0.- INTRODUCCIÓN.
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En la cadena de un sistema de control industrial son varias las partes que suelen intervenir. Por una parte, están los bloques de entrada de señales de mando y regulación; a continuación, otra parte, se encarga de procesar estas señales y emitir las correspondientes órdenes de gobierno, para que un último bloque se encargue de aplicar o convertir estas órdenes.
Los sistemas de control tienen que disponer de elementos que se encargan de poder traducir y convertir en señales eléctricas las distintas magnitudes físicas que intervienen en los procesos industriales. Estos elementos son los transductores y captadores, que intervienen en la parte de entrada de señales de mando y regulación.
1.- TRANSDUCTORES Y CAPTADORES.
Los elementos o sistemas transductores o captadores tienen la función de convertir una magnitud no eléctrica en una magnitud eléctrica procesable. El transductor es el elemento que transmite información de su entrada a su salida, adaptando un tipo de energía a otro tipo de energía más conveniente para ser usada en el sistema de control. El captador también adapta la señal para ser procesada adecuadamente.
La naturaleza del captador es idéntica a la del transductor; de hecho, un captador es un transductor colocado en un lugar distinto del sistema, puesto que la misión encomendada a cada uno de estos componentes puede ser desempeñada por los mismos componentes físicos. Ejemplos:
– Un interruptor normal puede ser un transductor de entrada a un sistema, pero no podrá ser un captador, dado que está diseñado para funcionar manualmente.
– Un interruptor final de carrera es un captador, pero no es un transductor; nos informa de que una pieza ha llegado a una determinada posición.
Las partes básicas de los transductores y captadores son:
En primer lugar aparece el elemento sensor o captador, que es parte del sistema que permanece en contacto directo con la magnitud que se mide, captando las variaciones de ésta. En un captador de posición, el elemento sensor puede ser el rodillo de un final de carrera, la placa de un detector capacitivo, el núcleo magnético de un detector inductivo, etc.
En segundo lugar tenemos el elemento transductor o traductor propiamente dicho. Actúa estrechamente unido o relacionado con el elemento sensor (hasta confundirse con éste en algunas ocasiones). La misión de este elemento es convertir la magnitud entregada por el elemento sensor en una magnitud eléctrica. Por ejemplo, en un sistema de transducción de fuerza, el transductor está formado por un puente de galgas extensométricas, que al deformarse bajo la acción de la fuerza, varía su resistencia y, por tanto, la tensión en la “línea neutra” del puente (se montan en puente de Wheatstone).
Por último, un elemento que forma parte de esta cadena de transducción y captación de señales, es el transmisor, encargado de convertir la señal eléctrica de salida del transductor (señal todavía no procesable), en una señal eléctrica o neumática normalizada, según los campos relacionados a continuación:
– Señal de tensión Uc (entre 0 y 10V c.c.).
– Señal de corriente Ia (entre 4 y 20 mA c.c.).
– Señal de presión neumática (entre 0,2 y 1 kg/cm2.)
Si bien este elemento (el transmisor), no forma parte físicamente del detector, sí que es imprescindible para convertir y transmitir adecuadamente la magnitud física a controlar.
Una característica importante de los sistemas transductores es la de absorber el mínimo de energía durante el proceso de medición, con objeto de no influir sobre la magnitud que se va a controlar.
Los transductores y captadores de pueden clasificar en función de la magnitud que se desea convertir en:
1. Transductor de posición:
2. Transductor de velocidad.
3. Transductor de presión.
4. Transductor de temperatura.
2.- TRANSDUCTORES DE POSICIÓN.
Fundamentalmente son elementos de acción todo o nada, basados en que detectan la presencia o posición de un objeto en un punto o lugar, determinado por la colocación física del elemento detector. Si el objeto se encuentra en ese punto, los contactos de salida se activan; desactivándose al desaparecer el objeto. También pueden aportar información continua en un intervalo permitiendo determinar su posición y desplazamiento.
2.1.- Finales de carrera.
Los finales de carrera son dispositivos que activan y desactivan sus contactos, en virtud del accionamiento mecánico sobre una palanca, émbolo o varilla.
El hecho de que este tipo de detectores sean accionados mecánicamente limita en gran medida la frecuencia máxima de operaciones. Tanto la correcta disposición del elemento, como la fuerza que sea necesaria para accionarlo, dependerán del volumen, peso y rigidez del objeto que se quiere detectar.
2.2.- Detectores de proximidad.
Los detectores de proximidad cumplen básicamente los mismos objetivos que los detectores de posición, es decir, detectan la proximidad o presencia de un objeto y envían la señal todo-nada correspondiente. Sin embargo, éstos se diferencian de aquéllos en que captan el objeto sin necesidad de que se ejerza un contacto o esfuerzo mecánico. Como tales detectores, una característica común a todos los sistemas es el campo de actuación del elemento sensor, es decir, la distancia en la cual puede actuar el detector. Este campo de acción está limitado por una distancia de conexión y otra de desconexión.
En esencia, este tipo de detectores tiene las ventajas de una mayor frecuencia de operaciones, así como un menor desgaste, lo que hace que estén desbancando, en la mayoría de las aplicaciones, a los detectores de posición.
Existen diversos tipos:
– Detectores magnético con contacto Reed.
– Detectores inductivos.
– Detectores capacitivos.
– Detectores ópticos.
El detector magnético se basa en el efecto que causa el campo magnético de un imán permanente sobre un par de lengüetas enfrentadas e introducidas en un pequeño tubo de vidrio con un determinado gas. Las lengüetas, realizadas con materiales magnéticos, se unen o se separan en función de si está presente o no el imán. Este tipo de contactos magnéticos se denominan contactos Reed.
El detector inductivo se basa en los efectos que causa un objeto metálico al ser introducido en un campo magnético.
Se clasifican en función de los distintos materiales ante los que son capaces de reaccionar.
a) Detectores inductivos sensibles a materiales ferromagnéticos.
Se hace uso de un campo magnético estático que es modificado por la presencia del material ferromagnético a detectar.
b) Detectores inductivos sensibles a materiales metálicos.
Reaccionan ante cualquier material capaz de producir pérdidas por efecto Foulcoult. Se hace uso de un campo magnético variable cuya dispersión en el espacio define el campo de sensibilidad del dispositivo. La disminución energética de este campo alterno provoca una disminución de la amplitud de la señal, lo cual es detectado en un circuito disparador que activa un relé o un transistor en colector abierto.
Los sensores inductivos de proximidad permiten detectar objetos metálicos a una distancia muy corta, aproximadamente 40 mm.
El detector capacitivo es capaz de detectar cualquier objeto, metálico o no, que se introduzca en el campo de actuación del detector. Se basa también en un circuito oscilante, sólo que en este caso la parte sensible es una de las placas del condensador de un circuito oscilante LC. La otra placa de este condensador es la propia tierra.
Cuando un objeto se acerque a la placa sensible, debido a la variación dieléctrica que supone, altera la capacidad del condensador. Esta alteración origina, en este caso, que el oscilador se ponga en funcionamiento a una frecuencia determinada, lo que origina el disparo del circuito de salida.
En esta ocasión, a diferencia del detector inductivo, el circuito no oscila permanentemente, sino que inicia la vibración cuando la capacidad del condensador sobrepasa determinado valor. Tiene la ventaja de que puede detectar un objeto sólido, independientemente de sus características eléctricas o magnéticas. En lo demás, son enteramente similares a los detectores inductivos, incluso en su disposición constructiva y en la forma de conexionarlos.
Los detectores de proximidad ópticos basan su funcionamiento bien en la interrupción de un haz luminoso o bien por la reflexión de este haz sobre el objeto que se detecta, que incide en un elemento fotosensible (semiconductor LDR o célula fotovoltaica). El elemento sensible detecta el objeto por ausencia o presencia de ese haz luminoso.
Al producirse esa variación luminosa, el sensor modifica su resistencia eléctrica, provocando a su vez una variación en el circuito eléctrico al que está conectado, lo que dispararía el relé de salida.
Son detectores que constan de dos partes. Una es el emisor o dispositivo que se encarga de emitir este haz luminoso. Otra parte sería el receptor o detector propiamente dicho. Este consta del elemento sensor, que en este caso seria la resistencia LDR, encargada de convertir la presencia o ausencia de luz en una resistencia variable, el transductor, que convierte esas variaciones de resistencias en variaciones de tensión, en virtud de un circuito electrónico y el transmisor, que en este caso pueden ser los contactos de un relé de salida o un transistor en colector abierto trabajando como conmutador.
A veces, en lugar de tratarse de una radiación luminosa, se trata de una radiación infrarroja.
2.3.- Detectores lineales.
La información suministrada por este tipo de transductor es de carácter continuo, dentro de un intervalo. Es decir, en este caso no se trata de un información el tipo todo-nada, sino de una información analógica que indica la posición y, con los incrementos de ésta, el desplazamiento de un objeto, dentro de un campo o intervalo preestablecido.
El procedimiento para medir un desplazamiento lineal va a depender de la distancia y de la movilidad del objeto a medir.
Para medidas de larga distancia los dispositivos controladores de desplazamientos usan radiaciones electromagnéticas o ultrasónicas. Estos elementos miden el tiempo que tarda en rebotar en el objeto una emisión. Este tiempo será proporcional a la distancia a la que se encuentra el objeto. En este caso, el dispositivo consta de una parte emisora de la onda emitida y una parte receptora que se encarga de medir el tiempo o el ángulo de retardo de la onda recibida y aportar una señal eléctrica de control, proporcional a ese tiempo de retardo.
Para medidas de pequeños desplazamientos se utilizan potenciómetros lineales, que asociados mecánicamente al elemento o útil del que se desea captar su desplazamiento, convierten la variación de resistencia en una variación de posición y, por tanto, de desplazamiento. Este detector tiene su aplicación para el posicionamiento con motores lineales o cilíndricos (neumáticos e hidráulicos).
El principal inconveniente en el empleo de potenciómetros es el desgaste que se produce en el elemento móvil. Por ello, en algunos casos se emplean reglas graduadas con un código continuo, como el Gray, que son leídas ópticamente.
Para medir pequeños desplazamientos existen muchos procedimientos según el transductor utilizado sea resistivo, inductivo o capacitivo.
a) Resistivo.
Existen resistencias de hilo metálico o material semiconductor construidas para variar su resistencia al ser deformadas (bandas extensométricas), que se adhieren sobre el soporte adecuado para medir su deformación, y se conectan a un puente de medida de otras magnitudes como presiones, desplazamientos, velocidades, caudales,…
b) Inductivo.
Se utiliza un sistema formado por dos devanados planos de igual paso, uno fijo, y otro móvil que se desplaza sobre él.
Si el devanado fijo, que cubre todo el campo de medida, es alimentado por una corriente alterna, se inducirá sobre el secundario una señal cuya amplitud dependerá de la fase en que se encuentren ambos devanados.
c) Capacitivos.
Puede medir distancias cortas aunque no se emplean debido a su poca exactitud.
Su funcionamiento se basa en que se puede variar la capacidad de un condensador, modificando la distancia entre sus placas.
2.4.- Detectores angulares.
Para medir un ángulo o desplazamiento angular los transductores pueden ser:
· Resistivos (potenciómetros circulares).
· Inductivos (syncro y resolver).
· Disco óptico (encoder)
Los potenciómetros circulares acoplados al eje de un motor con ayuda de un sistema reductor de engranajes. Lógicamente, este potenciómetro no debe tener topes mecánicos de máximo y mínimo. Sin embargo, este tipo de captadores potenciométricos tienen los inconvenientes del acoplamiento mecánico y del desgaste de la escobilla y de contacto en el potenciómetro.
Los detectores más empleados son los de tipo inductivo syncro y revolver.
El resolver o sincrodesfasador es una máquina que tiene en el estator dos bobinas separadas y colocadas en cuadratura. El rotor está constituido por una única bobina. que se alimenta por una tensión alterna. Según el principio del transformador y teniendo en cuenta el ángulo del rotor, podemos decir que las tensiones en las bobinas de estator son:
U1 = U · cos f
U1 = U · sen f
Procesando de forma adecuada las dos tensiones recogidas en las bobinas de estator, podemos deducir el ángulo o posición angular del eje. Los incrementos de este ángulo serán la medida del desplazamiento, y su derivada con respecto al tiempo será la velocidad angular. Es decir, nos encontramos con un dispositivo del cual se puede extraer tanto información sobre la posición, como desplazamiento y velocidad de giro de un eje.
El syncro es parecido a un alternador trifásico, cuando se alimenta el rotor con una corriente alterna se inducen en los devanados del estator tres tensiones, que son función del ángulo q del rotor con uno de los devanados. Para la lectura de q se recurre a un segundo syncro que actúa tras recibir las tres tensiones del syncro emisor y pone en función de ellas la posición del rotor.
Los encoders son dispositivos ópticos que, acoplados al eje cuyo desplazamiento se desea determinar, aportan un impulso por cada incremento angular del paso mínimo. Lo normal es que en lugar de ofrecer una sucesión de impulsos, lo que aporten sea la sucesión de un código binario determinado (generalmente el código GRAY o el código BCD). Este tipo de elementos están especialmente indicados tanto para la medida del desplazamiento angular de un eje, como para la derivada de éste con respecto al tiempo, es decir, la velocidad angular.
Estos dispositivos (resolver y encoder) se emplean, fundamentalmente, en controles rigurosos de posicionamiento y velocidad, desechándolos en sistemas de control de velocidad poco exigentes, debido a la mayor complejidad de los circuitos electrónicos que se requieren, lo que hace que estos sistemas sean más caros que los basados en dinamos tacométricas.
3.- TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD.
Son dispositivos que generan una señal eléctrica a partir de una velocidad o movimiento angular. Los tipos más empleados son:
· Tacómetro.
· Inductivo (resolver).
· Óptico (encoder).
El transductor inductivo y óptico se emplean también como detectores angulares. A partir de la señal aportada por el movimiento angular y empleando los circuitos electrónicos apropiados, se determina la derivada de la señal obteniendo la velocidad.
3.1.- Tacómetro.
El tacómetro es un dispositivo diseñado con el objeto de absorber el mínimo de energía posible del eje del motor al que va acoplado. Se trata de una pequeña dinamo o generador de c.c., cuyo campo inductor es un imán permanente. Acoplado al eje cuya velocidad se desea determinar, aporta en los bornes de su inducido una tensión proporcional a la velocidad de giro.
La característica fundamental de una dinamo tacométrica es su constante de conversión, indicada normalmente en la placa de características. Esta constante suele venir dada en voltios/r.p.m. que indica la tensión que se genera por cada revolución por minuto. Es el sistema comúnmente empleado por los sistemas de control en lazo cerrado para el control de velocidad en motores de c.c.
En este caso, la dinamo tacométrica sólo aporta información de velocidad angular. Existen otros dispositivos que ya se han nombrado en el apartado anterior y que pueden aportar información, tanto de la velocidad como de la posición o ángulo de giro del desplazamiento.
4.- TRANSDUCTORES DE PRESIÓN.
La presión es otra de las magnitudes cuya regulación y control se realiza con mayor frecuencia dentro de Los sistemas de control industrial, tanto en lo referente a la presión de fluidos líquidos como gaseosos. En el caso de gases se pueden convertir presiones tanto por encima como por debajo de la presión atmosférica.
Los detectores aportan una información a su salida que puede ser: todo-nada y de tipo analógico.
Un transductor de presión, desde un punto de vista general, consiste en que el sensor se encarga de convertir la presión en otra magnitud más fácilmente traducible. Estos pueden ser del tipo diafragma, del tipo muelle o del tipo pistón. En todos los casos se convierte la presión en el desplazamiento o deformación de estos elementos, con la consiguiente fuerza que provoca esa deformación. La deformación es empleada directamente para activar y desactivar unos contactos eléctricos o para obtener una señal analógica dentro de un intervalo de actuación.
Los tipos de transductores de presión pueden ser :
· Mecánicos.
· Electromecánicos.
· Electrónicos.
4.1.- Mecánicos.
Se dividen en elementos de medida directa que miden la presión comparándola con un líquido de densidad y altura conocidos. Entre ellos están:
a) Manómetro de presión absoluta
Se usa la combinación de dos fuelles, uno como medida de la presión relativa y otro para medir la atmosférica. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta.
b) Manómetro de columna de líquido
Para la medida de bajas presiones se usa el manómetro en “U” con un líquido agua, o mercurio normalmente, aunque entre los más usados está el tetrabromoetano.
c) También existen otros tipos de manómetros que son aquellos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen, los más empleados son el tubo Bourdon, el diafragma y el fuelle.
El tubo Bourdon es de sección elíptica, metálico y curvado formando casi un anillo. Este anillo está cerrado en un extremo y por el otro se le aplica la presión a medir. Al aplicar la presión el tubo tiende a enderezarse. El movimiento resultante es transmitido y amplificado por un sector dentado y piñón, sobre el que va montada la aguja indicadora.
El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares cerradas por dos campanas. Una de las campanas sirve para conectar la presión a medir y la otra queda libre a la atmósfera. El diafragma se desplazará en función de la presión. Se utiliza para pequeñas presiones.
El fuelle, parecido al diafragma pero de una sola pieza flexible axialmente, puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.
4.2.- Electromecánicos.
Utilizan un elemento mecánico elástico (tubo Bourdon, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos) junto con un transductor elástico que genera la señal eléctrica correspondiente.
Los más empleados son:
· Inductivo, que mide las variaciones de tensión inducida, debido al desplazamiento que sufre su núcleo magnético, asociado mecánicamente con el sensor.
· Capacitivos, que varían la capacidad de un condensador al variar, por desplazamiento, la posición de una placa con respecto de la otra.
· Galgas extensométricas, basadas en la variación de longitud y diámetro, y, por lo tanto de resistencia eléctrica, que presenta una galga conductora al ser sometida a una tensión mecánica.
· Piezoeléctricos, que convierten una fuerza en una tensión eléctrica, debido al fenómeno piezoeléctrico de un elemento cristalino (normalmente cuarzo).
Los detectores de presión pueden ser empleados para medir distintos conceptos de presión (relativa, absoluta y diferencial), e incluso para medir magnitudes distintas a la presión, como, por ejemplo, el caudal (con elementos diferenciales y tubos Venturi) y hasta incluso el nivel (en recipientes estancos, conteniendo fluido no compresibles).
5.- TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA.
En el caso de la temperatura nos encontramos, igualmente, con dispositivos cuya salida es de la forma todo-nada (mediante contacto eléctrico) y con dispositivos que aportan a su salida una señal analógica continua.
Los primeros reciben el nombre de termostatos, y la configuración que suelen adoptar es la de un elemento o plaquita bimetálica actuando como sensor. La dilatación que sufre esta placa por efecto de la temperatura se traduce en la activación o desactivación de unos contactos eléctricos. Se utilizan cuando el control de temperatura no es muy exigente, en sistemas conexión-desconexión.
Este dispositivo (al igual que otros con respecto a otras magnitudes), padece un fenómeno de histéresis, es decir, conecta a una temperatura distinta e inferior a la de desconexión.
Dentro de los dispositivos que aportan una señal analógica podemos distinguir fundamentalmente dos:
– Termistores (PTC y NTC).
– Termopar.
El termistor está basado en que la resistencia eléctrica de los metales varia, de forma directamente proporcional, con la temperatura.
Los termistores pueden ser:
· PTC: resistencias con coeficientes de temperatura positivo, empleadas para controlar la temperatura entre –20 oC a +60 oC.
· NTC: resistencias con coeficientes de temperatura negativo.
Se suelen utilizar en la construcción de éstos, materiales como el níquel o el platino (incluso aleaciones de éstos). Se alimentan generalmente con corriente continua y requieren un cierto número de equipos eléctricos que conviertan esa variación de resistencia eléctrica en una variación de tensión o intensidad.
La resistencia de la conducción eléctrica desde el termistor hasta el convertidor de medida influye en la medición y ha de tenerse en cuenta, por lo que a menudo, a estos componentes suele acceder un tercer conductor de compensación. El elemento resistivo se suele montar en un circuito puente con el objeto de convertir las variaciones de resistencia en la señal de control adecuada.
El termopar basa su funcionamiento en el principio físico que establece que, si unimos dos materiales distintos, obtenemos en los extremos de esa unión una pequeña f.e.m. que es proporcional a la temperatura a la que está sometido ese elemento.
Este tipo de elementos se emplea en los sistemas en los que la temperatura sea más o menos constante en el punto de comparación. Suelen tener una polaridad eléctrica determinada.
Existen distintos tipos de termopares, según sea la composición de los dos hilos que lo forman; de menor a mayor temperatura se utilizan los siguientes:
– Cobre – Constantán. (Tipo P) para bajas temperaturas entre -200 OC a +260 oC. Son resistentes la corrosión y pueden utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras.
– Hierro – Constantán. (Tipo J) para temperaturas entre 300 oC a 750 oC. Se emplean para atmósferas con escaso oxígeno libre.
– Cromel – Alumel. (Tipo K) se utiliza en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre los 500 oC y 1000 oC.
– Cromel – Constantán. (Tipo E) hasta los 1200 oC. Válidos para atmósferas oxidantes.
– Platino – Platino rodio. (Tipo R y S) se utiliza para medir por encima de los 1500 oC.
La relación f.e.m./temperatura de estos elementos no es lineal, por lo que las escalas de los instrumentos del control de temperatura dependerá de cada termopar utilizado. No obstante, existen instrumentos que linealizan las lecturas, basados en microprocesadores que consiguen su objetivo bien por hardware o por software.
Normalmente, linealizado o no, el termopar suele conectarse a un circuito comparador potenciométrico.
Los diferentes sensores de temperatura deben protegerse del proceso introduciéndose en vainas o fundas, ajustando al máximo el sensor dentro de la vaina, con el objeto de lograr una mínima resistencia a la transferencia de calor y obtener, por tanto, una mayor velocidad de captación.
Existen otros tipos de elementos detectores de temperatura como, por ejemplo:
– Pirómetros de radiación: captan la energía que radia del cuerpo del que se quiere captar la temperatura y la enfocan sobre un elemento sensible.
– Termómetro de cristal de cuarzo: mide la frecuencia de un oscilador de cuarzo en contacto con el cuerpo que se va a medir, frecuencia que variará con la temperatura a la que está sometido el cristal.