- Características estáticas: que describen la actuación del censor en régimenpermanente o con cambios muy lentos de la variable a medir.

- características dinámicas: que describen la actuación del censor en régimen

transitorio, a base de dar una respuesta temporal ante determinados estímulosestándar o a base de identificar el comportamiento del transductor como sistemaestándar como los estudiamos en el capitulo 3 e identificar las constantes de tiemporelevantes.

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A continuación se dan las definiciones de las características estéticas y dinámicas másrelevantes que suelen aparecer en la mayoría de las especificaciones técnicas de lostransductores.

7.3.1 Características estáticas

CAMPO DE MEDIDAEs el rango de valores en la magnitud de entrada comprendiendo entre el máximo y

el minimo detectables por un censor, con una tolerancia aceptable.

RESOLUCIONIndica la capacidad del censor para descirbir entre valores muy próximos de la

variable de entrada. Se mide por la mínima diferencia entre dos valores próximos que elcensor es capaz de distinguir.

PRESICIONLa precisión define la máxima desviación entre la salida real obtenida de un censor

en determinadas condiciones de entorno y el valor teórico de dicha salida quecorrespondiera, en idénticas condiciones, según el modelo ideal especificado como patrón.Se suele indicar en valor absoluto de la variable en entrada o en porcentaje sobre el fondode escala de salida.

REPETIBILIDADCaracterísticas que indica la máxima desviación entre valores de salida obtenidos al

medir varias veces un mismo valor de entrada, con el mismo censor y en idénticascondiciones ambientales. Se suele expresar en porcentaje referido al fondo de escala y dauna indicación del error aleatorio del censor.

LINEALIDADSe dice que un transductor es lineal si existe una constante de proporcionalidadúnica que relaciona los incrementos de señal de salida con los correspondientesincrementos de señal de entrada, en todo el campo de medida. Lo no linealidad se mide por la máxima desviación entre la respuesta real y la característica puramente lineal, referida alfondo de escala.

SENCIBILIDADCaracterística que indica la menor variación de la salida por unidad de la magnitud

de entrada. Un censor es tanto mas sensible cuanto mayor sea la variación de la salidaproducida por una determinada variación de entrada. La sensibilidad se mide, pues, por larelación:

Δ magnitud de salida

Δ magnitud de entrada

Obsérvese que para que para transductores lineales esta relación es constante entodo el campo de medida, mientras que en un transductor de respuesta no lineal dependedel punto en que se mida.

RUIDOSe entiende por ruido cualquier perturbación aleatoria que del propio transductor o

del sistema de medida, que produce una desviación de la salida con respecto al valor teórico.

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Sensibilidad =



HISTÉRISISSe dice que un transductor presenta histérisis cuando, a igualdad de la magnitud de

entrada, la salida depende de dicha entrada se alcanzo con aumentos en sentido crecienteo en sentido decreciente. Se suele medir en términos de valor absoluto de la variable física

o en porcentaje sobre el fondo de escala. Obsérvese que la histérisis puede no ser constante con todo el campo de medida.En el caso de censores todo – nada se denomina histéresis a la diferencia entre el

valor de entrada que provoca el basculamiento de 0 1 y aquel que provoca elbasculamiento inverso de 1 0.

Obsérvese la clara diferencia entre los términos resolución, precisos, repetibilidad y sensibilidad, términos que suelen confundirse a veces, incluso en alguna bibliografía.

7.3.2 Características dinámicas

La mayor parte de transductores tienen un comportamiento dinámico que se puedeasimilar a un sistema de primer o segundo orden, es decir, con una o máximo, dosconstantes de tiempo dominantes. Los principales parámetros que caracterizan elcomportamiento dinámico de un transductor será, pues, los que se definen para estos tiposde sistemas. Solo cabe destacar que los transductores que responden a modelos desegundo orden suelen ser sistemas sobre amortiguados, es decir, sistemas en los que nohay rebasamiento de en la respuesta al escalón. A continuación damos un resumen de lascaracterísticas dinámicas más importantes:

VELOCIDAD DE RESPUESTALa velocidad de respuesta mide la capacidad de un transductor para que la señal de

salida siga sin retraso las variaciones de la señal de entrada. La forma de cuantificar esteparámetro es a base de una o más constantes de tiempo, que suelen obtenerse de larespuesta al escalón. Los parámetros más relevantes empleados en la definición de lavelocidad de respuesta son los siguientes:

Tiempo de retardoEs el tiempo transcurrido desde la aplicación del escalón de entrada asta que la salidaalcanza el 10 % de su valor permanente.

Tiempo de subidaEs el tiempo transcurrido desde que la salida alcanza un 10 % de su valor permanente hastaque llega por primera vez al 90 % de dicho valor.

Tiempo de establecimiento al 99 %Es el tiempo transcurrido desde la aplicación de un escalón de entrada hasta que larespuesta alcanza el régimen permanente, con una tolerancia de +- 1 %.

Constante de tiempoPara un transductor con respuesta de primer orden se puede determinar la constante detiempo a base de medir el tiempo empleado para que la salida alcance el 63% de su valor de régimen permanente, cuando a la entrada se le aplica un cambio de escalón.

RESPUESTA FRECUENCIALRelación entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada es una excitación

senoidal. Se suele identificar gráficamente mediante un grafico de Bode.

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ESTABILIDAD Y DERIBADASCaracterísticas que indican la desviación de la salida del censor al variar ciertos

exteriores distintos del que se puede medir, tales como condiciones ambientales,alimentación u otras perturbaciones.

7.4 TRANSDUCTORES DE POSICION: CONCEPTOS GENERALES

Los transductores de posición permiten medir la distancia de un objeto respecto a unpunto o eje de referencia o simplemente detectar la presencia de un objeto a una ciertadistancia. Precisamente su capacidad de medida o solo indicación de presencia y lacapacidad de medir distancias más o menos grandes permiten establecer una división en losgrupos que se citan a continuación:

- detectores de presencia o proximidad. Se trata de censores de posición todo – nadaque entregan una señal binaria que informa de la existencia o no de un objeto anteel detector. El más elemental de estos censores es quizás el conocido interruptor

final de carrera por contacto mecánico.- Medidores de distancia o posición. Entregan una señal analógica o digital que

permite determinar la posición lineal o angular respecto a un punto o eje dereferencia.

- Transductores de pequeñas transformaciones. Se trata de censores de posiciónespecialmente diseñados para detectar pequeñas deformaciones o movimientos.Muchas veces se emplean adosados a piezas elásticas o con palpadores comotransductores indirectos de fuerza o de par.

7.5 DETECTORES DE PROXIMIDAD

7.5.1 Conceptos generales

Los detectores de proximidad pueden estar basados en distintos tipos de captadoressiendo los mas frecuentes los siguientes:

- Detectores Inductivos.- Detectores Capacitivos.- Detectores Ópticos.- Detectores Ultrasónicos

Por lo general, se trata de censores con respuesta todo – nada, con una cierta histéresis en

la distancia de detección y con salida a base de interruptor estático (transistor, tiristor o triac), pudiendo actuar como interruptores de CC o de CA. Pero algunos de ellospueden llegar a dar una salida analógica proporcional a la distancia. En tal caso, loestudiaremos como verdaderos medidores de posición.

Atendiendo al tipo de alimentación (CC o CA), al tipo de salida y a la forma deconexión podemos clasificar los detectores de proximidad en diferentes grupos(figura 7.2).

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Figura 7.2

CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE SALIDA.

-Detectores todo-nada de CA. Se trata de detectores cuya salida es un interruptor estático de CA a base de tiristores o triacs. Por lo general, no pueden utilizarse masque para CA, ya que para CC una vez cebados no desenganchan.-Detectores todo-nada de CC . Se trata de detectores cuya salida suele ser untransistor PNP o NPN. Precisamente el tipo de transistor determina la forma deconexión de la carga.-Detectores Namur . Detectores de tipo inductivo previsto para funcionamiento enatmósferas explosivas, según recomendaciones NAMUR (DIN 19.234). Son

detectores de dos hilos que absorben una intensidad alta o baja dependiendo de lapresencia o no del objeto detectado. La actuación puede considerarse todo o nadacon una histéresis , igual que los tipos mencionados anteriormente. En general seusan como captador en atmósferas explosivas y la señal que generan se conecta aun amplificador externo con relé de salida-Detectores con salida analógica. Los detectores con salida analógica dan unacorriente proporcional a la distancia entre el cabezal detector y el objeto a detectar.La conexión suele ser a dos hilos y permite detectar un rango de distancias limitado.Los de tipo inductivo y capacitivo tienen una linealidad y una resolución bastantepobres, que hacen que no puedan emplearse como verdaderos medidores dedistancia. Únicamente los de tipo óptico y ultrasónico pueden detectar distanciasconsiderables con una resolución aceptable.

CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE CONEXIÓN.

-Conexión a dos hilos. El sensor se conecta en serie con la carga, como si se tratarade un interruptor electromecánico. Esta conexión es habitual para los detectores deCA. Los sensores NAMUR siguen también una conexión de dos hilos, aunque como

se ha dicho no son propiamente interruptores, sino que precisan de un circuitoauxiliar externo.-Conexión a tres hilos. Ésta es la más frecuente para los detectores de CC consalida por transistor. Se tiene un hilo común para alimentación y carga y los otros

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dos son diferenciados uno para la alimentación y otro para la carga. El hilo comúndebe conectarse al terminal negativo de la alimentación para transistores PNP y alterminal positivo para los de tipo NPN-Conexión a cuatro o cinco hilos. Se suele emplear para detectores de CC. Empleandos hilos para la alimentación, y otros dos (o tres, en montaje conmutado)

corresponden al contacto de salida para control de la carga.

CARACTERÍSTICAS DE SALIDA.

Como se ha dicho, los detectores de proximidad suelen tener salida estática a basede tiristores o transistores. Este tipo de conmutadores presentan siempre una caídade presión residual en el estado cerrado y una corriente de fugas en el estadoabierto. Esto implica que no pueden trabajar por debajo de una cierta tensión dealimentación y que requieren una mínima corriente de carga para asegurar unabuena conmutación.Desde el punto de vista de su aptitud para ser usados como elementos de mando en

los autómatas, una excesiva corriente de fugas puede ocasionar problemas deinterpretación de nivel alto de entrada cuando en realidad el interruptor estádesactivado. Por ello, los detectores con excesiva corriente de fugas no son aptospara accionar las entradas de los autómatas.

7.5.2 Detectores inductivos

Este tipo de detectores sirven para detectar la proximidad de piezas metálicas en unrango de distancias que va desde 1 mm a unos 30 mm, con una posible resolucióndel orden de décimas de milímetro. La ejecución mecánica y eléctrica estánormalizada a nivel europeo por CENELEC (normas EN 50.032, EN 50.036, EN50.037, EN 50.038)Mecánicamente las mencionadas normas definen varios tipos (figura 7.3):-Forma A cilíndrica roscada con diámetros normalizados de M8, M12, M18 y M30.Existen, además, otros tipos sin rosca con tamaños de diámetro de 4 a 5 mm. A suvez, todos ellos pueden ser de tipo enrasable o no enrasable, dependiendo de si sepuede o no enrasar el cabezal detector en metal.-Forma C de paralelepípedo con cabeza orientable. Generalmente son utilizadospara distancias grandes.

A nivel de bloques están formados por un circuito oscilador L-C con alta frecuencia

de resonancia. La bobina está construida sobre un núcleo de ferrita abierto en formade “pot-core” (ver detalle en la figura 7.4), de forma que el flujo se cierra en la partefrontal a través de la zona sensible. La presencia de metal dentro de dicha zonasensible altera la reluctancia del circuito magnético, atenúa el circuito oscilante yhace variar la amplitud de oscilación. La detección de dicha amplitud permiteobtener una señal de salida todo-nada.La distancia de detección está definida según norma para una placa cuadrada deacero ST57 de 1 mm de espesor y de dimensiones acordes al diámetro del cabezalsensible. Para otrostipos de metal y otras dimensiones la distancia nominal de detección debe corregirsecon un factor de valor entre 0,4 a 0,6 y 1.

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Figura 7.3 Formas constructivas de los detectores de proximidad

La variación de amplitud de la oscilación, provocada por la presencia de metal frenteal cabezal detector, puede utilizarse para obtener una señal analógica de posición.El detector de proximidad da entonces una señal que es proporcional a la distancia.

Sin embargo, la medida es muy imprecisa, depende mucho del tipo de metal y de lascondiciones ambientales.

El campo de aplicación más importante de los detectores inductivos es comointerruptores final de carrera con algunas ventajas con respecto a loselectromecánicos, tales como: ausencia de contacto con el objeto a detectar,robustez mecánica, resistencia a ambientes agresivos y altas temperaturas y bajoprecio.

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Figura 7.4 Diagrama de bloques y detalle del núcleo captador de los detectoresde proximidad inductivos.

7.5.3 Detectores capacitivos

El principio de funcionamiento y las características son análogas a las descritas paralos detectores inductivos, pero en este caso el elemento sensible es el condensador del circuito oscilante, formado por dos aros metálicos concéntricos situados en lacara sensible, y cuyo dieléctrico es el material de la zona sensible.Este tipo de sensores permiten detectar materiales metálicos o no, pero susensibilidad se ve muy afectada por el tipo de material y por el grado de humedadambiental y del cuerpo a detectar. Por ello se utilizan exclusivamente comodetectores todos- nada, con una repetitibilidad bastante dependiente de lascondiciones ambientales.Para paliar el problema de dependencia de la sensibilidad con el tipo de material, se

suelen construir con un ajuste de sensibilidad que permite utilizarlos para ladetección de algunos materiales entre otros (por ejemplo, aluminio entre cobre ylatón). Las aplicaciones típicas son , sin embargo, la detección de materiales nometálicos como vidrio, cerámica, plástico, madera, aceite, agua, cartón, papel, etc.En cuanto a las formas de ejecución mecánica, tipos de alimentación y formas deconexión son idénticas a las de los detectores inductivos.

7.5.4 Detectores ópticos

Los detectores ópticos emplean fotocélulas como elementos de detección. Algunostipos disponen de un cabezal que incorpora un emisor de luz y la fotocélula de

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detección, actuando por reflexión y detección del haz de luz reflejado sobre el objetoque se pretende detectar. Otros tipos trabajar a modo de barrera y están previstospara detección a mayores distancias con fuentes luminosas independientes delcabezal detector. Ambos tipos suelen trabajar con frecuencia luminosas en la gamade los infrarrojas.

Las características particulares de los detectores de proximidad ópticos, respecto aotros detectores de proximidad son:

-Elevada inmunidad a perturbaciones electromagnéticas (EMI) externas.-Distancias de detección grandes respecto a los inductivos o capacitivos. Seobtienen fácilmente hasta 500 m en modo barrera, y hasta 5 m por reflexión.-Alta velocidad de respuesta y frecuencia de conmutación.-Capaces de detectar objetos del tamaño de décimas de milímetro.

Existen algunas variantes de detectores ópticos previstas para aplicacionesespeciales. Por ejemplo, para ambientes muy iluminados pueden emplearse

barreras ópticas basadas en detección de luz polarizada. El emisor emite luzpolarizada contra una placa receptora que hace girar el plano de polarización 90º yla devuelve hacia el detector, previsto para recibirla en el plano vertical. Cualquier objeto, incluso reflectante, que se interponga entre el emisor y el reflector serádetectado, puesto que no girará el plano de polarización del haz luminoso.Otra variante de detectores ópticos son los de fibra óptica, que tienen los puntos deemisión/ recepción de luz separados de la unidad generadora, unidos a ellosmediante la fibra. De esta forma, la detección puede llevarse a puntos inaccesiblespara las fotocélulas de barrera o reflexión, aprovechando la flexibilidad de la fibra.Estos detectores, disponibles en versiones de reflexión y de barrera, tienendistancias de detección de 3 mm a 10 metros, pudiendo detectar objetos muypequeños, como marcas de 1 mm sobre piezas que se mueven a gran velocidad (30m/ s), u objetos estáticos de hasta unas 20 micras de diámetro.La figura 7.5 muestra algunos de los tipos de fotocélulas de barrera y de reflexión.Existen también variantes de detectores ópticos con salida analógica, aunque suelentener problemas de falta de repetibilidad frente a cambios de iluminación ambiental,ambientes polvorientos y otras condiciones el entorno.La figura 7.6 muestra la respuesta típica de uno de dichos detectores con salidaanalógica

7.5.5 Detectores ultrasónicos

Estos detectores están basados en la emisión-recepción de ondas ultrasónicas.Cuando un objeto interrumpe el haz, el nivel de recepción varía y el receptor lodetecta.Como ventaja frente a las fotocélulas, los detectores ultrasónicos pueden detectar con facilidad objetos transparentes, como cristal y plástico, materiales que ofrecendificultades para la detección óptica.Sin embargo, y dado que estos detectores utilizan ondas ultrasónicas que semueven por el aire, no podrán ser utilizados en lugares donde éste circule conviolencia (bocas de aire acondicionado, cercanías de puertas, etc.) o en medio deelevada contaminación acústica (prensas, choques entre metales, etc.).

Por lo demás, y en cuanto a características de funcionamiento, estos detectores sonsemejantes a las células fotoeléctricas.

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7.5.6 Criterios de selección

Vistos los principios de medida, el alcance, la resolución y otras características delos diferentes tipos de detectores de proximidad, pueden establecerse los criteriosindicados en la tabla 7.2 como guía para la elección de uno u otro tipo de detector.

Tabla 7.2 Criterios de selección de detectores de proximidad.

MATERIAL DISTANCIA TIPO DEDETECTOR

SÓLIDOMETÁLICO < 50 mm INDUCTIVO

> 50 mm ULTRASÓNICO UÓPTICO

NO METÁLICO < 50 mm CAPACITIVO> 50 mm ULTRASÓNICO U

ÓPTICO

POLVO OGRANULADOS

METÁ

LICO < 50 mm INDUCTIVO> 50 mm ULTRASÓNICO

NO METÁLICO < 50 mm CAPACITIVO> 50 mm ULTRASÓNICO

LÍQUIDOTRANSPARENTE < 50 mm CAPACITIVO

> 50 mm ULTRASÓNICOOPACO < 50 mm CAPACITIVO

> 50 mm ÓPTICO 7.6 MEDIDORES DE POSICIÓN O DISTANCIA

Dentro de los transductores de posición podemos distinguir dos grandes grupos:

-Los indicadores de posición lineal o angular para grandes distancias, conocidostambién como sistemas de medición de coordenadas.-Los detectores de pequeñas deformaciones o detectores de presencia de objetos auna cierta distancia que dan una señal análoga o digital proporcional a dichadistancia.

Los medidores de coordenadas se utilizan, por lo general, para determinar laposición relativa de partes móviles de una máquina. Se trata de transductores dedesplazamiento relativo previstos para medición indirecta de distancias, y decimos

medición indirecta por cuanto en realidad no permiten determinar la distancia entreobjetos estáticos, sino únicamente la posición relativa de objetos a partir de unorigen de desplazamiento. Su característica esencial es que permiten medir grandesdistancias con una excelente resolución y se usan, sobre todo, en el campo de larobótica y la máquina-herramienta. Podemos distinguir dos tipos: absolutos eincrementales.Los primeros dan en todo momento una indicación de la posición respecto a unorigen, incluso en caso de pérdida de alimentación. Los incrementales, en cambio,detectan desplazamientos y obtienen la posición final a base de acumular dichosdesplazamientos respecto a un origen. En consecuencia, cuando estos últimospierden la alimentación pueden perder la referencia al origen.La mayoría de medidores de coordenadas están basados en detectores dedesplazamiento angular, pero mecánicamente resulta fácil la conversión demovimiento lineal en angular y viceversa, basándose en husillos o mecanismos de

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piñón y cremallera. Por tanto, no haremos distinción entre detectores de posiciónangular o lineal.El segundo grupo de detectores que hemos mencionado, es decir, los detectores de pequeñas distancias, permiten determinar la distancia entre un objeto estático o enmovimiento respecto al cabezal del sensor.

7.6.1 Potenciómetros

El potenciómetro es un transductor de posición angular, de tipo absoluto y con salidade tipo analógico. Consiste en una resistencia de hilo bobinado o en una pista dematerial conductor, distribuida a lo largo de un soporte en forma de arco y un cursor solidario a un eje de salida, que puede deslizar sobre dicho conductor (figura 7.7). Elmovimiento del eje arrastra el cursor provocando cambios de resistencia entre éste ycualquiera de los extremos. Así pues, cuando se alimenta entre los extremos de laresistencia con una tensión constante, aparece entre la toma media y uno de losextremos una tensión proporcional al ángulo girado a partir del origen.

Existen también potenciómetros con carrera lineal, pero lo más frecuente, cuando seusan como detectores de posición, es emplear los rotativos con o sin topes y de unao más vueltas. En el caso de potenciómetros con topes, el ángulo comprendido entrelos extremos de la resistencia se denomina ángulo de giro eléctrico y suele ser algomenor que el ángulo de giro mecánico entre topes.

Para los potenciómetros utilizados como censores de posición interesa que la ley devariación de la resistencia en función del ángulo de giro sea lineal, como muestra lafigura 7.8, aunque existen potenciómetros con ley de variación logarítmica u otras,que se utilizan para otras aplicaciones. La tensión de salida depende del ángulogirado respecto al origen y de la tensión de alimentación entre extremos. Esto puededar lugar a errores de media en caso de que dicha tensión no fuese estrictamenteconstante, por lo que se prefiere muchas veces medir la relación V/V0, en lugar demedir la tensión V. Este método de media, denominado ratiométrico, tiene la ventajade entregar una salida independiente del valor de la tensión de alimentación ydependiente únicamente del ángulo girado por el cursor.

En cuanto a la respuesta dinámica, el potenciómetro es prácticamente un elementoproporcional sin retardo. Únicamente cabría considerar el retardo debido a lainductancia del bobinado si los movimientos fuesen muy rápidos, pero la frecuencia

de funcionamiento suele quedar limitada por razones mecánicas a unos 5 HZ.

7.6.2. Encoders

Los encoders son dispositivos formados por un rotor con uno o varios grupos debandas opacas y traslúcidas alternadas y por una serie de captadores ópticosalojados en el estator, que detectan la presencia o no de banda opaca frente a ellos.Existen dos tipos de encoders: los incrementales y los absolutos.

Los primeros dan un determinado número de impulsos por vuelta y requieren uncontador para determinar la posición a partir de un origen de referencia. Los

absolutos, en cambio, disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según uncódigo binario. Los captadores ópticos detectan, pues, un código digital completo,que es único para cada posición del rotor.

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Figura. 7.7 Potenciómetro

Figura 7.8 Respuesta de un potenciómetro lineal

A. ENCODERS INCREMETALES O RELATIVOS

Los encoders incrementales suelen tener una sola banda de marcas transparentes yopacas repartidas a lo largo del disco rotórico y separadas por un paso (p), tal comolo muestra la figura 7.9. En el estator suelen disponer de dos pares de emisor-receptor óptico (salida de dos canales) decalados un número entero de pasos más

¼ . Al girar el rotor, cada par óptico genera una señal cuadrada. El decalaje de ¼ dedivisión de los captadores hace que las señales cuadradas de salida tengan entre síun desfase de ¼ de período cuando el rotor gira en un sentido, y ¾ de períodocuando gira en sentido contrario, lo cual se utiliza para discriminar el sentido de giro.

Un simple sistema lógico permite determinar desplazamientos a partir de un origen,a base de contar los impulsos de un canal y determinar el sentido de giro a partir deldesfase entre las señales de los dos canales, según se muestra en la figura 7.10.

Algunos encoders incrementales disponen de un canal adicional, que proporciona unimpulso por revolución. La lógica de control puede utilizar esta señal para

implementar un contador de vueltas y otro para fracciones de vuelta. La resolucióndel encoders dependerá del numero (N) de divisiones del rotor o, lo que es lo mismo,del numero de impulsos por revolución. La resolución expresada en grados vale:

Resolución = 360°/N (7.1)

No debe confundirse la resolución angular del encoder con la posible resolución deun sistema de medidas de coordenadas lineales, que dependerán además de ladesmultiplicación mecánica.

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Figura 7.9 Encoder incremental

Figura 7.10 Discriminador de posición y sentido de giro

B. ENCODERS ABSOLUTOS

Los encoders absolutos disponen de varias bandas dispuestas en forma de coronascirculares concéntricas, con zonas opacas y transparentes dispuestas de tal forma

que en sentido radial el rotor queda dividido en una serie de sectores, concombinaciones de opacos y transparentes que siguen un código Gray o binarioreflejado (figura 7.11). El estator dispone de un captador para cada corona del rotor,dispuestos en forma radial. El conjunto de informaciones binarias obtenidas de loscaptadores es único para cada posición absoluta.

El tipo de código reflejado tiene la ventaja de que en cada cambio de sector sólocambia el estado de una de las bandas, evitando así que puedan producirse errorespor falta de alineación de los captadores. Como ejemplo se indica la generación delcódigo Gray de tres bits:

Número

16



Código Gray

00 00

10 01

20 11

30 10

41 10

51 11

61 01

71 00

Obsérvese que a partir de los ejes de simetría se obtienen los bits correspondientespor imagen especular de los bits subrayados. De ahí el nombre de código reflejado.

Para un encoder con N bandas en el rotor, se tendrá un código de N bits, quepermite 2N combinaciones. La resolución del encoder será, por lo tanto, la siguiente:

Resolución = 360° / 2N (7.2)

Típicamente los encoders disponibles van desde los 12 a los 16 bits con lo que seconsiguen resoluciones entre 1/4096 y 1/65.536 de revolución

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Fig. 7.11 Encoder absoluto

7.6.3. Sincros y Resolvers

Un sincro es un transductor de posición angular de tipo electromagnético, cuyo

principio de funcionamiento puede resumirse diciendo que se trata de untransformador con uno de sus devanados rotativo.

Existen diversos tipos de sincros, dependiendo del número de devanados y de suposición, pero las configuraciones más frecuentes son las que disponen de:

Primario alojado en el rotor y, en general, monofásico.Secundario alojado en el estator y, en general, trifásico.

Para comprender el funcionamiento de un sincro nos referiremos a la figura 7.12,donde se representa esquemáticamente uno con las características antes indicadas(primario monofásico y secundario trifásico conectado en estrella). Cuando se aplicauna tensión senoidal U1 al devanado primario, se recogen en los devanadossecundarios de cada una de las fases tres tensiones, es1, es2, y es3, cuya amplitudy fase con respecto a la tensión de primario dependen de la posición angular delrotor.

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Fig. 7.12 Principio de funcionamiento de un sincro

La figura 7.13 muestra esquemáticamente la amplitud y signo de las tensiones en

los devanados del estator para diferentes orientaciones del devanado rotórico.

En algunos servos de posición se utilizan pares de sincros en una configuracióndenominada transmisor-receptor o “maestro-esclavo” que permite generar una señalproporcional a la diferencia de ángulos de los sincros interconectados. Estaconfiguración encuentra su aplicación en servos de seguimiento, copiadoras, pilotosautomáticos, etc, basándose en el siguiente principio (figura 7.14).

El sincro maestro es alimentado por el rotor, al tiempo que dicho rotor es accionadomecánicamente siguiendo, por ejemplo, un contorno en el caso de copiadoras. Elsistema trifásico de tensiones que genera el sincro maestro alimenta el devanado

estatórico del sincro esclavo y en el devanado rotórico de este último aparece unatensión que depende de la desviación angular relativa entre los dos rotores, tal comolo indica la ecuación 7.7. Un sistema de regulador de posición, que tienda a hacer cero dicha desviación, hará que el rotor del sincro esclavo siga exactamente losmovimientos del sincro maestro, constituyendo lo que se llama a veces un “ejeeléctrico”.

U2 = K U1 sen wt cos (teta1 – teta2) 7.7

Una configuración particular de sincros es la de resolver, cuyo principio defuncionamiento es análogo al indicado anteriormente, con las siguientesparticularidades constructivas:

Primario alojado en el estator y generalmente bifásico.Secundario alojado en el rotor, que puede ser monofásico o bifásico.

Así pues, los resolver son sincros con una configuración distita de devanados. En lafigura 7.15 se ha representado en forma esquemática una configuración típica. Losdevanados del estator se alimentan generalmente en serie (sistema monofásico),dando un campo estacionario sobre el eje y los devanados del rotor (bifásico)recogen sendas de tensiones.

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Fig. 7.13 Diagramas de amplitud y fase de un sincro, para distintasorientaciones del rotor

Fig. 7.14 par de sincros transmisor y receptor (eje eléctrico)

Fig. 7.15. Principio de funcionamiento de un resolver

7.6.4. Inductosyn

El inductosyn es un transductor electromagnético utilizado para la medida dedesplazamientos lineales, con una precisión del orden de micras. Se utiliza en laactualidad como medidor de coordenadas en muchísimas máquinas-herramienta y

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de control numérico.

El transductor consta de dos partes acopladas magnéticamente. Una denominadaescala, que es fija y está situada sobre el eje de desplazamiento. Otra, solapada a laanterior, es deslizante y solidaria con la parte móvil (figura 7.16).

La parte fija tiene gravado un circuito impreso con pistas en forma de ondarectangular con un paso (p). La parte móvil tiene dos circuitos impresos máspequeños, encarados con los de la escala, y desfasados entre sí un número enterode pasos más ¼ de paso ( principio análogo al visto para los encodersincremetales).

Si se excita la parte fija con una señal alterna (5 KHZ a 20KHZ) de valor v = V senwt, se recogerá en cada uno de los circuitos de la parte deslizante una tensión:

Va = KV sen wt cos (2*3.1416x/p) (7.11)

Vb = KV sen wt cos (2*3.1416x/p + 3.1416/2 (7.12)

Donde (x) es el desplazamiento lineal y (p) es la distancia o paso de la onda grabadaen la escala. La amplitud de la señal de salida varía entre un máximo y un mínimo,según que las escalas fija y móvil se encuentren enfrentadas o decaladas ½ paso.La medida se realiza sumando el número de ciclos de señal de salida completos,más la variación dentro de un ciclo. La indeterminación del sentido del movimientose resuelve comparando la fase de los dos captores, de forma parecida a lo que seindicó con los encoders.

Fig. 7.16 Principio de funcionamiento del inductosyn

7.6.5. Sensores láser

Los sensores láser pueden utilizarse como detectores de distancias, utilizandotécnicas de reflexión y triangulación parecidas a las de otros detectores ópticos, o

permiten también la utilización como detectores de desplazamientos por análisis deinterferencias en la emisión-recepción de un mismo rayo (interferómetros láser). Enéste último caso la medición de distancias se hace contando crestas y valles en la

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interferencia y, por tanto, por un principio similar a un encoder incremental.

El principio de funcionamiento del interferómetro láser se basa en la superposiciónde dos ondas de igual frecuencia, una directa y otra reflejada. Si las ondas están enfase, la superposición es aditiva, y si están en contrafase, sustractivas. La onda

resultante de la superposición pasa por valores máximos y mínimos al variar la fasede la señal reflejada.

Los sensores industriales basados en este principio generan un haz de luz que sedivide en dos partes ortogonales mediante un separador (figura 7.17). Un haz seaplica directamente sobre espejo plano fijo, mientras que el otro se refleja en elobjeto cuya distancia se quiere determinar. Los dos haces se superponen de nuevoen el separador, de forma que al desplazarse el objeto a detectar se generanmáximos y mínimos de amplitud a cada múltiplo de la longitud de onda del haz. Eldesplazamiento, o diferencia relativa de posiciones, se determina contando dichasoscilaciones o franjas, obteniéndose una salida digital de elevada precisión, con

resoluciones del orden de la longitud de onda de la luz empleada.

Fig. 7.17 Interferómetro láser

7.6.6. Sensores ultrasónicos

Los sensores ultrasónicos emiten una señal de presión hacia el objeto cuya distanciase pretende medir, y se miden el tiempo transcurrido entre la emisión del pulso hastala recepción del eco reflejado en dicho objeto. El más conocido de estos sistemas esquizás el “sonar” que incorporan los submarinos y actualmente los sistemas deecografía o incluso en el medio natural la forma de detectar obstáculos que empleanlos murciélagos en la oscuridad.

En el campo industrial se suelen emplear para controlar niveles de sólidos o áridosen silos, presencia de obstáculos en el campo de alcance de robots, etc. L asfrecuencias de la perturbación están en el rango de 20 a 40 KHZ.

7.6.7 Sensores magnetoestrictivos

Los sensores magnetoestrictivos están basados también en la detección de eco de

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un impulso ultrasónico generado por la deformación elástica que se produce enalgunos materiales bajo el efecto de un campo magnético.

Consisten básicamente en una varilla de material magnético en la que se generauna perturbación ultrasónica mediante una bobina inductora. Sobre la varilla se

coloca un imán móvil que puede deslizarse. El imán provoca un cambio depermeabilidad del medio y esto provoca una reflexión de la onda ultrasónica,pudiéndose detectar la distancia al imán por el tiempo en recibir el eco. En general,se excita, con una señal cuadrada y se mide el desfase entre ésta y el eco, tal comolo muestra la figura 7.18. Este tipo de transductores suelen ser muy robustos y muyaptos para ambientes agresivos, con distancias de detección de hasta 10 metros.

Fig. 7.18 Principio de funcionamiento de un detector por magnetoestrcción

MEDIDORES DE PEQUEÑOS DESPLAZAMIENTOS Y DEFORMACIONES

Este tipo de sensores se utiliza para la detección de pequeños desplazamientos,deformaciones, rugosidad y planitud de superficies, etc. Se emplean también unidossolidariamente a sólidos deformables, como transductores indirectos de esfuerzos(fuerza o par).

7.7.1. Transformadores diferenciales

El transformador diferencial dispone de un primario y dos secundarios idénticosacoplados magnéticamente al primero mediante un núcleo móvil. Dicho núcleo sehace solidario a un palpador o vástago, cuyo desplazamiento se va a medir, de talforma que, en posición de reposo, el núcleo está colocado simétricamente respecto

a ambos secundarios y, al desplazarse, queda descentrado. Mecánicamente eldesplazamiento del núcleo puede ser lineal o rotativo.

Tanto en los transformadores de desplazamiento lineal como angular, los dossecundarios se suelen conectar en oposición, de tal forma que, en la posición cero,las tensiones inducidas en cada uno de ellos son iguales y, por tanto, la tensión totalobtenida es nula (figuras 7.19 y 7.20). Sí el núcleo se desplaza, las tensiones de lossecundarios dejan de ser iguales y la tensión U2 resultante varía en módulo y signosegún la magnitud y sentido del desplazamiento. Con este tipo de transductores sepueden alcanzar resoluciones de algunas décimas de milímetro.

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Figura 7.19 Transformador diferencial lineal

Para desplazamientos de unos milímetros o ángulos de giro de hasta unos 45°. Larelación de amplitudes secundario / primario varía casi linealmente con eldesplazamiento alcanzándose linealidades entre 0.5% y 1% sin histéresisapreciable.

Fig. 7.20 Transformador diferencial rotativo

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Una variante del sistema de transformador diferencial la constituye el transformador de reluctancia variable, basado en la variación del entrehierro de un núcleo y cuyoesquema de principio puede verse en la figura 7.21. Este tipo de sensores sueleutilizarse en la construcción de células de carga para grúas y otros sistemas depesaje de baja resolución.

Fig. 7.21 Transformador de reluctancia variable

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Fig. 7.22 Galgas extensométricas

7.7.2. Galgas extensométricas

Las galgas extensométricas son sensores de deformaciones basados en la variaciónde resistencia de un hilo conductor calibrado o, más recientemente, resistenciasconstruidas a base de pistas de semiconductor.

Se utilizan generalmente combinadas con muelles o piezas deformables, para

detectar de forma indirecta esfuerzos de tracción, compresión, torsión, etc. Endefinitiva, más que como sensores de desplazamiento se usan como transductoresindirectos de fuerza o de par. También se aplican como transductores indirectos enotros tipos de sensores como acelerómetros, detectores de presión, células depesaje, etc.

Se describen a continuación los dos tipos básicos de galgas extensométricas: las dehilo y las de semiconductor.

GALGAS DE HILO

En tipo de galgas la resistencia está formada por un hilo dispuesto en forma dezigzag sobre un soporte elástico, con una orientación preferente según la cual seencuentra la mayor parte de la longitud del hilo (figura 7.22)

Al deformarse la galga por tracción en la dirección preferente, se produce unalargamiento del hilo y una disminución de su sección y, por tanto, una variación desu resistencia.

La medición de deformaciones requiere una meticulosa colocación de las galgas yuna calibración laboriosa, dado que el coeficiente de sensibilidad suele ser muypequeño. La posterior amplificación de las señales suele hacerse por métodos

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diferenciales, con tres hilos, como el representado en la figura 7.23. Por lo general,para compensar los errores debidos a las condiciones ambientales a al propiocalentamiento por efecto joule, se disponen como resistencia R1, R2, R3, de galgasidénticas a la utilizada para la medición, y el conjunto se conecta por el método de 3o 4 hilos para compensar las resistencias del cableado.

.Fig. 7.23 Puente de medidas para galgas extonsométricas

GALGAS DE SEMICONDUCTOR

Como hemos dicho, el coeficiente de sensibilidad de las galgas de hilo es muypequeño y requiere el empleo de amplificadores de alta sensibilidad y muy bajasderivas. Como solución alternativa pueden emplearse galgas de semiconductor, enlas cuales la variación de resistencia se produce simultáneamente por el efecto dealargamiento y estricción de una pista de semiconductor y por efecto piezoeléctrico

(variación de la resistividad por deformación del semiconductor). En dichas galgas laexpresión que liga la deformación longitudinal con la variación unitaria de resistenciaes la siguiente:

DR/R = (1 + 2 + 3.1416eE) dl/l (7.17)

Donde: dR/R es la variación unitaria de resistencia, E es el módulo de Young, dl/l esla variación unitaria de longitud, 3.1416e es el coeficiente de piezorresistividad.

El coeficiente de piezorresistividad toma valores típicos entre 100 y 200 para lossemiconductores más frecuentes, con lo cual la sensibilidad de dichas galgas es

mucho mayor que las de hilo. No obstante, la resistividad de los semiconductorestiene una gran dependencia de la temperatura y esto obliga a compensarlastérmicamente y dificulta en cierto modo la calibración.

7.7.3. Transductores piezoeléctricos

Algunos elementos cristalinos como el cuarzo, la turmalina y otros materialessintéticos poseen la propiedad de adquirir una polarización en la dirección de losdenominados ejes eléctricos, cuando se les somete a un esfuerzo y se deformansegún la dirección de los llamados ejes mecánicos (figura 7.24).

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Fig. 7.24. Transductores piezoeléctricos: principio de funcinamiento

El fenómeno se debe al desplazamiento que sufre el centro de gravedad de lascargas o iones positivos y negativos, generándose un efecto de dipolo eléctrico. Estapropiedad se aprovecha para obtener sensores de deformación o indirectamente defuerza, par o presión. Las formas de aprovechar este efecto pueden ser básicamentedos:

Medición de la carga de polarización.Medición de la frecuencia de oscilación.

Los sensores basados en el primer método miden la densidad de carga superficialque aparece en la dirección de los ejes eléctricos al someter al cristal a una presión

en la dirección de los ejes mecánicos. Dicha densidad de cargas es proporcional a lapresión:

q/S = K F/S (7.18)

la constante de proporcionalidad para el cuarzo, por ejemplo, es de 2.1x10-12culombios / newton. Un circuito electrónico permite detectar por influencia la cargaeléctrica y proporcionar una señal de salida proporcional a la deformación.

El segundo método aplicable con los cristales piezoeléctricos se basa en la mediciónde su frecuencia de oscilación cuando se les coloca en un circuito con

realimentación positiva. Un cristal con electrodos dispuestos en la dirección de losejes eléctricos tiene una frecuencia propia de oscilación que depende básicamentede sus dimensiones. Eléctricamente el sistema tiene un circuito equivalente como elque se muestra en la figura 7.25, donde la inductancia L y la capacidad C dependende las dimensiones del cristal, y la capacidad C0 es una capacidad parásita queaparece entre los electrodos. La frecuencia propia de resonancia, f0, en condicionesestáticas depende de los valores de L y C.

La capacidad C y, por tanto, la frecuencia propia de oscilación del cristal, varíancuando éste se deforma y se aprovecha esta propiedad como base de los sensorespiezoeléctricos.

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Fig. 7.25. Cristales de cuarzo

TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD

La detección de velocidad forma parte de un gran número de sistemas industriales,en los que se requiere un control de la dinámica de los mismos. Los transductoresde velocidad suelen pertenecer a uno de los siguientes tipos:

ANALÓGICOS: Basados en generadores de CC o dinamos tacométricasDIGITALES : Basados en la detección de frecuencia de un generador de pulsos.

Es importante resaltar que el comportamiento de estos transductores depende engran medida del acoplamiento de ejes entre parte móvil y transductor. Dichoacoplamiento debe ser algo flexible, pero sin permitir holguras, ya que, de locontrario, puede influir muy negativamente en la estabilidad de los sistemas en lazocerrado.

7.8.1. Dinamo tacométrica

La dinamo tacométtrica es, en esencia, un generador de corriente continua con excitación a base de

imanes permanentes. La tensión generada al girar el rotor es estrictamenteproporcional a la velocidad angular de giro:

E = ( En / ωn ) ω = k * ω (7.19 )

Donde ( E ) es la f.e.m. a una velocidad ( ω ) y ( En ) es la f.e.m. a la velocidadnominal (ωn ). La sensibilidad K se expresa generalmente en V / r.p.m., siendonormales valores entre 50 y 100 mV / r.p.m. Algunas dinamos dan valores másbajos, del orden de 5 V /ㄠ〰‰

1000 r.p.m., pero esto requiere después un tratamiento de señal más cuidadosopara obtener una resolución aceptable.

7.8.2. Generadores de impulsos

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Los transductores digitales de velocidad están basados en la detección defrecuencia de generadores de impulsos a base de captadores ópticos o inductivos,de forma análoga a la indicada para un encoder incremental. La velocidad esdirectamente proporcional a la frecuencia de señal obtenida de acuerdo con lasiguiente expresión:

f = n * N / 60 ( 7.20 )

Donde f = frecuencia en Hz, n = velocidad en r.p.m. y N = número de impulsos por revolución del generador. La robustez. La buena adaptación a sistemas de controldigital y la buena relación coste / precisión de este tipo de sensores hacen queactualmente sustituyan a los generadores tacométricos en muchas aplicaciones.

7.9. ACELERÓMETROS

El movimiento de grandes masas a velocidades elevadas requiere un control de las

aceleraciones para evitar esfuerzos dinámicos excesivos. Los transductores deaceleración reciben el nombre de acelerómetros.

En la mayoría de casos en que se requiere el control de aceleraciones se precisacontrolar también la velocidad, por lo que la aceleración puede detectarseindirectamente como variación de la velocidad en el tiempo. No obstante, existentransductores directos basados en la medición de la fuerza de inercia que actúasobre una masa conocida. Esta medición puede hacerse a través de sensorespiezoeléctricos o simplemente midiendo la deformación de un muelle solidario alsistema, como muestra el esquema de principio dela figura 7.26

Fig. 7.26. Acelerómetro de inercia

En régimen de aceleración constante la deformación, x, del muelle es proporcional ala aceleración según la siguiente expresión:

a = ( K / m) x ( 7.21 )

Donde K es la constante del muelle y m la masa de inercia del acelerómetro.Utilizando un transductor para pequeños desplazamientos, como las galgasextensométricas, o un transformador diferencial, se obtiene una medición indirectade aceleración a base de medir el desplazamiento x. Para amortiguar el régimendinámico se suele incluir un rozamiento, siendo entonces la ecuación diferencialpara dicho régimen:

f = m (d2x / dt2) + f ( dx / dt ) + k x (7.22)

Donde f es el coeficiente de rozamiento viscoso. Aplicando la transformación de

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Laplace puede obtenerse la función de transferencia del sistema, que resulta ser unatípica función de segundo orden.

7.10. TRANSDUCTORES DE FUERZA Y PAR

Tal como se ha dicho anteriormente al hablar de transductores de deformaciones, ladetección de fuerza y par se realiza siempre de forma indirecta a partir de lasdeformaciones que experimenta un sólido bajo la acción de dicha fuerza o par. Asípues, una de las bases del transductor la constituyen los sensores y el resto sueleconsistir en piezas elásticas diseñadas de forma que se obtenga una deformaciónproporcional a la fuerza o par que se desea medir. Como ejemplo tenemos la célulade carga de la figura 7.27, formada por una pieza cilíndrica deformable solidaria alnúcleo de un transformador diferencial.

Fig. 7.27. Célula de carga

En el caso de transductores de par se suele medir también la deformación lineal enuna determinada zona, producida por la flexión o torsión de alguna pieza elástica. Lafigura 7.28 muestra algunos ejemplos de piezas elásticas previstas para la mediciónde fuerzas y pares.

Algunos transductores de par están basados en métodos fotoeléctricos parecidos alos indicados en los interferómetros láser. En la captación de esfuerzos adquiere unaespecial importancia la colocación de los sensores, así como el diseño de las piezaselásticas para la captación del esfuerzo en a dirección deseada.

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Fig. 7.28 Piezas deformables para medida de fuerzas y pares

7.11. TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA

La temperatura es otro de los parámetros que muchas veces debe controlarse en losprocesos industriales. Atendiendo al principio de funcionamiento de la mayoría delos sensores industriales, podemos distinguir tres grandes grupos de sensorestérmicos:

TERMOSTATOS TODO-NADA: Interruptores que conmutan a un cierto valor detemperatura, en general con cierta histéresis.TERMORRESISTENCIAS: Sensores pasivos de tipo analógico basados en elcambio de resistividad eléctrica de algunos metales o semiconductores con latemperatura.PIRÓMETROS DE RADIACIÓN: Sensores de tipo analógico, utilizables en generalpara altas temperaturas, que están basados en la radiación térmica emitida por loscuerpos calientes.

7.11.1. Termostatos.

Los termostatos son sensores con salida de tipo o nada que conmuta a un cierto

valor de la temperatura. Los más simples están basados generalmente en ladiferencia de dilatación de dos metales y los mas sofisticados se suelen construir abase de un sensor de tipo análogo y uno o varios compradores con histeresis.Los de tipo bimetalito se utilizan típicamente en sistemas de climatización y enalgunas aplicaciones industriales como interruptores de protección (falta deventilación, etc.).Los formados por una sonda analógica y un sistema comparador tienen la ventaja deser, en general, regulables y de poder utilizar sondas de muy pequeño tamaño(sensores PTC o NTC de semiconductor) que pueden ubicarse en el interior debobinados, maquinas, recintos con atmósfera explosiva u otros emplazamientosdonde se requiere que ocupen poco espacio o que no se produzca arco eléctrico por

apertura de un circuito.

7.11.2. Termopares.

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Los termopares son sensores activos de tipo analógico basados en el efecto Cebe.Dicho efecto consiste en la aparición de una tensión eléctrica entre dos piezas dedistintos metales unidas o soldadas por un extremo, cuando este se calienta (unióncaliente) y se mantienen los otros dos extremos a una misma temperatura inferior

(unión fría).

Figura 7.29. Termopares.

La fuerza electromotriz generada depende de la diferencia de temperaturas entre launión fría y la unión caliente:

E = F (Tc - Tf ) (7.24)

Para ciertos materiales existe una relación bastante lineal entre la diferencia detemperaturas y la f.e.m. generada, siendo, por tanto, muy adecuados comotransductores. Sin embargo, para recoger esta f.e.m. se deberán conectar losextremos fríos a conductores de cobre u otro metal y por el mismo efecto apareceránunas f.e.m. de contacto, que solo se compensaran en el caso de que ambas unionesfrías se mantengan a idéntica temperatura.Por otro lado, para que la tensión de salida sea proporcional a a temperatura en launión caliente, debe mantenerse constante la temperatura de las uniones frías, ocompensarse la f.e.m. a que darían lugar sus variaciones mediante un circuitoadicional. Si se requiere una buena precisión; se prefiere generalmente compensar las variaciones de temperatura en la unión fría, aunque esto requiere un sensor adicional, que suele ser una NTC.

Tabla 7.3 Características de distintos tipos de termopares.

Materiales Tipo Constante

termoeléctrica

Rango de

Temperaturas.

Característica

Más relevanteFe-Const. J 0.057 mV/AC 0 – 600 °C RobustezNiCr – Ni K 0.041 mV/°C 0 – 1000°C RobustezPtRh – Pt R 0.012 mV/°C 0 – 1600°C Estabilidad

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NiCr – Const. E 0.075 mV/°C 0 – 600°C SensibilidadNota: la abreviación Const. Se ha utilizado para Constatan, aleación con 58% de Cu y 42 % de Ni.

La tabla 7.3 indica algunas de las uniones de metales y aleaciones mas utilizadas enla construcción de termopares, así como sus principales características.

Se observa que los valores de sensibilidad son realmente bajos y, por tanto,requerirán amplificadores de señal de muy bajo ruido y de una gran resolución. Sepuede aumentar la sensibilidad a base de conectar termopares en serie si elaspecto volumen no es importante, ya que, en general, el termopar es un sensor económico.

7.11.3. Termorresistencias Pt100

Los conductores eléctricos presentan, en general, un aumento de resistencia con latemperatura, según una ley que puede expresarse en forma simplificada por la

siguiente ecuación:

R T = R o [1 + α (T T – T o )] (7.25)

Donde α se denomina coeficiente térmico de resistencia.Aprovechando esta propiedad, se construyen sondas de temperatura, pero para ellose requiere un material cuyo coeficiente se mantenga relativamente constante y quede una buena sensibilidad. Las sondas industriales se suelen construir a base deplatino, material cuyo coeficiente térmico es de 0.00385 ohm/ohm°C. Dichas sondassuelen tener un valor nominal de 100 Ω a 0°C, de donde se deriva el nombre dePt100.Las sondas Pt100 son aptas como sensores para un amplio margen detemperaturas que va desde – 250 °C hasta 850 °C, con una muy buena linealidadentre – 200 °C y 500 °C.

7.11.4. Termorresistencias PTC y NTC.

Las sondas PTC y NTC son esencialmente termorresistencias a base desemiconductor. Estos suelen presentar coeficientes de sensibilidad bastantemayores que en el caso de metales, pero a costa de un gran perdida de linealidad.Las PTC (Positive Temperature Coefficient) son resistencias construidas a base de

óxidos de bario y titanio, que muestran cambios muy bruscos de valor a partir de unacierta temperatura. Precisamente la temperatura de cambio es un parámetrocaracterístico de las PTC. En la figura 7.30 se muestra la característicaresistencia/temperatura a distintas frecuencias para una sonda PTC.

Debido a su comportamiento poco lineal, se aplican básicamente en combinacióncon circuitos detectores de umbral como elementos todo-nada.Las NTC son resistencias con un coeficiente de temperatura negativo ( “NegativeTemperature Coefficient” ), construidas a base de óxidos de hierro, cromo, cobalto,manganeso y níquel dopados con ionice de titanio o litio. El comportamiento frente alas variaciones de temperatura puede expresarse, aproximadamente, por la

siguiente ecuación:

R = A eˆ(B/T) (7.26)

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Figura 7.30. Termistores PTC: curvas de respuesta.

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Figura 7.31. Termistores NTC: curvas de respuesta.

Donde A y B, son constantes que dependen de la NTC y T es la temperatura engrados Kelvin. Por lo general, los valores de resistencia se refieren a 25°C, con loque resulta una relación:

R T = R 25 eˆ B(1/T – 1/298) (7.27)

El valor de la constante B se suele determinar experimentalmente a partir de losvalores de resistencia a 0°C y a 50°C. La figura 7.31 muestra la característica real dedistintos tipos de NTC. Como puede verse, presentan una fuerte alinealidad con latemperatura (téngase presente que la escala de ordenadas es logarítmica), por loque su respuesta debe normalmente compensarse.

7.11.5. Pirómetros de radiación.

La medida de temperaturas con termopar o termorresistencia implica el contactodirecto entre el transductor y el cuerpo cuya temperatura se desea medir. Sinembargo, este contacto resulta imposible si la temperatura a medir es superior al

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punto de fusión del material del transductor, o si el cuerpo caliente es muy pequeñoy cambia su temperatura al efectuar la medida. En estos casos pueden utilizarse lospirómetros de radiación, que miden la temperatura a partir de la radiación térmicaque emiten los cuerpos calientes.Todos los cuerpos producen radiación térmica, aunque esta solo es visible para

temperaturas por encima de 500°C. La potencia total emitida por la superficie de uncuerpo negro (emisión total en todas las longitudes de onda) viene dada por la ley deStefan-Boltzmann:

QT = σ A T ⁴

En el cual QT es la potencia total emitida, σ es la constante de Kurlbaum para elcuerpo negro σ= 5.75x10 ⁻ ⁸ Jm ²⁻ K ⁻ ⁴ s ¹,⁻ A es la superficie del cuerpo emisor y T es la temperatura absoluta del cuerpo.

Basándose en esta ecuación y conocida la geometría de un cuerpo, se puedeconocer su temperatura midiendo la potencia radiada. La figura 7.32 muestra elespectro de emisión de un cuerpo negro ideal a diferentes temperaturas.

La potencia emitida por los cuerpos reales es siempre menor que la del cuerponegro ideal. Los factores de corrección εr son, por ejemplo, 0.81 para el carbón,0.02 para el oro, 0.25 para el hierro, 0.08 para el acero, etc.

La radiación emitida puede medirse en su totalidad, o solo en una banda defrecuencias, resultando así dos tipos de pirómetros:

⇒ De banda ancha, o de radiación total.⇒ De banda estrecha, o de brillo.

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Figura 7.32. Potencia radiada por un cuerpo negro ideal a distintas longitudesde onda.

Los primeros están construidos a base de una cámara negra, que recibe la radiación

a través de una ventana de superficie conocida. El haz radiado se hace incidir sobreuna superficie metálica, que se calentara por efecto de la radiación. La medida de latemperatura de dicha superficie permite determinar la temperatura del cuerpoemisor.Los pirómetros de brillo miden únicamente la radiación emitida en una longitud deonda específica a través de fotocélulas.

7.12. TRANSDUCTORES DE PRESION.

Los transductores de presión suelen estar basados en la deformación de unelemento elástico (membrana, tubo de Bordón, etc.), cuyo movimiento bajo laacción del fluido es detectado por un transductor de pequeños desplazamientos

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(galgas, transformador diferencial, elemento piezoeléctrico, etc.), del que se obtieneuna señal eléctrica proporcional a la presión.Los transductores de presión mas frecuentes son los de diagrama o membrana. Eldiafragma consiste en una pared delgada que se deforma bajo el efecto de lapresión. Si se mide dicha deformación mediante un puente de galgas

extensométricas, o un transformador diferencial, se obtiene una medida indirecta dela presión (figura 7.33).

Figura 7.33. Transductor de presión de membrana.

Los transductores de presión pueden efectuar dos tipos de medidas:

⇒ Presión absoluta, o medida respecto al vacío.⇒ Presión diferencial, o relativa, midiendo la diferencia de presión entre dos

puntos.

La figura 7.34 muestra el esquema de principio de un transductor de presióndiferencial P2 – P1 basado en el cambio que experimenta la inductancia de un par

de bobinas cuando se deforma e diafragma. Los devanados están conectados a uncircuito tipo puente de forma que los efectos de ambas se suman entre si, resultandouna tensión alterna proporcional a la diferencia de presiones aplicada.

Figura 7.34. Transductor de presión diferencial.

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7.13. TRANSDUCTORES DE CAUDAL.

Los transductores de caudal se basan en distintos principios según se trate de

fluidos compresibles o no (gases o líquidos). Cabe recordar que el caudal puededefinirse como masa por unidad de tiempo ( Qm ) o como volumen por unidad detiempo ( Qv ) de un fluido que atraviesa una sección de un cierto conducto. El caudalvolumétrico ( Qv ) depende solo de la sección considerada y de la velocidad delfluido, pero el caudal masco ( Qm ) depende además de la densidad del fluido y esta,a su vez, de la presión y temperatura. Para fluidos no compresibles ambos caudalesson relacionables por una densidad que es prácticamente constante, pero parafluidos compresibles no es así.Los sensores de caudal suelen estar basados en alguno de los siguientes principios:

⇒ Detección por presión estática (efecto Venturi)⇒ Detección por presión dinámica sobre un flotador o pistón.⇒ Detección de velocidad por inducción electromagnética.⇒ Detección volumétrica mediante turbina.

La mayoría de transductores miden caudal volumétrico. En el caso de fluidos nocompresibles, la forma habitual de medición consiste en hallar la velocidad de pasopor una sección conocida. Para los fluidos compresibles, en cambio, los métodosmas adecuados son los puramente volumétricos basándose en turbinas.

7.13.1. Medidores por efecto Venturi.

El efecto Venturi consiste en la aparición de una diferencia de presión entre dospuntos de una misma tubería con distinta sección y, por tanto, diferente velocidad depaso del fluido. Para fluidos no compresibles, dicha diferencia de presión dependede la relación de diámetros (d/D), del caudal y de la densidad y, por tanto, de latemperatura.

Basándose en el mencionado efecto, pueden construirse transductores de caudalpara líquidos a base de hacer que circulen por un estrangulamiento con diámetrosde entrada y salida calibrados y medir la diferencia de presiones con un transductor

de presión diferencial, tal como se ha indicado en el apartado anterior. Dichadiferencia de presiones nos dará una medición indirecta del caudal. La figura 7.35muestra el principio de funcionamiento de estos medidores.

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Figura 7.35. Transductores de caudal basados en el efecto Venturi.

Figura 7.36. Transductores de caudal basados en la medición de presión

dinámica.

7.13.2. Medidores por presión dinámica.

Estos transductores se basan en el desplazamiento de un pequeño pistón o flotador sometido a la presión dinámica de la corriente de fluido (figura 7.36). Dicha presiónequilibra el peso del cuerpo y provoca un desplazamiento del pistón proporcional a lavelocidad del fluido. La medición de dicho desplazamiento, tal como se ha indicadoen apartados anteriores, permite tener una indicación indirecta de velocidad. A suvez, para fluidos incompresibles, conociendo la velocidad y la sección de paso se

tiene una indicación indirecta de caudal.

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Como variante de estos se pueden considerar los de turbina, donde la presióndinámica hace girar un rodete.

La velocidad de giro de una turbina intercalada en la tubería es proporcional alcaudal en el caso de fluidos incompresibles. La medida de dicha velocidad puede

hacerse mediante un simple captador inductivo u óptico sin romper la estanqueidadde la tubería. La figura 7.37 muestra un esquema de principio de este tipo detransductores.

Figura 7.37. Transductores de caudal de turbina.

7.13.3. Medidores por velocidad y por inducción.

Este tipo de transductores se basan en la ley de inducción de Faraday, según lacual, sobre un conductor que se desplaza transversalmente a un campo magnéticose genera una f.e.m. proporcional a la longitud del conductor, a su velocidad dedesplazamiento y a la inducción del campo:

E = I (v Λ B) (7.29)

Donde ( Λ ) representa el producto vectorial.En el caso de un fluido conductor en movimiento, se produce por este mismoprincipio una f.e.m. en sentido perpendicular al movimiento y a la dirección delcampo. La figura 7.38 muestra un esquema de principio del transductor, en el que seindican las direcciones de movimiento ( v), campo (B) y f.e.m. (E), esta ultima

captada por un par de electrodos situados en la paredes de un tubo.

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Figura 7.38. Transductor de caudal por inducción electromagnética (líquidos

conductores).La f.e.m. obtenida es proporcional al campo inductor, a la distancia entre electrodosde captación y a la velocidad del fluido. Manteniendo constantes los dos primeros seobtiene una indicación de velocidad y, por tanto, para una sección y densidadconstantes una indicación de caudal.El método de medida tiene la ventaja de no entorpecer el flujo y, por tanto, no haypérdidas de carga ni partes en movimiento. Por otro lado, es apto para líquidoscorrosivos o muy viscosos. Como inconvenientes podemos citar que las medidaspueden tener error si la tubería no esta totalmente llena o si hay burbujas y que laf.e.m. depende de la permeabilidad magnética del liquido.

7.13.4. Medidores volumétricos.

Para medir caudal de gases se suelen emplear métodos de medición volumétricosintentando mantener presión y temperatura constantes. Como ejemplos mas típicosde este tipo de transductores se tiene los de disco oscilante y los de lóbulos.Representados en la figura 7.39.

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Figura 7.39. Transductores de caudal volumétricos (gases).

7.14. TRANSDUCTORES DE NIVEL.

Los transductores de nivel se utilizan para conocer el estado de llenado de depósitosde líquidos o sólidos en forma de polvo o granulados. Podemos distinguir dos tiposde detección de niveles:

⇒ Detección de varios niveles de referencia mediante un número discreto de

transductores todo o nada.⇒ Detección de tipo analógico, obteniendo una señal proporcional al nivel

Cabe señalar que la detección de nivel de sólidos es poco frecuente, siendo máshabitual su pesaje. De todas formas, los detectores de nivel mas adecuados parasólidos son los de tipo capacitivo, los ópticos y los ultrasónicos.

7.14.1. Transductores todo o nada.

La detección de niveles de referencia mediante dispositivos todo o nada puede

basarse en diferentes principios, dependiendo, sobre todo, se si se trata de líquidoso de sólidos.Para líquidos es frecuente emplear flotadores con un contacto de mercurio o, si elliquido es conductor, su nivel puede medirse por contacto entre dos electrodossumergidos en el. En otros casos se detecta diferencia de temperatura entre unelectrodo sumergido o no.Para el paso de sólidos u líquidos no conductores suelen emplearse métodosfotoeléctricos o detectores de proximidad capacitivos.

7.14.2. Transductores por presión.

Una de las formas de obtener una indicación analógica de nivel de líquidos consisteen medir la presión sobre el fondo del depósito que los contiene.

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La diferencia de presiones entre el fondo y la superficie (P f – Ps), es directamenteproporcional al nivel (h) respecto a dicho fondo y al peso especifico (ρ) del líquido:

P f – P s = ρ h (7.30.)

En tanques abiertos (figura 7.40) el nivel es aproximadamente proporcional a lapresión absoluta, ya que los cambios de presión atmosférica suelen tener pocaimportancia, sobre todo si se trata de líquidos densos. Para tanques cerrados, encambio, es imprescindible utilizar transductores de presión diferencial.

Figura 7.40. Transductores de nivel por presión hidrostática.

7.14.3. Transductores por flotador.

El método mas fiel para detectar el nivel de líquidos consiste en el empleo de unflotador solidario a un sistema de palancas y unido a un sensor de distancia odesplazamiento. La figura 7.41 muestra unos esquemas de principio para recipientesabiertos y cerrados.

Figura 7.41. Transductores de nivel por flotador.

7.14.4. Transductores ultrasónicos.

Los detectores por ultrasonidos se basan, en realidad, en la medición de la distanciadesde el fondo a la superficie o desde el punto máximo a la superficie, empleandoalguno de los métodos indicados en el apartado 7.6.6.El transductor emite un impulso de presión (ultrasonidos) que es reflejado por lasuperficie del material y recogido por un receptor colocado al lado del emisor. Eltiempo total de ida y vuelta es proporcional a la distancia y a la densidad del medio

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(velocidad del sonido en el medio). La figura 7.42 muestra un esquema de principiodel medidor.Este tipo de detector es apto también para detectar nivel de sonidos.

Figura 7.42. Transductores de nivel por ultrasonidos.

7.15. ACCIONAMIENTOS: CLASIFICACION.

En la introducción hemos definido el accionamiento como aquel dispositivo osubsistema que se encarga de regular la potencia de una planta o de unautomatismo. El accionamiento puede estar bajo el control directo de la parte demando o puede requerir algún prerracionamiento para amplificar la seña de mando.La gama de posibles accionamientos que puede controlar un autómata programablees enormemente extensa y variada. Entre los mas habituales se encuentran losdestinados a producir movimiento (motores y cilindros), los destinados a trasiego defluidos (hornos, intercambiadores, etc.). Sin embargo, no es nuestro propósitoestudiar aquí motores, bombas u otros tipos de accionamientos convencionales,sino que trataremos preferentemente de los preaccionamientos y otras partes masdirectamente ligadas al control, tales como servomotores, servovalvulas, etc., que sepueden considerar como complementos del autómata en las funciones deregulación.Para empezar podemos establecer una clasificacion atendiendo a la tecnología o, sise quiere, dependiendo del tipo de energía empleada em el accionamiento. Segúnesto podemos distinguir:

⇒ Accionamientos eléctricos.⇒ Accionamientos hidráulicos.

⇒ Accionamientos neumáticos.⇒ Accionamientos térmicos.

Dentro de cada una de estas tecnologías encontramos, a su vez, accionamientos dedos tipos:

⇒ Accionamientos todo o nada.⇒ Accionamientos de tipo continuo.

7.16. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS.

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De alguna manera, todos los preaccionamientos que se conectan a los autómatassuelen tener mando eléctrico. Pero dentro de este aparato nos referiremosúnicamente a reles, contactores y servomotores de tipo eléctrico.

7.16.1. Reles y contactores.

Los reles y contactores son dispositivos electromagnéticos que conectan odesconectan un circuito eléctrico de potencia al excitar un electroimán o bobina demando. La diferencia entre rele y contactor esta precisamente en la potencia que escapaz de seccionar cada uno. Los reles están previstos para accionar pequeñaspotencias, generalmente inferiores a 1 kW, mientras que los contactores puedenaccionar grandes potencias (centenares de kilovatios).Los reles se suelen emplear como etapa previa para accionar dispositivos maspotentes como los propios contactores, electrovalvulas u otros. El rele separa engeneral la parte de mando, que trabaja con tensiones y corrientes debiles, de la

parte de potencia, con tensiones y corrientes mas elevadas. Muchas etapas desalida de autómatas utilizan relees cuya bobina va gobernada directamente por loscircuitos electrónicos y que aportan la ventaja de aislar eléctricamente el circuitoelectrónico de los contactos de utilización.Las características mas relevantes de relees y contactares son:

Tensión de mando: tensión de alimentación de la bobina de mando. Potencia de mando: potencia necesaria para accionar la bobina de mando Tensión de aislamiento: tensión de prueba entre circuito de mando y

contactos.

Tensión de empleo: tensión de empleo de los contactos de potencia. Corriente térmico: corriente máxima que pueden soportar los contactos una

vez cerrados sin sobrepasar los límites de calentamiento. Corriente de empleo: es la corriente que el dispositivo es capaz de accionar e

interrumpir para cada tensión de empleo y con carga resistiva. Poder de corte: se define por la corriente que el rele es capaz de accionar e

interrumpir para cada tipo de carga (inductiva, capacitiva, motores, etc.) ypara un numero de maniobras determinado . los tipos de servicio másfrecuentes según normas I E C son:

PARA RELÉS.DC11:Mando de bobinas y electroimanes en general en contracorriente continua.AC11:Mando de bobinas y electroimanes en general en corriente alterna.

PARA CONTACTORES.AC1:Conexión y corte de cargas resistivas.AC2:Mando de motores de CA de rotor en cortocircuito, sin posibilidad de cortedurante el arranque ni inversion a motor lanzado.AC3:Mando de motores de CA de rotor en cortocircuito, con posibilidad de cortedurante el arranque e inversion de marcha a motor lanzado.AC4:Mando de motores de CA con corriente limitada por resistencias,

autotransformador u otros medios.7.16.2. SERVOMOTORES DE CC

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Los servomotores de CC son pequeñas maquinas especialmente diseñadas paracontrol de posicionamiento.Aunque el principio de funcionamiento es el de una maquina de continuaconvencional con excitación independiente, su forma constructiva esta adaptada aobtener un comportamiento dinámico rápido y estable y un par de arranque

importante.Por lo general el inductor se encuentra en el estator y puede ser o bobinado o deimán permanente.El inducido, alojado en el rotor, se suele construir de forma que presente una inerciamínima.Constructivamente se diferencia básicamente el la forma de rotor las mas habitualesson:

Rotor alargado Rotor en forma de cesta Rotor de disco

Los dos primeros suelen tener un colector clásico de forma cilíndrica , mientras queen los de disco suele estar dispuesto en forma radial. El rotor de muchos motores dedisco puede estar construido a base de circuito impreso o cable rígido con soportede resina dando una inercia propia extremadamente baja.Los parámetros esenciales de un servomotor de CC y las unidades de medidahabituales son los siguientes:n = velocidadE1= fuerza electromotriz del inducidoU1= tensión del inductivoIi = corriente de inducidoQe = flujo inductor o excitación

Te= constante de tiempo eléctricaCm =par motor (metros . newton)P = potencia (vatios)Ke = constante eléctricaKm = constante mecánica

Las relaciones fundamentales entre dichosparámetros para un servomotor con excitaciónpor imanes permanentes o excitación

independiente y constante son lassiguientes:

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A partir de estas relaciones se deduce que el control de velocidad del motor puedehacerse regulando la tensión del inducido y compensando la caída de tensión.En ambos casos se debe mantener constante el flujo de excitación.Dado que el rozamiento viscoso suele ser pequeño frente a la inercia, el sistema

mecánico se comporta prácticamente como un integrador puro, en tal casosimplicando el diagrama en lazo cerrado, se obtiene la siguiente función detransferencia, donde Tm es la denominada constante de tiempo mecánica ,cuyovalor es:

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Este modelo de motor permite determinar el comportamiento dinámico del motor de

mas carga y elegir un regulador mas conveniente para sistemas de regulación develocidad o posición.

7.16.3. SERVOMOTORES DE CA

Para accionamientos de cierta potencia, el motor de alterna presenta diversasventajas frente al de continua la principal de ellas la ausencia de colector yescobillas. Dentro de los motores de alterna podemos distinguir los asíncronos y lossíncronos.El motor asíncrono convencional no es apropiado para muchos servosistemas querequieran cierta precisión a causa del deslizamiento y de la poca linealidad de las

características par velocidad. Se emplea acompañado de variadores de frecuenciapara accionamientos de velocidad variable donde gracias a un control de lazocerrado pueden ser obtenidas precisiones aceptables.

No obstante, en sistemas de posicionamiento y pequeña potencia los motores dealterna mas utilizados son el sincrono y el de reluctancia debido a la ausencia dedeslizamiento.A ellos nos referimos habitualmente al hablar de servomotor de CA.las formas constructivas de servomotor de CA pueden ser varias lo clásico en unamáquina sincronía es disponer un devanado estatorico alimentado en CA y un

devando rotatorio alimentado en CC a través de escobillas y un sistema de anillosrozantes .Sin embargo en los servomotores el rotor puede estar construido por un bloque dehierro o por un imán permanente para evitar la presencia de escobillas .Las piezas polares y el rotor suelen tener forma dentada igual que se vera en losmotores paso a paso.Los motores sincronos con rotor de imán permanente y los motores de reluctanciacon rotor liso funcionan con devandos trifásicos en el estator y con uno o mas parespolos por fase de forma que se cree un campo giratorio sin saltos. Los parámetrosesenciales de los que depende el funcionamiento del motor son los siguientes:

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En cuanto a los motores de reluctancia, son enrealidad maquinas asíncronas, pero se suelen construir con una forma dentada de rotor y del estator, tal como se muestra en la figura 7.45, o con polossalientes. De esta forma el rotor tiende siempre a orientarse en la posición de menor reluctancia y seconsigue una curva par-velocidad con una zona plana (deslizamiento cero) manteniendo elsincronismo para una amplia gama de par y actuando como verdaderos motores asíncronos, en losque la velocidad depende solo de la frecuencia de alimentación para una amplia gama de par (figura7.6). Para pares altos, sin embargo, pueden perder el sincronismo y pasan a funcionar comomaquinas asíncronas.Los motores paso a paso, que se estudian en el apartado siguiente, pueden considerarse tambiéndentro de esta familia pues no son mas que motores de reluctancia bifásicos, con estator imantado alobjeto de obtener un par de retención a motor parado.

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7.16.4 MOTORES PASO A PASO

Como se ha dicho en el apartado anterior, los motores paso a paso no son mas que motores dereluctancia, en general bifásicos, cuyo estator tiene una imantación permanente con objeto de obtener un par de retención a motor parado, incluso en la ausencia de alimentación.El estator contiene dos conjuntos de bobinas decaladas 90º eléctricos y las piezas polares tienenforma dentada, tal como se muestra en la figura 7.45.

Sin embargo, las piezas polares del rotor y del estator no tienen el mismo paso entre dientes, deforma que solo un diente de rotor queda enfrentado a uno del estator y el resto queda decalados entresi.El estator puede tener una o dos bobinas por fase. En el primer caso se habla de motores de treshilos y en el segundo se llaman motores de devanado partido. Ambos tipos de motores se suelenalimentar de una fuente de corriente continua a través de un conmutador a base de transistores,como muestran la fig. 7.47 y 7.48.En el caso de motores de tres hilos, la secuencia de conmutadores es la que muestra la propia figura7.47, donde se ve que el ciclo se completa con cuatro conmutaciones o *pasos*.En el caso de motores de devanado partido se puede tener un ciclo de ocho pasos como se muestraen la figura 7.48, o se puede tener un ciclo de 4 pasos que correspondería a los pasos 1, 3,5 y 7 de lacitada figura. Obsérvese que en el ciclo de 8 pasos llamado también de medio paso hay momentos enque hay 2 bobinas excitadas y otros en que solo hay una. En estos últimos hay que tener en cuantaque el par de motor es aproximadamente un 30% menor.

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Cada vez que se efectúa una conmutación o paso se cambia la orientación del campo en elentrehierro en saltos de 90º. Sin embargo, debido al distinto paso entre dientes del rotor y del estator cada vez que se hace girar el campo una vuelta completa, el rotor avanza solo uno o dos dientes yaque se tiende siempre a que los dientes del rotor queden alineados con el campo. Así, que cada ciclocompleto de conmutaciones con el campo gira 360º eléctricos, pero el rotor avanza solo un AnguloAciclo tal que:

Aciclo= 360º/P (NR-NB)/NR

Donde NR y NB indican respectivamente, el número de dientes del rotor y del estator y p es elnúmero de pares de polos de estator.Para el ciclo de 4 pasos el ángulo de avance que corresponde a un paso será:

El número de pasos por vuelta, para la secuencia de 4 pasos por ciclo viene dado por la expresión:

Si se conmuta con una frecuencia de F pasos, la velocidad del motor será:

Puede invertirse el sentido de giro del motor sin más que invertir el orden de las conmutaciones.El par motor depende de la corriente de alimentación y, a su vez esta depende de la frecuencia deforma de alimentarlo a tensión constante suele decrecer con la frecuencia ya que aumenta laimpedancia de los devanados.Así pues a tensión constante el par decrece con la velocidad. De todas formas, el convertidor puedeaumentar la tensión a medida que aumenta la frecuencia, por lo que la curva de par-velocidaddepende del motor y de la forma de actuación del convertidor. La figura 7.49 muestra las curvas par-velocidad de un motor típico en los dos casos: a tensión constante y aumentando la tensión confrecuencia.

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7.17 ACCIONAMIENTOS HIDRAULICOS Y NEUMATICOS

Los accionamientos hidráulicos y neumáticos se aplican de forma masiva en los automatismosindustriales, gracias a se robustez y facilidad de control.Básicamente estudiaremos dos tipos de accionamientos: los cilindros hidráulicos o neumáticos y los

motores hidráulicos.Sin embargo también describiremos brevemente las electroválvulas y servovalvulas como elementosprevios de control o preaccionamientos indispensables en estos sistemas.

7.17.1 VALVULAS

Una válvula es un dispositivo que permite establecer o cortar la conexión hidráulica o neumática entredos o más conductos o vías. En cualquier válvula hay que distinguir dos partes:

• Elemento de mando• Circuito de potencia

El elemento de mando se encarga de conmutar la conexión hidráulica o neumática entre conductosdel circuito de potencia. El mando puede ser de tipo eléctrico, manual, hidráulico, neumático. La figura7.51 muestra la forma constructiva de una válvula con mando eléctrico y un manual de dos vías y dosposiciones.Las válvulas suelen clasificarse atendiendo al número de posiciones distintas que permite el circuitode mando y al número de vías de entrada y salida del circuito de potencia en cada posición.Las válvulas de dos posiciones pueden clasificarse, además en monoestables o biestables. Lasprimeras tienden en una ausencia fija de reposo.La fig.7.52 muestra los símbolos de una serie de válvulas de dos posiciones con distintos tipos demando y la figura 7.53 muestra algunos ejemplos de circuitos de potencia.Desde el punto de vista lógico, las válvulas monoestables permiten realizar funciones de tipo Y, O YNO y por lo tanto permiten realizar cualquier circuito neumático o hidráulico de tipo combina nacional.

Las biestables permiten realizar la función memoria y por tanto cualquier circuito secuencial. La figura7.54 muestra la estructura de varios dispositivos lógicos de tipo neumático.En los automatismos controlados por autómata, la lógica suele encargarse a éste, por lo que lasválvulas suelen jugar un papel de preaccionamientos que vistos desde el autómata son puramentebobinas de electroimán, activadas a través de salidas de tipo lógico ya sea por relé o con interruptor estático.

7.17.2 SERVOVALVULAS

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El nombre de servoválvulas o válvulas proporcional se suele dar a una válvula que es capaz no solode abrir o cerrar un circuito hidráulico o neumático sino de regular la presión o el caudal a través deun determinado conducto siguiendo una cierta magnitud de consigna de tipo eléctrico. Generalmentese trata de componentes óleo hidráulicos con un dispositivo o motorizado que regula la posición de unpistón tipo cónico, un obturador tipo rotativo o un distribuidor.Para el propósito de este texto, es decir para el autómata programable servovalvulaes un elemento

análogo que se gobierna a través de una señal continua entre 0,10 V o de 4 a 2 mA, o a través deuna señal digital.Los parámetros importantes para el sistema de control son la sensibilidad la constante de tiempo y elcoeficiente de amortiguamiento.SENSIBILIDAD: Relación entre el cauda de salida y la señal análoga de control del régimenpermanente.CONSTANTE DE TIEMPO Y CONSTANTE DE AMORTIGUAMIENTOGeneralmente las servovalvulas suelen tener un comportamiento como un sistema de segundo orden.Así pues, la definición de estos términos es la que dio el capitulo.En general sin embargo se suelen dotar de un amortiguamiento suficiente para que no se produzcaoscilaciones. En tal caso, la constante de tiempo es aproximadamente igual al tiempo que tarda laválvula en alcanzar el régimen permanente cuando se aplica un escalafón de referencia.

7.17.3 CILINDROS

Un cilindro neumático o hidráulico es un accionamiento que permite obtener un movimiento linealaplicando una presión a uno u otro lado del embolo. Según sus posibilidades de posicionamiento,podemos clasificar los cilindros en tres grandes grupos:

• De simple efecto• De doble efecto• De acción diferencial

Los primeros permiten empujar en un solo sentido y retornan automáticamente el origen por la acciónde un muelle. El mando de estos se suele efectuar mediante una válvula de 3 vías y 2 posiciones,abierta o cerrada según se muestra en la figura 7.55a.

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7.17.2 ServoválvulasEl nombre de servoválvulas o “válvula proporcional” se suele dar a una válvula quees capaz no sólo de abrir o cerrar un circuito hidráulico o neumático, sino de regular la presión o caudal a través de un determinado conducto siguiendo una ciertamagnitud de consigna de tipo eléctrico. Generalmente, se trata de componentesoleohidráulicos con un dispositivo motorizado que regula la posición de un pistón detipo cónico, un obturador de tipo rotativo o un distribuidor.

Para el autómata programable, la servoválvula es un elemento analógico que segobierna a través de una señal continua entre 0 y 10 V o de 4 a 20 mA, o a través de

una señal digital, si la válvula lleva incorporado su propio control. La mayoría deservoválvulas suelen llevar, además, algún tipo de sensor de posición que permitemantener su posición mediante un servo en lazo cerrado.

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Los parámetros importantes para el sistema de control son la sensibilidadf, laconstante de tiempo y el coeficiente de amortiguamiento.

Sensibilidad: Relación entre el caudal de salida y la señal analógica de control en

régimen permanente.

Constante de tiempo y constante de amortiguamiento: Generalmente, lasservoválvulas suelen tener un comportamiento como un sistema de segundo orden.En general, sin embargo, se suelen dotar de un amortiguamiento suficiente para queno se produzcan oscilaciones. En tal caso, la constante de tiempo esaproximadamente igual al tiempo que tarda la válvula en alcanzar el régimenpermanente, cuando se aplica un escalón de referencia.

7.17.3. Cilindros

Un cilindro neumático o hidráulico es un accionamiento que permite obtener unmovimiento lineal aplicando una presión a uno u otro lado del émbolo. Según susposibilidades de posicionamiento, podemos clasificar los cilindros en tres grandesgrupos:

- De simple efecto- De doble efecto- De acción diferencial

Los primeros permiten empujar en un solo sentido y retornan automáticamente alorigen por la acción de un muelle. El mando de éstos se suele efectuar mediante de3 vías y 2 posiciones, abierta o cerrada, según se muestra la figura 7.55 a.

Los de doble efecto empujar en ambos sentidos. El mando se suele realizar através de una válvula de 4 vías y 2 posiciones tal como se muestra en la figura 7.55b.

Los cilindros de acción diferencial permiten mantener el émbolo en cualquier posición, aplicando presión a ambos lados del mismo o, simplemente, conseguir unmovimiento más uniforme en el caso de carreras largas. Para su control hacen faltados válvulas de bloqueo y un distribuidor 4/2, tal como se muestra la figura 7.56.

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Figura 7.6 Cilindro de acción diferencial.

Debido a la sección del vástago, el empuje de los cilindros de doble efecto no sueleser el mismo en ambas direcciones. En general, las especificaciones técnicas de loscilindros suelen indicar la fuerza que es capaz de efectuar en cada uno de lossentidos en función de la fuerza aplicada. Dicha fuerza viene dada por:

F s = K . P. S E (7.44)

(Sentido de salida del vástago)

F E = K . P . (S E – SV) (7.45)

(Sentido de entrada del vástago)

Donde P es la presión, S E es la sección del émbolo, S V es la sección de vástago y K es el denominado coeficiente de carga, que se suele tomar entre 0,5 y 0,7.

En cuanto al comportamiento dinámico, se suelen indicar en las tablas decaracterísticas los tiempos empleados en efectuar un recorrido en vacío en funciónde la presión y de las pérdidas de carga o “longitud equivalente” del circuito dedistribución. La respuesta dinámica en carga dependerá de la masa o inercia quedeba moverse. Para suavizar la parada se suelen, además, equipar conamortiguadores al final de la carrera.

7.17.4. Sujeción por vacío

La técnica de sujeción por vacío permite la manipulación de pequeñas piezas a

base de utilizar ventosas en las cuales se efectúa el vacío a través de un chorro deaire que provoca el efecto Venturi. La figura 7.57 muestra un esquema de unprincipio de este tipo de accionamiento.

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Figura 7.57. Ventosa de sujeción por vacío

7.17.5. Bombas y motores hidráulicos

En realidad las bombas y los motores oleohidráulicos son una misma máquina,cambiando únicamente el sentido de transferencia de la energía.

Como elementos periféricos de los autómatas, lo único que nos interesa es que lasbombas suelen accionarse a través de motores eléctricos de CA regulados medianteonduladotes a frecuencia y tensión variables. En la actualidad, muchos de estosreguladores se construyen con un microprocesador de control y admiten órdenes delautómata a través de un sistema de comunicación digital.

Lo más frecuente es que las bombas sean del tipo centrífugo, con un par crecientecon la velocidad. En consecuencia, ofrecen relativa facilidad para ser regulados.

En cuanto a los motores hidráulicos, éstos tienen poca relación directa con elmundo de los autómatas, siendo en general, controlados por otros dispositivoshidráulicos o neumáticos.

7.18. RESUMEN

Hemos dado un repaso, aunque sea superficial, a distintos tipos de sensores yaccionamientos que tienen cierta relación con el mundo de los autómatas.

Hemos visto que los sensores son una parte esencial de los sistemas

realimentados y que, en la medida que éstos sean precisos, permitirán obtener mejores prestaciones a los automatismos. Hemos estudiado a los principios defuncionamiento de diversos sensores y hemos definido los parámetros básicos quelos caracterizan.

En cuanto a los accionamientos, nos hemos limitado a un estudio superficial de losmás frecuentes, pudiéndose observar que, en realidad y desde el punto de vista delsistema de control, se trata de bloques funcionales que, una vez conocida su funciónde trasferencia, pueden ser tratados por la teoría. A título de ejemplo hemosdesarrollado el servomotor de CC, indicando cuáles eran los parámetros esencialesque influyen en el control. Dicho modelo puede obtenerse por métodos análogos

para el servomotor de alterna o el motor paso a paso o para otros accionamientos,siendo imprescindibles para el estudio dinámico de los sistemas de control.

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Sensores y actuadores

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