Download Sistemas Lineales y Simulación (SLS5201)

Automatización
Industrial (AIS7201)
Prof. Christian Nievas Grondona.
Sesión 6:
Sensores y actuadores.
2
Contenidos.

Sensorización.
 Funcionamiento.
 Categorías.

Actuación.
 Tipos
de actuadores.
3
Sensores.

Introducción:
 El
éxito de la tarea de un sistema automático depende
de la realimentación.
 Los parámetros de mayor interés son la posición,
velocidad, Temperatura, Fuerzas, etc.
 La forma de mediar variables físicas de un proceso
puede variar para satisfacer criterios de diseño
dependiendo de lo que se requiere controlar.
4
Sensores.

Sensores de posición:
 Estos
indican el punto del recorrido en el que se
encuentra un actuador (posición).
 Los
más usados son los del tipo eléctricos y los
ópticos.
5
Sensores.

Sensores de posición:
 Potenciómetros.

Contacto que se mueve sobre un hilo de material resistivo
arrollado en espiral o sobre una lámina resistiva.
r
V0  Vs
R
6
Sensores.

Sensores de posición:
 Potenciómetros.


La ventaja principal es su sencillez y bajo costo.
En cambio la principal desventaja es la no linealidad del
voltaje de la resistencia en relación a la distancia desplazada.
7
Sensores.

Sensores de posición:
 Sincros

y resolvers.
Sensores de posición exclusivamente angulares, que no
requieren contacto físico entre las piezas.
V (t )  V0 sin( t )
V (t )  V0 ·cos ·sin( t )
8
Sensores Internos.

Sensores de posición:
 Sincros



y resolvers.
Al no tener contacto físico entre sus elementos, estos se
deterioran menos.
A pesar de esto no se emplean actualmente debido a que
entregan una señal analógica, por su mayor peso y coste.
El resolver es similar al sincro, sólo que sus bobinas están
colocadas en posición diferente (120º)
9
Sensores.

Sensores de posición:
 Inductosyn.

S
X
Variante lineal de los sincros, formado por 2 reglas que se
desplazan una sobre la otra.
V (t )  V sin( t )
 2X 
V1  V sin 
 sin( t )
S


 2X 
V2  V cos
 sin( t )
 S 
10
Sensores.

Sensores de posición:
 Inductosyn.


La señal es similar a los sincros y resolvers, pero su relación
voltaje/distancia es mucho más precisa.
Existe una versión rotacional que alcanza precisiones hasta 5
milésimas de grado.
11
Sensores.

Sensores de posición:
 Optointerruptor.


Elemento básico de sensores ópticos.
Interruptores de final de carrera, usando un fotodiodo o
foto resistencia y un led o láser.
Receptor
Vista frontal
Emisión
Vista Lateral
12
Sensores.

Sensores de posición:
 Codificadores

ópticos.
Optointerruptores mejorados, con numerosas muescas
distribuidas en el la superficie del disco.

Absolutos (Cab): El disco impreso
en codificación binaria. Cada ‘bit’
es leído por un receptor diferente.
Se puede ‘codificar’ con algún
cifrado conocido, tal como el BCD.
13
Sensores.

Sensores de posición:
 Codificadores

ópticos.
Optointerruptores mejorados, con numerosas muestras
distribuidas en el la superficie del disco.

Incrementales (Cin): Se trata de un
disco con muescas en sólo una
pista. Además posee dos pares de
Emisor/Receptor óptico desfasados
en ¼ de periodo.
14
Sensores.

Sensores de posición:
 Codificadores



ópticos.
En el caso del Cab, la ventaja que tiene es que se conserva
la lectura de posición incluso sin alimentación.
La resolución máxima del Cab es de 360/N, donde N es el
número de sectores, y el número de pistas (Np) debe ser
2Np=N.
Esto lo hace un sensor caro y complejo, por esto no es muy
utilizado.
15
Sensores.

Sensores de posición:
 Codificadores




ópticos.
Debido a que las transiciones en el Cin no son abruptas, la
señal generada no es una onda cuadrada ideal.
La solución cuando tenemos precisión muy alta (más de
200 líneas por vuelta), la señal se procesa para generar 1
lógicos con rangos de umbrales lumínicos.
Este codificador, a diferencia de los otros, nos permite
conocer, a parte de la posición, el sentido de giro de un
actuador.
En general, estos codificadores, son los más utilizados para
conocer la posición y sentido de movimiento de
articulaciones en robótica industrial.
16
Foto Receptor
Sensores.

Sensores de posición:
 Codificadores
ópticos.
Disco Codificado
Un codificador óptico absoluto basado en la
codificación Gray de 13 pistas.
17
Sensores.

Sensores de velocidad:
 Miden
y entregan datos sobre la velocidad de los
motores, especialmente velocidad angular.
 Como
el caso de posición, los del tipo eléctricos y los
ópticos son los más habituales en la industria.
18
Sensores.

Sensores de velocidad:
 Tacómetro.

También conocido como dínamo tacométrico, es un dispositivo
similar a un motor, que genera una tensión CA de amplitud
proporcional a la velocidad angular.
V  BS 0 sin( t )
19
Sensores.

Sensores de velocidad:
 Óptico.

Se utilizan los codificadores de posición, para encontrar
velocidades.

Transformación Frecuencia/Voltaje: Se utilizan circuitos que
realizan una aproximación discreta a la derivada velocidad.
Consta de un contador, un reloj interno, y un conversor A/D
(para convertir el número de cuentas en voltaje).
v
dx x

dt t
número de pulsos en un tiempo Dt.
20
Sensores.

Sensores de aceleración:
 Miden
la aceleración del dispositivo a que van
adosados, basados en la ley de newton.
 Dada
la complejidad de este tipo de medición, no hay
muchas variedades utilizadas actualmente.
21
Sensores.

Sensores de aceleración:
 Acelerómetro

inercial.
La fuerza de inercia dada una aceleración de un cuerpo,
puede ser medida por un resorte, usando la ley de Hooke, y
con esto se obtiene una relación proporcional entre la
aceleración y el alargamiento del resorte.
 kx
a
m
x es leída por un encoder.
k constante del sistema de resortes.
22
Sensores.

Sensores de aceleración:
 Acelerómetro

de estado sólido.
Base de silicio con estrías y un material conductor sobre el
formando un condensador variable, la variación se logra
debido a la distancia entre placas al doblarse.
23
Sensores.

Sensores de aceleración:
 Acelerómetro



CIs.
Actualmente es posible construir acelerómetros de 3 ejes (X,
Y,Z), en un sólo chip de silicio, incluyendo dentro del mismo, la
parte electrónica que se encarga de procesar las señales.
El principio de operación del dispositivo, acelerómetro e
inclinómetro MEMSIC 2125, está basado en el traspaso
térmico, por convección natural.
Éstos dispositivos miden cambios internos, de la transferencia
de calor causada por la aceleración, ofreciendo ventajas
significativas, sobre el empleo de una estructura tradicional
sólida de masas de prueba.
24
Sensores.

Sensores de proximidad:
 Señalan
la distancia entre el punto de referencia
(punto terminal) y otros objetos.
 Pueden
ser de contacto o sin contacto.
25
Sensores.

Sensores de proximidad:
 De

contacto.
Simples micro-interruptores colocados en sectores en donde
haya riesgo de chocar. Pueden utilizarse como finales de
carreras o para marcar posiciones dadas.
Señal de salida para control.
Interruptor
26
Sensores.

Sensores de proximidad:
 Sin

contacto.
Reflexión luminosa:

Consta de una fuente de luz focalizada en un punto, una lente
para focalizar la luz reflejada y una foto resistencia que detecta la
intensidad luminosa de reflexión.
27
Sensores.

Sensores de proximidad:
 Sin

contacto.
Reflexión luminosa:



Los problemas de este sensor, es que existen dos puntos a
diferente distancia que nos puede entregar un mismo valor
de intensidad lumínica. Esto se soluciona viendo si la señal de
intensidad se incrementa o decrece al avanzar.
Otro problema es que son sensibles a variaciones de luz
ambiente y la temperatura. Esto se soluciona enviando la luz
de manera intermitente a una frecuencia del orden los los KHz.
El último problema es que la intensidad reflejada depende de la
naturaleza del material.
28
Sensores.

Sensores de proximidad:
 Sin

contacto.
Fibra óptica:

La luz transmitida en una FO sale a un medio con menor índice
de refracción, si lo hace a un ángulo pequeño, puede salir de la
FO refractandose. Si lo hace con un ángulo mayor, se refleja
hacia el interior de la FO. El ángulo que limita la reflexión y la
transmisión, depende de la FO.
29
Sensores.

Sensores de proximidad:
 Sin

contacto.
Fibra óptica:

A partir de esto, se construyen sensores de corte de haz y
sensores de retroreflexión, que el mismo cabo de FO emite y
recibe el rayo de luz reflejado por un catadióptrico.
30
Sensores.

Sensores de proximidad:
 Sin

contacto.
Láser:

Se basan en dos espejos
perpendiculares acoplados
a motores que permiten
deflectar el haz de modo
que abarque cualquier
dirección (barrido).
Además se sitúa un
colimador apuntando
a una dirección conocida.
El colimador relaciona la distancia en relación de del
ángulo de barrido (y por ende el tiempo) que llega el haz.
31
Sensores.

Sensores de proximidad:
 Sin

contacto.
Ultrasonidos:

El tipo más usado y se basa en emitir pulsos de ultrasonido y
medir el tiempo de vuelo entre la emisión y la recepción,
conociendo la velocidad del sonido. La frecuencia de emisión
es fija, usualmente a 40 KHz.
Respuesta en dB en relación al
ángulo de emisión.
32
Sensores.

Sensores de tacto:
 Su
utilidad es para ciertos casos de procesos, cuando
necesitamos manipular elementos frágiles.
 Se
encuentran desde los que son sólo On/Off, hasta
los que dan una medida de presión en cada punto.
 La
mayoría de estos son experimentales.
33
Sensores.

Sensores de tacto:
 Varillas.

Matriz de varillas que se mueve hasta hacer contacto con el
objeto.
34
Sensores.

Sensores de tacto:
 Elastómeros

de conductividad.
Materiales elásticos (plásticos) impregnados con polvos de
hierro. Generando una resistencia variable.
35
Sensores.

Sensores de temperatura:
 Termopar

(Termocupla).
Es un dispositivo formado por la unión de dos metales
distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es
función de la diferencia de temperatura entre estos.
36
Sensores.

Sensores de temperatura:
 Termopar
(Termocupla).
Termopar conectado a
voltímetro, entregando la
temperatura de una
habitación en ºC.
37
Sensores.

Sensores de temperatura:
 RTD

(Resistance Temperature Detector)
Son sensores de temperatura resistivos. En ellos se
aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la
conducción de los electrones para que, ante un aumento de
temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica que
presentan.
38
Sensores.

Sensores de temperatura:
 RTD
(Resistance Temperature Detector)
RTDs de Platino de
100 y 1000 Ohms de
resistencia (Pt100 y
Pt1000)
39
Actuadores.

Introducción:
 Es
el dispositivo que ejerce fuerzas o momentos sobre
las partes de un proceso.
 Transforman algún tipo de energía (eléctrica,
hidráulica, etc.) en energía mecánica o térmica.
 Los actuadores utilizados actualmente son del tipo
eléctrico, hidráulico y neumático.
 Un requerimiento esencial para utilizar un actuador en
algunos procesos, es que estos puedan ser
controlados con rapidez y precisión.
40
Actuadores.

Actuadores hidráulicos:
 General
mente son utilizados para mover cargas
mayores (más de 10 Kg).
 El fluido que trasmite la potencia, usualmente aceite
especial, circula por tuberías a presión de unas 200
atmosferas.
 Ejercen presiones aplicando el principio de la prensa
hidráulica de Pascal, ya que al disminuir la superficie
de aplicación, la fuerza en ese punto aumenta.
 Se controla el flujo mediante servoválvulas.
41
Actuadores.

Actuadores hidráulicos:
 Servoválvula
Servoválvula
y actuador.
Actuador
42
Actuadores.

Actuadores neumáticos:
 Funcionamiento
similar al de los actuadores
hidráulicos.
 La diferencia, que estos ocupan aire, altamente
compresible, en vez de fluidos incompresibles.
 El no llevar fluidos inflamables los hacen más seguros
y a la vez no es necesario el recambio de fluido
periódicamente.
 Pero al ser compresibles, tienden a mover menor
carga y tener características de sub-amortiguamiento.
43
Actuadores.

Actuadores neumáticos:
 Se
utilizan en operaciones que impliquen
desplazamientos lineales cortos (Transferencias,
marcajes, expulsiones, embalajes, etc.)
 Se actua sobre el cilindro neumático mediante
electroválvulas conectadas a las salidas del
controlador.
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Actuadores.

Actuadores neumáticos:
 Tipos

Simple efecto:


Empujar en un solo sentido y retornan automáticamente al
origen por la acción de un muelle.
Doble efecto:


de Cilindros neumáticos:
Empujar en ambos sentidos.
Acción diferencial:

Permiten mantener el émbolo en cualquier posición, aplicando
presión a ambos lados del mismo.
45
Actuadores.

Actuadores neumáticos:
46
Actuadores.

Actuadores eléctricos:
los más utilizados actualmente en procesos
industriales.
 Como elementos de pre-actuación se utilizan en
mayor forma los contactores.
 Mayor demanda, para trabajos de precisión, tiene los
motores de corriente continua (Mcc) y los motores de
paso a paso (Step).
 Debido a que no se pueden controlar con precisión,
los motores de corriente alterna (Mca) son utilizados
en procesos industriales de mayor envergadura.
 Son
47
Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Contactores

(Relés).
Un contactor es un interruptor el cual es accionado mediante
un electroimán. Aplicando tensión a la bobina del electroimán
se consigue la apertura o cierre del interruptor.
48
Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Contactores
(Relés).
49
Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Motores

de corriente continua (Mcc).
Se basan en la fuerza de Lorentz, un conductor por el que
pasa una corriente eléctrica que causa un campo magnético a
su alrededor, tiende a ser expulsado si se le quiere introducir
en otro campo magnético.
50
Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Motores

Controlados por armadura.


de corriente continua (Mcc).
Campo magnético externo es constante y se varía el campo
interno, variando la amplitud de la corriente de inducción.
Controlados por campo.

Ambos campos magnéticos pueden variar.
51
Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Motores

de corriente continua (Mcc).
Controlados por armadura.




Es el tipo más usado, con un campo externo basado en imanes
permanentes.
Genera un mayor torque a bajas velocidades (levantar cargas).
De menor tamaño y peso, especiales para adosarlos como
actuadores de articulaciones (robótica).
Relación lineal entre la velocidad y el torque.
52
Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Motores

de paso a paso (Step).
A diferencia del Mcc, el devanado no está en el rotor (móvil),
si no en el estator (fija). Además de no permitir movimientos
continuos, sólo discretos.
53
Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Motores






de paso a paso (Step).
Tiene alto torque a baja velocidad (levantar cargas)
Tienen alto torque de sostenimiento (bloqueados en una
posición)
Compatibles con señales digitales de control.
Potencia mecánica actual es baja.
Bajo rendimiento, ya que la mayor parte de la energía se
disipa en calor.
Tienden a ser sub-amortiguados.
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Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Motores

Motores Universales:


de corriente alterna (MCA).
Para aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas
débiles o pequeñas fuerzas.
Motores Inducción:

Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de
la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el
número de pares de polos del motor.
55
Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Motores

de corriente alterna (MCA).
Motores Inducción.

Los más utilizados en la industria, debido a su fortaleza y
sencillez de construcción, buen rendimiento y bajo coste.
Además se adaptan bien a una marcha a velocidad constante.

En los motores asíncronos trifásicos (Inducción) existen dos
formas de poder variar la velocidad, una es variando la
frecuencia mediante un equípo electrónico especial (VFD) y la
otra es variando la polaridad gracias al diseño del motor.
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Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Motores

de corriente alterna (MCA).
Motores Inducción y Variador de Frecuencia:

El VFD (Variable Frequency Drive ) es un sistema para el control
de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC)
por medio del control de la frecuencia de alimentación
suministrada al motor.
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Actuadores.

Actuadores eléctricos:
 Motores

de corriente alterna (MCA).
Motores Inducción y Variador de Frecuencia:
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Consultas y Contacto
Christian Nievas Grondona.
cnievas@ing.uchile.cl
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