UNIDAD II CONTROLES ELECTRICOS.pdf

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UNIDAD 2. INTERRUPTORES Y SENSORES

2.1 INTERRUPTORES (PRESIN, NIVEL, TEMPERATURA, FLUJO, LMITE).

Interruptor de presin

Es un aparato que cierra o abre un circuito elctrico dependiendo de la lectura de

presin de un fluido, tambin conocido como presostato.

El fluido ejerce una presin sobre un pistn interno haciendo que se mueva hasta que

se unen dos contactos. Cuando la presin baja un resorte empuja el pistn en sentido

contrario y los contactos se separan.

Un tornillo permite ajustar la sensibilidad de disparo del presostato al aplicar ms o

menos fuerza sobre el pistn a travs del resorte. Usualmente tienen dos ajustes

independientes: la presin de encendido y la presin de apagado.

No deben ser confundidos con los transductores de presin (medidores de presin),

mientras estos ltimos entregan una seal variable en base al rango de presin, lospresostatos entregan una seal apagado/encendido nicamente.

Interruptor de nivel

Los interruptores de nivel tipo desplazador de montaje superior ofrecen una amplia

gama de opciones y configuraciones de alarmas y controles de nivel. Estos equipos

emplean el principio de flotacin y sirven para aplicaciones sencillas o complejas tales

como alarmas de alto y/o bajo nivel o control de mltiples bombas y/o alarmas. Los

interruptores tipo desplazador son eficientes y sencillos. Los cambios de nivel de lquido

cambian las fuerzas de flotacin que actan sobre los desplazadores suspendidos por

un cable de un resorte de rango que se expande o contrae moviendo una camisa deatraccin magntica. Un imn en el mecanismo del interruptor sigue el movimiento

de la camisa de atraccin sin tocarla (acoplamiento magntico) causando que el

interruptor o interruptores se disparen. Los interruptores de nivel se utilizan

principalmente en: Alarmas de nivel Arranque y paro de bombas Abrir o cerrar vlvulas

en forma instantnea Lquidos en agitacin, turbulencia o con espuma Lquidos sucios

y aceites pesados Qumicos, pinturas y tintes.

Interruptor de temperatura

Los interruptores de temperatura o termostatos estn destinados a funcionar dondeocurren cambios de temperatura en un recinto, o en el aire que rodea el elemento

de deteccin de temperatura. La operacin del interruptor de la temperatura es

similar a la operacin del interruptor de presin o presstato; ambos interruptores son

accionados por los cambios en la presin. Se disea el elemento de temperatura de

manera que un cambio en la temperatura produce un cambio en la presin interna

de un sistema trmico lleno (bulbo lleno de gas o aire, o hlice llena), que est

conectado al dispositivo actuador por un pequeo tubo o caera. Un cambio de


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temperatura causa un cambio en el volumen de gas del bulbo, que causa un

movimiento del fuelle. El movimiento es transmitido por un mbolo al brazo del

interruptor. Un contacto mvil est en el brazo. Un contacto fijo puede ser colocado

de manera que el interruptor se abrir o se cerrar con una elevacin de temperatura.

Esto permite que los contactos del interruptor sean fijados para cerrarse cuando la

temperatura cae a un valor predeterminado y abrirse cuando las elevaciones de

temperatura superan al valor deseado. La accin inversa se puede obtener por un

cambio en las posiciones del contacto.

Interruptor de lmite

Un interruptor de lmite es un dispositivo de control electromecnico que opera

mecnicamente en forma automtica, convierte la posicin de elementos mviles de

alguna maquinaria o de algn otro dispositivo mecnico, en una seal de control

elctrico. Su funcin principal es controlar el movimiento en la maquinaria o equipo

asociado.

Beneficios: gran durabilidad, gran capacidad de repeticin de ciclos de operacin,

gran resistencia a las vibraciones mecnicas, gran variedad de palancas de

operacin, fcil de seleccionar y aplicar. El interruptor de lmite es ideal para aquellas

aplicaciones en las que se requiera: contactos con capacidad para servicio extra

pesado, elevado nmero de operaciones y elevada fuerza de restablecimiento.

2.2 Principio de transduccin

Los trminos sensor y transductor se suelen aceptar como sinnimos, aunque si

hubiera que hacer alguna distincin, el termino transductor es quizs ms amplio,

incluyendo una parte sensible o captador propiamente dicho y algn tipo deacondicionamiento de la seal detectada. Si nos centramos en los estudios de los

transductores cuya salida es una seal elctrica, podemos dar la siguiente definicin:

un transductor es un dispositivo capaz de convertir el valor de una magnitud fsica en

una seal elctrica codificada, ya sea en forma analgica o digital.

No todos los transductores tienen que dar una salida en forma de una seal elctrica.

Como ejemplo puede valer el caso de un termmetro basado en la diferencia de

dilatacin de una lmina bimetlica, donde la temperatura se convierte

directamente en un desplazamiento de una aguja indicadora.Sin embargo el termino transductor suele asociarse bastante a dispositivos cuya salida

es alguna magnitud elctrica o magntica.

Los transductores basados fenmenos elctricos o magnticos, estos suelen tener una

estructura general como la que muestra la figura 7.1, en la cual podemos distinguir las

siguientes partes:


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Elemento sensor o captador. Convierte las variaciones de una magnitud fsica en

variaciones de una magnitud elctrica o magntica, que denominaremos

habitualmente seal.

Bloque de tratamiento de seal. Si existe, suele filtrar, amplificar, linealizar y, en

general, modificar la seal obtenida en el captador, por regla general utilizando

circuitos electrnicos.

Etapa de salida. Esta etapa comprende lo amplificadores, interruptores, conversores

de cdigo, transmisores y, en general, todas aquellas partes que adaptan la seal a

las necesidades de la carga exterior.

CLASIFICACIN SEGN EL TIPO DE SEAL DE SALIDA

1. Analgicos. Aquellos que dan como salida un valor de tensin o corriente

variable en forma continua dentro del campo de medida. Es frecuente para

este tipo de transductores que incluyan una etapa de salida para suministrar

seales normalizadas de 0-10 V o 4-20 mA.

2. Digitales. Son aquellos que dan como salida una seal codificada en binario,

BCD u otro sistema cualquiera.

3.

Todo-nada. Indican nicamente cuando la variable detectada rebasa un

cierto umbral o limite. Pueden considerarse como un caso lmite de los sensores

digitales en el que se codifican solo dos estados.

Otro criterio de clasificacin, relacionado con la seal de salida, es el hecho de que

el captador propiamente dicho requiera o no una alimentacin externa para su

funcionamiento. En el primer caso se denominan sensores pasivos y en el segundo

caso activo o directo.

Los sensores pasivos se basan, en la modificacin de la impedancia elctrica o

magntica de un material bajo determinadas condiciones fsicas o qumicas

(resistencia, capacitancia, inductancia, reluctancia, etc.)
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Los sensores activos son, en realidad generadores elctricos, generalmente de

pequea seal. Por ello no necesitan alimentacin exterior para funcionar.

CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS SENSORES

Dichas caractersticas pueden agruparse en 2 grandes bloques:

1.

Caractersticas estticas. Que describen la actuacin del sensor en rgimenpermanente o con cambios muy lentos de la variable a medir.

2.

Caractersticas dinmicas. Que describen la actuacin del sensor en rgimen

transitorio, a base de dar su respuesta temporal ante determinados estmulos

estndar o a base de identificar el comportamiento del transductor con

sistemas estndar.

CARACTERSTICAS ESTTICAS

- Campo de medida: El campo de medida, es el rango de valores de la magnitud de

entrada comprendido entre el mximo y el mnimo detectables por un sensor, con

una tolerancia de error aceptable.

- Resolucin: indica la capacidad del sensor para discernir entre valores muy prximos

de la variable de entrada.

- Precisin: La presin define la mxima desviacin entre la salida real obtenida de un

sensor en determinadas condiciones de entorno y el valor terico de dicha salida que

correspondera, en identidades condiciones, segn el modelo ideal especificado

como patrn.

- Repetibilidad: Caractersticas que indican la mxima desviacin entre valores de

salida obtenidos al medir varias veces un mismo valor de entrada con el mismo sensory en idnticas condiciones ambientales.

- Linealidad: Se dice que un transductor es lineal, si existe una constante de

proporcionalidad nica que relaciona los incrementos de seal de salida con los

correspondientes incrementos de seal de entrada, en todo el campo de medida.

- Sensibilidad: Caractersticas que indican la mayor o menor variacin de salida por

unidad de la magnitud de entrada.

- Ruido: Se entiende por ruido cualquier perturbacin aleatoria del propio transductor

o del sistema de medida que produce una desviacin de salida con respecto al valorterico.

- Histresis: Se dice que un transductor presenta histresis cuando, a igualdad de la

magnitud de entrada, la salida depende de si dicha entrada se alcanz con

aumentos en sentido creciente o en sentido decreciente.


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CARACTERSTICAS DINMICAS

- Velocidad de respuesta: La velocidad de respuesta mide la capacidad de un

transductor para que la seal de salida siga sin retraso las variaciones de la seal de

la entrada. Los parmetros ms relevantes empleados en la definicin de la velocidad

de respuesta son los siguientes:

Tiempo de retardo.

Tiempo de subida.

Tiempo de establecimiento al 99%.

Constante de tiempo.

- Respuesta frecuencial: Relacin entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la

entrada es una excitacin senoidal.

- Estabilidad y derivas: Caractersticas que indican la desviacin de salida del sensor

al variar ciertos parmetros exteriores distintos del que se pretende medir, tales como

condiciones ambientales, alimentacin, u otras perturbaciones.

2.3 SENSORES DE PRESIN

Los transductores de presin suelen estar basados en la deformacin de un elemento

elstico (membrana, tubo de bourdon, etc.), cuyo movimiento bajo la accin del

fluido es detectado por un transductor de pequeas desplazamientos (galgas,

transformador diferencial, elemento piezoelctrico, etc.), del que se obtiene una seal

elctrica proporcional a la presin.
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Los transductores de presin ms frecuentes son los de diafragma o membrana. El

diafragma consiste en una pared delgada que se deforma bajo el efecto de presin.

Los transductores de presin pueden efectuar 2 tipos de medidas:

1.

Presin absoluta, o medida respecto al vaco.

2. Presin diferencial, o relativa, midiendo la diferencia de presin entre 2 puntas.

La figura 7.34 muestra el esquema de principio de un transductor de presin diferencial

P2- P1 basado en el cambio que experimenta la inductancia de un par de bobinas

cuando se deforma el diafragma. Los devanados estn colocados a un circuito tipo

puente de forma que los efectos de ambas se suman entre s, resultando una tensin

alterna proporcional a la diferencia de presiones aplicada.
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2.4 SENSORES DE FLUJO

Los sensores de flujo se basan en distintos principios segn se trate de fluidos

comprensibles o no (gases o lquidos). Cabe recordar que el caudal puede

definirse como masa por unidad de tiempo (Qm) o como volumen por unidad de

tiempo (Qv) de un fluido que atraviesa una seccin de cierto conducto.

Los sensores de caudal suelen estar basados en alguno de los siguientes principios:

- Deteccin por presin esttica (efecto Venturi).

- Deteccin por presin dinmica sobre un flotador o pistn.

- Deteccin de velocidad por induccin electromagntica.

- Deteccin volumtrica mediante turbina.

La mayora de los transductores miden caudal volumtrico. En el caso de fluidos no

comprensibles, la forma habitual de medicin consiste en hallar la velocidad de

paso por una seccin conocida.

Medidores por efecto Venturi

El efecto Venturi consiste en la aparicin de una diferencia de presin entre 2

puntos de una misma tubera con distinta seccin y, por lo tanto, diferente

velocidad e paso del fluido. Para fluidos no comprensibles dicha diferencia de

presin depende de la relacin de dimetros, de caudal y de la densidad, y, por

lo tanto, de la temperatura.
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Medidores por presin dinmica

Estos transductores se basan en el desplazamiento de un pequeo pistn o flotador

sometido a la presin dinmica de la corriente de fluido. Dicha presin equilibra el

peso del cuerpo y provoca un desplazamiento del pistn proporcional a la

velocidad del fluido.

Como variante de estos se pueden considerar

los de turbina, donde la presin dinmica hace

girar un rodete. La velocidad de giro de una

turbina intercalada en la tubera es proporcionalal caudal en el caso de fluidos incompresibles.
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Medidores por velocidad y por induccin

Este tipo de transductores se basan en la ley Faraday, segn la cual, sobre un

conductor se desplaza transversalmente a un campo magntico se genera una

f.e.m. proporcional a la longitud del conductor, a su velocidad de desplazamiento

y a la induccin del campo.

La fem obtenida es proporcional al campo inductor, a la distancia entre electrodos

de captacin y a la velocidad del fluido. El mtodo de medida tiene la ventaja de

no entorpecer el flujo y, por lo tanto, no hay prdidas de carga ni partes en

movimiento. Por otro lado es apto para lquidos corrosivos o muy viscosos.

2.5 SENSORES DE TEMPERATURA

La temperatura es otro de los parmetros que muchas veces debe controlarse en

procesos industriales. Atendiendo al principio de funcionamiento de la mayora de

sensores industriales, podemos distinguir 3 grandes grupos de sensores trmicos:

1. Termostatos todo-nada: Interruptores que conmutan a un cierto valor de

temperatura, en general con una cierta histresis.2.

Termorresistencias: Sensores pasivos de tipo analgico basados en el cambio de

resistividad elctrica de algunos metales o semiconductores con la temperatura.

3. Pirmetros de radiacin: Sensores de tipo analgico, utilizables en general para

altas temperaturas, que estn basados en la radiacin trmica emitida por los

cuerpos calientes.
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Termostatos

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

valor de temperatura. Los ms simples estn basados generalmente en la diferencia

de dilatacin de 2 metales y los ms sofisticados se suelen construir a base de un sensor

de tipo analgico y uno o varios comparadores con histresis.

Los de tipos bimetlicos se utilizan tpicamente en sistemas de climatizacin y en

algunas aplicaciones industriales como interruptores de proteccin (falta de

ventilacin, etc.).

Termopares

Los termopares son sensores activos de tipo analgico basados en el efecto Seebeck.

Dicho efecto consiste en la aparicin de una tensin elctrica entre 2 piezas de

distintos metales unidas o soldadas por un extremo, cuando este se calienta (unin

caliente) y se mantienen los otros 2 extremos a una misma temperatura inferior (unin

fra).

La fuerza electromotriz generada depende de la diferencia de temperaturas entre la

unin fra y la unin caliente:

Termorresistencias

Los conductores elctricos presentan, en general, un aumento de resistencia con latemperatura.

Donde se denomina coeficiente trmico de resistencia.

- Termorresistencias PTCY NTC: Las sondas PTC y NTC son esencialmente

termorresistibles a base de semiconductor. Estos suelen presentar coeficientes de

sensibilidad bastante mayores que en el caso de metales, pero a costa de una gran

prdida de linealidad.
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Los PTC (positive temperatura coefficient) son resistencias construidas a base de xidos

de bario y titanio, que muestran cambios bruscos de valor a partir de una cierta

temperatura. En la figura 7.30 se muestra la caracterstica resistencia/temperatura a

distintas frecuencias para una sonda PTC.

Las NTC son resistencias con un coeficiente de temperatura negativo (Negative

Temperature Coefficient), construidas a base de xidos de hierro, cromo, cobalto,

manganeso y nquel dopados con iones de titanio o litio. El comportamiento frente a

las variaciones de temperatura pueden expresarse, aproximadamente.

Pirmetros de radiacin

La medida de temperaturas con termopar o Termorresistencias implica el contacto

directo entre el transductor y el cuerpo cuya temperatura se desea medir. Sin

embargo, este contacto resulta imposible si la temperatura a medir es superior al

punto de fusin del material del transductor, o si el cuerpo caliente es muy pequeo

y cambia su temperatura al efectuar la medida. En estos casos puede utilizarse los

pirmetros de radiacin, que miden la temperatura a partir de la radiacin trmica

que emiten los cuerpos calientes.

La radiacin emitida puede medirse en su totalidad, o solo en una banda de

frecuencias, resultando as 2 tipos de pirmetros:

- De banda ancha, o de radiacin total

- De banda estrecha, o de brillo.

Los primeros estn construidos a base de una cmara negra, que recibe la radiacin

a travs de una nueva ventana de superficie conocida. Los pirmetros de brillo miden

unicament6e la radiacin emitida en una longitud de onda especfica a travs de

fotoclulas.
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2.6 SENSORES DE NIVEL

Los transductores de nivel se utilizan para conocer el estado de llenado de depsitos

de lquidos o slidos en forma de polvo o granulados. Podemos distinguir 2 tipos de

deteccin de niveles:

- Deteccin de varios niveles de referencia mediante un nmero discreto de

transductores todo o nada.

- Deteccin de tipo analgico. Obteniendo una seal proporcional al nivel.

Cabe sealar que la deteccin de nivel de slidos es poco frecuente, siendo ms

habitual su pesaje.

Transductores todo o nada

La deteccin de niveles de referencia mediante dispositivo todo o nada puede

basarse en diferentes principios, dependiendo, sobre todo, de si se trata de lquidos o

de slidos.

Para lquidos es frecuente emplear flotadores con un contacto de mercurio o, si el

lquido es conductor, su nivel puede medirse por contacto entre dos electrodos

sumergidos en l.

Para el caso de slidos o lquidos no conductores suelen emplearse mtodos

fotoelctricos o detectores de proximidad capacitivos.

Transductores por presin

Una de las formas de obtener una indicacin analgica de nivel de lquidos consiste

en medir la presin sobre el fondo del depsito que los contiene. La diferencia depresiones entre el fondo y la superficie (Pf - Ps), es directamente proporcional al nivel

(h) respecto a dicho fondo y al peso especfico () del lquido:

En tanques abiertos el nivel es aproximadamente proporcional a la presin absoluta,

ya que los cambios de presin atmosfricas suelen tener poca importancia, sobre

todo si se trata de lquidos densos.
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Transductores por flotador

El mtodo ms fiel para detectar el nivel de lquidos consiste en el empleo de un

flotador solidario a un sistema de palancas y unido a un sensor de distancia o

desplazamiento. La figura 7.41 muestra unos esquemas de principio para recipientes

abiertos y cerrados.

Transductores ultrasnicos

Los detectores por ultrasnicos se basan, en realidad, en la medicin de la distancia

desde el fondo a la superficie o desde el punto mximo a la superficie.

El transductor emite un impulso de presin (ultrasonidos) que es reflejado por la

superficie del material y recogido por un receptor colocado a lado del emisor.

Este tipo de detector es apto tambin para detectar nivel de slidos.
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2.7 SENSORES DE PESO, VELOCIDAD, CONDUCTIVIDAD, PH, ETC.

Sensores de peso

Se trata de un elemento totalmente plano integrado dentro de una membrana de

circuito impreso flexible de escaso espesor. Esta forma plana permite colocar al sensor

con facilidad entre dos piezas de la mecnica de nuestro sistema y medir la fuerza

que se aplica sin perturbar la mecnica de las pruebas. Los sensores utilizan una

tecnologa basada en la variacin de la resistencia elctrica del rea sensora. La

aplicacin de una fuerza al rea activa de la deteccin del sensor se traduce en

cambio en la resistencia elctrica del elemento sensor en funcin inversamente

proporcional a la fuerza aplicada.

Sensores de velocidad

La deteccin de velocidad forma parte de un gran nmero de sistemas industriales,

en los que se requiere un control de la dinmica de los mismos. Los transductores develocidad suelen pertenecer a uno de los siguientes tipos:

1. Analgicos: Basados en generadores de CC o dinamos tacometricas.

2. Digitales: Basados en la deteccin de frecuencia de un generador de pulsos

(encoder u otros).

- Dinamo tacometrica

La dinamo tacometrica es, en esencia, un generador de corriente continua con

excitacin a base de imanes permanentes.

- Generadores de impulsos

Los transductores digitales de velocidad estn basados en la deteccin de frecuencia

de generadores de impulsos a base de captadores pticos o inductivos, de forma

anloga a la indicada para un encoder incremental.

La robustez, la buena adaptacin a sistemas de control digital y la buena relacin

coste/precisin de este tipo de sensores hacen que actualmente sustituyan a los

generadores tacomtricos en muchas aplicaciones.

Sensores de conductividad

Los sensores de conductividad no tienen piezas mviles. El funcionamiento de estos

sensores no se ve interrumpido ni siquiera en lquidos conductores semislidos como

los del sector alimentario, ni en lquidos muy densos como las aguas residuales.


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Sensores de PH

El sistema de pH consiste de un electrodo de pH y un amplificador. El sensor de PH se

mide el nivel de Acidez y Basicidad entre valores de 0 a 14.

El sensor de pH es un gel de Ag-Cl. El electrodo ha sido construido dentro de un tubo

de plstico en un dimetro de 12mm, contiene una botella de proteccin con unasolucin buffer estable. Cuando el electrodo no es usado deber ser guardado dentro

de la botella. Durante la medicin se debe l impiar la probeta entre prueba y prueba.

El electrodo es conectado al amplificador por medio de un cable coaxial y un

conector BNC. El amplificador y el adaptador proporcionan una amplificacin en un

rango entre 0 y 5V.

El pH ha sido diseado para funcionar en diversas situaciones. El cuerpo epoxico

protege el tubo de vidrio, el gel de Ag-Cl ha sido llenado una vez no ser necesario

ser otra vez llenado.

2.8 CRITERIOS PARA LA SELECCIN DE UN SENSOR

Al seleccionar un sensor para una aplicacin en particular hay que considerar varios

factores:

1.- El tipo de medicin que se requiere, por ejemplo, la variable que se va a medir, su

valor nominal, el rango de valores, la exactitud, velocidad de medicin y confiabilidad

requeridas, las condiciones ambientales en las que se realizar la medicin.

2.- El tipo de salida que se requiere del sensor, lo cual determinar las condiciones de

acondicionamiento de la seal, a fin de contar con seales de salida idneas para la

medicin.

3.- Con base en lo anterior se puede identificar algunos posibles sensores, teniendo en

cuenta rango, exactitud, linealidad, velocidad de respuesta, confiabilidad, facilidad

de mantenimiento, duracin, requisitos de alimentacin elctrica, solidez,

disponibilidad y costo.
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La eleccin de un sensor no se puede hacer sin considerar el tipo de salida que el

sistema debe producir despus de acondicionar la seal; por ello, es necesaria una

integracin idnea entre sensor y acondicionador de seal.

Como ejemplo de lo anterior, considerar la seleccin de un sensor para medir el nivel

de cido corrosivo de un recipiente. Dicho nivel vara entre 0 y 2 m y el recipiente es

de forma rectangular con dimetro de 1m. El recipiente vaco pesa 100 kg. La mnimavariacin en nivel que se desea detectar es 10 cm. La densidad del cido es 1050. El

sensor debe producir una salida elctrica.

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