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José M. Claver UJI-1 Sistemas de Control de Procesos
Tema 3.1: Transductores (Sensores y actuadores)
• ¿Qué son?• Procesos de medida.• Características básicas• Tipos de sensores• Tipos de actuadores• Conclusiones• Actividad
José M. Claver UJI-2 Sistemas de Control de Procesos
Estructura Básica
• Componentes del SC
PerturbacionesSistema
Sensor
Actuador
Acondicionado
Acondicionado
Control
TransmisiónDatos
TransmisiónÓrdenes
Presentación
Alarmas
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José M. Claver UJI-3 Sistemas de Control de Procesos
¿Qué son?
• Un transductor es un elemento que convierte una magnitud física en otra
• Ejemplo:
– Un termómetro de mercurio es un transductor que da un desplazamiento proporcional a la temperatura
• Un sensor es un tipo de transductor que convierte la magnitud a medir en una característica eléctrica
• Un actuador en un tipo de transductor que toma una señal eléctrica y produce una variación en una magnitud física
José M. Claver UJI-4 Sistemas de Control de Procesos
Procesos de medida
• Errores en el proceso de medida: Diferencia entre el resultado obtenido y el valor real
• Linealidad: Relación lineal entre valor real y medido– Difícil de corregir parámetro importante por lo tanto
• Offset o desviación cero: Valor medido cuando el sensor debe devolver un cero– Genera un error fácil de corregir
MeValor real
MsValor medido
Offset
A
B
CD
A Ideal
B No Lineal
C Pendiente Incorrecta
A Offset (desviación de cero)
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José M. Claver UJI-5 Sistemas de Control de Procesos
Características básicas
PrecisiónPrecisión Error máximo esperado (% relativo, Me)
OffsetOffset Desviación de cero (Me)
LinealidadLinealidad Desviación respecto de una línea recta en la curva de respuesta (Me)
SensibilidadSensibilidad Variación de la magnitud de salida al variar la magnituda medir (dMs/dMe)
Margen deMedida
Margen deMedida
Rango de variación de la magnitud a medir en el que se asegurauna cierta precisión (Me)
ResoluciónResolución Mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarsea la salida (Me)
Rapidez de respuesta
Rapidez de respuesta Capacidad del sistema de medida para seguir las variaciones de
la magnitud de entrada (dMe/dt)
DerivasDerivas Las medidas pueden ser diferentes en función de las variacionesambientales (temperatura, humedad, envejecimiento) (Me)
RepetitividadRepetitividad Error esperado al repetir varias veces la misma medida (Me)
José M. Claver UJI-6 Sistemas de Control de Procesos
Ejemplo: Acelerómetros (0-4 m/s2)
m/s2
uV
0,2
A B C
4
2
m/s2
V
4
4
m/s2
mV
1,48
4
4
Comentar, para cada uno de estos sensores las características de:- Sensibilidad- Offset- Linealidad
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José M. Claver UJI-7 Sistemas de Control de Procesos
Tipos de Sensores
• Activos/Pasivos
Activos Activos : Generan una señal eléctrica
PasivosPasivos: Modifican una característica eléctrica (R, C, etc.)
• Directos/Accionamiento intermedio (indirectos)
DirectosDirectos: La magnitud de salida se obtiene directamente
Con accionamiento intermedioCon accionamiento intermedio: La magnitud de salida se convierte en
otra que es medida directamente
• Analógicos/Digitales
AnalógicosAnalógicos: Devuelven una señal de tipo contínuo
DigitalesDigitales: Devuelven una señal de tipo discreto
José M. Claver UJI-8 Sistemas de Control de Procesos
Ejemplos de sensores
• Sensores de temperatura
• Sensores de luz
• Sensores de fuerza (y par)
• Sensores de desplazamiento
• Sensores de velocidad
• Sensores de sonido
• Otros más especializados
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José M. Claver UJI-9 Sistemas de Control de Procesos
Sensores de Temperatura
• Termómetros resistivos: variación de la resistencia con la temp.– PRT (Platinum Resistance Thermometer)
• Termistores: variación de la resistencia con la temp.– NTC (Negative Temperature Coefficient), de óxidos de metales– PTC (Positive Temperature Cosefficient), de titanato de bario
• Termopares: Efecto Seebeck (circulación de electrones entre metales unidos con diferentes temperaturas)
• Semiconductores: variación de la tensión en los extremos de un diodo por el que pasa una corriente fija.
José M. Claver UJI-10 Sistemas de Control de Procesos
Termómetros Resistivos
PRT (Platinum Resistance Thermometer)
Margen de Medida -200ºC +850ºC
Valores de resistencia R= R0 (1+αT)respecto de la Temperatura R0= 100 Ω; α= 3.9 · 10-3
Tienen problemas de sensibilidadSon muy precisas (0,1ºC)Son caras
Características Tienen buena linealidad (fácil calibraciónAlto margen de medidaBajas derivas
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José M. Claver UJI-11 Sistemas de Control de Procesos
Termistores
• NTC (Negative Temperature Coefficient)
Margen de Medida: -50ºC+150ºC
Características: De óxidos de metalesNo LinealesAlta sensibilidadAlta resolución
• PTC (Positive Temperature Coefficient)
Características: De cristales de titanato de bario
Se utilizan principalmenteen protecciones térmicas
José M. Claver UJI-12 Sistemas de Control de Procesos
Termopares
• Efecto Seebeck: circulación de electrones (I) entre metales unidos a diferentes temperaturas– Al abrir el circuito por uno de los metales se obtiene una tensión
proporcional a la diferencia de las temperaturas (V termoeléctrico)
Margen de Medida -200 ºC +200 ºC
Están hechos de cobre y hierro, o cobre y constantanRespuesta rápida
Características RobustosTensión termo eléctrica muy baja amplific. de precisiónBaja sensibilidad (50 µV/ºC)
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José M. Claver UJI-13 Sistemas de Control de Procesos
Semiconductores
• Variación de la tensión en los extremos de un diodo por el que pasa una corriente fija.– Variación de la tensión aprox.: 2mV/ºC
Baratos y fáciles de utilizarCaracterísticas
Tiene un margen de medida bajo (-50 ºC +150 ºC)
José M. Claver UJI-14 Sistemas de Control de Procesos
Sensores de luz
Miden la intensidad de la luz. Pueden ser de dos tipos:– Los que generan electricidad al recibir iluminación– Los que cambian alguna de sus propiedades al ser iluminados
Algunos ejemplos:– Fotovoltaicos: unión PN que genera una tensión eléctrica en función
de la luz que incide sobre ella– Fotoconductores: cambian sus características de conducción
eléctrica al incidir la luzFotodiodo, LDR (Light Dependent Resistor)
– Opto-interruptores: sensor de luz (fotodiodo o fototransistor) + emisor de luz (fotodiodo o LED, láser, etc)
Reflexivo, Ranurado
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José M. Claver UJI-15 Sistemas de Control de Procesos
Fotoconductores
• Cambian sus características de conducción eléctrica al incidir la luzFotodiodo
• Id= S*φ• Sensibilidad baja. Utilizació de fototransmisores para incrementarla• Velocidad de respuesta alta (1 microseg. o menos)
LDR (Light Dependent Resistor): R = S*(1/φ)• Dispositivo que disminuye su resistencia al aumentar la intensidad de la
luz• De sulfuro de cadmio (SCd)• Velocidad de respuesta baja (10 ms)• Longitudes de onda entre 380 nm y 759 nm
José M. Claver UJI-16 Sistemas de Control de Procesos
Sensores de luz
• Opto-interruptores: sensor de luz (fotodiodo o fototransistor) + emisor de luz (fotodiodo o LED, láser, etc)Reflexivo: Sensor y fuente de luz montados sobre la misma superficieRanurado: Sensor y fuente de luz enfrentados
Reflexivo Ranurado
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José M. Claver UJI-17 Sistemas de Control de Procesos
Sensores de fuerza
• Galga extensiométrica: materiales que al deformarse varia su resistencia eléctrica
R= ρ∗L/A
• Dispositivos capacitivos:
C= K*A/D
• Dispositivos piezoeléctricos: materiales que generan una tensióneléctrica al someterlos a un esfuerzo mecánico
A
L
A
D
K
D
DirecciónSensibilidad
José M. Claver UJI-18 Sistemas de Control de Procesos
Sensores de desplazamiento
• Potenciómetros: la señal eléctrica es proporcional a su posiciónBasados en dispositivos de resistencia variablePueden ser:
• Lineales• Axiales
– Lineales y con mala estabilidad térmica
• Finales de carrera: interrumpen/activan la circulación eléctricaSon básicamente interruptores. Puede asociársele un potenciómetro
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José M. Claver UJI-19 Sistemas de Control de Procesos
Sensores de velocidad
• Inductivos: una bobina se ve afectada por un material ferromagnético o imánLVDT (Linear Variable Differential Transformer)
• Efecto Hall: potencial eléctrico transversal inducido sobre un conductor activado eléctricamenteEH = KH (I·B/d)
• Codificador óptico de posición (encoder)– Lineal o circular
José M. Claver UJI-20 Sistemas de Control de Procesos
Sensores de sonido
• Micrófonos:– Tipos
• Inductivos• Capacitivos
– Base de los sonares
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José M. Claver UJI-21 Sistemas de Control de Procesos
Ejemplos de actuadores
• Actuadores de Calor• Actuadores de luz• Actuadores de: fuerza, desplazamiento y movimiento• Actuadores de sonido
José M. Claver UJI-22 Sistemas de Control de Procesos
Actuadores
• Calor– Calentadores resistivos: P = R I2
– Refrigeradores de efecto Peltier (efecto inverso al Seebeck)
• Luz– Diodos emisores de luz: LEDs
• Visibles• Infrarrojos
– Visualizadores de 7 segmentos
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José M. Claver UJI-23 Sistemas de Control de Procesos
Actuadores de: fuerza, desplazamiento,...
• Solenoides: bobina con una pieza de material ferromagnético que se puede mover– Relés
• Motores– Corriente alterna (CA)– Corriente Continua– Paso a Paso
• Electrohidraúlicos y electroneumáticos– Accionamiento de aviones y vehívulos
José M. Claver UJI-24 Sistemas de Control de Procesos
Actuadores de sonido
• Altavoces: imán + bobina móvil que mueve un diafragma– Diversas configuraciones y
frecuencias
• Transductores ultrasónicos: materiales piezoeléctricos– Altas frecuencias
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José M. Claver UJI-25 Sistemas de Control de Procesos
Conclusiones
• Transductores Interfaz con el mundo físico
• Hay un sensor/actuador adecuado para cada caso
• Comportamiento no ideal compensaciones HW/SW
• ¿cuáles son los adecuados en tu proyecto?
• Próximas 2 clases búsqueda de sensores/actuadores adecuados
• Siguiente clase presentación y comentarios
José M. Claver UJI-26 Sistemas de Control de Procesos
Contenido del trabajo
• Determinar los tipos de transductores necesarios• Para cada tipo de transductor:
– posibles sensores a utilizar• Características de funcionamiento
– Precisión– Offset– Linealidad– Sensibilidad– Margen de medida, etc
• Cuáles son los más adecuados para el proyecto
• Presentación: fichero HTML (con links) + algún fichero extra.