elementos de un sistema de control

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)
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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.
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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.
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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...)
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magnitudes
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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
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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.
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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.
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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
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•
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.
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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.
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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%)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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