Sensores y ActuadoresDpto. Ingeniería Eléctrica, Electrónica, Automática y Física Aplicada

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OrdenesSalidas

Realimentación

Sistema a

controlarControlador

Perturbaciones

Entradas

Prealimentación

Sensores (transductores de medida)

Convierte los fenómenos físicos en

señales eléctricas.

PLCs admiten señales eléctricas de

entrada analógicas o digitales.

Interés en señales binarias: ON/OFF

2

Estructura de un transductor

La señal debe ser tratada: conversión a señal eléctrica,

amplificada, eliminación del ruido, linealización, …

3

Ejemplo de funcionamiento

TermómetroEntrada

Temperatura

Salida

Nº en una escala

Sensor

(Transductor

de medida)

Cantidad

a medir

Valor

medido

Acondicionador

de señal

Adquisición

de datos

y/o display

Típicamente señal eléctrica

4

Clasificaciones de sensores

Información

Discreto vs. Continuo

Principio físico

Electromagnético

Resistivo

Capacitivo

Inductivo

Óptico

Ultrasonido

Tipo de señal

Digital vs. Analógico

Magnitud a medir

Presencia /proximidad

Posición

Velocidad

Presión

Caudal

Fuerza

Temperatura

Nivel

…

5

Características de sensores

Estáticas

Campo de medida

Sensibilidad

Resolución

Umbral

Precisión

Repetibilidad

Exactitud

Linealidad

Histéresis

Dinámicas

Velocidad de respuesta

Tiempo de subida

Tiempo de retardo

Respuesta en frecuencia

6

Características de sensores

Sensibilidad

Resolución

Precisión

Linealidad

Exactitud

Relación dY/dX

X: Objeto físico - Y: Salida del sensor

Error de medida máximo esperado

Medida X-Y

Mínimo cambio en X detectable en Y

Proporcionalidad entre X e Y

7

Características de sensores

Sensibilidad

Resolución

Precisión

Linealidad

Exactitud

Relación dY/dX

X: Objeto físico - Y: Salida del sensor

Error de medida máximo esperado

Medida X-Y

Mínimo cambio en X detectable en Y

Proporcionalidad entre X e Y

8

Características de sensores

9

Criterios de selección

Tipo de magnitud a medir

Tipo de información

Todo/nada vs. Continuo

Utilización de la medida

Resolución, precisión, fidelidad etc.

Características de otros dispositivos en el lazo de control

Condiciones ambientales

Entorno inflamable no pueden saltar chispas → capacitivo

PRECIO

10

Sensores para el control secuencial

Todo/nada

Clasificación de los sensores para sistemas de control

secuencial en la asignatura de Automática:

Interruptores de acción mecánica

Sensores de proximidad

Inductivos.

Capacitivos.

Optoelectrónicos.

Ultrasónicos

11

Interruptores mecánicos

Interruptor que abre

y cierra un contacto

Rebote de la señal en

la conmutación

Coste reducido

Desgaste debido a

rozamiento entre

objeto y sensor

Diferentes

configuraciones

12

Sensores de presencia/proximidad

No hay contacto físico: no rozamientos

Alta precisión, rapidez, sin rebotes

Resistentes ambientes extremos

Clasificados según el fenómeno físico:

Inductivos

Capacitativos

Optoelectrónicos

Ultrasonidos

13

Presencia/Proximidad: Inductivos

Alteración de la inductancia de una bobina al acercar un objeto METÁLICO

La intensidad que circula por la bobina varía ante la presencia del objeto

Estructura: bobina, oscilador, disparador Schmitt

14

Presencia/Proximidad: Inductivos

https://www.youtube.com/watch?v=fv_Ngs7j-gY15

Presencia/Proximidad: Inductivos

16

Presencia/Proximidad: Inductivos

Solo para metales

No hay contacto

Menos sensibles a

condiciones ambientales

Sensibles a otros sensores

inductivos

Funciona peor con metales

no ferrosos

Distancias de detección

pequeñas (1-50mm)

17

Presencia /proximidad: Capacitivos

Alteración del dieléctrico

de un condensador por la

presencia de un objeto

18

Presencia /Proximidad: Capacitivos

Objetos METÁLICOS y NO

METÁLICOS

Sensibles a condiciones

ambientales

Humedad, suciedad

Distancias de detección

pequeñas (1-30mm)

Menos precisos que los inductivos

Detección a través de barreras

19

Presencia /Proximidad: Capacitivos

https://www.youtube.com/watch?v=b3tW4nWUjCo20

Presencia/Proximidad: Reed

Contacto metálico dentro de un encapsulado que se cierra con un campo magnético

Baratos

POSICIÓN DE CILINDROS

PUERTAS AUTOMÁTICAS

21

Presencia/Proximidad: Ópticos

Detectan la interrupción o

reflexión de un haz de luz

Distintas configuraciones

Distintos tipos de luz

Visibles, infrarrojo, láser,…

Distancia de detección

ajustable con rangos desde

10mm-5m

Sensibles a las condiciones

ambiente (suciedad)

22

Aplicaciones sensores ópticos

23

Sensores de proximidad ultrasonidos

Basado en el eco de un

frente de ondas de sonido

de alta frecuencia.

Propiedades de los piezo-

eléctricos.

Medidas paraxiales.

Medidas depende del

medio ambiente

24

Aplicaciones de los ultrasonidos

25

Otros sensores: posición (potenciómetros)

Resistencia variable con el

movimiento de un contacto

Lineal o angular (disposición

multivuelta)

Características

Simple y robusto

Ratio precisión/precio buena

Resolución teórica infinita

Desgaste

Contacto

Rozamiento

DIVISOR DE TENSIÓN

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Otros sensores: posición (encoders)

Basado en la detección de

señales de luz que atraviesan

un disco/regla móvil que

alterna zonas opacas

Tipos

Absolutos: Miden la posición

respecto a una referencia

Incrementales: Miden un

incremento de la posición

27

Otros sensores: posición (encoders)

28https://www.youtube.com/watch?v=cn83jR2mchw

Sensores: Otros

Velocidad

Tacómetros

Temperatura

Termostato bimetálico

Termopar

Termorresistencias (RTD)

Infrarrojos

Fuerza

Galgas

Caudal

etc.

29

Actuadores Eléctricos

Relés y Motores

Actuadores

Elemento que provoca un efecto controlado sobre el

sistema a controlar

Tipos según la fuente de energía

Eléctricos

Neumáticos (aire)

Hidráulicos (aceite)

31

Relé

Dispositivo que consiste en un interruptor automático

controlado por un electroimán

La señal de mando excita el electroimán y el interruptor

puede dar paso a uno o varios circuitos independientes

Permite controlar un circuito de salida de MAYOR

POTENCIA que en la entrada

RELÉ ELECTROMECÁNICO32

Contactores

Varios contactos eléctricos accionados típicamente

mediante relé: contactor

Contactos: NA y NC

33

Relé magneto-térmico

Protección contra sobrecarga (térmico) y cortocircuito

(magnético)

34

Diferencial

Protección contra derivas

Salta cuando hay diferencias de corriente entre la

entrante y la saliente

35

Actuadores eléctricos: Motores

Convierten energía

eléctrica en mecánica

Tienen dos partes

diferenciadas

Estator o parte fija

Residen los polos

Rotor o parte móvil

Dos devanados

Inductor: El que crea el

campo magnético

Inducido: El que gira como

consecuencia del campo

magnético del inductor

Clasificación

Corriente continua (CC)

Con Escobillas

Sin Escobillas (Motores paso

a paso)

Corriente alterna (AC)

Asíncronos (Inducción)

Síncronos

Servomotor

36

Motor de corriente continua (con escobillas)

Convierte energía eléctrica continua en mecánica, generalmente giro

Ventajas

Fácil control de posición, par y velocidad

Posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga

Aplicaciones

Aplicaciones de regulación de velocidad (trenes, robots)

Aplicaciones de precisión (máquinas herramientas)

Inconvenientes: escobillas

Sustitución por máquinas síncronas de imanes permanentes

Las escobillas llevan

la corriente al

devanado del rotor

S

N

37

Motor de corriente continua (con escobillas)

38https://www.youtube.com/watch?v=LAtPHANEfQo

Motores de C.C. sin escobillas

Brushless

Las escobillas se sustituyen por varias bobinas que se

activan de forma alterna

39

Motores de C.C. sin escobillas

40https://www.youtube.com/watch?v=bCEiOnuODac

Motores paso a paso

Características:

Pequeña potencia

Velocidades bajas

Posiciones con precisiones

Aplicaciones

Textil, envase-embalaje, equipos médicos

41

Motores paso a paso

42https://www.youtube.com/watch?v=Qc8zcst2blU

Motor de C.A. Asíncrono (Inducción)

Convierte energía eléctrica alterna en mecánica

Arranque con contactores.

Aplicaciones sin regulación

Ventajas: Precio, Robustez

Desventajas: Para controlar la posición es necesario un variador electrónico (caro y sólo pequeña o medianas potencias)

Otra alternativa:

Rotor bobinado con resistencias rotóricas

43

Motor de C.A. Asíncrono (Inducción)

44https://www.youtube.com/watch?v=LtJoJBUSe28

Motores de C.A. Síncronos

Los motores síncronos son un tipo de motor de

corriente alterna en el que la rotación del eje está

sincronizada con la frecuencia de la corriente de

alimentación; el período de rotación es exactamente igual

a un número entero de ciclos de CA.

El rotor incluye imanes permanentes o bobinas DC

La expresión matemática que relaciona la velocidad de la

máquina con los parámetros mencionados es:

45

Motores de C.A. Síncronos

46https://www.youtube.com/watch?v=Vk2jDXxZIhs

Servomotores

Motores síncronos de imanes

permanentes

Brushless DC/AC

Características

Regulación de velocidad

Precisos y elevada respuesta dinámica

Aplicaciones

Máquinas herramientas, robots, coches

eléctricos

47

Servomotores

48https://www.youtube.com/watch?v=hYu9fGE4pCk

Actuadores neumáticos

Aire comprimido, válvulas y cilindros

Actuadores neumáticos

Utilizan como energía aire

comprimido

Ventajas

Facilidad de transporte

No necesita circuitos de retorno

Es antideflagrante

Es limpio y no contamina

Inconvenientes

Potencia limitada

Limitada la calidad del movimiento

por la compresibilidad del aire.

Requiere de una instalación de

producción

51

Conceptos físicos básicos

Presión atmosférica, relativa y absoluta

1 [kg/cm2]1[bar]=105[Pascales]

W=Fv=PQ

Ley de los gases perfectos

PV=nRT

P

Ae

52

Elementos neumáticos principales

Válvulas: Preactuadores

Cilindros: Transforman la presión del aire en desplazamiento

Motores: Transforman la presión del aire en giro

Elementos auxiliares

Silenciadores, reguladores de caudal, antirretornos etc.

2/2

53

Ejemplo de motores neumáticos

54https://www.youtube.com/watch?v=54u3H69tcgM

Ejemplo de actuadores neumáticos

55https://www.youtube.com/watch?v=ZPUvA98uSj8

Ejemplo de instalación

56

http://www.logiclab.hu/lesson.php?fe=2&Direct-control-Single-acting-cylinder

ACTUADORES NEUMÁTICOS

Elementos de un sistema neumático

Acondicionador

Compresor Aire atmósfera

Válvulas MáquinaActuadores

Almacenamiento

y distribución

57

Acondicionamiento

El aire a la salida del compresor esta sucio, a alta

temperatura y con exceso de humedad

Tratamientos

Filtrado: Filtro de aire para eliminar el polvo y el aceite

Secado: Condensadores de agua

Refrigerado

Regulación de presión

Depósitos de aire comprimido para compensar

fluctuaciones de producción y consumo

58

Producción de aire comprimido

Parámetros: caudal y presión

Filtro

Purga

Compresor Refrigerador

Depósito

Válvula de seguridad Termómetro,

manómetro

Purga

Secador Preostato

59

Unidad de mantenimiento

60

Actuadores: Cilindros

Simple efecto Doble efecto

61

Actuadores: Funcionamiento Cilindro DE

62

Válvulas

63

5/2

Vías / posiciones

Válvulas

Representación y tipos

2/2

5/24/2

3/2

4/3 5/3

Vías / posiciones

CILINDRO SIMPLE EFECTO

CILINDRO DOBLE EFECTO

64

Válvulas: Funcionamiento válvula 5/2

65

Válvulas: Elementos de mando

pedal

magnético

Rodillo abatible

piloto aire

presión

palpador

rodillo

muelle

66

Válvulas (preactuadores)

Representación y tipos

DIN 24300

P = Alimentación de aire comprimido

A,B,C = Salidas de trabajo

R,S,T = Escape de aire

X,Y,Z = Conexión de mando

CETOP (Comité Europeo de fluidos)

1 = Alimentación de aire comprimido

2 y 4 = Salidas de trabajo

3 y 5 = Escape de aire

12 y 14 = Conexión de mando

67

Aplicaciones: Cilindros de simple efecto

TIPO DE VÁLVULA?

SI FUNCIONA

NO FUNCIONA

68

Aplicaciones: Cilindros de simple efecto

CONTROL: PUERTA AND

TIPO DE VÁLVULA?

69

Aplicaciones: Cilindros de doble efecto

TIPO DE VÁLVULA?

70

Aplicaciones: Sensores

Ejemplo: Sensor fin de carrera

71

Control neumático

72

Monoestable & Biestable

Monoestable: combinacional (no depende del tiempo)

Biestable: secuencial (memoria)

73

Ejemplo de circuito neumático

¿Cuál es el ciclo de trabajo?

74

Válvulas de simultaneidad

75

1 1

2

2

1 3

2

1 3

Simuladores de neumática

http://www.logiclab.hu/index.php (Muy interesante para realizarlo antes de la práctica 1)

http://www.indibaamparooltra.com/Toni/neumatica/simulador.html

http://ares.cnice.mec.es/electrotecnia/a/generales/simulador_neumatica/simulador_neumatica.htm

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Actuadores hidráulicos

Motores y cilindros

Actuadores hidráulicos

Fluido: aceite.

Principio de funcionamiento:

Favance= P x AeP

AeFav.

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Actuadores hidráulicos

Ventajas

Fuerzas elevadas

Control preciso

Rapidez y precisión en la respuesta

Inconvenientes

Fugas

Instalaciones complejas

Precisa circuito de retorno

Mantenimiento complejo

Tipos

Motores hidráulicos

Cilindros hidráulicos

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