1. INTRODUCCIÓN
2. CIRCUITOS COMPARADORES
3. COMPARADORES MANUALES
4. COMPARADORES MECÁNICOS
4.1. DISPOSITIVOS MECÁNICOS
4.1.1. Palanca
4.1.2. Engranaje diferencial
4.2 TRANSDUCTORES DIFERENCIALES
4.2.1. Capacitivo
4.2.1. Resistivo
4.2.3. Inductivo
5. COMPARADORES NEUMÁTICOS
5.1. DISPOSITIVOS NEUMÁTICOS
5.1.1. Fuelle
5.1.2. Aleta-tobera y fuelle
5.2. TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL
5.2.1. Resistivo
5.2.2. Capacitivo
5.2.3. Inductivo
6. COMPARADORES ELÉCTRICOS
6.1. CIRCUITOS EN PUENTE
6.2. DIVISORES DE TENSIÓN
6.3. LOS SINCROS
6.4. PUENTE DE POTENCIÓMETROS
7. COMPARADORES ELECTRÓNICOS
7.1. COMPARADOR DIGITAL
7.2. AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMPARADOR
8. CONCLUSIÓN
BIBLIOGRAFÍA
− Sistemas automáticos de control. Compañía Editorial Continental
− Retroalimentación y sistemas de control. McGraw-Hill.
− Tecnología Industrial II. McGraw-Hill.
1. INTRODUCCIÓN
Los sistemas automáticos de control son muy importantes en el desarrollo de la tecnología moderna, tales como en sistemas de control de presión, temperatura o humedad.
En todos estos procesos es necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, como la presión, el caudal, la temperatura, la velocidad, la humedad, etc. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones idóneas.
Los sistemas de control en lazo cerrado tienen un comparador o detector de error para comparar el valor medido en la salida con la entrada o señal de referencia. El resultado de la comparación da el error de funcionamiento respecto al valor previsto.
Los comparadores más usados son los eléctricos y electrónicos.
La comparación muchas veces está incluida en el propio transductor. Los transductores diferenciales dan una señal diferencia entre la señal de referencia y la señal medida en la salida.
Este tema es importante en el currículo de tecnología por su amplia aplicación de ahí que se vea con profundidad en bachillerato tecnológico.
2. CIRCUITOS COMPARADORES
Los comparadores o detectores de error son los elementos de un sistema de control encargados de proporcionar la señal que informa de la diferencia que hay entre la señal de salida deseada y la realmente obtenida.
Esta señal diferencia se denomina señal de error y es la encargada de activar al controlador, y éste a su vez al actuador para que intervenga sobre la planta o sistema a controlar en el sentido adecuado, de forma que la diferencia entre la salida deseada y la salida obtenida disminuya o se anule. Los comparadores más utilizados son eléctricos y electrónicos. Los parámetros físicos de entrada y salida presentes en el sistema se adaptan mediante los transductores y captadores de tipo eléctrico.
También se utilizan comparadores que emplean otros tipos de energía, como puede ser mecánica, neumática, etc. A continuación se clasifican los comparadores según el tipo de sistema empleado en 5 grupos que son:
− Comparadores manuales.
− Comparadores mecánicos.
− Comparadores neumáticos.
− Comparadores eléctricos.
− Comparadores electrónicos.
3. COMPARADORES MANUALES
Los comparadores manuales no se utilizan en los sistemas de control por su baja fiabilidad ya que dependen del la persona que la maneje.
4. COMPARADORES MECÁNICOS
Los comparadores mecánicos comparan magnitudes físicas lineales, y proporcionan una magnitud física o señal eléctrica, que corresponde a la comparación de las magnitudes de entrada, señal de error. Constan de dos entradas: la de referencia y la variable medida.
Como comparadores mecánicos se puede utilizar de 2 tipos que son los:
− Dispositivos mecánicos y
− Transductores diferenciales.
4.1. Dispositivos mecánicos
4.1.1. Palanca
Un sencillo comparador mecánico es una varilla rígida, que en uno de sus extremos recibe un desplazamiento correspondiente a la señal de referencia r(t) y en otro de sus extremos recibe un desplazamiento correspondiente a la señal de realimentación b(t). La señal
asociado a un amplificador hidráulico.
4.1.2. Engranaje diferencial
El engranaje diferencial es un dispositivo que permite sumar o restar las velocidades angulares de dos ejes de entrada 1 y 2, señal de referencia y señal a controlar. El resultado es una salida, señal de error, proporcional a la diferencia entre las posiciones angulares de los ejes de entrada.
El engranaje diferencial se utiliza en los automóviles que permite, al tomar una curva, que la rueda motriz exterior gire más rápido que la interior para que no patine ni derrape.
4.2 Transductores diferenciales
En muchos casos son los propios transductores diferenciales los que actúan como comparadores de desplazamiento, o movimiento, ofreciendo una señal eléctrica que corresponde con la señal de error, entre el desplazamiento o nivel fijado de la señal de referencia y el desplazamiento o nivel medio de la señal controlada.
4.2.1. Capacitivo
Los transductores diferenciales capacitivos basan su funcionamiento en una variación del área, de dieléctrico o de distancia entre placas. Puesto que la capacidad, y por tanto el voltaje entre sus placas, depende de la disposición geométrica de las placas conductoras y del material dieléctrico dispuesto entre ellas.
Hay 2 tipos de transductores diferenciales capacitivos:
− 1.-Transductor capacitivo de área de placa variable.
La capacidad de un condensador de placas paralelas depende del área superpuesta de dos placas y un cambio de área produce una alteración en la capacidad.
− 2.-Transductor capacitivo de dieléctrico variable.
La capacidad de un condensador de placas paralelas depende del dieléctrico entre las placas. Comparando la variación de la capacidad de dos condensadores colocados en paralelo, según el dieléctrico que tengan entre sus placas, se obtiene la señal de error.
4.2.1. Resistivo
Los potenciómetros lineales y circulares permiten comparar movimientos lineales y circulares respectivamente.
El comparador consiste en dos potenciómetros, uno para la señal de referencia y otro para la señal a controlar, que se colocan en las mismas posiciones dando la misma tensión cada uno y, puesto que sus salidas son opuestas, el resultado es una tensión de error cero. Si las posiciones de los potenciómetros difieren, entonces hay una tensión de error de salida.
4.2.3. Inductivo
Se utilizan para comparar movimientos pequeños, señal de referencia y señal a controlar, y obtener una señal eléctrica a la salida, señal de error, que nos proporcione el desplazamiento producido. Cuando se produce un desplazamiento respecto a la posición de referencia, la diferencia de tensión entre bornes de cada inductancia es proporcional al desplazamiento.
Hay dos tipos de comparadores inductivos:
1. Transductor inductor diferencial variable.
Los transductores diferenciales inductivos que actúan corno comparadores basan su funcionamiento en la variación de tensión de salida en función del número de espiras, características del material, o de la geometría del núcleo. Un circuito en puente puede ser utilizado para controlar esta inductancia diferencial que es una medida del desplazamiento de la varilla.
2. Transformador diferencial variable.
En un soporte cilíndrico hay tres bobinados, en el centro el primario y dos en los extremos que son los secundarios. Dentro del cilindro se desplazará un núcleo de material ferro magnético movido por el objeto cuyo desplazamiento se quiere medir.
El transformador diferencial de variación lineal (LVDT) se basa en la variación de la inductancia mutua ente un primario y cada uno de los secundarios al desplazarse a lo largo de su interior un núcleo de material ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético, unido a la pieza cuyo movimiento se desea medir.
Mide desde micras hasta decímetros. Se utilizan para medir rugosidades de superficies, espesores, etc.
5. COMPARADORES NEUMÁTICOS
Los comparadores neumáticos permiten comparar presiones y como resultado dan una presión o señal eléctrica, que corresponde a las presiones comparadas, señal de error.
Como comparadores neumáticos se pueden utilizar dispositivos neumáticos o transductores de presión diferencial.
5.1. Dispositivos neumáticos
Los comparadores neumáticos pueden estar formados por un dispositivo neumático o por una combinación de dichos dispositivos.
5.1.1. Fuelle
El fuelle, formado por dos cavidades separadas por un diafragma, determina la diferencia de dos señales en forma de presión. La diferencia de presiones, de la señal de referencia y la señal a controlar, ejerce una fuerza en el diafragma y desplaza la palanca indicadora de la diferencia de presión.
5.1.2. Aleta-tobera y fuelle
El comparador está formado por dos dispositivos neumáticos. Por un lado el fuelle que marca la diferencia de presión a la palanca que actúa de aleta en el obturador de la tobera variando la presión de salida, que corresponde a la señal de error.
Cuando la presión del proceso es igual a la presión de referencia, la salida de la aleta-tobera proporciona una salida correspondiente a una señal de error cero. Cuando la presión del proceso cambia de valor, la aleta gira y se altera la separación entre la aleta y la boquilla. El resultado es un cambio de presión a la salida, que corresponde a una señal de error distinta de cero.
5.2. Transductor de presión diferencial
5.2.1. Resistivo
Las galgas extensiométricas acopladas a un diafragma que separe dos cavidades, una de ellas con la presión de referencia y la otra con la presión a controlar pueden usarse para detectar la deformación del diafragma bajo la diferencia de presiones y proporcionar así un cambio de resistencia referido a dicha presión
5.2.2. Capacitivo
La capacidad de un condensador depende de varios parámetros, entre ellos, la separación de las placas del condensador.
Una galga de presión formada por un diafragma circular, sujetado por sus bordes, haciendo de una placa del condensador, y una placa fija por el otro lado. Los cambios de presión hacen que el diafragma se desvía y cambie la separación entre éste y la placa fija. El resultado es un cambio de capacidad, proporcionando la señal de error.
5.2.3. Inductivo
La reluctancia de una bobina depende de unos parámetros, entre ellos, la longitud del camino de flujo magnético en el circuito, que puede ser modificado por la aproximación o alejamiento de una placa de material ferromagnético.
Un comparador de presiones inductivo consiste en dos cavidades, una para la presión de referencia y la otra para la presión a controlar, con una bobina en cada una y separadas por un diafragma con material ferromagnético.
El cambio de reluctancia proporciona diferentes tensiones en los terminales de las bobinas, proporcionando la señal de error.
6. COMPARADORES ELÉCTRICOS
6.1. Circuitos en puente
Un circuito eléctrico en puente es un conjunto de componentes eléctricos conectados de forma que facilitan la medida de alguna magnitud, o la comparación de dos magnitudes.
La magnitud a medir en tales circuitos en puente suele ser la diferencia de potencial entre los terminales conectados al detector, o bien la corriente que circula por éste.
Entre los circuitos en puente utilizados como comparadores están:
a) Puente de Wheatstone. Resistivo.
Consiste en cuatro resistencias R1, R2, R3 y R4, conectadas a una tensión constante.
Cada una de las resistencias ocupa una rama del puente. Las resistencias pueden ser galgas extensiométricas, termorresistencias, potenciómetros, etc.
Una de ellas es la resistencia desconocida, y otra es una resistencia variable en la que se conoce su variación y otras dos son resistencias fijas conocidas.
Se dice que el puente está en equilibrio, cumpliéndose la denominada condición de equilibrio cuando la variación de cualquiera de estas resistencias produce un desequilibrio del puente y una variación de la tensión de salida.
Si la resistencia variable es un transductor de temperatura resistivo (termorresistencia), se pueden medir así diferencias de temperaturas, y aplicarlo en sistemas de control de pérdidas de calor, de calefacción o refrigeración.
b) Puentes de alterna.
Son circuitos destinados a transductores que se basan en la variación de capacidad o inductancia, que por incorporar impedancias, tienen que alimentarse con tensión o corriente alternas.
Se trata del mismo puente resistivo de Wheatstone, pero en lugar de cuatro resistencias está formado por cuatro impedancias Z1, Z2, Z3 y Z4, una de ellas será desconocida y otra de ellas se corresponderá con la impedancia de referencia, conociéndose su variación.
La tensión de salida será nula cuando la variable controlada y la de referencia sean iguales.
En caso de transductores capacitivos, las impedancias serán condensadores variables, y en el caso de transductores inductivos, las impedancias variables serán inductancias.
6.2. Divisores de tensión
Un divisor de tensión está constituido por dos o más resistencias alimentadas por una o varias pilas, produciéndose en cada una de las resistencias una caída de tensión determinada, que debe ser la idónea para polarizar un circuito electrónico. Se denomina divisor de tensión porque realiza la operación de dividir la tensión total de la pila o pilas proporcionalmente a los valores de las resistencias que forman el divisor. El divisor de tensión más elemental es el constituido por una pila y dos resistencias
Para utilizar el divisor de tensión como un comparador en los sistemas de control, se fija el valor de referencia por un potenciómetro de resistencia nominal y cuyo cursor se desliza o gira accionado por un dispositivo o manualmente con un movimiento lineal o angular.
El divisor de tensión tiene a su salida la diferencia de potencial entre el valor medido de la variable controlada y el valor de referencia fijado. La tensión de la variable controlada se aplica a la resistencia en serie con el potenciómetro, o bien, para transductores resistivos, se pueden incorporar directamente en serie con el potenciómetro.
6.3. Los sincros
Los sincros son máquinas de corriente alterna cuyo rotor lleva un devanado único y cuyo estator lleva tres devanados espaciados 1200 entre sí, conectados en estrella. Sin embargo, existen diversos tipos de sincros, que pueden combinarse de varias maneras según el cometido específico que se desee; estos tipos son el sincrotransmisor, el sincrorreceptor, el sincrotransformador y el sincrodiferencial. Los vemos a continuación.
El Sincrotransmisor.
Su función es transmitir eléctricamente la posición angular del eje de mando a un segundo elemento, el sincrorreceptor o el sincrotransformador.
El Sincrorreceptor.
Este transforma las señales eléctricas en una salida mecánica, moviendo el eje controlado de forma que adopte una posición angular idéntica a la del eje de mando.
El Sincrotransformador.
Este elemento transforma las señales eléctricas de referencia en una tensión alterna o señal de error, variable en magnitud y signo, que puede amplificarse y aplicarse a cualquier servomotor capaz de suministrar la potencia mecánica necesaria.
El Sincrodiferencial.
El sincrodiferencial puede emplearse como elemento transmisor o como elemento receptor.
En el primer caso da una salida eléctrica que representa la suma o la diferencia de dos señales de entrada; en el segundo, sucede exactamente igual, sólo que la señal de salida es mecánica.
Para emplear los sincros como comparadores o detectores de error se necesita un sincrotransmisor y un sincrotransformador
El rotor del sincrotransmisor se alimenta de corriente alterna monofásica. Las magnitudes de las fuerzas electromotrices inducidas en los devanados del estator dependen de la posición angular del rotor. Las corrientes que circulan por ambos estatores producen fuerzas contraelectromotrices en los devanados del sincrotransformador, iguales a las fuerzas electromotrices del sincrotransmisor.
El sistema está alineado cuando el eje del rotar del sincrotransformador forma ángulo recto con la dirección del campo magnético de su estator y no existe ninguna tensión en los terminales del rotar.
6.4. Puente de potenciómetros
Se utiliza para la comparación de desplazamientos lineales y angulares, dependiendo de los potenciómetros utilizados. Consta de dos potenciómetros iguales conectados a una tensión continua de referencia.
Los dos potenciómetros tienen un elemento resistivo de longitud L; uno de ellos recibe en su cursor un desplazamiento x, correspondiente a la señal de referencia y el otro recibirá en su cursar un desplazamiento y, correspondiente a la señal de realimentación.
La señal de error obtenida será la tensión entre los dos cursores de los potenciómetros.
7. COMPARADORES ELECTRÓNICOS
7.1. Comparador digital
Si al comparador llegan la señal de referencia y la señal medida a controlar en forma digital se utilizan los comparadores digitales. Se trata de un circuito combinacional que compara las magnitudes de dos cantidades binarias para determinar su relación. Un comparador digital determina si dos números binarios son iguales, o uno mayor o menor que otro. Está formado por dos grupos de n líneas de entrada y tres líneas de salida, para comparar las dos palabras binarias y responder activando una de las tres salidas posibles A>B, A=B o A<B.
En el mercado existe el comparador 7485 de 2 palabras de 4 bits.
7.2. Amplificador operacional comparador
Esencialmente el comparador es un circuito que compara una tensión de entrada con otra de referencia, indicando a la salida si la señal de entrada es superior o inferior que dicha tensión de referencia.
Con la combinación de un comparador inversor y un no inversor, empleando diferentes tensiones de referencia en ambas entradas, se puede formar un comparador de ventana. Como su nombre indica, se trata de un circuito en el que la salida sólo es activa si el valor de la tensión de entrada está comprendido entre un máximo y u mínimo.
8. Conclusión
Como conclusión decir toda la aplicación industrial que tiene tanto a nivel mecánico y eléctrico todo el material que hemos visto, ya que gran parte de él está en nuestro entorno en multitud de aplicaciones, de ahí la importancia de este tema.