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Tecnología
Industrial II
COMPONENTES DE LOS
SISTEMAS DE CONTROL
IES PEDRO SIMÓN ABRIL (ALCARAZ)
Departamento de Tecnología
Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez
IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) 2
ÍNDICE DEL TEMA
1. Introducción ........................................................................................................................... 3
2. Tipos de transductores.................................................................................................... 3
2.1. De posición o proximidad ......................................................................................... 3
2.2. De desplazamiento .................................................................................................... 5
2.3. De fuerzas y deformaciones................................................................................... 6
2.4. Transductores de velocidad ................................................................................... 7
2.5. Transductores de presión ....................................................................................... 8
2.6. Transductores de temperatura ............................................................................. 9
2.7. Transductores de luz ............................................................................................. 11
3. Comparadores o Detectores de Error ........................................................................ 12
4. Actuadores ....................................................................................................................... 13
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1. Introducción
Una vez estudiado el funcionamiento de los sistemas de control, analizaremos en este
tema los componentes físicos que los integran y las funciones desempeñadas por cada uno
de ellos. Nos centraremos fundamentalmente en los transductores y captadores, ya que
de ellos depende en gran medida, la exactitud de los sistemas de regulación y control
empleados. Asimismo estudiaremos los comparadores y actuadores analizando algunos
ejemplos representativos de estos componentes de los sistemas de control.
2. Tipos de transductores
2.1. De posición o proximidad
Proporcionan una señal de tipo todo o nada, al detectar la presencia o posición de un
objeto en un punto o lugar. La detección puede producirse por contacto físico o sin
contactar con el objeto a controlar. Dentro de este grupo destacamos:
a) Finales de carrera mecánicos
Son dispositivos cuyos contactos se activan o desactivan, en virtud
del accionamiento mecánico del objeto sobre una palanca, émbolo o varilla
que forma parte del propio dispositivo. Su principal inconveniente se debe a
la necesidad de existir contacto entre el objeto y el sensor.
b) Transductores de proximidad inductivos
Se utilizan únicamente para detectar objetos metálicos o ferrromagnéticos.
Detectan la variación del flujo magnético producido por una bobina cuando es cortado o
atravesado por un objeto metálico.
Al aproximar una pieza metálica a un campo
magnético generando por una bobina sometida
a una tensión alterna de alta frecuencia, se
crean en él unas corrientes denominadas de
Eddy, que aumentarán según se acerca a la
bobina que genera el campo. Estas corrientes
generan a su vez un campo magnético que se
opone al producido por el generador disminuyendo la tensión existente en la bobina.
Sensor: elemento que se encuentra en contacto directo con la magnitud que se va a evaluar.
Transductor: Elemento que transforma la señal que proporciona el sensor en otra de tipo
eléctrico que se puede utilizar para medir. El transductor incluye al sensor como parte de él.
Captador: transductor propio de los sistemas de bucle cerrado que capta la señal controlada,
también incluye un sensor.
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c) Transductores de proximidad capacitivos
Se basan en un campo eléctrico para detectar el objeto en cuestión. Pueden
detectar cualquier tipo de objeto (líquidos, metales, sustancias en polvo…). El sensor tiene
forma de disco y, junto a una pantalla, forma un condensador cuya capacidad, conocida en
ausencia del objeto a detectar, determinará la presencia o no de algún elemento. Al estar
próximo un objeto, aumenta la capacidad del condensador lo que producirá una señal de
conmutación en el circuito.
En los utilizados para detectar metales, como
se ve en la figura, una de las armaduras está
fija recibiendo la alimentación del circuito,
mientras que la placa móvil (objeto a detectar)
está conectada a masa. Cuando el objeto a
detectar está distante del electrodo fijo, la
capacidad es muy pequeña, aumentado a medida
que aproxima a aquel.
Para detectar no metales (figura de la
izquierda) se emplean captadores en los que las
dos armaduras están fijas, y el objeto a
detectar pasa entre ambas variando la
capacidad inicial del condensador.
d) Transductores de proximidad ópticos
También son llamados fotocélulas o células fotoeléctricas. Se basan en la
detección de la luz roja (visible) o infrarroja (invisible) mediante dispositivos ópticos y
electrónicos. Están formados por un emisor de luz (LED) y un receptor (fototransistor o
fotodiodo). Los detectores de luz infrarroja se utilizan para distancias superiores de
detección. Además la luz infrarroja es insensible a las luces parásitas ambientales. Cuando
el objeto a detectar produce una variación en el acoplamiento óptico, se activa un circuito
de conmutación. Se pueden detectar vehículos, personas, líquidos, piezas de maquinaria,….
Por la disposición de los detectores ópticos pueden ser:
Emisor
Objeto
Receptor
Reflector
De barrera De reflexión De reflexión directa
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2.2. De desplazamiento
En estos transductores mediante distintos dispositivos físicos se puede medir la
distancia en muy amplios márgenes, que pueden ir desde varios kilómetros a fracciones de
milímetro, por lo que se utilizan distintas técnicas, según los márgenes de medida
deseados.
a) Resistivos
Se conocen como potenciómetros. Se basan en una resistencia sobre la que se
desplaza un contacto eléctrico. Pueden ser lineales, para medir desplazamientos
longitudinales, y circulares, para desplazamientos angulares.
En el potenciómetro lineal, como se ve en la figura, al
desplazar el contacto c, sobre la resistencia una cierta
distancia, la resistencia entre el borne a y el contacto diferirá
de la existente ente el borne b y el contacto. Para utilizar este
dispositivo como transductor, se aplicará una tensión constante
entre sus bornes fijos (a y b), de modo que entre el contacto
(c) y uno de dichos bornes se obtenga una tensión proporcional al desplazamiento
del contacto. De forma que: 11
X
X
E
E. Se utilizan para medir desplazamientos
desde 1 mm hasta aproximadamente 1 m.
En el potenciómetro circular se podrán medir distancias angulares.
Consiste en una resistencia en anillo casi completo, con dos bornes
fijos (a y b) y un contacto eléctrico móvil, cuyo desplazamiento será
proporcional al ángulo que queremos medir (α). Se emplean para
medir ángulos desde 10º a varias decenas de vueltas.
b) Inductivos
Uno de los más comunes es el transductor
inductivo de desplazamiento lineal (LVDT). Se trata
de un soporte cilíndrico sobre el que actúan tres
bobinados, uno en la parte central que sería el primario,
y dos en los extremos que actuarían de secundarios.
Dentro del cilindro se desplaza un núcleo de material
ferromagnético movido por el objeto cuyo
desplazamiento se quiere medir. El bobinado primario
se alimenta con corriente alterna de amplitud y
frecuencia constantes, induciendo en los secundarios
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unas tensiones que dependerán del núcleo ferromagnético de la siguiente manera: si el
núcleo está en el centro, las tensiones inducidas en los secundarios serán iguales; cuando se
desplace el núcleo hacia alguno de los secundarios, su tensión aumentará disminuyendo la
del otro secundario, y viceversa. Se puede establecer una relación entre la tensión de
salida (en los bobinados secundarios) del LVDT y el desplazamiento del núcleo.
c) Capacitivos
Se basan en la variación de la capacidad de los
condensadores. Dicha capacidad es proporcional a
la superficie de las placas e inversamente
proporcional a la distancia entre ellas. Suelen estar
formados por un condensador doble, que comparte
una de las placas o armaduras, la cual actúa como
parte móvil del transductor. Analizando los parámetros de capacidad y tensión se puede
determinar el desplazamiento. Se utilizan para pequeños desplazamientos.
d) Transductores de desplazamiento de grandes distancias
Los transductores estudiados se emplean para la medida de distancias cortas, para
grandes distancias se utiliza principalmente el radar. Formado por un transmisor de ondas
electromagnéticas, emitidas por una antena, y recogidas por el receptor que determina la
distancia a la que se encuentra el objeto a detectar. Si en el trayecto de la onda se
interpone un obstáculo, parte de la energía radiada se refleja en él y se propaga en sentido
opuesto hasta alcanzar la misma antena emisora. Un receptor conectado a ella recibe el
impulso y determina el tiempo que ha tardado la onda en efectuar el camino de ida y vuelta.
Conocido el tiempo se calcula la distancia a partir de la ecuación 2
tcD siendo D: la
distancia a la que se encuentra el objeto, c la velocidad de propagación de las ondas y t el
tiempo que transcurre desde que se emite la onda hasta que llega al receptor.
El radar se utiliza para distancias superiores a 10 km.
2.3. De fuerzas y deformaciones
a) Bandas o galgas extensiométricas
Se basan en la variación de la resistencia que experimentan los conductores y
semiconductores cuando, al aplicarles una fuerza, se deforman.
Una galga extensiométrica está compuesta por un hilo de material conductor de muy
poca sección, menor de 0,1 mm2, unido íntimamente a la superficie que recibirá el esfuerzo
o fuerza a medir, de forma que la deformación sufrida se transmita al hilo conductor que
constituye la galga. Para mejorar la medida, se pliega el hilo múltiples veces en zigzag, de
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forma que se aumente la longitud del hilo lo máximo posible ocupando el mínimo espacio
posible.
Conocida la variación de la
resistencia eléctrica de la galga, se
puede obtener la deformación
unitaria de la misma (ε) y
recurriendo a la Ley de Hooke
establecer la fuerza o tensión
aplicada, ya que: E donde:
σ= tensión o fuerza aplicada
ε= deformación unitaria
E= módulo de elasticidad o de Young.
Las galgas extensiométricas son muy empleadas para medir deformaciones en vigas de
edificios y para construir balanzas electrónicas.
2.4. Transductores de velocidad
a) Tacodinamos
Están formados por un inductor fijo que genera
un campo magnético, entre cuyos polos gira un
inducido formado por una serie de espiras, cuyos
extremos están unidos a unos colectores o delgas,
de los cuales, mediante unas escobillas,
extraeremos la tensión generada que será
proporcional a la velocidad de giro del motor.
b) Tacoalternadores
Estos elementos generan una señal alterna cuya frecuencia y amplitud son
proporcionales a la velocidad de rotación de su eje.
Se diferencia del tacodinamo en que el elemento que gira es el inductor o rotor
formado por un imán permanente o
electroimán. En el estator está el inducido,
bobina que recibe las variaciones del campo
magnético del rotor. La tensión inducida en el
estator es una señal senoidal de amplitud y
frecuencia proporcional a la velocidad de
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rotación. Una ventaja frente al tacodinamo es que no se necesita utilizar colector ni
escobillas, lo que prolonga la vida útil.
2.5. Transductores de presión
Los transductores de presión se pueden dividir en: mecánicos (cada vez menos
empleados por su elevado coste), electrónicos (que están basados en transductores de
fuerza) y los que mezclan una parte mecánica con un transductor electrónico (muy
precisos).
a) Transductores mecánicos
a.1.) Tubo de Bourdon: se trata de
un tubo metálico de sección elíptica,
curvado formando casi un anillo
cerrado. El tubo está cerrado en uno
de sus extremos y por el otro se le
aplica la presión que se desea medir,
de forma que el tubo tiende a
enderezarse originando un
movimiento que es transmitido por un
sistema de palanca o engranajes,
sobre una aguja indicadora o
transductor que genera una señal eléctrica mediante un circuito de conmutación.
a.2.) Diafragma: se trata de una o varias
cápsulas metálicas huecas, unidas entre sí
rígidamente en forma de batería. La presión
a medir se ejerce en una de las caras
exteriores, que deformará todas las cápsulas
en mayor o menor medida. La suma de todas
las deformaciones, amplificadas
convenientemente mediante un sistema de
palancas y engranajes, nos dará la medición
de la presión, más o menos exacta, en una
escala graduada.
a.3.) Fuelle: es muy similar al diafragma, pero con una sola pieza flexible que se deforma
axialmente. Según la presión que le llegue se dilatará o contraerá con un desplazamiento
considerable. Al igual que el diafragma se utiliza para medir presiones pequeñas.
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b) Electrónicos: son transductores de presión muy sensibles. Pueden ser de tipo térmico,
de ionización, mecánicos (fuelle y diafragma),…
c) Electromecánicos: formados por la combinación de un medidor de presión mecánico que
actúa como sensor, y un transductor elástico que genera la señal eléctrica correspondiente
según la presión detectada por el sensor. Ejemplos de este tipo de transductores son:
c.1.) Galgas extensiométricas: basadas en la variación de longitud y sección, y por
lo tanto, de resistencia eléctrica que presenta un hilo conductor eléctrico al ser deformado
por una fuerza exterior (presión a medir)
c.2.) Piezoeléctricos: basados en la propiedad que tienen algunos cristales (cuarzo)
de producir una diferencia de tensión entre sus extremos al estar sometidos a un esfuerzo.
Esta tensión es proporcional a la fuerza, aunque al ser muy pequeña necesitan de un circuito
amplificador.
2.6. Transductores de temperatura
En los procesos industriales la medida de la temperatura resulta de gran importancia y
cada vez mejora la precisión de los dispositivos encargados de medirla según avanza la
tecnología.
a) Termostatos
Proporcionan una señal de tipo todo-nada. El elemento sensor suele ser una placa o
lámina bimetálica. Al dilatarse por efecto de la temperatura se curva activando o
desactivando unos contactos eléctricos. Se utilizan cuando el control de la temperatura no
es muy exigente, sistema conexión-desconexión (por ejemplo una plancha eléctrica).
b) Termorresistencias
También se denominan sondas de resistencia o sondas termométricas. Se basan en la
variación de la resistencia eléctrica de los metales con las variaciones de temperatura. Por
lo general los conductores muestran un aumento de su resistencia eléctrica con la
temperatura. El cambio de resistencia sufrido viene dado por el coeficiente de
temperatura α que depende del elemento. La ley de variación de la resistencia de un
material conductor sigue la ecuación:
)1( TRoRT
Donde: Rt= resistencia del material a la temperatura T
Ro= resistencia del material a 0ºC
α = coeficiente de tª (depende de cada material)
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Los transductores de temperatura más
utilizados son los fabricados de platino debido a su
buena relación R/T.
c) Termistores
Se basan en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura. Una
de las características que los diferencia de las termorresistencias es su resistencia
nominal a temperatura ambiente, que es mucho más elevada. Existen dos tipos de
termistores según su variación con la temperatura:
PTC: sondas de resistencia con coeficiente de
temperatura positivo (la resistencia aumenta al
aumentar la temperatura). Se emplea para controlar
temperaturas entre -20 y 60 ºC.
NTC: sondas de resistencia con coeficiente de
temperatura negativo (la resistencia disminuye al subir
la temperatura). Se utilizan para medir temperaturas
más extremas.
Se fabrican a base de óxidos metálicos en el caso de las NTC, o base de titanio de
bario o silicio para los PTC. Posteriormente se encapsulan con distintos materiales (vidrio,
resinas epoxi,…) obteniendo distintas formas y tamaños.
d) Termopares
Se basan en el efecto Seebeck. Si unimos dos metales diferentes (A y B) por los
extremos, mediante una soldadura formando un circuito cerrado, y sometemos a cada
extremo a una temperatura diferente, entre ambos extremos se genera una ddp que
provoca la circulación de corriente eléctrica por el circuito. La corriente eléctrica
generada aumenta con la diferencia de temperatura entre las uniones. Si abrimos en
cualquier punto el termopar, sigue apareciendo, en los extremos abiertos, la tensión
correspondiente al efecto Seebeck, pero no circula corriente. Por tanto un termopar
consiste en unir dos metales de distinto índice de metabilidad, mediante una soldadura
en un extremo. Dicho extremo es sometido a la temperatura a medir, mientras que en el
otro extremo de los metales se dispone un soporte que se mantiene a temperatura
constante, que servirá de referencia de la medida. La tensión obtenida en el termopar será
proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos metales.
Efecto Seebeck Termopar
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2.7. Transductores de luz
Se trata de transductores que utilizan las radiaciones luminosas (visibles o no). Dentro
de este grupo destacamos:
a) Resistencias LDR (Resistencias dependientes de la luz)
Las LDR o fotorresistencias, se basan en la variación de la resistencia eléctrica de
algunos materiales (semiconductores) con la luz.
El símbolo de estas resistencias es:
La relación entre la resistencia de un material semiconductor y la luz que incide sobre
él no es lineal, obteniéndose a partir de la ecuación. EKR siendo K y α constantes
que dependen del material del que se fabrique la LDR y E la energía luminosa recibida.
Estos sensores son robustos, fáciles de fabricar y de instalar. Son empleados en
televisores, cámaras fotográficas, controles de iluminación,…
b) Fotodiodos, fototransistores y diodos fotoemisores (LED)
El fotodiodo es un dispositivo que al recibir luz, produce corriente eléctrica.
Cuando no recibe luz se comporta como un diodo normal. Los paneles solares
están constituidos por estos elementos.
El fototransistor es un dispositivo en el que al incidir la luz sobre el
terminal que actúa como base, se produce una corriente entre el emisor y
el colector.
Los diodos LED tienen la propiedad de emitir la energía sobrante del
proceso de conducción, además de en forma de calor, en forma de
radiaciones luminosas.
Los fotodiodos y fototransistores se utilizan para controlar las radiaciones luminosas,
y junto a los LED, como sensores ópticos de proximidad.
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3. Comparadores o Detectores de Error
El detector de error o comparador es el elemento del sistema de control que compara
la señal de referencia con la realimentada de salida y, en consecuencia genera una señal de
error proporcional a la diferencia entre ellas. Una de las condiciones indispensables, para
poder realizar la comparación, es que ambas señales sean del mismo tipo. Los comparadores
pueden ser eléctricos, mecánicos, electrónicos, neumáticos e hidráulicos.
Algunos ejemplos de comparadores son:
Comparador potenciométrico: normalmente compara desplazamientos o ángulos.
Está formado por dos potenciómetros de desplazamiento lineal o angular, uno mide
la tensión de referencia y otro la tensión realimentada. La salida de error se
obtiene entre ambas salidas.
El cursor del potenciómetro de la izquierda
actúa normalmente como selector de
referencia y el del potenciómetro de la
derecha se acopla al objeto que se desplaza.
Cuando el desplazamiento en la salida se
iguala con el elegido en el selector de
referencia, la salida del potenciómetro será
cero y el sistema se detendrá.
Amplificador operacional: se trata de un
circuito integrado constituido por dos entradas, denominadas positiva (+) o no
inversora y negativa (-) o inversora, y una única salida.
Su funcionamiento como comparador es muy simple: la tensión obtenida en la salida es
una constante (denominada amplificación) multiplicada por la diferencia de tensiones
introducidas en las entradas no inversora (+) e inversora (-). Este comparador sólo compara
magnitudes eléctricas, por lo que suele acompañarse de algún transductor que obtenga
como salida una tensión proporcional a la magnitud de entrada.
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4. Actuadores
Son los elementos finales de un sistema de control, que actúan directamente sobre la
salida, proceso o planta del sistema. Existe un actuador diferente, específicamente
diseñado para cada uno de los procesos susceptibles de ser controlados, como puede ser:
nivel de líquidos, velocidad, desplazamiento, giro, temperatura o aceleración. Cómo ejemplos
de actuadores podemos citar:
Servomotores: son dispositivos que transforman la energía eléctrica en mecánica
de rotación. Según la naturaleza de la energía eléctrica utilizada, se dividen en
servomotores de continua y servomotores de alterna. Los servomotores de continua
pueden desarrollar mayor potencia que los de alterna, pero utilizan escobillas. Los
servomotores de alterna, debido a su menor potencia se emplean en aquellos
sistemas de control que requieren un par motor reducido.
Motores paso a paso: convierten la información digital de control en movimientos
mecánicos rotatorios. Es un dispositivo cuyo eje gira en pasos discretos controlados
por un dispositivo electrónico que genera las señales digitales adecuadas para
producir cada paso del eje rotor. Se utilizan en dispositivos cuyo movimiento debe
ser controlado con precisión y donde es más importante controlar el ángulo de giro
que la velocidad (impresoras, cámaras fotográficas, …). Estos motores en lugar de
trabajar con tensiones continuas o alternas sinusoidales, lo hacen con pulsos que
son generados por el circuito electrónico y aplicados a los distintos devanados que
los componen. Sin embargo, desarrollan muy poca potencia, con lo que no pueden ser
utilizados en aplicaciones que requieran grandes esfuerzos.
Actuadores neumáticos y oleohidráulicos:
- Cilindros neumáticos: constituidos por un tubo circular cerrado en los
extremos mediante dos tapas, entre las cuales se desliza un émbolo que
separa dos cámaras
por las que circulará
aire comprimido o
aceite. El émbolo se
moverá en una u otra
dirección, según se
aplique más presión de
fluido en una u otra
cámara del cilindro.
- Motores neumáticos: realizan la función de transformar la energía
neumática o hidráulica en mecánica de rotación. Su funcionamiento es
análogo al de una turbina.