Sensores - PLC - Actuadores

Liceo Diego Portales Control Eléctrico3º Electrónica Rogelio Ortega B.

SENSORES O CAPTORES

Un sensor es una unidad electrónica capaz de transformar magnitudes físicas o químicas,llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas.

Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo:temperatura, intensidad lumínica, distancia, desplazamiento, presión, fuerza, torsión,humedad, pH, etc.

Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), unacapacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en untermopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etc.

Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a vecestampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como porejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal alos niveles apropiados para el resto de la circuitería.

Dependiendo del tipo de señal de salida del sensor, estos pueden ser:- Sensor analógico.- Sensor digital.

Los sensores analógicos entregan como salida un voltaje o una corriente continuamentevariable dentro del campo de medida especificado. El rango de voltaje de salida más comúnes 0 a 10 V y los rangos de corriente de salida más comunes son de 0 a 20 mA y 4 a 20 mA.

Los sensores digitales entregan un voltaje o una corriente variable en forma de pulsos o pasosdiscretos de manera codificada, es decir con su valor representado en algún formato de pulsoso palabras, digamos PWM (Modulación de ancho de pulsos) o binario (0 - 1).


TIPOS DE SENSORES

MAGNITUD FÍSICA TRANSDUCTOR CARACTERÍSTICA

Posición lineal o angularPotenciómetro AnalógicoEncoder Digital

Desplazamiento ydeformación

Transformador diferencial devariación lineal (LVDT)

Analógico

Galga extensiométrica AnalógicoFuerza y torque(deformación)

Galga extensiométrica Analógico

PresiónPresostato DigitalPiezoeléctrico AnalógicoGalga extensiométrica Analógico

Caudal Magnético Analógico

Temperatura

Termopar (Termocupla) AnalógicoDetector de temperaturaresistivo (RTD)

Analógico

Termistor (NTC y PTC) AnalógicoSemiconductor (LM35) AnalógicoTermostato (Bimetal) Digital

Proximidad

Inductivo DigitalCapacitivo DigitalFotoeléctrico DigitalFinal de carrera Digital

Sonido Micrófono AnalógicoAcidez (pH) IsFET Analógico

Luz

Fotodiodo DigitalFototransistor AnalógicoFotorresistencia (LDR) AnalógicoCelda fotovoltaica Analógico

Humedad

Capacitivo) AnalógicoResistivo (Humistor) AnalógicoHumistato (expansión ocontracción)

Digital


SENSORES ANALÓGICOS

1. Sensor de caudal

Los sensores de flujo comúnmente llamados caudalímetros miden el volumen de líquido quepasa por un punto determinado durante un periodo definido. El flujo de un líquido que pasapor una tubería depende de cuatro factores: velocidad, densidad, viscosidad de flujo y eldiámetro de la tubería.

La operación de un caudalímetro magnético se basa en la ley de Faraday, que indica si unconductor se mueve a través de un campo magnético, entonces se induce en el mismo unvoltaje (E) proporcional a su longitud (D), su velocidad de desplazamiento (V) y la intensidaddel campo (B). En este caso el fluido en movimiento actúa como conductor, mientras que elcampo lo establecen dos bobinas montadas en las paredes exteriores de la tubería y excitadaspor un voltaje DC pulsante.

Fórmula de Faraday: BVDE

Donde:

E = Voltaje inducido en el conductor (electrodos)D = Longitud del conductor (distancia entre los electrodos)V = Velocidad del conductor (velocidad promedio del fluido)B = Fuerza del campo magnético

El voltaje inducido que es proporcional al caudal volumétrico, se capta a través de doselectrodos localizados en las paredes internas de la tubería.

Los caudalímetros magnéticos dependiendo del método de montaje pueden ser de dos tipos:‾ En línea o tipo galleta‾ De inserción

Los encontrados en la planta el tabaco son del tipo galleta, los cuales son utilizados enaplicaciones de alta precisión, el campo magnético se produce a través de toda la seccióntransversal de la tubería de flujo.


2. Transmisor de presión

El transmisor de presión ha sido diseñado para todos los campos industriales en la medida depresión. Las aplicaciones típicas las encontramos en la ingeniería mecánica, plantas y laindustria de la automatización así como en la industria de la refrigeración y el aireacondicionado.

Estos sensores son alimentados con voltaje de 10 a 30 VDC y entregan señales de salidaanáloga entre 4 a 20 mA y 0 a 10 V, con lo que este transmisor puede ser integrado fácilmenteen diferentes sistemas incluso bajo condiciones ambientales difíciles.

Los trasmisores de presión poseen interiormente un diafragma que se deflectaproporcionalmente a la presión aplicada y una galga o puente de galgas (interconectadasformando un puente de Wheatstone) adheridas al diafragma que varían su resistencia deacuerdo a la magnitud de la fuerza resultante. Tanto el diafragma como las galgasextensiométricas (strain gage) pueden ser de material metálico o semiconductor. Las galgasfabricadas de semiconductores son las más utilizadas en la actualidad, también se lesdenomina piezorresistores.

Figura transmisor Cableado eléctrico

Características técnicas transmisor de presión:

Temperatura permisible -30 °C a +80 °CTensión de alimentación 10 a 30 VDCRango de medición 0 a 16 barSeñal de salida análoga 4 a 20 mA

0 a 10 VÍndice de protección IP65

UB+: Fuente alimentaciónSig+: Carga (PLC)


3. Sensor de nivel ultrasónico

El transmisor envía un pulso ultrasónico (20 – 100 kHz) hacia la superficie del líquido (agua),mientras que el receptor capta el eco, es decir, el pulso reflejado. El tiempo trascurrido desdeel instante en que se produce el pulso ultrasónico hasta el instante en que se recibe el eco, esproporcional a la distancia entre el sensor y la superficie del líquido y por lo tanto al nivel deeste último. El sensor puede estar o no en contacto con el líquido.Se suprimen de manera fiable fuentes de interferencias tales como uniones soldadas, objetivosfijos, etc. Las propiedades químicas y físicas del medio no afectan al resultado de la medida.Por lo tanto, se pueden medir sin problemas sustancias agresivas, abrasivas, viscosas yadherentes.

El sensor ultrasónico es alimentado con una tensión continua de 10 a 30 VDC y entrega unasalida análoga de 4 a 20 mA y de 0 a 10 V al controlador lógico programable.

Características técnicas del sensor de nivel ultrasónico:

Temperatura de funcionamiento -25 °C a +70 °CTensión de alimentación 10 a 30 VDCConsumo de potencia 1.200 mWAlcance de medición 0,3 m a 4 mPrecisión 0,5 % del fondo de escalaResolución 2mmSalida análoga 4 a 20 mA, RL máx 500 Ω

0 a 10 V, RL mín 1 kΩIndicadores LED verde, en funcionamiento

LED rojo intermitente de 2 Hz, falloMontaje Ha de montarse perpendicular al nivel a medirÍndice de protección IP 55


ACTUADORES ELÉCTRICOS

1. Contactores

Los contactores son interruptores electromecánicos que es accionado por un electroimán obobina con corriente. Se utiliza para permitir o interrumpir automáticamente el flujo decorriente a través de motores monofásicos y trifásicos de mediana y alta potencia.

Al aplicar una tensión a la bobina, a través de esta circula una corriente y se produce en suinterior un campo magnético, el cual es concentrado e intensificado por el núcleo fijo. Estecampo a su vez, ejerce una fuerza sobre la culata móvil, superior a la fuerza ejercida por elresorte. Como resultado la culata es atraída por núcleo, cerrándose el circuito magnético y elresorte se comprime. Esto último causa que los contactos se cierren. Esta situación semantendrá mientras permanezca energizada la bobina. Al retirar la tensión, cesa la corriente,se extinguen el campo magnético y la fuerza atractiva, y el resorte retorna los contactos a suposición original.

2. Pilotos de señalización

Los pilotos de señalización se utilizan para indicar si un contacto y por tanto una carga(motor) está o no operando. Sirven además para llamar la atención sobre el correctofuncionamiento de una máquina o equipo, facilitando su control y mantenimiento, y por endeaumentando la seguridad de los operarios.Existen dos tipos de señalizadores ópticos, el primero de mica color verde (indicafuncionamiento normal) y el segundo de mica color roja (indica falla por sobrecarga).

Piloto de señalización verde Piloto de señalización roja


3. Motor de inducción trifásico

Los motores de inducción trifásicos son los más utilizados en equipos industriales de trabajopesado debido a que ofrecen un par (torque) elevado y un gran rendimiento. El devanado decampo se compone de tres bobinas, donde cada una de ellas se alimenta a la red trifásica (380V). Al conectar el motor a red, las corrientes en las bobinas del estator producen un campomagnético giratorio. Este campo actúa sobre el campo magnético secundario producido por lacorriente inducida en el rotor y mantiene a este último en movimiento permanente.

El motor de inducción trifásico se compone básicamente de una parte fija o estator y una partemóvil o rotor.

El estator comprende la carcasa, un núcleo magnético, un devanado y una bornera. La carcasasirve de soporte al núcleo magnético, el cual está formado por un gran número de láminasferromagnéticas apiladas que forman ranuras donde se aloja el devanado estatórico, encargadode producir el campo magnético giratorio. La bornera permite tener acceso a los principios delas bobinas, identificados como U1, V1 y W1, y los finales identificados como U2, V2 y W2.

El rotor se compone de un eje y otro paquete de láminas ferromagnéticas que llevan en laperiferia unas ranuras para alojar las bobinas rotóricas. Los extremos del eje se introducen enunos cojinetes o rodamientos. Dependiendo de la disposición de los conductores del rotor, sehabla de motores de jaula de ardilla y motores de rotor bobinado.

Los motores de jaula de ardilla son los más comunes, el bobinado del rotor está formado porun conjunto de conductores desnudos de cobre o aluminio, puestos en cortocircuito por susextremos mediante dos anillos frontales del mismo material.

En los motores de rotor bobinado, el rotor lleva un bobinado trifásico en estrella, alojado enlas ranuras del núcleo magnético.

Conexión en estrella Conexión en triángulo

Devanados del motor Devanados del motor

Caja de conexiones Caja de conexiones


El arranque estrella - triángulo es uno de los métodos por tensión reducida más usado en laindustria para la puesta en marcha de motores de inducción de mediana potencia (entre 10 y25 kVA), por su fácil construcción, bajo costo y alta confiabilidad. Para su aplicación, serequiere que el motor este diseñado para tal propósito; esto implica que éste pueda funcionaren régimen permanente con sus bobinas conectadas en triángulo y sometidas a la tensión delínea (380/660 VAC) y que además los seis terminales de sus bobinas sean accesibles (U1,U2, V1, V2, W1, W2).

EQUIPOS DE CONTROL

1. Variador de frecuencia

Los variadores de frecuencia son equipos electrónicos de estado sólido, ampliamenteutilizados en la industria para controlar velocidad en motores de inducción AC trifásicos queimpulsan ventiladores, bombas, compresores, ascensores, líneas de proceso, etc.

En estos, la potencia AC trifásica se rectifica y filtra quedando potencia DC que se aplica alinversor. La magnitud y la frecuencia del voltaje AC de salida del inversor pueden ser,controlados utilizando técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM) por medio delmicroprocesador o controlador.

Para evitar que se produzca saturación magnética, el motor debe trabajarse con una relaciónv/f (voltaje/frecuencia) constante.

Variador de frecuencia Altivar Variador de frecuencia Siemens


A continuación se presenta un circuito esquemático de un variador de frecuencia típico.


2. Controlador lógico programable (PLC)

Un autómata programable o PLC, es un dispositivo programable diseñado para el control deseñales eléctricas asociados al control automático de procesos industriales.

Un PLC posee las herramientas necesarias, tanto de software como de hardware, paracontrolar dispositivos externos, recibir señales de sensores y tomar decisiones de acuerdo a unprograma que el usuario elabore según el esquema del proceso a controlar.

El PLC está compuesto de tres componentes principales:‾ Unidad central de proceso (CPU)‾ Grupo de entradas (X) o (I)‾ Grupo de salidas (Y) o (Q)

Las entradas pueden ser digitales (pulsador, fin de carrera, sensor de proximidad, presostato,termostato, etc.) o análogas (transmisor de presión, caudalímetro magnético, sensor detemperatura, etc.).

Las salidas pueden ser digitales (bobina contactor, piloto de señalización, etc.) o análogas(electroválvula reguladora de caudal o válvulas proporcionales).

Existen dos tipos de PLC:‾ PLC modulares‾ PLC compactos

Cualquiera sea el tipo de PLC, están compuestos de varias partes internas entre ellas:‾ Fuente de alimentación‾ Unidad central de procesos‾ Memoria ROM‾ Memoria de datos RAM‾ Memoria de programa (EEPROM)‾ Interfaces de entrada y salida

PLC compacto PLC modular

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