1 Universidad Politécnica de Puerto Rico Departamento de Ingeniería Mecánica ME 5250 Mecatrónica Proesora! "andra #$ %rdo&e' E$
"E("%RE" ) *R+("DU,*%RE" *R+("DU,*%RE"
Definición: Transductor: Transductor: Dispositivo que convierte un tipo de energía en otro tipo de energía. Sensor: Dispositivo que convierte un tipo de energía en una señal generalmente eléctrica o neumática. Todo sensor es transductor pero no todo transductor es sensor. Todos los sensores deben satisfacer la 1 le! de instrumentación: el instrumento de medición no debe afectar el evento que se está midiendo. "ara definir el rendimiento ! calidad de un transductor estos se especifican estática #señal que varía poco con el tiempo$ por e%emplo D& o frecuencias ba%as' ! dinámicamente #señal que varía rápidamente con el tiempo' en términos de: a' (ango: (ango: el rango es el mínimo mínimo valor valor que pueda pueda medir medir ! el má)imo má)imo valor que que pueda medir. medir. "or e%emplo$ rango * +,-+ psig. b' Span: es el valor má)imo de su rango menos el mínimo. "or e%emplo$ si el rango es 1+, -+psig$ entonces el span será +psig. c' /)actitud /)actitud #accura #accurac!': c!': medida medida de cuan cerca cerca esta esta el valor medido medido del del valor real. real. d' "recisión "recisión #precis #precision': ion': se refiere refiere a que tan tan reproducib reproducible le es una medida. medida. e' (esolució (esolución n #resolutio #resolution': n': cantidad cantidad increme incremental ntal más pequeña pequeña que se puede puede detectar. detectar. f' (epeti (epetibil bilida idad d #repea #repeatab tabili ilit! t!0re 0repro produc ducibi ibilit lit! !': descri describe be la abili abilidad dad del trans transduc ductor tor a entregar la misma lectura de salida. g' Tiempo Tiempo de respuest respuesta: a: Tiempo Tiempo requerid requerido o para que un cambio cambio en la entrada sea observab observable le ' Sensibil Sensibilidad: idad: ra2ón ra2ón de de cambio cambio de la salida salida a los los cambios cambios de la la entrada entrada i' 3inealida 3inealidad: d: medida medida de de la const constancia ancia de la ra2ón entrada0s entrada0salid alidaa 3os variables más com4nmente medidas por un transductor son: posición$ temperatura$ presión$ flu%o$ nivel$ velocidad$ fuer2a ! aceleración.
1.
Transductores de posición, desplazamiento y proximidad
3a posición posición,desp ,despla2am la2amiento iento,pro) ,pro)imid imidad ad de un ob%eto ob%eto es de vital vital importanci importanciaa en sistemas sistemas de servocontrol que demandan un posicionamiento preciso como en robots$ el movimiento de un disco duro$ el movimiento de los cartucos de una impresora$ etc. 3os transductores de posición comparan el movimiento de un ob%eto con respecto a un punto de referencia. 3os transductores de despla2amiento comparan el movimiento de un ob%eto respecto a si mismo #a su posición anterior'$ ! los sensores de pro)imidad comparan la cercanía de un ob%eto respecto al transductor. transductor. 3os transductores de posición$ despla2amiento o pro)imidad mas com4nmente usados son:
> 1.1
Potenciómetros.
"otenciómetro de carbón0cermet
"otenciómetros cerámicos
"otenciómetro carbón
/l volta%e de salida varía con la posición lineal del 5iper$ o con la posición angular dependiendo del tipo de potenciómetro. 3os potenciómetros pueden ser de una vuelta #! miden despla2amientos de asta 6-78' o de m4ltiples vueltas #que miden despla2amientos de asta 6-++8 lo que equivale a casi 1+ vueltas'. 9n aspecto a tener en cuenta cuando se escoge un potenciómetro para una aplicación es su resolución la cual depende del despla2amiento má)imo #full,scale' ! su numero de vueltas. (esolución * despla2amiento full,scale; 0
-+8 cuando el panel se mueve de un e)tremo a otro. Se tiene disponible un potenciómetro que tiene un despla2amiento de plena escala de 6++8$ con 1+++ vueltas de alambre. &ree usted que este potenciómetro puede ser usado para esta aplicación? (esolución del potenciómetro que tengo * 6++801+++ * +.68 3a relación entre el movimiento rotacional ! el lineal de la aplicación seria: >-+80+.=m * 61>.-80m$ o$ 6.1>-80cm. &on la resolución requerida de +.1cm: +.1cm ) 6.1>-8 * +.61>-8$ ! esto seria la resolución requerida para el potenciómetro. &omo +.68 @ +.61>-8$ entonces la respuesta es que si se puede usar ese potenciómetro para esa aplicación. Dependiendo de la forma en que el alambre se encuentre enrollado$ la salida de volta%e tendrá una relación lineal o no lineal que puede ser aprovecada en diferentes tipos de aplicaciones. Sin embargo$ este tipo de potenciómetro tiene algunas desventa%as. "or e%emplo$ este tipo de potenciómetros no se puede rotar demasiado rápido pues le adiciona ruido a la señal. /)iste otro tipo de potenciómetros ecos de metal cerámico$ de carbón$ plástico conductivo ! otros que entregan resoluciones ma!ores ! evitan el ingreso de ruido a la señal medida.
6
1.2
Transformadores diferenciales lineales LVDT
/s un dispositivo electromecánico que produce una señal eléctrica de salida proporcional al despla2amiento de un n4cleo magnético a través de un tubo central. Algunas venta%as del 3BDT son:
"ortadora de e)citación
3BDT
Demodulador
Amplificador Ciltro pasa,ba%os
9n transformador diferencial variable rotacional (BDT es un dispositivo que produce un volta%e que varia linealmente con la posición angular del e%e. Aunque el (BDT es capa2 de rotar continuamente$ la ma!oría de estos tienen un rango de +8.
1.3
Optical ncoders !codificadores ópticos"
/ncoder incremental
"rincipio de funcionamiento
&odificador absoluto
9n encoder es un dispositivo que proporciona una salida digital como resultado de un despla2amiento lineal o rotacional. /)isten dos categorías: Encrementales o absolutos. /l encoder óptico incremental provee un pulso de salida cada ve2 que el e%e rota una distancia predeterminada. /l encoder óptico absoluto provee una salida con un código 4nico para cada posición. /l código puede ser binario o F&D #dinar!,coded decimal'. 3a forma básica de un encoder incremental consiste en poner a girar un disco perforado ! un ra !o de lu2 que detecte ! cuente las perforaciones ! de esta manera determinar el cambio de posición angular. 3a salida será entonces un n4mero de pulsos proporcional al ángulo rotado por el disco. /ste tipo de encoder es el tacómetro$ algunas veces llamado también encoder incremental de una sola pista o single,tracG incremental encoder porque posee una sola salida #el numero de pulsos' ! no puede determinar información como la dirección de rotación. Htro tipo de encoder incremental es el de cuadratura #quadrature'$ el cual tiene dos canales de salida en cuadratura. /sto permite contar las perforaciones ! determinar el estado de las perforaciones del otro canal. /sta información permite determinar si el canal A adelanta al canal F ! como consecuencia determinar la dirección de rotación.
/n cuanto al encoder absoluto$ este entrega una salida en forma de palabra binaria 4nica de varios dígitos para representar una posición angular determinada. Sin embargo$ las palabras binarias clásicas no son tan usadas debido a que cuando un bit se activa o se desactiva momentáneamente para cambiar la palabra$ se puede interpretar como una lectura adicional ! generar errores. "ara
solucionar este problema se invento un código llamado Ire! code donde el bit que cambia lo ace a posiciones sucesivas evitando el error generado por el código binario.
/%emplo de encoder incremental: 9n encoder incremental posee 1>++ pulsos por revolución. Si se cuentan 7- pulsos$ cuanto se a movido el e%e? 1>++ #pulsos0rev' ) 1 #rev06J+8' * 6.66 pulsos0grado 7-06.66 * 1>.J8 3a resolución del encoder en grados seria 106.66 * +.6+8 1.#
$ensor de campo ma%netico de efecto &all
/l efecto Kall surge de lo que se conoce como la fuer2a de 3orent2$ que es la fuer2a que e)perimenta una partícula cargada cuando esta se mueve en un campo magnético. /l principio de estos sensores se basa en poner un campo magnético en unas placas ! en medio de ellas pasa una corriente. /sta combinación crea un campo eléctrico. /ste tipo de sensor se puede usar para medir campo magnético o para medir movimiento como se muestra a continuación:
Sensor Kall Emán
1.'
$ensores capaciti(os
9n sensor de pro)imidad capacitivo consiste en una placa metálica que al ponerse en paralelo con el ob%eto metálico #del cual deseo medir su pro)imidad' forma una capacitancia la cual varia su campo eléctrico cuando la distancia de las placas #la placa ! el ob%eto' varia.
J
1.) $train*%au%es o sensores de deformación
Se utili2an para medir fuer2a #anali2ar fuer2as en estructuras' o deformaciones. /ste dispositivo cambia su resistencia ( cuando se deforma. "osee un factor de proporcionalidad llamado Iauge #or gage' factor;.
/ntre más grande es IC$ mas sensitivo es el strain gage. /ste dispositivo se adiere con un pegante especial a la superficie del dispositivo al cual le vo! a medir su deformación. /ste dispositivo es mu! sensitivo ! puede dañarse al momento de ser aderido. 9na de sus venta%as es que también cambia su valor resistivo con temperatura ! usualmente el cambio en resistencia por temperatura es muco ma!or que el cambio en resistencia debido a la deformación. "or esta ra2ón normalmente se ponen dos strain,gages en posiciones opuestas sobre la misma superficie para que de esta manera uno se deforme #el active; gage' ! el otro #el dumm!; gage' no pero ambos tendrán el cambio por la temperatura. 9sualmente estos dispositivos se ponen en un puente de Leatstone para medir cual fue el cambio de resistencia debido a la deformación.
7
1.+
$ensores de proximidad de corrientes de ddy
/stos sensores se usan para medir la pro)imidad de ob%etos metálicos. /l principio de funcionamiento consiste en que se induce una corriente alterna en una bobina$ la cual creara un campo magnético. Si un ob%eto metálico se apro)ima a ese campo magnético se generan unas corrientes llamadas corrientes de /dd! que a su ve2 producen su propio campo magnético afectando al campo magnético propio de la bobina. &omo resultado$ la amplitud de la corriente alterna cambia. &omo venta%as de este tipo de sensores se encuentran: son económicos$ con alta sensitividad a despla2amientos pequeños$ son de pequeño tamaño$ ! son de alta confiabilidad.
1.
-nterruptores de proximidad inducti(os
/stos dispositivos cambian el valor de su inductancia ante la pro)imidad de un ob%eto metálico. /ste cambio de inductancia se mide usando un circuito resonante ! puede ser usado para activar un interruptor. 1.
-nterruptores de proximidad
/stos tipos de interruptores requieren el contacto con el ob%eto a detectar para poder ser activados mecánicamente. Sin embargo$ e)isten otros tipos como el reed s5itc que requiere un acercamiento de un ob%eto magnético para activarse$ o los dispositivos fotosensitivos que detectan el ob%eto cuando este interrumpe un ra!o de lu2.
2.
/uerza
/l dispositivo que se usa normalmente para medir fuer2a es la celda de carga #load cell' la cual esta basada en strain,gages con un puente de 5eatstone como se mencionó anteriormente.
Strain,gauges
&elda de carga
3.
3.1
Temperatura 0intas imetlicas
/stas cintas se fabrican de materiales con diferentes coeficientes de e)pansión. &uando el material se calienta o se enfría$ el cambio de temperatura produce una deformación #e)pansión' del material. Dado que los dos materiales tienen diferente coeficiente de e)pansión$ cuando uno de ellos es e)pandido por temperatura el otro no$ aciendo que las dos cintas #que se encuentran
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N
3.3
Termistores
3os termistores son dispositivos resistivos fabricados de semiconductores como los ó)idos de manganeso$ níquel o cobalto. /l coeficiente de resistividad de los termistores es negativo$ por lo cual la resistencia sube al disminuir la temperatura. 3a resistencia térmica de los termistores es altamente no lineal. 3a principal venta%a de los termistores es que son mu! sensitivos ! precisos. /stos producen grandes cambios en resistencia seg4n varía la temperatura. Se puede medir temperatura con una resolución de fracciones de 8&. Sin embargo$ no se pueden usar en temperaturas mu! altas #deben ser menores de J++8C ≅ 6-+8&'. Típicamente se usan para medir temperaturas no más altas de 1++8&. 3a relación entre temperatura ! resistencia para un termistor esta dada por:
3 #T '
=
1 − 1 T To 3o e
⋅
β
Donde: (#T' es la resistencia del termistor a temperatura T$ (o es la resistencia del termistor a temperatura To$ ! β es una constante #Pelvin' con valores típicos de 6+++@ β@-+++ 3os termistores ofrecen mucas venta%as como por e%emplo$ son pequeños ! robustos por lo que permiten monitorear temperaturas de un punto$ responden rápidamente a cambios de temperatura ! su cambio en resistencia es bastante grande por cada cambio de grado de temperatura. Sin embargo$ su no,linealidad es su ma!or desventa%a.
3.#
Termocuplas o termopares
/stos son sensores de temperatura que consisten en unir dos materiales diferentes en un contacto termal. A este contacto se le llama %unta ! allí ocurrirá una diferencia de potenciales.
1+
9n circuito de termopares fabricado de materiales A ! & genera un volta%e #B o'A0& cuando se e)pone a una temperatura T 1 ! T > ! un circuito similar fabricado de materiales & ! F genera un volta%e #B o'&0F. /ntonces$ #V o ' 5 0 4
=
#V o ' 5 0 0
+
#V o ' 0 0 4
#V o ' 5 0 4
=
#V o ' 5 0 0
−
#V o ' 4 0 0
Qétodos de compensación: 9sualmente la referencia se ace a + °& aciendo un baño en ielo como se muestra en la figura. /ste método es mu! e)acto porque se puede controlar fácilmente que la temperatura sea realmente +°&. También se usa un bloque isotermal #que se encuentra todo a la misma temperatura'$ se pone un sensor de temperatura diferente #E& de estado sólido$ una (TD o un termistor' para medir la temperatura de referencia. "or soft5are: se ingresan las tablas de calibración en un programa ! éste calcula la verdadera temperatura. /ste procedimiento sería: Qedir ( T #del sensor de referencia' para allar T ref ! convertir T ref a su volta%e equivalente , de referencia de la %unta$ B ref Qedir B de salida ! restar el B ref para allar el volta%e B 1 de la %unta de medición R 1 ! , convertirlo a temperatura T %1.
3a compensación también puede acerse por ard5are$ obviando el cálculo ! programación mencionados arriba. /sto se ace con un amplificador de instrumentación que trae internamente el compensador de %unta fría. "or e%emplo$ el AD-N0AD-N- de Analog devices. A continuación se muestra un cuadro comparativo de los diferentes tipos de sensores de temperatura$ mostrando sus venta%as ! desventa%as. /s mu! importante entender que si !o le añado un cable de cualquier material diferente al de la termocupla$ se va a inducir otro volta%e que va a variar mi medida real ! vo! a tener un error. "or esta ra2ón$ cuando se requiere añadir cable a la termocupla #para llevar la señal más le%os antes de
11 la compensación'$ o incluso para conectarla$ es imprescindible usar los conectores ! e)tensiones del mismo tipo de la termocupla. "or e%emplo$ tipo R$ tipo P$ tipo /$ etc$ que suministran los diferentes fabricantes.
,apa.ilities
#imitations
*/ermocouples Lide range$ Cast response$ "assive$ Ene)pensive.
&R& #cold %unction compensation'$
R*Ds
Ber! rugged$ Accurate
*/ermistors
Ber! repeatable$ Cine resolution$ 3 o5 (equire e)citation$
#.
S lo5 response$ (equire e)citation$ 3ead resistance$
Presión
Definiciones6
"resión absoluta #absolute pressure': /s la presión medida respecto a vacío perfecto #+ presión'. Sus unidades son psia. vacío
°M Bo * P"1 ,
"1
°
"resión manométrica o presión gage: /s cuando la referencia es la presión atmosférica. Sus unidades son psig. diafragma ". atmosférica
°M Bo * P#"1,"atm' ,
"1
°
"resión diferencial: "resión medida respecto a otra presión. diafragma
">
°M Bo * P#"1,">' "1
°
,
&olumna de líquido: #ead; de presión'
" * ρ %7 ρ * densidad del líquido * altura de la columna de líquido g * constante gravitacional #convierte masa en peso' * N=+.JJ6 cm0s>
1>
9nidades de presión ! tabla de conversión: Sistema métrico: "a #"ascal' * <0m > Sistema inglés: psi * lb0in > 1 mmKg * Torr * 1666>"a 1 atm * 7J+ mmKg * 1.+16>-)1+ - "a #.1
Diafra%ma !Diap7ra%m"
/l principal sensor de presión utili2ado es el diafragma que es una membrana que se deforma con la presión ! por medio de un sensor de despla2amiento #potenciómetro$ 3BDT' se puede medir la defle)ión de esta membrana ! relacionarla con la presión. /ste sensor se puede conectar a un interruptor #s5itc' para que se active a cierto nivel de presión.
Diafragma
Diafragma unido a un 3BDT
Tomados de: ttp:00555.efunda.com0designstandards0sensors0diapragm0diapragmintro.cfm
También están las cápsulas ! fuelles #bello5s' que son cámaras selladas ecas de metal. &uando la presión dentro de ellas e)cede la presión e)terna$ la cámara se e)pande. #.2
Tipo 4ourdon
9n tipo de sensor de presión que se usa com4nmente es el tipo Fourdon. /ste sensor se estira #en el caso del lineal' o gira #desenroscándose$ en el caso de los elicoidales ! espiral' cuando se aplica presión en su entrada. 3a cantidad de movimiento de este tubo es proporcional a la presión. /ste tubo entonces convierte presión a despla2amiento$ el cual puede ser medido con un potenciómetro o 3BDT$ o conectado a una agu%a #en el caso de los gages o manómetros'.
Tomado de: ttp:00555.efunda.com0designstandards0sensors0bourdontubes0bourdonintro.cfm
16
ttp:00555.!draulicspneumatics.com0>++0TecUone0S!stemEnstrumen0Article0True0J6=0TecUone,S!stemEnstrumen
#.3
Piezoel8ctrico
/stos son materiales #generalmente cristales de cuar2o u otros cristales' que cuando se comprimen o estiran$ sus e)tremos se cargan eléctricamente$ aciendo que uno de ellos sea más positivo que el otro #se concentran las cargas en los e)tremos'. Si a esto se le añaden dos láminas de metal en sus e)tremos$ podemos tener un capacitor. /ste tipo de sensor se usa para medir transitorios #o transientes' de presión$ en lugar de presiones estáticas.
#.#
$ensor tctil #ver libro guía'
/stos son los sensores usados en toucscreens. /stán ecos de un material llamado "ol!vin!lidene fluoride #"BDC'. 3a forma de usarlo es en delgadas capas. 9na de ellas se e)cita con un volta%e alterno$ por lo que el material empie2a a crear oscilaciones mecánicas que se transmiten a la otra capa que es la que detecta en sí la presión. &uando a! presión e)terna$ las oscilaciones mecánicas varían afectando también el volta%e de esa capa.
'.
$ensores de flu9o
Fásicamente a! dos tipos de sensores de flu%o$ los invasivos #intrusive' ! los no, invasivos #nonintrusive'. 3os invasivos son los que utili2an la energía del fluido para producir un efecto que se puede medir. /stos se locali2an en contacto directo con la variable a medir$ afectando en la ma!oría de ocasiones el proceso o sistema$ ! los no, invasivos son los que no tienen contacto directo con la variable a medir. /n el caso de los sensores de flu%o$ los invasivos crean una o bstrucción en el flu%o para poder medirlo.
'.1
Platinas de orificio !Orifice plates"
/ste tipo de sensor es uno de los más usados en la industria. Se ponen unas placas circulares obstru!endo el flu%o$ se mide la presión de alta ! la presión de ba%a ! luego se saca la relación entre el diferencial de presión ! el flu%o: ;
=
: P >
P2 D
Diámetro #D'
−
P 1
D-2 P
1
/ste tipo de sensor es bastante simple$ no tiene partes en movimiento ! es bastante económica pero tienden a desprenderse ! generan mucas pérdidas en el sistema.
1 '.2
Tuo Venturi
/l principio es igual al de las platinas de orificio pero éste tubo ace un cambio de presión más suave #menos abrupta' por lo que el error es menor ! no se desprende como las platinas de orificio.
Tomado de: ttp:00555.rosemount.com0document0pds0flo5fund.pdf
'.3
Turina
/n este tipo de sensor se usa un rotor multiaspa que gira cambiando su velocidad respecto al flu%o. Se mide la rotación de las aspas con un sensor magnético por lo que la turbina nos dará una frecuencia proporcional al flu%o.
Tomado de: ttp:00555.rosemount.com0document0pds0flo5fund.pdf
/ste sensor es bastante costoso si lo comparamos con las platinas de orificio. /)isten otros tipos de sensores de flu%o como el rotámetro ! los tubos pitot.
).
/l nivel de líquido de un tanque puede ser medido directa o indirectamente$ así como contínuo o discretamente. 3a medida discreta es la que se ace por medio de sensores ópticos o interruptores de nivel que se locali2an en puntos e)actos donde se quiere limitar el nivel #nivel ba%o$ nivel alto'$ ! solo nos entregan una señal de on0off. 3os medidores continuos como su nombre lo indica$ nos entregan el valor del nivel del líquido continuamente. 3a medición directa es aquella que se ace midiendo la posición del
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