Tema3[1].1.PDF Sensores y Actuadores

Tema 3.1: Transductores (Sensores y actuadores) • • • • • • •

¿Qué son? Pro roce ceso soss de de med medid ida. a. Cara Ca ract cter erís ísti tica cass bá bási sica cass Tip ipo os de de sen senssore ress Tipo Ti poss de ac actu tuad ador ores es Conclusiones Actividad

José M. Claver

Sistemas de Control de Procesos

UJI-1

Estructura Básica • Co Comp mpon onen ente tess del del SC

Sensor

Acondicionado

Transmisión Datos Presentación

Sistema

Actuador

José M. Claver

UJI-2

Perturbaciones

Acondicionado

Control

Alarmas Transmisión Órdenes


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¿Qué son? • Un transd transductor uctor es un eleme elemento nto que que convier convierte te una magn magnitud itud física física en otra • Ejemplo: – Un termómetro termómetro de mercurio es un transduc transductor tor que da un desplazamiento proporcional a la temperatura

• Un sensor sensor es un tipo de de transduc transductor tor que que convier convierte te la magn magnitud itud a medir en una característica eléctrica • Un actuado actuadorr en un tipo tipo de trans transducto ductorr que toma una señal señal eléctrica y produce una variación en una magnitud física

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UJI-3

Procesos de medida • Errores Errores en en el proces proceso o de medid medida: a: Diferenc Diferencia ia entre entre el resu resultado ltado obtenido y el valor real Ms Valor medido

C

D

A B

Offset

A

Ideal

B

No Lineal

C

Pendi endien ente te Inco ncorrec rrecta ta

A

Offse ffsett (desv desvia iaci ción ón de de cer cero)

Me Valor real

• Line Linealida alidad: d: Relaci Relación ón lineal lineal entre valo valorr real real y medi medido do







Características básicas Precisión Precisión Offset Offset

Error máximo esperado (% relativo, Me)

Linealidad Linealidad

Desviación respecto de una línea recta en la curva de respuesta (Me)

Sensibilidad Sensibilidad

Variación de la magnitud de salida al variar la magnitud a medir (dMs/dMe)

Margen Margende de Medida Medida

Rango de variación de la magnitud a medir en el que se asegura una cierta precisión (Me)

Resolución Resolución

Mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida (Me)

Rapidez Rapidezde de respuesta respuesta

Capacidad del sistema de medida para seguir las variaciones de la magnitud de entrada (dMe/dt)

Derivas Derivas

Las medidas pueden ser diferentes en función de las variaciones ambientales (temperatura, humedad, envejecimiento) (Me)

Repetitividad Repetitividad

Error esperado al repetir varias veces la misma medida (Me)

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Desviación de cero (Me)


UJI-5

Ejemplo: Acelerómetros (0-4 m/s2)

uV

V

mV

2

4

4

1,48 0,2

4 A

m/s2

4 B

m/s2

4 C

m/s2







Tipos de Sensores • Act ctiv ivos os//Pas asiv ivo os Activos : Generan una señal eléctrica Pasivos: Pasivos Modifican una característica eléctrica (R, C, etc.)

• Direc Directos/ tos/Accio Accionami namiento ento inter intermedi medio o (indi (indirecto rectos) s) Directos: Directos La magnitud de salida se obtiene directamente Con accionamiento intermedio: intermedio La magnitud de salida se convierte en otra que es medida directamente

• An Anal alóg ógic icos os/D /Dig igit ital ales es Analógicos: Analógicos Devuelven una señal de tipo contínuo Digitales: Digitales Devuelven una señal de tipo discreto

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UJI-7

Ejemplos de sensores • Se Sens nsor ores es de te tempe mpera ratu tura ra • Sensores de de luz luz • Se Sens nsor ores es de fue fuerz rza a (y (y par par)) • Se Senso nsore ress de de desp splaz lazam amie iento nto • Se Sens nsor ores es de vel veloc ocid idad ad







Sensores de Temperatura • Term Termómet ómetros ros resis resistivos tivos:: variación variación de de la resisten resistencia cia con la temp temp.. – PR PRT T (P (Pla latin tinum um Re Resis sista tanc nce e The Therm rmome omete ter) r)

• Term Termisto istores: res: vari variación ación de la la resiste resistencia ncia con la temp. temp. – NTC (Ne (Negati gative ve Temp Tempera erature ture Coe Coeffi fficien cient), t), de óxido óxidoss de meta metales les – PT PTC C (Po (Posit sitive ive Te Tempe mpera ratu ture re Co Cose seff ffic icie ient) nt),, de titana titanato to de bario bario

• Term Termopa opares res:: Efec Efecto to See Seebec beckk (ci (circu rculac lación ión de ele electr ctrone oness ent entre re metales unidos con diferentes temperaturas temperaturas)) • Semicond Semiconductor uctores: es: variac variación ión de la tensión tensión en en los extre extremos mos de un diodo por el que pasa una corriente fija.

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Termómetros Resistivos PRT (Plat (Platinum inum Resis Resistance tance Ther Thermom mometer) eter) Margen de Medida

-200ºC -20 0ºC +85 +850ºC 0ºC

Valores de resistencia respecto de la Temperatura

R= R0 (1 (1+ +αT) R0= 100 Ω; α= 3. 3.9 9 · 10-3

Tienen problemas de sensibilidad Son muy precisas (0,1ºC) Son caras







Termistores •

NTC NT C (N (Neg egat ativ ive e Te Temp mper erat atur ure e Co Coef effic ficie ient nt)) Margen de Medida: -50ºC+150ºC Caracterís Carac terísticas ticas:: De óxidos óxidos de metales metales No Lineales Alta sensibilidad Alta resolución

•

PTC PT C (P (Pos osit itiv ive e Te Temp mper erat atur ure e Co Coef effi fici cien ent) t) Características Caracterís ticas:: De cristales cristales de titanato titanato de bario Se utilizan principalmente en protecciones térmicas

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Termopares • Efecto Efecto Seebec Seebeck: k: circula circulació ción n de electron electrones es (I) entre entre metales metales unidos unidos a diferentes temperaturas – Al abrir abrir el circuito circuito por uno uno de los metale metaless se obtiene obtiene una una tensión tensión proporcional a la diferencia de las temperaturas (V termoeléctrico)

Margen de Medida -20 -200 0 ºC +200 ºC









Semiconductores • Variación Variación de la tensi tensión ón en en los extrem extremos os de un diodo diodo por por el que que pasa una corriente fija. – Var Variac iación ión de la tensi tensión ón aprox. aprox.:: 2mV/ºC 2mV/ºC

Características

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Baratos y fáciles de utilizar Tiene un margen margen de medida bajo bajo (-50 ºC +150 ºC)


UJI-13

Sensores de luz Miden la intensidad de la luz. Pueden ser de dos tipos: – Los que que generan generan electricid electricidad ad al recibir ilumina iluminación ción







Fotoconductores • Camb Cambian ian sus sus caracter característic ísticas as de conduc conducción ción eléctri eléctrica ca al incidir incidir la luz Fotodiodo • Id= S*φ • Sensi Sensibilid bilidad ad baja. baja. Utiliz Utilizació ació de fototr fototransm ansmisore isoress para incre increment mentarla arla • Veloc Velocidad idad de respues respuesta ta alta (1 microse microseg. g. o menos) menos)

LDR (Light (Light Dependent Dependent Resisto Resistor): r): R = S*(1/φ ) • Dispositivo que disminuye su resistencia al aumentar la intensidad intensidad de la luz • De sulfu sulfuro ro de cadmi cadmio o (SCd) (SCd) • Veloc Velocidad idad de respues respuesta ta baja baja (10 (10 ms) ms) • Lon Longit gitude udess de onda onda entr entre e 380 380 nm y 759 759 nm

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Sensores de luz • Opto-interrupt Opto-interruptores: ores: sensor de luz luz (fotodiod (fotodiodo o o fotot fototransisto ransistor) r) + emisor de luz (fotodiodo o LED, láser, etc)







Sensores de fuerza • Galga Galga extensiom extensiométric étrica: a: materia materiales les que que al deform deformarse arse varia varia su su resistencia eléctrica R= ρ∗L/A

Dirección Sensibilidad

L A

• Di Disp spos osit itiv ivos os cap capac acit itiv ivos os::

D D

C= K* K*A/ A/D D

A

K

• Dispositiv Dispositivos os piezoe piezoeléctr léctricos: icos: mate materiale rialess que gener generan an una tensió tensión n eléctrica al someterlos a un esfuerzo mecánico

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UJI-17

Sensores de desplazamiento • Pot Potenc encióm iómetro etros: s: la señal señal eléctric eléctrica a es proporci proporciona onall a su posición posición Basados en dispositivos de resistencia variable Pueden ser:







Sensores de velocidad • Induct Inductivo ivos: s: una bobin bobina a se ve afectada afectada por por un material material ferro ferromagn magnétic ético o o imán LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

• Efecto Efecto Hall: Hall: potencial potencial eléctri eléctrico co transver transversal sal inducido inducido sobre un un conductor conductor activado eléctricamente EH = K H (I·B/d)

• Cod Codifi ificad cador or ópt óptico ico de posi posició ción n (enc (encode oder) r) – Li Line neal al o cir circu cula larr

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Sensores de sonido • Micrófonos: – Tipos







Ejemplos de actuadores • • • •

Actuad Actu ador ores es de Ca Calo lorr Act ctua uad dor ores es de luz luz Actuadore Actua doress de: de: fuerza fuerza,, desplaz desplazamie amiento nto y movimie movimiento nto Actu Ac tuad ador ores es de so soni nido do

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Actuadores • Calor – Cal Calent entado adores res res resist istivo ivos: s: P = R I 2









Actuadores de: fuerza, desplazamiento,... • Soleno Solenoide ides: s: bob bobina ina con una piez pieza a de mate material rial ferr ferroma omagnét gnético ico que se puede mover – Relés

• Motores – Corr Corrie ient nte e alter alterna na (CA) (CA) – Co Corr rrie ient nte e Con Conti tinu nua a – Paso a Pas aso o

• Ele Elect ctro rohid hidra raúli úlico coss y ele elect ctro rone neumá umáti tico coss – Ac Accio cionam namien iento to de avione avioness y vehívulo vehívuloss José M. Claver

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Conclusiones • Transductores



Interfaz con el mundo físico

• Hay un un sensor/ sensor/act actuad uador or adecu adecuado ado par para a cada caso caso • Co Comp mpor orta tami mien ento to no id idea eall  compensaciones HW/SW • ¿cu ¿cuále áless son son los los adecu adecuado adoss en tu tu proye proyecto cto?? • Pró Próximas ximas 2 clases clases búsque búsqueda da de sens sensores ores/actu /actuador adores es adecuad adecuados os • Sig Siguie uiente nte clase clase pres present entaci ación ón y comen comentar tarios ios

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