TEMA 5 SENSORES Y TRANSDUCTORES 1 SENSORES Y

TEMA 5: SENSORES Y TRANSDUCTORES 1

SENSORES Y TRANSDUCTORES n n n n n Sistemas electrónicos de medida y regulación Sensores y transductores Sensores de posición, distancia y desplazamiento Sensores de temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores Distintas tecnologías 2

Sensores y transductores n Sistemas electrónicos de medida y Sistema: conjunto formado por una serie regulación: de elementos para realizar una función Variables de perturbación Entradas Salidas SISTEMA Variables de estado dada. Variable de entrada: son señales que llegan al sistema desde el exterior. Pueden ser variables o fijas Variable de salida: es la respuesta del sistema. Variables de perturbación: Son señales no deseadas y hay que tratar de minimizar sus efectos. Variables de estado: son el conjunto mínimo de variables del sistema capaces de definir de manera única al sistema, en el sentido que permita conocer la variable de salida para cualquier variable de entrada. 3

Sensores y transductores n Sistemas electrónicos de medida y regulación: Ejemplo: Si se desea posicionar una antena mediante un mando eléctrico, la variable de entrada sería la tensión eléctrica suministrada al motor de giro por un operador. Una variable de perturbación sería el viento que podría modificar la posición alcanzada. La variable de salida sería la posición de la antena y las variables de estado las distintas posiciones del potenciómetro para cada posición de la antena. 4

Sensores y transductores n Sistemas de control continuo: Sistemas de cadena abierta: no existe vigilancia sobre la señal de E salida. Problema: es incapaz de resolver los problemas causados por las posibles perturbaciones Sistema de cadena cerrada o realimentada: recibe información desde la salida para determinar si E ésta se ha ejecutado correctamente. Para ello, se establece una realimentación desde la salida hacia la entrada. CONTROL PROCESO Comparador Control Proceso S S Realimentación 5

Sensores y transductores n Sistemas de control continuo: Servosistema: sistema de cadena cerrada y entrada variable. Servomecanismo: servosistema en el que la salida es una magnitud física como posición, velocidad, temperatura, etc. La estructura general de un servosistema es el siguiente: Detector de error Xe Transductor de entrada Regulador Xc Realimentación Accionador S Proceso Xs Transductor de salida 6

Sensores y transductores n Sistemas de control continuo: Ejemplo: Un ejemplo práctico de servomecanismo puede ser un regulador de velocidad de un motor. V Verr Regulador Dinamo tacométrica Vc Motor 7

Sensores y transductores n Sistemas de control continuo: ¨ Función de transferencia: FDT total: relaciona la señal de salida con la entrada. Indica la estabilidad del sistema. FDT de error: relaciona la señal de error con la señal de entrada. Se utiliza para determinar la precisión de un servosistema. Comparador Xe + A Xs - B FDT de lazo abierto: es la función de transferencia que se obtiene si al lazo cerrado se le desconecta la red de realimentación. 8

Sensores y transductores n Sistemas de control por ordenador: CPC Consiste en la introducción de un ordenador como elemento constituyente del sistema de control. De los elementos que componen un servosistema, el más importante era el regulador, ya que determinada muchas de las características del sistema. Se empieza a utilizar un ordenador como elemento regulador de control. Este hecho da lugar a las técnicas de análisis y diseño de sistemas de control digital, también denominadas sistemas muestreados o discretos de control. Xe Ordenador Xr Xc Proceso Xs Realimentación 9

Sensores y transductores n Sistemas de control por ordenador: CPC El ordenador asume la función del comparador y del regulador analógico. La distinta naturaleza de las señales implica que debe existir otro bloque más, capaz de realizar la conversión entre ambos tipos de señales. Estos bloques están implementados físicamente por los convertidores analógicos-digitales (A/D) o digital-analógico (D/A). A estos bloques también se les denomina interfaces. Xe A/D Vin Ordenador Vcn D/A Vr(t) Ve(t) Proceso Vs(t) Realimentación 10

Sensores y transductores n Sistemas de control por ordenador: CPC Ventajas: q. Mayor calidad: se pueden obtener señales de control muy complejas a partir de las señales de error, sin necesidad de cambiar ningún elemento del sistema. q. Mayor exactitud: esto se debe a la mayor capacidad de cálculo del ordenador. q. Control múltiple: Un mismo elemento puede ser utilizado para realizar el control de varios procesos simultáneamente. q. Mayor versatilidad del sistema: se puede cambiar la acción de control sin más que cambiar el programa en ejecución. q. Acciones complementarias: es posible realizar una serie de acciones complementarias como visualización instantánea de todas las variables de proceso, presentación, análisis estadístico, simulaciones, etc. 11

Sensores y transductores n Sistemas de control por ordenador: CPC Inconveniente: q. Seguridad de funcionamiento. Es habitual que un mismo ordenador realice esta función para distintos procesos, por lo que una avería del mismo, dejará todo el sistema paralizado. Suele aumentarse la seguridad duplicando o triplicando la alimentación, la programación, etc. 12

Sensores y transductores n Sistemas de control por ordenador: CPC q. Para evitar este problema se ha desarrollado el control analógico-digital o control de punto de referencia (DAC). q. El ordenador está encargado únicamente de la generación de las señales de referencia. Estas señales actúan sobre comparadores de control continuo, que junto con los reguladores mantienen íntegro el concepto de control continuo. Para asegurar su funcionamiento, se realiza la conexión directa (by-pass) de las variables de entrada al comparador. BY-PASS Xe A/D Vin Ordenador Comparador Ven D/A Ver(t) D/A Vr(t) Proceso Regulador Realimentación 13

SENSORES Y TRANSDUCTORES n n n n n Sistemas electrónicos de medida y regulación Sensores y transductores Sensores de posición, distancia y desplazamiento Sensores de temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores Distintas tecnologías 14

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Sensores y transductores ¨ El transductor es un dispositivo que convierte una señal de una forma física determinada en otra señal de forma física diferente. Es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. ¨ El sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible, que es función de la variable medida. 15

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Sensores y transductores ¨ El transductor es un dispositivo que convierte una señal de una forma física determinada en otra señal de forma física diferente. Es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. ¨ El sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible, que es función de la variable medida. 16

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Sensores y transductores ¨ El transductor es un dispositivo que convierte una señal de una forma física determinada en otra señal de forma física diferente. Es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. ¨ El sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible, que es función de la variable medida. 17

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Clasificación: n Señal de salida. Puede ser analógica o digital. En los analógicos, la información variará de forma continua, la información está en la amplitud (por ejemplo un potenciómetro). En una salida digital, la salida variará de forma discreta y hará que la transmisión de su salida sea más fácil (por ejemplo un codificador de posición). Parámetro variable. Resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente, y así se hablará de sensores de tipo resistivo, inductivo, capacitivo, etc. Magnitud medida. Se habla así de sensores de posición, distancia, desplazamiento, temperatura, presión, fuerza, velocidad y presencia. Esta clasificación permite escoger el dispositivo correcto dentro de un sistema de control. n n 18

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Elección de un sensor: ¨ Magnitud a medir: conociendo cuál ha de ser el margen de medida, la exactitud deseada, la estabilidad, el tiempo de respuesta y las magnitudes que pueden interferir. ¨ Características de alimentación: tensión, corriente, potencia disponible, frecuencia (si es alterna), estabilidad. ¨ Características ambientales: teniendo en cuenta los márgenes del fabricante. ¨ Otros factores: vida media, coste de fabricación, coste de mantenimiento, tiempo de instalación, situación en caso de fallo. 19

SENSORES Y TRANSDUCTORES n n n n n Sistemas electrónicos de medida y regulación Sensores y transductores Sensores de posición, distancia y desplazamiento Sensores de temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores Distintas tecnologías 20

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Sensores de posición, distancia y desplazamiento ¨ Medida de grandes distancias: radar ¨ Medida de distancias cortas: ultrasonidos ¨ Medida de pequeños desplazamientos: n Sensores de tipo resistivo: Potenciómetro ¨ Galgas extensiométricas ¨ Sensores de tipo inductivo n Sensores de tipo capacitivo ¨ Medida de ángulos n Sensores inductivos: resolver n Sensores digitales: n Codificadores incrementales ¨ Codificadores absolutos ¨ 21

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Medida de grandes distancias: radar n n Miden señales a distancias entre 100 metros y 10 Kilómetros. El radar es básicamente un transmisor de radiaciones electromagnéticas a frecuencia muy elevada (5 -20 KHz) generadas por un oscilador modular a impulsos. Estas radiaciones son emitidas por una antena y un receptor amplifica los ecos recibidos del objeto cuya distancia se desea medir. Esta distancia se puede calcular como: n El tiempo es de ida y vuelta, por tanto hay que dividirlo entre dos. n n 22

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Medida de distancias cortas: ultrasonidos ¨ Sensores 10 metros que miden distancias entre 1 centímetro y Transmisor Objeto Generador de pulsos Cont ador S Receptor Q Detector R Display ¨ Los ultrasonidos son radiaciones mecánicas de frecuencia superior a las audibles (20 KHz). Toda radiación, al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida. 23

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Medida de pequeños desplazamientos: n Sensores de tipo resistivo: ¨Potenciómetro ¨Galgas extensiométricas n Sensores de tipo inductivo n Sensores de tipo capacitivo 24

Medida de pequeños desplazamientos n Sensores de tipo resistivo: ¨Potenciómetro: R x l ¨Galgas extensiométricas: 25

Medida de pequeños desplazamientos n Sensores de tipo inductivo: Consiste en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazarse a lo largo de su interior un material ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético, unido a la pieza, cuyo movimiento se desea medir. 26

Medida de pequeños desplazamientos n Sensores de tipo capacitivo: Placas móviles Placas fijas Están formado por dos condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo que experimentan el mismo cambio pero en sentidos opuestos. Los sensores capacitivos diferenciales se emplean para medir desplazamientos entre 10 y 10 mm, con valores de capacidad del orden de 1 a 1000 p. F 27

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Sensores de posición, distancia y desplazamiento ¨ Medida de grandes distancias: radar ¨ Medida de distancias cortas: ultrasonidos ¨ Medida de pequeños desplazamientos: n Sensores de tipo resistivo: Potenciómetro ¨ Galgas extensiométricas ¨ Sensores de tipo inductivo n Sensores de tipo capacitivo ¨ Medida de ángulos n Sensores inductivos: resolver n Sensores digitales: n Codificadores incrementales ¨ Codificadores absolutos ¨ 28

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Medida de ángulos n Sensores inductivos: resolver n Sensores digitales: ¨Codificadores incrementales ¨Codificadores absolutos 29

Medida de ángulos n Sensores inductivos: resolver El giro de la bobina móvil hace que el acoplamiento con las bobinas fijas varíe, consiguiendo que la señal resultante en éstas dependa del seno del ángulo de giro 30

Medida de ángulos n Sensores inductivos: resolver La bobina móvil excitada con tensión V sen(wt) y girada un ángulo Ø induce en las bobinas fijas situadas en cuadratura las siguientes tensiones: V 1 = V sen(wt) sen Ø V 2 = V sen(wt) cos Ø 31

Medida de ángulos n Sensores digitales: ¨Codificadores incrementales Sectores equidistantes Cabezal de lectura fijo Eje Regla giro Disco Acoplamiento Desplazamiento lineal ¨Codificadores absolutos: El disco se divide en un número de sectores (potencia de 2) codificándose cada uno de ellos con un código binario 32

SENSORES Y TRANSDUCTORES n n n n n Sistemas electrónicos de medida y regulación Sensores y transductores Sensores de posición, distancia y desplazamiento Sensores de temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores Distintas tecnologías 33

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Sensores de temperatura ¨ Sensores resistivos RTD n Termistores ¨ Sensores termoeléctricos n Efecto Seebeck n Efecto Thomson n Efecto Peltier n 34

Sensores de temperatura n Sensores resistivos ¨ RTD: (Resistance Temperatura Dependent). Detectores de temperatura basados en la variación de su resistencia eléctrica. La resistencia aumenta con la temperatura. La dependencia se expresa mediante: ¨ Termistores: A diferencia de las RTD, que están basadas en conductores, los termistores se basan en semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es negativo, se denominan NTC (Negative Temperature Coeficient), mientas que si es positivo se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient ) 35

Sensores de temperatura n Sensores resistivos: ¨ Los termistores tienen numerosas aplicaciones; entre ellas se propone un termómetro digital. El sistema de control se basa en que la tensión entre los puntos A y B del puente de Wheatstone variará en función del NTC. +V Amplificador B A 37 36

Sensores de temperatura n Sensores termoeléctricos Efecto Seebeck n Efecto Thomson n Efecto Peltier n A T+T B T A T+T B Efecto Seebeck en un termopar: aparece una corriente o una diferencia de potencial cuando hay dos uniones a diferente temperatura. Absorbe calor Cede calor T+T T-T B Efecto Peltier: al hacer circular corriente por un circuito de termopares, una unión se enfría y la otra se calienta. 37

SENSORES Y TRANSDUCTORES n n n n n Sistemas electrónicos de medida y regulación Sensores y transductores Sensores de posición, distancia y desplazamiento Sensores de temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores Distintas tecnologías 38

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Sensores de velocidad: ¨ De tipo digital (tacómetro): a partir de un codificador incremental obtiene m impulsos por cada vuelta. Si se contabilizan N impulsos durante un intervalo T, la velocidad angular es: ¨ Por ultrasonidos: Efecto Doopler 39

Sensores de velocidad n Por ultrasonidos: Efecto Doopler Móvil ft Transmisor ft fr fr Mezclador Filtro paso alto Contador Base de tiempos Diseño en bloque de un radar de tráfico. 40

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SENSORES Y TRANSDUCTORES n Sensores de presión: ¨ Tubo Bourdon Potenciómetro Presión baja Tubo Bourdon Presión alta ¨ +V- Tubo metálico de sección transversal no circular, obtenido a base de aplanar un tubo de sección circular, que tiende a recuperara dicha forma cuando se aplica una diferencia de presión entre el interior y el exterior. La señal eléctrica se obtiene mediante un sensor de desplazamiento. Piezoeléctricos: El efecto piezoeléctrico descubierto en 1881 por Jacques y Pierre Curie, es un efecto que consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformase bajo la acción de un esfuerzo. Materiales piezoeléctricos naturales: cuarzo y la turmalina. Sustancias sintéticas: cerámicas. 42

SENSORES Y TRANSDUCTORES n n n n n Sistemas electrónicos de medida y regulación Sensores y transductores Sensores de posición, distancia y desplazamiento Sensores de temperatura Sensores de velocidad Sensores de presión Sensores de proximidad Reguladores Preaccionadores y actuadores Distintas tecnologías 43

SENSORES Y TRANSDUCTORES n Sensores de proximidad: ¨ ¨ ¨ Sensores de tipo resistivo Sensores de tipo inductivo: Sensores de tipo óptico 44

Sensores de proximidad n Sensores de tipo resistivo: Fotorresistencias LDR. Las siglas inglesas corresponden a Light Dependent Resistor. Están basadas en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1 mm y 10 nm). Vcc Relé R 1 R 2 LDR V 45

Sensores de proximidad n Sensores de tipo inductivo: Basados en el fecto Hall: cuando por un conductor circula corriente y se le aplica un campo magnético en dirección perpendicular a ésta, aparece una diferencia de potencial transversal. A la tensión obtenida se le denomina tensión Hall, y depende del grosor t del material en la dirección del campo magnético aplicado, de la corriente primaria I, del campo magnético aplicado B y de las propiedades eléctricas del material, recogidas en el coeficiente A. Estos parámetros se relacionan mediante la expresión: 46

Sensores de proximidad n Sensores de tipo inductivo: 47

Sensores de proximidad n Sensores de tipo inductivo: Sensores basados en un cambio de inductancia debido a la presencia de un objeto metálico 48

Sensores de proximidad n Sensores de tipo óptico: Sensores basados en el efecto fotovoltaico fotodiodos. Se basan en el efecto fotovoltaico (generación de un potencial cuando una radiación ioniza una zona donde hay una barrera de potencial). Así, según sea la radiación incidente, se produce un cambio en el potencial de contacto de la unión p-n o en la corriente de cortocircuito. ¨ Utilizados como detectores de presencia, se basan en la interrupción del haz de luz por parte del objeto. Tienen un alcance de hasta 50 m en condiciones ideales, pero puede verse disminuido este alcance si hay humo, polvo o si se acumulan partículas contaminantes sobres las partes ópticas. ¨ 49

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SENSORES Y TRANSDUCTORES n Reguladores Comparador Ve Ve-BVs + A Vs B Si la variable de salida es un sistema mecánico, el sistema de control realimentado recibe el nombre de servosistema. Si la entrada permanece constante y lo que varía es la ganancia B del lazo de realimentación, el sistema se denomina regulador. La función del regulador es mantener constante la salida, mientras que la función del servosistema es conseguir que la salida siga a la entrada. 51

SENSORES Y TRANSDUCTORES n n Reguladores: Se realiza un control automático por existir un control en el propio sistema. Para ello se utiliza un regulador. Todo regulador consta de un transductor de entrada, otro de salida y de un sistema de estabilización. Es estable si ante cualquier perturbación la salida es acotada y no se produce una oscilación. Se realiza una compensación de ajuste de ganancia, de adelanto de fase o retarde de fase para compensar las variaciones. Esto implica una acción proporcional, integral, derivativa o PID. La regulación con ordenador consta, además del ordenador, de un convertidos D/A y de otro A/D y de una serie de captadores o sensores. Básicamente responde al siguiente diagrama de bloques: Entrada Ordenador D/A A/D Proceso Salida Captador 52

SENSORES Y TRANSDUCTORES n n Reguladores. Los controles que se pueden emplear en lazo cerrado son: Control P o control proporcional: se debe estudiar la respuesta a la entrada en escalón y se debe estudiar el parámetro Kp y la constante de tiempo. Control PI, Control PD y control PID o controles donde se introduce la acción proporcional, la acción integral y la acción derivativa, respectivamente. En la acción proporcional, la actuación es proporcional a la variación de la salida respecto al punto de referencia. En la acción integral, la actuación está en función del tiempo en que la salida ha sido distinta a la esperada. En la acción derivativa, la actuación está en función de la velocidad con la que la salida cambia respecto a la tomada como referencia. 53

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SENSORES Y TRANSDUCTORES n Preaccionadores y actuadores: En todo control de potencia, por una parte se encuentran los circuitos de control y por otra los de potencia. La unión entre ambos la realizan unos elementos intermedios, como por ejemplo relés, relés de estado sólido y contactores, entre otros. Estos elementos intermedios se conocen también como preaccionadotes. En un control de arranque de un motor trifásico, los preaccionadotes son los relés y el actuador el motor. Lo mismo ocurre con elementos neumáticos e hidráulicos. 55

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SENSORES Y TRANSDUCTORES n Distintas tecnologías: El sistema de medida y regulación para conseguir un control automático estable puede usar un lazo de realimentación y un control analógico, pero también puede usar un control por ordenador formando parte del lazo de realimentación. La señal analógica se muestrea y se convierte a un valor digital con la cual el ordenador realiza el procesado. La salida se convierte nuevamente a un valor analógico con un convertido D/A. En lugar de utilizar un ordenador se puede realiza el control con un microcontrolador o un PIC. 57