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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
“ELABORACIÓN DE UNA GUÍA PARA LA SELECCIÓN DE SENSORES Y
ACCIONADORES EN EL CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES.
APLICACIÓN PRÁCTICA”.
PRESENTADO POR:
LUCAS GILBERTO ALAS RAMOS
PARA OPTAR AL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO
CIUDAD UNIVERSITARIA, FEBRERO DE 2005
UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
RECTORA
:
Dra. María Isabel Rodríguez
SECRETARIA GENERAL:
Licda. Alicia Margarita Rivas de Recinos
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
DECANO
:
Ing. Mario Roberto Nieto Lovo
SECRETARIO
:
Ing. Oscar Eduardo Marroquín Hernández
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
DIRECTOR
:
Ing. Juan Antonio Flores Díaz
UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
Trabajo de Graduación previo a la opción al Grado de:
Ingeniero Mecánico
Título
:
“ELABORACIÓN DE UNA GUÍA PARA LA SELECCIÓN DE SENSORES Y
ACCIONADORES EN EL CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES.
APLICACIÓN PRÁCTICA”.
Presentado por :
Lucas Gilberto Alas Ramos
Trabajo de Graduación aprobado por:
Docente Director:
Ing. Francisco Alfredo De León Torres
San Salvador, Febrero de 2005
Trabajo de Graduación Aprobado por:
Docente Director:
Ing. Francisco Alfredo De León Torres
DEDICATORIA.
Con la aprobación de este Trabajo de Graduación, finaliza una etapa más de mi vida, y son mis más
sinceros deseos dedicar este trabajo a DIOS, por proporcionarme la sabiduría necesaria para
finalizar
la
carrera,
iluminar
mi
camino
y
convertirme
en
un
profesional.
Y a MI FAMILIA, por apoyarme y darme ánimos de continuar hasta lograr el objetivo propuesto.
Lucas Gilberto Alas Ramos.
AGRADECIMIENTOS.
La realización de este Trabajo de Graduación fué posible gracias a las siguientes personas, a
quienes expreso mis más sinceros agradecimientos.
D. Rafael Jiménez Castañeda, Coordinador del Programa de Intercambio y Movilidad Académica,
PIMA, Universidad de Cádiz, UCA, España, e Ing. Ricardo Siliezar, Coordinador del Programa de
Intercambio y Movilidad Académica, PIMA, Universidad de El Salvador, UES, El Salvador.
Gracias por aceptarme en el programa, y darme la oportunidad de realizar el Trabajo de Graduación
en la Universidad de Cádiz.
D. Eduardo A. Romero Bruzón, Gracias por su valioso tiempo y su valiosa y desinteresada ayuda
que me proporcionó para realizar el presente Trabajo de Graduación.
Ing. Joaquín Orlando Machuca, Ing. Mario Roberto Nieto Lovo, Ing. Francisco Alarcón,
Ing. Juan Antonio Flores Díaz, Ing. Rigoberto Velásquez Paz, Ing. Francisco De León. Gracias por
permitirme participar en el Programa de Intercambio y Movilidad Académica, PIMA.
Agradecimientos especiales a Ing. Luis Humberto Guidos, Ing. Leyla Marina Jiménez, Anna Fiore,
D. Francisco Moreno, Ing. José Francisco Zuleta, compañeros y amigos de la SEIM, docentes de la
Escuela de Ingeniería Mecánica, EIM y Sra. Teresa Lourdes Luna. Gracias por su valiosa ayuda,
por apoyarme y confiar en mí.
Lucas Gilberto Alas Ramos.
i
ÍNDICE GENERAL
Página.
Índice de figuras
viii
Índice de tablas
xi
Objetivos
xiii
Alcances
xiv
Introducción
xv
CAPÍTULO 1.
GENERALIDADES DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL.
1
1.1 Objetivos de la automatización
1
1.2 Clasificación de la automatización
1
1.3 Grado de automatización
4
1.4 Principios de los sistemas automatizados
5
1.5 Partes principales de un sistema automatizado
5
1.6 Conceptos generales de los sensores
7
1.6.1 Estructura de un sensor o transductor
7
1.6.2 Clasificación de los sensores
8
1.6.2.1 Clasificaciones según el tipo de señal de salida
8
1.6.2.2 Clasificación según la magnitud física a detectar
9
1.6.3 Características generales de los sensores
10
1.6.3.1 Características estáticas
11
1.6.3.2 Características dinámicas
13
1.7 Accionadores
1.7.1 Comparación de los tres tipos de accionadores
14
16
ii
CAPÍTULO 2.
SENSORES DE POSICIÓN.
2.1 Detectores de proximidad
17
17
2.1.1 Clasificación de los sensores de proximidad
18
2.1.1.1 Clasificación según el tipo de salida
18
2.1.1.2 Clasificación según el tipo de conexión
19
2.1.1.3 Clasificación según el tipo de captador
19
2.1.2 Interruptores de final de carrera electromecánicos
20
2.1.2.1 Funcionamiento y configuración
20
2.1.2.2 Aplicaciones
22
2.1.3 Detectores inductivos
24
2.1.3.1 Frecuencia de conmutación
26
2.1.4 Detectores capacitivos
26
2.1.5 Detectores ópticos (fotoeléctricos)
28
2.1.5.1 Conceptos y componentes básicos
29
2.1.5.2 Margen
31
2.1.5.3 Modulación del led
32
2.1.5.4 Detección síncrona
33
2.1.5.5 Modos de detección fotoeléctrica
33
2.1.5.5.1 Haz transmitido
36
2.1.5.5.2 Retrorreflectivo
37
2.1.5.5.3 Difusa
40
2.1.5.6 Fibra óptica
44
2.1.5.6.1 Cables ópticos de fibra de vidrio
44
2.1.5.6.2 Cables ópticos de fibra de plástico
45
2.1.5.7 Detección de objetos transparentes
47
2.1.5.8 Especificaciones de los sensores fotoeléctricos
48
2.1.5.8.1 Operación de la salida por luz / oscuridad
48
2.1.5.8.2 Distancia máxima de detección
49
2.1.5.8.3 Distancia mínima de detección
49
2.1.5.8.4 Curva de respuesta típica
49
iii
2.1.5.8.5 Tiempo de respuesta
50
2.1.5.8.6 Campo de visión
50
2.1.5.8.7 Contorno del haz
51
2.1.5.8.8 Histéresis
53
2.1.5.9 Alineamiento de un sensor fotoeléctrico
53
2.1.5.9.1 Retrorreflectivos o retrorreflectivos polarizados
53
2.1.5.9.2 Difuso
54
2.1.5.9.3 Haz transmitido
54
2.1.5.10 Dispositivos de salida
54
2.1.5.11 Temporización
57
2.1.5.11.1 Temporizador a la conexión y temporizador
a la desconexión
2.1.5.12 Aplicaciones de los sensores fotoeléctricos
2.1.6 Detectores ultrasónicos
58
58
59
2.1.6.1 Ventajas de la detección por ultrasonido
60
2.1.6.2 Funcionamiento
60
2.2 Sensores medidores de posición ó distancia
62
2.2.1 Potenciómetros
63
2.2.2 Encoders
66
2.2.2.1 Encoders incrementales o relativos
67
2.2.2.2 Encoders absolutos
69
2.2.2.3 Aplicaciones
71
2.2.3 Sincros y resolvers
72
2.2.4 Inductosyn
76
2.2.5 Sensores láser
77
2.2.6 Sensores ultrasónicos
79
2.3 Sensores medidores de pequeños desplazamientos y deformaciones
80
2.3.1 Transformadores diferenciales
80
2.3.2 Galgas extensiométricas
82
iv
CAPÍTULO 3.
SENSORES DE TEMPERATURA.
86
3.1 Termostatos
86
3.2 Termorresistencias
87
3.2.1 Detectores de temperatura resistivos, RTD
87
3.2.2 Termistores
89
3.3 Termopares
91
3.3.1 Tipos de termopares disponibles en el mercado
91
3.3.2 Diseño de los termopares
95
3.3.3 Vainas y tubos de protección
96
3.3.4 Respuesta térmica
96
3.3.5 Tubos de protección cerámicos
98
3.4 Pirómetros
3.4.1 Pirómetros de radiación
3.4.1.1 Estructura de los pirómetros de radiación
3.4.2 Pirómetros ópticos
3.4.2.1 Estructura de los pirómetros ópticos
98
99
99
102
102
3.5 Ventajas y desventajas de los sensores de medición de temperatura
104
3.6 Aplicaciones de los sensores de temperatura
105
CAPÍTULO 4.
ACCIONADORES.
4.1 Accionadores eléctricos
106
106
4.1.1 Motores de corriente alterna
106
4.1.1.1 Motores sincrónicos
106
4.1.1.1.1 Principios básicos de operación
107
4.1.1.1.2 Construcción de motores sincrónicos
107
4.1.1.2 Motores de Inducción
4.1.1.2.1 Clases de diseño de motores de inducción
4.1.1.3 Motores monofásicos
108
110
112
v
4.1.1.3.1 Motor universal
113
4.1.1.3.2 Motores de inducción monofásicos
113
4.1.1.3.2.1 Clasificación de los motores de inducción monofásicos
4.1.2 Motores de corriente directa
4.1.2.1 Tipos de motores de DC
4.2 Elementos motores de accionamiento hidráulico
4.2.1 Cilindros hidráulicos
114
119
120
126
126
4.2.1.1 Cilindros de simple efecto
126
4.2.1.2 Cilindros de doble efecto
127
4.2.2 Motores hidráulicos
4.3 Elementos motores de accionamiento neumático
4.3.1 Motores neumáticos
129
130
130
4.3.1.1 Motor de aletas rotativas
131
4.3.1.2 Motor de pistones
132
4.3.2 Cilindros neumáticos
4.4 Electroválvulas
4.4.1 Tipos de electroválvulas y modo de funcionamiento
133
134
135
4.4.1.1 Electroválvula de 3/2 vías controlada directamente
136
4.4.1.2 Electroválvula distribuidora pilotada
137
4.4.1.3 Electroválvula 4/2 vías
139
4.4.1.4 Electroválvula neumática pilotada de 5/2 vías de doble bobina
140
4.4.2 Tipos de electroválvulas y datos característicos
141
CAPÍTULO 5.
ADAPTACIÓN DE LA SEÑAL DE LOS SENSORES
147
5.1 Interfaces de entradas / salidas
147
5.2 Entradas / salidas digitales
148
5.2.1 Entradas digitales
149
5.2.2 Salidas digitales
150
5.3 Entradas / salidas analógicas
5.3.1 Convertidor D/A
151
152
vi
5.3.2 Conversión A/D
152
5.3.3 Interfaces para entradas analógicas
153
5.3.4 Interfaces para salidas analógicas
157
CAPÍTULO 6.
SELECCIÓN DE SENSORES Y ACCIONADORES
6.1 Selección de sensores
6.1.1 Selección de sensores de proximidad
159
159
160
6.1.1.1 Interruptores de final de carrera electromecánicos
162
6.1.1.2 Detectores inductivos
162
6.1.1.3 Detectores capacitivos
163
6.1.1.4 Detectores ópticos (fotoeléctricos)
164
6.1.1.5 Detectores ultrasónicos
165
6.1.1.6 Proveedores
165
6.1.2 Selección de sensores medidores de posición ó distancia
169
6.1.2.1 Potenciómetros
171
6.1.2.2 Encoders
172
6.1.2.3 Sincros y resolvers
172
6.1.2.4 Sensores láser
173
6.1.2.5 Proveedores
174
6.1.3 Selección de sensores medidores de pequeños desplazamientos y
deformaciones
6.1.3.1 Transformadores diferenciales (LVDT ó RVDT)
6.1.3.1.1 Proveedores
6.1.3.2 Galgas extensiométricas
6.1.4 Selección de sensores de temperatura
180
180
181
183
183
6.1.4.1 Proveedores
185
6.2 Selección de Accionadores
188
6.2.1 Selección de accionadores eléctricos
190
6.2.2 Selección de elementos motores de accionamiento hidráulico
y neumático
191
vii
6.2.2.1 Selección de cilindros hidráulicos y neumáticos
191
6.2.2.2 Selección de motores hidráulicos y neumáticos
192
6.2.3 Proveedores
192
CAPÍTULO 7.
APLICACIÓN DE LOS SENSORES Y ACCIONADORES: “CONTROL DE
TEMPERATURA”
7.1 Elementos a usar
197
198
7.1.1 Características del ordenador
199
7.1.2 Introducción a Lab View
200
7.1.3 Tarjeta de adquisición de datos, TAD
202
7.1.3.1 Consideraciones generales sobre las TAD
202
7.1.3.2 Diagrama de bloques general de una TAD
205
7.1.3.3 Especificaciones técnicas de la TAD utilizada en la aplicación
206
7.1.4 Termorresistencia de platino, Pt 100
207
7.1.5 Controlador de temperatura, controlador PID
210
7.1.5.1 Funcionamiento de un controlador PID
210
7.1.5.2 Características del controlador a utilizar
211
7.1.6 Fuente de alimentación y elemento resistivo
212
7.2 Desarrollo de la aplicación en Lab View
212
7.3 Presupuesto
217
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
218
ANEXOS
222
ANEXO I:
Especificaciones del ordenador
223
ANEXO II: Especificaciones de la tarjeta de adquisición de datos
224
ANEXO III: Especificaciones del linealizador de sensores de temperatura
239
ANEXO IV: Especificaciones del controlador de temperatura
242
ANEXO V: Especificaciones de la fuente de alimentación
245
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Página.
Fig. 1. Relación de la automatización fija, automatización programable y
automatización flexible como una función del volumen de producción
y de la diversidad del producto
3
Fig. 2. Estructura genérica de un transductor
7
Fig. 3. Formas de conexión de sensores de proximidad
19
Fig. 4. Tipos de palanca de operación. Tipo rodillo (izq.) y tipo vástago (derecha)
23
Fig. 5. Estructura del sensor inductivo
24
Fig. 6. Diagrama de bloques y detalle del núcleo captador de los sensores de
proximidad inductivos
25
Fig. 7. Estructura del sensor capacitivo
26
Fig. 8. LED diodo emisor de luz
29
Fig. 9. Respuesta espectral
30
Fig. 10. Lentes
31
Fig. 11. Modulación
32
Fig. 12. Detección de haz transmitido
36
Fig. 13. Haz efectivo
36
Fig. 14. Haz efectivo con aberturas
36
Fig. 15. Detección retrorreflectiva
37
Fig. 16. Materiales retrorreflectivos
37
Fig. 17. Detección retrorreflectiva polarizada
39
Fig. 18. Detección difusa
40
Fig. 19. Detección de objetos cerca de fondo reflectivo
42
Fig 20. Difusa gran angular
43
Fig. 21. Cables de fibra óptica
46
Fig. 22. Área ciega
49
Fig 23. Margen
50
Fig 24. Campo de visión respecto a distancia
51
Fig. 25. Histéresis
53
ix
Fig 26. Sensores ópticos con salida analógica
57
Fig. 27. Partes de una onda sonora
60
Fig 28. Funcionamiento del sensor ultrasónico
61
Fig. 29. Haz sónico directo
62
Fig. 30. Potenciómetro
63
Fig. 31. Respuesta de un potenciómetro lineal
64
Fig. 32. Potenciómetro lineal
65
Fig. 33. Encoder incremental
67
Fig. 34. Discriminador de posición y sentido de giro
68
Fig. 35. Encoder absoluto
69
Fig. 36. Estructura interna de un encoder absoluto
70
Fig. 37. Principio de funcionamiento de un sincro
73
Fig. 38. Par de sincros transmisor y receptor (eje eléctrico)
74
Fig. 39. Esquema de un resolver
75
Fig. 40. Principio de funcionamiento de un inductosyn
76
Fig. 41. Interferómetro láser
78
Fig. 42. Sensor láser basado en el principio de triangulación óptica
78
Fig. 43. Diagrama de bloques de un sistema ultrasónico
80
Fig. 44. Transformador diferencial lineal
81
Fig. 45. Transformador diferencial rotativo
82
Fig. 46. Galga extensiométrica de hilo
83
Fig. 47. Pirómetro de radiación
100
Fig. 48. Estructura de un pirómetro óptico
102
Fig. 49. Rotor de jaula de ardilla
109
Fig. 50. Rotor devanado típico, para motor de inducción
109
Fig. 51. Curvas características típicas para diferentes diseños de rotores
110
Fig. 52. Motor de fase dividida
114
Fig. 53. Curva característica par – velocidad resultante
115
Fig. 54. Motor con capacitor de arranque
116
Fig. 55. Curva característica de un motor de inducción con arranque por capacitor
116
Fig. 56. Motor con capacitor de división permanente
117
x
Fig. 57. Curva característica de un motor de división permanente
118
Fig. 58. Motor de polo sombreado
118
Fig. 59. Curva Característica par – velocidad resultante
119
Fig. 60. Curva de respuesta de un motor de DC bobinado en derivación
120
Fig. 61. Curva de rendimiento de un motor DC bobinado en serie
121
Fig. 62. Curva de rendimiento de un motor de DC con bobinado compuesto
122
Fig. 63. Curva de rendimiento de un motor DC de imán permanente
122
Fig. 64. Motor paso a paso de reluctancia variable
124
Fig. 65. Motor paso a paso de imanes permanentes
125
Fig. 66. Cilindro de simple efecto
126
Fig. 67. Cilindro de doble efecto
127
Fig. 68. Despiece de motor neumático de aletas rotativas
131
Fig. 69. Sección de un motor neumático de pistón axial
133
Fig. 70. Sección de un pistón neumático de pistón radial
133
Fig. 71. Electroválvula de 3/2 vías con accionamiento manual (normalmente cerrada)
137
Fig. 72. Electroválvula pilotada de 3/2 vías (normalmente cerrada con acc. manual)
138
Fig. 73. Electroválvula de 5/2vías pilotada neumaticamente, y retorno por resorte
139
Fig. 74. Electroválvula de 4/2 vías pilotada
139
Fig. 75. Electroválvula hidráulica 4/3 vías, de doble solenoide
140
Fig. 76. Electroválvula neumática pilotada de 5/2 vías de doble bobina
141
Fig. 77. Interfaz de entradas analógicas
153
Fig. 78. Sistema de control de temperatura
198
Fig. 79. Panel frontal
200
Fig. 80 Diagrama de bloques
201
Fig. 81. Étapa de entrada general de una TAD
205
Fig. 82. Proceso bajo control PID
210
Fig. 83. Panel frontal
213
Fig. 84. Diagrama de bloques
213
Fig. 85a. Diagrama de conexión del linealizador
215
Fig. 85b. Diagrama de conexión del sensor de temperatura al bloque conector
215
Fig. 85c. Diagrama de conexiones en el controlador PID
216
xi
ÍNDICE DE TABLAS.
Página.
Tabla 1. Transductores de diversas magnitudes físicas
9
Tabla 2. Ventajas y desventajas de los accionadores eléctricos, neumáticos e
hidráulicos
15
Tabla 3. Características típicas de los accionadores
16
Tabla 4. Configuración de interruptores de final de carrera electromecánicos
21
Tabla 5. Ventajas y aplicaciones de los modos de detección fotoeléctrica
34
Tabla 6. Valores de reflectividad para diferentes objetos
41
Tabla 7. Comparación de cables de fibra óptica
47
Tabla 8. Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de salida digital
55
Tabla 9. Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y
fuerzas electromotrices (fem) correspondientes a distintos termopares
92
Tabla 10. Características de los sensores de temperatura
104
Tabla 11. Aplicaciones de los sensores de temperatura
105
Tabla 12. Aplicaciones y símbolos de electroválvulas neumáticas
142
Tabla 13. Aplicaciones y símbolos de electroválvulas hidráulicas
144
Tabla 14. Datos característicos de electroválvulas neumáticas 5/2 vías
145
Tabla 15. Datos característicos de una electroválvula hidráulica 4/3 vías
146
Tabla 16. Características de algunas interfaces de entradas analógicas Siemens
155
Tabla 17. Características de algunas interfaces de salidas analógicas OMRON
158
Tabla 18. Aplicaciones típicas de los sensores
160
Tabla 19. Comparación entre los diferentes proveedores de elementos sensores
167
Tabla 20. Lista de proveedores
174
Tabla 21. Comparación entre los diferentes proveedores
176
Tabla 22. Datos comparativos de proveedores de sensores LVDT
182
Tabla 23. Rango de temperatura de operación de los sensores de temperatura
184
Tabla 24. Proveedores de sensores de temperatura
186
Tabla 25. Aplicaciones más comunes de los accionadores
188
Tabla 26. Proveedores de los diferentes accionadores
193
xii
Tabla 27. Consideraciones generales sobre las TAD
204
Tabla 28. Listado de precios de los componentes involucrados para el
desarrollo de la aplicación práctica
217
xiii
OBJETIVOS.
El desarrollo del presente Trabajo de Graduación tiene como objetivo lo siguiente:
Objetivo General:
Desarrollar una investigación sobre aspectos físicos y operativos de sensores y
actuadores para mejorar la formación académica en El Salvador del estudiante de Ingeniería
Mecánica.
Objetivos específicos:
1. Identificar categorías de sensores y accionadores.
2. Analizar las principales categorías de sensores y accionadores.
3. Listar algunos de los proveedores de las principales categorías de sensores y
accionadores, con lo que se facilita la selección de este tipo de elementos.
4. Elaborar una guía de selección en forma breve y clara, con el fin que sirva de
ayuda a aquellos que estén involucrados en el área de la automatización industrial.
Los sensores y accionadores juegan un papel muy importante en la automatización de
procesos industriales. La selección, verificación y utilización eficaz de este tipo de elementos
depende del conocimiento que se posea acerca de su funcionamiento, clasificación,
características constructivas, etc; el cual se proporciona en el desarrollo del presente Trabajo
de Graduación.
xiv
ALCANCES
Los beneficios a obtener con la elaboración de este Trabajo de Graduación son:
Actualización del proceso de formación académica de los futuros ingenieros mecánicos en el
área de la automatización industrial.
Una guía para la selección de sensores y accionadores.
Posibilitar la asistencia de la Escuela de Ingeniería Mecánica al sector productivo salvadoreño
en problemas típicos relacionados con la automatización de procesos de fabricación.
Posibilitar la articulación de un
Universidad de El Salvador.
vínculo entre la empresa privada salvadoreña y la
xv
INTRODUCCIÓN.
Los procesos de fabricación industrial automatizados emplean una inmensa variedad de
sensores y accionadores que son controlados por un autómata programable, por un ordenador
o un microcontrolador.
Muchos de estos sensores y accionadores se describen en este trabajo.
Para facilitar el manejo de la información el contenido está dividido en varios apartados. Así,
los primeros temas están dedicados a las generalidades de la automatización industrial. Se dá
a conocer conceptos generales de lo que es la automatización industrial, de los sensores y
también de los accionadores.
Luego, en temas siguientes, se aborda lo que son los sensores de posición. Se describen tanto
los sensores de proximidad, medidores de posición ó distancia así como también los
medidores de pequeños desplazamientos o deformaciones.
Se proporciona información respecto a funcionamiento, características constructivas y demás
aspectos de interés de los diferentes tipos de elementos sensores, tales como: sensores
capacitivos, inductivos, ultrasónicos, sensores láser, sensores fotoeléctricos, interruptores de
final de carrera, potenciómetros, encoders, etc.
Los sensores de temperatura se describen en el apartado 6 de la memoria. En este apartado se
dá a conocer las diferentes clases de sensores de temperatura de uso industrial que son
utilizados en sistemas automatizados, indicando sus características más importantes para cada
tipo de sensor de temperatura.
En el capítulo destinado a los accionadores se describe en forma breve y clara las principales
características de los tres tipos de accionamientos más utilizados en la industria, como son los
accionamientos eléctricos, hidráulicos y neumáticos.
Es importante hacer notar que en la mayoría de los sensores, la señal producida debe ser
adecuada ó adaptada a los niveles de tensión que se manejan en el ordenador, autómata
xvi
programable o en el microcontrolador, para obtener el tipo de señal deseado. Para esto es
necesario el empleo de una interfaz especifica que se encargue de realizar dicha tarea. En el
apartado “Adaptación de la señal de los sensores” se describe los diferentes tipos de interfaces
que son utilizados para tal fin.
Los últimos temas están dedicados a establecer una metodología para la selección de sensores
y accionadores. Se incluyen diagramas de flujo y los pasos necesarios a seguir para una
correcta y eficaz selección de los diferentes sensores y accionadores discutidos en el contenido
de este proyecto.
También se incluyen tablas comparativas de diferentes proveedores, junto con su respectiva
dirección electrónica.
El proyecto finaliza con una aplicación práctica, que consiste en el control de la temperatura
de un horno, a través de un controlador PID, una tarjeta de adquisición de datos, un sensor de
temperatura, y utilizando un lenguaje de programación grafica para mostrar los datos de
temperatura obtenidos por medio de la tarjeta.
1
CAPÍTULO 1.
GENERALIDADES DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL.
En un contexto industrial se puede definir la automatización industrial como una tecnología
que está relacionada con el empleo de sistemas mecánicos, electrónicos y basados en
computadoras en la operación y control de la producción. Ejemplos de esta tecnología son:
líneas de transferencia, máquinas de montaje mecanizado, sistemas de control de
retroalimentación (aplicados a los procesos industriales), máquinas-herramienta con control
numérico y robots.
1.1 OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIÓN
Los objetivos a cumplir cuando un proceso industrial es automatizado son los siguientes:
9 Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la producción y
mejorando la calidad de la misma.
9 Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos penosos e
incrementando la seguridad.
9 Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.
9 Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades con la
calidad necesaria en el momento preciso.
9 Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes
conocimientos para la manipulación del proceso productivo.
9 Integrar la gestión y producción.
1.2 CLASIFICACIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN:
Hay tres clases amplias de automatización industrial:
9 Automatización fija,
9 Automatización programable y
9 Automatización flexible.
2
La automatización fija se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, y por tanto
es adecuada para diseñar equipos especializados para procesar el producto ( o un componente
de un producto ) con alto rendimiento y con elevadas tasas de producción.
Un buen ejemplo de la automatización fija puede encontrarse en la industria del automóvil, en
donde líneas de transferencia muy integradas constituida por varias decenas de estaciones de
trabajo se utilizan para operaciones de mecanizado en componentes de motores y
transmisiones. La economía de la automatización fija es tal que el coste de los equipos
especiales puede dividirse entre un gran número de unidades y los costes unitarios resultantes
son bajos en relación con los métodos de producción alternativos.
El riesgo encontrado con la automatización fija es que al ser el coste de inversión inicial
elevado, si el volumen de producción resulta ser más bajo que el previsto, los costes unitarios
se harán también más grandes que los considerados en las previsiones.
Otro problema
considerado con la automatización fija es que el equipo está espacialmente diseñado para
obtener el producto, y una vez que se haya acabado el ciclo de vida del producto es probable
que el equipo quede obsoleto. Para productos con cortos ciclos de vida el empleo de la
automatización fija representa un gran riesgo.
La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es
relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener. En este caso el equipo de
producción está diseñado para ser adaptable a variaciones en la configuración del producto.
Esta característica de adaptabilidad se realiza haciendo funcionar el equipo bajo el control de
un “programa“ de instrucciones que se preparó especialmente para el producto dado. El
programa se introduce por lectura en el equipo de producción y este último realiza la secuencia
particular de operaciones de procesamiento ( o montaje ) para obtener el producto. En
términos de economía, el coste del equipo programable puede repartirse entre un gran número
de productos, aún cuando sean diferentes.
3
Gracias a la característica de programación y a la adaptabilidad resultante del equipo, muchos
productos diferentes y únicos en su género pueden obtenerse económicamente en pequeños
lotes.
La relación de los dos primeros tipos de automatización, como una función de la variedad del
producto y del volumen de producción, se ilustra en la Fig. 1.
Fig. 1. Relación de la automatización fija, automatización programable y automatización flexible
como una función del volumen de producción y de la diversidad del producto.
Existe una tercera categoría entre automatización fija y automatización programable que se
denomina “automatización flexible”.
Otros términos utilizados para la automatización flexible incluyen los
“sistemas de
fabricación flexibles” y los “sistemas de fabricación integrados por computadora”.
El
concepto de automatización flexible sólo se desarrolló en la práctica en los últimos quince o
veinte años.
La experiencia adquirida hasta ahora con este tipo de automatización indica que es más
adecuado para el rango de producción de volumen medio, como es ilustrado en la Fig. 1. Tal
como se indica por su posición relativa con los otros dos tipos, los sistemas flexibles tienen
algunas de las características de la automatización fija y de la automatización programable.
4
Debe programarse para diferentes configuraciones de productos, pero la diversidad de las
configuraciones suele estar más limitada que para la automatización programable, lo que
permite que se produzca un cierto grado de integración en el sistema.
Los sistemas automatizados flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones de
trabajo que están interconectadas por un sistema de almacenamiento y manipulación de
materiales. Una computadora central se utiliza para controlar las diversas actividades que se
producen en el sistema, encaminando las diversas piezas a las estaciones adecuadas y
controlando las operaciones programadas en las diferentes estaciones.
Una de las características que distingue a la automatización programable de la automatización
flexible es que con la automatización programable los productos se obtienen en lotes. Cuando
se completa un lote, el equipo se reprograma para procesar el siguiente lote.
Con la automatización flexible, diferentes productos pueden obtenerse al mismo tiempo en el
mismo sistema de fabricación. Esta característica permite un nivel de versatilidad que no está
disponible en la automatización programable pura, como se definió anteriormente.
Esto
significa que pueden obtenerse productos en un sistema flexible en lotes si ello fuera deseable,
o varios estilos de productos diferentes pueden mezclarse en el sistema. La potencia de
cálculo de la computadora de control es lo que posibilita esta versatilidad.
1.3 GRADO DE AUTOMATIZACIÓN
Según la importancia de la automatización, se distinguen los siguientes grados:
9 Aplicaciones en pequeña escala, como mejorar el funcionamiento de una máquina.
9 Posibilidad de que un hombre trabaje con más de una máquina.
9 Controlar una serie de operaciones y una serie de magnitudes simultáneamente.
9 Realizar procesos totalmente continuos por medio de secuencias programadas.
9 Procesos automáticos en cadena cerrada con posibilidad de autocontrol y
autocorrección de desviaciones.
5
1.4 PRINCIPIOS DE LOS SISTEMAS AUTOMATIZADOS.
Un sistema automatizado ajusta sus operaciones en respuesta a cambios en las condiciones
externas en tres etapas: medición, evaluación y control.
Medición. Para que un sistema automatizado reaccione ante los cambios en su alrededor debe
estar apto para medir cambios físicos.
Por ejemplo, si la intensidad de la corriente eléctrica en alguna parte de una maquina cambia,
una medición debe ser llevada a cabo para determinar cuál ha sido este cambio. Estas medidas
realizadas suministran al sistema de ingreso de corriente eléctrica de la máquina la
información necesaria para poder realizar un control. Este mecanismo es denominado
Retroalimentación ( FEEDBACK ), ya que la información obtenida de las medidas es
retroalimentada al sistema de ingresos del sistema de la máquina para después realizar el
respectivo control.
Evaluación. La información obtenida gracias a la medición es evaluada para así poder
determinar si una acción debe ser llevada a cabo o no.
Control. El último paso de la automatización es la acción resultante de las operaciones de
medición y evaluación.
En muchos sistemas de automatización, estas operaciones pueden ser muy difíciles de
identificar.
Un sistema puede involucrar la interacción de más de una vuelta de control (CONTROL
LOOP), que es la manera en la que se le llama al proceso de obtener la información desde el
sistema de salida de una máquina y llevarla al sistema de ingreso de la misma. Pero como
conclusión, todos los sistemas automatizados incluyen estos tres pasos u operaciones.
1.5 PARTES PRINCIPALES DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO.
Un sistema automatizado consta de dos partes principales:
a) Parte de Mando
b) Parte Operativa
6
La Parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta
hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos
neumáticos (tecnología cableada). En un sistema de fabricación automatizado el autómata
programable esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los
constituyentes de sistema automatizado.
Tecnologías cableadas.
Con este tipo de tecnología, el automatismo se realiza
interconectando los distintos elementos que lo integran. Su funcionamiento es establecido por
los elementos que lo componen y por la forma de conectarlos.
Esta fue la primera solución que se utilizo para crear autómatas industriales, pero presenta
varios inconvenientes.
Los dispositivos que se utilizan en las tecnologías cableadas para la realización del
automatismo son:
9
Relés electromagnéticos.
9
Módulos lógicos neumáticos.
9
Tarjetas electrónicas.
Tecnologías programadas.
Los avances en el campo de los microprocesadores de los
últimos años han favorecido la generalización de las tecnologías programadas. En la
realización de automatismos.
Los equipos realizados para este fin son: los ordenadores y los autómatas programables.
El ordenador, como parte de mando de un automatismo presenta la ventaja de ser altamente
flexible a modificaciones de proceso. Pero, al mismo tiempo, y debido a su diseño no
específico para su entorno industrial, resulta un elemento frágil para trabajar en entornos de
líneas de producción.
Un autómata programable industrial es un elemento robusto diseñado especialmente para
trabajar en ambientes de talleres, con casi todos los elementos del ordenador.
7
La Parte Operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos
que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos que forman
la parte operativa son los accionadores de las máquinas como motores, cilindros, compresores
y los sensores como finales de carrera, ultrasónicos, sensores de temperatura, etc.
1.6 CONCEPTOS GENERALES DE LOS SENSORES.
Los
términos
“sensor”
y
“transductor”
se
suelen
aceptar
como
sinónimos.
Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física ( por ejemplo,
fuerza, presión, temperatura, velocidad, caudal, etc. ) en otro.
Una transformación común es la que se produce a la tensión eléctrica, y la razón por la que se
realiza esta conversión es porque es más fácil trabajar con la señal convertida.
Algunas definiciones par el término sensor o transductor son las siguientes:
“Un transductor es un dispositivo capaz de convertir el valor de una magnitud física en una
señal eléctrica codificada, ya sea en forma analógica o digital”.
“Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés”.
“ Un sensor es un dispositivo eléctrico y/o mecánico que convierte magnitudes físicas (como
pueden ser luz, calor, presión, movimiento, etc ) a valores medibles de dicha magnitud”.
1.6.1 ESTRUCTURA DE UN SENSOR O TRANSDUCTOR.
La estructura general que suelen tener este tipo de dispositivos es como la que se muestra en
la Fig. 2, en la cual se puede distinguir las siguientes partes:
Fig. 2. Estructura genérica de un transductor.
8
Elemento sensor o captador. Convierte las variaciones de una magnitud física en
variaciones de una magnitud eléctrica o magnética, que se denomina habitualmente señal.
Bloque de tratamiento de señal. Si existe, suele filtrar, amplificar, linealizar, y, en
general, modificar la señal obtenida en el captador, por regla general utilizando circuitos
electrónicos.
Etapa de salida. Esta étapa comprende los amplificadores, interruptores, conversores
de código, transmisores y, en general, todas aquellas partes que adaptan la señal a las
necesidades de la carga exterior.
1.6.2 CLASIFICACION DE LOS SENSORES.
Se puede dar varias clasificaciones de los transductores, atendiendo a diversos puntos de vista
que se exponen a continuación.
1.6.2.1 CLASIFICACIONES SEGÚN EL TIPO DE SEÑAL DE SALIDA.
Atendiendo a la forma de codificar la magnitud medida se puede establecer una clasificación
en:
Analógicos. Aquellos que dan como salida un valor de tensión o corriente variable en
forma continua dentro del campo de medida. Es frecuente para este tipo de transductores que
incluyan una étapa de salida para suministrar señales normalizadas de 0-10V ó 4-20mA.
Digitales. Son aquellos que dan como salida una señal codificada en forma de pulsos o
en forma de una palabra digital codificada en binario, BCD u otro sistema cualquiera.
Todo-nada. Indican únicamente cuando la variable detectada rebasa un cierto umbral o
límite.
Pueden considerarse como un estado como un caso límite de los sensores digitales en el que
se codifican sólo dos estados.
9
Otro criterio de clasificación, relacionado con la señal de salida, es el hecho de que el
captador propiamente dicho requiera o no una alimentación externa para su funcionamiento.
En el primer caso se denominan sensores pasivos y en el segundo caso, activos ó directos.
Los sensores pasivos se basan por lo general, en la modificación de la impedancia eléctrica o
magnética de un material bajo determinadas condiciones físicas o químicas (resistencia,
capacidad, inductancia, reluctancia, etc.).
Este tipo de sensores debidamente alimentados, provoca cambios de tensión o de corriente en
un circuito, los cuales son recogidos por el circuito de interfaz.
Los sensores activos son, en realidad, generadores eléctricos, generalmente de pequeña señal.
Por ello no necesitan alimentación exterior para funcionar, aunque sí suelen necesitarla para
amplificar la débil señal del captador.
1.6.2.2 CLASIFICACION SEGÚN LA MAGNITUD FISICA A DETECTAR.
En cuanto a la naturaleza de la magnitud física a detectar, existe una gran variedad de sensores
en la industria.
En la tabla 1 se presenta
un resumen de los más utilizados en los
automatismos industriales.
Tabla 1. Transductores de diversas magnitudes físicas.
Magnitud detectada
Posición lineal o angular
Pequeños
desplazamientos
deformaciones
Velocidad lineal o angular
Aceleración
Fuerza y par
Sensor
Características
Potenciómetro
Analógico
Encoders
Digital
Sincro y resolver
Analógicos
o Transformador diferencial
Analógico
Galga Extensiométrica
Analógico
Dinámo tacométrica
Analógico
Encoders
Digital
Detector inductivo u óptico
Digitales
Acelerómetro
Analógico
Sensor de velocidad +
Digital
calculador
Medición indirecta (galgas o
Analógicos
trafos diferenciales)
10
Tabla 1. Transductores de diversas magnitudes físicas.
Magnitud detectada
Presión
Caudal
Temperatura
Sensores de presencia o proximidad
Sensores táctiles.
Sistemas de visión artificial
Sensor
Características
Membrana + detector de
Analógicos
desplazamiento
Piezoeléctricos
Analógicos
De turbina
Analógicos
Magnético
Analógicos
Termopar
Analógicos
Termorresistencias
Analógicos
Pirómetros
Analógicos
Bimetálicos
Inductivos
Capacitivos
Ópticos
Ultrasónicos
Matriz de contactos
Matriz
capacitiva
piezoeléctrica u óptica
Piel artificial
Cámaras
de
video
y
tratamiento imagen
Cámaras CCD
Todo-nada
Todo-nada ó analógicos
Todo-nada
Todo-nada ó analógicos
Analógicos
Todo-nada
Todo-nada
Analógico
Procesamiento digital
por puntos o pixels
En general, los principios en los que suelen estar basados los elementos sensores son los
siguientes:
9 Cambios de resistividad.
9 Electromagnetismo ( inducción electromagnética )
9 Piezoelectricidad
9 Efecto fotovoltaico
9 Termoelectricidad.
1.6.3 CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS SENSORES
Un sensor ideal sería aquel en que la relación entre la magnitud de salida y la variable de
entrada fuese puramente proporcional y de respuesta instantánea e idéntica para todos los
elementos de un mismo tipo.
11
Sin embargo, la respuesta real de los transductores nunca es del todo lineal, tiene un campo
limitado de validez, suele estar afectada por perturbaciones del entorno exterior y tiene un
cierto retardo a la respuesta.
Todo ello hace que la relación salida / entrada deba expresarse por una curva, o mejor por una
familia de curvas, para transductores de un mismo tipo y modelo.
Para definir el comportamiento real de los transductores se suelen comparar éstos con un
modelo ideal de comportamiento o con un transductor “patrón” y se definen una serie de
características que ponen de manifiesto las desviaciones respecto a dicho modelo. Dichas
características pueden agruparse en dos grande bloques:
Características estáticas, que describen la actuación del sensor en régimen permanente
o con cambios muy lentos de la variable a medir.
Características dinámicas, que describen la actuación del sensor en régimen transitorio,
a base de dar su respuesta temporal ante determinados estímulos estándar o a base de
identificar el comportamiento del transductor con sistemas estándar e indicar constantes
de tiempo relevantes.
A continuación se dan las definiciones de las características estáticas y dinámicas más
relevantes que suelen aparecer en la mayoría de especificaciones técnicas de los sensores.
Debe tenerse en cuenta que todas las características suelen variar con las condiciones
ambientales. Por ello uno de los parámetros esenciales a comprobar al elegir un transductor es
el campo de validez de los parámetros que se indican como nominales del mismo y las
máximas desviaciones provocadas por dichas condiciones ambientales.
1.6.3.1 CARACTERISTICAS ESTÁTICAS.
Campo de medida. El campo de medida, es el rango de valores de la magnitud de entrada
comprendido entre el máximo y el mínimo detectables por un sensor, con una tolerancia de
error aceptable
12
Resolución. Indica la capacidad del sensor para discernir entre valores muy próximos de la
variable de entrada. Se mide por la mínima diferencia entre dos valores próximos que el
sensor es capaz de distinguir. Se puede indicar en términos de valor absoluto de la variable
física medida o en porcentaje respecto al fondo de escala de la salida.
Precisión. La precisión define la máxima desviación entre la salida real obtenida de un sensor
en determinadas condiciones de entorno y el valor teórico de dicha salida que correspondería,
en idénticas condiciones, según el modelo ideal especificado como patrón. Se suele indicar en
valor absoluto de la variable de entrada o en porcentaje sobre el fondo de escala de la salida.
La precisión de la medición debe ser tan alta como fuese posible.
Repetibilidad.
Característica que indica la máxima desviación entre valores de salida
obtenidos al medir varias veces un mismo valor de entrada, con el mismo sensor y en idénticas
condiciones ambientales.
Se suele expresar en porcentaje referido al fondo de escala y da una indicación del error
aleatorio del sensor.
Algunas veces se suministran datos de repetibilidad variando ciertas condiciones ambientales,
lo cual permite obtener las derivas ante dichos cambios.
Linealidad. Se dice que un transductor es lineal, si existe una constante de proporcionalidad
única que relaciona los incrementos de señal de salida con los correspondientes incrementos
de señal de entrada, en todo el campo de medida.
La no linealidad se mide por la máxima desviación entre la respuesta real y la característica
puramente lineal, referida al fondo de escala.
Sensibilidad. Característica que indica la mayor o menor variación de la salida por unidad de
la magnitud de entrada. Un sensor es tanto más sensible cuanto mayor sea una determinada
variación de entrada.
La sensibilidad se mide, pues, por la relación:
sensibilidad =
∆ magnitud de salida
∆ magnitud de entrada
(1)
13
Obsérvese que para transductores lineales esta relación es constante en todo el campo de
medida, mientras que en un transductor de respuesta no lineal depende del punto en que se
mida.
Ruido. Se entiende por ruido cualquier perturbación aleatoria del propio transductor o del
sistema de medida, que produce una desviación de la salida con respecto al valor teórico.
Histéresis.
Se dice que un transductor presenta histéresis cuando, a igualdad de la magnitud de entrada, la
salida depende de si dicha entrada se alcanzó con aumentos en sentido creciente o en sentido
decreciente. Se suele medir en términos de valor absoluto de la variable física o en porcentaje
sobre el fondo de escala. Obsérvese que la histéresis puede no ser constante en todo el campo
de medida.
En el caso de sensores todo-nada se denomina histéresis a la diferencia ente el valor de entrada
que provoca el basculamiento de 0 →1 y aquel que provoca el basculamiento inverso de 1→0
1.6.3.2 CARACTERISTICAS DINAMICAS.
Las características dinámicas más importantes se resumen a continuación:
Velocidad de respuesta. El sensor o transductor debe ser capaz de responder a los cambios de
la variable detectada en un tiempo mínimo. Lo ideal sería una respuesta instantánea.
La velocidad de respuesta mide la capacidad de un transductor para que la señal de salida siga
sin retraso las variaciones de la señal de entrada.
Los parámetros más relevantes empleados en la definición de la velocidad de respuesta son los
siguientes:
Tiempo de retardo. Es el tiempo transcurrido desde la aplicación del escalón de entrada
hasta que la salida alcanza el 10% de su valor permanente.
Tiempo de subida. Es el tiempo transcurrido desde que la salida alcanza el 10% de su
valor permanente hasta que llega por primera vez al 90% de dicho valor.
14
Tiempo de establecimiento al 99%
Es el tiempo transcurrido desde la aplicación de un escalón de entrada hasta que la
respuesta alcanza el régimen permanente, con una tolerancia de ±1%.
Constante de tiempo.
Para un transductor con respuesta de primer orden ( una sola constante de tiempo
dominante ) se puede determinar la constante de tiempo a base de medir el tiempo
empleado para que la salida alcance el 63% de su valor de régimen permanente, cuando
a la entrada se le aplica un cambio en escalón.
Respuesta frecuencial. Es la relación entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada
es una excitación senoidal. La respuesta frecuencial está muy relacionada con la velocidad de
respuesta.
Estabilidad y derivas. Características que indican la desviación del sensor al variar ciertos
parámetros exteriores distintos del que se pretende medir, tales como condiciones ambientales,
alimentación, u otras perturbaciones.
1.7 ACCIONADORES.
En general los accionadores son los encargados de transformar una señal de control o la salida
de un microprocesador, microcontrolador ó autómata programable en acciones controladas de
una máquina o dispositivo.
Los accionadores se pueden clasificar en función del tipo de energía que emplean para
producir el movimiento: eléctrica, neumática o hidráulica.
El empleo de un tipo de accionador u otro viene fundamentalmente impuesto por las
características propias de ellos. Por ejemplo, en un entorno de trabajo con gases explosivos no
resultaran adecuados accionadores de tipo eléctrico. Por otro lado, si requiere un entorno de
trabajo limpio, los de tipo neumático resultaran mas adecuados que los de tipo hidráulico. Sin
embargo, los eléctricos proporcionan mayor precisión que los hidráulicos y éstos a su vez que
15
los neumáticos; pero por el contrario, estos últimos son capaces de ofrecer más potencia que
los primeros.
En la tabla 2 se muestra un resumen de las principales ventajas y desventajas de los
accionadores de tipo eléctrico, neumático e hidráulico.
Se deduce por tanto, que el uso de un tipo de accionador u otro dependerá de las condiciones
de trabajo deseadas, aunque como regla general, los más empleados son los de tipo eléctrico.
Tabla 2. Ventajas y desventajas de los accionadores eléctricos, neumáticos e hidráulicos .
Tipo de
accionador
Eléctrico
Ventajas
Desventajas
Altas velocidades implican bajo par,
necesidad de engranajes o transmisiones.
Rápidos y precisos
El juego de los engranajes limita la precisión.
Posibilidad de aplicar variadas No resultan adecuados en atmósferas
inflamables.
técnicas de control del movimiento.
Más económicos.
Sobrecalentamiento en condiciones de
Tamaño reducido y tiempos de trabajo en parada.
respuesta rápidos.
Necesidad de frenos para bloquear el
sistema.
Coste alto en motores grandes.
Neumáticos
Más económicos.
Alta velocidad.
No contaminan el área de trabajo con
otros fluidos.
No necesita línea de retorno la
instalación.
Fuente de energía usual en entornos
industriales.
Hidráulicos
Relación potencia – peso muy buena.
Muy buen servocontrol.
Auto lubricación y autorrefrigerado.
Trabajo en paradas sin problemas.
Respuesta rápida.
Operación suave a bajas velocidades.
Adecuado en atmósferas inflamables.
Compresibilidad del aire limita el control y la
presión
Mala precisión al actuar con cargas.
Necesidad de instalación adicional.
Instalación hidráulica costosa.
Necesidad de mantenimiento y fugas de
aceite.
Necesidad de retorno en la instalación.
Problemas de miniaturización.
16
1.7.1 COMPARACIÓN DE LOS TRES TIPOS DE ACCIONADORES.
Para una mejor comprensión del tema de los actuadores en la tabla 3 se presentan las
características típicas de cada uno de ellos.
Tabla 3. Características típicas de los accionadores.
Parámetro
Electricidad
Hidráulica
Neumática
Aparte de la pérdida de
energía,
no
tiene
desventajas.
Contaminación
Fugas
Influencias del
entorno
Peligro de explosión de Sensible a las oscilaciones de la No produce explosiones.
determinados
entornos; temperatura; peligro de incendio Insensible
a
las
relativamente sensible a la en caso de fugas.
temperaturas.
temperatura.
Acumulación de
energía
Difícil y solo en cantidades Dentro de ciertos
reducidas mediante baterías recurriendo a gases.
Transporte de
energía
límites, Fácil.
Sin límites, aunque con Hasta 100m con velocidad del Hasta 1000m con velocidad
pérdidas de energía.
caudal de 2 a 6 m/s, velocidad del caudal de 20 a 40 m/s,
de señal hasta 1000m/s.
velocidad de señal de 20 a
40m/s.
v = 0.5 m/s
Velocidad de
trabajo
Difícil y costoso
Sencillo con cilindros
Fuerzas pequeñas
Fácil regulación de la velocidad
Movimiento lineal
Complicada regulación de Fuerzas muy grandes
las velocidades.
Movimiento
rotativo
Sencillo
y
rendimiento
de
gran Sencillo
Par de giro elevado
Revoluciones bajas.
v = 1.5 m/s.
Sencillo con cilindros
Fuerzas limitadas
Velocidades
muy
dependientes de las cargas.
Sencillo
Bajo rendimiento
Revoluciones elevadas.
Exactitud de
posicionamiento
Exactitudes hasta de ±1µm Dependiendo
del
sistema Sin cambios de cargas,
faciles de alcanzar.
pueden alcanzarse precisiones exactitud factible hasta
de hasta ±1µm.
1/10mm.
Estabilidad
Muy buena si se utilizan Buena, puesto que el aceite Baja, debido a que el aire es
conexiones mecánicas
prácticamente no se comprime. compresible.
Fuerzas
No resiste sobrecargas.
Bajo rendimiento por los
componentes mecánicos.
Pueden obtenerse fuerzas
considerables.
Resistente a sobrecargas
Si el sistema tiene presiones
elevadas hasta 600bar, es
factible generar fuerzas muy
grandes de hasta 3000KN.
Resistente a sobrecargas.
Limitación de las fuerzas por
la presión del aire y el
diámetro de los cilindros,
F<30kN a 600KPa.
17
CAPÍTULO 2.
SENSORES DE POSICIÓN.
Los sensores ó transductores de posición permiten medir la distancia de un objeto respecto a
un punto ó eje de referencia ó simplemente detectar la presencia de un objeto a una cierta
distancia.
Precisamente, su capacidad de medida ó sólo indicación de presencia
y la
capacidad de medir distancias más ó menos grandes permite establecer una división en los
grupos que se citan a continuación:
Detectores de presencia ó proximidad. Se trata de sensores de posición todo ó nada que
entregan una señal binaria que informa de la existencia o no de un objeto ante el detector. El
más elemental de estos sensores es quizás el conocido interruptor final de carrera por contacto
mecánico.
Medidores de distancia ó posición. Entregan una señal analógica o digital que permite
determinar la posición lineal ó angular respecto a un punto ó eje de referencia.
Transductores de pequeñas deformaciones.
Se trata de sensores de posición
especialmente diseñados para detectar pequeñas deformaciones o movimientos. Muchas veces
se emplean adosados a piezas elásticas o con palpadores como transductores indirectos de
fuerza o de par.
2.1 DETECTORES DE PROXIMIDAD.
Los sensores de proximidad son dispositivos que indican cuando un objeto está próximo a
otro. Cuán próximo debe estar el objeto para poder activar el sensor dependerá del dispositivo
particular.
Por lo general se trata de sensores todo o nada, con una cierta histéresis en la distancia de
detección y con salida a base de interruptor estático (transistor, tiristor, o triac), pudiendo
actuar como interruptor de DC (corriente continua) o de AC (corriente alterna).
18
Pero, algunos de ellos pueden llegar a dar una salida analógica proporcional a la distancia; en
tal caso se estudian como verdaderos medidores de posición.
2.1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD.
Atendiendo al tipo de alimentación ( DC ó CA ), al tipo de salida y a la forma de conexión y
al tipo de captador empleado, se puede clasificar los detectores de proximidad en diferentes
grupos.
2.1.1.1 CLASIFICACION SEGÚN EL TIPO DE SALIDA.
Atendiendo al tipo de salida que presente el sensor, estos se pueden clasificar en:
Detectores todo-nada de AC.
Se trata de detectores cuya salida es un interruptor
estático de AC a base de tiristores ó triacs. Por lo general, no pueden utilizarse más que para
AC, ya que para DC una vez cebados no desenganchan.
Detectores todo-nada de DC. Se trata de detectores cuya salida suele ser un transistor
PNP o NPN. Precisamente el tipo de transistor determina la forma de conexión de la carga.
Detectores Namur. Son detectores de tipo inductivo, previstos para funcionamiento en
atmósferas explosivas. Son detectores de dos hilos que absorben una intensidad alta o baja,
dependiendo de la presencia o no del objeto detectado. La actuación puede considerarse todo
o nada con una histéresis, igual que los tipos mencionados anteriormente.
En general se usan como captador en atmósferas explosivas y la señal que generan se conecta
a un amplificador externo con relé de salida.
Detectores con salida analógica. Los detectores con salida analógica dan una corriente
proporcional a la distancia entre el cabezal detector y el objeto a detectar. La conexión suele
ser a dos hilos y permite detectar un rango de distancias limitado.
Los de tipo inductivo y capacitivo tienen una linealidad y una resolución bastante pobres, que
hace que no puedan emplearse como verdaderos medidores de distancia. Únicamente los de
tipo óptico y ultrasónico pueden detectar distancias considerables con una resolución
aceptable.
19
2.1.1.2 CLASIFICACION SEGÚN EL TIPO DE CONEXIÓN.
Atendiendo al tipo de conexión, (Fig. 3), los sensores de proximidad se pueden clasificar en:
Conexión a dos hilos. El sensor se conecta en serie
con la carga, como si se tratara de un interruptor
electromecánico. Esta conexión es habitual para los
detectores de CA.
Los sensores NAMUR siguen
también una conexión de dos hilos.
Conexión a tres hilos.
Esta es la más
frecuente para los detectores de DC con salida por
transistor. Se tiene un hilo común para alimentación
y carga y los otros dos son diferenciados uno para la
alimentación y otro para la carga. El hilo común
debe conectarse al terminal negativo
de la
alimentación para transistores PNP y al terminal
pasitivo para los de tipo NPN.
Fig. 3. Formas de conexión de
sensores de proximidad
Conexión a cuatro ó cinco hilos. Se suelen
emplear para detectores de DC. Emplean dos hilos para la alimentación, y otros dos (o tres, en
montaje conmutado) corresponden al contacto de salida para control de la carga.
2.1.1.3 CLASIFICACION SEGÚN EL TIPO DE CAPTADOR.
Los detectores de proximidad pueden estar basados en distintos tipos de captadores, siendo los
más frecuentes los siguientes:
9 Interruptores de final de carrera electromecánicos.
9 Sensores inductivos.
9 Sensores capacitivos.
9 Sensores ópticos.
9 Sensores ultrasónicos.
20
2.1.2 INTERRUPTORES DE FINAL DE CARRERA ELECTROMECÁNICOS.
La línea de interruptores de final de carrera incluye muchos tipos de interruptores para uso en
una amplia variedad de aplicaciones. Hay muchas configuraciones diferentes de contactos
disponibles.
Hay mecanismos de operación de contactos de acción lenta e instantánea disponibles. Los
interruptores de final de carrera de acción instantánea están diseñados para proporcionar
acción instantánea a través de fuerza una vez que el mecanismo ha recorrido la distancia
requerida.
2.1.2.1 FUNCIONAMIENTO Y CONFIGURACIÓN.
El funcionamiento de este dispositivo es muy sencillo; funciona en forma de ataque, es decir
que es accionado mecánicamente por otro dispositivo que se mueve a determinada velocidad y
en determinado momento choca contra la palanca del interruptor. Esto hace que internamente
cambie su conexión y dé una señal de salida (cambio de estado activado / desactivado).
La configuración de algunos de estos dispositivos de uso general y que se encuentran en la
mayoría de procesos industriales se presenta en la tabla 4:
Una de las aplicaciones de mayor frecuencia es en las instalaciones neumáticas, donde este
dispositivo se utiliza para controlar la posición final del vástago de un determinado cilindro.
FESTO ha desarrollado interruptores de fin de carrera eléctricos, que son capaces de
proporcionar señal solamente durante un periodo de tiempo muy corto con lo cual se logra
evitar interferencia de señales, cuando se trabaja con más de un cilindro.
Estos interruptores son del tipo escamoteable y con retroceso en vacío,
Básicamente dos son los tipos de interruptores que existen en el mercado, a saber:
interruptores de tipo palanca y de tipo pulsador.
21
Tabla 4. Configuración de interruptores de final de carrera electromecánicos.
Configuración
Operación
Operación hacia la derecha solamente.
Palanca al lado derecho según ilustración.
La palanca se puede ajustar hasta 360º.
Los contactos pueden operar en ambas direcciones de la palanca de rodillo.
Una variante de este dispositivo es que se puede construir con la palanca de
rodillo más larga para usar donde se necesita más espacio entre el interruptor
de final de carrera y su dispositivo de operación.
La operación de los contactos se obtiene sólo en la dirección mostrada.
La palanca se puede mover en la dirección opuesta, pero los contactos no son
accionados. La operación también se puede realizar a la izquierda.
Interruptores de tipo palanca. Estos interruptores se operan por medio de una palanca
anclada a un eje que se extiende desde la cabeza de operación. Estos dispositivos pueden
convertirse fácilmente en el campo en giro a derechas, a izquierdas o a ambas direcciones de
operación sin necesidad de desmontar los componentes.
Los interruptores tipo palanca pueden equiparse con una gran variedad de palancas de
operación: palanca con rodillo, palanca con rodillo ajustable, palanca giratoria, palanca
giratoria unidireccional o palanca con rodillo, etc. (Ver Fig. 4).
Interruptores tipo pulsador. Estos interruptores se operan por medio de un rodillo o vástago
localizado en la parte superior o lateral de la unidad de operación. La presión del vástago hacia
la cabeza provoca la operación de los contactos. Los interruptores de tipo pulsador se
suministran en construcción de retorno por muelle.
22
2.1.2.2 APLICACIONES.
Dentro de las aplicaciones más comunes se pueden mencionar:
9 Manipulación de materiales.
9 Ascensores y escaleras mecánicas
9 Elevadores de tijera o plataforma
9 Industria alimenticia
9 Industria Manufactura
9 Máquinas para industrias ligeras
9 Instalaciones y máquinas agrícolas
9 Robótica.
9 Instalaciones de tratamiento o de transformación de materiales
9 Líneas de transporte
9 Máquinas herramientas, mecanizado, troqueladoras, máquinas transfer.
23
Fig. 4. Tipos de palanca de operación. Tipo rodillo (izq.) y tipo vástago (derecha).
24
2.1.3 DETECTORES INDUCTIVOS.
Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo
magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en
él los objetos de detección férricos y no férricos.
Los sensores específicos de materiales férricos no detectaran hojalata (zinc + cobre), aluminio
o cobre, mientras que los sensores específicos de materiales no férricos no detectarán acero ni
aleaciones férricas inoxidables.
El sensor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un sensor del nivel de
disparo de la señal y un circuito de salida (Fig. 5). Al introducir un objeto metálico en el
campo, se inducen corrientes de histéresis en el objeto. Debido a ello hay una pérdida de
energía y una menor amplitud de oscilación. El circuito sensor reconoce entonces un cambio
específico de amplitud y genera una señal que conmuta la salida de estado sólido a la posición
“ON” (Encendido) y “OFF” (Apagado).
Fig. 5. Estructura del sensor inductivo.
A nivel de bloques están formados por un circuito oscilador L-C con alta frecuencia de
resonancia. La bobina esta construida sobre un núcleo de ferrita abierto en forma de “potcore” (ver detalle en Fig. 6) de forma que el flujo se cierra en la parte frontal a través de la
zona sensible. La presencia de metal dentro de la zona sensible altera la reluctancia del
circuito magnético, atenúa el circuito oscilante y hace variar la amplitud de oscilación. La
detección de dicha amplitud permite obtener una señal de salida todo-nada.
25
Fig. 6. Diagrama de bloques y detalle del núcleo captador de los sensores de proximidad
inductivos.
La variación de amplitud de la oscilación, provocada por la presencia de metal frente al
cabezal detector, puede utilizarse para obtener una señal analógica de posición. El detector de
proximidad da entonces una señal que es proporcional a la distancia. Sin embargo, la medida
es muy imprecisa, depende mucho del tipo de metal y de las condiciones ambientales.
El campo de aplicación de los detectores inductivos se encuentra en líneas de transporte de
objetos metálicos, en maquinas rectificadoras, plantas de tratamiento térmico (recubrimientos),
etc. Su principal aplicación es como interruptores final de carrera con algunas ventajas a los
electromecánicos, tales como:
ausencia de contacto con el objeto a detectar, robustez
mecánica, resistencia a ambientes agresivos y altas temperaturas y bajo precio.
Los sensores inductivos se pueden conectar tanto en serie como en paralelo, todo depende de
la aplicación en la que se use; es decir de la carga a la que se sometan.
26
Existen en el mercado dos tipos de sensores, y éstos son:
Forma cilíndrica roscada con diámetros normalizados de M8, M12, M18 y M30.
Existen, además, otros tipos sin rosca con tamaños de diámetro de 4 y 5 mm.
A su vez, todos ellos pueden ser de tipo enrasable o no enrasable, dependiendo de si se puede
o no enrasar el cabezal detector en metal.
Forma rectangular. Generalmente son utilizados para distancias grandes.
2.1.3.1 FRECUENCIA DE CONMUTACIÓN
La frecuencia de conmutación es la velocidad máxima a la que el sensor es capaz de entregar
pulsos discretos individuales según el objeto entra y sale del campo de detección. Este valor
depende siempre del tamaño del objeto, de la distancia de éste a la cara de detección, de su
velocidad y del tipo de interruptor. Este valor indica el máximo número de operaciones de
conmutación por segundo.
2.1.4 DETECTORES CAPACITIVOS.
Los sensores de proximidad capacitivos trabajan generando un campo electrostático y
detectando cambios en dicho campo a causa de un objeto que se aproxima a la superficie de
detección. Los elementos de trabajo del sensor son, a saber, una sonda capacitiva de detección,
un oscilador, un rectificador de señal, un circuito de filtraje y el correspondiente circuito de
salida, Fig. 7.
Fig. 7. Estructura del sensor capacitivo.
En ausencia de objetos, el oscilador se encuentra inactivo. Cuando se aproxima un objeto, éste
aumenta la capacitancia de la sonda de detección.
27
Al superar la capacitancia un umbral predeterminado activa el oscilador, el cual dispara el
circuito de salida para que cambie entre “on” (encendido) y “off” (apagado).
La capacitancia de la sonda de detección viene condicionada por el tamaño del objeto a
detectar, por la constante dieléctrica y por la distancia de éste al sensor. A mayor tamaño y
mayor constante dieléctrica de un objeto, mayor incremento de capacitancia. A menor
distancia entre objeto y sensor, mayor incremento de capacitancia de la sonda por parte del
objeto.
El principio de funcionamiento y las características son análogas a las descritas para los
detectores inductivos, pero en este caso el elemento sensible es el condensador del circuito
oscilante, formado por dos aros metálicos concéntricos situados en la cara sensible, y cuyo
dieléctrico es el material de la zona sensible.
Este tipo de sensores permiten detectar materiales metálicos o no, pero su sensibilidad se ve
muy afectada por el tipo de material y por el grado de humedad ambiental y del cuerpo a
detectar. Por ello se utilizan exclusivamente como detectores todo-nada, con una repetibilidad
bastante dependiente de las condiciones ambientales.
Para atenuar el problema de dependencia de la sensibilidad con el tipo de material, se suelen
construir con un ajuste de sensibilidad que permite utilizarlos para la detección de algunos
materiales entre otros ( por ejemplo, aluminio entre cobre o latón ). Las aplicaciones típicas
son, sin embargo, la detección de materiales no metálicos como vidrio, cerámica, plástico,
madera, aceite, agua, cartón, papel, detección de nivel de líquidos y materiales a granel, etc.
En cuanto a las formas de ejecución mecánica, tipos de alimentación y formas de conexión son
idénticas a las de los detectores inductivos.
28
2.1.5 DETECTORES ÓPTICOS (FOTOELÉCTRICOS).
Los sensores fotoeléctricos se utilizan en muchas industrias y aplicaciones para lograr una
exacta detección de objetos sin necesidad de contacto físico, además de esto en general son
insensibles a las atmósferas agresivas y no existe desgaste mecánico.
En su forma más básica un sensor fotoeléctrico puede considerarse como un “sensor de fin de
carrera”, donde el actuador mecánico ó palanca de operación, ha sido reemplazada por un haz
de luz.
Los sensores fotoeléctricos trabajan detectando el cambio en la cantidad de luz que, o bien es
reflejada, o bien interrumpida por el objeto a detectar. El cambio en el haz de luz puede ser el
resultado de la presencia o ausencia del objeto a detectar, o el resultado de un cambio en el
tamaño, perfil, receptividad o color de dicha objeto.
Se puede utilizar un sensor fotoeléctrico para aplicaciones que detecten objetos a distancias
inferiores a 5 mm (0.2 pulgadas) hasta 250 m (820 pies).
Para la detección eficaz utilizando un sensor fotoeléctrico es necesario que el objeto a detectar
provoque un cambio suficiente en el nivel de luz percibido por el sensor y que el usuario posea
un conocimiento claro de los requisitos de detección. Han de tenerse claros los siguientes
puntos: Los requisitos de detección, entorno de detección, y las capacidades y limitaciones del
sensor fotoeléctrico.
Las características particulares de los detectores de proximidad ópticos, respecto a otros
detectores de proximidad son:
-Elevada inmunidad a perturbaciones electromagnéticas externas.
-Distancias de detección grandes respecto a los inductivos o capacitivos.
-Alta velocidad de respuesta y frecuencia de conmutación.
-Permiten la identificación de colores.
-Capaces de detectar objetos del tamaño de décimas de milímetro.
29
Existe un gran número de sensores fotoeléctricos para elegir. Cada uno de ellos ofrece una
combinación única de características de detección, salida y opciones de montaje.
2.1.5.1 CONCEPTOS Y COMPONENTES BÁSICOS.
Un sensor fotoeléctrico tiene cuatro componentes básicos:
9 Fuente de luz
9 Sensor de luz
9 Lentes
9 Dispositivo de conmutación de salida
Fuente de luz. Un diodo emisor de luz (LED) es un semiconductor de estado sólido que
emite luz cuando se aplica corriente. La Fig. 8 muestra la estructura de un indicador LED. Los
LEDs se construyen para emitir longitudes de onda específicas o colores de la luz. Como
fuente de luz se utilizan LEDs que emiten radiación infrarroja, roja visible, verde y azul en la
mayoría de sensores fotoeléctricos.
El diferente color de los LEDs ofrece distintas características deseables. Los LEDs infrarrojos
son los más eficaces, pues son los que más porcentaje de luz emiten y los que menos calor
disipan comparados con los de los tipos visibles. Los LEDs infrarrojos se utilizan donde hace
falta la máxima emisión de luz en un margen de sensibilidad extendido.
En muchas aplicaciones es deseable un haz de luz visible
como ayuda en el ajuste o como confirmación de la
operación del sensor. El tipo rojo visible es el más eficaz en
el cumplimiento de estos requisitos.
Los LEDs de espectro visible rojo, azul y amarillo también
se utilizan en aplicaciones especiales donde han de
Fig. 8. LED diodo emisor de
luz
detectarse colores específicos o contrastes de color
determinados.
30
Los indicadores LED son componentes resistentes y confiables, lo cual los hace ideales para
uso en sensores fotoeléctricos. Son capaces de trabajar en un amplio margen de temperatura y
son muy resistentes a los impactos y vibraciones.
Detección de luz. Un fotosensor es el componente usado
para detectar la fuente de luz. El fotodiodo o fototransistor es
un componente robusto de estado sólido que proporciona un
cambio en la corriente conducida dependiendo de la cantidad
de luz detectada.
Los fotosensores son más sensibles a la emisión lumínica de ciertas longitudes de onda. La
respuesta espectral de un fotosensor determina su sensibilidad a las diferentes longitudes de
onda del espectro lumínico. Para mejorar la eficacia en la detección, es frecuente que el LED y
el fotosensor hayan de acoplarse espectralmente. En la Fig. 9 se muestra un ejemplo.
El receptor es el fotosensor y el circuito asociado.
Lentes. Los LEDs emiten luz y los fotosensores son sensibles a la luz en un amplio campo de
visión. Para restringir este campo se utilizan lentes acopladas a los LEDs y a los fotosensores.
Al reducir el ángulo de visión se incrementa el rango del LED o del fotosensor.
Como resultado, las lentes también aumentan la distancia de detección de los sensores
fotoeléctricos (Fig. 10).
El haz de luz que emerge de una
combinación de LED y lente es de una conicidad
característica. El área del cono se incrementa con la distancia. Algunos sensores fotoeléctricos
se optimizan para lograr una distancia de detección extra. El haz de luz (o campo de visión)
emitido por estos sensores es sensiblemente estrecho. En cualquier caso la operación de
alineamiento puede llegar a ser dificultosa si el campo de visión es demasiado estrecho.
Otros sensores fotoeléctricos se han diseñado para la detección de objetos en un área amplia.
Estos sensores poseen un campo de visión más amplio pero un rango global más reducido.
31
Fig. 10. Lentes.
Dispositivo de salida. Una vez detectado el cambio de luz suficiente, el sensor fotoeléctrico
selecciona un dispositivo de salida relacionado a la lógica de la maquinaria.
Se dispone de varios tipos de salidas discretas y variables (analógicas) cada una de ellas con
sus potencias y limitaciones características.
2.1.5.2 MARGEN.
El margen (margen de operación, exceso de ganancia) es un concepto importante que se debe
entender para usar sensores fotoeléctricos. El tiempo de mantenimiento necesario para una
aplicación a base de sensores fotoeléctricos puede minimizarse consiguiendo los mejores
niveles posibles de margen para dicha aplicación.
El margen es una medida de la cantidad de luz de la fuente de luz detectada por el receptor.
El concepto de margen se define como la relación entre la cantidad de luz detectada y la
cantidad mínima necesaria para cambiar de estado el dispositivo de salida. Y generalmente se
expresa como una relación o como un número entero seguido por “X”. Un margen de 6 puede
expresarse como 6:1 ó como 6X.
32
El concepto de margen se puede explicar mejor por medio de un ejemplo:
9 Un margen de cero ocurre cuando el sensor de luz no puede detectar nada de la
luz emitida por la fuente de luz.
9 El margen de uno se obtiene cuando se detecta la cantidad de luz suficiente para
cambiar de estado el dispositivo de salida (del estado CONECTADO al de
DESCONECTADO, o viceversa).
9 Se dice que existe un margen de 20 cuando se detecta una cantidad de luz 20 veces
mayor que la mínima requerida para cambiar de estado el dispositivo de salida.
2.1.5.3 MODULACIÓN DEL LED.
La cantidad de luz generada por el indicador LED en la fuente de luz es determinada por la
cantidad de corriente que éste conduce. Para incrementar el rango de un sensor fotoeléctrico,
la cantidad de corriente ha de aumentarse. Sin embargo, los indicadores LED también generan
calor -existe un límite máximo de calor que se puede generar, que si se excede, causará daño o
destruirá el indicador LED.
Los sensores fotoeléctricos cambian rápidamente de estado o modulan la corriente que
atraviesa al LED. Un ciclo de servicio ligero (generalmente menos del 5 %) permite que la
cantidad de corriente, y por lo tanto la cantidad de luz emitida, exceda en gran medida lo
permitido bajo una operación continua, vea la Fig. 11.
Fig. 11. Modulación.
La relación de modulación o frecuencia es, a menudo, superior a 5 KHz, mucho más rápida
que la detectable por el ojo.
33
2.1.5.4 DETECCIÓN SÍNCRONA
El receptor está diseñado para detectar una fuente de luz pulsante de una fuente de luz
modulada. Para optimizar más aun la confiabilidad de detección, el receptor y la fuente de luz
están sincronizados. El receptor está a la mira de los pulsos de luz que son idénticos a los
pulsos generados por la fuente de luz.
La detección síncrona ayuda al sensor fotoeléctrico a ignorar los pulsos de luz de otros
sensores fotoeléctricos ubicados en las proximidades, o de otras fuentes de luz pulsante tal
como luces fluorescentes.
La detección síncrona sólo es posible cuando la fuente de luz y el receptor están en el mismo
envolvente, lo cual es cierto para todos los modos de detección, excepto el haz transmitido.
2.1.5.5 MODOS DE DETECCIÓN FOTOELÉCTRICA
Los diferentes métodos de detección reciben el nombre de modos de detección. Hay tres tipos
básicos:
1. Haz transmitido (algunas veces llamado a través del haz)
2. Retrorreflectivo (algunas veces llamado reflejo)
3. Difuso (llamado también de proximidad)
Mientras que muchas aplicaciones se pueden resolver por cualquiera de estos métodos de
detección, cada una de ellas tienen sus pro y sus contra a considerar. Estos pro y contra se
resumen en la tabla 5.
34
Tabla 5. Ventajas y aplicaciones de los modos de detección fotoeléctrica.
Modo de detección
Aplicaciones
Ventajas
Consideraciones
Detección de uso general
9 Alto margen para ambientes
contaminados.
9 Detección a gran distancia.
9 No es afectado por reflejos de
segunda superficie.
9 Probablemente más confiable cuando
se tiene objetos altamente reflectivos.
9 Más costoso porque se requiere fuente de
luz y receptor separados, cableado más
costoso.
9 El alineamiento es importante.
9 Evite detectar objetos de material
transparente.
Retrorreflectivo
Detección de uso general.
• Detección a distancias moderadas.
• Menos costoso que el haz transmitido
porque el cableado es más simple.
• Facilidad de alineamiento.
• Detección a menor distancia que el haz
transmitido.
• Menor margen que el haz transmitido.
• Puede detectar reflejos de objetos brillantes
(en este caso se usa despolarizado).
Polarizado
retrorreflectivo.
Detección de uso general de objetos
brillantes.
9 Ignora los reflejos de la primera
superficie.
9 Usa haz rojo visible para facilitar el
alineamiento.
9 Menor distancia de detección que el
retrorreflectivo normal.
9 Puede ver reflejos de segunda superficie.
Difuso normal.
Aplicaciones en donde no se puede acceder
a ambos lados del objeto.
• No se requiere acceso a ambos lados
del objeto
• No se requiere reflector.
• Facilidad de alineamiento.
• Puede ser difícil de aplicar si el fondo detrás
del objeto es suficientemente reflectivo y
está cerca al objeto.
Detección de corto rango de objetos con la
necesidad de ignorar los fondos que están
cerca del objeto.
9 No se requiere acceso a ambos lados
del objeto.
9 Proporciona cierta protección contra
la detección de fondos cercanos.
9 Detecta objetos independientemente
del color dentro de la distancia
especificada.
9 Útil solo para detección de distancia muy
corta.
9 No se usa con fondos cercanos al objeto.
Haz transmitido
Difusa de corte
abrupto.
35
Tabla 5. Ventajas y aplicaciones de los modos de detección fotoeléctrica.
Modo de detección
Consideraciones
Aplicaciones
Ventajas
Supresión del fondo
difuso.
Detección de uso general.
Áreas donde se necesita ignorar los fondos
que están cerca del objeto.
• No es necesario el acceso a ambos lados del objeto.
• Ignora los fondos por encima de la distancia nominal
de detección independientemente de su reflectividad.
• Detecta objetos independientemente del color a una
distancia especificada.
• Más costoso que otros tipos
de sensores difusos.
• Distancia de detección
máxima limitada.
Difusa de foco fijo
Detección de pequeños objetos.
Detecta objetos a una distancia específica
del sensor.
Detección de marcas de color.
9 Detección precisa de objetos pequeños en una
ubicación específica.
9 Detección a distancia muy
corta.
9 Inadecuado para detección
de uso general.
9 El objeto debe estar en una
posición precisa.
Difusa gran angular.
Detección de objetos que no están en una
posición precisa.
Detección de fibras muy finas en un área
extensa.
• Efectivo para ignorar reflejos del fondo.
• Detección de objetos que no están en una posición
precisa.
• No se requiere reflector.
• Detección a distancia corta.
Permite la detección fotoeléctrica en áreas
donde no se puede instalar un sensor
debido a consideraciones de tamaño ó
ambientales.
9 Cables disponibles para aplicaciones de temperatura
ambiental elevada.
9 Resistente al choque y a la vibración.
9 Se pueden usar cables de fibra óptica en áreas donde
se requiere movimiento continuo.
9 Inserción en espacio limitado.
9 Inmunidad al ruido.
9 Es factible en áreas corrosivas.
9 Más costoso que los sensores
con lente.
9 Detección a distancia corta.
Fibras ópticas.
36
2.1.5.5.1 HAZ TRANSMITIDO
En este modo (Fig. 12) la fuente de luz y el receptor están contenidos en envolventes
diferentes. Estas dos unidades están ubicadas en posición opuesta una a la otra de manera que
la luz de la fuente de luz brilla directamente sobre el receptor. El objeto debe romper
(bloquear) el haz entre la fuente de luz y el receptor.
Fig. 12. Detección de haz transmitido.
Los sensores de haz transmitido proporcionan las distancias más largas de detección y el nivel
más alto de margen operativo.
El “haz efectivo” de un sensor de haz transmitido es
equivalente al diámetro de la lente de la fuente de luz y
el receptor (Fig. 13). La detección confiable tiene lugar
cuando el objeto es opaco e interrumpe al menos el 50
Fig. 13. Haz efectivo.
% del haz eficaz.
Se puede obtener una mejor detección de objetos de
menor tamaño que el haz efectivo reduciendo el
diámetro del haz mediante aberturas ubicadas frente a la
Fig. 14. Haz efectivo con
aberturas.
fuente de luz y el receptor (Fig. 14).
37
Las aplicaciones más confiables de haz transmitido tienen un margen muy alto cuando el
objeto está ausente y un margen de cero (o casi cero) cuando el objeto está presente. La
detección de haz transmitido puede no ser adecuada para detectar objetos translúcidos o
transparentes.
Los niveles de alto margen permiten al sensor “ver a través” de estos objetos.
Aunque generalmente se puede reducir la sensibilidad del receptor, la detección
retrorreflectiva o difusa puede proporcionar una mejor solución.
2.1.5.5.2 RETRORREFLECTIVO
El modo retrorreflectivo (reflejo) es el modo de detección más común. Un sensor
retrorreflectivo contiene la fuente de luz y el receptor en un envolvente. El haz de luz emitido
por la fuente de luz es reflejado por un objeto
reflectivo especial y detectado por el receptor. El
objeto se detecta cuando rompe este haz de luz
(Fig. 15).
Fig. 15. Detección retrorreflectiva
Para la detección retrorreflectiva se utilizan
reflectores especiales o cintas reflectivas. A
diferencia de los espejos y otras superficies
reflectivas planas, estos objetos reflectivos no
necesitan ser perfectamente perpendiculares al
sensor. El mal alineamiento de un reflector o
cinta reflectiva por arriba de 15º generalmente no
significará una reducción del margen del sistema
de sensores (Fig. 16).
Se dispone de una amplia selección de reflectores
Fig. 16. Materiales retrorreflectivos.
y cintas reflectivas.
38
La distancia máxima de detección del conjunto sensor y reflector disponible dependerá en
parte de la eficacia del reflector o cinta reflectiva. Estos materiales reflectivos están
clasificados según un índice de reflexión.
Los sensores retrorreflectivos son más sencillos de instalar que los de haz transmitido. Es
necesario únicamente instalar y cablear una carcasa sensora. En cualquier caso, los márgenes
en ausencia de objeto son del orden de 10 a 1000 veces menores que los correspondientes a la
detección por haz transmitido, lo que hace menos deseable la detección retrorreflectiva en
ambientes altamente contaminados.
Cuando se apliquen sensores retrorreflectivos normales hay que tener un cuidado especial si
los objetos a detectar son altamente brillantes o reflejantes.
Los reflejos procedentes del mismo objeto podrían ser detectados.
Quizás se pueda orientar el sensor y el reflector o la cinta reflectiva de manera que el objeto
brillante refleje la luz en dirección contraria al receptor. Sin embargo, en la mayoría de
aplicaciones con objetos brillantes, la detección polarizada retrorreflectiva ofrece una mejor
solución.
Los sensores polarizados retrorreflectivos contienen filtros polarizantes al frente de la fuente
de luz y del receptor. Estos filtros están en posición perpendicular o 90º fuera de fase uno con
respecto a otro (Fig. 17).
El sensor no puede ver luz reflejada de casi ningún objeto. La luz polarizada reflejada no
puede pasar a través del filtro polarizador ubicado frente al receptor.
Los receptores despolarizan la luz reflejada. Parte de la luz reflejada despolarizada puede
pasar a través del filtro polarizador frente al receptor y puede ser detectada por el sensor. En
resumen, el sensor puede “ver” la reflexión de un reflector y no puede “ver” la reflexión de la
mayor parte de los objetos brillantes.
39
Fig. 17. Detección retrorreflectiva polarizada.
Los sensores polarizados retrorreflectivos ofrecen un rango 30-40 % más corto (y menos
margen) que los sensores normales retrorreflectivos. En lugar de indicadores LED infrarrojos,
los sensores polarizados retrorreflectivos deben usar una fuente de luz visible menos eficiente
(generalmente un indicador LED rojo visible). Existen pérdidas adicionales de luz a causa de
los filtros polarizadores.
Los sensores polarizados sólo ignoran los reflejos de “primera superficie” procedentes de una
superficie reflejante expuesta. La luz polarizada deja de serlo al atravesar la mayoría de las
películas de plástico, o los materiales de envoltorio fabricados por estiramiento. Por lo tanto,
un objeto brillante puede crear reflejos que son detectados por el receptor cuando éste está
envuelto en una película plástica transparente. En este último caso el objeto brillante
constituye la “segunda superficie” tras el envoltorio de plástico.
Para estas aplicaciones han de considerarse otros modos de sensores polarizados
retrorreflectivos.
40
Todos los reflectores estándares despolarizan la luz y son adecuados para detección polarizada
retrorreflectiva. Sin embargo, la mayoría de cintas reflectivas no despolarizan la luz y son
adecuadas sólo para uso con sensores normales retrorreflectivos.
Hay disponibles cintas reflectivas hechas especialmente para detección polarizada
retrorreflectiva.
2.1.5.5.3 DIFUSA
La detección de haz transmitido y la detección normal o polarizada retrorreflectiva crea un haz
de luz entre la fuente de luz y el receptor o entre el sensor y el reflector.
En ambos casos es necesario el acceso a ambos lados deL objeto a detectar Hay situaciones
en las que es difícil, por no decir imposible, acceder a ambos lados del objeto. En estas
aplicaciones, es necesario apuntar la fuente de luz directamente al objeto. La luz es dispersada
por la superficie en todos los ángulos y una pequeña porción es reflejada nuevamente para ser
detectada por el receptor contenido en la misma carcasa. Este modo de detección se llama
difusa o de proximidad, (Fig. 18).
Existen varios modos diferentes de detección difusa, la más simple es la detección difusa
normal. A continuación se explican los diferentes modos de detección difusa.
Difusa normal. La meta de la detección difusa normal es obtener un margen relativamente
alto al detectar el objeto. En ausencia de éste, los reflejos procedentes de cualquier fondo que
se halla detrás del objeto han de proporcionar un
margen tan cercano a cero como sea posible. La
reflectividad del objeto a detectar
puede variar
ampliamente. Las superficies relativamente brillantes
pueden reflejar la mayor parte de la luz en dirección
opuesta al receptor, lo cual dificulta
Fig. 18. Detección difusa.
detección.
mucho la
41
Los objetos muy oscuros o mate absorben la mayor parte de la luz incidente y reflejan muy
poca para ser detectados. Estos objetos pueden ser muy difíciles de detectar, a no ser que el
sensor se sitúe muy cercano a los objetos que se desea detectar.
La máxima distancia de detección especificada relativa a un sensor fotoeléctrico se determina
utilizando un objeto difuso calibrado. Allen Bradley utiliza una hoja de papel blanco de 216
mm (8.5 pulgadas) x 292 mm (11 pulgadas) especialmente formulada para poseer un 90 % de
reflectancia, lo que significa que el 90 % de la energía lumínica procedente de la fuente de luz
será reflejada por el papel.
Los objetos en el “mundo real” generalmente son significativamente menos reflectivos, tal
como se muestra en la tabla 6.
Tabla 6. Valores de reflectividad para diferentes objetos.
La detección de objetos situados cerca de fondos reflectivos puede ser una operación de
resolución particularmente difícil. Puede ser imposible ajustar el sensor para obtener un
margen suficiente desde el objeto sin detectar, o casi detectar el fondo (Fig. 19). En este caso,
pueden ser más apropiados otros tipos de detección difusa.
42
Fig. 19. Detección de objetos cerca de fondo reflectivo.
Difusa de corte abrupto. Los sensores difusos de corte abrupto se han diseñado de manera
que el haz de luz proveniente de la fuente de luz y el área de detección del receptor estén
orientados uno hacia el otro. Ello hace que estos sensores sean más sensibles con márgenes
cortos y menos sensibles con márgenes largos. Esto proporciona una sensibilidad más
confiable cuando los objetos están cercanos a fondos reflectivos.
Tómese nota que este modo de detección proporciona cierto grado de mejora en comparación
con la detección difusa normal cuando un fondo reflectivo está presente. En todo caso, si el
fondo es altamente reflectivo puede ser detectado aún así. Los sensores de supresión del
fondo difuso proporcionan una solución aún mejor.
Supresión del fondo difuso. En lugar de intentar ignorar el fondo detrás de un objeto, los
sensores de supresión del fondo difuso usan componentes electrónicos sofisticados para
detectar activamente la presencia del objeto y del fondo. Las dos señales se comparan y la
salida cambia de estado en caso de detección del objeto, o en caso de detección activa del
fondo. En otras palabras, la detección de supresión del fondo puede permitir que el sensor
ignore la presencia de un fondo muy reflectivo que está directamente detrás de un objeto
oscuro y menos reflectivo. Es el modo ideal de detección difusa para un gran número de
aplicaciones. Sin embargo, los sensores de supresión del fondo son más complejos y por lo
tanto más costosos que otros sensores difusos.
43
Difusa de foco fijo.
En un sensor de foco fijo ( haz convergente ), el haz de luz
proveniente de la fuente de luz y el área de detección del receptor están enfocados hacia un
punto muy angosto (punto focal) a una distancia fija al frente del sensor. El sensor es muy
sensible en dicho punto y poco o nada sensible fuera de dicho punto focal.
Los sensores de foco fijo se usan principalmente en tres aplicaciones:
∗
Detección confiable de objetos pequeños. Debido a que el sensor es muy
sensible en
el punto focal, los objetos pequeños pueden detectarse sin dificultad.
∗
Detección de objetos a pequeña distancia. Como un sensor de foco fijo es más sensible
en el punto focal, se puede usar en algunas aplicaciones para detectar un objeto en el
punto focal e ignorarlo cuando está adelante o detrás del punto focal.
∗
Detección de marcas de impresión a color (detección de marcas de registro a color).
Generalmente son sensores RGB (red, green, blue).
También se pueden utilizar para identificar diferentes tonalidades de contraste.
En algunas aplicaciones es importante detectar la presencia de una marca impresa en una
banda continua de material de envolver. Se puede seleccionar un sensor de foco fijo con un
color específico de fuente de luz visible (generalmente rojo, verde o azul) para proporcionar la
más alta sensibilidad a la marca.
Difuso gran angular. Los sensores difusos gran angular proyectan la fuente de luz y el área
de detección del receptor en una amplia área (Fig. 20).
Fig 20. Difusa gran angular
44
Estos sensores son ideales para detectar la presencia de hilos de rosca extremadamente
delgados y otros materiales ubicados cerca del sensor. La presencia o ausencia (rosca rota) de
la rosca puede ser detectada de manera confiable, incluso aunque éste se mueva de lado a lado
en la parte frontal del sensor.
2.1.5.6 FIBRA ÓPTICA
Los sensores de fibra óptica permiten el acoplamiento de “tubos de luz” denominados cables
de fibra óptica. La luz emitida por la fuente de luz es transmitida a través de fibras
transparentes en los cables y sale por el extremo de la fibra. Luego el haz transmitido o
reflejado es llevado al receptor a través de fibras diferentes.
Los cables de fibra óptica pueden montarse en lugares que de otra forma serían inaccesibles a
los sensores fotoeléctricos. Se pueden utilizar donde la temperatura ambiente es elevada, así
como también en aplicaciones donde hay golpes o vibraciones extremas, o donde es necesario
el movimiento continuo del punto de detección
Para hacer cables de fibra óptica se utilizan tanto fibras de vidrio como de plástico, ambos de
material transparente.
2.1.5.6.1 CABLES ÓPTICOS DE FIBRA DE VIDRIO
Los cables ópticos de fibra de vidrio contienen múltiples fibras muy finas de dicho material
empaquetadas juntas bajo una cubierta flexible.
Los cables ópticos de fibra de vidrio son en general más duraderos que los cables ópticos de
fibra de plástico. Los cables de vidrio soportan temperaturas mucho más altas. La mayor parte
de los cables de fibra de vidrio poseen dos tipos de cubiertas, de PVC y de acero inoxidable
flexible.
Los recubiertos de PVC son generalmente más baratos. La cubierta de acero inoxidable hace
que los cables sean aún más durables, permite que funcionen a temperaturas superiores y debe
seleccionarse para aplicaciones donde la abrasión regular del cable de fibra óptica es un
aspecto a considerar.
45
La cubierta de acero inoxidable no se recomienda para aplicaciones de lavado. Las rendijas
existentes en el material de cobertura pueden permitir la penetración de agua o de otros fluidos
en el interior del cable, degradando posiblemente su buen funcionamiento. Los cables con
forro de PVC son apropiados para la mayoría de aplicaciones, a diferencia de los cables con
forro de acero inoxidable. Éstos se recomiendan para utilizar en áreas de lavado.
Los cables de fibra óptica de vidrio se pueden usar con sensores que tienen fuentes de luz
infrarroja, roja visible, verde visible o azul visible.
Hay dos tipos básicos de detección por medio de fibra óptica: reflectivo y de haz transmitido.
La detección reflectiva se puede realizar en modo difuso o modo retrorreflectivo. Un cable de
fibra óptica se divide en dos cables (bifurcado) en el extremo del control y se une nuevamente
en un solo cable en el extremo de detección. La mitad del mazo de vidrio se usa para
transmitir luz del sensor fotoeléctrico al objeto que se desea detectar.
La otra mitad transmite la luz reflejada desde el objeto ó el reflector, de vuelta hacia el
fotosensor del sensor fotoeléctrico.
La detección por haz transmitido necesita dos cables de fibra óptica (también denominados
cables “individuales”). Los objetos se detectan cuando bloquean la trayectoria de luz desde el
cable de fuente de luz (emisor) al cable receptor.
2.1.5.6.2 CABLES DE FIBRA ÓPTICA DE PLÁSTICO
Los cables de fibra óptica de plástico generalmente están hechos de un monofilamento de
acrílico. No llevan cubierta protectora, lo que los hace menos duraderos, pero también más
baratos, en general, que los de fibra de vidrio.
Los cables de plástico pueden utilizarse en aplicaciones donde se requiere la flexión continua
de éstos. Para estas aplicaciones existen modelos de cables de plástico en espiral.
Los cables de fibra óptica están disponibles en configuraciones individuales o bifurcadas
(Fig. 21).
46
Los cables de fibra óptica de plástico se construyen
con un sólo filamento acrílico.
No tienen cubierta protectora, lo cual hace que los
cables de fibra óptica de plástico sean menos
durables, pero generalmente menos costosos que los
cables de fibra óptica de vidrio.
Fig. 21. Cables de fibra óptica.
Los cables de fibra óptica de plástico deben utilizarse con fuentes de luz visible. La luz se
transmite insatisfactoriamente a través de fibras de plástico con una fuente de luz infrarroja.
Hay dos tipos básicos de detección por medio de fibra óptica: reflectivo y de haz transmitido.
Los cables dobles proporcionan detección difusa o retrorreflectiva. Dos cables de fibra óptica
de plástico individuales son formados como un cable eléctrico. Uno de los cables se usa para
transmitir luz desde el sensor fotoeléctrico al objeto que se desea detectar.
La otra mitad transmite la luz reflejada por el objeto de vuelta hacia el fotosensor del sensor
fotoeléctrico.
La detección por haz transmitido necesita dos cables simples de fibra
óptica (también denominados cables “individuales” o “simplex”). Los objetos se detectan
cuando bloquean la trayectoria de luz desde el cable de fuente de luz (emisor) al cable
receptor.
Los cables de fibra óptica de plástico se pueden usar satisfactoriamente en la mayoría de
ambientes industriales. Sin embargo, cuando la abrasión o los impactos ocasionales son un
aspecto a considerar, los cables de fibra óptica de vidrio con cubierta de acero inoxidable
pueden proporcionar mayor durabilidad.
Los cables bifurcados se utilizan para los modos de detección difuso o retrorreflectivo. La
detección normal difusa con cables de fibra óptica es similar a la detección con sensores
fotoeléctricos con lente.
47
La detección retrorreflectiva polarizada no puede llevarse a cabo con tales aditamentos. En
algunas aplicaciones, para evitar la detección difusa del objeto a detectar, será necesario
reducir la sensibilidad del sensor.
La fibra de vidrio puede utilizarse con LEDs infrarrojos o visibles. Las fibras de plástico
absorben la luz infrarroja y por lo tanto son más eficientes cuando se usan con indicadores
LED de color rojo visible.
En la tabla 7 se presenta una comparación entre cables de fibra óptica de vidrio y plástico.
Tabla 7. Comparación de cables de fibra óptica.
Hay una amplia selección de cables de fibra óptica disponibles y se pueden obtener muchas
configuraciones especiales.
2.1.5.7 DETECCIÓN DE OBJETOS TRANSPARENTES
Los materiales transparentes son una aplicación desafiante para los sensores fotoeléctricos. La
mayoría de objetos y películas transparentes proporcionan un contraste insuficiente para una
detección confiable con sensores retrorreflectivos o polarizados retrorreflectivos de uso
general. Diversas formas de detección difusa no ofrecen una solución ideal porque no se puede
detectar la ubicación exacta del objeto transparente.
48
Sin embargo, es de hacer notar que existen en el mercado diferentes tipos de sensores, que
están diseñados específicamente para aplicaciones de detección de objetos y películas
transparentes. Estos sensores, contienen ensamblajes ópticos especiales diseñados para
optimizar la cantidad de contraste generada por objetos y películas transparentes. La
confiabilidad de detección se mejora posteriormente con la ayuda de circuitos electrónicos
especiales y con características de software.
2.1.5.8 ESPECIFICACIONES DE LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS
A continuación se explica el significado que tienen las especificaciones de los sensores
fotoeléctricos, proporcionados por el proveedor.
2.1.5.8.1 OPERACIÓN DE LA SALIDA POR LUZ / OSCURIDAD.
Los términos “operación por luz” y “operación por oscuridad” se usan para describir la acción
de un sensor cuando un objeto está presente o ausente.
Una salida de operación por luz se activa (energizada, nivel de lógica uno) cuando el receptor
puede “ver” suficiente luz proveniente de la fuente de luz.
En el caso de detección retrorreflectiva y haz transmitido, una salida de operación por luz se
activa cuando el objeto está ausente y la luz proveniente de la fuente de luz puede llegar al
receptor.
En el caso de detección difusa (todos los tipos), la salida se activa cuando el objeto está
presente y reflejando luz de la fuente de luz al receptor.
Una salida de operación por oscuridad está activada (energizada, nivel de lógica uno) cuando
el receptor no puede “ver” la luz proveniente de la fuente de luz.
En el caso de detección retrorreflectiva y haz transmitido, una salida de “operación por
oscuridad” se activa cuando el objeto está presente y la luz proveniente de la fuente de luz está
bloqueada y no puede llegar al receptor. En el caso de detección difusa (todos los tipos), una
salida de operación por oscuridad se activa cuando el objeto está ausente.
49
2.1.5.8.2 DISTANCIA MÁXIMA DE DETECCIÓN.
Esta especificación se refiere a la distancia de detección desde:
9 Sensor a reflector en sensores retrorreflectivos y polarizados retrorreflectivos,
9 Sensor a objeto especificado en todos los tipos de sensores difusos, y
9 Fuente de luz a receptor en sensores de haz transmitido.
Esta distancia de detección está garantizada por el fabricante.
La mayoría de los entornos industriales produce contaminación
que se deposita en las lentes del sensor y en los reflectores o en
los objetos. En tal caso los sensores han de aplicarse a
distancias más cortas para incrementar el margen, llevándolo a
un valor aceptable y mejorando así la confiabilidad de la
aplicación.
Fig. 22. Área ciega.
2.1.5.8.3 DISTANCIA MÍNIMA DE DETECCIÓN
Muchos sensores retrorreflectivos, polarizados retrorreflectivos y difusos (la mayoría de los
tipos) tienen una pequeña área “ciega” cerca del sensor (Fig. 22). Para obtener una operación
confiable, los reflectores, las cintas reflectivas o los objetos difusos se deben colocar más lejos
del sensor que esta distancia mínima de detección.
2.1.5.8.4 CURVA DE RESPUESTA TÍPICA
Las páginas del catálogo referentes a la mayoría de sensores fotoeléctricos muestran una curva
que indica el margen típico dependiendo de la distancia de detección. Por lo general se
recomienda un margen de 2X como mínimo para los entornos industriales.
50
La Fig. 23 muestra un ejemplo de curva para un
sensor difuso. El máximo rango de detección
(margen =1X) de este sensor es de
1 m (39.4
pulgadas) con respecto a una hoja de papel blanco.
Se puede obtener un margen de 4X a la mitad de
Fig 23. Margen
dicha distancia aproximadamente, es decir, 500 mm
(19.7 pulgadas).
2.1.5.8.5 TIEMPO DE RESPUESTA
El tiempo de respuesta de un sensor es el tiempo que transcurre entre la detección de un objeto
y el cambio de estado del dispositivo de salida de activado a desactivado y de desactivado a
activado.
También es el tiempo necesario para que el dispositivo de salida cambie de estado, una vez
que el objeto ha dejado de ser detectada por el sensor.
Para la mayoría de los sensores el tiempo de respuesta es una única especificación para ambos
tiempos de ACTIVACIÓN y DESACTIVACIÓN. Hay otros sensores en los que se pueden
proporcionan dos valores diferentes.
Los tiempos de respuesta dependen del diseño del sensor y del tipo de dispositivo de salida.
Los sensores más lentos normalmente ofrecen rangos más largos de detección. Los más
rápidos normalmente poseen distancias de detección más cortas.
2.1.5.8.6 CAMPO DE VISIÓN
En la mayoría de sensores fotoeléctricos, el haz de luz proveniente de la fuente de luz y el área
de detección al frente del receptor se proyecta en dirección opuesta al sensor en una forma
cónica. El campo de visión es una medida (en grados) de esta área cónica.
El campo de visión es una especificación útil para determinar el área de detección disponible a
una distancia fija que se aleja del sensor fotoeléctrico.
51
Como ejemplo considérese un sensor retrorreflectivo,
que tiene un campo de visión de 3º. La Fig. 24 muestra
que a una distancia de detección de 3.0 m (10 pies) el
área de detección será un círculo de 168 mm (6.6
pulg.) de diámetro (56 mm ó 2.2 pulg. por grado).
Los sensores que poseen amplios campos de visión
poseen así mismo unas distancias de detección más
cortas. Por otra parte el campo de visión más amplio
puede hacer más fácil la operación de alineamiento.
2.1.5.8.7 CONTORNO DEL HAZ
Para ayudar a predecir el funcionamiento de los
sensores en una gran variedad de aplicaciones, se
incluyen representaciones gráficas del contorno del haz
en las especificaciones de diversas líneas de sensores
fotoeléctricos. El contorno del haz se define como el
área de detección adecuada a un sensor fotoeléctrico
dado. Éste es el contorno generado al comparar la
respuesta del receptor con la señal emitida a través de
la distancia de operación del sensor.
Todos los contornos del haz aparecen dibujados en dos
dimensiones y se asume que han de ser simétricos en
Fig 24. Campo de visión respecto a
distancia.
todos los planos que pasan por el eje óptico del sensor.
El margen máximo de operación se localiza en el eje óptico y decrece al desplazarnos hacia el
límite exterior del contorno del haz. Todos los contornos de haz se generan bajo condiciones
de detección limpias con un alineamiento óptimo del sensor.
El contorno del haz representa el área más grande de detección típica y no se debe considerar
como precisa. El polvo, la contaminación, las nebulizaciones, etc. disminuirán el área de
detección y el rango de operación del sensor.
52
Contornos de haz transmitido.
El contorno del haz, en el caso de un sensor de haz
transmitido, representa el límite donde el receptor recibe eficazmente la señal del emisor,
suponiendo que no existe un mal alineamiento de ángulo. Un mal alineamiento angular entre
el emisor y el receptor disminuirá el tamaño del área de detección. Los contornos del haz en
los sensores de haz transmitido son útiles para determinar el espacio mínimo necesario entre
los pares de sensores adyacentes de haz transmitido para prevenir interferencias ópticas de
cruce entre una pareja de sensores y la siguiente.
Contornos de haz retrorreflectivo. Los contornos de haz de sensores retrorreflectivos y
retrorreflectivos polarizados representan el límite dentro del cual el sensor responderá
eficazmente a la señal reflejada por el objeto retrorreflectivo.
El objeto retrorreflectivo, (receptor) se mantiene perpendicular al eje óptico del sensor
mientras que se va representando el diámetro del haz. El objeto a detectar ha de ser de igual o
mayor tamaño que el diámetro del haz indicado en el contorno de haz para que la operación
resulte confiable.
Para la detección precisa de objetos de menor tamaño debe utilizarse un objeto retrorreflectivo
más pequeño.
Contornos de haz difuso, de corte abrupto y de supresión de fondo. El contorno de haz de
un sensor difuso representa el límite dentro del cual el borde de una objeto reflectivo blanco
será detectado según pase por delante del sensor.
Los contornos de haz difuso se generan utilizando una hoja del 90 % de reflectancia de 216
mm x 279 mm (81/2 pulg. x 11 pulg.) de papel blanco mantenida perpendicularmente al eje
óptico del sensor. El área de detección será más pequeña para materiales que son menos
reflectivos y mayor para los que tienen una reflectancia mayor. Los objetos menores
disminuyen el tamaño del contorno de haz de algunos sensores difusos a mayores valores del
rango. Los objetos difusos con superficies que no están perpendiculares al eje óptico del
sensor también disminuirán significativamente la respuesta del sensor.
53
2.1.5.8.8 HISTÉRESIS
La histéresis de un sensor fotoeléctrico es la diferencia entre la distancia en la que se puede
detectar un objeto a medida que se mueve hacia el sensor y la distancia que se tiene que mover
en dirección opuesta al sensor para que deje de ser detectado. En la Fig. 25 se muestra un
ejemplo.
Cuando el objeto se acerca al sensor, éste la
detectará a una distancia X.
Cuando el objeto se aleja del sensor, seguirá
siendo detectada hasta llegar a una distancia Y.
La alta histéresis en la mayoría de sensores
fotoeléctricos es útil para detectar objetos grandes
y opacos en aplicaciones de haz transmitido,
retrorreflectivo y retrorreflectivo polarizado.
Fig. 25. Histéresis.
En aplicaciones difusas, la gran diferencia en la luz
reflejada desde el objeto y el fondo también permite el uso de sensores de alta histéresis.
La baja histéresis requiere pequeños cambios en el nivel de luz.
2.1.5.9 ALINEAMIENTO DE UN SENSOR FOTOELÉCTRICO
El alineamiento adecuado del sensor dará lugar a una solución de detección más potente y que
requiere menos mantenimiento.
2.1.5.9.1 RETRORREFLECTIVOS O RETRORREFLECTIVOS POLARIZADOS.
1. Apunte el sensor hacia el reflector (o cinta reflectiva).
2. Separe lentamente éste hacia la izquierda hasta dejar de detectar el reflector.
3. Marque esta posición, ahora mueva el sensor despacio hacia la derecha y fíjese en el
momento en que deja de detectar al reflector.
4. Centre el sensor entre estos dos puntos, repita la operación hacia arriba y abajo para
centrarlo en el plano vertical.
54
2.1.5.9.2 DIFUSO (TODOS LOS TIPOS).
1. Apunte el sensor hacia el objeto.
2. Desplace el sensor hacia arriba y abajo, hacia la izquierda y derecha para centrar el haz
en el objeto.
3. Reduzca la sensibilidad exactamente hasta el punto en que deje de detectarse el objeto
y marque la posición de ajuste de sensibilidad.
4. Quite el objeto e incremente la sensibilidad hasta detectar el fondo.
5. Ajuste la sensibilidad en el punto medio entre la detección del objeto y la detección
del fondo.
2.1.5.9.3 HAZ TRANSMITIDO.
1. Apunte el reflector hacia la fuente de luz.
2. Mueva lentamente el receptor hacia la izquierda hasta que la fuente de luz deje de ser
detectada.
3. Tome nota de esta posición, luego lentamente mueva el receptor hacia la derecha y
tome nota cuando el reflector deje de ser detectado.
4. Centre el receptor entre estas dos posiciones, luego muévalo hacia arriba y hacia abajo
para centrarlo en el plano vertical.
2.1.5.10 DISPOSITIVOS DE SALIDA.
Una vez que el sensor ha detectado el objeto, un dispositivo de salida conmuta la alimentación
eléctrica en el circuito de control del usuario. La salida se activa o se desactiva, lo cual hace
que el sensor sea un dispositivo digital.
Hay muchos tipos de salidas disponibles, cada uno con sus ventajas y desventajas, los cuales
se describen a continuación y se resumen en la tabla 8.
55
Tabla 8. Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de salida digital.
Tipo de salida
Ventajas
Desventajas.
Relé electromecánico
Selección de AC ó DC.
9 La salida está eléctricamente
aislada de la fuente de
alimentación eléctrica.
9 Fácil conexión en serie y/o en
paralelo de salidas de sensor.
9 Alta corriente de conmutación.
9 No es posible proporcionar
protección contra
cortocircuito.
9 Vida útil limitada del relé.
FET
Selección de AC ó D C.
• Corriente de fuga muy baja.
• Alta velocidad de conmutación.
• Baja corriente de salida.
MOSFET de potencia
Selección de AC ó DC.
9 Alta corriente de salida.
9 Corriente de salida
moderadamente alta.
TRIAC
Selección de AC solamente.
• Corriente de fuga muy baja.
• Alta velocidad de conmutación,
• Corriente de fuga
relativamente alta.
• Baja conmutación de salida.
Transistor NPN ó PNP.
Selección
de
DC
solamente.
9 Corriente de fuga muy baja.
9 Alta velocidad de conmutación.
9 Sin selección de AC.
Relé electromecánico. Un relé electromecánico ofrece una manera positiva y confiable de
conmutación de energía eléctrica. Sus ventajas principales son alta corriente de conmutación y
aislamiento eléctrico de la fuente de alimentación del sensor.
Debido al aislamiento eléctrico de la fuente de alimentación del sensor, así como también a la
ausencia de corriente de fuga se pueden conectar en serie y/o en paralelo los relés de múltiples
sensores.
Las clasificaciones de los contactos varían entre 1A y 5A a 120/240 V AC 50/60 Hz resistivas,
dependiendo del sensor seleccionado.
Existe un determinado número de posibilidades en los contactos disponibles:
9 SPST-Æ Simple polo, simple tiro.
9 SPDT-Æ Simple polo, doble tiro.
9 DPDT-Æ Doble polo, doble tiro.
56
Los relés poseen un período limitado de vida, que normalmente se mide en millones de
operaciones. Las cargas inductivas pueden acortar este período de vida de forma considerable.
Las salidas de estado sólido se deben considerar para aplicaciones que requieren una
conmutación frecuente por el sensor.
Los tiempos de respuesta típicos de los relés varían entre 15-25 ms, mucho más lentos que los
correspondientes a las salidas de estado sólido.
FET.
El FET (transistor de efecto de campo) es un dispositivo de estado sólido que
proporciona una rápida conmutación de la alimentación de AC o DC y muy baja corriente de
fuga. La corriente que puede conmutar es limitada.
Las salidas FET se pueden conectar en paralelo igual que los contactos electromecánicos de
los relés.
MOSFET de potencia. Un MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de
óxido metálico) de potencia proporciona las ventajas de fuga muy baja y rápido tiempo de
respuesta de un FET con capacidad de alta corriente de conmutación.
TRIAC. Un TRIAC es un dispositivo de salida de estado sólido diseñado para conmutación
de AC solamente. Los TRIACS ofrecen una elevada corriente de conmutación, lo que los hace
adecuados para ser conectados a grandes contactores y solenoides.
Los TRIACS presentan una corriente de fuga mucho más elevada que los FET y los MOSFET
de potencia. La corriente de fuga de los TRIAC puede exceder 1 mA, lo cual los hace
inadecuados como dispositivos de entrada para controladores programables y otras entradas de
estado sólido. Para activar un TRIAC se necesita un dispositivo sensor del cruce por cero en
cada ciclo de tensión de CA 50/60 Hz, lo que significa que su tiempo de respuesta mínimo es
de 8.3 ms. Los MOSFET de potencia proporcionan mejores características de salida en la
mayoría de las aplicaciones.
57
Transistores NPN / PNP. Los transistores son el dispositivo de salida de estado sólido típico
para sensores de DC de bajo voltaje. Un sensor equipado con salida de transistor NPN posee
una salida tipo sumidero. La carga se debe conectar entre la salida del sensor y la conexión de
alimentación (+).
Un sensor equipado con salida de transistor PNP posee una salida tipo fuente. La carga se
debe conectar entre la salida del sensor y la conexión de alimentación (-). Los transistores
tienen una corriente de fuga muy baja (medida en µA) y una corriente de conmutación
relativamente alta (generalmente 100 mA) para una fácil interface con la mayoría de cargas de
DC. Los tiempos de respuesta de los sensores con salidas de transistor pueden variar de 2 ms
hasta 30 µs.
Salida analógica
Los sensores analógicos proporcionan una salida proporcional, o inversamente proporcional, a
la cantidad de luz que ve el receptor; aunque suelen tener problemas de falta de repetibilidad
frente a cambios de iluminación ambiental, ambientes polvorientos y otras condiciones del
entorno. La Fig. 26 muestra la respuesta típica de uno de dichos detectores con salida
analógica.
Fig 26. Sensores ópticos con salida analógica
2.1.5.11 TEMPORIZACIÓN
Los sensores fotoeléctricos son de algún modo únicos entre los sensores de presencia porque
muchos de ellos ofrecen funciones lógicas o de temporización. Estas funciones pueden estar
disponibles en versiones especiales de los sensores o en módulos enchufables.
58
2.1.5.11.1 TEMPORIZADOR A LA CONEXIÓN Y TEMPORIZADOR A LA
DESCONEXIÓN
El temporizador a la conexión y el temporizador a la desconexión son los modos de
temporización más comunes. El temporizador a la conexión retrasa la operación de una salida
una vez detectado el objeto. El temporizador a la desconexión retrasa la operación de una
salida, una vez que el objeto ha abandonado la zona de detección del sensor.
El intervalo de temporización es ajustable en la mayoría de los sensores desde menos de un
segundo hasta valores de 10 segundos o más.
Ciertos sensores de alta velocidad (con un tiempo de respuesta inferior a 1 ms) poseen un
temporizador a la desconexión seleccionable de 50 ms. Esta “ampliación del pulso” es útil
cuando hace falta lentificar el intervalo de desconexión para permitir a un Autómata
Programable o a otro tipo de lógica de la maquinaria la respuesta al movimiento de los
materiales en aplicaciones de alta velocidad.
2.1.5.12 APLICACIONES DE LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS.
Dentro de las aplicaciones de este tipo de sensores de proximidad, se puede mencionar las
siguientes:
9 Envasado de alimentos y bebidas y otras aplicaciones de manejo de materiales.
9 Industria de máquinas herramienta
9 Sistemas de transporte e instalaciones de almacenaje
9 En caso de condiciones ambientales adversas
9 Inspección de paso
9 Vehículos transportadores sobre el suelo (sin protección de personas)
9 Industria maderera
9 Industria de cerámica
9 Detección de objetos empaquetados
9 Detección de unión en latas
9 Reconocimiento de color y/o contraste,
9 Industria química y farmacéutica: detección y clasificación de sustancias por color.
59
9 Industria Electrónica: selección de componentes, detección de cables por color,
identificación de marcas incorrectas.
9 Papeleras: detección e identificación de papel por tipo y color.
9 Tabaco: detección de materiales y verificación de sellos.
9 Empaquetadoras: identificación y posicionamiento de etiquetas.
9 Aplicaciones en robótica.
2.1.6 DETECTORES ULTRASÓNICOS.
Estos detectores están basados en la emisión-recepción de ondas ultrasónicas. Cuando un
objeto interrumpe el haz, el nivel de recepción varía y el receptor lo detecta.
Como ventaja frente a los sensores fotoeléctricos, los detectores ultrasónicos pueden detectar
con facilidad objetos transparentes, como cristal o plásticos, materiales que ofrecen
dificultades para la detección óptica. Es muy común encontrarlos es líneas de transporte de
materiales, bien para la detección de objetos de plástico o vidrio ó para contar materiales que
son ópticamente difíciles de detectar.
Sin embargo, y dado que estos detectores utilizan ondas ultrasónicas que se mueven por el
aire, no podrán ser utilizados en lugares donde éste circule con violencia ( bocas de aire
acondicionado, cercanías de puertas, etc. ), o en medios de elevada contaminación acústica (
prensas, choques entre metales, etc. ).
Por lo demás, y en cuanto a características de funcionamiento, estos detectores son semejantes
a las células fotoeléctricas.
La velocidad con que las ondas ultrasónicas atraviesan a los materiales depende de su
elasticidad y de su densidad. Si el medio de propagación es un gas, como el aire, influye,
también la temperatura.
60
2.1.6.1 VENTAJAS DE LA DETECCIÓN POR ULTRASONIDO
9 Sin contacto físico con el objeto, por lo tanto, sin desgaste y posibilidad de
detectar objetos frágiles, con pintura fresca.
9 Detección de cualquier material, independientemente del color, al mismo alcance,
sin ajuste ni factor de corrección.
9 Muy buena resistencia a los entornos industriales (productos resistentes
completamente encapsulados en una resina).
9 Aparatos estáticos: sin piezas en movimiento dentro del detector, por lo tanto,
duración de vida independiente del número de ciclos de maniobras.
2.1.6.2 FUNCIONAMIENTO.
Antes de entrar en detalle en el funcionamiento de este tipo de elemento es importante,
conocer algunos conceptos, véase la Fig. 27.
Fig. 27. Partes de una onda sonora.
Alcance nominal (Sn). Valor convencional para designar el alcance. No tiene en cuenta las
tolerancias de fabricación ni las variaciones debidas a las condiciones externas, como la
tensión y la temperatura.
Campo de detección (Sd). Campo en el que el detector es sensible a los objetos.
Alcance mínimo. Límite inferior del campo de detección especificado.
Alcance máximo. Límite superior del campo de detección especificado.
Alcance de trabajo (Sa). Corresponde al campo de funcionamiento del detector (activación de
las salidas) y está incluido en el campo de detección.
61
Zona ciega. Zona comprendida entre el lado sensible del detector y el alcance mínimo en el
que ningún objeto puede detectarse de forma fiable.
Evitar el paso de objetos en esta zona durante el funcionamiento del detector, ya que podría
provocar un estado inestable de las salidas.
Los sensores ultrasónicos de proximidad, permiten alternar
entre transmisión y recepción de las ondas de sonido.
El
transductor emite un número de ondas sónicas, las cuales son
reflejadas por un objeto, y enviadas nuevamente al
Fig 28. Funcionamiento del
sensor ultrasónico.
transductor, como se muestra en la Fig. 28.
Luego de la emisión de la onda de sonido, el sensor ultrasónico cambia al modo de recepción.
El tiempo que pasa entre la emisión y recepción es proporcional a la distancia del objeto desde
el sensor.
Existe un segundo modo de detección y es el “modo retro-reflectivo”, que consiste en un
conjunto sensor-reflector.
La distancia desde el reflector al sensor ó a un objeto que se encuentre dentro del espacio de
sensado es determinado midiendo el tiempo de propagación de la onda sonora. El tiempo de
propagación de la señal ultrasónica más grande que se pueda obtener corresponde a la
distancia que hay entre el sensor y el reflector; en este momento el dispositivo se encuentra en
estado no activo. Cuando un objeto se encuentra entre sensor y el reflector el tiempo de
propagación de la señal ultrasónica cambia y esto provoca que el sensor cambie al estado
activo.
62
Otra variante de este tipo de sensores es utilizando un haz sónico directo, como el que se
describe a continuación:
El emisor y el receptor están en dos compartimientos
diferentes. El emisor envía una señal continua, que es se
recoge por el receptor,
Fig. 29. Cuando un objeto
interrumpe el haz de sonido, el receptor reacciona y
Fig. 29. Haz sónico directo.
proporciona una señal de salida.
Este tipo de sensor es ideal para aplicaciones que requieren un corto tiempo de respuesta o
donde la distancia entre objetos sucesivos es muy pequeña.
Conviene poner de manifiesto que las características de la superficie que refleja la onda y el
ángulo de incidencia tienen una notable influencia en la eficiencia de estos sensores. En
efecto, si el ángulo de incidencia excede un cierto valor crítico, la energía reflejada no entrará
en la zona de detección. Pueden recibirse también reflexiones desperdigadas de otros objetos
generando señales falsas.
2.2 SENSORES MEDIDORES DE POSICIÓN Ó DISTANCIA
Dentro de los transductores de posición podemos distinguir dos grandes grupos:
Los indicadores de posición lineal o angular para grandes distancias, conocidos también como
sistemas de medición de coordenadas.
Los detectores de pequeñas deformaciones o detectores de presencia de objetos a una cierta
distancia que dan una señal analógica o digital proporcional a dicha distancia.
Los medidores de coordenadas se utilizan, por lo general, para determinar la posición relativa
de partes móviles de una máquina. Se trata de transductores de desplazamiento relativo
previstos para medición indirecta de distancias, y decimos medición indirecta por cuanto en
realidad no permiten determinar la distancia entre objetos estáticos, sino únicamente la
posición relativa de objetos a partir de un origen de desplazamiento.
63
Su característica esencial es que permiten medir grandes distancias con una excelente
resolución y se usan, sobre todo, en el campo de la robótica y la máquina-herramienta.
Podemos distinguir dos tipos: absolutos e incrementales.
Los primeros dan en todo momento una indicación de la posición respecto a un origen, incluso
en caso de pérdida de alimentación. Los incrementales, en cambio, detectan desplazamientos
y obtienen la posición final a base de acumular dichos desplazamientos respecto a un origen.
En consecuencia, cuando éstos últimos pierden la alimentación pueden perder la referencia al
origen.
El segundo grupo de detector que hemos mencionado, es decir, los detectores de pequeñas
distancia, permiten determinar la distancia entre un objeto estático o en movimiento respecto
al cabezal del sensor.
2.2.1 POTENCIOMETROS
El potenciómetro es un sensor de posición angular, de tipo absoluto y con salida de tipo
analógico. Consiste en una resistencia de hilo bobinado o en una pista de material conductor,
distribuida a lo largo de un soporte en forma de arco y un cursor solidario a un eje de salida,
que puede deslizar sobre dicho conductor (Fig. 30). El movimiento del eje arrastra el cursor
provocando cambios de resistencia entre éste y cualquiera de los extremos. Así pues, cuando
se alimenta entre los extremos de la resistencia con una tensión constante, aparece entre la
toma media y uno de los extremos una tensión proporcional al ángulo girado a partir del
origen.
Fig. 30. Potenciómetro
64
Existen también potenciómetros con carrera lineal, pero lo más frecuente, cuando se usan
como detectores de posición, es emplear los rotativos con o sin topes y de una ó más vueltas.
En el caso de potenciómetros con topes, el ángulo de la resistencia se denomina ángulo de giro
eléctrico (θE) y suele ser algo menor que el ángulo de giro mecánico entre topes.
Para los potenciómetros utilizados como sensores de posición interesa que la ley de variación
de la resistencia en función del ángulo de giro sea lineal, como se muestra en la Fig. 31,
aunque existen potenciómetros con ley de variación logarítmica y exponencial, que se utilizan
para otras aplicaciones. La tensión de salida depende del ángulo girado respecto al origen y de
la tensión de alimentación entre extremos. Esto puede dar lugar a errores de medida en caso
de que dicha tensión no fuese estrictamente constante, por lo que se prefiere muchas veces
medir la relación V/Vo, en lugar de medir la tensión V.
V = V0
θ
θE
Fig. 31. Respuesta de un potenciómetro lineal.
Este método de medida, denominado ratiométrico, tiene la ventaja de entregar una salida
independiente del valor de la tensión de alimentación y dependiente únicamente del ángulo
girado por el cursor.
En el caso de los potenciómetros con carrera lineal, si se aplica una tensión Ve en la pista
resistiva, se obtiene Vs en el contacto como función de la posición, (véase la Fig. 32).
65
Fig. 32. Potenciómetro lineal
El desplazamiento se obtiene como:
Ll =
Rl LT VS LT
=
RT
Ve
(2)
Siendo: Ll el desplazamiento a calcular, RT la resistencia total entre extremos de la pista
resistiva, Rl la resistencia entre el contacto deslizante y el extremo y LT la longitud total.
Para potenciómetros rotatorios, el ángulo se obtiene como:
θL =
Rlθ T VS θ T
=
RT
Ve
(3)
Donde:
θl, es el desplazamiento angular a calcular,
Vs, el voltaje de salida,
Ve, la tensión de entrada y
θT, es el ángulo total que puede girar el potenciómetro.
Para realizar físicamente las pistas resistivas se emplean películas de material resistivo:
carbón, metal, cerámica conductora, plástico conductor, hilos de alta resistencia sobre
aluminio anodizado, etc.
66
Un aspecto de carácter práctico es la dificultad para medir giros de más de 300º en una vuelta
debido a la necesidad de espacio para los contactos.
Los potenciómetros son sensores de relativamente bajo coste. Sin embargo la precisión es
limitada. En potenciómetros de calidad pueden conseguirse errores lineales de 0.1%.
En general presentan problemas de fiabilidad debido a desgaste, fricciones, polvo, etc.
En cuanto a la respuesta dinámica, el potenciómetro es prácticamente un elemento
proporcional sin retardo. Únicamente es de considerar el retardo debido a la inductancia del
bobinado si los movimientos fuesen muy rápidos, pero la frecuencia de funcionamiento suele
quedar limitada por razones mecánicas a unos 5 Hz.
2.2.2 ENCODERS.
Los encoders son dispositivos formados por un rotor con uno o varios grupos de bandas
opacas y translúcidas alternadas y por una serie de captadores ópticos alojados en el estator,
que detectan la presencia o no de banda opaca frente a ellos.
Es posible también distinguir entre encoders rotacionales y lineales. Los que son utilizados
para la detección angular son llamados comúnmente encoders rotativos o de flecha, puesto que
usualmente detectan la rotación de un eje.
Como emisor
puede emplearse una fuente incandescente o un diodo.
El detector es
típicamente un fotodiodo.
Existen dos tipos de encoders: los incrementales y los absolutos.
Los primeros dan un determinado número de impulsos por vuelta y requieren de un contador
para determinar la posición a partir de un origen de referencia. Los absolutos, en cambio,
disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario. Los captadores
ópticos detectan, pues, un código digital completo, que es único para cada posición del rotor.
Los encoders pueden presentar problemas mecánicos debido a la precisión que se tiene en su
fabricación. La contaminación ambiental puede ser una fuente de interferencias en la
transmisión óptica. Son dispositivos particularmente sensibles a golpes y vibraciones, estando
su margen de temperatura de trabajo limitado por la presencia de componentes electrónicos.
67
2.2.2.1 ENCODERS INCREMENTALES O RELATIVOS.
Los encoders incrementales suelen tener una sola banda de marcas transparentes y opacas
repartidas a lo largo del disco rotórico y separadas por un paso (p), tal como lo muestra la
Fig. 33.
Fig. 33. Encoder incremental
En el estator suelen disponer de dos pares de emisor-receptor óptico (salida de dos canales)
decalados un número entero de pasos más ¼. Al girar el rotor, cada par óptico genera una
señal cuadrada. El decalaje de ¼ de división de los captadores hace que las señales cuadradas
de salida tengan entre sí un desfase de ¼ de período cuando el rotor gira en un sentido, y ¾ de
período cuando gira en sentido contrario, lo cual se utiliza para discriminar el sentido de giro.
Un simple sistema lógico permite determinar desplazamientos a partir de un origen, a base de
contar los impulsos de un canal y determinar el sentido de giro a partir del desfase entre las
señales de los dos canales, según se muestra en la Fig. 34a.
68
Los incrementos angulares son registrados mediante un disco de impulsos que contiene un
número específico de incrementos por revolución, Fig. 34b. Una unidad de detección con
opto-electrónicos integrados produce señales eléctricas y transmite impulsos (incrementos de
medida), que son procesados en etapas de salida.
a) Circuito electrónico.
b) estructura interna de un encoder incremental.
Fig. 34. Discriminador de posición y sentido de giro.
Algunos encoders incrementales disponen de un canal adicional, que proporciona un impulso
por revolución. La lógica de control puede utilizar esta señal para implementar un contador de
vueltas y otro para fracciones de vuelta.
69
La resolución del encoders, dependerá del número ( N ) de divisiones del rotor o, lo que es lo
mismo, del número de impulsos por revolución. La resolución expresada en grados vale:
Re solución =
360º
N
(4)
2.2.2.2 ENCODERS ABSOLUTOS.
Los encoders absolutos disponen de varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares
concéntricas, con zonas opacas y transparentes dispuestas de tal forma que en sentido radial el
rotor queda dividido en una serie de sectores, con combinaciones de opacos y transparentes
que siguen un código Gray o reflejado ( Fig. 35 ).
Fig. 35. Encoder absoluto.
Este tipo de encoder esta disponible como encoder absoluto univuelta y como encoder
absoluto multivuelta.
El encoder absoluto univuelta divide una revolución (univuelta) del eje en incrementos de
medida. El número de pasos por revolución es procesado por un disco codificado. Este valor
de medida puede ser sacado en varios formatos, dependiendo de la interface.
El valor de medición se repite después de cada vuelta.
70
Fig. 36. Estructura interna de un encoder absoluto.
En el caso de los encoders absolutos multivuelta, además de registrar la posición angular por
una vuelta, también puede registrar múltiples revoluciones.
Por medio de un planetario interno reductor con discos satélite conectado al eje, se puede
registrar el número de revoluciones (Fig. 36).
En consecuencia, el valor de medida de un encoder multivuelta está formado por la posición
angular y el número de vueltas. El valor registrado es procesado y puede ser obtenido en
varios formatos dependiendo de la interface.
El estator del encoders dispone de un captador para cada corona del rotor, dispuestos en forma
radial. El conjunto de informaciones binarias obtenidas de los captadores es único para cada
posición del rotor y representa en código Gray, natural binario o en código decimal binario
(BCD) su posición absoluta.
71
El tipo de código reflejado tiene la ventaja de que en cada cambio de sector sólo cambia el
estado de una de las bandas, evitando así que puedan producirse errores por falta de alineación
de los captadores. Como ejemplo se indica la generación del código Gray de tres bits:
Número Código
Gray
0
1
2
3
4
5
6
7
000
001
011
010
110
111
101
100
Obsérvese que a partir de los ejes de simetría se obtienen los bits
correspondientes por imagen especular de los bits subrayados. De ahí el
nombre de código reflejado.
Para un encoder con N bandas en el rotor, se tendrá un código de N bits,
que permite 2N combinaciones. La resolución del encoder será, por tanto,
la siguiente:
Re solución =
360º
2N
(5)
Típicamente, los encoders disponibles van desde los 12 a los 16 bits con lo que se consiguen
resoluciones entre 0.0879º y 0.00054º.
2.2.2.3 APLICACIONES.
Dentro de las aplicaciones típicas de encoders incrementales se puede mencionar:
Dispositivos de cierre de puertas para
Instalaciones de producción flexible
trenes
Industria maderera
Plotters
Industria de impresión
Máquinas de dispersión
Maquinaria de construcción
Roscadoras
Tecnología de embalaje
Máquinas etiquetadoras
Maquinaria de alineación
Indicación de coordenadas x/y
Maquinaria de torsión
Dispositivos de análisis
Prensas
Perforadoras
Instalaciones de pintura
Mezcladoras
Soldadura por ultrasonidos
Manipuladores
Instalaciones de montaje
72
En cuanto a las aplicaciones para los encoders absolutos, se tienen las siguientes:
Máquinas transfer
Tecnología de embalaje
Máquinas de moldeo por
Máquina herramienta
Plantas de energía
inyección
Instalación de producción
Ingeniería civil y
Empaquetadoras
flexibles
construcción
Maquinas de moldeo por
Robots pórtico
Propulsión de barcos
extrusión
Robots articulados
Compuertas
Plegadoras
Instalaciones de montaje
Máquinas de corte
Máquinas impresoras
Fundiciones
Aletas de ventilación
Sistemas de
Máquinas de proceso de
Hiladoras
almacenamiento a gran
madera
Cintas transportadoras
altura
Plantas de laminación
Controladores de levas
Troqueladoras
Industria de impresión
2.2.3 SINCROS Y RESOLVERS.
Un sincro es un sensor de posición angular de tipo electromagnético, cuyo principio de
funcionamiento puede resumirse diciendo que se trata de un transformador con uno de sus
devanados rotativo. Comúnmente se aplican en la ingeniería de control como partes de
servomecanismos y máquinas herramientas.
Existen diversos tipos de sincros, dependiendo del número de devanados y de su posición,
pero las configuraciones más frecuentes son las que disponen de:
Primario alojado en el rotor y, en general, monofásico.
Secundario alojado en el estator y, en general, trifásico.
Para comprender el funcionamiento de un sincro,
en la Fig. 37 se representa
esquemáticamente uno con las características antes indicadas ( primario monofásico y
secundario trifásico conectado en estrella ).
73
Fig. 37. Principio de funcionamiento de un sincro.
Cuando se aplica una tensión senoidal U1 al devanado primario, se recogen en los devanados
secundarios de cada una de las fases tres tensiones, es1, es2 y es3, cuya amplitud y fase con
respecto a la tensión de primario dependen de la posición angular del rotor, según las
siguientes ecuaciones:
e s1 =
n2
U 1M senωt cos θ
n1
(6)
es 2 =
n2
⎛ 2π
⎞
−θ ⎟
U 1M senωt cos⎜
n1
⎝ 3
⎠
(7)
es 3 =
n2
⎞
⎛ 4π
U 1M senωt cos⎜
−θ ⎟
n1
⎠
⎝ 3
(8)
Obsérvese que en caso de existir una sola fase, se obtendría una sola de las tensiones de
secundario, es1 por ejemplo, con lo cual, si se quiere determinar la posición angular del rotor
por la tensión obtenida del secundario, existiría una indeterminación con el signo del ángulo,
al ser cosθ = cos (–θ).
Para un sincro con secundario trifásico tal indeterminación desaparece ya que:
⎛ 2π
⎞
⎛ 2π
⎞
cos⎜
− (− θ )⎟
− θ ⎟ <> cos⎜
⎝ 3
⎠
⎝ 3
⎠
(9)
74
En algunos servos de posición se utilizan pares de sincros en una configuración denominada
transmisor – receptor o “maestro – esclavo” que permite generar una señal proporcional a la
diferencia de ángulos de los dos sincros interconectados. Esta configuración encuentra su
aplicación en servos de seguimiento, copiadoras, pilotos automáticos, etc., basándose en el
siguiente principio ( Fig.38 ).
Fig. 38. Par de sincros transmisor y receptor (eje eléctrico).
El sincro maestro es alimentado por el rotor, al tiempo que dicho rotor es accionado
mecánicamente siguiendo, por ejemplo, un contorno en el caso de copiadoras. El sistema
trifásico de tensiones que genera el sincro maestro alimenta el devanado estatórico del sincro
esclavo y en el devanado rotórico de este último aparece una tensión que depende de la
desviación angular relativa entre los dos rotores, tal como indica la siguiente ecuación:
U 2 = KU 1 senωt cos(θ1 − θ 2 ) .
(10)
Un sistema regulador de posición, que tienda a hacer cero dicha desviación, hará que el rotor
del sincro esclavo siga exactamente los movimientos del sincro maestro, constituyendo lo que
se llama a veces un “eje eléctrico”.
Una configuración particular de sincros es la de los resolvers, cuyo principio de
funcionamiento es análogo al indicado anteriormente, con las siguientes particularidades
constructivas:
Primario alojado en el estator.
Secundario alojado en el rotor.
75
Así pues, los resolver son sincros con una configuración distinta de devanados.
El estator consiste en dos devanados primarios a 90º a los que se aplica corriente alterna con
una diferencia de fase de 90º. En el rotor existe un único devanado en el que se toma la
tensión de salida mediante escobillas de anillos deslizantes. La salida es de la misma amplitud
pero con una fase cambiada. Normalmente se excitan con señal alterna a 50, 400, ó 1000Hz.
En la Fig. 39 se muestra el rotor girado un ángulo aproximadamente de 45º.
Fig. 39. Esquema de un resolver.
En general, cuando el rotor gira un ángulo θ, se genera en él la suma de los componentes de
las entradas seno y coseno.
Vr = V cos θ cos ωt + Vsenθsenωt = V cos(θ − ωt )
(11)
El ángulo entre el rotor y el campo resultante es (θ − ωt ) y el potencial inducido es:
V cos(θ − ωt ) .
(12)
Los resolvers son frecuentemente usados con motores, debido a su semejanza inherente de
diseño. Su resistencia ambiental es bastante similar.
Son de ideal diseño en aplicaciones industriales donde el polvo y líquidos dispersos en el aire
pueden obstruir la señal del encoder óptico. Son utilizados en las máquinas de control
numérico, prensas, plataformas de movimiento, construcción de robots, líneas de
transferencia, control de la posición de las válvulas en aplicaciones de alta temperatura, tales
como motores de avión, refinerías de petróleo y procesamiento químico.
76
2.2.4 INDUCTOSYN
El inductosyn es un sensor electromagnético utilizado para la medida de desplazamientos tanto
lineales como angulares, con una precisión del orden de micras. Se utiliza en la actualidad
como medidor de coordenadas en muchísimas máquinas-herramientas y de control numérico.
Este sensor consta de dos partes acopladas magnéticamente. Una denominada escala, que es
fija y está situada sobre el eje de desplazamiento.
Otra, solapada a la anterior, es deslizante y unida con la parte móvil.
La Fig. 40 muestra la estructura de un inductosyn utilizado para medir desplazamientos
lineales.
Fig. 40. Principio de funcionamiento de un inductosyn
La parte fija tiene grabado un circuito impreso con pistas en forma de onda rectangular con un
paso ( p ). La parte móvil tiene dos circuitos impresos más pequeños, encarados con los de la
escala, y desfasados entre
sí un número entero de pasos más ¼ de paso,
( principio análogo al visto para los encoders incrementales ).
77
2.2.5 SENSORES LÁSER.
Los sensores láser pueden utilizarse como detectores de distancias, utilizando técnicas de
reflexión y triangulación parecidas a la de otros detectores ópticos, o permiten también la
utilización como detectores de desplazamientos por análisis de interferencias en la emisiónrecepción de un mismo rayo (interferómetro láser). En este último caso la medición de
distancias se hace contando crestas y valles en la interferencia.
El principio de funcionamiento del interferómetro láser se basa en la superposición de dos
ondas de igual frecuencia, una directa y otra reflejada.
Si las ondas están en fase, la
superposición es aditiva, y si están en contrafase, sustractiva.
La onda resultante de la
superposición pasa por valores máximos y mínimos al variar la fase de la señal reflejada.
Un emisor láser está formado por una cavidad resonante que contiene un material activo y una
óptica especial de emisión. Genera un impulso de luz no visible, de mucha energía de pico y
poca duración, que se proyecta hacia el objeto cuya distancia se quiere determinar.
Los sensores industriales basados en este principio generan un haz de luz que se divide en dos
partes ortogonales mediante un separador (Fig. 41). Un haz se aplica directamente sobre un
espejo plano fijo, mientras que el otro se refleja en objeto cuya distancia se quiere determinar.
Los dos haces se superponen de nuevo en el separador, de forma que al desplazarse el objeto a
detectar se generan máximos y mínimos de amplitud a cada múltiplo de la longitud de onda
del haz. El desplazamiento, o diferencia relativa de posiciones, se determina contando dichas
oscilaciones o franjas, obteniéndose una salida digital de elevada precisión, con resoluciones
del orden de la longitud de onda de la luz empleada ( unos 50µm. en sensores industriales ).
78
Fig. 41. Interferómetro láser.
Los sensores láser que utilizan el principio de triangulación usan ondas reflectivas que pueden
ser originadas por un LED o un láser infrarrojo.
El objeto cuya distancia se desea conocer es iluminado al proyectarle un haz de luz
proveniente del sensor para formar un punto de muestreo en la superficie a medir. Algo de
esta luz es reflejada nuevamente desde la superficie a través del sensor a un arreglo lineal de
dispositivos acoplados por carga, (charge-coupled-device, CCD), la parte sensitiva.
La
posición del punto en el arreglo cambia proporcionalmente a la distancia dentro del sensor y la
superficie, como lo ilustra la Fig. 42. El sistema de reconocimiento de datos interno reconoce
la posición, la cual es una indicación directa para la distancia.
La parte sensitiva de este sensor también puede ser un fotodiodo.
Fig. 42. Sensor láser basado en el principio de triangulación óptica.
79
El punto de muestreo puede ser muy importante, puesto que este dicta las aplicaciones para el
cual el sensor puede ser aplicado. Los patrones de haz típicos pueden ser un punto, una línea o
un área.
Para realizar un patrón de línea, muchos sensores estilo punto son usados juntos en una línea.
Para generar un área diversos sensores son usados en una matriz o arreglados en otra forma.
Los haces de luz empleados pueden ser visibles o invisibles.
Con este tipo de sensores se puede medir cualquier material que presenta reflexión difusa.
2.2.6 SENSORES ULTRASÓNICOS.
Los sensores ultrasónicos emiten una señal de presión (ultrasonidos) hacia el objeto cuya
distancia se pretende medir.
Cuando las ondas ultrasonoras que circulan por un medio chocan con otro diferente, una parte
de ellas se refleja hacia su origen.
Teniendo en cuenta la velocidad de propagación de la onda sonora y el tiempo transcurrido
entre la emisión del pulso hasta la recepción del eco reflejado en dicho objeto, se puede
calcular fácilmente la distancia entre el foco de ultrasonidos y el objeto reflector, así como el
espesor de los materiales.
Como generador y a la vez detector de ultrasonidos, se emplea por lo general un cristal de
cuarzo. Los cristales piezoeléctricos generan una tensión eléctrica proporcional a la presión
aplicada a sus superficies, y viceversa, de manera que, a menores espesores de cristal,
corresponde una frecuencia natural mayor. Cuando se les aplica una tensión de corriente
alterna, cuya frecuencia coincida con su propia de resonancia, se obtiene una gran energía de
vibración.
Para generar ultrasonidos basta aplicar un voltaje de corriente alterna de una frecuencia
superior a 15000Hz y coincide con la de resonancia del cristal. Las vibraciones de este último
se transmiten al espacio circundante mediante unas láminas de metal o un diafragma
adecuado.
80
El receptor ultrasónico es también un cristal piezoeléctrico, que recibe las ondas reflejadas por
un objeto. Si la frecuencia de emisión es igual a la natural del cristal detector, sus pequeñas
vibraciones se transforman en una débil señal de corriente alterna que, convenientemente
amplificada, puede actuar sobre el sistema de control.
En la Fig. 43, se muestra un diagrama de bloques de un sistema ultrasónico.
GENERADOR ULTRASONICO
CIRCUIT
OBJETO
OSCIL.
TRANSM.
DETECTOR ULTRASONICO
SECCION
DE
RELOJ
AMPLIF.
CONTROL
SALIDA PROCESADA
Fig. 43. Diagrama de bloques de un sistema ultrasónico.
2.3 SENSORES MEDIDORES DE PEQUEÑOS DESPLAZAMIENTOS Y
DEFORMACIONES.
Este tipo de sensores se utiliza para la detección de pequeños desplazamientos, deformaciones,
rugosidad y planitud de superficies, etc. Se emplean también unidos a sólidos deformables,
como sensores indirectos de esfuerzos (fuerza o par).
2.3.1 TRANSFORMADORES DIFERENCIALES.
El transformador diferencial dispone de un primario y dos secundarios idénticos acoplados
magnéticamente al primario mediante un núcleo móvil. Dicho núcleo se une a un palpador o
vástago, cuyo desplazamiento se va a medir, de tal forma que, en posición de reposo, el núcleo
81
está colocado simétricamente respecto a ambos secundarios y, al desplazarse, queda
descentrado. Mecánicamente el desplazamiento del núcleo puede ser lineal o rotativo.
Tanto en los transformadores de desplazamiento lineal (LVDT), Fig. 44, como angular
(RVDT), Fig. 45, los dos secundarios se suelen conectar en oposición, de tal forma que, en la
posición cero, las tensiones inducidas en cada uno de ellos son iguales y, por tanto, la tensión
total obtenida es nula. Si el núcleo se desplaza, las tensiones de los secundarios dejan de ser
iguales y la tensión U2 resultante varía en módulo y signo según la magnitud y sentido del
desplazamiento.
Con este tipo de sensores se pueden alcanzar resoluciones de algunas
décimas de milímetro y mediciones de rotaciones de hasta 180º.
Fig. 44. Transformador diferencial lineal.
82
Fig. 45. Transformador diferencial rotativo.
Una ventaja importante del LVDT es que no hay ningún contacto físico entre el núcleo y la
bobina y por lo tanto no existe fricción o desgastes sin embargo hay fuerzas magnéticas
radiales y longitudinales en todo el tiempo. Estas fuerzas magnéticas pueden considerarse
como resortes magnéticos que intentan cambiar de sitio el núcleo a su posición nula. Éste
puede ser un factor crítico en algunas aplicaciones.
Un problema con LVDTs es que no puede ser fácil de hacer las dos mitades del secundario
idéntico; su inductancia, resistencia, y capacitancia pueden ser diferentes.
Para desplazamientos de unos milímetros o ángulos de giro de hasta unos 45º, la relación de
amplitudes secundario / primario varía casi linealmente con el desplazamiento alcanzándose
linealidades entre 0.5% y 1% sin histéresis apreciable.
2.3.2 GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS
Las galgas extensiométricas son sensores de deformaciones basados en la variación de
resistencia de un hilo conductor calibrado o, más recientemente, resistencias construidas a
base de pistas de semiconductor.
Se utilizan generalmente combinadas con muelles o piezas deformables, para detectar de
forma indirecta esfuerzos de tracción, compresión, torsión, etc. En definitiva más que como
sensores de desplazamiento se usan como transductores de desplazamiento o de par.
83
Se describen a continuación los dos tipos básicos de galgas extensiométricas: las de hilo y las
de semiconductor.
Galgas de hilo. En este tipo de galgas la resistencia esta formada por un hilo dispuesto en
forma de zigzag sobre un soporte elástico, con una orientación preferente según se encuentra
la mayor parte de la longitud del hilo (Fig. 46).
Fig. 46. Galga extensiométrica de hilo.
Al deformarse la galga por tracción en la dirección preferente, se produce un alargamiento del
hilo y una disminución de su sección y, por lo tanto, una variación de su resistencia según la
ley:
R=ρ
l
S
Donde:
(13)
R: Resistencia,
ρ: Resistividad del material ( Ω ),
l : Longitud del hilo ( cm ),
S: Sección del hilo ( cm2 )
En las galgas de hilo la variación de la resistencia se produce por dos causas simultáneamente,
el aumento de la longitud y la disminución de sección, manteniéndose prácticamente constante
la resistividad.
84
Además teniendo en cuenta que las deformaciones longitudinales y transversales de un cuerpo
elástico están ligadas por el módulo de Poisson, µ, se puede escribir la siguiente ecuación:
dR = R(1 + 2µ )
Donde,
dl
l
(14)
dR: variación de la resistencia
R: resistencia
dl/l: variación unitaria de la resistencia
µ: coeficiente de Poisson.
En base a la ecuación anterior se dice que la variación unitaria de la resistencia dR/R está
ligada con la variación unitaria de longitud dl/l, por un coeficiente constante
( 1+2µ ), que se denomina coeficiente de sensibilidad.
A fin de poder medir variaciones dR significativas, la galga tiene una resistencia alta, entre
100 y 1000Ω, y funciona con un consumo muy bajo de corriente, para evitar en lo posible que
el efecto Joule provoque variaciones importantes de resistencia por calentamiento.
La medición de deformaciones requiere una meticulosa colocación de las galgas y una
calibración laboriosa, dado que el coeficiente de sensibilidad suele ser muy pequeño.
Galgas de semiconductor. En las galgas de semiconductor la variación de resistencia se
produce simultáneamente por el efecto de alargamiento y estricción de una pista de
semiconductor y por un efecto piezoeléctrico ( variación de la resistividad por deformación del
semiconductor ).
85
En dichas galgas la expresión que liga la deformación longitudinal con la variación unitaria de
resistencia es la siguiente:
dR
dl
= (1 + 2µ + π e E )
R
l
(15)
En donde, dR/R: Variación unitaria de resistencia,
µ: Módulo de Poisson,
E : Módulo de Young ( esfuerzo / deformación),
dl / l: Variación unitaria de longitud
πe: Coeficiente de piezorresistividad.
El coeficiente de piezorresistividad toma valores típicos entre 100 y 200 para los
semiconductores más frecuentes, con lo cual la sensibilidad de dichas galgas es mucho mayor
que las de hilo.
No obstante, la resistividad de los semiconductores tiene una gran dependencia de la
temperatura y esto obliga a compensarlas térmicamente y dificulta en cierto modo la
calibración.
86
CAPÍTULO 3.
SENSORES DE TEMPERATURA.
Los sensores de temperatura son específicamente apropiados para medir temperatura en
medios líquidos y gaseosos. Las áreas de aplicación están siendo encontradas en instalaciones
de calefacción, horno, equipos de laboratorio, construcción de aparatos y máquinas, así como
en la industria en general.
Atendiendo al principio de funcionamiento de la mayoría de sensores industriales, se pueden
distinguir los siguientes grupos.
Sensores de temperatura todo o nada: interruptores que conmutan a un cierto valor de
temperatura, en general con una cierta histéresis. Ejemplo: los termostatos.
Termorresistencias: sensores de tipo analógico basados en el cambio de resistividad
eléctrica de algunos metales o semiconductores con la temperatura.
Termopares: establece que hay un flujo de corriente eléctrica en un circuito de dos
metales diferentes si las dos uniones están a temperaturas diferentes.
Pirómetros. Sensores de tipo analógico ó digital, utilizables en general para altas
temperaturas, que están basados en la radiación térmica emitida por los cuerpos
calientes.
3.1 TERMOSTATOS.
Los termostatos son sensores con salida todo o nada que conmuta a un cierto valor de
temperatura. Los más simples se basan en la diferencia de dilatación de dos metales y los más
sofisticados se suelen construir
comparadores con histéresis.
a base de un sensor de tipo analógico y uno o varios
87
Los de tipo bimetálico trabajan con base en el principio de que los metales se expanden con la
temperatura y que los coeficientes de expansión no son los mismos para todos los metales. El
elemento sensitivo se compone de dos metales diferentes que se unen en una tira, el
coeficiente de expansión de uno de los metales es alto, y del otro es bajo.
Generalmente la expansión con la temperatura es baja, y por esta razón la tira bimetálica se
enrolla en forma de espiral; conforme la temperatura se incrementa, la espiral tiende a
combarse hacia el lado del metal con bajo coeficiente térmico.
Los de tipo bimetálico se utilizan típicamente en sistemas de climatización y en algunas
aplicaciones industriales como interruptores de protección. Los formados por una sonda
analógica y un sistema comparador tienen la ventaja de ser, en general, regulables, y de poder
utilizar sondas de muy pequeño tamaño (sensores PTC o NTC de semiconductor) que pueden
ubicarse en el interior de bobinados, máquinas, recintos con atmósferas explosivas u otros
emplazamientos donde se requiere que ocupen poco espacio o que no se produzca arco
eléctrico por apertura de un circuito.
3.2 TERMORRESISTENCIAS
Estos dispositivos son elementos que se basan en el principio de que la resistencia eléctrica de
los metales puros se incrementa con la temperatura y, ya que la resistencia eléctrica se puede
medir con bastante precisión, esto proporciona un medio para medir la temperatura con mucha
exactitud.
3.2.1 DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS, RTD.
Las termorresistencias RTD de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por
un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de
una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella
con cemento para impedir que absorba humedad.
Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias RTD son
fundamentalmente platino, níquel, níquel-hierro, cobre y tungsteno.
88
Los conductores eléctricos presentan, en general, un aumento de resistencia con la
temperatura, según una ley que puede expresarse en forma simplificada por la siguiente
ecuación:
RT = R0 [1 + α (TT − T0 )]
Donde,
(16)
RT: Resistencia del conductor a la temperatura TT
R0: Resistencia del conductor a la temperatura T0
α : Coeficiente térmico de resistencia.
T0: Temperatura a las condiciones iniciales.
TT: Temperatura a las condiciones finales.
Aprovechando esta propiedad, se construyen sondas de temperatura, pero para ello se requiere
un material cuyo coeficiente se mantenga relativamente constante y que dé una buena
sensibilidad. Las sondas industriales se suelen construir a base de platino, material cuyo
coeficiente térmico es de 0.00385 ohm/ohm ºC. Dichas sondas suelen tener un valor nominal
de 100Ω a 0ºC de donde se deriva el nombre de Pt100.
Las sondas Pt100 son aptas como sensores para un amplio margen de temperaturas que va
desde –250ºC hasta 850ºC, con una muy buena linealidad entre –200ºC y 500ºC.
El platino tiene bastante importancia en la fabricación de estos elementos debido a la cercana
linealidad que presenta con la temperatura, amplio rango de operación, y superior estabilidad
a largo plazo
Las termorresistencias de platino pueden medir el rango más amplio de temperaturas son las
más exactas y estables por no ser fácilmente contaminadas por el medio en que se encuentran,
y su relación resistencia-temperatura es más lineal que la de cualquier otro material con la
excepción del cobre.
89
Las termorresistencias de níquel no están en condiciones de medir temperaturas tan elevadas
como lo hacen los sensores de platino. Los limites de alcance para las termorresistencias de
níquel están aproximadamente en - 60 ºC y 180 ºC
La principal ventaja del níquel, además de posibilitar termorresistencias más económicas, es
su capacidad de ser linealizado con bastante facilidad utilizando un circuito puente. Esta
ventaja sin embargo, ya no es tan importante hoy en día cuando la introducción de
componentes semiconductores de bajo costo han hecho posible la linealización de los sensores
de platino a un costo comparable al de los sensores de níquel.
Las
termorresistencias
de
cobre
presentan
la
más
lineal
relación
resistencia - temperatura entre todas las termorresistencias pero también tienen las desventajas
de un rango estrecho de temperatura entre –200 ºC y 150 ºC y una baja resistividad. La baja
resistividad implica la necesidad de usar alambres finos de poco diámetro
Las termorresistencias de tungsteno no han encontrado una utilización amplía puesto que el
tungsteno ha probado ser menos estable que otros materiales. Sin embargo, su mayor
resistencia mecánica permite emplear alambres extremadamente finos, lográndose de esta
manera termorresistencias de elevada resistencia eléctrica.
3.2.2 TERMISTORES.
Con los elementos termistores se detectan cambios muy leves de temperatura. Los termistores
se fabrican con la combinación sinterizada de material cerámico y alguna clase de oxido
metálico semiconductor, como níquel, manganeso, cobre, titanio ó hierro.
En los termistores se tiene un coeficiente de resistividad muy negativo, o algunas veces
positivo.
Algunas de las ventajas son el tamaño pequeño y el bajo costo; sus principales desventajas
estriban en que la relación de la temperatura contra la resistencia no es lineal.
90
Los termistores también se pueden encontrar en el mercado con la denominación NTC
(Negative Temperature Coeficient ) habiendo casos especiales de coeficiente positivo cuando
su resistencia aumenta con la temperatura y se los denomina PTC (Positive Temperature
Coeficient).
Esta elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte muy
adecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizándoselo ampliamente para
aplicaciones de control y compensación en el rango de 150ºC a 450ºC.
Los modelos
disponibles están en el rango de –100 a 450ºC (no en un mismo modelo).
Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en gases, como en
líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra normalmente
montados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser específicamente diseñados para
posicionarlos y protegerlos adecuadamente, cualquiera que sea el medio donde tengan que
trabajar.
Se los puede adosar fácilmente o montar con tornillos, ir roscados en superficies o
cementados. Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio, plástico, bronce u
otros materiales.
En comparación con los termopares y las termorresistencias RTD, el termistor no ofrece
ventajas de exactitud de salida y estabilidad. Posiblemente, una ventaja importante esté en la
extremadamente elevada sensibilidad del termistor a variaciones de temperatura.
Los termistores no sirven para la medición de temperatura dentro de alcances amplios puesto
que sus variaciones de resistencia son demasiado grandes para que puedan medirse de una
manera adecuada con un solo instrumento.
Los termistores resultan particularmente útiles para medir alcances reducidos de temperatura
justamente a causa de sus grandes variaciones de resistencia.
91
3.3 TERMOPARES.
Un termopar consiste de un par de conductores de diferentes metales o aleaciones. Uno de
los extremos, la junta de medición, está colocado en el lugar donde se ha de medir la
temperatura. Los dos conductores salen del área de medición y terminan en el otro extremo,
la junta de referencia que se mantiene a temperatura constante. Se produce entonces una
fuerza electromotriz (fem) que es función de la diferencia de temperatura entre las dos juntas
Para ciertos materiales existe una relación bastante lineal entre la diferencia de temperaturas y
la fem generada.
Para recoger esta fem se deberán conectar los extremos fríos a conductores de cobre u otro
metal y por el mismo efecto (diferencia de temperatura) aparecerán unas fem de contacto, que
solo se compensaran en el caso de que ambas uniones se mantengan a la misma temperatura.
Para que la tensión de salida sea proporcional a la temperatura en la unión caliente, debe
mantenerse constante la temperatura de las uniones frías, o compensarse la fem a que darían
lugar sus variaciones mediante un circuito adicional. Si se requiere una buena precisión, se
prefiere generalmente compensar las variaciones de temperatura en la unión fría, esto se suele
realizar mediante el empleo de un sensor adicional que por lo general suele ser una NTC.
3.3.1 TIPOS DE TERMOPARES DISPONIBLES EN EL MERCADO.
Hay siete tipos de termopares que tienen designaciones con letras elaboradas por Instrument
Society of America (ISA).
Estos siete termopares se enumeran en la tabla 9. Los alcances de temperatura indicados son
aquellos cuyos valores de fem se encuentran publicados. Asimismo se indican la composición
de termopares y los diámetros de alambre apropiado.
92
Tabla 9. Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas
1
electromotrices (fem) correspondientes a distintos termopares
Tipo
B
R
S
J
K
Denominación
Composición y
símbolo
Rango de
Temperaturas
(ºC) (1)
Platino-rodio
30%
+ PtRh 30% - PtRh
0 ...1500 (1800)
platino-rodio 6%
6%
Platino-rodio 13% + platino PtRh 13% - Pt
0...1400 (1700)
Platino-rodio 10% + platino
Hierro + constatán
PtRh 10% - Pt
0...1300(1600)
-200 ... 700
(900)
Diámetro del
Alambre
Apropiado (2)
fem en mV
(3)
0.35 y 0.5 mm
0...10.094 (13.585)
0.35 y 0.5 mm
0....16.035 (20.215)
0.35 y 0.5 mm
3 mm
0...13.155 (15.576)
-7.89
...
39.130
(51.875)
1mm
-7.89
...
33.096
(45.498)
0...41.269 (52.398)
Fe - CuNi
Niquel-cromo
+
níquel
NiCr - Ni
(Chromel +. Alumel )
T
Cobre + constatán
E
Niquel-cromo + constatán
NiCr - CuNi
(Chromel + constatán )
Cu - CuNi
-200 ... 600
(800)
0...1000(1300)
0 ... 900 (1200)
-200 ... 700
(900)
-200 ... 600
(800)
3 ó 2 mm
1.38 mm
0.5 mm
0...37.325 (48.828)
-5.60
...
14.86
(20.86)
-9.83
...
53.11
(68.78)
3 mm
-8.83
(61.02)
...
45.08
(1) Los valores entre paréntesis son los admitidos en intervalos cortos (no permanentes )
(2) Los diámetros de alambres no son indicativos
(3) Valores de fem (mV) en función de º C , referencia junta fría 0º C
Tipo B ( PtRh 30% - PtRh 6%). Las ventajas del termopar tipo B sobre el tipo R o
tipo S
son su capacidad para medir temperaturas levemente más altas, su mayor estabilidad y
resistencia mecánica, y su aptitud de ser utilizado sin compensación de junta de referencia para
fluctuaciones normales de la temperatura ambiente. Los termopares tipo B resultan
satisfactorios para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1700º
C. También resultan satisfactorios durante cortos períodos de tiempo en vacío.
Las desventajas del termopar tipo B son su baja tensión de salida y su incapacidad para ser
utilizado en atmósferas reductoras (como hidrógeno o monóxido de carbono) y cuando se
encuentran presentes vapores metálicos (de plomo o zinc) o no metálicos (de arsénico, fósforo
o azufre). Nunca se le debe usar con un tubo de protección metálico o termovaina (a partir de
aquí, simplemente se le menciona como vaina).
1
Fuente: http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/index.htm
93
Tipo R (PtRh 13% - Pt). Los termopares tipo R pueden ser utilizados en forma continua en
atmósferas oxidantes o inertes hasta 1400º C. No son tan estable como el tipo B en vacío. La
ventaja del termopar tipo R sobre el tipo B es su mayor fem de salida.
American Society for Testing and Materials (ASTM) establece las siguientes limitaciones que
se aplican al uso de los termopares tipo R:
Nunca se les debe usar en atmósferas reductoras, ni tampoco en aquellas que contienen
vapores metálicos o no metálicos u óxidos fácilmente reducidos, a menos que se les proteja
adecuadamente con tubos protectores no metálicos.
Nunca deben ser insertados directamente dentro de una vaina metálica.
Tipo S (PtRh 10 % - Pt). El termopar tipo S, es el termopar original platino-rodio. Es el
estándar internacional (Escala Práctica Internacional de Temperaturas de 1968, IPTS-68) para
la determinación de temperaturas entre el punto de solidificación del antimonio 630.74º C
(1167.33º F) y el punto de solidificación del oro 1064.43º C (1917º F).
Los termopares tipo S, igual que los tipo R, pueden ser utilizados en forma continua en
atmósferas oxidantes o inertes hasta 1480º C.
Tienen las mismas limitaciones que los
termopares tipo R y tipo B y también son menos estables que el termopar tipo B cuando se les
utiliza en vacío .
Tipo J (Fe - CuNi). El termopar tipo J, conocido como el termopar hierro - constantán, es el
segundo más utilizado en los EEUU. El hierro es el conductor positivo, mientras que para el
conductor negativo se recurre a una aleación de 55 % de cobre y 45 % de níquel (constantán).
Los termopares tipo J resultan satisfactorios para uso continuo en atmósferas oxidantes,
reductoras e inertes y en vacío hasta 760º C. Por encima de 540º C, el alambre de hierro se
oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su vida
en servicio. La ventaja fundamental del termopar tipo J es su bajo costo.
94
Las siguientes limitaciones se aplican al uso de los termopares tipo J:
9
No se deben usar en atmósferas sulfurosas por encima de 540º C.
9
A causa de la oxidación y fragilidad potencial, no se les recomienda para
temperaturas inferiores a 0º C.
9
No deben someterse a ciclos por encima de 760º C, aún durante cortos períodos
de tiempo, si en algún momento posterior llegaran a necesitarse lecturas exactas
por debajo de esa temperatura.
El constantán utilizado para termopares tipo J no es intercambiable con el constantán de los
termopares tipo T y tipo E, ya que el constantán es el nombre genérico de aleaciones cobreníquel con un contenido de cobre entre 45 % y 60 %.
Los fabricantes de los termopares tipo J regulan la composición del conductor de
cobre-
níquel de manera que la fem de salida del termopar siga la curva de calibración publicada.
Los elementos fabricados por las distintas empresas, con frecuencia no son intercambiables
para el mismo tipo de termopar.
Tipo K (NiCr Ni). El termopar tipo K se le conoce también como el termopar
Alumel (marcas registradas de Hoskins Manufacturing Co, EEUU).
Chromel-
El Chromel es una
aleación de aproximadamente 90% de níquel y 10% de cromo, el Alumel es una aleación de
95% de níquel, más aluminio, silicio y manganeso, razón por lo que la norma IEC,
International Electrotechnical Comition, la especifica NiCr - Ni. El tipo K es el termopar que
más se utiliza en la industria, debido a su capacidad de resistir mayores temperaturas que el
termopar tipo J.
Los termopares tipo K pueden utilizarse en forma continua en atmósferas oxidantes e inertes
hasta 1260º C y constituyen el tipo más satisfactorio de termopar para uso en atmósferas
reductoras o sulfurosas, o en vacío.
95
Tipo T (Cu - CuNi). El termopar tipo T se conoce como el termopar de cobre - constantán.
Resulta satisfactorio para uso continuo en vacío y en atmósferas oxidantes, reductoras e
inertes. Su desventaja reside en el hecho de que su límite máximo de temperatura es de tan
sólo 370º C para un diámetro de 3.25 mm.
Aunque los termopares tipo T resulten adecuados para mediciones debajo de 0º C, ASTM
recomienda para ese propósito a los termopares tipo E.
Tipo E ( NiCr - CuNi ). El termopar tipo E, o Chromel-Constantán, posee la mayor fem de
salida de todos los termopares estándar.
Para un diámetro de 3.25 mm su alcance
recomendado es - 200º C a 980º C.
Estos termopares se desempeñan satisfactoriamente en atmósferas oxidantes e inertes, y
resultan particularmente adecuados para uso en atmósferas húmedas.
3.3.2 DISEÑO DE LOS TERMOPARES.
Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termopares son:
9 Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente.
9 Deben producir una salida eléctrica mensurable, y estable.
9 Deben tener la precisión requerida.
9 Deben responder con la velocidad necesaria
9 Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la
lectura.
9 Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa
9 Deben ser económicos.
Hay una gran variedad de diseños de termopares para numerosas aplicaciones. En su diseño
más común, los conductores (alambres) de los materiales deseados se juntan, normalmente
mediante soldadura, para formar la junta de medición. Los alambres son separados, después de
la junta soldada y aislados, normalmente por medio de una sustancia como es la fibra de
vidrio, resina fluorocarbonada (por ejemplo, teflón), aisladores cerámicos, fibra cerámica,
polvo cerámico, etcétera.
96
Los alambres pueden usarse desprotegidos o instalados dentro de un tubo o vaina de
protección. Los tubos y las vainas de protección se usan casi siempre con los termopares
básicos; mientras que los termopares provistos de blindaje protector metálico pueden brindar
suficiente protección química y mecánica sin tubo o vaina en la mayoría de los casos.
3.3.3 VAINAS Y TUBOS DE PROTECCIÓN.
Puesto que son muchas las aplicaciones que hacen exponer el alambre del termopar a
condiciones ambientales adversas, por lo general los termopares han de contar con protección.
Los tubos y las vainas de protección se eligen generalmente en base a las condiciones
corrosivas que se esperaran, más consideraciones de abrasión, vibración, porosidad, velocidad
de fluido, presión, costo y requerimientos de reemplazo y montaje.
Los tubos de protección son similares a las vainas, salvo el hecho de que no permiten un
montaje hermético a presión en el recipiente de proceso. Por lo general, los tubos se utilizan
en instalaciones a presión atmosférica. Se fabrican de metal o materiales cerámicos, como
porcelana, mullite, sillimanita, carburo de silicio, grafito, óxido de aluminio, acero y otras
aleaciones.
Los termopares de platino requieren normalmente un conjunto de dos tubos para impedir la
contaminación por vapores metálicos o gases reductores. El tubo interior se hace de un
material como porcelana o sillimanita y brinda protección contra los gases corrosivos. El
tubo exterior se hace de grafito, carburo se silicio o sillimanita porosa, para lograr resistencia
mecánica y protección contra shock térmico.
3.3.4 RESPUESTA TÉRMICA.
El tiempo de respuesta con vainas y tubos será de tres a diez veces mayor que con los
termopares sin protección.
Los métodos generalmente utilizados para minimizar el tiempo de respuesta consisten en
proveer un contacto entre el sensor y el interior de la vaina por medio de una carga a resorte, o
bien obtener una tolerancia estrecha entre el diámetro exterior del sensor y el diámetro interior
97
de la vaina. Esto minimiza la separación de aire que hace más lenta la transferencia de calor
desde la vaina al sensor.
Otra manera de minimizar el retardo de la respuesta es el de agregar una pequeña cantidad de
aceite o grafito en polvo y aceite dentro de la vaina. El relleno no debe congelarse o hervir a
las temperaturas encontradas en el proceso, y no debe reaccionar químicamente ni con la vaina
ni con el sensor. Para las instalaciones horizontales o con el extremo abierto hacia abajo, se
puede usar grafito en grasa en lugar del líquido.
Cada uno de los metales tiene una distinta conductividad térmica. Por ejemplo, el acero
inoxidable posee una menor conductividad que el cobre. Sin embargo, los ensayos han
demostrado que no hay una diferencia significativa en el tiempo de respuesta entre una vaina
de acero inoxidable y una vaina de cobre, las diferencias entre las velocidades de transferencia
de calor de las distintas vainas metálicas son insignificantes si se compara la velocidad de
transferencia de calor desde el proceso a la vaina con la velocidad de transferencia de calor
desde la vaina al sensor y con la respuesta del sensor.
Otro factor a tener en cuenta al emplear tubos y vainas es el efecto de conducción. Puesto que
el tubo o la vaina salen fuera del proceso habrá una distribución de gradientes de temperatura a
través de su longitud y si el tubo o la vaina no se encuentran insertados lo suficientemente
profundo dentro del proceso esos gradientes provocarán inexactitudes en la medición. Para
eliminar dicho efecto, la longitud de inserción dentro del proceso debe ser por lo menos diez
veces el diámetro de la vaina exterior.
El tiempo de respuesta también depende del espesor de la pared del tubo o la vaina. Cuanto
más delgada es la pared, más rápida es la respuesta. Puesto que una de las funciones
importantes de los tubos y vainas es brindar resistencia mecánica, habrá un compromiso en el
espesor de la pared entre su velocidad de respuesta y su vida útil.
98
3.3.5 TUBOS DE PROTECCIÓN CERÁMICOS.
Se utilizan tubos cerámicos al presentarse alguna de las siguientes condiciones:
9 El termopar estará expuesto al golpe directo de llama;
9 Existirán gases contaminantes;
9 Las temperaturas serán mayores de lo que pueden tolerar los tubos metálicos (el
umbral de las vainas metálicas es aproximadamente 1200 ºC).
9 Normalmente los termopares de platino requieren un tubo cerámico para lograr
protección contra la contaminación proveniente de hornos y otros gases reductores.
Un conjunto cerámico puede incluir dos tubos, uno primario (interior) y uno secundario
(exterior), o un solo tubo. Con termopares de platino por encima de 1200 ºC, el tubo primario
es de alúmina pura al 99.7% (óxido de aluminio) que es hermético a los gases y adecuado para
temperaturas hasta 1870 ºC.
Debajo de 1200 ºC se puede usar un tubo de porcelana (sillimanita u otras combinaciones de
óxido de aluminio / óxido de silicio). No se puede usar porcelana por encima de 1315 ºC
puesto que libera sílice que contamina el termopar de platino.
Al utilizarse un tubo secundario, éste normalmente consiste de carburo de silicio, que no es
hermético a los gases pero resiste la acción de corte del golpe directo de llama y es más
resistente al shock térmico y mecánico que la alúmina pura (99.7%). Sin embargo, poses una
pobre conductividad térmica.
3.4 PIRÓMETROS
Los pirómetros son instrumentos de medición a distancia de la temperatura de un sistema;
estas medidas a distancia se hacen necesarias si la temperatura a medir es muy elevada, ó si el
sistema está en movimiento.
99
3.4.1 PIRÓMETROS DE RADIACIÓN.
Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan - Boltzman que dice que la
energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la
cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir
W = σ T4
Donde:
(17)
W (potencia emitida) es el flujo radiante por unidad de área,
σ es la constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W / m2 K4) y
T es la temperatura en Kelvin
Los pirómetros de radiación se destinan a medir elevadas temperaturas, por encima de 1600
°C.
Las medidas pirométricas, exactas y cómodas, se amplían cada vez más, incluso para
temperaturas relativamente bajas (del orden de 800 °C).
3.4.1.1 ESTRUCTURA DE LOS PIRÓMETROS DE RADIACIÓN.
Los pirómetros de radiación para uso industrial, se construyen de diversas formas. El medio de
enfocar la radiación que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo; el instrumento suele
ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple termopar.
La fuerza electromotriz se mide con un milivoltímetro o con un potenciómetro, con carácter
indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador.
El espejo cóncavo es a veces preferido como medio para enfocar por dos razones:
1.
La imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes
de onda, puesto que el espejo no produce aberración cromática, en tanto que la lente
puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda.
2.
Las lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una parte considerable de
la radiación de largas longitudes de onda. La radiación reflejada por el espejo difiere
poco en longitud de onda media de la que en él incide.
100
Tipo espejo.
En la Fig. 47 se presenta
esquemáticamente los rangos de un pirómetro de
radiación moderno del tipo de espejo.
La radiación entra, desde una fuente, a través de
una ventana A de sílice vítrea, es reflejada por el
espejo esférico B y llevada a un foco sobre el
diafragma J, en el centro del cual hay una
Fig. 47. Pirómetro de radiación.
abertura C.
La radiación que pasa a través de C es reflejada por el espejo esférico D hacia el receptor E,
donde se forma una imagen de C. La superficie de J se blanquea ligeramente con óxido de
magnesio para que refleje difusamente suficiente luz que haga visible la imagen de la fuente
cuando se mira a través de una lente H colocada detrás de B. El instrumento es orientado por
el observador de manera que la imagen de la porción de la fuente que ha de ser mirada, cubra
la abertura C.
Dado que B no produce ninguna aberración cromática y muy poca aberración esférica, la
imagen de la fuente, colocada a la distancia para la cual está enfocado el espejo, es muy neta y
puede hacerse que una porción muy definida de la imagen cubra C.
Un obturador F ajustable delante de la ventana A sirve para regular el tamaño de la abertura
que deja pasar la radiación de manera que la fuerza electromotriz utilizada de la pila
termoeléctrica se ajuste estrechamente a una temperatura de la tabla de temperaturas y f.e.m.
Tipo lente. Este pirómetro está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que
concentra la radiación del objeto caliente en una pila termoeléctrica formada por varios
termopares de Pt - Pt Rd de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está
enfocada incidiendo directamente en las uniones caliente de los termopares. La f.e.m. que
proporciona la pila termoeléctrica depende de la diferencia de temperaturas entre la unión
caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Esta última coincide con la
de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente.
101
La compensación de éste se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en
paralelo con los bornes de conexión del pirómetro.
La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientales máximas de 120 °C. A
mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua que
disminuyen la temperatura de la caja en unos 10 a 40 °C por debajo de la temperatura
ambiente.
En la medida de bajas temperaturas la compensación se efectúa utilizando además una
resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos
50 °C, valor que es un poco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo
suficientemente bajo como para reducir apreciablemente la diferencia de temperatura útil. El
pirómetro puede apuntar al objeto bien directamente, bien a través de un tubo de mira abierto
(se impide la llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura
en baños de sales para tratamientos térmicos, hornos)
Los tubos pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son de acero inoxidable o
aleaciones metálicas resistentes al calor y a la corrosión y se emplean temperaturas que no
superan generalmente los 1100 °C.
Permiten una respuesta más rápida a los cambios de temperatura que los tubos cerámicos. Los
tubos cerámicos se utilizan hasta 1650 °C.
Un problema de gran importancia es la selección del material de la lente que debe transmitir la
máxima
energía
compatible
con
la
gama
de
radiaciones
emitida:
9 Las lentes de Pyrex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 ºC a 1750 ºC,
9 La lente de sílice fundida en el intervalo de 450 ºC a 1250 ºC y
9 La lente de fluoruro de calcio para temperaturas inferiores.
102
El pirómetro de radiación se puede recomendar en lugar del termoeléctrico en los casos
siguientes:
9 Para la medida de temperaturas de superficies
9 Para medir temperaturas de objetos que se muevan
9 Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los termopares formados por
metales comunes
9 Donde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choques acorten la vida
de un termopar o termorresistencia.
9 Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura.
3.4.2 PIRÓMETROS ÓPTICOS.
En la medición de temperaturas con estos pirómetros se hace uso de una característica de la
radiación térmica: el brillo. El brillo de la radiación en una banda muy estrecha de longitudes
de onda emitidas por una fuente, cuya temperatura ha de medirse, es confrontado visualmente
con el brillo, en la misma banda, de una fuente calibrada.
3.4.2.1 ESTRUCTURA DE LOS PIRÓMETROS ÓPTICOS.
El pirómetro óptico empleado en la determinación de altas temperaturas tales como las
temperaturas de fusión del platino, del molibdeno o del tungsteno, es del tipo de filamento
cuya imagen desaparece. En la Fig. 48 se muestra la estructura típica de un pirómetro óptico.
Fig. 48. Estructura de un pirómetro óptico.
103
Un telescopio es enfocado sobre el objeto incandescente cuya temperatura se va a medir. El
filamento de tungsteno de una lámpara de alto vacío está situado en el plano focal del objetivo
del telescopio. El ocular es enfocado sobre este plano, e incluye un filtro de vidrio rojo que
sólo transmite una estrecha banda de longitudes de onda visible centrada en 0.65 micras. El
filamento de tungsteno es calentado por la corriente de una batería, corriente regulada por un
reóstato y medida, preferiblemente, por un método potenciométrico. Para hacer una medición,
las imágenes superpuestas de la fuente y del filamento son confrontadas en brillo ajustando la
corriente del filamento. Cuando el brillo es igual, el filamento desaparece contra el fondo de la
imagen de la fuente. El filamento aparece como línea oscura o brillante, según que sea menos
brillante o más brillante que la imagen de la fuente.
Cuando se ha conseguido la desaparición del filamento, se lee la corriente, o bien, si la escala
de corrientes está graduada en temperaturas, se lee ésta directamente.
104
3.5 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SENSORES DE MEDICIÓN DE
TEMPERATURA.
A manera de resumen en la tabla 10 se presentan las ventajas y desventajas de los dispositivos
sensores de medición mencionados anteriormente.
Tabla 10. Características de los sensores de temperatura.
Características de los sensores de temperatura .
Elemento sensor
Ventajas
Desventajas
Termómetro bimetálico
Menos sujetos a ruptura
Lectura en cuadrante
Termorresistencias RTD
Precisión del sistema
Respuesta rápida.
Tamaño pequeño.
Termistores
Tamaño pequeño.
Respuesta rápida.
Bueno para rangos estrechos.
Bajo costo, estable.
No hay unión fría.
Tamaño pequeño,
Bajo costo,
Termopar
Montaje practico.
Rango amplio.
No hay contacto físico.
Rango amplio, respuesta
Pirómetro de radiación y óptico.
rápida.
Medición en áreas pequeñas.
La calibración cambia con el
manejo rudo.
El autocalentamiento puede ser un
problema.
La desviación a largo plazo excede
a la del termopar.
Algunos modelos son caros y
difíciles de montar.
Amplia respuesta no lineal.
No son adecuados para rangos
amplios.
La alta resistencia hace que el
sistema sea susceptible a la
inducción de ruido de las líneas de
energía.
La lectura no es tan simple.
El trabajo con los alambres fríos
puede afectar la calibración.
Mas frágil que los otros dispositivos
Escala no lineal.
105
3.6 APLICACIONES DE LOS SENSORES DE TEMPERATURA.
Las aplicaciones más frecuentes para este tipo de elementos sensores se dan a conocer en la
tabla 11.
Tabla 11. Aplicaciones de los sensores de temperatura.
Elemento
sensor
Aplicaciones más frecuentes.
Termostatos
Por el tipo de salida que estos presentan se utilizan típicamente en sistemas de
climatización y en algunas aplicaciones industriales como interruptores de protección.
RTD
Medición de la temperatura en tuberías de líquidos y gases.
Control de procesos de forma automatizada.
Para medición de temperaturas en recintos con atmósferas corrosivas u oxidantes.
Control de temperatura en máquinas industriales.
Protección térmica de motores eléctricos.
Proceso de transformación del plástico, vidrio y cerámica.
Termistores
Sistemas de control automatizados.
Industria manufacturera de alimentos.
Dispositivos de control de la temperatura en maquinaria industrial.
Medición del nivel de aceite en automóviles.
En el control del nivel de líquidos.
En el arranque de motores eléctricos.
Termopares
Medición de la temperatura en tuberías de distribución de líquidos y gases.
Procesos de fabricación como fundición de metales de baja temperatura de fundición
Útiles en atmósferas corrosivas.
Medición de temperatura en hornos, ductos de aire y cambiadores de calor.
Fabricación del plástico y objetos de cerámica.
Sistemas de control automatizados.
Industria alimenticia.
Industria química.
Pirómetros
Medida de la temperatura en hornos.
Industria de la producción del acero.
Industria de la producción del cobre, y en general en cualquier proceso de fundición.
Industria petroquímica,
En calderas para medir la temperatura de la llama,
Medida de la temperatura en procesos de tratamiento térmico de los metales, etc.
106
CAPÍTULO 4.
ACCIONADORES.
4.1 ACCIONADORES ELÉCTRICOS.
En general, un sistema eléctrico
se puede considerar accionador cuando produce una
determinada acción: conmutadores de tipo on – off, solenoides en los que una corriente se usa
para producir el desplazamiento de un núcleo de hierro; o motores eléctricos, en los que una
corriente es usada para producir un movimiento de rotación continuo.
Este apartado se centra exclusivamente en los motores eléctricos, pese a la importancia que
tienen en el desarrollo de la producción dentro de la industria.
Los motores eléctricos dependiendo del tipo de corriente que consumen, se pueden clasificar
en motores de corriente alterna y motores de corriente continua ó directa.
4.1.1 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA.
Los motores de corriente alterna, dependiendo del tipo de corriente que éstos consumen se
pueden clasificar en motores de corriente alterna trifásicos y motores de corriente alterna
monofásicos.
Existen dos clases principales de motores de corriente alterna trifásica:
los motores
sincrónicos y los motores de inducción. Los motores sincrónicos son motores cuya corriente
de campo magnético es suministrada por una fuente dc separada, mientras que los motores de
inducción son motores cuya corriente de campo magnético es suministrada por inducción
magnética (acción transformadora) en sus devanados de campo. Los circuitos de campo de la
mayoría de las maquinas sincrónicas y de inducción están localizados en sus rotores.
4.1.1.1 MOTORES SINCRÓNICOS
Los motores sincrónicos son maquinas utilizadas para convertir potencia eléctrica en potencia
mecánica.
107
En general los motores sincrónicos son más adaptables a aplicaciones de bajas velocidades y
altas potencias que los motores de inducción. Por tanto son utilizados para cargas de baja
velocidad y alta potencia.
4.1.1.1.1 PRINCIPIOS BÁSICOS DE OPERACIÓN
En este tipo de motores la corriente de campo del motor produce un campo magnético de
estado estacionario. Un conjunto trifásico de voltajes se aplica al estator de la maquina, que
produce un flujo de corriente trifásica en los devanados; este conjunto trifásico de corrientes
en el devanado produce un campo magnético uniforme rotacional.
En este momento hay dos campos magnéticos presentes en el motor, y el campo rotórico
tendera a alinearse con el campo estatórico.
Puesto que el campo magnético del estator es rotante, el campo magnético del rotor ( y el rotor
en si mismo ) tratara constantemente de emparejarse con él. Cuanto mayor sea el ángulo entre
los dos campos magnéticos, mayor es el par sobre el rotor de la maquina. El principio básico
del motor sincrónico es que el rotor “ persigue” el campo magnético rotante del estator
alrededor de un circulo sin emparejarse del todo con él.
4.1.1.1.2 CONSTRUCCIÓN DE MOTORES SINCRÓNICOS.
En esencia el rotor de un motor sincrónico es un gran electroimán. Los polos magnéticos del
rotor pueden ser construidos salientes o no salientes. El termino saliente significa “proyectado
hacia fuera”; un polo saliente” es un polo magnético que se proyecta hacia fuera de la
superficie del rotor. Por otro lado, un polo no saliente es un polo magnético construido al
mismo nivel de la superficie del rotor.
Los rotores de polos salientes se utilizan en rotores de dos y cuatro polos, mientras que los
rotores de polos salientes se utilizan en rotores de cuatro o más polos.
Se debe suministrar una corriente dc al circuito de campo del rotor. Puesto que el rotor esta
girando, se requiere un arreglo especial para entregar potencia dc a sus devanados de campo.
108
Las dos formas comunes de suministrar esta potencia son:
1. Suministrar la potencia dc desde una fuente dc externa al rotor por medio de
anillos
rozantes y escobillas.
2. Suministrar la potencia dc desde una fuente especial montada directamente en el eje
del motor sincrónico.
Los anillos rozantes son anillos metálicos que circundan el eje del motor pero se encuentran
aislados de él. Un extremo del devanado del rotor dc esta unido a cada uno de los dos anillos
rozantes colocados sobre el eje del motor sincrónico, y una escobilla estacionaria se desliza
sobre cada anillo rozante. Una escobilla es un bloque de un compuesto de carbón grafitado
que conduce la electricidad libremente y tiene muy baja fricción para no desgastarse con el
anillo rozante.
Los
anillos rozantes y las escobillas crean algunos problemas cuando se utilizan para
suministrar potencia dc a los devanados de campo del motor sincrónico, pues exigen mas
mantenimiento en el motor ya que se deben revisar con regularidad las escobillas debido a su
desgaste. Además la caída de tensión en las escobillas puede causar perdidas significativas de
potencia en las maquinas que tienen grandes corrientes de campo.
A pesar de estos
problemas, los anillos rozantes y las escobillas se usan en todos los motores sincrónicos
pequeños ya que ningún otro método de suministro de la corriente de campo dc es adecuado
por el costo.
En motores grandes, se utilizan excitadores sin escobillas para suministrar la corriente de
campo dc.
4.1.1.2 MOTORES DE INDUCCIÓN.
Los motores de inducción son llamados así porque el voltaje del rotor ( que produce la
corriente y el campo magnético del rotor ) es inducido en los devanados del rotor en lugar de
estar físicamente conectado a través de alambres. La característica distintiva de un motor de
inducción es que no se requiere corriente de campo dc para operar la maquina.
109
Un motor de inducción tiene físicamente el mismo estator que una maquina sincrónica, pero la
construcción del rotor es diferente. Hay dos tipos diferentes de rotores que pueden disponerse
dentro del estator del motor de inducción. Uno de ellos se llama rotor de jaula de ardilla o
simplemente rotor de jaula, mientras que el otro es llamado rotor devanado.
Un rotor de jaula de ardilla consiste en una serie de barras conductoras dispuestas entre
ranuras labradas en la cara del rotor y cortocircuitadas en cada extremo por anillos de
cortocircuitado (Fig. 49).
Fig. 49. Rotor de jaula de ardilla
Este diseño hace referencia a un rotor de jaula de ardilla debido a que los conductores
examinados en si mismos se parecerían a los de las ruedas de ejercicio de las ardillas o
hamters.
El otro tipo de rotor es el rotor devanado (Fig. 50).
Fig. 50. Rotor devanado típico, para motor de inducción. Nótense los anillos rozantes y las barras
que conectan los devanados del rotor a los anillos rozantes.
110
Un rotor devanado tiene un grupo completo de devanados trifásicos que son las imágenes
especulares de los devanados del estator.
Las fases de los devanados del rotor están
conectados usualmente en Y, y los extremos de los tres alambres del rotor están unidos a
anillos rozantes dispuestos sobre el eje del rotor.
Los devanados del rotor están
cortocircuitados a través de escobillas montadas en los anillos rozantes. En los motores de
inducción de rotor devanado, sus corrientes rotóricas son accesibles en las escobillas del
estator, donde pueden ser examinadas y donde se puede insertar resistencia extra al circuito
del rotor. Es posible obtener ventaja de este hecho para modificar la característica parvelocidad del motor.
4.1.1.2.1 CLASES DE DISEÑO DE MOTORES DE INDUCCIÓN.
Es posible producir gran variedad de curvas par-velocidad cambiando las características del
rotor de los motores de inducción. Para ayudar a la industria a seleccionar de modo adecuado
los motores destinados a diversas aplicaciones en el rango completo de caballos de fuerza, la
National Electrical Manufacturers association, NEMA
y la International Electrotechnical Comition, IEC, han
definido una serie de diseños estándar con diferentes
curvas par-velocidad.
La Fig. 51 muestra curvas típicas par-velocidad para
las cuatro clases NEMA estándar de diseño.
Los
rasgos característicos de cada clase de diseño estándar
se presentan a continuación:
Diseño clase A. Estos motores son de diseño estándar
con un par de arranque normal, corriente de arranque
normal y bajo deslizamiento. El par máximo equivale
a entre 200 y 300% del par de plena carga y ocurre a
un bajo deslizamiento (menos de 20%).
El par de
arranque de este diseño equivale por lo menos, al
Fig. 51. Curvas características
típicas para diferentes diseños de
rotores.
nominal de los motores grandes y es 200% o más del
par nominal de los motores pequeños.
111
El problema principal de esta clase de diseño es la extremadamente alta corriente en el
arranque. Los flujos de corriente en el arranque equivalen a entre 500 y 800% de la corriente
nominal. Si la potencia sobrepasa 7.5hp, se debe utilizar alguna forma de voltaje reducido en
el arranque de estos motores, para evitar problemas de caída de voltaje en el sistema de
potencia al cual se hallan conectados.
Estos motores se utilizan en
ventiladores, sopladores, bombas, tornos y otras maquinas
herramientas.
Diseño clase B. Los motores de diseño clase B tienen par de arranque normal, baja corriente
de arranque y bajo deslizamiento. Este motor produce casi el mismo par de arranque que el
motor de clase A con cerca de 25% menos corriente. El par máximo es mayor o igual a 200%
del par de carga nominal, pero menor que el del diseño clase A, debido al aumento de la
reactancia del rotor.
El deslizamiento del rotor es relativamente bajo (menos del 5%), aun a plena carga. Las
aplicaciones son similares a la de los motores de diseño clase A, pero los de diseño clase B
han reemplazado ampliamente a los motores de diseño clase A en las nuevas instalaciones.
Diseño clase C.
Los motores de diseño clase C tienen alto par de arranque con bajas
corrientes de arranque y bajo deslizamiento ( menos de 5%) a plena carga. El par máximo es
un poco menor que el de los motores de clase A, mientras que el par de arranque es hasta
250% del par de plena carga.
Estos motores son construidos con rotores de doble jaula; por lo tanto, son más costosos que
los motores de las clases ya indicadas. Se utilizan para cargas con alto para de arranque, como
bombas, compresores y transportadores.
Diseño clase D. Los motores de diseño clase D tienen alto par de arranque ( 275% o más del
par nominal) y una baja corriente de arranque, pero también tienen alta deslizamiento a plena
carga. En esencia son motores de inducción de clase A comunes, pero las barras del rotor son
más pequeñas y la resistencia del material es más elevada. La alta resistencia del rotor
desplaza el par máximo hacia una velocidad muy baja.
112
También es posible que el par máximo ocurra a velocidad cero ( 100% de deslizamiento). En
estos motores, el deslizamiento a plena carga es bastante alto debido a la alta resistencia
rotorica. Está típicamente entre 7 y 11%, pero puede llegar a 17% o más. Estos motores se
utilizan en aplicaciones que requieren acelerar cargas de inercias muy altas, en especial
grandes volantes utilizados en cortadoras o troqueladoras.
En tales
aplicaciones, estos
motores aceleran un gran volante de modo gradual hasta alcanzar su plena velocidad, que
luego se transmite a la troqueladora.
Después de la operación de troquelado, el motor
reacelera el volante durante un moderado tiempo hasta la próxima operación. Permitir que el
motor aminore su velocidad en forma significativa cuando se incrementan las cargas le
confiere al sistema una respuesta “suave”, lo cual reduce el choque y los jalones que resiente
el sistema impulsor y la maquina que es impulsada.
Este tipo de motores también se encuentra
en aplicaciones como prensas de punzón,
guillotinas, frenos para prensas para láminas de metal, grúas, elevadores y bombas de pozos
petroleros.
Además de estas cuatro clases de diseño, la NEMA reconoció las clases de diseño E y F que
fueron llamados motores de inducción de arranque suave. Estos diseños se distinguieron por
tener muy bajas corrientes de arranque y se utilizaron para cargas de bajo par de arranque en
situaciones en que las corrientes de arranque eran un problema. Estos diseños están obsoletos
hoy en día.
4.1.1.3 MOTORES MONOFÁSICOS.
Los apartados anteriores estuvieron dedicados a la operación de los motores en sistemas de
potencia trifásica. Este apartado esta dedicado al estudio de los los dos principales tipos de
motores de corriente alterna monofásica: el motor universal y el motor de inducción
monofásico.
113
4.1.1.3.1 MOTOR UNIVERSAL.
Estos motores funcionan con corriente alterna o bien corriente directa. Su construcción es
similar a la de un motor DC bobinado en serie, que se describe más adelante. Dentro, el rotor
tiene bobinas eléctricas que están conectadas al circuito externo mediante un conmutador en la
flecha, un tipo de ensamble de anillo de deslizamiento compuesto por varios segmentos de
cobre en los que se desplazan escobillas de carbón fijas. El contacto se mantiene por medio de
una ligera presión de resorte.
Por lo general, los motores universales trabajan a velocidades altas, de 3.500 a 20.000
revoluciones. Esto dá una relación potencia a peso y potencia a tamaño alta para este tipo de
motor, lo que lo hace adecuado para herramientas manuales como taladros, sierras y
mezcladoras de alimentos. Estos motores presentan una regulación deficiente de la velocidad,
es decir, la velocidad varia en gran medida con la carga.
4.1.1.3.2 MOTORES DE INDUCCIÓN MONOFÁSICOS.
Los motores monofásicos de inducción experimentan una grave desventaja, puesto que solo
hay una fase en el devanado del estator, el campo magnético en un motor monofásico de
inducción no rota.
En su lugar, primero pulsa con gran intensidad, luego con menos
intensidad, pero permanece siempre en la misma dirección. Puesto que no hay campo
magnético rotacional en el estator, un motor monofásico de inducción no tiene par de
arranque.
Puesto que el campo magnético del estator no rota, no hay movimiento relativo entre el campo
del estator y las barras del rotor. Por tanto, no hay voltaje inducido debido al movimiento
relativo en el rotor, no fluye corriente debida al movimiento relativo en el rotor, ni hay par
inducido. En realidad, se induce un voltaje en las barras del rotor por acción de transformador
y, puesto que las barras están cortocircuitadas, fluye corriente en el rotor. Sin embargo, este
campo magnético esta alineado con el campo magnético del estator y no produce par neto
sobre el rotor.
Sin embargo, una vez que el motor comienza a girar, se induce un par en él.
114
4.1.1.3.2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN MONOFÁSICOS.
Dependiendo del método que se emplee para producir el par de arranque en los motores
monofásicos, éstos se pueden clasificar en:
9 Devanados de fase partida
9 Devanados con capacitor
9 Polos estatóricos sombreados.
Devanados de fase partida.
Un motor de fase partida es un motor de inducción monofásico de dos devanados estatóricos,
uno principal y otro auxiliar, Fig. 52. Estos dos devanados están separados 90º eléctricos
sobre el estator del motor; el devanado auxiliar esta diseñado para ser desconectado del
circuito a cierta velocidad dada, mediante un interruptor centrífugo.
Fig. 52. Motor de fase dividida.
El devanado auxiliar logra que uno de los campos magnéticos estatóricos rotacionales
opuestos sea mayor que el otro y provee un par de arranque neto para el motor.
En la Fig. 53 se muestra una curva típica par-velocidad.
Los motores de fase partida tienen un par de arranque moderado justamente con baja corriente
de arranque y se utilizan para aplicaciones en las cuales no se requieren muy altos pares de
arranque, tales como: ventiladores, sopladores y bombas centrífugas.
115
Fig. 53. Curva característica par – velocidad resultante.
En un motor de inducción de fase partida, la corriente en el devanado auxiliar alcanza siempre
su valor máximo antes que la corriente en el devanado principal y, por tanto, el campo
magnético del devanado auxiliar alcanza siempre su máximo antes que el del devanado
principal. La dirección de rotación del motor esta determinada por el hecho que el ángulo
espacial del campo magnético del devanado auxiliar este 90º adelante o 90º atrás del ángulo
del devanado principal. Puesto que ese ángulo puede variar de 90º adelante a 90º atrás
conmutando las conexiones del devanado auxiliar, la dirección del motor se puede invertir al
invertir las conexiones del devanado auxiliar mientras permanecen sin
modificar las
conexiones del devanado principal.
Una de las desventajas es que requiere de un interruptor centrífugo para cortar el bobinado de
encendido.
Motores con arranque por capacitor.
Los motores con arranque por capacitor son más costosos que los de fase partida y se utilizan
en aplicaciones en las cuales se requiera un alto par de arranque.
El par de arranque para este tipo de motores puede sobrepasar 300% de su valor nominal.
Aplicaciones típicas de tales motores son los compresores, las bombas, los equipos de aire
acondicionado y otros equipos que deben arrancar con carga.
116
Se distinguen los dos tipos siguientes:
1. Motores con capacitor de encendido. Al igual que los motores de fase partida, el
motor con capacitor de encendido también tiene dos bobinados, uno principal o de
funcionamiento y uno de encendido o de arranque, Fig. 54.
Fig. 54. Motor con capacitor de arranque.
Este tipo de motor tiene un capacitor que se conecta en serie con el bobinado de encendido, lo
cual proporciona un par de encendido o arranque mucho más alto que el motor de fase partida,
(Fig. 55).
Fig. 55. Curva característica de un motor de inducción con arranque por capacitor.
117
Para cortar el devanado o bobinado de encendido y el capacitor se utiliza un interruptor
centrífugo. Así las características de trabajo del motor son muy similares a las del motor de
fase partida: buena regulación de la velocidad y buena eficiencia para operación continua.
Entre las desventajas se incluye el interruptor y el capacitor en alguna medida voluminoso.
El capacitor se suele montar en la parte superior del motor y se nota mucho.
También puede integrarse en un paquete que contiene el interruptor de encendido, un
relevador u otros elementos de control.
Entre los usos que se le dan al motor con capacitor de encendido se incluyen los numerosos
tipos de maquinas que requieren un par de encendido o arranque alto, como transportadores
que se someten a cargas considerables, compresoras para refrigeración, bombas y agitadores
para fluidos pesados.
2. Motores con capacitor de división permanente. Un capacitor se conecta en serie
con el bobinado de encendido todo el tiempo, Fig. 56.
Fig. 56. Motor con capacitor de división permanente.
El par de arranque del motor con capacitor de división permanente es casi siempre en extremo
bajo, de casi 40% o menos del par con carga total, (Fig. 57). Por consiguiente solo se suelen
utilizar en ventiladores y ventiladores con tolva que requieren cargas de inercia baja.
118
Fig. 57. Curva característica de un motor de división permanente.
Los motores con capacitor de división permanente tienen un par de arranque menor que los
motores con capacitor de encendido puesto que el capacitor debe ser dimensionado para
balancear las corrientes en los devanados principal y auxiliar en condiciones normales de
carga.
Motores de polos sombreados.
Un motor de inducción de polos sombreados es aquel que solo tienen el devanado principal.
En lugar de tener devanado auxiliar, tiene polos salientes, y una parte de cada polo esta
envuelta por una bobina cortocircuitada llamada bobina de sombreo, Fig. 58.
Fig. 58. Motor de polo sombreado.
El método de polos sombreados produce menor par de arranque que cualquier otro tipo de
arranque de motores de inducción, Fig. 59. Estos son mucho menos eficientes y tienen mayor
119
deslizamiento que otros tipos de motores de inducción monofásicos. Tales polos se utilizan
solo en motores muy pequeños con requerimientos de par de arranque muy bajos.
Fig. 59. Curva Característica par – velocidad resultante.
Puesto que los motores de polo sombreado cuentan con una bobina de sombreo para su par de
arranque, no hay manera fácil de invertir la dirección de rotación de tales motores. Para llevar
a cabo la inversión, es necesario instalar dos bobinas de sombreo en cada cara polar y cortar
selectivamente una de ellas.
4.1.2 MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA.
Las ventajas de los motores que operan con corriente directa se resumen a continuación:
9 La velocidad puede ajustarse si se utiliza un reóstato simple para ajustar el voltaje que
se aplica al motor.
9 El sentido de rotación es reversible si se invierte la polaridad del voltaje que se aplica
al motor.
9 El control automático de la velocidad es simple para que se adapte a las velocidades de
dos o más motores, o bien, para programar una variación de la
velocidad como
función del tiempo.
9 La aceleración y la desaceleración pueden controlarse para proporcionar el tiempo de
respuesta que se pretende o para disminuir el jaloneo.
9 El par puede controlarse variando la corriente que se aplica al motor.
9 Los motores de DC casi siempre responden rápido.
120
Los motores de DC tienen devanados en el rotor, y cada bobina tiene dos conexiones al
conmutador que se encuentra en la flecha. El conmutador consta de una serie de segmentos de
cobre mediante los cuales la corriente eléctrica es transmitida hacia el rotor.
La trayectoria de la corriente desde la parte fija del motor hacia el conmutador se realiza a
través de un par de escobillas, por lo regular de carbón, que se mantienen en contacto con el
conmutador mediante bobinas ligeras o resortes de hoja.
4.1.2.1 TIPOS DE MOTORES DE DC.
Los tipos de motores de DC que se utilizan mucho son el bobinado en derivación, bobinado
en serie, bobinado compuesto, y los de magneto o imán permanente.
Motor de DC bobinado en derivación. El campo electromagnético se conecta en paralelo con
la armadura giratoria, Fig. 60. La curva par-velocidad muestra una regulación de velocidad
buena en alguna medida hasta aproximadamente dos veces el par con carga total, después de
ese punto se registra una caída rápida. La velocidad sin carga es solo un poco más alta que la
velocidad con carga total. Los motores bobinados en derivación se utilizan sobre todo para
ventiladores y ventiladores con tolva pequeños.
Fig. 60. Curva de respuesta de un motor de DC bobinado en derivación.
121
Motor de DC bobinado en serie. El campo electromagnético está conectado en serie con la
armadura giratoria, como se muestra en la Fig. 61.
la curva par-velocidad es muy
pronunciada, lo que le da al motor un rendimiento suave que es adecuado en grúas, malacates
e impulsores de tracción para vehículos.
Fig. 61. Curva de rendimiento de un motor DC bobinado en serie.
El par de arranque es muy alto.
Sin embargo, una dificultad importante con motores
bobinados en serie es que, en teoría, la velocidad sin carga es ilimitada. El motor puede
alcanzar una velocidad peligrosa si la carga se desconectara en forma accidental. Se sugiere
utilizar dispositivos de seguridad, por ejemplo detectores de velocidad excesiva, que apaguen
el motor.
Motor DC bobinado compuesto. El motor de DC bobinado compuesto emplea tanto un
campo en serie como un campo en derivación, Fig. 62. Su desempeño se encuentra entre el de
un motor bobinado en serie y el de uno bobinado en derivación. El par de arranque que
proporciona es razonablemente alto y una característica de velocidad suave, sin embargo,
presenta una velocidad sin carga que se controla inherentemente. Esto lo hace adecuado para
grúas, las cuales son susceptibles a perder sus cargas en forma súbita.
122
Por seguridad y para fines de control, el motor trabajara despacio cuando se le apliquen cargas
pesadas y cuando se le apliquen cargas ligeras trabajara con rapidez con el objeto de
incrementar la productividad.
Fig. 62. Curva de rendimiento de un motor de DC con bobinado compuesto.
Motores de DC de imán o magneto permanente. El motor de DC de imán o magneto
permanente utiliza magnetos o imanes permanentes a fin de proveer un campo para la
armadura, Fig. 63.
Fig. 63. Curva de rendimiento de un motor DC de imán permanente.
123
El campo es casi constante en todo momento y da por resultado una curva de
velocidad-par lineal. La corriente que se utiliza varia asimismo, de manera lineal, en función
del par. Entre los usos que se le da a motores de este tipo se incluye los ventiladores y
ventiladores con tolva para enfriar paquetes electrónicos en aeronaves, actuadores pequeños
para control en aeronaves, como energía automotriz de apoyo para ventanas y asientos y
ventiladores en automóviles, para calefacción y aire acondicionado. Estos motores suelen
tener integrados reductores de velocidad tipo engrane para generar una salida
de baja
velocidad y par alto.
Motores DC sin escobillas.
Los componentes básicos de un motor DC sin escobillas son: un rotor de imán permanente,
un estator con devanados de tres, cuatro o más fases, un sensor de posición del rotor y un
circuito electrónico para controlar las fases del devanado del rotor.
Un motor dc sin escobillas funciona energizando en cualquier momento una bobina del
estator, con un voltaje dc constante. Cuando se energiza la bobina ésta produce un campo
magnético estatórico y se induce un par sobre el rotor, el cual lo tiende a alinear con el campo
magnético del estator. La clave de la operación de un motor dc sin escobillas es que incluye
un sensor de posición, de modo que el circuito de control sabrá cuando está casi alineado el
rotor con el campo magnético del estator. En este momento se desconecta la bobina y se
energiza la siguiente; entonces el rotor experimenta de nuevo un par y continua rotando.
La electrónica del circuito de control se puede utilizar para controlar tanto la velocidad como
la dirección del motor.
Algunas de sus ventajas principales son:
9 Relativamente alta eficiencia,
9 Larga vida y alta confiabilidad,
9 Poco o ningún mantenimiento,
9 Muy pequeño ruido de radiofrecuencia comparado con un motor dc con escobillas,
9 Son posibles muy altas velocidades
124
Motores paso a paso
En los motores paso a paso el giro del rotor se produce de forma discreta, es decir, gira un
determinado ángulo igual en cada paso. Estos motores son gobernados por un tren de pulsos.
De forma general, están formados por un rotor y por el estator que presenta diferentes circuitos
dispuestos angularmente que activan su polarización de forma secuencial según el tren de
pulsos con que se alimenta.
Hay tres tipos de motores paso a paso:
Reluctancia variable:
este tipo de motor esta compuesto por un rotor de material
ferromagnético que presenta un número de polos inferior a los que tiene el estator, que está
compuesto por una serie de polos que alternan su alimentación por medio de conmutación a
través de un tren de pulsos. Cuando un par de polos del estator son alimentados se produce un
campo magnético al que responde el rotor de forma que se produzca la mínima reluctancia
alineando los polos más cercanos con el campo magnético, y por consiguiente el giro del rotor
(Fig. 64). Las principales características son que presenta rápida aceleración, bajo par y baja
inercia.
Fig. 64. Motor paso a paso de reluctancia variable.
Imanes permanentes. En este caso el rotor esta compuesto por un imán permanente.
Los polos del estator van alternando su alimentación de forma secuencial según un tren de
pulsos de forma que el rotor gira alineando sus polos hasta quedar enfrentado en cada instante
de tiempo con los opuestos en el estator y que en ese momento están alimentados, y por tanto
generando un campo magnético (Fig. 65). Con este tipo de motores es posible conseguir
pasos angulares más pequeños que con el de reluctancia variable, además son más
económicos, aunque son más lentos en aceleración y presentan menos par.
125
Fig. 65. Motor paso a paso de imanes permanentes.
Híbridos. En este tipo de motores combinan las características de los dos anteriores.
Presenta como principal ventaja la alta resolución que se puede conseguir en el paso angular,
siendo muy adecuados para aplicaciones de alta precisión. Son los que mejores características
presentan, alta inercia, alto par y pueden conseguir el menor paso angular. Valores típicos en
estos casos están en torno a 1º por paso.
Por su modo de funcionamiento, los motores paso a paso presentan muy buenas características
en bucle abierto, ya que el control de la posición se puede hacer directamente por el tren de
pulsos de alimentación. Sin embargo, es necesario acudir al control en bucle cerrado cuando
se requiera alta precisión y robustez, ya que pueden existir situaciones en las que no se pueda
asegurar que la posición del rotor se corresponda con la marcada por el tren de pulsos, como
por ejemplo en el caso de una sobrecarga que provoca un par aplicado al rotor superior al que
quede mantenerse por el campo magnético generado.
Con referencia a las características intrínsecas del funcionamiento de los motores paso a paso
en general, éstos se pueden clasificar en dos grandes grupos: de paso completo y de medio
paso.
La diferencia entre uno y otro es que con los motores de medio paso el rotor gira la mitad del
recorrido de un paso normal, con lo que se obtiene una mayor resolución y velocidad, con una
notable reducción de la resonancia.
La velocidad del motor es proporcional a la frecuencia con la que se envían los impulsos de
excitación a los devanados y el par motor disminuye con el aumento de la velocidad.
126
4.2 ELEMENTOS MOTORES DE ACCIONAMIENTO HIDRÁULICO
En los actuadores hidráulicos la fuente de energía es producida por aceite a presión, el cual es
un fluido incompresible.
Dentro de los actuadores hidráulicos se considera los cilindros y los motores hidráulicos.
4.2.1 CILINDROS HIDRÁULICOS.
Los cilindros hidráulicos transforman la energía hidráulica en energía mecánica. Los cilindros
producen movimientos lineales, por lo que también son denominados “motores lineales”. Los
cilindros hidráulicos se clasifican en los dos siguientes tipos básicos: cilindros de simple
efecto y cilindros de doble efecto.
4.2.1.1 CILINDROS DE SIMPLE EFECTO.
En los cilindros de simple efecto, la presión solo actúa sobre el émbolo.
En consecuencia, el cilindro solamente puede trabajar en un sentido.
Estos cilindros funcionan de la siguiente manera:
El fluido sometido a presión entra en la cámara del lado del
émbolo.
En el émbolo se forma una presión por el efecto de la
contrafuerza (carga por peso). Una vez superada esta fuerza, el
cilindro avanza hasta el final de carrera.
Durante el movimiento de retroceso, la cámara del lado del
émbolo está conectada con el depósito a través de la tubería y la
válvula de vías, mientras que el conducto de presión está
bloqueado por la válvula de vías, Fig. 66.
Fig. 66. Cilindro de
simple efecto.
El retroceso se
produce por el propio peso, por acción de un muelle o por efecto
de una fuerza externa. Estas fuerzas (pesos) tienen que superar
la fricción dentro del cilindro y en las tuberías y las válvulas, y tienen que desplazar el fluido
hacia el conducto de retorno.
127
Los cilindros de simple efecto se aplican en aquellos casos en los que el trabajo hidráulico
actúa solamente en un sentido, como por ejemplo elevar, sujetar, descender herramientas,
elevadores hidráulicos, gatos y plataformas de tijeras.
Los cilindros de simple efecto pueden ser:
Cilindro de embolo buzo, el émbolo y el vástago forman una sola pieza y
Cilindro telescópico, utilizado para carreras largas.
El montaje de los cilindros hidráulicos de simple efecto se rige por los siguientes criterios:
Montaje vertical. Si el retroceso del cilindro se produce por efecto de fuerzas externas
(excepción: plataforma de tijeras).
Montaje horizontal: se trata de cilindros de simple efecto con retroceso por muelle.
4.2.1.2 CILINDROS DE DOBLE EFECTO.
En los cilindros de doble efecto es posible poner presión en ambas superficies del émbolo, Fig.
67 En consecuencia, pueden realizar trabajo en ambos sentidos.
Fig. 67. Cilindro de doble efecto.
Estos cilindros funcionan de la siguiente manera:
El fluido sometido a presión entra en la cámara del lado del émbolo actuando sobre la
superficie A. Las resistencias internas y externas crean una presión, p. La presión y la
superficie del émbolo crean una fuerza F, según la formula F = p x A. De este modo se
superan las resistencias, con lo que avanza el cilindro. Este avance se debe a la conversión de
energía hidráulica en energía mecánica, quedando ésta a disposición del elemento de trabajo.
128
Al avanzar el cilindro deberá tenerse en cuenta que el aceite ubicado en el lado del émbolo
necesariamente tiene que descargar por los tubos hacia el depósito.
Durante el retroceso del cilindro, el aceite fluye hacia la cámara del lado del vástago. El
cilindro retrocede, con lo que el aceite es desplazado de la cámara del lado del émbolo.
En los cilindros de doble efecto con vástago simple, las fuerzas y las velocidades son
diferentes durante el avance y el retroceso aunque el caudal volumétrico sea el mismo, puesto
que las superficies son diferentes (superficie del émbolo y superficie anular del émbolo).
La velocidad del retroceso es mayor, ya que si bien el caudal volumétrico es el mismo, la
superficie activa durante el retroceso es más pequeña que durante el avance.
Los tipos de cilindros de los que se dispone son los siguientes:
Cilindro diferencial. Relación de superficies 2:1
(superficie del émbolo: superficie anular). Retrocede al doble de la velocidad de
avance.
Cilindro sincronizado. Superficies activas iguales. Avanza y retrocede a la misma
velocidad.
Cilindro con amortiguación de posiciones finales. Para frenar la velocidad en caso de
masas grandes y para evitar choques bruscos.
Cilindro telescópico. Carreras mayores.
Convertidor de presión. Aumento de la presión.
Cilindro tándem. Es útil en los casos en que se necesitan fuerzas considerables en
reducido espacio.
129
Según los movimientos de los cilindros hidráulicos, son posibles las siguientes aplicaciones:
Máquinas herramientas. Movimientos de avance para herramientas y piezas, dispositivos de
fijación, movimientos de corte o en máquinas planeadoras, maquinas de ensayos,
accionamientos de prensas, movimientos en máquinas de impresión y de moldeo por
inyección.
Dispositivos de elevación y transporte. Movimientos basculantes, ascendentes, giratorios de
volquetes, carretillas elevadoras, etc.
Equipos móviles.
Excavadoras, palas mecánicas, tractores, carretillas elevadoras,
hormigoneras.
Aviación. Movimientos ascendentes, basculantes, y giratorios del tren de aterrizaje, de los
alerones, etc.
Navíos. Movimientos del timón, posicionamiento de las hélices.
4.2.2 MOTORES HIDRÁULICOS.
Los motores hidráulicos son maquinas que transforman la energía del fluido que se les aplica
en una energía mecánica rotativa y que se toma del eje del propio motor.
Los motores hidráulicos tienen los mismos parámetros característicos que las bombas, aunque
en el caso de los motores hidráulicos no se aplica el término de volumen desplazado,
utilizándose más bien el de volumen absorbido.
Los fabricantes de motores hidráulicos indican por lo general este volumen en cm3 por giro,
agregando la información sobre el régimen de revoluciones en el que el motor trabaja más
eficientemente.
El caudal volumétrico que necesita el motor es calculado en base al volumen de absorción y
las revoluciones deseadas.
130
Las aplicaciones de los motores, aun siendo menos que las de los cilindros, son muy
importantes dentro del amplio campo de las instalaciones hidráulicas, siendo su campo de
aplicación principal en máquinas de obras públicas, elevación, barcos, armamento, máquinas
herramienta, transfer, máquinas para la fabricación del caucho y sus derivados incluyendo los
plásticos, prensas, cortadoras y otras muchas.
Los motores hidráulicos se pueden clasificar en dos tipos, a saber:
Motores de accionamiento constante. El volumen de absorción es constante. Se incluyen en
esta clasificación los motores de engranes.
Motores regulables. El volumen de absorción es regulable, lo que permite variar la velocidad
con tan solo variar el volumen absorbido. Ejemplo de este tipo de motores son los motores de
paleta y los de pistones, los que a su vez pueden ser de accionamiento constante.
4.3 ELEMENTOS MOTORES DE ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO.
La fuente de energía en este tipo de elementos es aire a presión, y dado que el aire es
compresible, el posicionamiento dependerá de la carga de trabajo.
Los elementos motores neumáticos son básicamente de dos tipos:
motores y cilindros
neumáticos.
4.3.1 MOTORES NEUMÁTICOS.
Son ligeros y compactos. El arranque y paro es muy rápido y pueden trabajar con velocidad y
par variables sin necesidad de un control complejo. Pueden trabajar sin problemas hasta
temperaturas de 120ºC y soportan sobrecargas sin consecuencias posteriores. La relación par /
peso es superior a la de los motores eléctricos. En el caso de motores reversibles, puede
cambiarse el sentido de giro sin producir sacudidas sobre la carga. Trabajando en vacío, el
cambio de sentido puede realizarse en muy pocos grados gracias a su alta aceleración y baja
inercia.
131
4.3.1.1 MOTOR DE ALETAS ROTATIVAS.
Es relativamente simple y su utilización está muy extendida. Un motor neumático de aletas
consiste en varias aletas, generalmente de un plástico a base de resinas fenólicas, montadas en
unas
hendiduras
distribuidas
regularmente
sobre
un
rotor
cilíndrico,
Fig. 68. Este rotor se halla colocado excéntricamente en el cuerpo del motor.
Fig. 68. Despiece de motor neumático de aletas rotativas.
Unos muelles empujan las aletas contra el cuerpo del motor proporcionando la estanqueidad
necesaria para que el rotor pueda girar en uno u otro sentido.
El par de giro sobre la carga se desarrolla cuando el aire comprimido entra en el
compartimiento y empuja la aleta correspondiente haciendo girar al rotor.
Cuando el compartimiento con el aire comprimido alcanza la abertura de salida, el aire al
escapar se expansiona dando lugar a una reducción de calor que refrigera el motor.
Normalmente cuatro o cinco paletas son suficientes para la mayoría de las aplicaciones. Se
utilizan mayor número de paletas cuando se necesita mejorar la fiabilidad de la máquina y su
par de arranque.
Como norma general, los motores deben trabajar con una precarga para evitar que giren a
velocidades altas. Al girar en vacío el motor, el número de veces que las paletas rozan sobre el
132
cilindro es casi doble que en carga. Esto supone un desgaste innecesario de las paletas y de la
pared del cilindro sobre la que deslizan.
Los motores de paletas giran a velocidades más altas y desarrollan mas potencia en relación
con su peso que los motores de pistones, sin embargo tienen un par de arranque menos
efectivo. Los motores de aletas son más ligeros y más baratos que los motores de pistones de
potencia similar. Son los motores de uso más frecuente.
Es normal la utilización de motores de aletas acopladas a un dispositivo reductor, lo que
permite multiplicar el par y que el motor pueda trabajar a velocidades mayores, en las que se
consigue una mayor eficiencia y un mejor control de la velocidad frente a variaciones de
carga. El control de la velocidad se efectúa fácilmente ajustando el caudal de alimentación.
4.3.1.2 MOTOR DE PISTONES.
Trabaja a velocidades inferiores a las de los motores de aletas debido al mayor peso de sus
elementos rotativos. Una característica importante es el bajo nivel de vibración a cualquier
velocidad, siendo esto especialmente destacable a baja velocidades en las que, además se
obtiene el par máximo. Su empleo se limita principalmente a sistemas que precisan de una
potencia elevada.
Los motores neumáticos de pistones tienen de 4 a 6 cilindros.
El par de giro sobre la carga se desarrolla cuando el aire comprimido entra en el
compartimiento y hace que el cigüeñal empiece a rotar.
Según sea la disposición de los pistones pueden ser de tipo radial o axial, Fig. 69 y Fig.70. Su
comportamiento es similar, caracterizándose los de pistón axial por un par rápido y elevado en
el arranque.
133
Fig. 69. Sección de un motor neumático de pistón axial.
Fig. 70. Sección de un pistón neumático de pistón radial. 1-Eje de cigüeñal, 2- Válvula
distribuidora rotativa de aire comprimido, 3-Tornillos de rellenado de aire y de purga,
4Cojinete,
5-Baño de aceite, 6-Flujo de aceite centrífugo para engrasado de la biela,
7-Cojinetes del eje motor.
4.3.2 CILINDROS NEUMÁTICOS.
Los cilindros neumáticos transforman la energía del aire a presión en energía mecánica.
Al igual que los cilindros hidráulicos estos son llamados “motores lineales” y se clasifican en
cilindros de simple efecto y cilindros de doble efecto.
El modo de operación de los cilindros neumáticos es similar al de los cilindros hidráulicos. La
única diferencia estriba en el hecho de que en este caso el fluido de trabajo no tiene
recirculación; es decir que una vez efectuada la operación, el aire es descargado a la
134
atmósfera, no así en el caso de los cilindros hidráulicos que se envía nuevamente al deposito
colector de aceite.
Los cilindros de simple efecto tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden
realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de
traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa.
El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a
una velocidad suficientemente grande.
En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita la carrera
del cilindro
Los Cilindros de doble efecto poseen dos conexiones para aire comprimido, lo que permite
realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos, es decir que se dispone de fuerza útil
tanto en la ida como en el retorno.
En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el
pandeo y doblado que puede sufrir el vástago al encontrarse éste completamente extendido y
sometido a la carga externa.
Los tipos de cilindros neumáticos, de los cuales se dispone en el mercado son los mismos que
para los cilindros hidráulicos, es decir cilindros de émbolo buzo, cilindros telescópicos,
cilindros tándem, cilindros diferenciales, etc.
La principal diferencia está en la presión
de trabajo,
que es menor para los cilindros
neumáticos y por supuesto el tipo de fluido.
4.4 ELECTROVÁLVULAS.
Un sistema de control electroneumático ó electrohidráulico trabaja con dos formas de energía:
energía eléctrica en la sección de control de las señales y energía del fluido de trabajo en la
sección de potencia.
135
Las válvulas distribuidoras accionadas eléctricamente (electroválvulas) forman el interfaz
entre las dos partes de control del sistema.
Las válvulas de vías o distribuidoras son elementos constructivos que modifican, abren o
cierran los pasos del flujo del fluido. Estas válvulas permiten controlar la dirección del
movimiento y la parada de los elementos de trabajo.
Son activadas por las señales de salida de la sección de control y distribuyen el fluido de
trabajo en la sección de potencia. Las tareas más importantes de las electroválvulas son: abrir
y cerrar la alimentación del fluido con el que se este trabajando, y controlar el movimiento, ya
sea de cilindros ó de motores.
Es de aclarar que las electroválvulas se utilizan ampliamente en otras aplicaciones diferentes a
la electroneumática o electrohidráulica, como son en instalaciones de vapor, monitoreo de
gases o para controlar la apertura o cierre en instalaciones hidráulicas
-instalaciones de
bombeo-. En este apartado solo se estudia las aplicaciones a nivel electroneumático y
electrohidráulico.
4.4.1 TIPOS DE ELECTROVÁLVULAS Y MODO DE FUNCIONAMIENTO.
Las electroválvulas se activan por medio de solenoides, y se pueden dividir en dos grupos:
Válvulas con retorno por muelle (monoestables). Sólo están activadas mientras fluye
corriente por el solenoide, y
Válvulas de doble bobina (biestables), las que mantienen la última posición aunque
deje de fluir corriente por el solenoide, esto es en el caso de las electroválvulas neumáticas
5/2 vías, puesto que en las electroválvulas hidráulicas existen resortes que la devuelven a su
posición de centro, ya que son válvulas 5/3 vías.
En posición inicial, todos los solenoides de una electroválvula distribuidora están sin tensión y
por lo tanto inactivos. Una válvula de doble solenoide no tiene una posición estable definida
ya que no tiene muelle de retorno.
136
Las electroválvulas distribuidoras también se distinguen por el número de conexiones y el
número de posiciones de conmutación. La denominación de la válvula resulta del número de
conexiones y de posiciones, por ejemplo:
Electroválvula de 3/2 vías con muelle de retorno (monoestable)
Electroválvula de 5/2 vías de doble bobina (biestable)
Las electroválvulas distribuidoras son generalmente de diseño modular.
Se componen de los siguientes elementos:
1. La electroválvula distribuidora propiamente dicha.
2. Uno ó dos solenoides para su accionamiento
3. Uno ó dos conectores para las señales de mando a las bobinas.
Con el objetivo de familiarizar al lector con este tipo de válvulas, en párrafos siguientes se
describe el funcionamiento de algunas de ellas.
4.4.1.1 ELECTROVÁLVULA DE 3/2 VÍAS CONTROLADA DIRECTAMENTE.
Este tipo de válvulas en su posición inicial, la conexión de utilización 2 esta unida a la
conexión de descarga 3 por la ranura en el inducido, Fig. 71a.
Si se excita el solenoide, las fuerzas del campo magnético fuerzan el inducido hacia arriba
contra la fuerza del muelle, Fig. 71b. la junta de asiento inferior abre y el fluido de la conexión
1 puede fluir hacia la conexión de trabajo 2. la junta de asiento superior cierra, cerrando el
paso entre las conexiones 2 y 3.
Si la bobina del solenoide se desexcita, el inducido regresa a su posición inicial por efecto del
muelle de retorno, Fig. 71a. el paso entre las conexiones 2 y 3 se abre y el paso entre las
conexiones 1 y 2 se cierra. El aire comprimido se descarga a través del tubo del inducido por
la conexión 3.
137
Fig. 71. Electroválvula de 3/2 vías con accionamiento manual (normalmente cerrada).
El accionamiento manual A, permite abrir el paso entre las conexiones 1 y 2 aunque el
solenoide no este excitado.
Al girar el tornillo, la leva excéntrica acciona el inducido.
Girando de nuevo el tornillo, el inducido regresa a su posición inicial.
4.4.1.2 ELECTROVÁLVULA DISTRIBUIDORA PILOTADA.
En las electroválvulas pilotadas, el émbolo de la válvula es accionado indirectamente.
El inducido del solenoide abre o cierra un conducto derivado de la conexión 1.
Si el inducido esta abierto, el aire comprimido de la conexión 1 acciona el émbolo de la
válvula.
Como ejemplo considérese una electroválvula 3/2 vías pilotada, en la posición inicial, la
superficie del émbolo solo esta sujeta a la presión atmosférica, de forma que el muelle de
retorno empuja el émbolo hacia arriba (Fig. 72a). Las conexiones 2 y 3 están unidas.
138
Fig. 72. Electroválvula pilotada de 3/2 vías (normalmente cerrada con accionamiento manual).
Si se excita la bobina del solenoide, la cámara inferior del émbolo de la válvula se une con la
conexión de presión 1 (Fig. 72b). La fuerza en la superficie superior del embolo de la válvula
aumenta, presionando el émbolo hacia abajo. La unión entre las conexiones 2 y 3 se cierra,
mientras que la unión entre 1 y 2 se abre. La válvula permanece en esta posición mientras esté
excitada la bobina del solenoide.
Si la bobina del solenoide se desexcita, la válvula conmuta de nuevo a su posición inicial.
Se necesita de una mínima presión de alimentación (presión de mando) para accionar una
válvula pilotada contra la fuerza del muelle, que por lo general se indica en las
especificaciones de la válvula y se halla, según el tipo entre 2 y 3 bar.
En el caso de una electroválvula de 5/2vias pilotada neumáticamente en su posición inicial, el
émbolo se halla en su tope izquierdo (Fig. 73a). Las conexiones 1 y 2, así como las 4 y 5 se
hallan unidas.
Si se excita la bobina del solenoide, la corredera de la válvula se mueve hacia el tope derecho
(Fig.73b). En esta posición las conexiones 1 y 4, así como las 2 y 3 se hallan unidas.
Si el solenoide se desexcita el muelle de retorno devuelve la corredera a su posición inicial.
El aire de pilotaje, es suministrado a través de la conexión 84.
139
Fig. 73. Electroválvula de 5/2vías pilotada neumaticamente, y retorno por resorte.
4.4.1.3 ELECTROVÁLVULA 4/2 VÍAS.
La electroválvula 4/2 vías esta provista con dos posiciones de trabajo, de una conexión para
los ductos de presión y una conexión hacia el depósito de aceite si es hidráulica o a la
atmósfera si es neumática, Fig. 74.
Fig. 74. Electroválvula de 4/2 vías pilotada
En su posición inicial las conexiones 1 y 2 se encuentran unidas, lo mismo sucede con las
conexiones 3 y 4.
Al excitarse la bobina del solenoide, la corredera se desplaza y las conexiones son como
sigue, 1 se une con 3 y 2 se une con 4, respectivamente.
140
Si el solenoide se desexcita la corredera vuelve a su posición inicial por acción del muelle.
En aplicaciones de hidráulica es muy común encontrar este tipo de válvulas con tres
posiciones, es decir con una posición intermedia, 4/3.
En este caso la válvula posee dos bobinas, s1 y s2 que son las responsables del movimiento de
la corredera, Fig. 75.
Fig. 75. Electroválvula hidráulica 4/3 vías, de doble solenoide.
En este caso la válvula tiene una posición definida, que es la de centro, puesto que al no haber
tensión en ninguna de las dos bobinas los muelles de retorno se encargan de devolver la
corredera a su posición inicial (posición de centro).
Inicialmente las conexiones 1, 3 y 2, 4 se encuentran bloqueadas, es decir no hay transmisión
de potencia fluida.
Al aplicar tensión a la bobina s1, la corredera se desplaza de su posición inicial y conecta las
terminales 3 con 4 y 1 con 2 respectivamente.
De igual forma ocurre si se desenergiza la bobina s1 y se excita el solenoide s2, se unen las
conexiones 2, 3 y 1 con 4.
4.4.1.4 ELECTROVÁLVULA NEUMÁTICA PILOTADA DE 5/2 VÍAS DE DOBLE
BOBINA.
En este tipo de válvulas, si el émbolo de la válvula se halla en su tope izquierdo, las
conexiones 1 y 2, así como las 4 y 5 se encuentran unidas, Fig. 76a.
Si se excita la bobina izquierda (14), el émbolo se desplaza hacia la derecha, con lo que las
conexiones 1 y 4, así como las 2 y 3 se unen, Fig. 76b.
Si la válvula debe volver a su posición inicial, no es suficiente con des-excitar la bobina
izquierda. Además hay que excitar la bobina derecha (12).
141
Si ninguna de las dos bobinas esta excitada, el rozamiento mantiene el émbolo de la válvula en
la última posición seleccionada. Esto vale también si se excitan ambas bobinas al mismo
tiempo, ya que se oponen una a otra con la misma fuerza.
Fig. 76. Electroválvula neumática pilotada de 5/2 vías de doble bobina.
4.4.2 TIPOS DE ELECTROVÁLVULAS Y DATOS CARACTERÍSTICOS.
Las electroválvulas distribuidoras se fabrican en una amplia gama de variantes y tamaños para
cubrir diferentes necesidades de la práctica industrial.
Cuando se selecciona la válvula adecuada, es útil tener en cuenta los dos siguientes puntos:
Primero establecer el tipo de válvula que se necesita según la tarea y la reacción exigida en
caso de fallo de tensión (por ejemplo, una electroválvula de 5/2 vías con muelle de retorno).
Segundo, utilizar el catálogo del fabricante para establecer que válvula cumple con las
prestaciones y rendimiento exigido. Además, hay que tener en cuenta no sólo el coste inicial
de la válvula, sino también los costes de la instalación, mantenimiento, recambios, etc.
En la tabla 12 y tabla13 se resume los tipos de electroválvulas más corrientemente utilizadas,
con sus símbolos y aplicaciones.
142
Tabla 12. Aplicaciones y símbolos de electroválvulas neumáticas.
Tipo de válvula
Símbolo
Electroválvulas distribuidoras con muelle de retorno (monoestables).
Electroválvula de 2/2 vías pilotada,
retorno por muelle
Electroválvula de 3/2 vías pilotada,
retorno por muelle, normalmente cerrada
Electroválvula de 3/2 vías pilotada,
retorno por muelle, normalmente abierta.
Electroválvula de 4/2 vías pilotada,
retorno por muelle
Electroválvula de 5/2 vías pilotada,
retorno por muelle.
Aplicaciones.
Función de cierre
Cilindros de simple
efecto
Cilindros de simple
efecto (bajo presión sin
tensión)
Cilindros de doble efecto
o actuadores giratorios.
143
Tabla 12. Aplicaciones y símbolos de electroválvulas neumáticas, cont.
Tipo de válvula
Símbolo
Aplicaciones.
Electroválvulas distribuidoras con muelle de retorno (monoestables), cont.
Electroválvula de 5/3 vías pilotada, con
muelles de retorno (cerrada a descarga o a
presión en reposo).
Cilindros de doble efecto
o actuadores giratorios
con parada intermedia,
con requerimientos
especiales en el caso de
un gallo de tensión.
Electroválvulas distribuidoras de doble bobina.
Electroválvulas de 4/2 vías pilotada, doble
bobina.
Electroválvula de 5/2 vías pilotada, doble
bobina.
Cilindros de doble efecto
o actuadores giratorios.
144
Tabla 13. Aplicaciones y símbolos de electroválvulas hidráulicas.
Tipo de válvula
Símbolo
Aplicaciones
Electroválvula 2/2 vías, retorno por muelle,
normalmente cerrada.
Función de cierre.
Electroválvula 2/2 vías, retorno por muelle,
normalmente abierta.
Electroválvula 3/2 vías, retorno por muelle,
normalmente cerrada.
Cilindros de simple efecto.
Electroválvula 3/2 vías, retorno por muelle,
normalmente abierta.
Electroválvula 4/2 vías, retorno por muelle.
Electroválvula 4/3 vías, posición intermedia
“bomba a recirculación”
Electroválvula 4/3 vías, posición intermedia
“cerrada”.
Cilindros de doble efecto
Cilindros de doble efecto
Control de la carga en
posiciones intermedias
Protección en caso de fallo
por tensión.
145
Si no hay una válvula con todas las propiedades requeridas, a menudo puede utilizarse una
válvula con un número de conexiones diferente.
Las electroválvulas de 4/2 vías y de 5/2 vías realizan casi la misma función (escape
único ó escapes separados). Son intercambiables.
Para realizar la función de una válvula de 3/2 vías de doble bobina, puede cerrarse con
un tapón una de las conexiones de utilización de una válvula 4/2 vías o de 5/2 vías.
En la tabla 14 se presenta los datos característicos de electroválvulas neumáticas 5/2 vías, y la
tabla 15 corresponde a una electroválvula hidráulica 4/3 vías.
Tabla 14. Datos característicos de electroválvulas neumáticas 5/2 vías2.
Electroválvula
pilotada de 5/2 vías
Electroválvula pilotada
de 5/2 vías con retorno
con retorno por
Tipo de válvula
por muelle.
muelle y alimentación
auxiliar del pilotaje
Válvula en placa base
Distribución de las
Válvula en placa base. con aire de pilotaje
Válvula individual.
conexiones
auxiliar.
Electroválvula
pilotada de 5/2 vías
con retorno por
muelle
Símbolo gráfico
Tamaño nominal
Caudal nominal
4,0 mm
500 l/min.
Margen de presión
2.5 a 8 bar
Tiempo de respuesta
Activación/Desactiva 20/30 ms.
ción.
2
4,0 mm
500 l/min.
0.9 a 8 bar
(aire de pilotaje
auxiliar: 2.5 a 8 bar)
14,0 mm.
2000 l/min.
20/30 ms.
30/55ms.
Fuente: Manual de estudio, Nivel Básico. Electroneumática. Festo Didactic
2.5 a 10bar
146
Tabla 14. Datos característicos de electroválvulas 5/2 vías, cont.
Datos característicos de bobinas de solenoide en AC y DC.
Tipo de bobina.
Tensiones Normal
Especial.
Variaciones de tensión
Fluctuaciones de la frecuencia
Consumo a tensiones normales
Corriente continua (DC) Corriente alterna (AC)
12, 24, 42, 48V
24,42, 110,230V, 50 a 60 Hz.
Bajo demanda
Bajo demanda
máx. ± 10%
máx. ± 10%
máx. ± 5% a la tensión nominal.
4.1 W a 12V
Llamada: 7.5 VA
4.5 W a 24V
Sostenimiento: 6VA
Factor de potencia
0.7
Ciclo de trabajo
100%
100%
Grado de protección
IP65
IP65
Temperatura ambiente
de –5 a +40ºC
de –5 a +40ºC
Temperatura del fluido
de -10 a +60ºC
de –10 a +60ºC
Tiempo promedio de llamada. 10ms
10ms.
Tabla 15. Datos característicos de una electroválvula hidráulica 4/3 vías3.
Tipo de válvula
Electroválvula hidráulica 4/3 vías
Símbolo
Flujo nominal
Presión de entrada
Tiempo de respuesta
3 gpm.
5000psi
50 - 150ms
DC: 12 y 24V
Voltaje de operación
AC: 120/110V 50/60Hz
240/220V 50/60Hz
Voltaje de operación mínimo 85% del voltaje de operación a 20ºC
Temperatura de operación
-40 a +93.3ºC
ISO Code 1613
Filtración
SAE clase 4 o superior.
Aceite hidráulico base mineral o sintético con
Fluido
propiedades lubricantes a viscosidades de 45 a
2000 SSU.
3
Fuente: http://www.parker.com/ihd/cat/english/HY15-3500g002c.pdf
147
CAPÍTULO 5.
ADAPTACIÓN DE LA SEÑAL DE LOS SENSORES.
Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son los
elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal de salida de un sensor, una
señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un procesamiento
posterior mediante un equipo o instrumento estándar.
Consisten normalmente en circuitos electrónicos que ofrecen entre otras funciones, las
siguientes: amplificación, filtrado, adaptación de impedancias y modulación o demulación.
5.1 INTERFACES DE ENTRADAS / SALIDAS.
En general, siempre es necesaria una acción sobre la señal del sensor antes de su utilización
final.
Con el término interfaz se designa, en ocasiones, el conjunto de elementos que
modifican las señales, cambiando incluso de dominio de datos, pero sin cambiar su naturaleza,
es decir, permaneciendo en el dominio eléctrico.
Se denomina dominio de datos al nombre de una magnitud mediante la que se representa o
transmite información; ej: dominio analógico, dominio temporal y dominio digital.
Una interfaz es un bloque que sirve de enlace entre otros dos que podrán trabajar, en general,
con niveles distintos de tensión e incluso con códigos distintos.
Las funciones de la interfaz son básicamente dos:
1. Enlace a nivel de hardware (niveles y tipo de tensión).
2. Enlace a nivel de código (estados lógicos, conversión A/D ó D/A, tipo de código
digital, etc.).
148
Dependiendo del tipo de señal que empleen los sistemas a enlazar, la interfaz puede tener
mayor o menor complejidad. A este respecto, tanto las señales de mando como las de proceso,
en entornos industriales, se pueden clasificar en los dos grupos siguientes:
Señales todo-nada: codificación digital (un solo bit).
Señales continuas, con dos tipos posibles de codificación:
Codificación analógica y
codificación digital en palabras de una determinada longitud ( 8 bits, 16 bits, etc.).
Dependiendo del sentido o sentidos de enlace las interfaces pueden ser:
Unidireccionales: Transferencia de información en un solo sentido (entradas o salidas).
Bidireccionales: Posibilidad de transferencia en ambos sentidos, ya sea conmutando de un
sentido a otro ( half-duplex) o en ambos sentidos simultáneamente (full-duplex).
Finalmente, para sistemas digitales programables, puede establecerse una división entre dos
partes de la interfaz:
Interfaz de hardware: encargada del enlace a nivel de tensiones y estados lógicos.
Interfaz de software: encargada de la interpretación de códigos y de las señales de control.
5.2 ENTRADAS / SALIDAS DIGITALES.
La interfaz para estas señales suele ser básicamente una interfaz de hardware de tipo
unidireccional, en el caso de entradas destinadas a captar los niveles (alto o bajo) de tensión y
convertirlos a niveles lógicos TTL (0 a 5V) y en el caso de las salidas haciendo la
conversión inversa.
Una característica a valorar para este tipo de interfaces es la separación galvánica entre los
circuitos internos, que operan a niveles TTL y los circuitos externos. La separación galvánica
proporciona enormes ventajas desde el punto de vista de inmunidad al ruido eléctrico y
robustez ante las sobretensiones y perturbaciones a que suelen estar sometidas las señales de
campo.
149
5.2.1 ENTRADAS DIGITALES.
Dentro de las interfaces de entrada para señales binarias, se puede distinguir los siguientes
tipos, atendiendo a distintas características de los mismos:
Según la tensión de alimentación pueden ser:
De corriente continua: los valores de tensión más frecuentes son 12, 24, 48 y 110VDC.
De corriente alterna: los valores de tensión más frecuentes son 24, 48, 110 y 220VAC.
Par los de corriente directa, DC y según la polaridad de la fuente de alimentación conectada al
común, se puede distinguir los tipos:
PNP: Común de alimentación a negativo (lógica positiva).
NPN: Común de alimentación a positivo (lógica negativa).
Según el aislamiento de la interfaz:
Con aislamiento galvánico: Alimentaciones completamente separadas de las E/S y de la
lógica interna. Dicho aislamiento se suele conseguir mediante un opto-acoplador, que suele
admitir tensiones de prueba desde 1500 hasta 5000V, según los casos.
De acoplamiento directo: señales sin aislamiento galvánico que requieren, por tanto, unir el
común de alimentación de E/S al cero de la lógica interna.
Este tipo de acoplamiento está prácticamente en desuso por las razones expuestas en líneas
anteriores.
Una característica importante a tener en cuenta en las interfaces de entradas binarias son los
márgenes de ruido, que se definen como sigue:
El margen de ruido de una señal lógica es el rango de valores que puede tomar dicha señal
siendo interpretada inequívocamente como nivel lógico 0 ó 1. Este parámetro permite
determinar el máximo nivel de perturbación que puede superponerse a una señal de entrada sin
que el sistema lógico interprete erróneamente su nivel lógico Cabe distinguir dos márgenes de
ruido: Margen de ruido estático, y margen de ruido dinámico.
150
5.2.2 SALIDAS DIGITALES.
Las interfaces de salida de tipo lógico son, aquellas que conectan al autómata programable, al
microcontrolador o al ordenador con los accionamientos del proceso tales como relés,
electroválvulas, etc. Una característica común a todos ellos suele ser que disponen de un
buffer o registro, donde el procesador escribe una sola vez por ciclo el valor 1 ó 0 según
corresponda por programa. Así, el mencionado registro constituye el bloque lógico de enlace
entre la lógica interna y la interfaz.
Atendiendo a distintas características se puede clasificar las interfaces de salida en diferentes
grupos:
Según los componentes utilizados como salida se puede distinguir dos grandes grupos:
1. Interfaces de salida estáticas:
Éstas emplean algún tipo de semiconductor para conmutar la salida. Según la naturaleza de
salida pueden clasificarse en:
Para corriente continua. El conmutador de salida es un transistor a colector abierto con dos
variantes posibles, según la polaridad:
Salida PNP ó lógica positiva.
Salida NPN ó lógica negativa.
Para corriente alterna. El conmutador de salida suele ser un triac o un par de tiristores en
antiparalelo.
2. Interfaces de salida por relé:
Este tipo de interfaz es válido tanto para corriente continua como para alterna y proporciona
siempre un aislamiento galvánico entre la salida y la lógica interna.
Según la separación galvánica entre el circuito de salida y la lógica interna se puede clasificar
las interfaces en:
9 Salidas acopladas directamente y
9 Salidas con aislamiento galvánico.
151
5.3 ENTRADAS/SALIDAS ANALÓGICAS.
El procesamiento de datos dentro del autómata programable, el ordenador ó el
microcontrolador es enteramente digital, y por tanto, las señales de tipo analógico deben ser
previamente digitalizadas para que puedan ser procesadas.
Así pues, para el tratamiento de señales analógicas será preciso ante todo convertir dichas
señales a la forma digital. Dicha forma digital consistirá en representar la magnitud de la
variable analógica por un número codificado en forma binaria o en forma BCD (decimal
codificado en binario).
Recíprocamente si se debe suministrar al proceso variables o señales de regulación continuas,
se deberá previamente convertir los datos internos en forma binaria o BCD a magnitudes de
tipo analógico.
Las funciones de multiplexado y conversión A/D y D/A son precisamente unas de las
funciones esenciales que realizan las interfaces de E/S analógicas.
Con objeto de disponer de interfaces estándar, parte de la manipulación de la señal se realiza
exteriormente al dispositivo de control (autómata programable, microcontrolador u
ordenador), mediante amplificadores y otros adaptadores de señal específicos y de uso más o
menos estandarizado dentro del campo de la instrumentación, de manera que la señal del
sensor se convierte en una señal de tipo normalizado que suele ser de uno de los siguientes
tipos:
9 Señales de 0 a 10V.
9 Señales de 0 a 5V.
9 Señales de 0 a 20mA.
9
Señales de 4 a 20mA.
152
5.3.1 CONVERTIDOR D/A.
La conversión D/A consiste en transformar una información digital, un byte o una variable
numérica expresada en forma binaria con n bits, en una tensión ó una corriente cuyo valor sea
proporcional al valor numérico de dicha variable numérica.
La información digital puede presentarse en diversos códigos de numeración, pero lo más
frecuente es que para la conversión D/A venga expresada en código binario puro y, en el caso
de números negativos, éstos se expresan en complemento a dos.
5.3.2 CONVERSIÓN A/D
La conversión A/D tiene por objeto la transformación de señales analógicas de tensión o
corriente en datos numéricos que, por lo general, se obtendrán en código binario. El proceso
de conversión requiere, en general, que la señal analógica haya sido previamente tratada para
conseguir dos objetivos:
1. Adaptación al fondo de escala, con objeto de aprovechar al máximo la resolución del
convertidor.
2. Mantener el valor de la señal constante mientras dura la conversión.
Esto es
especialmente necesario para señales de variación rápida, pero puede no serlo para otras más
lentas o incluso para ciertos tipos de convertidores.
Para realizar estas funciones, las interfaces de entradas analógicas suele disponer de dos
bloques antes del convertidor A/D propiamente dicho:
1. Un amplificador de ganancia programable.
2. Un circuito de muestreo y mantenimiento, (Sample and Hold).
Los tres tipos básicos de convertidores A/D son:
1. Convertidores basados en contadores binarios.
2. Convertidores de aproximaciones sucesivas.
3. Convertidores de doble rampa de integración.
153
5.3.3 INTERFACES PARA ENTRADAS ANALÓGICAS.
Las interfaces de entrada de tipo analógico suelen disponer de varios canales de entrada
agrupados, pero, salvo casos especiales, no se utiliza un convertidor para cada canal, sino que
se utiliza un solo convertidor para un conjunto de entradas analógicas. Para ello es preciso
que en cada momento sólo una de ellas esté conectada
al convertidor, realizándose la
conversión de forma cíclica, una tras otra.
El esquema de bloques de una interfaz de entradas analógicas completa para n canales puede
verse en la Fig. 77, donde se ha supuesto la existencia de una serie de transductores analógicos
cuyos datos deben ser procesados por la unidad central, pudiendo ésta seleccionar en cada
momento el canal que se desea leer y, en algunos casos, incluso el factor de escala a aplicar.
Fig. 77. Interfaz de entradas analógicas.
La función de conectar varios canales de entrada a un solo convertidor se realiza mediante un
multiplexor analógico, que consiste básicamente en un conjunto de interruptores estáticos
gobernados por un decodificador que selecciona en cada momento el cierre de uno de ellos.
Las interfaces de entradas analógicas más comunes trabajan con señales normalizadas entre 0
a 10V ó de 4 a 20mA.
154
Como criterio general, los parámetros más relevantes a comprobar en cada aplicación son los
siguientes:
9 Márgenes de tensión o corriente de entrada.
9 Impedancia de entrada.
9 Nivel de aislamiento entre entradas y unidad de control y entre entradas entre sí.
9 Resolución, que dependerá del número de bits del convertidor.
9 Tipo de conversión A/D.
9 Polaridad de la señal de entrada (conversión son signo ó solo con valor absoluto).
9 Tiempo de adquisición del dato.
9 Precisión o margen de error.
9 Precauciones de instalación (longitud y tipos de cables).
9 Exigencias de fuentes de alimentación.
A título orientativo en la tabla 16, se indican los tipos y características más relevantes de
algunas interfaces de entradas analógicas comerciales.
155
Tabla 16. Características de algunas interfaces de entradas analógicas Siemens.
Datos técnicos
Entrada analógica
Cantidad de entradas
Separación galvánica
6ES5 460-45A12
6ES5 465-4UA12
6ES5 463-4U12
8 entradas
tensión/intensidad o bien
8 entradas term.
resistencia
Pt 100
Sí
16 entradas
tensión/intensidad o bien
8 entradas term.
resistencia
Pt100
no
4 entradas tensión/intensidad
sí
±12.5mV (solo en 460-4); ± 50mV; ±500mV; Pt 100; 0...1V, 0...10V, 0....20mA
Márgenes de entrada (valores ± 1V; ± 5V; ±10V; ± 20mA; ± 4.....20mA.
+4...20mA para transmisores
nominales)
de medida de 2 y 4 hilos.
Márgenes de entrada seleccionables para cada 4
canales mediante módulos de margen de medida.
12.5mV: ≥10MΩ 5V:
≥50Ω
Resistencia de entrada en los 50mV: ≥10MΩ 10V:
≥50KΩ 0.2%
diferentes márgenes.
500mV: ≥10MΩ 20mA: ≥25Ω
0.1%
Pt 100: ≥10MΩ
4...20mA: ≥31.25Ω 0.1%
1V:
≥90KΩ
1V: ≥10MΩ; 10V: 90KΩ
20mA: 50Ω
4…20mA: 62.5Ω
Conexión del emisor de señal
Conexión de dos hilos; 4 hilos para Pt 100
Representación digital de la señal 12bits + signo o 13 bits en complemento a 2
de entrada.
Conexión de 2 hilos.
11 bits en complemento a 2
Principio de medida.
integral
integral
Principio de conversión.
conversión tensión/tiempo.
conversión tensión/frecuencia
Tiempo de integración (ajustable 20ms para 50Hz.
para supresión óptima de 16⅔ ms para 60Hz.
perturbaciones).
20ms para 50Hz.
16⅔ ms para 60Hz.
Tiempo de codificación máx.
60 ms para 50Hz, ref. al valor nominal.
(es
posible
codificación 50ms. para 60Hz, ref. al valor nominal.
elemental).
60 ms para 50Hz.
50ms. para 60Hz.
Tiempo de ciclo para 4 entradas.
-
8 entradas. 0.48 s para 50Hz
16 entradas.
0.48 s para 50Hz.
0.96 s para 50Hz.
Tensión admisible entre entradas 18V o 75 V para máx. 1ms y relación de
o entre entradas y punto central exploración 1:20
de puesta a tierra (lim.
destrucción) máx.
Tensión admisible entre potencial
de referencia de un emisor sin
separación galvánica y el punto DC 75V/AC 60V
±1V
central de puesta a tierra máx.
20ms para 50Hz.
16⅔ ms para 60Hz.
30V o 75V para máx. 1 ms y
relación de exploración 1:10
DC 75V AC 60V
156
Tabla 16. Características de algunas interfaces de entradas analógicas Siemens, cont.
Datos técnicos
Entrada analógica
Aviso de falta si hay
-desbordamiento de margen.
- rotura de hilo en cable emisor de
señal.
6ES5 460-45A12
6ES5 465-4UA12
Para 200% del valor nominal (4095 unidades ) Para 150% del valor
nominal no
Proyectable en el margen 50mV, 500mV y
Pt100.
Supresión de interferencias para
f=n.(50/60Hz ±1%); n = 1, 2...
- en modo común mín.
100dB
- en modo normal mín.
40dB
80dB
40dB
86dB
40dB
12.5mV: ± 0.2%
50mV: ± 0.2%
500mV: ± 0.15%
Pt100: ± 0.2%
1V:
± 0.35%
5V:
10V:
20mA:
4….20mA:
± 0.35%
± 0.35%
±0.25%
±0.25%
12.5mV: ± 0.6%
50mV: ± 0.5%
Limites de error práctico ( 0ºC a 500mV: ± 0.45%
60ºC, para 1 año)
Pt100: ± 0.5%
1V:
± 0.77%
5V:
10V:
20mA:
4….20mA:
± 0.77%
± 0.77%
±0.67%
±0.67%
Limites de error básico (a 20ºC)
Longitud del cable (apantallado)
máx.
Entrada liberación.
(como para salidas analógicas).
Tensión de alimentación
(como para salidas analógicas).
Fuente intensidad constante para
Pt 100
Consumo
-interno (5V) tip.
-externo (24V) tip.
Espacio necesario
Conector frontal
Peso aprox.
6ES5 463-4U12
200m; 50m a 50mV
0.11%
0.37%
200m
+24V
+24V
+24V
+24V
2.5mA
-
0.15 A
0.1 A
1 puesto de montaje.
42 polos
0.4 kg
0.15A
-
0.2A
0.15A
1 puesto de montaje
42 polos
0.4kg.
157
5.3.4 INTERFACES PARA SALIDAS ANALÓGICAS.
Las interfaces de salida analógicas permiten enviar al proceso señales de regulación o para
instrumentación, empleando, por lo general, señales normalizadas.
Como criterio general, los parámetros más relevantes a comprobar en cada aplicación son los
siguientes:
9 Posibilidad de salidas multivalentes: 0-10V, 0-20mA ó 4-20mA.
9 Márgenes de tensión y/o corriente de salida.
9 Impedancia de salida.
9 Protección contra cortocircuitos.
9 Nivel de aislamiento entre salidas y unidad de control y entre salidas entre sí.
9 Resolución (que dependerá del número de bits del convertidor D/A).
9 Limites de error.
9 Posibilidad de doble polaridad de salida (conversión con signo o sólo valor absoluto).
9 Posibilidad de control manual / automático.
9 Exigencias de instalación: fuente de alimentación, longitud de cables, etc.
En la tabla 17 se indican los tipos y características más relevantes de algunas interfaces de
salida analógicas comerciales.
158
Tabla 17. Características de algunas interfaces de salidas analógicas OMRON.
Modelo
Número de
entradas
3G2A5-DA001
3G2A5-DA002
3G2A5-DA003 2canales
3G2A5-DA004
3G2A5-DA005
C500-DA101
4 canales
C200H-DA001 2 canales
3G2A6-DA001
3G2A6-DA002
3G2A6-DA003 2 canales
3G2A6-DA004
3G2A6-DA005
C1K-DA
1 canal
Margen de
entrada
Resolución
4 a 20mA, 1 a 5V
1/4096
0 a 10V
(fondo de
0 a 5V
escala)
-10 a 10V
-5 a 5V
1/4096
4 a 20mA, 1 a 5V
(fondo de
ó 0 a 10V
escala)
4 a 20mA, 1 a
1/4096
10V
4 a 20mV, 1 a 5V
0 a 10V
1/4096 (
fondo de
0 a 5V
escala ).
-10 a 10V
-5 a 5V
1/256
4 a 20mA, 1 a 5V. (fondo de
escala)
Velocidad
de
conversión
Palabras
Datos
de E/S
convertidos
requeridas
Corriente
consumida
PC
aplicables
550mA máx,
5VDC
C500
C1000H
C2000H
5ms máx.
2
12 bits.
10ms máx.
4
12 bits
1.3A máx,
5VDC
2.5ms
máx/canal.
10
12bits
650mA máx,
C200H
5VDC
5ms máx.
2
12 bits
500mA máx,
C120
5VDC
20ms
máx/canal
1 entrada
y 1 salida
8 bits.
C20K(P)
250mA máx, C28K(P)
5VDC.
C40K(P)
C60K(P)
159
CAPÍTULO 6.
SELECCIÓN DE SENSORES Y ACCIONADORES.
Este apartado está dedicado a establecer una metodología para la eficaz selección ó
verificación de sensores y accionadores, que son utilizados en el control automático de
procesos industriales.
Es de aclarar que aquí sólo se presenta la metodología para seleccionar sensores y
accionadores, se recuerda que para la manipulación de su información se hace necesario el uso
de circuitos electrónicos (interfaces) que adecuen su señal a niveles, ya sea de tensión o
corriente que se manejan en el autómata programable, en el microcontrolador o en el
ordenador.
Además en algunos sensores y accionadores se hace necesario convertir la señal de salida que
éstos proporcionan, ó el empleo de un controlador como en el caso de los motores paso a paso.
Generalmente es el mismo proveedor o fabricante quién proporciona esta información.
6.1 SELECCIÓN DE SENSORES.
Dependiendo del proceso de fabricación en el que se estén desarrollando actividades de
automatización (la aplicación), así es el tipo de elemento sensor que se emplea y su selección,
verificación o utilización depende de varios factores, que son únicos para cada elemento
sensor.
En la tabla 18 se presentan algunas de las aplicaciones más comunes para diversos tipos de
sensores.
160
Tabla 18. Aplicaciones típicas de los sensores.
Aplicación
Elemento sensor
Manejo de materiales, ascensores y escaleras mecánicas, elevadores de tijera ó Interruptor de final de
plataforma, líneas de transporte, máquinas herramientas, etc.
carrera electromecánico
Líneas de transporte de objetos metálicos, plantas de tratamiento térmico, como
Sensores inductivos.
interruptores de final de carrera.
Detección de materiales no metálicos como vidrio, cerámica, plástico, madera, aceite,
Sensores capacitivos.
agua, papel, detección de nivel de líquidos y materiales a granel, etc.
Envasado de alimentos y bebidas, sistemas de transporte e instalaciones de
almacenaje, inspección de paso, detección de objetos empaquetados, reconocimiento
Sensores ópticos.
de color y/o contraste, detección e identificación de papel por tipo y color,
identificación y posicionamiento de etiquetas, etc.
Detección de objetos transparentes como cristal o plásticos, materiales que ofrecen
Sensores ultrasónicos.
dificultades para la detección óptica.
Instrumentos de control y medida, radio, audio (amplificadores, mesas mezcladoras).
Potenciómetros.
Dispositivos de cierre de puertas para trenes, plotters, soldadura por ultrasonidos,
mezcladoras, industria maderera, prensas, máquinas de corte, cintas transportadoras, Encoders
máquinas de moldeo por inyección, posicionamiento de ejes, etc.
Prensas, plataformas, líneas de transferencia, control de la posición de las válvulas en
aplicaciones de alta temperatura, tales como motores de avión, refinerías de petróleo, y Sincros / Resolvers.
procesamiento químico, control de la conmutación de motores eléctricos, etc.
Medición de espesores en diferentes tipos de materiales, control de nivel en depósitos
de llenado, control de las dimensiones de piezas después de cierto proceso de
Sensores láser.
transformación, líneas de producción, detección de cualquier material que presente
reflexión difusa, etc.
Medición de desplazamientos lineales y angulares ocasionados por deformaciones en LVDT, RVDT, Galgas
el material.
extensiométricas.
Medición de la temperatura
Sensor de Temperatura,
ver tabla 11
6.1.1 SELECCIÓN DE SENSORES DE PROXIMIDAD.
Los sensores de proximidad juegan un papel muy importante en el control de procesos
automatizados, y su selección se representa mediante el siguiente diagrama.
161
Objeto a detectar
Sin contacto físico
Contacto físico
Interruptor de
fina l de carrera
electromecánico
palanca tipo rodillo ó
vástago.
Fuente de alimentación
AC ó DC.
Distancia de detección, d:
d>0,----m
Distancia de d etección, d:
0.---<d<1m
Elem ento a detectar metálico
Elemento a detectar no metálico
Sensor Inductivo.
Sensor Capacitivo.
Sen sor Fotoeléctrico
(óptico )
Sensor Ultrasónico.
Modo de detección
normal.
Modo de detección
Retrorrefle ctivo.
Seleccionar el tipo de
salida y la configuración
d el interruptor: NC ó NA.
Modo de detección por
Haz sónico directo.
Díficil acceso
Fácil acceso
C ables de fibra óptica .
Amplio
rango de
sensado
Alta
te mperatura
Haz directo
Retrorreflectivo.
Difuso
Objetos
brillantes
F ondo
brillante
Retrorreflectiva
no rmal
Retrorreflectiva
polarizada.
Difu sa
norm al.
Difusa gran
angular
Difusa de
foco fijo.
Cables de fibra
de plástico.
Difusa de co rte
abrupto.
Difusa con
supre sión de
fondo difuso .
Difusa de foco
fijo.
Cables de
fibra de vidrio.
162
Para ampliar en más detalle sobre la selección de este tipo de sensores en líneas siguientes se
presenta los pasos a seguir en la selección de cada tipo de sensor que aparece en el diagrama
anterior.
6.1.1.1 INTERRUPTORES DE FINAL DE CARRERA ELECTROMECÁNICOS.
La selección de este tipo de sensor es muy sencilla y los pasos a seguir son los siguientes:
1. Conocer las condiciones ambientales en las que va a trabajar. Es decir si va a trabajar en
un ambiente polvoriento, húmedo ó si se trata de un ambiente corrosivo, etc. esto esta
relacionado con el material de que esta construido el sensor.
2. El tipo de interruptor que se desee emplear, esto esta asociado con el tipo de accionador
que se emplee (palanca tipo rodillo o vástago ).
3. Calcular la fuerza necesaria para operar los contactos.
4. Especificar la temperatura de operación de dicho interruptor.
5. Especificar el espacio disponible para realizar la instalación.
6. Especificar el tipo de energía que utiliza para su funcionamiento, DC ó AC, esto esta
relacionado con el tipo de energía que está disponible en la planta.
7. Definir el tipo de salida que se requiera, PNP ó NPN, normalmente abierto, NA,
normalmente cerrado, NC.
8. Revisar catálogos de los diferentes proveedores, ya sea vía electrónica (direcciones web) o
consultando directamente al representante de dicho proveedor.
9. Seleccionar el elemento deseado.
6.1.1.2 DETECTORES INDUCTIVOS.
Los pasos a seguir para su eficaz selección se enumeran a continuación:
1. Definir el material especifico a detectar
2. Especificar la tensión de trabajo del sensor, si es a tensión constante, VDC ó a tensión
alterna, VAC, esto esta en función de la tensión que se disponga en la planta.
3. Definir la corriente de fuga permisible para el sensor.
4. Definir la temperatura de operación.
163
5. Especificar la caída de tensión
6. Definir la distancia de detección nominal requerida para el sensor.
7. Especificar las dimensiones. Esto es muy importe, para conocer el espacio ocupado por
dicho elemento.
8. Definir la configuración de la salida, es decir normalmente abierto ó cerrado, PNP ó NPN,
etc.
9. Revisar los catálogos de los diferentes proveedores, ya sea vía dirección web ó a través del
representante local de dicho proveedor.
10. Seleccionar el elemento deseado.
6.1.1.3 DETECTORES CAPACITIVOS.
Los sensores capacitivos, al igual que los demás sensores tienen diversas aplicaciones en el
control automatizado de procesos industriales. Los pasos a seguir o factores a considerar en la
selección son:
1. Definir el material específico a detectar.
2. Especificar la distancia mínima de detección.
3. Definir el espacio disponible para instalar el dispositivo sensor, esto esta asociado con las
dimensiones que presenta dicho elemento.
4. Especificar el tipo de tensión de alimentación: DC ó AC, esto depende de la fuente de
alimentación que esté disponible en la planta.
5. Definir el tipo de salida deseado para dicho sensor, PNP ó NPN u otro tipo.
6. Especificar la configuración de la salida, esto es normalmente abierto, NA ó normalmente
cerrado, NC.
7. Revisar catálogos de fabricantes o proveedores de este tipo de sensores ó consultar al
representante local de algún proveedor.
8. Seleccionar el elemento deseado.
164
6.1.1.4 DETECTORES ÓPTICOS (FOTOELÉCTRICOS).
Los sensores fotoeléctricos se utilizan en muchas industrias y aplicaciones para lograr una
exacta detección de objetos sin necesidad de contacto físico, véase la tabla 18. Además de esto
en general son insensibles a las atmósferas agresivas y no existe desgaste mecánico.
La metodología a seguir para su eficaz selección es:
1. Definir la distancia que hay entre el sensor y el objeto a detectar.
2. Definir el modo de detección a usar: haz directo, retrorreflectivo o detección difusa
3. Determinar el espacio disponible donde se realizará el montaje de dicho elemento.
4. Definir el tipo de energía disponible para la alimentación de dicho elemento, AC ó DC, en
función del tipo de energía con la que se dispone en la planta.
5. Establecer las condiciones ambientales en que operará el dispositivo, es decir si va a
operar dentro de un ambiente con presencia de polvo, agentes corrosivos, etc.
6. Definir el tipo de aplicación a la que estará destinado el sensor, y en función de ello
seleccionar el sensor más adecuado, esto esta muy relacionado con el punto anterior y con
el tipo de sensor a emplear, si es un ambiente agresivo y hay limitación de espacio
considérese el empleo de cables de fibra óptica.
7. Establecer la temperatura de funcionamiento del sensor.
8. Definir el tipo de salida que se desea para dicho elemento: salida a base de transistores,
tiristores, relés, triacs, etc.
9. Establecer el tiempo de respuesta.
10. Consultar las especificaciones del dispositivo, con base en catálogos de proveedores
consultando a su representante local.
11. Seleccionar el sensor.
ó
165
6.1.1.5 DETECTORES ULTRASÓNICOS.
Su selección es bastante sencilla, y es como sigue:
1. Definir la distancia de detección requerida por el sensor.
2. Determinar las condiciones de trabajo, esto es muy importante a la hora de seleccionarlo,
debido a que estos sensores utilizan ondas ultrasónicas que se mueven en el aire, no
podrán ser utilizados en lugares donde éste circule con violencia.
3. Además es de tener muy presente que la superficie del objeto que refleja la onda y su
ángulo de incidencia juegan un papel muy importante en la eficiencia del sensor. Una
mala alineación en el ángulo de incidencia puede dar resultados erróneos.
4. Establecer la temperatura de operación del sensor.
5. Definir el espacio requerido para su fácil instalación.
6. Establecer el modo en que va a operar el sensor, en modo emisor-receptor, modo retroreflectivo o en modo normal (el emisor y el receptor formando un solo conjunto).
7. Definir el tipo de tensión de alimentación: AC ó DC, en función de la energía disponible
en la planta.
8. Definir el tipo de salida que se desea para este tipo de sensor.
9. Especificar el tiempo de respuesta.
10. Consultar en catálogos las especificaciones técnicas de diferentes modelos de diversos
proveedores ó al representante local.
11. Con la información anterior, seleccionar el sensor.
6.1.1.6 PROVEEDORES.
En cuanto a los proveedores, existe en el mercado una variedad de distribuidores, que
comercializan con este tipo de dispositivos, pero los principales son:
9 Allen Bradley
9 Siemens
9 Schneider
9 Festo
9 Omron
166
Si desea obtener mas detalle de los datos técnicos de un sensor específico se recomienda
visitar las siguientes direcciones:
9 http://www.festo.com
9 http://www.ab.com
9 http://www.siemens.com
9 http://www.schneider-electric.com
9 http://www.espanol.omron.com
La tabla 19 presenta una comparación entre los proveedores mencionados anteriormente, con
el objetivo de mostrar que en cuanto a características comunes la mayoría ofrece productos
similares, sin embargo es de aclarar que en más de algún producto sí existen características
que son únicas; y esto depende del fabricante o proveedor en particular. Además se trata de
familiarizar al lector con este tipo de elementos y su respectivo proveedor. Se recuerda que no
constituye una guía de selección. Para una adecuada y correcta selección refiérase a las
direcciones electrónicas anteriores y consulte los manuales o catálogos.
167
Tabla 19. Comparación entre los diferentes proveedores de elementos sensores.
Proveedor
Siemens
Omron
Festo
Schneider
Allen
Bradley
Características
MODELO:
Rango de sensado.
Voltaje de operación
Salida
Temperatura de operación.
MODELO
Rango de sensado.
Voltaje de operación
Salida
Temperatura de operación
Modo de operación
MODELO
Rango de sensado
Tensión de alimentación
Salida
Temperatura de operación
MODELO
Rango de sensado
Tensión de alimentación
Salida
Temperatura de operación
Modo de activación
MODELO
Rango de sensado
Tensión de alimentación
Salida
Temperatura de operación
Modo de activación
SENSORES FOTOELÉCTRICOS+
MODO DE DETECCION
HAZ DIRECTO
3RG7042-0AB00
0.25 a 50m.
10-30V DC
PNP o NPN
0 a 55ºC
E3JU-25M4-3
0.5 a 25m.
24 a 240 VAC 50/60 Hz
12 a 240 VDC.
RELES/FET
-25 a 55ºC
NA / NC
SOEG-M18-NAS-2L
0.05 a 20m
10 a 30VDC
PNP ó NPN
-25.a 55ºC
XUM 0APSAL2
0 a 60m.
12...24VDC
NPN ó PNP
-25...55ºC
NA / NC
42EF- E1QZB- A2 (emisor)
42EF- R9SFBV-A2 (receptor)
0.025 a 152m*
21.6 a 132VAC/DC
PNP ó NPN
-25 a 55ºC
NA / NC**
RETRO-REFLECTIVOS
MODO DIFUSO
3RG7121-0AB00
1.5 a 12m
10-30V DC
PNP ó NPN
-25 a 55ºC
E3JU-R5M4-3
0.5 a 5m
24 a 240 VAC 50/60 Hz
12 a 240 VDC.
RELES/FET
-25 a 55ºC
NA / NC
SOEG-RSP-M12-PS-S-2L
0.05 a 1.5m.
10 a 30VDC
PNP ó NPN
-25.a 55ºC
XUM 0APSAL2
0 a 4m (polarizado)
12 a 24VDC
NPN ó PNP
-25 a 55ºC
NA / NC
42KL-U2LB-A2
3RG7040-0AB00
0.05 a 2m.
10-30V DC
PNP ó NPN
0 a 55ºC
E3JU-D1M4-3
1 a 2m
24 a 240 VAC 50/60 Hz
12 a 240 VDC
RELES/FET
-25 a 55ºC
NA / NC
SOEG-RTH-MD18-NS-S-2L
0.010.a 0.120m.(Sup. Fondo)
10 a 30VDC
PNP ó NPN
-25.a 55ºC
XUM 0APSAL2
0 a 0.55m.
12 a 24VDC
NPN ó PNP
-25 a 55ºC
NA / NC
42BA-S2LNAA-A2
2m (ref. pol.) - 9m. (ref. norm)
10.8 a 30VDC
PNP ó NPN
-20 a 70ºC
NA / NC**
0.030m. (sup. fondo) – 2.7m (normal)
12 a 24VDC
PNP ó NPN
-25 a 55ºC
NA / NC**
+ Los datos proporcionados corresponden a la distancia más pequeña de sensado.
* Allen Bradley tiene sensores, cuyo rango de sensado puede aumentarse hasta los 274m, con un margen 1X, estos corresponden a la
serie 4000B y funcionan con fuente de luz infrarroja.
** NA / NC esta relacionado con el tipo de operación: operación por luz u operación por oscuridad.
168
Tabla 19. Comparación entre los diferentes proveedores de elementos sensores. (continuación.)
Proveedor
Características
TIPO DE SENSOR
INT. FIN. CARRERA
MODELO
3SE2 230-1GW
Voltaje de alimentación
(AC/DC) 24 a 500VAC
Temperatura de operación
-30 a 85ºC
--Siemens Salida
Distancia de detección.
--Fuerza de operación
--Tipo de accionador*
palanca tipo rodillo y vástago
MODELO
D4CC-3001
Voltaje de alimentación
(AC/DC) 1 a 30VDC
Temperatura de operación
-10 a 70ºC
Omron
Salida
--Distancia de detección
--Fuerza de operación
1.2kg.
Tipo de accionador*
Rodillo o vástago
SMB-1 / EL-318
MODELO
24VDC/230VAC / 250VDC/AC
Voltaje de operación
-20 a 120ºC
Temperatura de operación
Festo
--Salida
--Distancia de detección
MODELO:
KCK-P128
Voltaje de operación
(AC/DC) 110VAC
Tipo de accionador*
tipo rodillo y vástago
Schneider Temperatura de operación. Palanca
-25 a 70ºC
Efuerzo mínimo
15N
Salida
--Distancia de detección
--MODELO:
801-ASA11
Voltaje de operación
(DC/AC) 120 a 600VAC.
Tipo de accionador*
palanca tipo rodillo y vástago
Allen
Temperatura de operación. 0 a 40ºC
Bradley
Fuerza de operación*
10 a 37.82N
Salida
--Distancia de detección
--*aplicable solo a los interruptores de final de carrera.
Importante: los datos que aparecen en color corresponden a modelos diferentes.
ULTRASONICO
INDUCTIVOS
CAPACITIVOS
3RG61 12-3BF00
12 a 30VDC
-25...70ºC
PNP
0.06 a 10m.
----E4A-3KDC12/24
12 a 24VDC/120/240VAC
-20 a 55ºC
NPN / PNP
0.3 a 3m.
-----
3RG4052-0AG30
(AC/DC)15 a 34VDC
-25..... 85ºC
No disponible
0.0006 a 0.075m.
----E2EL-C1R5E1-M3
(AC/DC) 24VDC
-25 a 70ºC
NPN /PNP
0.0015 a 0.015m.
----SIEN-4B-PO-S-L
(AC/DC) 10-30VDC
-25 a 70ºC
PNP ó NPN
0.0008 a 0.015m.
XS6 08B1PAL2
(DC/AC) 12 a 48VDC
---25 a 70ºC
--PNP ó NPN
0.0025 a 0.060m.
872C-B15BR30-E2
(DC/AC) 30 a 132VAC/DC
---25 a 70ºC
--Rele STDP / PNP/NPN
0.002 a 0.015m.
3RG1613-0AB00
(AC/DC) 30VDC
-20 a 70ºC
--0.005 a 0.020m.
----E2K-C25ME1
(AC / DC ) 10 a 40VDC
-25.a 70ºC
NPN / PNP
0.003 a 0.025m.
-----
--XX5 12A1KAM8
12 a 24VDC
---20 a 65ºC
--PNP / NPN
0.05 a 1m
873C-DDAV1000E2
(DC/AC) 18 a 30VDC
---10 a 60ºC/ -25 a 70ºC
--NPN ó PNP
0.300 a 1m.
--XT1M12PA372
(DC/AC) 12 a 24VDC
---25 a 70ºC
--PNP ó NPN
0.002 a 0.060m.
875C-D5CP18- A2
(DC/AC) 10 a 36VDC
---25 a 70ºC
--PNP / NPN
0.00004 a 0.030m.
169
6.1.2 SELECCIÓN DE SENSORES MEDIDORES DE POSICIÓN Ó
DISTANCIA.
Como su nombre lo indica este tipo de sensores permite determinar la posición lineal ó
angular respecto de un eje o punto de referencia.
En el siguiente diagrama se describe el procedimiento a seguir para una eficaz selección de
este tipo de sensores.
170
Distancias
relativamente
grandes
Sensores láser.
Lineal
Lineal
Potenciómetro
Logarítmico
Exponencial
Distancias pequeñas
Incremental
Encoders
Absoluto
Medición de la posición
Lineal
Potenciómetro
Logarítmico
Exponencial
Analógica
Sincro / Resolvers
Incremental
Angular
Univuelta
Absoluto
Digital
Encoders
Multivuelta
Importante: Los potenciómetros utilizados para detectores de posición se recomienda que la variación de la resistencia sea de tipo lineal.
La señal de salida para los sincro y los resolvers comúnmente se denomina señal de tipo resolver o de tipo sincro.
Absoluto
171
Para ampliar en detalle lo que se muestra en el diagrama anterior, en líneas siguientes se dan
los pasos necesarios para una eficaz selección de cada uno de los elementos que forman parte
de los sensores medidores de posición o distancia.
6.1.2.1 POTENCIÓMETROS.
Los potenciómetros son sensores de posición angular ó lineal, cuya salida es del tipo
analógico.
Los factores a considerar ó pasos a seguir en su eficaz selección ó verificación se dan a
conocer como sigue:
1. Definir el tipo de aplicación en la cual se va a emplear, para escoger el tipo de
potenciómetro a usar: lineal ó rotativo.
2. Definir la variación de la resistencia en función del ángulo girado: lineal, logarítmica ó
exponencial. Para potenciómetros utilizados como detectores de posición se recomienda
que la variación de la resistencia sea de tipo lineal.
3. Determinar las condiciones de operación. Esto esta relacionado con el material que esta
construida la carcaza.
4. Definir la temperatura de funcionamiento del potenciómetro, que no debe sobrepasar a la
temperatura del medio de trabajo.
5. Definir el espacio disponible para su instalación, esto está estrechamente relacionado con
las dimensiones del dispositivo.
6. Especificar el valor de la resistencia que se necesita.
7. Especificar el tipo de material del cual está construido.
8. Definir la tensión de alimentación en base a la energía de la cual se dispone en la planta.
9. Definir el ángulo de rotación eléctrico y mecánico.
10. Una vez obtenida la información de los numerales anteriores, consultar catálogos de
diferentes proveedores, ó a su representante local.
11. Seleccionar el potenciómetro más apropiado.
172
6.1.2.2 ENCODERS.
Este tipo de dispositivos son necesarios en el control de la posición angular de ejes; también
son utilizados en el control de la posición lineal.
Para realizar una eficaz selección ó verificación de estos dispositivos se debe seguir los
siguientes pasos:
1. Determinar el ambiente en el que va a trabajar el encoders. Esto es de importancia para
escoger el tipo de armazón que se desea para el encoders.
2. Definir la temperatura ambiente de operación del encoders.
3. Establecer el tamaño físico necesario para realizar la instalación.
4. Definir el tipo de encoders a usar: incremental, absoluto, rotativo ó lineal.
5. Especificar la resolución del encoders, esto esta muy relacionado con el numeral anterior.
Téngase presente que a mayor resolución se obtienen mayores precisiones; sin embargo el
coste se incrementa.
6. Establecer el voltaje de alimentación.
7. Establecer la velocidad máxima de operación.
8. Definir el tipo de salida deseado.
9. Consultar los catálogos de los diferentes proveedores ó a su representante local, y
seleccionar el encoders que más se adapte a las necesidades.
6.1.2.3 SINCROS Y RESOLVERS.
La metodología a seguir en la selección ó verificación de este tipo de sensores
electromagnéticos es como sigue:
1. Determinar las condiciones de operación.
2. Determinar el espacio físico necesario para realizar la instalación.
3. Seleccionar el tipo de elemento a usar: sincro ó resolvers, con base en el tipo de salida que
se desea obtener: salida en formato sincro ó salida en formato resolvers.
4. Definir el tipo de energía de alimentación: DC ó AC.
5. Definir la velocidad de operación, a la cual debe funcionar el sincro ó el resolver.
173
6. Especificar la temperatura a la cual debe operar el sincro o el resolver, la que no debe ser
menor a la temperatura del medio en que se encuentre.
7. Especificar la relación de transformación.
8. Revisar las especificaciones técnicas de diversos modelos de distintos proveedores o
fabricantes, o consultar al representante local.
9. Seleccionar el elemento que más se adapte a las especificaciones deseadas.
6.1.2.4 SENSORES LÁSER.
Al igual que los demás sensores, éstos también tienen un papel muy importante en el control
automatizado de procesos industriales. Su selección ó verificación se hace de la siguiente
forma:
1. Definir el tipo de aplicación para conocer el tipo de ambiente en que va a operara el
sensor, esto esta relacionado con la construcción física del sensor.
2. Definir el rango de medida que se desea posea el sensor.
3. Definir la distancia de medida, que es la mínima distancia a la cual el objeto es detectado
por el rayo láser.
4. Establecer la temperatura a la cual debe operar el sensor, que no debe ser menor a la
temperatura del medio en el que se trabaja.
5. Definir el tipo de energía a utilizar en su operación: DC ó AC.
6. Especificar el tipo de fuente de luz.
7. Especificar la señal de salida/interface para este tipo de sensor.
8. Consultar las especificaciones técnicas de varios modelos de diferentes proveedores.
9. Seleccionar el sensor que más se adapte a las necesidades, considerando además el factor
económico.
174
6.1.2.5 PROVEEDORES.
En la tabla 20 se presenta un listado de los diferentes proveedores de los siguientes
dispositivos: encoders, potenciómetros, sincros, resolver y sensores láser; y en la tabla 21 se
da a conocer
parte de las especificaciones técnicas de los productos que ofrece cada
proveedor. El objetivo de presentar esta información es el de establecer una comparación
entre los diferentes proveedores, a tal grado que el lector disponga de datos reales y de alguna
manera sirva como fuente de referencia para la selección de algún elemento sensor. Se
recuerda que el contenido de las tablas siguientes no constituyen una guía de selección, para
ello refiérase a las direcciones electrónicas de cada proveedor en donde encontrara más
información relacionada con el elemento sensor de interés.
Tabla 20. Lista de proveedores.
Elemento sensor
Potenciómetro
Encoders
Proveedores
http://www.vsensors.com/
http://www.activesensors.com/
http://www.novotechnik.com/
http://www.heidenhain.com/main.html
Encoders de tipo absoluto e incremental, rotativo y lineal
http://www.gurley.com
Encoders de tipo rotativo y lineal, incrementales y absolutos.
http://www.sick.com
Encoders rotativos de tipo incremental y absolutos.
Además provee encoders de tipo absoluto tanto rotativos como
lineales.
http://www.beiied.com/
Encoders tanto incrementales como absolutos de tipo rotativo.
http://www.servosystems.com/
Encoders de tipo rotativo incremental y absoluto.
http://www.vsensors.com/
Encoders tipo rotativo incremental y absoluto, univuelta y
multivuelta.
http://www.ab.com/manuals/sn/ER.htm
Encoders de tipo incremental y absoluto.
http://www2.intertronic.es/
Descargas/Catalogo_TR/catalogo_TR2001.pdf.
Encoders tipo rotativo incremental y además de tipo rotativo absoluto
univuelta y multivuelta.
175
Tabla 20. Lista de proveedores, cont.
Elemento sensor
Proveedores
Sincros /
Resolvers
http://www.ab.com/manuals/sn/ER.htm
http://www.polysci.com/
http://www.danaherdefense.com/PDFs/Catalogs_and_Brochures/Danaher/
Harowe_Resolvers_Feedback_Systems_Catalog.pdf
Sensores láser
http://www.lap-laser.com/e/laser_g/prod/prod.html
http://www.lmint.com/cfm/index.cfm?It=900&Id=37&Se=2&Lo=2
http://www.sensor.nl/english.html
http://www.pinlaser.com/
176
Tabla 21. Comparación entre los diferentes proveedores.
Elemento
sensor
Proveedores
Potenciómetros
*
Características
http://www.vsensors.com/
Modelo:
Tipo
Rango de resistencia.
Rango de medida.
Potencia
Rango de temperatura
Velocidad del eje.
111 TUFF LINE
Lineal
500Ω a 125KΩ/in
0.0254 a 1.22m.
39.37watts/m.
-55 a 125ºC
1.27m/s.
SL11
Rotativo
200Ω a 200KΩ
344º a 355º
1.5 a 5 watts.
-65 a 125ºC
---
http://www.activesensors.com/
Modelo:
Tipo
Rango de resistencia.
Rango de medida.
Rango de temperatura
Velocidad del eje
CLS1921-250
lineal
1 a 14Kohms
0.025 a 0.350mm.
-30 a 100ºC
<0.100m/s.
RP5110-130
Rotativo
2 a 5Kohms
130º a 350º
-55 a 125ºC
---
http://www.novotechnik.com/
Modelo:
Tipo
Rango de resistencia
Medida
Temperatura
Velocidad del eje
TLH100
Lineal
3 a 20Kohms
10 a 3000mm
-30 a 100ºC
10m/s.
PL300 1KO AA130UK
Rotativo
1 a 10Kohms
340º
-25 a 85ºC
31.42m/s.
Importante: los datos que aparecen en color corresponden a otros modelos.
177
Tabla 21. Comparación entre los diferentes proveedores, cont.
Elemento
sensor
Características
Proveedores
http://www.gurley.com
Modelo
Tipo de encoders
Resolución
Tensión de alimentación
Temperatura de operación
Salida de datos.
R112S500Q5L05A08SZ03N
Rotativo incremental
32000imp./rev.
5 VDC
0 a 70ºC
RS422
R119B512Q5L05AY04MN
Rotativo incremental
65536imp/rev.
5VDC
0 a 70ºC
RS422
http://www.sick.com
Modelo
Tipo de encoders
Resolución
Tensión de alimentación
Temperatura de operación
Velocidad de operación
Salida de datos
DRS60
Rotativo incremental
1 a 8192 impulsos/rev
4.5 a 5.5VDC
-20 a 85ºC
6000/10000rpm
TTL/RS422
ARS60
Rotativo absoluto
2 a 32760pulsos /rev.
10 a 32VDC
-20 a 85ºC
6000/10000 rpm
TTL/RS422
http://www.beiied.com/
Modelo
Tipo de encoders
Resolución
Tensión de alimentación
Temperatura de operación
Velocidad de operación
Controlador (dispositivo de
salida)
H25ESS1500AB7272SC23
Rotativo incremental
1...72000imp/rev.
5 a 24V.
0 a 70ºC
12000rpm
Driver de línea
H25ESS12GC7272SM14/19
Rotativo absoluto.
4096imp/rev.
5 a 30VDC
0 a 70ºC
12000rpm
Driver de línea (7272,7273, SSI serial synchronous interface).
Modelo
Tipo
Resolución
CE65S
Absoluto univuelta
13bits (8192imp/rev.)
Tensión de alimentación
Temperatura de operación
Salida de datos
Velocidad de operación
12 a 27VDC
0 a 60ºC
RS422
6000rpm
CE65M
Absoluto multivuelta
24bits (4096 pulsos/vuelta) x
4096vueltas.
11 a 27VDC
0 a 60ºC
En contrafase (push pull)
6000rpm.
Encoders.
http://www2.intertronic.es/Descargas/
Catalogo_TR/catalogo_TR2001.pdf
178
Tabla 21. Comparación entre los diferentes proveedores, cont.
Elemento
sensor
Proveedores
Características
http://www.ab.com/manuals/sn/ER.htm
Modelo.
Elemento:
Voltaje de entrada
Voltaje de salida
Voltaje nulo*
Par de inicio
Velocidad
Temperatura
Relación de transformación.**
846SJHN1CGR1C
Resolver
12VAC/2500Hz
6V rms
30mV
0.025N.m
6000rpm
0 a 100ºC
0.5
846SJH1CGR2C
Resolvers
6VAC/1000Hz
2.72Vrms
15mV
0.025N.m
6000rpm
0 a 100ºC
0.454
http://www.polysci.com/
Modelo.
Elemento
Voltaje de entrada
Voltaje de salida
Voltaje nulo*
Relación de transformación**
Temperatura de operación
B4H618
Sincro.
26V/400Hz
11.8Volts.
0.03V.
0.454
-55 a 125ºC
11BHW27F
Resolvers
12V/2000Hz
6V
0.015V
0.5
---
11BRW300B
Resolvers
12Vrms/400Hz
30mV.
1.75
R25SBSRY1A15
Resolvers
5.3Vrms/4000Hz
--0.5
Sincros /
resolvers
Modelo.
http://www.danaherdefense.com/PDFs/C
Elemento
atalogs_and_Brochures/Danaher/Harow
Voltaje de entrada.
e_Resolvers_Feedback_Systems_Catalog
Voltaje nulo*
.pdf
Relación de transformación.**
*
Voltaje nulo: es el voltaje residual que permanece cuando una componente del voltaje de salida es cero.
Relación de transformación: es la relación del voltaje de salida al voltaje de entrada cuando la salida esta en su máximo acoplamiento.
**
179
Tabla 21. Comparación entre los diferentes proveedores, cont.
Elemento
sensor
Proveedores
http://www.laplaser.com/e/laser_g/prod/prod.html
Sensores
láser
http://www.sensor.nl/english.html
Características
Polaris 10
0.010m.
0.051m.
Analógica: 4 a 20mA /
Digital RS485
Triangulación láser
Principio de medida
Diodo láser
Fuente de luz
Temperatura de operación 0 a 40ºC
24VDC
Voltaje de alimentación.
Modelo
Rango de medida
Distancia de medida.
Salida/interface
Modelo
Rango de medida
Distancia de medida
Señal de salida
Fuente de luz
Temperatura de operación
Voltaje de alimentación
Modelo
Rango de medida
Distancia de medida
http://www.lmint.com/cfm/index.cfm?It=9 Señal de salida
00&Id=37&Se=2&Lo=2
Rango de temperatura
Voltaje de alimentación
LMS10
0.010m.
0.045m.
Analógica: 4-20mA
Triangulación láser
Diodo láser
0 a 40ºC
24VDC
LDS80/10
0.010m.
0.075m.
Analógica: 0 a 10VDC
Diodo láser
0 a 50ºC
15VDC
M24-14-24
0.610m.
0.355m.
Digital: RS-232/RS-485
Diodo láser
0 a 50ºC
15VDC
DLS2000
0.300m.
100mm
Digital: RS485,
Analógica:
4 a 20mA / 0 a 10VDC
0 a 45ºC
15 a 30VDC
DLS2000LR
3.0m.
0.500m.
Digital: RS485,
Analógica:
4 a 20mA / 0-10VDC
0 a 45ºC
15 a 30VDC
180
6.1.3
SELECCIÓN
DE
SENSORES
MEDIDORES
DE
PEQUEÑOS
DESPLAZAMIENTOS Y DEFORMACIONES.
En este caso se trata de sensores de posición diseñados exclusivamente a la detección de
pequeños desplazamientos ó deformaciones. La selección de este tipo de sensores se muestra
en el diagrama siguiente:
Ppio de funcionamiento
basado en la electricidad.
LVDT
Ppio de funcionamiento
basado en el cambio en
la resistencia.
Galgas
extensiómetricas.
Lineal
Deformación
Angular
RVDT.
Para ampliar más en la selección de este tipo de elementos sensores, en líneas siguientes se da
a conocer los pasos a seguir en la selección de cada uno de los elementos que aparecen en el
diagrama anterior.
6.1.3.1 TRANSFORMADORES DIFERENCIALES (LVDT Ó RVDT).
Los pasos a seguir en la selección o verificación de este tipo de sensores son los siguientes:
1. Definir el rango de medida en el cual debe operar el sensor.
2. Establecer las condiciones de operación, tales como presencia de polvo, temperatura de
operación, etc.
3. Escoger el tipo de elemento a usar: LVDT ó RVDT.
4. Escoger el voltaje de alimentación: DC ó AC.
5. En caso de ser AC especificar la frecuencia de operación
6. Especificar la linealidad, aunque esto no es muy necesario, puesto que la mayoría esta muy
cercana ó es de ±0,5%.
7. Revisar catálogos de diferentes proveedores, bien de forma electrónica ó consultando al
representante local.
8. Seleccionar el sensor que más se adapte a las necesidades, sin olvidar el coste.
181
6.1.3.1.1 PROVEEDORES.
Los proveedores para los elementos sensores LVDT más comunes son los que se mencionan
a continuación:
9 http://www.columbiaresearchlab.com/
9 http://www.macrosensors.com/
9 http://www.activesensors.com/
9 http://www.daytronic.com/company/e-security.htm
9 http://www.rdpelectrosense.com/index.htm
9 http://www.sentechlvdt.com/index.asp.
Estos últimos dos proveedores además de proporcionar sensores LVDT, también proporciona sensores
RVDT.
En la tabla 22 se muestran datos comparativos de algunos de los proveedores que se
mencionaron anteriormente.
182
Tabla 22. Datos comparativos de proveedores de sensores LVDT.
Elemento
sensor
LVDT /
RVTD
Proveedor.
Características
Modelo
Elemento
Voltaje de alimentación
Frecuencia de operación.
Linealidad
Temperatura de operación
Rango de medida.
Peso total.
Salida nula.
http://www.daytronic.com/comp
http://www.sentechlvdt.
http://www.macrosensors.com/
any/e-security.htm
com/index.asp
DS200SUH
LVDT
(AC/DC) 0.5 a 7 VACrms
2 a 10KHz sinusoidal
±0.5%
-20 a 125ºC
(0.00065 a 0.470m.) 0.0025m.
16gr.
---
Importante: los datos en color corresponden a modelos diferentes.
PR750-050-006
LVDT
(AC/DC) 3.0Vrms
2.5 a 3.0KHz
<±0.5%
-55 a 105ºC
(0.00063 a 0.250m.) 0.00125m.
-----
42DC-500SR
LVDT
(AC/DC) 24VDC
--±0.5%
0 a 70ºC
(0.000127 a 0.508m)
--4-20mA.
183
6.1.3.2 GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS.
Los pasos que se siguen en la selección de este tipo de sensores son:
1. Definir el tipo de galga que se va a usar: galga de hilo o de semiconductor.
2. Escoger el margen nominal de medida.
3. Establecer la temperatura de operación.
4. Definir la forma de trabajo: tracción, compresión.
5. definir la forma de unión con el elemento al cual se le quiere medir la deformación.
6. Consultar catálogos de los diferentes proveedores y seleccionar el modelo que más
satisfaga los requisitos impuestos por la aplicación.
6.1.4 SELECCIÓN DE SENSORES DE TEMPERATURA.
Gracias a este tipo de sensores, es posible controlar la temperatura en diversas aplicaciones de
índole industrial.
Existe una diversidad de este tipo de sensores; sin embargo la aplicación de cada uno de ellos
estás condicionada por el rango de temperatura, del cual es capaz de medir.
Téngase en cuenta que además del elemento sensor, es necesario un circuito adicional que
adapte la señal a un controlador, que puede ser: un autómata programable, un
microcontrolador ó un ordenador.
184
El siguiente diagrama presenta una forma fácil de seleccionar los sensores de temperatura más
comunes aplicados industrialmente.
Termóstato bimetálico
-250 a 850ºC
Termorresistencias Pt100
-60 a 180ºC
Termorresistencias de níquel.
-200 a 150ºC
Termorresistencias de cobre
-100 a 450ºC
Termistores
-200 a 1500ºC.
Ver tabla 14
Termopares
T>450ºC
Pirómetros
Temperatura a medir.
16 a 426ºC
De radiación
Ópticos
Más información sobre como seleccionar un sensor de temperatura se detalla enseguida.
1. Determinar la temperatura a medir por el sensor.
2. En base a la tabla 23 seleccionar el tipo de sensor a utilizar.
Tabla 23. Rango de temperatura de operación de los sensores de temperatura.
Tipo de sensor.
Bimetálicos (todo ó nada)
Termorresistencias RTD.
Termorresistencias Pt100
Termorresistencias de níquel.
Termorresistencias de cobre
Termistores
Termopares
Pirómetros
Rango de temperatura
16 a 426ºC
-250 a 850ºC
-60 a 180ºC
-200 a 150ºC
-100 a 450ºC
Ver tabla 9.
T>450ºC. Por lo general se utilizan para
medir temperaturas superiores a los
1600ºC.
3. En el caso de los sensores de temperatura que precisan de una fuente de alimentación,
como es el caso de los pirómetros, indicar el tipo de fuente de alimentación: AC ó DC.
185
4. Consultar
diferentes especificaciones técnicas
en catálogos de proveedores, ya sea
mediante dirección web ó a través del representante local, escoger el sensor que más se
adecué a las necesidades e indicar lo siguiente:
Especificar el tipo de material de que esta construido el sensor seleccionado.
Especificar el valor de la resistencia nominal.
En el caso de termopares indicar el valor de la fem inducida.
De ser posible indicar el tipo de interface de comunicación ó el tipo de salida que
presenta.
6.1.4.1 PROVEEDORES.
En la tabla 24 se presenta un listado de proveedores, indicando además el tipo de elemento
sensor del cual es proveedor; y parte de las especificaciones técnicas de algunos de los
productos que ofrece cada uno de ellos. Se recuerda que para una selección eficiente se debe
consultar al proveedor, el cual proporciona la información necesaria que se debe conocer
acerca del producto.
186
Tabla 24. Proveedores de sensores de temperatura.
Proveedor
Elemento sensor.
http://www.omega.com
En este sitio web se encuentra
las
información
relacionada
con
termorresistencias
RTD,
termopares,
termostatos y termistores en un amplio
rango de temperatura de operación.
http://www.thermometricscorp.com/index.html
Termopares de todos los tipos estándar
en un amplio rango de operación.
Termorresistencias RTD de níquel,
platino y cobre.
encontrara
información
Además
relacionada con el tema.
http://www.kobold.com
Sensores de temperatura RTD
En este sitio se encuentra información
http://www.iprocessmart.com/temperature_1_esp.htm de termorresistencias RTD, termopares y
termistores.
http://www.pyrometer.com
http://www.ipscustom.com/index.aspx?SID=1&
http://www.peaksensors.co.uk/index.html
Pirómetros ópticos y de radiación
Termopares de diferentes tipos, y
termorresistencias RTD.
Termopares y termorresistencias RTD.
187
Tabla 24. Proveedores de sensores de temperatura, cont.
Proveedor
http://www.omega.com
Características
XTAP10RU06230MQ1
2
Termopar tipo S
--0 a 1475ºC
PtRh10% - Pt
NB1ICIN116G12
Termopar tipo J
--0 a 750ºC
Hierro-constantan.
PR132100M45150E
RTD
100Ω @ 0ºC
0 a 750ºC
Platino
Solicitud vía fax.
Termopar tipo K
--1 a 1250ºC
NiCr-Ni
0.39 a 50.644mV
Solicitud vía fax.
RTD Níquel
120Ω @ 0ºC
-100 a 300ºC
Níquel
---
Solicitud vía fax.
Termopar tipo R
Modelo
Elemento
Rango de temperatura
Material del elemento
Resistencia
TSP5205N5TA
RTD
-40 a 149ºC
Platino
100Ω @ 0ºC
TSR52040ET
RTD
-45.55 a 593ºC
Platino
100Ω @ 0ºC
TSR 100KS3450
RTD
-23 a 100ºC
Platino
100Ω @ 0ºC
Modelo
Rango de temperatura
Elemento
Interface de comunicación.
PF905
600 a 1500ºC
Pirómetro
Digital: RS232C
Analógica: 0 a 5VDC /
0 a 20mA
115V/60Hz
0 a 250ºC
95-D
500 a 3200ºC
Pirómetro óptico
Analógica:
0 a 1 VDC
Digital: RS232C
(AC/DC) 110V AC/60Hz
---
Modelo
Elemento
Resistencia nominal
Temperatura a medir
Material del elemento
Modelo
Elemento
http://www.thermometricscorp.com/index. Resistencia nominal
html
Temperatura a medir
Material del elemento
fem
http://www.kobold.com
http://www.pyrometer.com
Fuente de alimentación
Temperatura de operación
del equipo
1 a 1450ºC
PtRh13% - Pt
0.005 a 17.746mV
81F / 81C
760 a 3200ºC
Pirómetro óptico
n/a
Baterías recargables de
NiCad
---
188
6.2 SELECCIÓN DE ACCIONADORES.
En la tabla 25 se presentan algunas de las aplicaciones más comunes para los tres tipos de
accionadores: eléctricos, neumáticos e hidráulicos.
Tabla 25. Aplicaciones más comunes de los accionadores.
Aplicaciones
Elemento accionador.
Accionamiento
de
compresores,
bombas,
ventiladores,
transmisiones de todo tipo: correa, engranes, etc. aplicaciones muy
comunes se encuentran en el manejo de materiales, máquinas
herramientas, industria de la transformación de materiales, etc.
Motores eléctricos.
Utilizados ampliamente en máquinas herramientas para controlar el
avance de la herramienta y piezas de trabajo, dispositivos de
fijación, movimientos de corte, accionamientos de prensas, etc. Cilindros hidráulicos y
También se les emplea en los dispositivos de elevación y transporte
neumáticos.
para generar movimientos basculantes, ascendentes, descendentes y
demás.
Se utilizan donde se requiere un par de giro elevado con
revoluciones bajas, como en grúas, máquinas perforadoras, etc.
Su campo de aplicación principal se encuentra en máquinas de obras
públicas, elevación, barcos, armamento, máquinas herramienta,
transfer, máquinas para la fabricación del caucho y sus derivados
incluyendo los plásticos, prensas, cortadoras y otras muchas.
Son ideales para el trabajo en paradas.
Motores hidráulicos.
Se les emplea ampliamente en máquinas herramientas,
automatismos, mezcladores de pintura, grúas y cabrestantes,
perforadoras,
cargadoras
de
minas,
reductores,
cintas
transportadoras, máquinas de inyección, refinerías, industria
química, astilleros, etc.
Motores neumáticos.
En la siguiente página se describe con la ayuda de un diagrama la selección de los diversos
tipos de accionadores discutidos en el contenido de este Trabajo de Graduación.
189
Generación del
movimiento.
Angular
Lineal
No resistente a sobrecargas.
Motor hidráulico
Motores AC
Motores DC
Monofásicos.
Corriente de campo
Motor universal
Sincronicos.
De inducción
Inducción.
Rotor devanado.
Metodo para producir
par de arranque.
Jaula de ardilla.
Motor de pistones.
Sin escobillas.
Motor de aletas.
Fuente de alimentación
constante.
Trifasicos.
Con escbillas.
Bajas velocidades.
Regulables.
Altas velocidades.
Fuente de alimentación
alterna.
Devanado de fase partida.
Devanado con capacitor.
Polos estátoricos
sombreados.
Motores paso a paso.
Motor Neumático
Motor eléctrico
Motores dc sin escobillas
Alta velocidad.
Temperatura relativ. Alta.
Generación de fuerzas muy
grandes.
Motores dc con escobillas
Baja velocidad.
Temperaturas no tan altas.
Limitación de las fuerzas por
la presion del aire.
Motores de paletas
Cilindro neumático
De accionamiento cte.
Cilindro hidráulico
Resistente a sobrecargas
Motores de pistones.
Cargas livianas
Motores de engranages
Cargas elevadas
190
Para ampliar la información presentada en el diagrama anterior, las líneas siguientes indican
los pasos necesarios a seguir para seleccionar los diferentes elementos accionadores.
6.2.1 SELECCIÓN DE ACCIONADORES ELÉCTRICOS.
Como mínimo, para los motores es necesario especificar los aspectos siguientes:
1. Tipo de motor: de corriente directa, (DC), corriente alterna (AC), monofásico, trifásico, y
demás.
2. Especificación de potencia y velocidad.
3. Voltaje y frecuencia de operación.
4. Tipo de carcasa, en función de la aplicación.
5. Detalles relativos al montaje.
Además, es probable que existan necesidades especiales que deben ser comunicadas al
vendedor. Los factores principales a tomar en cuenta al seleccionar un motor incluyen los
siguientes:
1. Par de operación, velocidad de operación y especificación de potencia.
2. Par de arranque.
3. Variaciones de carga que se esperan y variaciones de velocidad correspondientes que
pueden tolerarse.
4. Limitaciones de la corriente durante las fases de arranque y funcionamiento.
5. Ciclo de trabajo: que tan a menudo hay que encender y apagar el motor.
6. Factores ambientales: temperatura, presencia de atmósferas corrosivas ó explosivas,
exposición al clima o a líquidos, disponibilidad de aire para enfriar y demás.
7. Variaciones de voltaje que se esperan: casi todos los motores toleran hasta un ± 10% de
variación respecto al voltaje que se especifica.
Con toda la información anterior el paso siguiente es dirigirse al vendedor o consultar los
catálogos de los diferentes proveedores para escoger el motor que más se adapte a las
condiciones de trabajo requeridas.
191
6.2.2
SELECCIÓN
DE
ELEMENTOS
MOTORES
DE
ACCIONAMIENTO
HIDRÁULICO Y NEUMÁTICO.
En este apartado se dan a conocer los factores más importantes que se deben tener en cuenta a
la hora de realizar la selección de estos elementos.
6.2.2.1 SELECCIÓN DE CILINDROS HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS.
Los factores a considerar ó pasos a seguir en la selección ó verificación de un cilindro ya sea
éste, neumático o hidráulico son los siguientes:
1. Definir la aplicación en la que se va a utilizar el cilindro y en base a ello determinar la
longitud de la carrera.
2. Establecer en base a la aplicación el tipo de cilindro: de simple o doble efecto.
3. Definir la presión de trabajo, en función de la existente en el lugar de trabajo.
4. Calcular la Fuerza que debe ejercer el cilindro.
5. Calcular la velocidad de ida y vuelta para el cilindro.
6. Calcular el consumo de aire, si es neumático ó de aceite, si es hidráulico.
7. Determinar las pérdidas de presión admisibles en el sistema.
8. Determinar el diámetro del cilindro y del vástago.
9. Indicar las condiciones de operación: temperatura, presencia de polvo, ambiente corrosivo,
etc.
10. Establecer detalles relativos al montaje.
11. Con la información anterior, consultar catálogos de diferentes proveedores, y seleccionar
el cilindro que más se acomode a los requerimientos exigidos por la aplicación, teniendo
en cuenta además el factor económico.
12. Para el cilindro seleccionado indicar además de lo anterior lo siguiente:
Material del que esta fabricado.
Viscosidad del fluido, y tipo de aceite utilizado en el caso de los cilindros hidráulicos.
Indicar las condiciones requeridas para el fluido que se emplee: filtrado, lubricado, etc.
192
6.2.2.2 SELECCIÓN DE MOTORES HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS.
En la selección ó verificación de este tipo de motores, los pasos a seguir se enumeran
enseguida:
1. Calcular la potencia requerida por el motor.
2. Definir la velocidad de operación
3. Calcular el par de arranque y el de carga.
4. Calcular el volumen desplazado (absorbido), en el caso de los motores hidráulicos.
5. Calcular la eficiencia con la que se espera que funcione.
6. Indicar el flujo requerido, ya sea de aire, si es neumático ó de aceite si es hidráulico.
7. Especificar el tipo de motor que se requiera: motor hidráulico: de paletas, de engranes o
de pistones, ó si es un motor neumático: de aletas o de pistones.
8. Definir la presión de trabajo para el motor, en función de la existente en la instalación
industrial.
9. Determinar las condiciones ambientales en las que se espera trabaje el motor, en base al
tipo de aplicación para la cual se requiere.
10. Indicar datos relativos al montaje
11. Con la información anterior dirigirse al vendedor ó proveedor y seleccionar el motor que
más se adecué a los requisitos exigidos por la aplicación.
Además de la información anterior es necesario conocer para el motor seleccionado
información como: viscosidad y tipo de aceite que utiliza el motor, si es hidráulico y detalles
referentes a las condiciones del fluido de trabajo: filtrado, lubricado, etc.
6.2.3 PROVEEDORES.
En la tabla 26 se presenta parte de las especificaciones técnicas de algunos modelos de los
principales proveedores para los elementos accionadores discutidos en apartados anteriores.
Se recuerda que para que la selección del elemento sea eficaz, consulte a su representante local
de los proveedores listados en la tabla 26 ó visite las direcciones electrónicas, para consultar
la mayor cantidad de información pertinente al elemento accionador de interés.
193
Tabla 26. Proveedores de los diferentes accionadores.
Elemento
Accionador
Proveedores
Características / especificaciones técnicas
Modelo
Potencia
Voltaje de alimentación
Tipo de motor
Accionadores Eléctricos
http://www.baldor.com
http://www.ab.com/catalogs/
Frecuencia
Velocidad
Corriente a plena carga
Eficiencia a plena carga.
Factor de servicio
Modelo
Potencia
Voltaje de alimentación
Tipo de motor
Frecuencia
Velocidad
Eficiencia a plena carga.
Factor de servicio
Modelo
Potencia.
Voltaje de alimentación
Tipo de motor
http://www.geindustrial.com/cw
c/products?famid=23&lang=en Factor de servicio
_US
Frecuencia
Velocidad.
Corriente a plena carga.
Sentido de giro.
L1177T
15.0HP
230VAC
Motor de corriente
alterna, 3 fases.
60Hz.
1725 rpm.
70A
82.5%
1.0
1329RSKA02036FXH
20HP
230/460VAC
Motor AC, velocidad
variable, complet. sell.
60Hz
3600, variable
91.7%
1.0
5KE132SFIG1112
7.5HP
220 a 240VAC
Motor de corriente
alterna 3 fases.
1.15
50/60Hz
3600rpm.
17.9 a 16.5A
antihorario
D50300P-BV
300HP
150/300V.
Motor de corriente
directa.
--1750/1900 rpm.
----1.0
1329LZC00518NVHUL
5HP
230/460VAC.
Motor AC, velocidad
variable, 3 fases.
60Hz
1800 rpm, variable.
--1.0
5CD193PA084A010
30HP
150/300V.
Motor DC, bobinado en
derivación.
1.0
--1750/2300 rpm.
-----
D1154
1.0HP
115V
Motor de corriente
directa.
--1750 rpm.
------1325LSDC00318DGC
3HP
240/150VDC
Motor DC.
--1800 rpm, variable.
--1.0
N8907
700HP
2300/4000VAC
Motor de corriente
alterna, 3 fases.
1.15
60Hz.
3600rpm.
151.0/57.0A
horario/antihorario
194
Tabla 26. Proveedores de los diferentes accionadores, cont.
Motores neumáticos
Cilindros neumáticos
Accionadores Neumáticos
Elemento
Accionador
Proveedores
http://www.neumac.es/htm/es/
neumacn/neumacn.htm
www.festo.com
Características / especificaciones técnicas
Modelo
Potencia máxima
Velocidad a potencia
máxima.
Par a máxima potencia
Par de arranque
Consumo de aire a
máxima potencia.
Peso.
Tipo de motor.
Presión del aire
Modelo
Tipo de cilindro.
Presión de
funcionamiento (KPa.)
Temperatura ambiente.
Fluido
Fuerza desarrollada.
Carrera del cilindro.
MA05/18
0.38 Kw.
1800rpm.
MAR07/65
0.41Kw
6500 rpm.
5CR30
4.6Kw.
3000 rpm.
2.1N.m
3.15N.m
0.5m3/min.
0.7N.m
1.05N.m
0.64m3/min.
14.50N.m
14.10N.m
6.1m3/min.
1.35kg.
No reversible.
600Kpa.
ADN1650APA
Cilindro de doble efecto,
vast. simple
100 a 1000 (v. simple)
100 a 1000 ( v. doble)
-20ºC a 80ºC
Aire comprimido, filtrado,
lubricado o sin lubricar.
121N (avance, vást. s.)
90N (avance, v. Doble)
90N. (retroc, vást. s.)
90N. (retroc, v. doble)
0.050m.
1.12kg.
Reversible.
600Kpa.
CRDG5080PA
Cilindro de doble efecto.
100 a 1000
15.0kg.
Reversible.
600KPa.
DNCT5080PPVAS6
Cilindro de doble efecto,
tándem.
60 a 1000
-20 a 80ºC
Aire comprimido, filtrado,
lubricado o sin lubricar.
1178N en avance a
0.6 MPa.
990N en retroc. a
0.6 MPa.
0.080m.
-20 a 80ºC
Aire comprimido, filtrado,
lubricado o sin lubricar.
2168N en avance, a
0.6 MPa.
1980N en retroceso a
0.6MPa.
0.080m.
195
Tabla 26. Proveedores de los diferentes accionadores, cont.
Cilindros neumáticos
Proveedores
http://www.parker.com/framele
ss/default.asp?FamID=0&DivI
D=0&GID=9
&TechID=10&Type=2&ID=3
1&img=1&
Características / especificaciones técnicas
Modelo
Tipo de cilindro
6BCRTB2AUVS14A12
Cilindro de doble efecto.
4FPTB2ANUS14AX10
Cilindro de doble efecto.
Carrera del cilindro
Presión máx. de func.
Temperatura
Fluido
0.3048m.
1724.7KPa.
-23 a 74ºC
Aire filtrado
0.254m
1724.7KPa.
-23 a 74ºC
Aire filtrado.
Fuerza desarrollada
12575N a 690 KPa. (avan)
663N. a 690KPa. ( retr. )
21305DSD
Motor hidráulico de
engranes.
15.8HP @ 2000rpm.
16.72 cm3/rev.
3500rpm.
17.2MPa (2500psi.)
Modelo
Tipo
Motores Hidráulicos
Accionadores Hidráulicos
Accionadores
Neumáticos
Elemento
Accionador
http://hydraulics.eaton.com/
products/menu_main.htm
Potencia
Desplazamiento
Velocidad
Presión máx. de trabajo
Temperatura del fluido
Flujo
Eficiencia total.
Fluido.
5591N a 690KPa.
351N a 690KPa.
F3MFB-10UY-31
Motor hidráulico de
pistones, desplaz. fijo.
8HP
21.14 cm3/rev.
1800 rpm.
10.3 a 20.7 MPa.
(1500 – 3000psi.)
-29 a 107ºC
38 a 66ºC
0.07m3/min
0.038 m3/min.
(18.5gpm @2000psi.)
(10gpm.)
--90%
Aceite hidráulico antidesg. Aceite hidráulico antidesg.
3304B99202100051
Cilindro de simple efecto,
retorno por resorte.
0.051m
1000KPa.
-10 a 80ºC
Aire comprimido, filtrado y
lubricado.
--M2U1S25S1C10S60L
Motor hidráulico, de
paletas.
4HP
25.4 cm3/rev.
2500rpm.
13.8 MPa. (2000psi.)
49 a 65ºC.
0.045 m3/min.
(12gpm.)
--Aceite hidráulico antidesg.
196
Tabla 26. Proveedores de los diferentes accionadores, cont.
Elemento
Accionador
Proveedores
Características / especificaciones técnicas
Motores Hidráulicos
Potencia
Desplazamiento
Velocidad
Presión de trabajo
http://www.denquipgroup.com/ Eficiencia volumétrica.
Eficiencia total
Res. Choque térmico.
Fluido
Rango de temperatura del
fluido
Viscosidad del fluido
Modelo
Tipo de cilindro
Cilindros Hidráulicos
Accionadores Hidráulicos
Modelo
Tipo
MR33
Motor hidráulico de
pistones radiales.
8.9HP
3.21E-5 m3 (1.96in3)
1400rpm.
25 MPa. (3625psi.)
98%
96%
80ºC
Fluído tipo HFB, HFC.
MRT8500
Motor hidráulico de
pistones radiales.
265.5HP
8.52E-3m3 (519.8in3)
70 rpm.
21MPa. (3046psi.)
---------Fluído tipo HFB, HFC.
-30 a 80ºC
-30 a 80ºC
85 a 4635 SUS
5F2HLT14A10
Cilindro hidráulico de
doble efecto
Carrera
del
cilindro
0.254m
http://www.parker.com/framele
Presión máx. de func.
20.7MPa (3000psi)
ss/default.asp?FamID=0&DivI
Temperatura
-23 a 74ºC
D=0&GID=9&TechID=6&Ty Fluido
Aceite hidráulico base
pe=2&ID=31&img=1&
mineral, limpio y filtrado.
Fuerza desarrollada
87363N a 6.9MPa, avance
13967.4N a 6.9MPa
(1000psi), retroc.
Modelo
RAC 204
Tipo de cilindro
Cilindro de simple efecto,
retorno por resorte.
http://www.enerpac.com/
Presión máx. de operación. 70MPa
Carrera del cilindro.
0.100 m.
Capacidad
309 KN
85 a 4635SUS
4F3LT14A10
Cilindro hidráulico, doble
efecto, vástago simple.
0.254m
6.9MPa (1000psi)
-23...74ºC
Aceite hidráulico, base
mineral.
27957N a 3.45MPa, avnc.
3314N a 3.45MPa
(500psi), retroceso.
RR7513
Cilindro de doble efecto.
69Mpa (10.000psi)
0.33m. (13.13 in)
667.23KN. (75 ton.)
M3B0181N00B100
Motor hidráulico de paletas.
5.77HP
9.2E-6m3/rev. (9.2ml/rev)
4000rpm.
17.5Mpa. (175bar)
------HF-0, HF-2, HF-2A,HF-1,
HF-3, HF-4, HF-5.
-18 a 100ºC
10 a 860cSt.
100CHMIGB14M250M14
Cilindro hidráulico, doble
efecto, vást. Simple.
0.250m.
21Mpa (210bar.)
-20 a 80ºC
Aceite mineral HH, HL,
HLP, HLP-D, HM, HV.
125.7KN a 16MPa, avance
25.5KN a 16MPa,
retroceso.
RC51
Cilindro de simple efecto,
retorno por resorte.
69Mpa (10.000psi.)
0.0254m. (1 in)
44.18KN (5 ton.)
197
CAPÍTULO 7.
APLICACIÓN DE LOS SENSORES Y ACCIONADORES. “CONTROL
DE TEMPERATURA”.
Los apartados anteriores han sido dedicados al estudio de diversos sensores y accionadores.
Se han estudiado sus aspectos constructivos, funcionamiento y demás; hasta listar algunos de
sus proveedores. Como complemento a la información hasta este momento expuesta, lo
siguiente constituye un ejemplo de aplicación práctica, que consiste en el “control de
temperatura”.
El objetivo del desarrollo de esta aplicación es controlar la temperatura de un horno, mediante
el empleo de un controlador PID.
De forma general se puede decir que el funcionamiento es de la siguiente manera:
En el
controlador PID se establece la temperatura en la cual se desea que este operando el horno. La
temperatura de operación del horno es capturada por un sensor de temperatura, un Pt100, y
mediante una tarjeta de adquisición de datos, esta información es enviada al ordenador. Si la
temperatura de operación del horno se encuentra fuera de la temperatura que se ha establecido
en el controlador PID, entonces se actúa sobre un calefactor que hace que la temperatura de
operación del horno alcance la temperatura deseada. Los datos de temperatura son mostrados
en pantalla mediante el empleo de un software de programación, Lab View.
198
7.1 ELEMENTOS A USAR:
En la Fig. 78 se muestra los diferentes elementos que forman parte del sistema a controlar,
indicando además como se interrelacionan entre sí.
Fig. 78. Sistema de control de temperatura.
Para el desarrollo de esta aplicación las herramientas con las que se cuenta son las siguientes:
9 Un ordenador,
9 Software de programación gráfica, Lab View,
9 Un controlador PID,
9 Una tarjeta de adquisición de datos, TAD, junto con sus accesorios,
9 Un sensor de temperatura (una termorresistencia, Pt100), junto con su circuito
acondicionador (linealizador).
Para la simulación del horno es necesario:
9 Un deposito aislado térmicamente
9 Una fuente de alimentación, y
9 Un elemento resistivo que sirve como calefactor.
199
7.1.1 CARACTERÍSTICAS DEL ORDENADOR.
Las características mínimas con las que debe contar el ordenador para la instalación de Lab
View son las siguientes:
9 Windows 2000/XP o superior.
9 Microsoft Internet Explorer 5.0 o superior.
9 Como cantidad mínima 128 MB de RAM.
9 Resolución del monitor: 800 x 600 pixels.
9 Procesador Pentium III o superior ó Celeron de 600MHz o procesador equivalente; Sin
embargo National Instruments recomienda un Pentium IV o procesador equivalente.
9 National Instruments recomienda que se tenga al menos 130MB de espacio en disco
para la instalación mínima de Lab View, ó 550MB de espacio en disco para una
instalación completa.
Para el desarrollo de la práctica el ordenador a utilizar ha sido proveído por SOLINTEG,
Soluciones Integrales de Software y Comunicaciones, y cuenta con las siguientes
características:
9 Procesador/MHz 2600XP+AMD BOX
9 512 MB de RAM
9 80 GB en disco duro
9 Monitor Samsung 17”
9 Altavoces de 240W
9 Puertos serie y paralelo.
9 Disquetera de 3½”.
9 DVD16X
9 Regrabadora 52x32x52x
Mayor información en anexo I.
200
7.1.2 INTRODUCCIÓN A LAB VIEW.
Lab View es un lenguaje de programación que usa iconos en lugar de líneas de texto para crear
las aplicaciones. Contrario a los lenguajes de programación basados en texto, donde las
instrucciones determinan la ejecución del programa, Lab View utiliza la programación de flujo
de datos, donde el flujo de los datos determina la ejecución.
En Lab View se construye la interface de usuario con un conjunto de herramientas y objetos.
La interface de usuario es conocida como el panel frontal, Fig. 79. Luego se agrega el código
usando representaciones gráficas de funciones para controlar los objetos en el panel frontal.
El
diagrama
de
bloques
es
el
que
contiene
Fig. 80. De alguna forma el diagrama de bloques se parece a un flujograma.
Fig. 79. Panel frontal.
este
código,
201
Fig. 80 Diagrama de bloques.
Como ya se dijo en líneas anteriores, cuando se crea un Instrumento Virtual, VI, en Lab View
se trabaja con dos ventanas: Una en la que se implementará el panel frontal y otra que
soportara el nivel de programación. Para la creación del panel frontal se dispone de una
librería de controles e indicadores de todo tipo y la posibilidad de crear más, diseñados por el
propio usuario.
Cuando un control es pegado desde la librería en el panel frontal se acaba de crear una variable
cuyos valores vendrán determinados por lo que el usuario ajuste desde el panel;
inmediatamente, aparece un terminal en la ventana de programación representándolo. El nivel
de programación del VI consistirá en conectar estos terminales a bloques funcionales (por ej.
un comparador), hasta obtener el resultado que se desea visualizar, como por ejemplo un led
de alarma. Los bloques funcionales son iconos con entradas y salidas que se conectan entre si
mediante cables ficticios por donde fluyen los datos, constituyendo el nivel de programación
del VI.
202
7.1.3 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS, TAD.
Son muchas las aplicaciones donde se hace indispensable el tratamiento de señales que nos
proporcionen información sobre fenómenos físicos. En general, este tratamiento es necesario
hacerlo sobre grandes cantidades de información y con una elevada velocidad de procesado.
Un ordenador personal es el encargado de realizar estas tareas debido a su excelente velocidad
de procesado sobre cantidades elevadas de información.
Comúnmente los dispositivos usados para la adquisición de señales son las tarjetas de
adquisición de datos, que son las que proporcionan al ordenador personal la capacidad de
adquirir y generar señales, ya sean analógicas ó digitales. Sin embargo, éstas no son las únicas
funciones de las tarjetas
de adquisición; entre otras, también disponen de contadores y
temporizadores.
Cuando se desea obtener información sobre fenómenos físicos es necesario introducir un
nuevo elemento en el sistema que nos suministre un parámetro eléctrico a partir de un
parámetro físico, dicho elemento es el sensor ó transductor. El sensor es el primer elemento
que forma un sistema general de adquisición de señales.
Hoy en día se dispone de una gran variedad de TAD que permite llevar a cabo las
aplicaciones. Sin embargo, es importante conocer cuáles son las prestaciones que puede dar
cada tarjeta para
que se adapte correctamente a la aplicación en cuestión sin que sus
prestaciones sean muy elevadas ni muy bajas.
7.1.3.1 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE LAS TAD.
En este apartado se describe las consideraciones que determinan las características hardware
de las tarjetas de adquisición de datos, para tener un criterio de valoración de la efectividad de
la TAD y de comparación entre diferentes placas.
Entradas analógicas. Las prestaciones y precisión que nos proporciona una tarjeta, en cuanto
a entradas se refiere, son básicamente el número de canales de que dispone, la frecuencia de
muestreo, la resolución y los niveles de entrada. Generalmente, muchos de estos parámetros
se pueden configurar por software.
203
El número de canales analógicos se ha de especificar tanto para entradas referenciadas a masa
como para diferenciales. Las entradas referenciadas a masa también se las conoce como
“single-ended inputs”. Si entre el terminal de referencia y tierra existe una diferencia de
potencial, ésta se denomina tensión en modo común, causante de muchos errores de medida.
Esta configuración se utiliza en adquisición de señales de alto nivel donde el error introducido
por la señal en modo común es despreciable.
Las señales diferenciales se basan en que los dos terminales de una entrada corresponden con
dos terminales de entrada de la TAD, es decir, no existe ningún terminal referenciado a masa.
De esta forma, se elimina la tensión en modo común. Esta configuración de entrada es útil
para la adquisición de señales de bajo nivel.
Frecuencia de muestreo. Determina la velocidad a la que se producen las conversiones
ADC.
Una frecuencia de muestreo elevada proporciona señales con mayor calidad de
definición en tiempo; al mismo tiempo aumenta el flujo de datos hacia el procesador. Por
tanto, se habrá de buscar un valor de compromiso que haga óptimo el funcionamiento del
sistema.
Resolución. Indica el número de bits que utiliza el conversor ADC para cuantificar los
niveles de señal analógica. Cuanto mayor sea el número de bits del ADC, mayor será el
número de niveles de señal que se puede representar.
Niveles de entrada. Son los límites de entrada de la TAD. Es muy común diferenciar entre
señales unipolares y bipolares. Las señales unipolares admiten únicamente niveles de tensión
positivos mientras que las bipolares permiten las dos polaridades.
Salidas analógicas.
Muchas TAD incorporan salidas analógicas.
Básicamente las
características técnicas de las salidas analógicas son las mismas comentadas para las entradas.
Puertos digitales. Son líneas de entrada/salida digitales. Se utilizan para control de procesos,
generación de modelos de testeo, para comunicación con equipos periféricos, etc.
204
Los parámetros más importantes que caracterizan los puertos digitales son el número de líneas
disponibles, la velocidad a la cual se pueden transferir los datos y la capacidad de control de
diferentes dispositivos (“handshacking”).
Temporizadores. Son líneas útiles para muchas aplicaciones tales como contar las veces que
se produce un evento, generar bases de tiempos para procesos digitales o generación de pulsos.
Con objeto de dejar lo más claro posible los conceptos anteriores, en la tabla 27 se presenta un
resumen de lo antes expuesto.
Tabla 27. Consideraciones generales sobre las TAD.
Características
Significado
Entradas
analógicas
Se refiere al número de canales analógicos que posee la tarjeta de adquisición de
datos. Se ha de especificar tanto para entradas referenciadas a masa como para
entradas diferenciales.
Frecuencia de
muestreo.
Determina la velocidad a la que se producen las conversiones ADC.
Resolución.
Indica el número de bits que utiliza el conversor ADC para cuantificar los
niveles de señal analógica.
Niveles de entrada.
Son los límites de entrada de la TAD. Es muy común diferenciar entre señales
unipolares y bipolares.
Salidas analógicas.
Representa el número de canales analógicos que posee la TAD.
Básicamente las características técnicas de las salidas analógicas son las mismas
comentadas para las entradas.
Puertos digitales.
Son líneas de entrada/salida digitales. Se utilizan para control de procesos,
generación de modelos de testeo, para comunicación con equipos periféricos,
etc.
Temporizadores.
Son líneas útiles para muchas aplicaciones, tales como contar las veces que se
produce un evento, generar bases de tiempos para procesos digitales ó
generación de pulsos.
205
7.1.3.2 DIAGRAMA DE BLOQUES GENERAL DE UNA TAD.
La etapa de entrada de una TAD es muy común para todos los tipos y modelos. Básicamente
esta compuesta por un multiplexor, que permite disponer de varios canales de entrada, seguido
de un amplificador de instrumentación de ganancia programable. Este amplificador se conecta
a otro amplificador de muestreo y retención (“Sample & Hold") y finalmente éste proporciona
el valor de tensión al conversor ADC.
La Fig. 81 muestra la etapa de entrada general de una TAD.
Fig. 81. Étapa de entrada general de una TAD.
En cuanto a las salidas analógicas se componen básicamente de conversores DAC que se
conectan directamente al bus interno del microprocesador. Para cada salida analógica se
necesita un conversor DAC que normalmente tienen la misma resolución que los ADC de la
entrada.
206
7.1.3.3 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA TAD UTILIZADA EN LA
APLICACIÓN.
La tarjeta de adquisición de datos que se usa en esta aplicación práctica es una tarjeta de
Nacional Instruments, cuyo modelo es: NI PCI-MIO 6030E, también conocida como PCIMIO-16XE-10. Sus especificaciones técnicas más importantes se resumen a continuación:
Entradas analógicas:
Número de canales: 16 single-ended u 8 diferencial.
Tipo de convertidor A/D (ADC): de aproximación sucesiva.
Resolución: 16 bits, 1 en 65 536.
Rango de entrada: ±0.1 a ±10V.
Numero de muestras (un solo canal): 100KS/s, garantizado.
Máximo voltaje de trabajo: Cada entrada debe permanecer dentro de ±11V DC.
Protección contra sobrevoltaje: encendido, ± 25V DC.
Apagado, ± 15V DC.
Salidas Analógicas.
Numero de canales: 2 de voltaje.
Resolución: 16 bits, 1 en 65536
Número de muestras: 100KS/s
Tipo de convertidor de digital a analógico, (DAC): double – buffered.
Voltaje de salida: ±10V DC a 10V DC.
Entradas / Salidas de tiempo
Número de canales: 2
Frecuencia escalar: 1
Resolución: Contadores ascendentes/descendentes, timers: 24bits.
Frecuencia escalar: 4 bits.
Compatibilidad: 5 V TTL/CMOS
207
Entradas / Salidas digitales.
Número de canales: 8 entrada/salidas
Compatibilidad: 5 V TTL/CMOS
Condiciones ambientales
Temperatura de operación: 0……50ºC
Temperatura de almacenamiento: -20…..70ºC
Humedad relativa: 10-90% no condensable.
Los accesorios utilizados en esta tarjeta son un bloque conector tipo SCB-68, en donde se
realizan todas las conexiones.
También se utiliza un cable para conectar el bloque de
terminales a la tarjeta; este cable conector es de 68 pines y es el del tipo SH68-68-EP. Los
dos accesorios adicionales son provistos por National Instruments.
Si se desea mayor información, referirse al anexo II.
7.1.4 TERMORRESISTENCIA DE PLATINO, PT100.
Las termorresistencias de platino ofrecen una excelente precisión a través de un amplío rango
de temperatura (desde -200 a 850ºC). Los sensores estándar son disponibles por muchos
fabricantes con varias especificaciones de fabricación y numerosas opciones para satisfacer
diversas aplicaciones. Diferente a los termopares no es necesario usar cables especiales para
conectar al sensor.
El principio de operación es medir la resistencia de un elemento de platino. El tipo más
común (PT100) tiene una resistencia de 100 ohms a 0ºC y 138.4 ohms a 100ºC.
La relación entre la temperatura y la resistencia es aproximadamente lineal a través de un
pequeño rango de temperatura: por ejemplo, si se asume que es lineal a través del rango de
temperatura de 0 a 100ºC. el error a 50ºC es 0,4ºC.
208
Para medidas de precisión, es necesario linealizar la resistencia; para dar una temperatura más
precisa. La definición más reciente de la relación entre la resistencia y la temperatura es el
Estándar de Temperatura Internacional de 1990, (ITS-90). La linealización es igual a:
Rt = R0 * (1 + A* t + B*t2 +C*(t-100)* t3)
(18)
Donde:
Rt: Resistencia a la temperatura t
R0: Resistencia a 0ºC
t: Valor de la temperatura.
A = 3.9083 E-3
B = -5.775 E-7
C = -4.183 E -12 (Abajo de 0ºC)
Zero (Arriba de 0ºC).
Para un sensor PT100, un cambio en la temperatura de 1ºC provoca un cambio en la
resistencia de 0,384 ohm, así un pequeño error en la medida de la resistencia (por ejemplo, la
resistencia de los alambres que llegan hasta el sensor) pueden provocar un error grande en la
medida de la temperatura.
Para trabajos de precisión, los sensores tienen 4 alambres, dos para transportar la corriente a
medir, y dos para medir el voltaje a través del elemento sensor. También es posible obtener
sensores de tres alambres, aunque estos operan asumiendo que la resistencia de cada uno de
ellos es la misma.
La corriente a través del sensor provoca algo de calor. Por ejemplo, una corriente de sensado
de 1mA a través de un resistor de 100 ohm genera 100µW de calor. Si el elemento sensor es
incapaz de disipar este calor, reportará una temperatura alta artificialmente. Este efecto puede
ser reducido usando un elemento sensor más grande o asegurándose que exista un buen
contacto térmico con su ambiente.
209
Usando una corriente de sensado de 1 mA dará una señal de solamente 100mV. Debido a esto
el cambio en la resistencia para un grado Celsius es muy pequeño, aun un error pequeño en la
medida del voltaje a través del sensor producirá un gran error en la medida de la temperatura.
Por ejemplo, un error de voltaje, medido de 100µV, provocará 0,4ºC de error en la lectura de
la temperatura, muy similar a un error de 1µA en la corriente de sensado, que provocará un
error en la temperatura de 0,4ºC.
Puesto que el nivel de la señal es de bajo nivel, es importante mantener cualquiera de los
cables alejado de cables eléctricos, motores u otros dispositivos que emitan ruido eléctrico.
Cuando se use cables de gran longitud es necesario controlar que el equipo de medida sea
capaz de manipular la resistencia de los cables.
El tipo de sonda y cable deberá ser escogido cuidadosamente para satisfacer la aplicación. Los
aspectos principales son el rango de temperatura y la exposición a fluidos ó metales.
Claramente las uniones de soldadura normal en cables no deberán ser usadas a temperaturas
arriba de aproximadamente los 170ºC.
Uno de los accesorios es el linealizador de sensores de temperatura de películas de platino,
cuyo proveedor es RS AMIDATA, Este linealizador ha sido diseñado específicamente para
uso con sensores de platino de RS y cualquier otro sensor de temperatura de platino que esté
conforme a BS 1904 Grado II.
Este linealizador produce una salida linealizada de 1mV por cada grado centígrado en el
rango de -100 a 500ºC en el sensor.
Las especificaciones para este tipo de linealizador son las siguientes:
9 Voltaje a suministrar: +7 a +15VDC
9 Corriente a suministrar: 7mA.
9 Sensor de entrada: Termorresistencia de platino.
9 Voltaje de salida: 1mV / ºC
9 Corriente de energización del sensor: 2,1mA.
210
En el anexo III se encuentra el resto de las especificaciones, incluyendo el diagrama de
conexión.
7.1.5 CONTROLADOR DE TEMPERATURA, CONTROLADOR PID.
Actualmente el controlador PID es el control más común usado en la industria. Es muy
frecuente usar un controlador PID para controlar procesos que incluyen sistemas de
enfriamiento ó de calefacción, control del nivel de fluidos, control de flujo, y de la presión.
En un control PID se debe especificar una variable de proceso y un valor de consigna. La
variable de proceso es el parámetro dentro del sistema que se quiere controlar, tal como la
temperatura, presión, o el flujo; y la variable de consigna es el valor deseado para el parámetro
que se esta controlando.
Un controlador PID determina la salida de control, tal como la potencia de un calentador o la
posición de una válvula; luego aplica este valor al sistema, el cual devuelve a la variable de
proceso al valor que tiene la consigna.
7.1.5.1 FUNCIONAMIENTO DE UN CONTROLADOR PID.
Considérese la Fig. 82.
Fig. 82. Proceso bajo control PID.
El controlador PID compara el valor de consigna
(SP) con el de la variable de
proceso (PV) para obtener el error (e).
(19)
211
Luego calcula la acción de control, u(t):
(20)
Donde Kc es la ganancia del controlador, Ti es el tiempo integral en minutos, y Td es el
tiempo derivativo en minutos; es decir que un controlador PID incluye tres acciones de
control: Proporcional (P), Integral (I), y Derivativa (D).
La siguiente formula representa la acción proporcional:
(21)
Mientras que la acción integral esta representada mediante la siguiente fórmula:
(22)
Y por último la acción derivativa se representa por:
(23)
Este tipo de control permite eliminar el error en estado estacionario logrando una buena
estabilidad relativa del sistema de control; la mejora de estabilidad relativa implica una
respuesta transitoria con tiempos de adquisición y máximo sobreimpulso pequeños.
7.1.5.2. CARACTERÍSTICAS DEL CONTROLADOR A UTILIZAR.
El controlador PID a utilizar es un controlador marca OMRON, de la serie E5AX, cuyo
modelo es E5AX-A. Sus principales características se resumen a continuación:
Voltaje suministrado: 100 a 240VAC 50/60Hz.
Salidas: Un par de relés SPDT 5A 250VAC 50/60Hz.
Dispositivos de entrada: Termopares y Resistencias de platino, -Pt 100.
Tipo de controlador: PID.
Temperatura de operación: -10 a 55ºC
212
Si se desea conocer más acerca de este tipo de controlador, referirse al anexo IV, donde se
encuentra el resto de las especificaciones técnicas.
7.1.6 FUENTE DE ALIMENTACIÓN Y ELEMENTO RESISTIVO.
La fuente de alimentación se utiliza para producir la corriente que circula a través del elemento
resistivo, y de esta forma incrementar la temperatura en el depósito que simula el horno.
Como elemento resistivo se utiliza una resistencia de 1500 Watts.
La fuente de alimentación que se utiliza es provista por PROMAX Instrumentos de medida
para telecomunicaciones, y es un modelo FAC - 662B. El modelo
FAC 662-B,
(anexo V) es una fuente doble, regulable, estabilizada y protegida contra sobretensiones,
sobrecargas y cortocircuitos. Dispone también de una salida auxiliar de 5V/2A. Cada una de
las salidas principales puede actuar:
9 Como fuente de tensión, con salida ajustable de forma continua, entre 0 y 30V, por
medio de dos controles, grueso y fino, para mejorar la resolución.
9 Como fuente de corriente, con salida ajustable de forma continua, entre 0 y 1A.
Las dos salidas principales pueden utilizarse como dos salidas independientes, o conectarse en
serie, en paralelo ó como fuente doble simétrica, simplemente accionando el pulsador
apropiado en el panel frontal.
7.2 DESARROLLO DE LA APLICACIÓN EN LAB VIEW.
La aplicación desarrollada en Lab View cuenta con una serie de controles, por medio de los
cuales el usuario tiene acceso a diversos parámetros de control dentro de la aplicación.
Asimismo cuenta con una serie de indicadores que proporcionan en todo momento lo que está
ocurriendo dentro del sistema que está bajo control.
Estos controles e indicadores se
encuentran todos reunidos en el panel frontal, el cual se muestra en la Fig. 83.
213
Fig. 83. Panel frontal
El diagrama de bloques para el panel frontal de la Fig. 83 se encuentra representado por la
Fig. 84.
Fig. 84. Diagrama de bloques.
214
En cuanto a las conexiones se refiere, éstas se configuran utilizando el software NI-DAQ que
viene incluido con la tarjeta de adquisición de datos.
El procedimiento que se sigue es el siguiente:
1 En MAX click derecho a Data Neihborhood y seleccionar Create New.
2 Seleccionar Traditional NI-DAQ Virtual Channel en la ventana de Create New y dar
click en Finish. Se abre el asistente para crear un nuevo canal.
3 Seguir las instrucciones del asistente para crear un nuevo canal. Información adicional
sobre la creación de diferentes tipos de canales, referirse a Measurement & Automation
Explorer Help for Traditional NI-DAQ.
Una vez configurado el canal virtual a utilizar para la adquisición de la señal, el siguiente paso
es realizar las conexiones.
El diagrama de conexión del sensor de temperatura al linealizador se encuentra en la
Fig. 85a y la conexión de la salida del linealizador - bloque conector – tarjeta de adquisición
de datos se presenta en la Fig. 85b. Estas conexiones corresponden a un modo de entrada de la
señal de tipo Single Ended – Ground Referenced (RSE). Las conexiones realizadas en el
controlador PID están representadas por medio de la Fig. 85c.
215
Fig. 85a. Diagrama de conexión del linealizador.
Fig. 85b. Diagrama de conexión del sensor de temperatura al bloque conector.
216
Fig. 85c. Diagrama de conexiones en el controlador PID.
217
7.3 PRESUPUESTO.
En la tabla 28 se presenta en detalle el precio de cada uno de los componentes involucrados en
el desarrollo de la aplicación que se ha descrito anteriormente.
Tabla 28. Listado de precios de los componentes involucrados para el desarrollo de la aplicación
práctica.
Número
Descripción
Cantidad
Unidad Precio (€)
4
5
6
Ordenador
9 Procesador/MHz 2600XP+AMD BOX
9 512 MB de RAM
9 80 GB en disco duro
9 monitor Samsung 17”
9 altavoces de 240W
9 Puertos serie y paralelo.
9 DVD16X
9 Regrabadora 52x32x52x
Software de programación gráfica Lab View
Professional Development System, Windows
2000/NT/XP
Tarjeta de adquisición de datos
NI
PCI-6030E y software NI-DAQ
Cable Tipo SH68-68-EP.
Bloque conector SCB-68.
Controlador de temperatura OMRON E5AX-A.
7
Termorresistencia de platino, Pt100.
2
u
42.84
8
Linealizador para sensores de temperatura de
platino.
1
u
122.28
9
Tubo ó vaina de protección.
2
u
28.42
10
Placa de soporte.
2
u
23.10
11
Bloque terminal.
2
u
40.32
2
u
17.20
1
u
529.00
1
2
3
12
13
Terminal sujetador entre tubo y placa de
soporte.
Fuente de alimentación FAC - 662B
1
u
684.00
1
u
4445.00
1
u
1695.00
1
1
1
u
u
u
110.00
295.00
500.00
Subtotal (€).
Otros (5% imprevistos).
8532.16
426.61
Total (€).
8958.77
218
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
Libros consultados:
1. Baturone, Aníbal Ollero, Robótica: Manipuladores y Robots Móviles, Marcombo,
Barcelona, España, 2001.
2. Balcells, Joseph; Romeral, José Luis, Autómatas Programables, Marcombo, Barcelona,
España, 1997.
3. Chapman, Stephen J., Máquinas Eléctricas, 3ª edición, McGraw Hill, Colombia, 2001.
4. Ferraté, G., Robótica Industrial, Marcombo, Barcelona, España, 1986.
5. Groover, Mikell P.; Weiss, Mitchell; Nogel, Roger N.; Odrey, Nicholas G, Robótica
Industrial. Tecnología, Programación y Aplicaciones, 1ª edición,
McGraw Hill, Madrid,
España, 1989.
6. Lázaro, Manuel Antonio, Lab View Programación Gráfica para el Control de
Instrumentación, Paraninfo, Madrid, España, 1996.
7. Merkle, D.; Schrader, B.; Thomes, M., Manual de Estudio. Nivel Básico, “Hidráulica”, 2ª
edición, Festo Didactic, 1998.
8. Mott, Robert L., Diseño de Elementos de Máquinas, 2ª edición, Prentice Hall
Hispanoamericana, México, 1995.
9. Prede, G.; Scholz, D.; Manual de estudio. Nivel Básico, “Electroneumática”, Festo
Didactic, 2001.
10. Smith, Carlos A.; Corripio, Armando B., Control Automático de Procesos. Teoría y
Práctica, Limusa, México, D.F., 1999.
11. Torres, Fernando; Pomares, Jorge; Gil, Pablo, Puente, Santiago T.; Aracil, Rafael, Robots
y sistemas sensoriales, 2ª edición, Prentice Hall, Madrid, España, 2002.
12. Viloria, José Roldán, Prontuario de Hidráulica Industrial.
Paraninfo, Thomson Learning, Madrid, España, 2001
Electricidad Aplicada,
219
Internet:
1.
Active Sensors: http://www.activesensors.com/
2.
Allen Bradley: http://www.ab.com/catalogs/C114-CA001A-ES-P/0fronral.pdf /
http://www.ab.com/manuals/sn/ER.htm / http://www.ab.com/catalogs/motors-ca001ben-p.pdf
3.
Baldor Electric company: http://www.baldor.com
4.
Baumer Electric: http://www.baumerelectric.com/baumer/boxe.html
5.
BEI Technologies Inc. / BEI Industrial Encoder Division: http://www.beiied.com/
6.
Bitmakers, S.L.: http://www.bitmakers.com
7.
Danaher Motion:
http://www.danaherdefense.com/PDFs/Catalogs_and_Brochures/Danaher/Harowe_Res
olvers_Feedback_Systems_Catalog.pdf
8.
Daytronic Corporation: http://www.daytronic.com/company/e-security.htm
9.
Denquin Group: http://www.denquipgroup.com/
10.
Eaton Corporation: http://hydraulics.eaton.com/products/menu_main.htm
11.
Enerpac: http://www.enerpac.com/
12.
Engineering Handbook On Line: http://www.engnetbase.com/books/419/Ch06.pdf
13.
Festo: http://www.festo.com
14.
General Electric Industrial Systems:
http://www.geindustrial.com/cwc/products?famid=23&lang=en_US
15.
Global Espec. The Engineering Search Engine: http://sensorstransducers.globalspec.com/LearnMore/Sensors_Transducers_Detectors/Linear_Positio
n_Sensing/Optical_Triangulation_Position_Sensors
16.
Grupo Tecnológico Maser: http://www.grupomaser.com/PAG_Cursos/Auto/auto2/auto2/PAGINA PRINCIPAL/index.htm
17.
Gurley Precision Instruments: http://www.gurley.com
18.
Heidenhain corporation: http://www.heidenhain.com/main.html
19.
Ingeniería en Sistemas de Seguridad: http://www.insseg.com.mx
20.
Intertronic: http://www2.intertronic.es/Descargas/Catalogo_TR/catalogo_TR2001.pdf
21.
Kobold Instrument, Inc: http://www.kobold.com
22.
Lap Laser: http://www.lap-laser.com/e/laser_g/prod/prod.html
220
23.
LMI 3D Machine vision:
http://www.lmint.com/cfm/index.cfm?It=900&Id=37&Se=2&Lo=2
24.
Macrosensors Division of Howard Á. Schaevitz Technologies Inc.:
http://www.macrosensors.com/
25.
Moog Components Grou, Poly Scientific: http://www.polysci.com/
26.
Neumac: http://www.neumac.es/htm/es/neumacn/neumacn.htm
27.
Novotechnic: http://www.novotechnik.com/
28.
Omega Engineering, Inc.: http://www.omega.com
29.
Omron: http://www.espanol.omron.com
30.
Parker:
http://www.parker.com/frameless/default.asp?FamID=0&DivID=0&GID=9&TechID=
10&Type=2&ID=31&img=1&
http://www.parker.com/frameless/default.asp?FamID=0&DivID=0&GID=9&TechID=
6&Type=2&ID=31&img=1&
31.
Pico Technology Limited: http://www.picotech.com/applications/pt100.html
32.
Pyrometer Instrument Company: http://www.pyrometer.com
33.
RS Amidata: http://www.amidata.es
34.
Schneider Electric:
http://www.schneiderelectric.es/telemecanique/indexTelemecanique.html
35.
Sensor Systems L.L.C.: http://www.vsensors.com/
36.
Sensors Partners BV: http://www.sensor.nl/english.html
37.
Sentech Inc.: http://www.sentechlvdt.com/index.asp
38.
Servo System Co.: http://www.servosystems.com/motion.htm
39.
Sick Sensor Intelligence: http://www.sick.com
40.
Siemens: http://www.siemens.com
http://mediaibox.siemens.com.br/mediaibox/templates/catalogo_manuais.asp?canal=38
8&curpage=2&produto=&marca=&titulos=&idioma=&familia=
41.
Thermometrics Corporation: http://www.thermometricscorp.com/index.html
42.
Universidad de Chile: http://cipres.cec.uchile.cl/~gbenucci/radiacion.html
43.
http://proton.ucting.udg.mx/materias/robotica/r166/r69/r69.htm
44.
http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/index.htm
221
45.
http://www.monografias.com
46.
http://www.schilling.com.ar
222
Página.
ANEXO I: ESPECIFICACIONES DEL ORDENADOR.
223
ANEXO II: ESPECIFICACIONES DE LA TARJETA DE
ADQUISICIÓN DE DATOS.
224
ANEXO III: ESPECIFICACIONES DEL LINEALIZADOR DE SENSORES DE
TEMPERATURA.
239
ANEXO IV: ESPECIFICACIONES DEL CONTROLADOR DE TEMPERATURA.
242
ANEXO V: ESPECIFICACIONES DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN.
245
223
ANEXO I: ESPECIFICACIONES DEL ORDENADOR.
Marca / Modelo
Placa Base / Chipset
Procesador / MHz
Ventilador
Memoria RAM
HD/RPM
Tarjeta de Red
Tarjeta Gráfica
Tarjeta de Sonido
CD-ROM / DVD
Teclado
Ratón
Disquetera
Caja / Fuente
Monitor
Altavoces
Slots PCI Libres
Puertos
Precio (IVA Incluido)
Componentes (opcionales)
MEMORIA RAM AMPLIACION A 1024MB DDR
KDOS DDR PC400
DISCO DURO A 120 GB 7.200 RPM SEAGATE
120 GB,7200 RPM
T.VIDEO ATI RADEON 9200 128MB ATI 128MB
DVD SUST. CD, POR DVD LG 16X LG 16X
REGRABADORA LG 52X32X52 LG 52X32X52
.
7VT600-RZ Via KT600 3DDR400 FSB400 LAN
2600XP+ AMD BOX
DOCTOR COOLER
ELIXIR KDOS 1 Módulo DDR 512Mb pc400
80GB / 7200 SEAGATE ultraATA 100 7200
TARJETA DE RED 10/100 PCI INTEGRADA
TARJETA DE VIDEO 64MB AGP ATI AGP no integrada en placa
T. SONIDO COMPATIBLE SB. AC97 GIGABYTE Integrada en placa
CD-ROM 52X LG
TECLADO PS/2 GENIUS compatible español 105 teclas
RATON GENIUS 2 botones + scroll
DISQUETERA 3 1/2 1.44MB PANASONIC(NEC)
CAJA SEMITORRE ATX AZUL MET.300W GENIUS Semitorre ATX 300w
SAMSUNG MONITOR SM753S 17" SAMSUNG 0,27 DOT PICH
Tamaño de diagonal 17’’
Plug & Play Si
Dot pitch máximo 0,27 mm (H)
Resolución soportada 1280´1024@60 Hz
Frecuencia de píxel máxima 110 MHz
Frecuencia horizontal 30-70 kHz aprox. MultiSync
ALTAVOCES 240W GENIUS 240w
5 PCI, 1 AGP, 1 CNR
2 SERIE 1 PARALELO 2 USB + 4USB
636 €
Incremento sobre el precio (Iva Inc.)
102 €
27 €
22 €
14 €
34 €
224
ANEXO II: ESPECIFICACIONES DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN
DE DATOS.
NI 6030E/6031E/6032E/6033E
Family Specifications
This document lists the I/O terminal summary and specifications for the devices that make up
the NI 6030 E family of devices. This family includes the following devices:
NI PXI-6030E and PCI-MIO-16XE-10 (NI 6030E)
NI PCI/PXI-6031E
NI PCI-6032E
NI PCI-6033E
For the most current edition of this document, refer to ni.com/manuals. For more
information about using your E Series device, refer to the E Series Help at
ni.com/manuals or on your NI-DAQ CD. Refer to the DAQ Quick Start Guide for more
information about accessing documents on the NI-DAQ CD.
Note With NI-DAQmx, National Instruments has revised its terminal names so they are easier
to understand and more consistent among NI hardware and software products. The revised
terminal names used in this document are usually similar to the names they replace. For a
complete list of Traditional NI-DAQ terminal names and their NI-DAQmx equivalents, refer
to the Terminal Name Equivalents table in the E Series Help.
Tabla 1. I/O Terminal Summary.
225
Tabla 1. I/O Terminal Summary ( Continued ).
226
Tabla 1. I/O Terminal Summary ( Continued ).
SPECIFICATIONS.
The following specifications are typical at 25 °C unless otherwise noted.
Analog Input
Input Characteristics
Number of channels
NI 6030E, NI 6032E.............................16 single-ended or 8 differential
(software-selectable per channel)
NI 6031E, NI 6033E.............................64 single-ended or 32 differential
(software-selectable per channel)
Type of A/D converter (ADC)..............Successive approximation
Resolution.............................................16 bits, 1 in 65,536
Max sampling rate (single-channel)......100 kS/s guaranteed
227
Input signal ranges
Input coupling.......................................DC
Max working voltage............................Each input should remain within
±11 V of ground.
Overvoltage protection
Powered on......................................±25 V
Powered off.....................................±15 V
Inputs protected
NI 6030E, NI 6032E........................AI <0..15>, AI SENSE
NI 6031E, NI 6033E........................AI <0..63>, AI SENSE,
AI SENSE 2
FIFO buffer size........................................512 samples (S)
DMA
Channels..........................................3
Data sources/destinations................Analog input, analog output,
counter/timer 0, or counter/timer 1
Data transfers.......................................Direct memory access (DMA),
interrupts, programmed I/O
228
DMA modes.........................................Scatter-gather (single-transfer,
demand-transfer)
Configuration memory size..................512 words (1 word = 8 bits)
Accuracy Information
229
Transfer Characteristics.
Relative accuracy....................................±0.75 LSB typ, ±1 LSB max
Differential nonlinearity (DNL).............±0.5 LSB typ, ±1 LSB max
No missing codes....................................16 bits, guaranteed
Offset error
Gain error (relative to calibration reference)
After calibration (gain = 1)..............±30.5 ppm of reading max
Before calibration............................±2,150 ppm of reading max
With gain error adjusted to 0 at gain = 1
Gain ≠ 1...........................................±200 ppm of reading max
Amplifier Characteristics
Input impedance
Normal, powered on
100 G in parallel with 100 pF
Powered off
820  min
Overload
820  min
Input bias current
±1 nA
Input offset current
±2 nA
230
Common-mode rejection ratio (CMRR), DC to 60 Hz
Dynamic Characteristics
Bandwidth (–3 dB)
All gains..........................................255 kHz
231
Crosstalk (DC to 100 kHz)
Adjacent channels............................–75 dB
All other channels............................–90 dB
Stability
Offset temperature coefficient
Pregain.............................................±5 V/°C
Postgain...........................................±120 V/°C
Gain temperature coefficient..................±8 ppm/°C
Analog Output (NI 6030E/6031E Only)
Output Characteristics
Number of channels................................2 voltage
Resolution...............................................16 bits, 1 in 65,536
Max update rate......................................100 kS/s
Type of digital-to-analog
converter (DAC).....................................Double-buffered
FIFO buffer size......................................2,048 samples (S)
Data transfers..........................................DMA, interrupts, 
programmed I/O
DMA modes...........................................Scatter-gather (single-transfer,
demand-transfer)
Accuracy Information
232
Transfer Characteristics
Relative accuracy,
or integral nonlinearity (INL)................±0.5 LSB typ, ±1 LSB max
DNL.......................................................±1 LSB max
Monotonicity..........................................16 bits, guaranteed
Offset error
After calibration..............................305 µV max
Before calibration...........................20 mV max
Gain error (relative to internal reference)
After calibration..............................±30.5 ppm max
Before calibration...........................±2,000 ppm max
Voltage Output
Range.....................................................±10 V, 0 to 10 V 
(software-selectable)
Output coupling......................................DC
Output impedance..................................0.1  max
Current drive..........................................±5 mA
Protection...............................................Short-circuit to ground
Power-on state........................................0 V (±20 mV)
Dynamic Characteristics
Settling time for full-scale step..............10 µs to ±1 LSB accuracy1
Slew rate.................................................5 V/µs
Noise.......................................................60 µVrms, DC to 1 MHz
Stability
Offset temperature coefficient ...............±50 µV/°C
Gain temperature coefficient..................±7.5 ppm/°C
233
Digital I/O
Number of channels................................8 input/output
Compatibility..........................................5 V TTL/CMOS
Power-on state........................................Input (high-impedance)
Data transfers..........................................Programmed I/O
Transfer rate
Maximum with NI-DAQ,
system-dependent............................50 kwords/s
Constant suitable rate..............................1 to 10 kwords/s, typ
Timing I/O
Number of channels
Up/down counter/timers
2
Frequency scaler
1
Resolution
Up/down counter/timers
24 bits
Frequency scaler
4 bits
Compatibility
5 V TTL/CMOS
234
Base clocks available
Up/down counter/timers................. 20 MHz, 100 kHz
Frequency scaler............................. 10 MHz, 100 kHz
Base clock accuracy............................... ±0.01%
Max external source frequency
Up/down counter/timers................. 20 MHz
External source selections...................... PFI <0..9>, RTSI <0..6>, analog
trigger, software-selectable
External gate selections.......................... PFI <0..9>, RTSI <0..6>, analog
trigger, software-selectable
Min source pulse duration...................... 10 ns in edge-detect mode
Min gate pulse duration.......................... 10 ns in edge-detect mode
Data transfers
PCI/PXI up/down
counter/timer................................... DMA (scatter-gather), interrupts, 
programmed I/O
DAQCard up/down
counter/timer................................... DMA (scatter-gather), interrupts, 
programmed I/O
Frequency scaler............................. programmed I/O
235
Trigger
Analog Trigger
Purpose
Analog Input....................................Start, reference, and pause trigger,
sample clock
Analog Output.................................Start and pause trigger,
sample clock
Counter/timers.................................Source, gate
Source
NI 6030E, NI 6032E........................AI <0..15>, PFI 0/AI START
TRIG
NI 6031E, NI 6033E........................AI <0..63>, PFI 0/AI START
TRIG
Level
Internal.............................................±Full scale
External............................................±10 V
Slope.......................................................Positive or negative
(software-selectable)
Resolution...............................................12 bits, 1 in 4,096
Hysteresis................................................Programmable
Bandwidth (–3 dB)
PCI devices......................................255 kHz internal, 4 MHz external
PXI devices......................................255 kHz internal/external
External input (PFI 0/AI START TRIG)
Impedance.......................................10 k
Coupling..........................................DC
Protection
When configured
as a digital signal......................0.5 to VCC + 0.5 V
When configured as an
analog signal or disabled..........±35 V
Powered off..............................±35 V
Accuracy.....................................................±1% of full-scale range
236
Digital Trigger
Purpose
Analog Input...................................Start, reference, and pause trigger,
sample clock
Analog Output................................Start and pause trigger,
sample clock
Counter/timers................................Source, gate
External sources.....................................PFI <0..9>, RTSI <0..6>
Compatibility.........................................5 V TTL
Response................................................Rising or falling edge
Pulse width.............................................10 ns min
RTSI (PCI Only)
Trigger lines...........................................7
PXI Trigger Bus (PXI Only)
Trigger lines...........................................6
Star trigger..............................................1
Calibration
Recommended warm-up time.....................15 minutes
Calibration interval.....................................1 year
External calibration reference.....................Between 6 and 9.999 V
Onboard calibration reference
Level..................................................5.000 V (±1.0 mV), over full
operating temperature, actual
value stored in EEPROM
Temperature coefficient.....................±0.6 ppm/°C max
Long-term stability............................±6 ppm/
Bus Interface
Type............................................................Master, slave
237
Power
Bus Requirements
+5 VDC (±5%).......................................1.5 A
Note
Excludes power consumed through VCC available at the I/O connector.
I/O Connector
Power available at I/O connector............+4.65 to +5.25 VDC at 1 A
Physical
Dimensions (not including connectors)
PCI devices......................................17.5 by 10.6 cm (6.9 by 4.2 in.)
PXI devices......................................16.0 by 10.0 cm (6.3 by 3.9 in.)
I/O connector
NI 6030E, NI 6032E........................68-pin male SCSI-II type
NI 6031E, NI 6033E........................100-pin female 0.05 D-type
Maximum Working Voltage
Maximum working voltage refers to the signal voltage plus the
common-mode voltage.
Channel-to-earth.....................................42 V, Installation Category II
Channel-to-channel.................................42 V, Installation Category II
Environmental
Operating temperature............................0 to 50 °C
Storage temperature................................–20 to 70 °C
Relative humidity
PCI devices....................................10 to 90%, noncondensing
PXI devices....................................10 to 90%, noncondensing
Maximum altitude....................................2,000 meters
Pollution Degree (indoor use only) ........2
238
Safety
This product is designed to meet the requirements of the following
standards of safety for electrical equipment for measurement, control,
and laboratory use:
• IEC 61010-1, EN 61010-1
• UL 3111-1, UL 61010B-1
• CAN/CSA C22.2 No. 1010.1
For UL and other safety certifications, refer to the product label, or visit
ni.com/hardref.nsf, search by model number or product line, and click the appropriate
link in the Certification column.
Note
Electromagnetic Compatibility
Emissions...............................................EN 55011 Class A at 10 m
FCC Part 15A above 1 GHz
Immunity................................................EN 61326:1997
A2:2001, Table 1
CE, C-Tick, and FCC Part 15 (Class A) Compliant
Note For EMC compliance, you must operate this device with shielded cabling.
CE Compliance
This product meets the essential requirements of applicable European
Directives, as amended for CE marking, as follows:
Low-Voltage Directive (safety).............73/23/EEC
Electromagnetic Compatibility
Directive (EMC)....................................89/336/EEC
Refer to the Declaration of Conformity (DoC) for this product for any additional regulatory
compliance information. To obtain the DoC for this product, visit ni.com/hardref.nsf,
search by model number or product line, and click the appropriate link in the Certification
column.
239
ANEXO
III:
ESPECIFICACIONES
DEL
LINEALIZADOR
DE
SENSORES DE TEMPERATURA.
The RS platinum film temperature detector lineariser, has been designed specifically for use with RS
platinum film detectors and any other platinum temperature sensors which conform to BS 1904 grade
11. The encapsulated module is suitable for p.c.mounting (0.1” grid) and contains circuitry required to
produce a linearised 1mV output per degree centigrade in the range -100°C to +500°C at the sensor.
Incorporated in the module is also sensing circuitry, which will produce an output suitable to directly
drive an LED to indicate low supply volts, i.e. battery ‘low’ indication.
Connection information
240
Specification
Power supply voltage:____________________+7V to +15V d.c.
Power supply current: ______________________________7mA
Low voltage warning: ______________ Current limited output, suitable to drive LED
RS stock no. 576-327 or similar.
Note:
Inaccurate readings may result if module is used when low voltage warning LED is illuminated.
Input sensor: ____________Platinum resistance thermometer element to BS 1904: 1964
Input temperature range: _________________-100°C to +500°C
Maximum measurement error: _________±0.2°C over the range
-100°C to 350°C,
± 1°C from +350°C to +500°C
Ambient temperature range: ________________-10°C to +30°C
Output voltage: _____________________________1mV per °C
Long term stability: ______________Less than 0.1°C per annum
Sensor energising current: _________________________2.1mA
Output impedance: _________________________________<1Ω
241
Notes
1. The module has been individually calibrated, and care should be taken not to introduce significant
input lead resistance error between the sensor and the module, i.e. avoid long, thin p.c.b. tracks or thin
connecting wires.
2. If the load connected to the output of the module is capacitive (i.e. a long length of cable) then 100Ω
resistors should be inserted in series with + and - output leads ensure stability.
3. When using a lineariser with a mains powered DPM, ensure that the DPM’s common mode voltage
range is not exceeded. Should this occur, ensure that the lineariser is fed from an isolated supply and
connect the DPM in a single ended mode (figure 1).
4. The -ve output pin sits nominally at 1.2V above the 0V rail, while the +ve output pin varies with
temperature.
5. The lineariser is designed for simple installation and is suitable for remote mounting and requires no
compensation loops
Providing the remote millivolt output is read using a high input impedance instrument, such as a DPM.
e.g. RS stock no. 258-827, there is no loss of accuracy - the cable resistance being negligible when
compared with the input impedance of the DPM.
The information provided in RS technical literature is believed to be accurate and reliable; however, RS Components assumes no
responsibility for inaccuracies or omissions, or for the use of this information, and all use of such information shall be entirely at the user’s
own risk.
No responsibility is assumed by RS Components for any infringements of patents or other rights of third parties which may result from its use.
Specifications shown in RS Components technical literature are subject to change without notice.
242
ANEXO
IV:
ESPECIFICACIONES
DEL
CONTROLADOR
TEMPERATURA.
HARDWARE SPECIFICATIONS.
E5AX.
DE
243
HARDWARE SPECIFICATIONS.
E5AX.
Standard Test Conditions:
Temperature: 20ºC
Humidity: 65%
Note: Unless otherwise specified, the values describied in this specification were obtained
under the above standard conditions.
Storage conditions:
Store the product under the followings conditions:
Temperature: -25 to 65ºC ( without freezing or condensation )
Humidity: 35 to 85%
244
Storage Environment.
Locations where the product or containers is not exposed to corrosive gases such as hydrogen
sulfide gas or salty air.
Locations where no visible dust exists.
Locations not subject to direct sunlight.
Do not apply stresses to the product which may result in its deformation or deterioration.
Operating Conditions.
Use the product under the followings conditions:
Temperature: -10 to 55ºC
Humidity: 35 to 85%
Operating environment.
Locations where the product is not exposed to dust or corrosive gas.
Locations where the product is not subject to much vibration or shock and the product is not
soaked in water or splashed with oil.
Even if the temperature stays within the specified range, avoid using in location where the
temperature fluctuates greatly or where the product is exposed to the radiation from a furnace.
Do not apply stresses to the product which may result in its deformation or deterioration.
245
ANEXO
V:
ESPECIFICACIONES
DE
LA
FUENTE
DE
ALIMENTACIÓN.
FUENTE DE ALIMENTACIÓN.
FAC-662B
1 GENERALIDADES.
1.1 Descripción.
El modelo FAC-662B es una fuente doble, regulable, estabilizada y protegida contra
sobretensiones, sobrecargas y cortocircuitos.
Dispone también de una salida auxiliar, fija de 5V/2A. Las dos salidas principales
(S1 y S2) pueden utilizarse como dos fuentes independientes, o conectarse en serie, en
paralelo, o como fuente doble simétrica ( tracking ), simplemente accionando el pulsador
apropiado del panel frontal.
Un voltímetro y un amperímetro digitales, conmutables por separado a cada una de las salidas
principales controlan las magnitudes deseadas.
Cada una de las salidas principales puede actuar:
Como fuente de tensión, con salida ajustable de forma continua, entre 0 y 30V,
por medio de dos controles, grueso y fino, para mejorar la resolución.
Como fuente de corriente, con salida ajustable de forma continua, entre 0 y 1A.
1.2 Especificaciones.
SALIDAS PRINCIPALES.
Modo independiente
Modo paralelo
Modo serie
Modo track
Resistencia interna.
Variación con la carga (0 a 100%)
Tensión constante
Corriente constante
Variación con la red (±10%)
Tensión constante
Corriente constante
Tiempo de recuperación
0 a 30V / 0 a 1A cada una
0 a 30V / 0 a 2A
0 a 60V / 0 a 1A
0 a ± 30V / 0 a 1A
6 mΩ (1kHz)
10 mΩ (10kHz)
< 1,5 mV
< 3 mA
< 1 mV
< 2 mA
< 50 µs
246
Ruido y zumbido
Tensión constante
Corriente constante
Coeficiente de temperatura
Diferencia entre tensiones simétricas (modo track)
Instrumentos de medida
Precisión
Resolución voltímetro
Resolución amperímetro
< 500V rms.
< 2 mA rms.
< 0,01% ºC
< 1%
Digitales
± 0,1 % ± 1 dígito
0,1 V ( 3 dígitos )
0,01 A ( 3 dígitos ).
SALIDA AUXILIAR
Tensión de salida
Intensidad nominal
Variación con la carga ( 0 a 100% )
Variación con la red ( ± 10% )
Ruido y zumbido
5V
2 A máx.
< 2%
< 0,1%
< 500µV rms
ALIMENTACIÓN
Tensión de red.
Consumo
AC 110-125-220V ± 10% / 50-60Hz.
230V, -6% / 50-60 Hz.
240V, +10% / 50-60 Hz.
145W.
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
Dimensiones
Peso
A1.185 x A.210 x P.280mm.
6,6 kg.