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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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Presencia /proximidad: Capacitivos
Alteración del dieléctrico
de un condensador por la
presencia de un objeto
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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
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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
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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)
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Aplicaciones sensores ópticos
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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
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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
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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.
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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)
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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
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Relé magneto-térmico
Protección contra sobrecarga (térmico) y cortocircuito
(magnético)
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Diferencial
Protección contra derivas
Salta cuando hay diferencias de corriente entre la
entrante y la saliente
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Producción de aire comprimido
Parámetros: caudal y presión
Filtro
Purga
Compresor Refrigerador
Depósito
Válvula de seguridad Termómetro,
manómetro
Purga
Secador Preostato
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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
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Válvulas: Funcionamiento válvula 5/2
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Válvulas: Elementos de mando
pedal
magnético
Rodillo abatible
piloto aire
presión
palpador
rodillo
muelle
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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
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Aplicaciones: Cilindros de simple efecto
TIPO DE VÁLVULA?
SI FUNCIONA
NO FUNCIONA
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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
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Monoestable & Biestable
Monoestable: combinacional (no depende del tiempo)
Biestable: secuencial (memoria)
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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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