Sensores, Motores y Actuadores
. .
Carlos Terraza Oyaga
Facultad de Ingeniería Electrónica. Bogotá DC, Colombia .
[email protected]
I.
INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓ N
Los elementos objeto del presente documento son dispositivos de amplia utilización en áreas de la electrónica y la industria de generación de procesos en general. general.
C. CLASIFICACIÓN DE SENSORES Según el aporte de energía los sensores pueden clasificarse en moduladores y generadores.
II.
SENSORES MODULADORES o ACTIVOS
DESARROLLO DE CONTENIDO
Desarrollo de las características, tipos y aplicaciones de los dispositivos sensores.
A. SENSORES Son elementos que permiten obtener las variaciones de una señal física y traducirla a una magnitud con características específicas, que le permitan a un operador interpretar los cambios y manipularlos. Los sensores convierten una variable física en otra. Ver figura 1 Figura 1
La energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar y al entrada solo controla la salida.
SENSORES GENERADORES GENERADO RES o PASIVOS
En estos sensores la energía de la salida es suministrada por la entrada y regularmente requieren más conexiones que los generadores, porque la energía de alimentación suele suministrarse mediante conexiones distintas a las empleadas por la señal, permitiendo que entre sus características la sensibilidad se pueda modificar a través de la señal de alimentación. Según la señal de salida los sensores se clasifican en analógicos o digitales.
Los sensores son partes esencial en el desarrollo de sistemas y/o procesos que requieren funciones de control de alguna de sus variables, convirtiéndose estos en los elementos que nos permiten a través de la información entregada la manipulación para generar los cambios que se r equieran.
B. GENERALIDADES DE LOS SENSORES Los sensores son elementos electrónicos que con la sola presencia del elemento a detectar, varían la señal de salida. No hace falta que hagan contacto físico con dicho elemento y trabajan sumergidos en agua, aceite, polvos, etc. Se eligen por el material del objeto a detectar, y por el entorno y el ambiente donde van a ser instalados. Los materiales de los objetos a detectar se dividen básicamente en metálicos y no metálicos, debe tenerse en cuenta las siguientes condiciones ambientales.
Humedad Temperatura Polvo Acidez Explosividad
SENSORES ANALÓGICOS
La salida varía en niveles continuos de magnitudes según el nivel de cambio de la variable medida, representan una una función en el dominio del tiempo.
SENSORES DIGITALES
La salida varía de forma discreta entre dos niveles de magnitud, no requieren conversión A/D y la transmisión de su salida es adaptable. Tienen mayor fidelidad, fiabilidad y son mas inmune al ruido eléctrico generando mayor exactitud. Según el modo de funcionamiento los sensores pueden ser de defección o de comparación.
SENSORES POR DEFECCION
En los sensores por defección la magnitud medida produce algún efecto físico, que genera un efecto similar pero opuesto en alguna parte del instrumento relacionado con alguna variable útil. Ver figura 2
D. TIPOS DE SENSORES Figura 2
Inductivos
Sensores con Reluctancia Variable
La inductancia de un circuito proporciona la magnitud del flujo magnético que se concatena debido a la corriente eléctrica. Cuando se habla de una corriente circulando en el mismo circuito, se llama autoinductancia (L). En caso de circular de un circuito a otro se habla de inductancia mutua.
SENSORES POR COMPARACIÓN
En estos sensores se busca mantener nula la defección mediante la aplicación de un efecto conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio para restablecerlo, las medidas por comparación suelen ser más exactas, porque el efecto conocido opuesto se suele calibrar con un patrón o magnitud de referencia de calidad.
,
L N
d di
N
= Numero de Vueltas de las Espiras
Φ
= Flujo Magnético
i
= Corriente que Circula en el Circuito
Sensores basados en corrientes de Foucalt Según el tipo de relación entrada-salida, los sensores pueden ser de orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior. El orden está relacionado con el número de elementos almacenadores de energía independientes que incluye el sensor y se refleja en su exactitud y la velocidad de respuesta. En la siguiente tabla se ilustran las clasificaciones de los sensores Tabla 1.
CRITERIO
CLASE
EJEMPLOS
Moduladores
Termistor
Generadores
Termopar
Analógicos
Potenciómetro
Digitales
Codificador de Posición
De defección
Acelerómetro defección
De comparación
Servoacelerometro
( f )
1 2
En una bobina por la cual circula una corriente, la impedancia se ve modificada al introducir una superficie conductora dentro de su campo magnético, esto se debe a la corriente de Foucault y mientras más cercano este el material de la bobina, mayor será el cambio de impedancia.
Transformadores diferenciales
Aporte de Energía Señal de salida
Modo de operación
de
En el área de la ingeniería electrónica la clasificación de los sensores se realiza según el parámetro de la variable resistencia, capacidad e inductancia.
Un transformador diferencial de variación lineal, se designa por las siglas LVDT (Linear Variable Diferenctial Transformer) y se basa en el cambio de inductancia mutua entre el primario y los secundarios al desplazarse en su interior un elemento de material ferromagnético que conforma el núcleo del transformador. El voltaje de alimentación del primario, debe ser de corriente alterna. Los dos devanados del secundario se colocan en serie y en contraposición.
Con esta configuración el dispositivo tiene resolución infinita y es capaz de medir el desplazamiento en dos sentidos.
Especificaciones de los potenciómetros para medidas de los desplazamientos lineales y angulares. Parámetros
Margen Linealidad Resolución Potencia Frecuencia máxima
El modelo matemático del circuito LVDT se deduce de la figura. y asumiendo una resistencia total del secundario igual a R2=Rb2+R/b2+Rc .
E 0
( M 1 M 2 ) RC
R2 L1 2 L2 R1
Lineales
Angulares
2mm a 8m 10º a 60 vueltas 0.002% a 0.1% fondo escala 50um 2º a 0,2ª 0,1W a 50W 3Hz
Galgas extensiométricas
E 1
Resistivos
Sensor de desplazamiento resistivo Una galga extensiométricas es un sensor basado en el efecto piezoresistivo, un esfuerzo que deforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica.
Los sensores de desplazamiento resistivos son comúnmente llamados potenciómetros. Un potenciómetro es un elemento electromecánico que posee un conductor eléctrico en contacto con una resistencia sobre la cual se desliza, estableciendo una resistencia de acuerdo a la posición o ángulo.
El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza se representa por la ley de Hooke .
( ) ( ) Los potenciómetros, están dividas eléctricamente en dos puntos, establecidos por las escobillas y poseen una salida de resistencia que varia linealmente con el desplazamiento de la escobilla sobre la resistencia.
Los materiales utilizados son aleaciones metálicas como constantan, nicrom o elementos semiconductores como el silicio y el germanio, esto permite clasificar las galgas en dos tipos: metálicas y semiconductoras.
Detectores resistivos de temperatura (RTD)
Limitaciones de la galga: 1. 2. 3.
No puede superar el límite elástico Adhesivos especiales Errores de temperatura y autocalentamiento
En la tabla se describen las características más resaltantes para los dos tipos de galgas extensiométricas Características/Galgas Factor de galga Linealidad Ruptura Resistencia nominal
Normal conductora K=2 0.1% hasta 1000µε Entre 20000 µε y 25000 µε 120 Ω, 350 Ω, 600 Ω, 1000 Ω ((±1%)
Semiconductora K= 50 hasta 200 1% hasta 1000µε 5000 µε
Su principio de funcionamiento se basa en el flujo de electrones a través de la resistencia. Al variar la temperatura en el material resistivo, el flujo de electrones varía. Es decir la resistencia presenta una variación con la temperatura. Matemáticamente la expresión que describe una RTD es:
R R0 1 1T 2T 2 ... nT
n
120 Ω
El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico de deformaciones y este el 4% de la longitud de la galga y va desde unas 3000 para las semiconductoras hasta 40000 para las metálicas.
Montaje de galgas extensiométricas.
Usualmente para los cálculos matemáticos y para trabajar en una región lineal, se utiliza la siguiente ecuación: R=Ro (1+αT) En la siguiente tabla se muestran características resaltantes de los RTD más comerciales. α ,Ω/Ω/K
R0,Ω a 0ºC
Rango ºC
Platino
Resistividad a 20ºC, μΩcm 10.6
0.00385
Cobre
1.673
0.0043
25,50, 100, 200, 500… 10 (20ºC)
Níquel
6.844
0.00681
50,100,120
Molibdeno
5.7
0.003786
100, 200, 1000, 2000
-200 260 -200 260 -80 320 -200 200
500,
a a a a
Los RTD más usado a nivel mundial son el Pt100 y Pt1000
Una galga en barra alineada en dirección de la fuerza aplicada Cuando la galga que inicialmente esta en equilibrio con r=R, cambia su valor a r = R+ dR, se tiene: V 2
V
2
V 1 V
R dR , sustituyendo dR/R=K :
V 0
V K 2 2 k
Es un sensor de temperatura, que consiste en un alambre de platino que a 0º tiene una resistencia de 100Ω, el incremento de la resistencia no es lineal pero si creciente y característico del platino.
Termocupla o Termopar
2 R dR
dR R V 0 V 2 V 1 dR 2 2 R V
Pt100
Las termocuplas son el sensor de temperatura más utilizado industrialmente. Se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente), al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivoltios mV el cual aumenta con la temperatura.
Termistores
Este elemento sensor se basa en el principio de capacitancia, el cual consiste en dos conductores (idealmente paralelos) que se encuentran separados una distancia por medio de un material dieléctrico, que puede ser sólido, liquido, gaseoso o vacío.
Son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en conductores como las RTD si no en semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es negativo se denomina NTC (Negative Temperature Coefficient) mientras si es positivo se denomina PTC (Positive Temperature Coefficient)
Condensador Variable
La relación entre la temperatura y la resistencia en el termistor se expresa en la siguiente ecuación:
Rt R0e
(
1
1
T t T 0
)
Rt
= Resistencia en ohm a la temperatura absoluta de Tt
R0
= Resistencia en ohm a la temperatura absoluta de referencia T0
β
= Constante dentro de un intervalo moderado de temperatura
Las aplicaciones de los termistores se pueden dividir entre las que están basadas en un calentamiento externo del termistor que son todas relativas a la medida, control y compensación de temperatura y las que se basan en calentarlo mediante el propio circuito de medida. Están entre estas últimas las medidas de caudal, nivel y vacio (método Pirani) y el análisis de la composición de gases, todos ellos son casos en la que varía la conductividad térmica alrededor del termistor.
Fotoresistencia
La linealidad del sensor capacitivo depende de la variable en cuestión y si se mide la impedancia o la admitancia del condensador. La relación entre la carga Q, y la diferencia de potencial V entre ellos viene descrita por su capacidad C la
Los sensores capacitivos no son lineales o no lineales en sí mismo. Su linealidad depende del parámetro que varía y de si se mide la impedancia o la admitancia del condensador, la capacitancia obtenida viene dada por:
C
A d (1 )
Si varía A o ε, la salida será lineal, mientras que si varía d , el resultado será no lineal. Una alternativa para tener una salida lineal en un sensor capacitivo plano basado en una variación de la distancia entre placas, es medir, en vez de la admitancia, su impedancia
La sensibilidad en función del desplazamiento es obtenida por la siguiente ecuación.
dC dx
Basadas en la variación de la resistencia de un semiconductor al incidir en él radiación electromagnética.
Capacitivos
* A 2 2 d 2 * d * x x
Este tipo de sensores permite detectar materiales metálicos o no, pero su sensibilidad se ve muy afectada por el tipo de material y grado de humedad ambiental del cuerpo a detectar. Las aplicaciones típicas son en la detección de materiales no metálicos como vidrio, cerámica, plástico, madera, agua, aceite, cartón, papel, etc.
Condensador diferencial
Sensor magnetoresistivo
C 1
C 2
* A d x
* A d x
Consiste en la unión de dos condensadores, de tal forma que experimenten el mismo desplazamiento entre sus placas pero en sentido opuestos. Representado en la siguiente ecuación.
x d x d x V d 2d 2d
V 1 V 2 V
Algunas formas de obtener capacitores diferenciales se muestran a continuación, donde existen placas fijas y placas que se desplazan para dar la variación de carga en el capacitor
En la mayoría de los materiales magnéticos, la resistencia decrece con la aplicación de un campo magnético creciente y la magnetización es perpendicular al flujo de corriente. La resistencia decrece hasta que el material alcanza su saturación magnética
Re sistividad
Voltaje ( Densidad B *Velocidad B )
El cambio de resistencia es máximo cuando el pasa por las proximidad del centro del sensor.
magneto
Ópticos
Sensor óptico
Los sensores capacitivos diferenciales se emplean entre , con valores de capacidad entre
La medición de intensidad del reflejo de un haz de luz sobre una superficie, determina algunas propiedades del material. Recientemente se ha descubierto que la medición de la posición de un haz de luz, es un importante método para determinar la distancia a un objeto y/o su velocidad.
Magnéticos
Sensor de efecto Hall
El efecto Hall, es una propiedad que experimenta un conductor al ser afectado por un campo magnético. Un potencial de voltaje VH, llamado voltaje Hall, aparece a través del conductor cuando un campo magnético es aplicado en el mismo ángulo del flujo de corriente. El gran número de portadores en un lado del conductor, con respecto al otro lado, causa la diferencia de potencia VH, que es descrito en la siguiente ecuación.
V H
K H * * I Z
En la figura se muestra el principio de medida de la proximidad de un objeto en función al punto de incidencia del haz reflejado por el objeto sobre una superficie de referencia.
I (r )
aP
e ar '
2
En la figura se muestra la incidencia del haz de luz sobre la superficie sensora (fotodetector), la máxima sensibilidad se obtiene cuando el haz se encuentra centrado en la posición central (0), y el desplazamiento solo se produce en la dirección indicada (0’) a
2 r '
2
y la fotocélula de detección del haz reflejado sobre el objeto. Otros trabajan en modo barrera (figura) y se utilizan en detectores de proximidad ópticos. Las ventajas de este tipo de detectores son la inmunidad a perturbaciones electromagnéticas, las distancias de detección grandes, alta velocidad de respuesta, identificación de colores y detección de pequeños objetos. Una variante importante son los construidos de fibra óptica que permite separar el punto emisor y el detector de la unidad principal del sensor con las ventajas de accesibilidad que ello proporciona.
Sensores electroquímicos r ' x'2 y'2 Codificadores ópticos
Un codificador de posición, es un dispositivo discreto, que genera una salida en función de un desplazamiento lineal o angular. Los codificadores de posición se clasifican en absolutos e incremental.
Los sensores electroquímicos potenciométricos, generan una señal eléctrica (una diferencia de potencial) en respuesta al cambio de concentración de una determinada especie química en una muestra Los sensores potenciométricos selectivos de ion (ISE, ion selective electrode) se basan en la aparición de una diferencia de potencial en la interface entre dos fases con concentraciones distintas, que es el fundamento de las pilas voltaicas
Motor Eléctrico
Codificador óptico angular incremental
Los motores eléctricos son máquinas eléctricas que transforman en energía mecánica la energía eléctrica que absorben sus bornes. Codificador óptico angular absoluto
Partes que componen el motor eléctrico
Se emplean fotocélulas como elementos de detección. A veces disponen de un cabezal que contiene un emisor de luz
Los motores eléctricos están conformados por dos partes principales: un estator y un rotor móvil.
Estator.
Por el tipo de corriente
De corriente directa o continua
En este se encuentran los elementos magnéticos del motor, esto es, polos magnéticos (imanes) y un embobinado de alambres de cobre.
Rotor móvil.
De excitación independiente De excitación serie De excitación (shunt ) o derivación De excitación compuesta (Compund)
De corriente alterna Motores Asíncronos Motores Síncronos Motores de jaula de ardilla
Motores asíncronos. Este es un elemento que gira a gran velocidad y se apoya en cojinetes de rodamiento. Su velocidad de rotación en revoluciones por minuto es inversamente proporcional al número de polos magnéticos del estator. Dependiendo del diseño del rotor, puede estar formado por barras conductivas o devanados de cobre.
Carcasa
Un motor se considera asíncrono cuando la velocidad del campo magnético generado por el estator supera a la velocidad de giro del rotor. Los motores asíncronos basan su funcionamiento en la creación de un campo magnético giratorio en el entrehierro, que es el espacio comprendido entre el rotor y el estator, debido a la circulación de corriente alterna por los devanados trifásicos y la influencia de los polos magnéticos del estator La velocidad de giro de un motor eléctrico es determinada por el número de polos magnéticos, cuantos más polos, el motor revolucionará más lentamente
Motores síncronos Es la parte externa del motor y puede tener formas diferentes según la aplicación mecánica que éste vaya a tener. En su exterior se encuentran las aletas de enfriamiento del motor.
Entrehierro Es el espacio uniforme comprendido entre el rotor y estator.
Clasificación de los motores
Por su función.
Asíncronos Síncronos
Por el número de fases
Un motor se considera síncrono cuando la velocidad del campo magnético del estator es igual a la velocidad de giro del rotor. Los motores síncronos están constituidos por un inducido que suele ser fijo, formando por lo tanto el estator sobre el que se aplica una corriente alterna y por un inductor o rotor formado por un imán o electroimán que contiene un cierto número de pares de polos magnéticos. El campo variable del estator hace girar al rotor a una velocidad fija y constante de sincronismo que depende de la frecuencia alterna aplicada. De ello deriva su denominación de síncronos Esto significa que el campo que rota electromagnéticamente en el estator y el campo que rota mecánicamente en el rotor se deben alinear todo el tiempo y la única condición para que esto ocurra consiste en que ambos campos roten a la velocidad sincrónica.
Monofásicos De bobinado auxiliar De espira en cortocircuito
Bifásicos Trifásicos o polifásicos
Motores trifásicos o motor de inducción trifásico Son motores en los que el bobinado inductor colocado en el estator, está formado por tres bobinados independientes desplazados 120º entre si y alimentados por un sistema trifásico de corriente alterna. La razón para utilizar motores de menor velocidad es incrementar el torque.
La Tabla indica la velocidad de giro del campo magnético en función del número de polos para una frecuencia de alimentación de 60 Hertz. No de polos Velocidad rpm
2
4
6
3.600
1.800
1.200
8
10
900
2
4
6
30 00
1500
1000
,
Deslizamiento
12
720
600
La siguiente tabla indica la velocidad de giro del campo magnético en función del número de polos para una frecuencia de alimentación de 50 Hertz. No de polos No de polos
√
8
10
12
16
750
600
500
375
La diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocidad n de funcionamiento de régimen se denomina deslizamiento y suele expresarse en porcentaje. Dependiendo del tamaño de la máquina, durante funcionamiento de régimen esta diferencia aproximadamente del 10-3%. El deslizamiento es una las características más importantes de una máquina inducción.
()
Tensión e intensidades en el rotor de los motores trifásicos
el es de de
En la conexión estrella, la intensidad que recorre cada fase coincide con la intensidad de línea, mientras que la tensión que se aplica a cada es √ menor que la intensidad de línea.
Frecuencia eléctrica en el rotor. El motor de inducción trabaja induciendo voltajes y corrientes en el rotor de la maquina y por esa razón transformador giratorio. A la manera de un y transformador el primario (estator) induce un voltaje en el secundario (rotor) a través del flujo magnético, pero a diferencia del transformador, la frecuencia primaria no es necesariamente la misma frecuencia primaria
Las ecuaciones de tensión e intensidad son:
√
Si el rotor del motor es bloqueado, de tal forma que no se pueda mover, entonces el rotor y el estator de la maquina estarán a la misma frecuencia. Por el contrario si el rotor gira a la velocidad sincrónica la frecuencia del rotor será cero. En consecuencia para cualquier velocidad la frecuencia del rotor será función directa del deslizamiento, y de la frecuencia eléctrica del estator.
En la conexión triángulo la intensidad que recorre cada fase es √ menor que la intensidad de línea, mientras que la tensión a la que queda sometida cada fase coincide con la tensión de línea
() () (%)
Curva característica del momento motor Pérdidas
Si el motor está alimentado a partir de una tensión fija a una frecuencia constante, el momento desarrollado por el motor es una función del deslizamiento. En consecuencia la relación momento velocidad pueden determinarse a partir de la ecuación.
() Existen tres regiones de operación Funcionamiento como motor (0< S <1) El motor gira en la misma dirección que el campo. Una vez que el momento alcanza su nivel máximo, este se reduce con el aumento del deslizamiento debido a una relación del flujo en el entrehierro
Generación (S < 0) La velocidad del rotor es mayor que la velocidad sincrónica en igual dirección y con un deslizamiento negativo. Por lo que la potencia es devuelta al circuito del estator y el circuito opera como generador.
Operación en sentido contrario, freno (s > 1)
En el caso de los motores eléctricos, la energía entrante se convierte en energía mecánica saliente mediante el giro del rotor y las pérdidas eléctricas, magnéticas y de fricción. Estas pérdidas en conjunto se expresan en forma de calor.
Factor de carga Potencia del motor HP 1 2 3 5 10 15 20 25
Factor de carga 25%
50%
75%
100%
39 41 48 51 55 56 63 68
59 61 64 67 69 70 77 85
69 73 75 78 79 81 85 89
72 74 77 78 79 80 83 87
Se llama factor de carga al índice que indica el porcentaje de la capacidad del motor que está siendo utilizado. Los fabricantes de motores eléctricos reportan en sus manuales técnicos la eficiencia del motor en porcentajes del 100%, 75%, 50% y 25% de factor de carga.
La velocidad del motor tiene sentido contrario a la dirección del campo y el deslizamiento es mayor que la unidad Ejemplo práctico:
Eficiencia La eficiencia de un motor eléctrico es la relación entre la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada. Este es el concepto más importante desde el punto de vista del consumo de energía y del costo de operación del motor
También como:
Se debe instalar una bomba de agua con una potencia requerida de 2,3 HP, ¿cuál es la potencia del motor que debería acoplarse a este equipo?
()
() ()
Este motor opera dentro de los valores más altos de su eficiencia y, en caso necesario, tendrá 0,7 caballos de potencia reservada para circunstancias de mayor trabajo.
Actuadores
Dispositivos neumáticos que emplean aire comprimido como fuente de potencia.
El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo (éstos también proporcionan movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de actuadores del tipo piñón-cremallera). También encontramos actuadores neumáticos de rotación continua (motores neumáticos), movimientos combinados e incluso alguna transformación mecánica de movimiento que lo hace parecer de un tipo especial. Actuadores Neumáticos
Actuadores Lineales
Actuadores de Giro
Actuadores Especiales
Ac, “Simple Efecto” Ac, “Doble Efecto”
Ac, “Giro Limitado” Ac, “Giro Ilimitado o motores”
Ac, “Especiales” Ac, “Combinados”
A continuación, se detallan algunos de los actuadores más característicos.
Actuadores Lineales Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales. Cilindros de simple efecto, con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido. Cilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. Más adelante se describen una gama variada de cilindros con sus correspondientes símbolos.
Cilindro de simple efecto. Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”.