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Automatización Industrial (AIS7201) Prof. Christian Nievas Grondona.

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1 Automatización Industrial (AIS7201) Prof. Christian Nievas Grondona.

2 2 Sesión 6: Sensores y actuadores.

3 3 Contenidos. Sensorización. Funcionamiento. Categorías. Actuación. Tipos de actuadores.

4 4 Sensores. Introducción: El éxito de la tarea de un sistema automático depende de la realimentación. Los parámetros de mayor interés son la posición, velocidad, Temperatura, Fuerzas, etc. La forma de mediar variables físicas de un proceso puede variar para satisfacer criterios de diseño dependiendo de lo que se requiere controlar.

5 5 Sensores. Sensores de posición: Estos indican el punto del recorrido en el que se encuentra un actuador (posición). Los más usados son los del tipo eléctricos y los ópticos.

6 6 Sensores. Sensores de posición: Potenciómetros. Contacto que se mueve sobre un hilo de material resistivo arrollado en espiral o sobre una lámina resistiva.

7 7 Sensores. Sensores de posición: Potenciómetros. La ventaja principal es su sencillez y bajo costo. En cambio la principal desventaja es la no linealidad del voltaje de la resistencia en relación a la distancia desplazada.

8 8 Sensores. Sensores de posición: Sincros y resolvers. Sensores de posición exclusivamente angulares, que no requieren contacto físico entre las piezas.

9 9 Sensores Internos. Sensores de posición: Sincros y resolvers. Al no tener contacto físico entre sus elementos, estos se deterioran menos. A pesar de esto no se emplean actualmente debido a que entregan una señal analógica, por su mayor peso y coste. El resolver es similar al sincro, sólo que sus bobinas están colocadas en posición diferente (120º)

10 10 Sensores. Sensores de posición: Inductosyn. Variante lineal de los sincros, formado por 2 reglas que se desplazan una sobre la otra. X S

11 11 Sensores. Sensores de posición: Inductosyn. La señal es similar a los sincros y resolvers, pero su relación voltaje/distancia es mucho más precisa. Existe una versión rotacional que alcanza precisiones hasta 5 milésimas de grado.

12 12 Sensores. Sensores de posición: Optointerruptor. Elemento básico de sensores ópticos. Interruptores de final de carrera, usando un fotodiodo o foto resistencia y un led o láser. Vista frontalVista Lateral Emisión Receptor

13 13 Sensores. Sensores de posición: Codificadores ópticos. Optointerruptores mejorados, con numerosas muescas distribuidas en el la superficie del disco. Absolutos (Cab): El disco impreso en codificación binaria. Cada bit es leído por un receptor diferente. Se puede codificar con algún cifrado conocido, tal como el BCD.

14 14 Sensores. Sensores de posición: Codificadores ópticos. Optointerruptores mejorados, con numerosas muestras distribuidas en el la superficie del disco. Incrementales (Cin): Se trata de un disco con muescas en sólo una pista. Además posee dos pares de Emisor/Receptor óptico desfasados en ¼ de periodo.

15 15 Sensores. Sensores de posición: Codificadores ópticos. En el caso del Cab, la ventaja que tiene es que se conserva la lectura de posición incluso sin alimentación. La resolución máxima del Cab es de 360/N, donde N es el número de sectores, y el número de pistas (Np) debe ser 2 Np =N. Esto lo hace un sensor caro y complejo, por esto no es muy utilizado.

16 16 Sensores. Sensores de posición: Codificadores ópticos. Debido a que las transiciones en el Cin no son abruptas, la señal generada no es una onda cuadrada ideal. La solución cuando tenemos precisión muy alta (más de 200 líneas por vuelta), la señal se procesa para generar 1 lógicos con rangos de umbrales lumínicos. Este codificador, a diferencia de los otros, nos permite conocer, a parte de la posición, el sentido de giro de un actuador. En general, estos codificadores, son los más utilizados para conocer la posición y sentido de movimiento de articulaciones en robótica industrial.

17 17 Sensores. Sensores de posición: Codificadores ópticos. Un codificador óptico absoluto basado en la codificación Gray de 13 pistas. Foto Receptor Disco Codificado

18 18 Sensores. Sensores de velocidad: Miden y entregan datos sobre la velocidad de los motores, especialmente velocidad angular. Como el caso de posición, los del tipo eléctricos y los ópticos son los más habituales en la industria.

19 19 Sensores. Sensores de velocidad: Tacómetro. También conocido como dínamo tacométrico, es un dispositivo similar a un motor, que genera una tensión CA de amplitud proporcional a la velocidad angular.

20 20 Sensores. Sensores de velocidad: Óptico. Se utilizan los codificadores de posición, para encontrar velocidades. Transformación Frecuencia/Voltaje: Se utilizan circuitos que realizan una aproximación discreta a la derivada velocidad. Consta de un contador, un reloj interno, y un conversor A/D (para convertir el número de cuentas en voltaje). número de pulsos en un tiempo Dt.

21 21 Sensores. Sensores de aceleración: Miden la aceleración del dispositivo a que van adosados, basados en la ley de newton. Dada la complejidad de este tipo de medición, no hay muchas variedades utilizadas actualmente.

22 22 Sensores. Sensores de aceleración: Acelerómetro inercial. La fuerza de inercia dada una aceleración de un cuerpo, puede ser medida por un resorte, usando la ley de Hooke, y con esto se obtiene una relación proporcional entre la aceleración y el alargamiento del resorte. x es leída por un encoder. k constante del sistema de resortes.

23 23 Sensores. Sensores de aceleración: Acelerómetro de estado sólido. Base de silicio con estrías y un material conductor sobre el formando un condensador variable, la variación se logra debido a la distancia entre placas al doblarse.

24 24 Sensores. Sensores de aceleración: Acelerómetro CIs. Actualmente es posible construir acelerómetros de 3 ejes (X, Y,Z), en un sólo chip de silicio, incluyendo dentro del mismo, la parte electrónica que se encarga de procesar las señales. El principio de operación del dispositivo, acelerómetro e inclinómetro MEMSIC 2125, está basado en el traspaso térmico, por convección natural. Éstos dispositivos miden cambios internos, de la transferencia de calor causada por la aceleración, ofreciendo ventajas significativas, sobre el empleo de una estructura tradicional sólida de masas de prueba.

25 25 Sensores. Sensores de proximidad: Señalan la distancia entre el punto de referencia (punto terminal) y otros objetos. Pueden ser de contacto o sin contacto.

26 26 Sensores. Sensores de proximidad: De contacto. Simples micro-interruptores colocados en sectores en donde haya riesgo de chocar. Pueden utilizarse como finales de carreras o para marcar posiciones dadas. Interruptor Señal de salida para control.

27 27 Sensores. Sensores de proximidad: Sin contacto. Reflexión luminosa: Consta de una fuente de luz focalizada en un punto, una lente para focalizar la luz reflejada y una foto resistencia que detecta la intensidad luminosa de reflexión.

28 28 Sensores. Sensores de proximidad: Sin contacto. Reflexión luminosa: Los problemas de este sensor, es que existen dos puntos a diferente distancia que nos puede entregar un mismo valor de intensidad lumínica. Esto se soluciona viendo si la señal de intensidad se incrementa o decrece al avanzar. Otro problema es que son sensibles a variaciones de luz ambiente y la temperatura. Esto se soluciona enviando la luz de manera intermitente a una frecuencia del orden los los KHz. El último problema es que la intensidad reflejada depende de la naturaleza del material.

29 29 Sensores. Sensores de proximidad: Sin contacto. Fibra óptica: La luz transmitida en una FO sale a un medio con menor índice de refracción, si lo hace a un ángulo pequeño, puede salir de la FO refractandose. Si lo hace con un ángulo mayor, se refleja hacia el interior de la FO. El ángulo que limita la reflexión y la transmisión, depende de la FO.

30 30 Sensores. Sensores de proximidad: Sin contacto. Fibra óptica: A partir de esto, se construyen sensores de corte de haz y sensores de retroreflexión, que el mismo cabo de FO emite y recibe el rayo de luz reflejado por un catadióptrico.

31 31 Sensores. Sensores de proximidad: Sin contacto. Láser: Se basan en dos espejos perpendiculares acoplados a motores que permiten deflectar el haz de modo que abarque cualquier dirección (barrido). Además se sitúa un colimador apuntando a una dirección conocida. El colimador relaciona la distancia en relación de del ángulo de barrido (y por ende el tiempo) que llega el haz.

32 32 Sensores. Sensores de proximidad: Sin contacto. Ultrasonidos: El tipo más usado y se basa en emitir pulsos de ultrasonido y medir el tiempo de vuelo entre la emisión y la recepción, conociendo la velocidad del sonido. La frecuencia de emisión es fija, usualmente a 40 KHz. Respuesta en dB en relación al ángulo de emisión.

33 33 Sensores. Sensores de tacto: Su utilidad es para ciertos casos de procesos, cuando necesitamos manipular elementos frágiles. Se encuentran desde los que son sólo On/Off, hasta los que dan una medida de presión en cada punto. La mayoría de estos son experimentales.

34 34 Sensores. Sensores de tacto: Varillas. Matriz de varillas que se mueve hasta hacer contacto con el objeto.

35 35 Sensores. Sensores de tacto: Elastómeros de conductividad. Materiales elásticos (plásticos) impregnados con polvos de hierro. Generando una resistencia variable.

36 36 Sensores. Sensores de temperatura: Termopar (Termocupla). Es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre estos.

37 37 Sensores. Sensores de temperatura: Termopar (Termocupla). Termopar conectado a voltímetro, entregando la temperatura de una habitación en ºC.

38 38 Sensores. Sensores de temperatura: RTD (Resistance Temperature Detector) Son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la conducción de los electrones para que, ante un aumento de temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica que presentan.

39 39 Sensores. Sensores de temperatura: RTD (Resistance Temperature Detector) RTDs de Platino de 100 y 1000 Ohms de resistencia (Pt100 y Pt1000)

40 40 Actuadores. Introducción: Es el dispositivo que ejerce fuerzas o momentos sobre las partes de un proceso. Transforman algún tipo de energía (eléctrica, hidráulica, etc.) en energía mecánica o térmica. Los actuadores utilizados actualmente son del tipo eléctrico, hidráulico y neumático. Un requerimiento esencial para utilizar un actuador en algunos procesos, es que estos puedan ser controlados con rapidez y precisión.

41 41 Actuadores. Actuadores hidráulicos: General mente son utilizados para mover cargas mayores (más de 10 Kg). El fluido que trasmite la potencia, usualmente aceite especial, circula por tuberías a presión de unas 200 atmosferas. Ejercen presiones aplicando el principio de la prensa hidráulica de Pascal, ya que al disminuir la superficie de aplicación, la fuerza en ese punto aumenta. Se controla el flujo mediante servoválvulas.

42 42 Actuadores. Actuadores hidráulicos: Servoválvula y actuador. ServoválvulaActuador

43 43 Actuadores. Actuadores neumáticos: Funcionamiento similar al de los actuadores hidráulicos. La diferencia, que estos ocupan aire, altamente compresible, en vez de fluidos incompresibles. El no llevar fluidos inflamables los hacen más seguros y a la vez no es necesario el recambio de fluido periódicamente. Pero al ser compresibles, tienden a mover menor carga y tener características de sub-amortiguamiento.

44 44 Actuadores. Actuadores neumáticos: Se utilizan en operaciones que impliquen desplazamientos lineales cortos (Transferencias, marcajes, expulsiones, embalajes, etc.) Se actua sobre el cilindro neumático mediante electroválvulas conectadas a las salidas del controlador.

45 45 Actuadores. Actuadores neumáticos: Tipos de Cilindros neumáticos: Simple efecto: Empujar en un solo sentido y retornan automáticamente al origen por la acción de un muelle. Doble efecto: Empujar en ambos sentidos. Acción diferencial: Permiten mantener el émbolo en cualquier posición, aplicando presión a ambos lados del mismo.

46 46 Actuadores. Actuadores neumáticos:

47 47 Actuadores. Actuadores eléctricos: Son los más utilizados actualmente en procesos industriales. Como elementos de pre-actuación se utilizan en mayor forma los contactores. Mayor demanda, para trabajos de precisión, tiene los motores de corriente continua (Mcc) y los motores de paso a paso (Step). Debido a que no se pueden controlar con precisión, los motores de corriente alterna (Mca) son utilizados en procesos industriales de mayor envergadura.

48 48 Actuadores. Actuadores eléctricos: Contactores (Relés). Un contactor es un interruptor el cual es accionado mediante un electroimán. Aplicando tensión a la bobina del electroimán se consigue la apertura o cierre del interruptor.

49 49 Actuadores. Actuadores eléctricos: Contactores (Relés).

50 50 Actuadores. Actuadores eléctricos: Motores de corriente continua (Mcc). Se basan en la fuerza de Lorentz, un conductor por el que pasa una corriente eléctrica que causa un campo magnético a su alrededor, tiende a ser expulsado si se le quiere introducir en otro campo magnético.

51 51 Actuadores. Actuadores eléctricos: Motores de corriente continua (Mcc). Controlados por armadura. Campo magnético externo es constante y se varía el campo interno, variando la amplitud de la corriente de inducción. Controlados por campo. Ambos campos magnéticos pueden variar.

52 52 Actuadores. Actuadores eléctricos: Motores de corriente continua (Mcc). Controlados por armadura. Es el tipo más usado, con un campo externo basado en imanes permanentes. Genera un mayor torque a bajas velocidades (levantar cargas). De menor tamaño y peso, especiales para adosarlos como actuadores de articulaciones (robótica). Relación lineal entre la velocidad y el torque.

53 53 Actuadores. Actuadores eléctricos: Motores de paso a paso (Step). A diferencia del Mcc, el devanado no está en el rotor (móvil), si no en el estator (fija). Además de no permitir movimientos continuos, sólo discretos.

54 54 Actuadores. Actuadores eléctricos: Motores de paso a paso (Step). Tiene alto torque a baja velocidad (levantar cargas) Tienen alto torque de sostenimiento (bloqueados en una posición) Compatibles con señales digitales de control. Potencia mecánica actual es baja. Bajo rendimiento, ya que la mayor parte de la energía se disipa en calor. Tienden a ser sub-amortiguados.

55 55 Actuadores. Actuadores eléctricos: Motores de corriente alterna (MCA). Motores Universales: Para aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeñas fuerzas. Motores Inducción: Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor.

56 56 Actuadores. Actuadores eléctricos: Motores de corriente alterna (MCA). Motores Inducción. Los más utilizados en la industria, debido a su fortaleza y sencillez de construcción, buen rendimiento y bajo coste. Además se adaptan bien a una marcha a velocidad constante. En los motores asíncronos trifásicos (Inducción) existen dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la frecuencia mediante un equípo electrónico especial (VFD) y la otra es variando la polaridad gracias al diseño del motor.

57 57 Actuadores. Actuadores eléctricos: Motores de corriente alterna (MCA). Motores Inducción y Variador de Frecuencia: El VFD (Variable Frequency Drive ) es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentación suministrada al motor.

58 58 Actuadores. Actuadores eléctricos: Motores de corriente alterna (MCA). Motores Inducción y Variador de Frecuencia:

59 59 Consultas y Contacto Christian Nievas Grondona.


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