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TEMA 5: SENSORES Y TRANSDUCTORES

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SENSORES Y TRANSDUCTORES

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

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Sensores y transductores Sistemas electrónicos de medida y

regulación:

Entradas Salidas

Variables de perturbación

Variables de estado

SISTEMA

Sistema: conjunto formado por una serie de elementos para realizar una función dada.Variable de entrada: son señales que llegan al sistema desde el exterior. Pueden ser variables o fijasVariable 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.

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Sensores y transductores 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.

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Sensores y transductores Sistemas de control continuo:

CONTROL PROCESOE S

Control Proceso

Realimentación

ComparadorE S

Sistemas de cadena abierta: no existe vigilancia sobre la señal de 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 ésta se ha ejecutado correctamente. Para ello, se establece una realimentación desde la salida hacia la entrada.

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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

Regulador Accionador

Realimentación

Xe SProceso

Transductor de salida

Transductor de entrada

XsXc

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Ejemplo: Un ejemplo práctico de servomecanismo puede ser un regulador de velocidad de un motor.

Regulador

Dinamo tacométrica

Verr Vc

Motor

V

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Función de transferencia: FDT

A

B

Xe Xs+

-

ComparadorFDT 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.

FDT de lazo abierto: es la función de transferencia que se obtiene si al lazo cerrado se le desconecta la red de realimentación.

BA

A

Xe

Xs

1

BAXe

XsB

Xe

XrXe

Xe

Xerr

1

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BAXerr

Xr

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Sensores y transductores 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.

Ordenador Proceso

Realimentación

Xe Xc Xs

Xr

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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.

Ordenador Proceso

Realimentación

Xe Vcn Vs(t)

Vr(t)

A/D D/A

D/A

Vin Ve(t)

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Ventajas: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.Mayor exactitud: esto se debe a la mayor capacidad de cálculo del ordenador. Control múltiple: Un mismo elemento puede ser utilizado para realizar el control de varios procesos simultáneamente.Mayor versatilidad del sistema: se puede cambiar la acción de control sin más que cambiar el programa en ejecución.Acciones complementarias: es posible realizar una serie de acciones complementarias como visualización instantánea de todas las variables de proceso, presentación, análisis estadístico, simulaciones, etc.

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Sensores y transductores Sistemas de control por ordenador:CPCInconveniente:

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.

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Para evitar este problema se ha desarrollado el control analógico-digital o control de punto de referencia (DAC).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.

Ordenador Proceso

Realimentación

Xe Ven

Vr(t)

A/D D/A

D/A

VinVer(t)

Regulador

BY-PASSComparador

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Sensores y transductoresEl 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.

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Clasificación:

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.

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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.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores de posición, distancia y desplazamiento

Medida de grandes distancias: radar Medida de distancias cortas: ultrasonidos Medida de pequeños desplazamientos:

Sensores de tipo resistivo: Potenciómetro Galgas extensiométricas

Sensores de tipo inductivo Sensores de tipo capacitivo

Medida de ángulos Sensores inductivos: resolver Sensores digitales:

Codificadores incrementales Codificadores absolutos

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SENSORES Y TRANSDUCTORES Medida de grandes distancias: radar Miden señales a distancias entre 100 metros y 10 Kilómetros. El radar es básicamente un transmisor de radiaciones

electromagnéticas a frecuencia muy elevada (5-20KHz) 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:

El tiempo es de ida y vuelta, por tanto hay que dividirlo entre dos.

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tcD

.:

.,:

tan:

recibesequehastaemitidaesondalaquedesdedotranscurritiempot

luzladelantehabitualmeondasdenpropagaciódevelocidadc

ciadisD

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SENSORES Y TRANSDUCTORES Medida de distancias cortas: ultrasonidos

Sensores que miden distancias entre 1 centímetro y 10 metros

Los ultrasonidos son radiaciones mecánicas de frecuencia superior a las audibles (20KHz). Toda radiación, al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida.

Transmisor

Receptor

Generador de pulsos

Detector

Co

nta

do

r

S

R

Q

Display

Ob

jeto

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SENSORES Y TRANSDUCTORES Medida de pequeños desplazamientos:

Sensores de tipo resistivo:PotenciómetroGalgas extensiométricas

Sensores de tipo inductivo

Sensores de tipo capacitivo

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Medida de pequeños desplazamientos Sensores de tipo resistivo:

Potenciómetro:

Galgas extensiométricas:

l

xR

)()( xlA

lA

R

.min:

sec:

:

:

:

fijoalterotroeldesderecorridadistamcoax

ltransversaciónA

materialdeladresistivid

longitudl

aresistenciR

A

lR

ltransversaciónA

longitudl

adresistivid

aresistenciR

sec:

:

:

:

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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.

Medida de pequeños desplazamientos

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Sensores de tipo capacitivo: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 y10mm, con valores de capacidad del orden de 1 a 1000pF

Placas móviles

Placasfijas

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Medida de pequeños desplazamientos

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SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores de posición, distancia y desplazamiento

Medida de grandes distancias: radar Medida de distancias cortas: ultrasonidos Medida de pequeños desplazamientos:

Sensores de tipo resistivo: Potenciómetro Galgas extensiométricas

Sensores de tipo inductivo Sensores de tipo capacitivo


Codificadores incrementales Codificadores absolutos

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Codificadores incrementalesCodificadores absolutos

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Medida de ángulos 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

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Medida de ángulos 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:

V1 = V sen(wt) sen ØV2 = V sen(wt) cos Ø

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Medida de ángulos Sensores digitales:

Codificadores incrementales

Codificadores absolutos:

Sectores equidistantes

Cabezal de lectura fijo

Disco

Regla

Acoplamiento Desplazamiento lineal

giro

Eje

El disco se divide en un número de sectores (potencia de 2) codificándose cada uno de ellos con un código binario

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Sensores de temperatura Sensores resistivos

RTD Termistores

Sensores termoeléctricos Efecto Seebeck Efecto Thomson Efecto Peltier

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Sensores de temperatura 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 )

)...1( 33

2210

nnTTTTRR

.:

:

:

0 referenciadeatemperaturlaaaresistenciR

referenciadelaarespectoatemperaturdeincrementoT

aresistenciR

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Sensores de temperatura 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.

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+V

Amplificador

AB

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Sensores de temperatura Sensores termoeléctricos

Efecto Seebeck Efecto Thomson Efecto Peltier

T T+T

A

B

T T+T

A

B

T+T

A

B

T-TCede calorAbsorbe

calor

Efecto Seebeck en un termopar: aparece una corriente o una diferencia de potencial cuando hay dos uniones a diferente temperatura.

Efecto Peltier: al hacer circular corriente por un circuito de termopares, una unión se enfría y la otra se calienta.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores de velocidad:

De tipo digital (tacómetro):

Por ultrasonidos: Efecto Doopler

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:

Tm

N 2

cos2 c

vfff ere

npropagaciódedirecciónyvelocidadlaentrerelativoángulo

sonidoradiaciónladenpropagaciódevelocidadc

fluidodelvelocidadv

recibidafrecuenciaf

emitidafrecuenciaf

r

e

:

)(:

:

:

:

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Sensores de velocidad Por ultrasonidos: Efecto Doopler

Transmisor

Mezclador

ContadorFiltro paso alto

Base de tiempos

Móvilft

fr

ft fr

Diseño en bloque de un radar de tráfico.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES Sensores de presión:

Tubo Bourdon

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.

Presión alta

Presión baja

Tubo Bourdon

Potenciómetro

+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.

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Sensores de proximidad:

Sensores de tipo resistivo Sensores de tipo inductivo: Sensores de tipo óptico

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Sensores de proximidad

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 1mm y 10nm).

LDR

Vcc Vcc

Relé

R2

R1

V

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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:

IB

tVA H

H aplicadomagnéticocampoB

primariacorrienteI

materialdelgrosort

HalltensiónVH

:

:

:

:

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Sensores basados en un cambio de inductancia debido a la presencia de un objeto metálico

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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 50m en condiciones ideales, pero puede verse disminuido este alcance si hay humo, polvo o si se acumulan partículas contaminantes sobres las partes ópticas.

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Reguladores

A

B

Ve Vs+

-

Comparador

BVs

Ve-BVs

BA

A

Ve

VsG

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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.

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SENSORES Y TRANSDUCTORES 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:

OrdenadorD/A

Proceso

CaptadorA/D

Entrada Salida

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SENSORES Y TRANSDUCTORES 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.

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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.

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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.

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