ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL El control automatizado en bucle cerrado se lleva a cabo en la actualidad mediante sistemas muy sofisticados, cuyos elementos fundamentales son regulador, transductor, captador, comparador y accionador. En este tema vamos a analizar las características fundamentales de estos elementos, haciendo hincapié en los transductores o captadores.

1. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE CONTROL Recordemos un sistema de regulación en bucle cerrado:

Los elementos de un sistema de control son: • • • •

Regulador: es el elemento más importante Transductor o captador: dispositivo que adapta un tipo de magnitud a otro Comparador o Detector de error: proporciona la diferencia entre la señal de salida deseada y la obtenida realmente. Accionador o actuador: es el elemento final que actúa sobre el proceso según la señal de mando que reciba del regulador. 2. EL REGULADOR Antiguamente, el control de los procesos industriales se llevaba a cabo de forma manual: el propio operario, basándose en su experiencia, realizaba los cambios que consideraba adecuados sobre el proceso, para obtener de esta manera el producto final. Hoy en día, en muchas aplicaciones, con el fin de mejorar la calidad del sistema, se utiliza el computador como elemento de control. El regulador constituye el elemento fundamental en un sistema de control, pues determina el comportamiento del bucle, ya que condiciona la acción del elemento actuador en función del error obtenido. La forma en que el regulador genera la señal de control se denomina Acción de control. Algunas se conocen con el nombre de Acciones Básicas de control y son las siguientes: - Acción proporcional (P) - Acción integral (I) - Acción Diferencial (D)

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

1

En la práctica las acciones de control se pueden presentar combinadas de la siguiente manera: - Acción proporcional y diferencial: controlador PD - Acción proporcional e integral: controlador PI - Acción proporcional integral y diferencial: controlador PID

2.1. Acción proporcional Consiste en una amplificación de la señal de error. En este tipo de control el elemento final se modifica de manera proporcional al error; si el error es pequeño, el controlador dará origen a un pequeño cambio en la salida; si es grande, el cambio en la salida también será elevado. El controlador que realiza este tipo de acción se le conoce como Regulador P, por ejemplo: Sea el caso de un depósito de agua, en el que se desea que el caudal de entrada sea igual que el de salida, lo que se puede conseguir manteniendo constante el nivel del agua en el interior del depósito por medio de la válvula de control V, cuyo punto de ajuste se fija con el tornillo A. Sí por cualquier circunstancia el nivel varía, el flotador actuará, a través de un brazo, sobre la válvula, en el sentido de igualar el caudal entrante con el saliente. Eso sí, cuando se vuelva a alcanzar el equilibrio de caudales, el nivel del depósito habrá variado, produciéndose un error permanente. Por lo tanto el inconveniente principal de este tipo de control es el error permanente con el que se va a trabajar.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

2

2.2. Acción Integral El regulador suministra una acción de control cuyo valor es proporcional a la integral de la señal de error. Mientras que en el control proporcional no influye el tiempo, sino que la salida solo varía en función de las modificaciones de la señal de error, en este tipo de control la acción varía según la desviación de la señal de salida y el tiempo durante el que esta desviación se mantiene. En la práctica el controlador integral posee también una acción proporcional, y ambas se complementan, de manera que la acción proporcional actúa instantáneamente, mientras que la integral sólo lo hace durante un cierto intervalo de tiempo. Por ejemplo: consideremos que la válvula del depósito anterior, en vez de ser accionada directamente por el brazo del flotador, lo es por un motor de corriente continua que gira con una velocidad proporcional a la tensión aplicada, de manera que es suficiente colocar un potenciómetro comandado por el flotador para que este potenciómetro sea el que regule la tensión de entrada al motor. Además esta acción elimina los errores de permanente que se observaban en el control proporcional. Así si el nivel del agua en el depósito desciende, el contacto se desliza a lo largo del reóstato, originando una tensión positiva que al actuar sobre el motor provoca la apertura de la válvula, que continuará abierta hasta que el nivel alcanza el valor prefijado, que corresponde a una tensión nula.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

3

2.3. Acción diferencial Esta acción, al igual que la integral, no se emplea sola, sino que va unida a la acción proporcional (regulador PD), o ambas (regulador PID). La eficacia de los reguladores de tipo proporcional puede aumentarse haciendo que la señal de mando varíe, no sólo proporcionalmente a la señal de error, sino también a su derivada. La acción diferencial es de tipo anticipativo: al actuar según el valor de la derivada, detecta anticipadamente si va a existir una sobreoscilación excesiva, proporcionando así la acción de control adecuada para evitarla antes de que tenga lugar.

3. TRANSDUCTORES Y CAPTADORES El transductor tiene la misión de traducir o adaptar un tipo de energía a otro más adecuado para el controlador. El captador tiene la misión de captar una determinada información en el sistema, para realimentarla. A pesar de su diferente utilidad, la naturaleza de ambos es la misma; de hecho, su única diferencia estriba en el lugar en que se colocan en el sistema. Trataremos los transductores más usuales, sabiendo que se pueden emplear como captadores. 3.1. Transductores de Posición, Proximidad y Desplazamiento Existen de diferentes tipos.

3.1.1. Transductores resistivos Están basados en la variación de la resistencia eléctrica de un determinado dispositivo Son los más utilizados y existen en una amplia variedad de tipos. Estos transductores son una solución válida en muchos casos de medida. En el caso de medidas de posición y de desplazamiento, resulta de gran importancia la utilización del potenciómetro. Un potenciómetro se compone de una resistencia fija R, sobre la que se desplaza un cursor. El potenciómetro se puede considerar como una resistencia variable. Dependiendo la tensión a su salida de la posición del cursor. De este modo resulta posible conocer el valor de un desplazamiento de un dispositivo midiendo la tensión de salida del potenciómetro.

Potenciómetro

Con los potenciómetros se pueden realizar medidas de otras muchas físicas (fuerza, aceleración, presión, velocidad angular...) DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

magnitudes

4

3.1.2. Transductores Inductivos Si disponemos de dos trozos de material magnético separados por una pequeña distancia denominada entrehierro, y en uno de ellos efectuamos un arrollamiento de hilo conductor, la autoinducción de éste depende del valor del entrehierro. Por consiguiente, una medida de la autoinducción permitirá conocer tanto la distancia que separa dos trozos del material magnético como una posible variación que esta distancia experimente. Sensor inductivo de proximidad

3.1.3. Transductores Capacitivos Su fundamento reside en que muchas de las magnitudes físicas, de forma directa o indirecta, pueden modificar los parámetros geométricos del condensador, o bien actuar sobre el dieléctrico interpuesto entre las armaduras. Los condensadores presentan, como elementos de medida, una serie de aplicaciones muy importantes: - Medidas de la proximidad a una superficie conductora: la capacidad de un condensador depende de la distancia entre sus armaduras. Si una de ellas es la superficie conductora, se puede determinar su proximidad a la otra placa del condensador midiendo la capacidad de este. - Medida de desplazamientos: con un esquema muy similar al anterior, se pueden determinar desplazamientos midiendo la variación de capacidad que experimenta un condensador cuando se modifica la distancia entre ambas placas. - Otras medidas: rugosidad en superficies conductoras, de presión... 3.1.4. Interruptores Final de carrera

Sirven para determinar la posición de un objeto o de una pieza móvil. Cuando ésta alcanza uno de los extremos de su movimiento (fin de carrera), cambian los contactos del interruptor.

Final de carrera de omrom

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

5

La mejor manera de comprender el funcionamiento de estos interruptores es considerando algunos casos sencillos:

-

Imaginemos una puerta que se deba cerrar por la acción de un motor. Debe haber un interruptor final de carrera, para indicar el momento en que la puerta se encuentra ya cerrada, y evitar que el motor siga funcionando.

-

Como detector de nivel. Cuando sube el nivel de líquido en un depósito, la boya llega a alcanzar el interruptor final de carrera y hará que cambien de estado sus contactos. Esto puede originar que se active una luz o una alarma sonora, que indique que el nivel ha subido hasta el límite previsto.

-

En un mecanismo de montacargas son necesarios interruptores de este tipo para indicar al motor la necesidad de invertir su sentido de giro para hacer que la carga baje o suba.

3.1.5. Los Ultrasonidos Los ultrasonidos son vibraciones en un medio material, cuya frecuencia es superior a la perceptible por el oído humano (f> 20kHz). Las aplicaciones son muy variadas: - Control de nivel en tolvas (depósitos de materiales que van a ser posteriormente triturados). - Indicación de la altura de una carga al ser transportada en un vehículo dentro de una factoría, para saber si sobrepasa la altura reglamentada. Un sistema usado en Exploración Náutica y basado en ultrasonidos es el sonar, que sirve para detectar la presencia y situación de submarinos, minas y otros objetos sumergidos. Un emisor genera una señal ultrasónica y ésta, una vez que se refleja en un obstáculo, es recogida por un receptor (que, a veces, es el mismo sistema). Para conocer la distancia a la que se encuentra el obstáculo, se mide el tiempo transcurrido desde que se envía la señal hasta llega al receptor.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

6

Este tiempo es proporcional a la distancia d: d= c. t/2 donde c es la velocidad de la propagación del sonido en el medio material en el que se realiza la medida. El sonar encuentra aplicación en la medida de niveles de líquidos en el interior de recipientes inaccesibles. El único problema es la rapidez, puesto que la velocidad de propagación de los ultrasonidos en el aire es de 340 m/s. Por este motivo se suele diseñar el dispositivo de medida de modo que la señal se transmita a través del líquido, pues los sonidos se propagan a mayor velocidad en los líquidos que en los gases.

Los ultrasonidos se utilizan para medida de distancias relativamente pequeñas. Si se trata de distancias elevadas, se emplea el radar. 3.1.6. El radar El radar es un sistema para detectar, mediante el empleo de ondas electromagnéticas, la presencia y la distancia a la que se encuentran objetos que interceptan su propagación. El radar fue desarrollado en 1934 por un equipo de técnicos británicos bajo la dirección de Watson Watt, y demostró su eficacia en la defensa de Gran Bretaña durante la II Guerra Mundial.

Por medio de una antena se emiten radiaciones electromagnéticas en una dirección determinada. 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 este tiempo t, se calcula la distancia al objeto a medir del modo: d = c . t/2 Donde c es la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas a través del medio correspondiente. Es un planteamiento muy similar al del sonar, pero el radar alcanza grandes distancias.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

7

3.2. Transductores de Velocidad Una de las medidas más importantes en las aplicaciones industriales es la de la velocidad angular. La medición de la velocidad angular (por ejemplo la de un eje de rotación) se lleva a cabo en la industria por medio de tacómetros, que pueden ser mecánicos o eléctricos. El resultado de la medida expresa el número de revoluciones efectuadas por la pieza móvil durante un cierto periodo de tiempo, o bien indica de forma directa la velocidad angular en revoluciones por minuto. Los tacómetros también pueden medir la velocidad media en un intervalo de tiempo o la velocidad instantánea. 3.2.1. Tacómetros Mecánicos Son los más sencillos se llaman Contador de revoluciones. Consiste en un tornillo sinfín que se acopla al eje cuya velocidad se quiere medir. Resulta sencillo determinar el número de revoluciones efectuadas por el eje. En combinación con un medidor de tiempo exterior permite obtener la velocidad angular media en un periodo de tiempo transcurrido. Su exactitud es tanto mayor cuanto más uniforme sea la velocidad y más largo sea el periodo de tiempo medido. Uno de estos tacómetros se conoce como tacómetro centrífugo, el cual va provisto de dos bolas que por efecto de la fuerza centrífuga, se alejan tanto más del eje cuanto mayor sea su velocidad angular. Produciéndose la compresión de un resorte que va unido a un dispositivo provisto de una aguja indicadora que señala sobre una escala la velocidad angular instantánea. Pudiendo llegar a medir velocidades de 40.000 r.p.m con una precisión del 1% del valor de toda la escala. 3.2.2. Tacómetros Eléctricos Estos dispositivos utilizan transductores que convierten la velocidad de giro del eje en una señal eléctrica. Existen varios tipos según el transductor: •

Tacómetro de corrientes parásitas o tacómetro de arrastre: se usa en automóviles y aviones. Consta de un imán permanente que gira en el interior de una copa de aluminio, impulsado por el eje cuya velocidad se quiere medir. La copa de aluminio va montada sobre un eje, con una aguja que se desplaza sobre una escala graduada en r.p.m y un resorte helicoidal que se tensa cuando el eje gira en el mismo sentido que el imán. Se obtiene una precisión de 10 r.p.m para una escala total de 3000 r.p.m.

•

Tacómetro de inducción

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

8

•

Tacómetro de corriente alterna: consta de un rotor provisto de un imán permanente, que al girar en el interior de un estator bobinado multipolar, induce en él una corriente alterna. Un voltímetro sirve para medir la tensión de esta corriente y, por lo tanto, la velocidad de giro, en r.p.m, del eje al cual va unido el rotor.

•

Tacómetro de corriente continua o dínamo tacométrica: consta de un estator de imán permanente y de un rotor con un entrehierro uniforme, que gira acoplado al eje cuya velocidad de rotación se quiere determinar. La tensión continua que aparece en las escobillas del rotor, y que puede determinarse con un voltímetro o bien alimentar un instrumento potenciométrico a través de una resistencia divisora de tensión, es proporcional a la velocidad del eje, en r.p.m. Miden velocidades de hasta 20.000 r.p.m, siendo su sensibilidad de 10v/1000 r.p.m. Son muy robustos y de muy sencillo manejo.

•

Tacómetro de frecuencia o frecuencímetro: mide la frecuencia de una señal de corriente alterna. Puede ser de tipo electromagnético u óptico.

3.3. Transductores de Temperatura Una de las mediciones más importantes y que se realizan con mayor frecuencia en los procesos industriales es la de la temperatura. 3.3.1.

Termorresistencias

Se conocen como RTD (Resistance Thermal Detector) . Consisten en un hilo metálico cuya resistencia varía con la temperatura de acuerdo con la expresión: RT = Ro . (1 + α . (T-To)) T : temperatura en ºC Ro : resistencia en ohmios a la temperatura To RT : resistencia en ohmios a T ºC α : coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura. Su unidad en el S.I. es el ºC-1. Para la mayor parte de los materiales utilizados este coeficiente es positivo , de manera que una elevación de temperatura da lugar a un aumento de la resistencia eléctrica del material. Los transductores RTD están constituidos por un hilo muy fino del conductor metálico, bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

9

Los materiales que se emplean habitualmente son el platino, el níquel y el cobre; en especial el platino, que suele utilizarse en la industria con una resistencia de 100 ohmios a 0ºC; esta sonda es conocida como Pt 100. El circuito de medida que se utiliza, por lo general, es el puente de Wheatstone, que es un montaje que consta de cuatro resistencias (dos de ellas, R1 y R2 , de valor fijo; otra , Rx, un potenciómetro, y la cuarta , Rpt, es la RTD cuyo valor varía con la temperatura), dispuestas formando un cuadro. Dos vértices no consecutivos (A y D ) se conectan a los bornes de un generador y los otros dos (B y C) se unen entre sí, intercalando en la conexión un galvanómetro, G , muy sensible. Modificando el valor de la resistencia Rx del potenciómetro, se logrará que por el galvanómetro no pase corriente (puente de Wheatstone equilibrado). Una vez conseguido esto se cumplirá lo siguiente: La intensidad de corriente que pasa por R1 y R2 es la misma y de igual modo la que pasa por Rx y Rpt. El potencial del punto B es igual al del C, puesto que si no pasa corriente por BC sus extremos están al mismo potencial.

Por tanto Va -Vb = Va -Vc Vb -Vd = Vc -Vd Aplicando la ley de Ohm tendremos: I1 . R1 = I2 . Rx I1. R2 = I2 . Rpt Y dividiendo miembro a miembro : R1/R2 =Rx/Rpt ; R1 .Rpt = R2 .Rx En un puente de Wheatstone equilibrado el producto de dos resistencias opuestas es igual al producto de las otras dos. Por tanto, el valor de la RTD a la temperatura de la experiencia es: Rpt = (R2/R1 ). Rx Lo que permite determinar el valor de la temperatura, conociendo la resistencia a 0ºC.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

10

3.3.2. Termistores Son resistores variables con la temperatura, constituidos por semiconductores. Los termistores pueden ser: -NTC (negative temperature coefficient) -PTC (positive temperature coefficient) Las NTC poseen un coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura negativa y de valor elevado; por ello su resistencia experimenta una variación rápida y muy considerable, si se encuentra sometida a cambios de temperatura relativamente pequeños. El circuito de medida que se utiliza por lo general es en divisor de tensión; manteniendo fija la tensión V , la tensión que se obtiene a la salida permite conocer la temperatura. También se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencias. Las PTC poseen la propiedad de que su estructura cristalina se modifica a determinada temperatura, lo que provoca la consiguiente variación en el valor de la resistencia eléctrica. El valor de la temperatura de cambio se halla comprendido entre 50 y 140ºC. Este cambio es muy rápido y, por ello, las PTC no se utilizan para medidas continuas, sino para medidas puntuales que sirvan para activar una alarma, por ejemplo. Las PTC se pueden montar, al igual que las NTC, en divisor de tensión. 3.3.3. Termopares Se basan en el llamado efecto Seebeck, consistente en que cuando se cierra un circuito con dos conductores metálicos diferentes, manteniendo una soldadura caliente y la otra fría, se establece en él una corriente eléctrica debida a la fuerza electromotriz producida por la diferencia de temperatura. Si se interrumpe el circuito por uno de los conductores y se intercala un milivoltímetro, éste nos señala una diferencia de potencial (tensión Seebeck), que será dependiente de la diferencia de temperatura entre la soldadura caliente y la fría. Los termopares son muy empleados industrialmente. Las aleaciones que se utilizan en la construcción de termopares son: - Cromel : contienen un 90% de níquel y un 10% de cromo. - Alumel: formada por un 95% de aluminio y un 5% de níquel - Constatán: aleación de cobre 55% y níquel (45%)

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

11

Los termopares más utilizados en la práctica son los siguientes: y -

Cobre/constatán (o termopar tipo T): se emplea para medir temperaturas entre -200ºC 260ºC Hierro/constatán (o termopar tipo J) : para temperaturas desde -40ºC hasta 750ºC Cromel/Constatán (o termopar tipo E) : se usa para temperaturas comprendidas entre -200ºC y 900ºC - Cromel/Alumel (o termopar tipo K) : se recomienda para temperaturas de trabajo entre 500ºC y 1250ºC. Los valores de la tensión que aparece en los extremos del termopar se encuentran recogidos en tablas de conversión considerando la unión de referencia a 0ºC 3.3.4. Pirómetros de radiación Se basa en la ley de Stefan-Boltzmann, que se puede enunciar en los términos siguientes: La intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo es directamente proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.

Los pirómetros de radiación miden a distancia la temperatura de un cuerpo en función de la radiación que emiten. Pueden ser:

- De radiación total: constan de una lente convergente que recoge y concentra las radiaciones procedentes del cuerpo emisor sobre un elemento sensible (termopila, célula fotoeléctrica, bolómetro…) transmitiendo los datos a una escala graduada en unidades de temperatura. Resultan muy adecuados para mediciones de temperatura del orden de los 1000ºC. - Ópticos: utilizan la radiación visible correspondiente a una banda muy estrecha de frecuencia y determinan la temperatura comparando la intensidad de esta radiación con la de otra conocida procedente de una fuente auxiliar (por ejemplo, un filamento de wolframio). Se utilizan para medir temperaturas en el rango de 1500 a 3000ºC.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

12

3.4. Transductores de Presión Se pueden clasificar en varios grupos: 3.4.1. Transductores Mecánicos Miden la presión: • De forma directa, comparándola con la que ejerce un líquido de densidad y altura conocidas. • Indirectamente, a través de la deformación que experimentan diversos elementos elásticos constituyentes del transductor a causa de la presión ejercida por el fluido que contienen. Algunos de los transductores mecánicos más usuales son los siguientes: Manómetro de tubo en U se usa para medir presiones cercanas a la atmosférica y consta de un tubo en forma de U, que contiene, por lo general mercurio, y una de cuyas ramas está abierta - en contacto con la atmósfera- mientras que a la otras se aplica la presión que se desea medir. Como la presión es distinta en las dos ramas, se produce un desnivel de mercurio, y la presión vendrá dada por: P = P atm +- p . g .h Correspondiendo el signo positivo al caso en que el nivel del mercurio en la rama abierta sea mayor que en la otra, y el negativo si sucede lo contrario. Tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica, cerrado por un extremo, y curvado de manera que forma un anillo casi perfecto. Al aplicar presión al fluido contenido en su interior, el tubo tiende a enderezarse, transmitiéndose el movimiento de su extremo - por medio de un sistema de engranajes - a una aguja que se desplaza sobre una escala graduada.

Elementos en espiral y en hélice se forman enrollando un tubo de Bourdon, lo que da lugar a un desplazamiento considerable del extremo libre y a un movimiento más amplio de la aguja indicadora.

Diafragma consiste en una o varias cápsulas o diafragmas circulares soldados entre sí por sus bordes, de manera que al aplicar una presión cada cápsula se deforma y la suma de todos estas pequeñas deformaciones es amplificada a continuación por medio de un juego de palancas , y transmitida a una aguja indicadora. Fuelle es muy semejante al diafragma, pero consta de una sola pieza flexible en la dirección de su eje, la cual puede dilatarse o comprimirse considerablemente a causa de la presión. De esta forma, su extremo plano se mueve contra un resorte calibrado, produciéndose un desplazamiento medible de una aguja indicadora. DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

13

3.4.2. Transductores Electromecánicos

Utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que se encarga de generar la señal eléctrica correspondiente. Pueden ser de diferentes tipos: Transductores Resistivos en ellos, la presión desplaza un cursor a lo largo de una resistencia a modo de potenciómetro, cuyo valor se modifica proporcionalmente a la presión aplicada. Se usan para medir tanto presiones bajas como altas. Un ejemplo muy conocido de transductor de este tipo es el micrófono. Transductores capacitivos miden la presión por medio de un diafragma metálico que constituye una de las armaduras de un condensador. Cualquier cambio de presión hace variar la separación entre el diafragma y la otra placa, modificándose de esta forma la capacidad del condensador, que se puede medir mediante un montaje de tipo puente de Wheatstone. Estos transductores poseen un intervalo de medida bastante amplio, entre 0,05 –5 a 0,5-600 bar. Galgas extensométricas se basan en la variación de longitud y de diámetro y, por tanto, de resistencia, que tiene lugar en un hilo conductor o semiconductor al ser sometido a esfuerzo mecánico como consecuencia de una presión. Existen dos tipos: - Galgas cementadas: formadas por varios bucles de hilo muy fino, pegados a una hoja base de cerámica, papel o plástico. - Galgas sin cementar: los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial. En ambos tipos, los hilos se estiran o se comprimen como consecuencia de la presión aplicada, y de esta forma se modifica su resistencia. La utilización de las galgas requiere un cuidado especial ya que el esfuerzo que se va a medir debe transmitirse íntegramente a ellas. Por este motivo, han de estar perfectamente adheridas a la superficie de la placa. Además suelen formar parte de un puente de Wheatstone. Una vez que este se encuentre equilibrado, cualquier variación de presión cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente. Transductores Piezoeléctricos El efecto piezoeléctrico, descubierto en 1880 por Pierre y Jacques Curie, consiste en la aparición de cargas eléctricas en determinadas zonas de una lámina cristalina de algunos materiales tallada siguiendo ciertos ejes, en respuesta a la aplicación de una presión. El cristal se coloca entre dos láminas metálicas que recogen las cargas eléctricas, siendo posible de esta forma medir las variaciones de presión. Los transductores piezoeléctricos comerciales presentan buenas características, tales como robustez y alta sensibilidad. Son materiales piezoeléctricos naturales: cristales de cuarzo y de turmalina Y sintéticos: la sal de Rochelle, el titanato de bario y el zirconato de plomo.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

14

3.4.3. Transductores de Vacío Son de gran sensibilidad y se emplean para la medida de alto vacío. Los que más se utilizan son: Manómetro de McLeod se le llama también vacuómetro de McLeod. En una de sus ramas se recoge un volumen conocido del gas cuya presión se quiere medir y a continuación se le comprime haciendo ascender, por medio de un émbolo, el mercurio contenido en un depósito. La presión que ejerce el gas comprimido se determina por la diferencia de niveles que alcanza el mercurio en las dos secciones del manómetro.

Este manómetro es sencillo y económico. Se usa para medir presiones en la zona 0,0001 – 10 mm de Hg, y a veces para calibrar otros manómetros de bajas presiones que resultan de uso más conveniente.

Transductores Térmicos se basan en el principio: “La energía emitida por un filamento por el que pasa una corriente eléctrica es inversamente proporcional a la presión del gas ambiental”. Un elemento bimetálico consta de dos láminas planas y finas de metales diferentes sujetas mediante remaches. Los coeficientes de dilatación de estos dos metales son muy diferentes entre sí, de manera que, si el conjunto está inicialmente recto, se encorva cuando se calienta. Basándonos en las características de este elemento bimetálico, y aplicando el principio anteriormente enunciado, se construye el transductor bimetálico, consistente en una espiral bimetálica calentada por medio de una fuente de tensión, y cuya deflexión es proporcional a la presión del gas. Este transductor llega a precisar presiones del orden de la milésima de milímetro de mercurio. Transductores de ionización se basan en la formación de iones en el seno de un gas, siendo su velocidad de formación, es decir, la corriente iónica, proporcional a la presión.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

15

3.5. Medida de la Iluminación 3.5.1. Fotorresistencias Las fotorresistencias son conocidas como LDR. Son células fotorresistivas cuya resistencia eléctrica depende del flujo luminoso que incida sobre ellas por unidad de superficie. Se construyen de silicio, germanio y otros materiales tales como InAs o InSb, que se colocan sobre un sustrato cerámico y se protegen con una lámina transparente. El valor de la resistencia entre los terminales de la LDR aumenta al disminuir el nivel de iluminación y decrece en caso contrario. El circuito de medida que se utiliza, es el divisor de tensión. Conviene tener en cuenta: - Se recomiendan valores elevados de la resistencia en caso de gran iluminación; y resistencias pequeñas si la luz es escasa. - La rapidez de respuesta de las LDR es pequeña. Por ese motivo, se deben emplear para medidas estáticas; nunca en mediciones dinámicas.

3.5.2. Fotodiodos El funcionamiento del fotodiodo se basa en la conducción inversa de un diodo cuando este se somete a la acción de la luz. Al aumentar la cantidad de luz incidente, se incrementa la circulación de corriente inversa. 3.5.3. Fototransistores El funcionamiento de un fototransistor es similar al de un transistor normal en el que la corriente que se inyecta por la base del transistor ha sido sustituida por luz. El transistor es un dispositivo semiconductor formado por tres terminales: base, colector y emisor. La introducción de una corriente por la base del transistor da origen a una intensidad en el sentido del colector al emisor en el caso de los transistores NPN. En los PNP el sentido es el inverso. Los fototransistores suelen funcionar en conmutación; es decir, pasando de conducir a no conducir. El fototransistor tiene una sensibilidad más alta que el fotodiodo, pero sus tiempos de respuesta son mucho mayores (es más lento). De todas maneras ambos son más rápidos que la LDR.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

16

3.5.4. Elementos comerciales basados en sensores ópticos Los sensores ópticos constituyen el fundamento de una gran cantidad de elementos comerciales. Estos dispositivos resultan de utilidad en la detección de objetos, y pueden considerarse también como transductores de posición o de proximidad. Para ello se utiliza un tipo de diodo llamado LED, que emite luz cuando pasa por él la corriente, y que forma una barrera con un fotodiodo o un fototransistor.

Las células fotoeléctricas se emplean en alarmas antirrobo, semáforos de tráfico y puertas automáticas. El circuito salta al cortarse el rayo de luz , lo que provoca el cierre de un relé y activa el sistema antirrobo u otros circuitos. Las células fotoeléctricas se pueden clasificar en: - De barrera: la célula se compone de dos módulos, uno emisor y otro receptor, que se colocan uno frente al otro, constituyéndose de esta manera la barrera entre ellos. En el caso representado en el esquema anterior. - De reflexión en espejo. El led emisor y el receptor van en el mismo encapsulado, siendo necesario en este caso un espejo exterior en el que se refleja el haz luminoso. - De proximidad El emisor y el receptor están situados también en el mismo encapsulado. Esta célula detecta el paso de un objeto próximo a ella. 4. COMPARADORES En el comparador, la señal de consigna – que es la salida del transductor- se compara con la señal de salida medida por el captador, con lo que se genera la señal de error. Este elemento aparece solamente en los sistemas de control en bucle cerrado, donde existe un bloque de realimentación de la señal de salida. Está integrado, normalmente, dentro del bloque del regulador. La diferencia entre el valor medio de la variable controlada y el valor de consigna se puede obtener por diferentes procedimientos: neumáticos, mecánicos, eléctricos o electrónicos. 5. ACTUADORES El elemento actuador es el elemento final de control. Es el órgano de mando de una válvula, una compuerta... en el que se encuentran interruptores y relés capaces de obedecer a una señal eléctrica o neumática procedente del regulador y de actuar sobre la planta o proceso modificando alguno de sus parámetros fundamentales de funcionamiento. En el control neumático, el elemento actuador es una válvula, que regula el caudal de algún tipo de fluido. DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

17

5.1. Las válvulas de control La válvula de controles un elemento esencial en el control automático de los procesos industriales y realiza la función de variar el caudal del fluido de control para que éste modifique a su vez el valor de la variable de medida. Una válvula de control se comporta como un orificio de área continuamente variable. Se componen básicamente de: - Cuerpo: en él se encuentran el obturador y el asiento, que constituyen el corazón de la válvula, puesto que controlan el caudal por medio del orificio de paso variable que forman al modificar su posición relativa. El obturador está unido a un vástago. El cuerpo de la válvula va provisto de roscas o bridas para conectar la válvula a la tubería. - Servomotor: se encarga de accionar el vástago que hace que el obturador suba o baje, realizando así el control del caudal. Pueden ser neumáticos, eléctricos, hidráulicos y digitales, aunque prácticamente el 90% de las válvulas industriales son accionadas neumáticamente. Una tapa une el cuerpo al servomotor. A su través pasa el vástago del obturador accionado por el motor. Existen disponibles en el mercado distintos tipos de válvulas de control, según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador; por ello se debe elegir siempre la más adecuada al proceso. En ocasiones, han de ser capaces de resistir altas temperaturas de trabajo, la presión del fluido y la posible erosión y corrosión que éste produzca.

DEP. TECNOLOGIA (IES DIONISIO AGUADO /FUENLABRADA) TECNOLOGIA INDUSTRIAL II

18