componentes de los sistemas de control

Tecnología

Industrial II

COMPONENTES DE LOS

SISTEMAS DE CONTROL

IES PEDRO SIMÓN ABRIL (ALCARAZ)

Departamento de Tecnología

Componentes de los Sistemas de Control. Tecnología Industrial II Profesor: J. Ángel Tendero Sánchez

IES Pedro Simón Abril (Alcaraz) 2

ÍNDICE DEL TEMA

1. Introducción ........................................................................................................................... 3

2. Tipos de transductores.................................................................................................... 3

2.1. De posición o proximidad ......................................................................................... 3

2.2. De desplazamiento .................................................................................................... 5

2.3. De fuerzas y deformaciones................................................................................... 6

2.4. Transductores de velocidad ................................................................................... 7

2.5. Transductores de presión ....................................................................................... 8

2.6. Transductores de temperatura ............................................................................. 9

2.7. Transductores de luz ............................................................................................. 11

3. Comparadores o Detectores de Error ........................................................................ 12

4. Actuadores ....................................................................................................................... 13



1. Introducción

Una vez estudiado el funcionamiento de los sistemas de control, analizaremos en este

tema los componentes físicos que los integran y las funciones desempeñadas por cada uno

de ellos. Nos centraremos fundamentalmente en los transductores y captadores, ya que

de ellos depende en gran medida, la exactitud de los sistemas de regulación y control

empleados. Asimismo estudiaremos los comparadores y actuadores analizando algunos

ejemplos representativos de estos componentes de los sistemas de control.

2. Tipos de transductores

2.1. De posición o proximidad

Proporcionan una señal de tipo todo o nada, al detectar la presencia o posición de un

objeto en un punto o lugar. La detección puede producirse por contacto físico o sin

contactar con el objeto a controlar. Dentro de este grupo destacamos:

a) Finales de carrera mecánicos

Son dispositivos cuyos contactos se activan o desactivan, en virtud

del accionamiento mecánico del objeto sobre una palanca, émbolo o varilla

que forma parte del propio dispositivo. Su principal inconveniente se debe a

la necesidad de existir contacto entre el objeto y el sensor.

b) Transductores de proximidad inductivos

Se utilizan únicamente para detectar objetos metálicos o ferrromagnéticos.

Detectan la variación del flujo magnético producido por una bobina cuando es cortado o

atravesado por un objeto metálico.

Al aproximar una pieza metálica a un campo

magnético generando por una bobina sometida

a una tensión alterna de alta frecuencia, se

crean en él unas corrientes denominadas de

Eddy, que aumentarán según se acerca a la

bobina que genera el campo. Estas corrientes

generan a su vez un campo magnético que se

opone al producido por el generador disminuyendo la tensión existente en la bobina.

Sensor: elemento que se encuentra en contacto directo con la magnitud que se va a evaluar.

Transductor: Elemento que transforma la señal que proporciona el sensor en otra de tipo

eléctrico que se puede utilizar para medir. El transductor incluye al sensor como parte de él.

Captador: transductor propio de los sistemas de bucle cerrado que capta la señal controlada,

también incluye un sensor.



c) Transductores de proximidad capacitivos

Se basan en un campo eléctrico para detectar el objeto en cuestión. Pueden

detectar cualquier tipo de objeto (líquidos, metales, sustancias en polvo…). El sensor tiene

forma de disco y, junto a una pantalla, forma un condensador cuya capacidad, conocida en

ausencia del objeto a detectar, determinará la presencia o no de algún elemento. Al estar

próximo un objeto, aumenta la capacidad del condensador lo que producirá una señal de

conmutación en el circuito.

En los utilizados para detectar metales, como

se ve en la figura, una de las armaduras está

fija recibiendo la alimentación del circuito,

mientras que la placa móvil (objeto a detectar)

está conectada a masa. Cuando el objeto a

detectar está distante del electrodo fijo, la

capacidad es muy pequeña, aumentado a medida

que aproxima a aquel.

Para detectar no metales (figura de la

izquierda) se emplean captadores en los que las

dos armaduras están fijas, y el objeto a

detectar pasa entre ambas variando la

capacidad inicial del condensador.

d) Transductores de proximidad ópticos

También son llamados fotocélulas o células fotoeléctricas. Se basan en la

detección de la luz roja (visible) o infrarroja (invisible) mediante dispositivos ópticos y

electrónicos. Están formados por un emisor de luz (LED) y un receptor (fototransistor o

fotodiodo). Los detectores de luz infrarroja se utilizan para distancias superiores de

detección. Además la luz infrarroja es insensible a las luces parásitas ambientales. Cuando

el objeto a detectar produce una variación en el acoplamiento óptico, se activa un circuito

de conmutación. Se pueden detectar vehículos, personas, líquidos, piezas de maquinaria,….

Por la disposición de los detectores ópticos pueden ser:

Emisor

Objeto

Receptor

Reflector

De barrera De reflexión De reflexión directa



2.2. De desplazamiento

En estos transductores mediante distintos dispositivos físicos se puede medir la

distancia en muy amplios márgenes, que pueden ir desde varios kilómetros a fracciones de

milímetro, por lo que se utilizan distintas técnicas, según los márgenes de medida

deseados.

a) Resistivos

Se conocen como potenciómetros. Se basan en una resistencia sobre la que se

desplaza un contacto eléctrico. Pueden ser lineales, para medir desplazamientos

longitudinales, y circulares, para desplazamientos angulares.

En el potenciómetro lineal, como se ve en la figura, al

desplazar el contacto c, sobre la resistencia una cierta

distancia, la resistencia entre el borne a y el contacto diferirá

de la existente ente el borne b y el contacto. Para utilizar este

dispositivo como transductor, se aplicará una tensión constante

entre sus bornes fijos (a y b), de modo que entre el contacto

(c) y uno de dichos bornes se obtenga una tensión proporcional al desplazamiento

del contacto. De forma que: 11

X

X

E

E. Se utilizan para medir desplazamientos

desde 1 mm hasta aproximadamente 1 m.

En el potenciómetro circular se podrán medir distancias angulares.

Consiste en una resistencia en anillo casi completo, con dos bornes

fijos (a y b) y un contacto eléctrico móvil, cuyo desplazamiento será

proporcional al ángulo que queremos medir (α). Se emplean para

medir ángulos desde 10º a varias decenas de vueltas.

b) Inductivos

Uno de los más comunes es el transductor

inductivo de desplazamiento lineal (LVDT). Se trata

de un soporte cilíndrico sobre el que actúan tres

bobinados, uno en la parte central que sería el primario,

y dos en los extremos que actuarían de secundarios.

Dentro del cilindro se desplaza un núcleo de material

ferromagnético movido por el objeto cuyo

desplazamiento se quiere medir. El bobinado primario

se alimenta con corriente alterna de amplitud y

frecuencia constantes, induciendo en los secundarios



unas tensiones que dependerán del núcleo ferromagnético de la siguiente manera: si el

núcleo está en el centro, las tensiones inducidas en los secundarios serán iguales; cuando se

desplace el núcleo hacia alguno de los secundarios, su tensión aumentará disminuyendo la

del otro secundario, y viceversa. Se puede establecer una relación entre la tensión de

salida (en los bobinados secundarios) del LVDT y el desplazamiento del núcleo.

c) Capacitivos

Se basan en la variación de la capacidad de los

condensadores. Dicha capacidad es proporcional a

la superficie de las placas e inversamente

proporcional a la distancia entre ellas. Suelen estar

formados por un condensador doble, que comparte

una de las placas o armaduras, la cual actúa como

parte móvil del transductor. Analizando los parámetros de capacidad y tensión se puede

determinar el desplazamiento. Se utilizan para pequeños desplazamientos.

d) Transductores de desplazamiento de grandes distancias

Los transductores estudiados se emplean para la medida de distancias cortas, para

grandes distancias se utiliza principalmente el radar. Formado por un transmisor de ondas

electromagnéticas, emitidas por una antena, y recogidas por el receptor que determina la

distancia a la que se encuentra el objeto a detectar. Si en el trayecto de la onda se

interpone un obstáculo, parte de la energía radiada se refleja en él y se propaga en sentido

opuesto hasta alcanzar la misma antena emisora. Un receptor conectado a ella recibe el

impulso y determina el tiempo que ha tardado la onda en efectuar el camino de ida y vuelta.

Conocido el tiempo se calcula la distancia a partir de la ecuación 2

tcD siendo D: la

distancia a la que se encuentra el objeto, c la velocidad de propagación de las ondas y t el

tiempo que transcurre desde que se emite la onda hasta que llega al receptor.

El radar se utiliza para distancias superiores a 10 km.

2.3. De fuerzas y deformaciones

a) Bandas o galgas extensiométricas

Se basan en la variación de la resistencia que experimentan los conductores y

semiconductores cuando, al aplicarles una fuerza, se deforman.

Una galga extensiométrica está compuesta por un hilo de material conductor de muy

poca sección, menor de 0,1 mm2, unido íntimamente a la superficie que recibirá el esfuerzo

o fuerza a medir, de forma que la deformación sufrida se transmita al hilo conductor que

constituye la galga. Para mejorar la medida, se pliega el hilo múltiples veces en zigzag, de



forma que se aumente la longitud del hilo lo máximo posible ocupando el mínimo espacio

posible.

Conocida la variación de la

resistencia eléctrica de la galga, se

puede obtener la deformación

unitaria de la misma (ε) y

recurriendo a la Ley de Hooke

establecer la fuerza o tensión

aplicada, ya que: E donde:

σ= tensión o fuerza aplicada

ε= deformación unitaria

E= módulo de elasticidad o de Young.

Las galgas extensiométricas son muy empleadas para medir deformaciones en vigas de

edificios y para construir balanzas electrónicas.

2.4. Transductores de velocidad

a) Tacodinamos

Están formados por un inductor fijo que genera

un campo magnético, entre cuyos polos gira un

inducido formado por una serie de espiras, cuyos

extremos están unidos a unos colectores o delgas,

de los cuales, mediante unas escobillas,

extraeremos la tensión generada que será

proporcional a la velocidad de giro del motor.

b) Tacoalternadores

Estos elementos generan una señal alterna cuya frecuencia y amplitud son

proporcionales a la velocidad de rotación de su eje.

Se diferencia del tacodinamo en que el elemento que gira es el inductor o rotor

formado por un imán permanente o

electroimán. En el estator está el inducido,

bobina que recibe las variaciones del campo

magnético del rotor. La tensión inducida en el

estator es una señal senoidal de amplitud y

frecuencia proporcional a la velocidad de



rotación. Una ventaja frente al tacodinamo es que no se necesita utilizar colector ni

escobillas, lo que prolonga la vida útil.

2.5. Transductores de presión

Los transductores de presión se pueden dividir en: mecánicos (cada vez menos

empleados por su elevado coste), electrónicos (que están basados en transductores de

fuerza) y los que mezclan una parte mecánica con un transductor electrónico (muy

precisos).

a) Transductores mecánicos

a.1.) Tubo de Bourdon: se trata de

un tubo metálico de sección elíptica,

curvado formando casi un anillo

cerrado. El tubo está cerrado en uno

de sus extremos y por el otro se le

aplica la presión que se desea medir,

de forma que el tubo tiende a

enderezarse originando un

movimiento que es transmitido por un

sistema de palanca o engranajes,

sobre una aguja indicadora o

transductor que genera una señal eléctrica mediante un circuito de conmutación.

a.2.) Diafragma: se trata de una o varias

cápsulas metálicas huecas, unidas entre sí

rígidamente en forma de batería. La presión

a medir se ejerce en una de las caras

exteriores, que deformará todas las cápsulas

en mayor o menor medida. La suma de todas

las deformaciones, amplificadas

convenientemente mediante un sistema de

palancas y engranajes, nos dará la medición

de la presión, más o menos exacta, en una

escala graduada.

a.3.) Fuelle: es muy similar al diafragma, pero con una sola pieza flexible que se deforma

axialmente. Según la presión que le llegue se dilatará o contraerá con un desplazamiento

considerable. Al igual que el diafragma se utiliza para medir presiones pequeñas.



b) Electrónicos: son transductores de presión muy sensibles. Pueden ser de tipo térmico,

de ionización, mecánicos (fuelle y diafragma),…

c) Electromecánicos: formados por la combinación de un medidor de presión mecánico que

actúa como sensor, y un transductor elástico que genera la señal eléctrica correspondiente

según la presión detectada por el sensor. Ejemplos de este tipo de transductores son:

c.1.) Galgas extensiométricas: basadas en la variación de longitud y sección, y por

lo tanto, de resistencia eléctrica que presenta un hilo conductor eléctrico al ser deformado

por una fuerza exterior (presión a medir)

c.2.) Piezoeléctricos: basados en la propiedad que tienen algunos cristales (cuarzo)

de producir una diferencia de tensión entre sus extremos al estar sometidos a un esfuerzo.

Esta tensión es proporcional a la fuerza, aunque al ser muy pequeña necesitan de un circuito

amplificador.

2.6. Transductores de temperatura

En los procesos industriales la medida de la temperatura resulta de gran importancia y

cada vez mejora la precisión de los dispositivos encargados de medirla según avanza la

tecnología.

a) Termostatos

Proporcionan una señal de tipo todo-nada. El elemento sensor suele ser una placa o

lámina bimetálica. Al dilatarse por efecto de la temperatura se curva activando o

desactivando unos contactos eléctricos. Se utilizan cuando el control de la temperatura no

es muy exigente, sistema conexión-desconexión (por ejemplo una plancha eléctrica).

b) Termorresistencias

También se denominan sondas de resistencia o sondas termométricas. Se basan en la

variación de la resistencia eléctrica de los metales con las variaciones de temperatura. Por

lo general los conductores muestran un aumento de su resistencia eléctrica con la

temperatura. El cambio de resistencia sufrido viene dado por el coeficiente de

temperatura α que depende del elemento. La ley de variación de la resistencia de un

material conductor sigue la ecuación:

)1( TRoRT

Donde: Rt= resistencia del material a la temperatura T

Ro= resistencia del material a 0ºC

α = coeficiente de tª (depende de cada material)



Los transductores de temperatura más

utilizados son los fabricados de platino debido a su

buena relación R/T.

c) Termistores

Se basan en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura. Una

de las características que los diferencia de las termorresistencias es su resistencia

nominal a temperatura ambiente, que es mucho más elevada. Existen dos tipos de

termistores según su variación con la temperatura:

PTC: sondas de resistencia con coeficiente de

temperatura positivo (la resistencia aumenta al

aumentar la temperatura). Se emplea para controlar

temperaturas entre -20 y 60 ºC.

NTC: sondas de resistencia con coeficiente de

temperatura negativo (la resistencia disminuye al subir

la temperatura). Se utilizan para medir temperaturas

más extremas.

Se fabrican a base de óxidos metálicos en el caso de las NTC, o base de titanio de

bario o silicio para los PTC. Posteriormente se encapsulan con distintos materiales (vidrio,

resinas epoxi,…) obteniendo distintas formas y tamaños.

d) Termopares

Se basan en el efecto Seebeck. Si unimos dos metales diferentes (A y B) por los

extremos, mediante una soldadura formando un circuito cerrado, y sometemos a cada

extremo a una temperatura diferente, entre ambos extremos se genera una ddp que

provoca la circulación de corriente eléctrica por el circuito. La corriente eléctrica

generada aumenta con la diferencia de temperatura entre las uniones. Si abrimos en

cualquier punto el termopar, sigue apareciendo, en los extremos abiertos, la tensión

correspondiente al efecto Seebeck, pero no circula corriente. Por tanto un termopar

consiste en unir dos metales de distinto índice de metabilidad, mediante una soldadura

en un extremo. Dicho extremo es sometido a la temperatura a medir, mientras que en el

otro extremo de los metales se dispone un soporte que se mantiene a temperatura

constante, que servirá de referencia de la medida. La tensión obtenida en el termopar será

proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos metales.

Efecto Seebeck Termopar



2.7. Transductores de luz

Se trata de transductores que utilizan las radiaciones luminosas (visibles o no). Dentro

de este grupo destacamos:

a) Resistencias LDR (Resistencias dependientes de la luz)

Las LDR o fotorresistencias, se basan en la variación de la resistencia eléctrica de

algunos materiales (semiconductores) con la luz.

El símbolo de estas resistencias es:

La relación entre la resistencia de un material semiconductor y la luz que incide sobre

él no es lineal, obteniéndose a partir de la ecuación. EKR siendo K y α constantes

que dependen del material del que se fabrique la LDR y E la energía luminosa recibida.

Estos sensores son robustos, fáciles de fabricar y de instalar. Son empleados en

televisores, cámaras fotográficas, controles de iluminación,…

b) Fotodiodos, fototransistores y diodos fotoemisores (LED)

El fotodiodo es un dispositivo que al recibir luz, produce corriente eléctrica.

Cuando no recibe luz se comporta como un diodo normal. Los paneles solares

están constituidos por estos elementos.

El fototransistor es un dispositivo en el que al incidir la luz sobre el

terminal que actúa como base, se produce una corriente entre el emisor y

el colector.

Los diodos LED tienen la propiedad de emitir la energía sobrante del

proceso de conducción, además de en forma de calor, en forma de

radiaciones luminosas.

Los fotodiodos y fototransistores se utilizan para controlar las radiaciones luminosas,

y junto a los LED, como sensores ópticos de proximidad.



3. Comparadores o Detectores de Error

El detector de error o comparador es el elemento del sistema de control que compara

la señal de referencia con la realimentada de salida y, en consecuencia genera una señal de

error proporcional a la diferencia entre ellas. Una de las condiciones indispensables, para

poder realizar la comparación, es que ambas señales sean del mismo tipo. Los comparadores

pueden ser eléctricos, mecánicos, electrónicos, neumáticos e hidráulicos.

Algunos ejemplos de comparadores son:

Comparador potenciométrico: normalmente compara desplazamientos o ángulos.

Está formado por dos potenciómetros de desplazamiento lineal o angular, uno mide

la tensión de referencia y otro la tensión realimentada. La salida de error se

obtiene entre ambas salidas.

El cursor del potenciómetro de la izquierda

actúa normalmente como selector de

referencia y el del potenciómetro de la

derecha se acopla al objeto que se desplaza.

Cuando el desplazamiento en la salida se

iguala con el elegido en el selector de

referencia, la salida del potenciómetro será

cero y el sistema se detendrá.

Amplificador operacional: se trata de un

circuito integrado constituido por dos entradas, denominadas positiva (+) o no

inversora y negativa (-) o inversora, y una única salida.

Su funcionamiento como comparador es muy simple: la tensión obtenida en la salida es

una constante (denominada amplificación) multiplicada por la diferencia de tensiones

introducidas en las entradas no inversora (+) e inversora (-). Este comparador sólo compara

magnitudes eléctricas, por lo que suele acompañarse de algún transductor que obtenga

como salida una tensión proporcional a la magnitud de entrada.



4. Actuadores

Son los elementos finales de un sistema de control, que actúan directamente sobre la

salida, proceso o planta del sistema. Existe un actuador diferente, específicamente

diseñado para cada uno de los procesos susceptibles de ser controlados, como puede ser:

nivel de líquidos, velocidad, desplazamiento, giro, temperatura o aceleración. Cómo ejemplos

de actuadores podemos citar:

Servomotores: son dispositivos que transforman la energía eléctrica en mecánica

de rotación. Según la naturaleza de la energía eléctrica utilizada, se dividen en

servomotores de continua y servomotores de alterna. Los servomotores de continua

pueden desarrollar mayor potencia que los de alterna, pero utilizan escobillas. Los

servomotores de alterna, debido a su menor potencia se emplean en aquellos

sistemas de control que requieren un par motor reducido.

Motores paso a paso: convierten la información digital de control en movimientos

mecánicos rotatorios. Es un dispositivo cuyo eje gira en pasos discretos controlados

por un dispositivo electrónico que genera las señales digitales adecuadas para

producir cada paso del eje rotor. Se utilizan en dispositivos cuyo movimiento debe

ser controlado con precisión y donde es más importante controlar el ángulo de giro

que la velocidad (impresoras, cámaras fotográficas, …). Estos motores en lugar de

trabajar con tensiones continuas o alternas sinusoidales, lo hacen con pulsos que

son generados por el circuito electrónico y aplicados a los distintos devanados que

los componen. Sin embargo, desarrollan muy poca potencia, con lo que no pueden ser

utilizados en aplicaciones que requieran grandes esfuerzos.

Actuadores neumáticos y oleohidráulicos:

- Cilindros neumáticos: constituidos por un tubo circular cerrado en los

extremos mediante dos tapas, entre las cuales se desliza un émbolo que

separa dos cámaras

por las que circulará

aire comprimido o

aceite. El émbolo se

moverá en una u otra

dirección, según se

aplique más presión de

fluido en una u otra

cámara del cilindro.

- Motores neumáticos: realizan la función de transformar la energía

neumática o hidráulica en mecánica de rotación. Su funcionamiento es

análogo al de una turbina.

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