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• Nadya Lopez

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4-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION

Versión 2010

Automatización Industrial Fernando F. Brizuela Ing. Electricista Electrónico

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4.1-INTRODUCCION Los transductores son uno de los elementos infaltables en un automatismo, puesto que su propósito es la medición de variables físicas que intervienen en el proceso productivo, son los sentidos del sistema de control encargado de automatizar el proceso. Sin ellos no se podría realizar un proceso autónomo. Es un dispositivo que convierte información de una energía determinada a otra diferente.

Un Sensor es un dispositivo que responde a algunas propiedades de tipo eléctrico, mecánico, magnético, térmico, químico, etc. generando una señal eléctrica que puede ser susceptible de medición. Las señales obtenidas a través de un sensor son de pequeña magnitud y necesitan ser amplificadas y filtradas. Dispositivo que convierte un parámetro físico a una señal eléctrica.

Un actuador convierte una señal de origen eléctrico en otra de carácter físico.

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4.1-INTRODUCCION Captadores Binarios Se denomina a un tipo de sensores que su salida varia entre un nivel fijo de tensión a otro (1 lógico y 0 lógico ) y no es proporcional a lo que está midiendo. Provocan un cambio de estado lógico cuando la señal captada sobrepasa un cierto umbral. Ejemplo sensor apertura de puerta tablero eléctrico.

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4.1-INTRODUCCION Que es un Transductor? Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. Es un dispositivo usado principalmente en las ciencias eléctricas para obtener la información de entornos físicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Ejemplos: •Un micrófono es un transductor electroacústico que convierte la energía acústica (vibraciones sonoras: oscilaciones en la presión del aire) en energía eléctrica (variaciones de voltaje).

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4.1-INTRODUCCION Que es un Transductor?

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4.1-INTRODUCCION Que es un Transductor? Ejemplos: •Un altavoz también es un transductor electroacústico, pero sigue el camino contrario. Un altavoz transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras

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4.1-INTRODUCCION Que es un Transductor? Ejemplos: •Los teclados comunes que transforman el impulso de los dedos sobre las membranas y éstas generan el código de la tecla presionada.

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION Los principios de transducción: son el fundamento físico de la conversión de una magnitud física en otra distinta, existen una gran variedad. Los transductores utilizados para detectar una misma variable física pueden tener principios de transducción diferentes.

4.2.1-Elementos de Transducción Capacitiva: Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de la capacidad. El cambio puede producirse por la variación de la distancia de las dos placas de un condensador (Figura 1) o por el cambio del material dieléctrico existente entre ambas placas (Figura 2). DC

DC Figura 1

Figura 2 Automatización Industrial

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION • •

La capacidad de un condensador plano depende de su geometría y del material que constituye su dieléctrico. La formula equivalente para el calculo de dicha capacidad es la siguiente:

K= Constante dieléctrica S= Superficie de enfrentamiento entre las placas D= Distancia de separación entre placas

D

A

S= A x B B

Constante Dieléctrica

Material

1 2,2 1,5 3,5 4,5 5 3a8 6,5 95

Aire Poliéster Papel Seco Papel Impregnado Baquelita Porcelana Mica Cristal Bióxido de titanio

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION 4.2.2-Elementos de transducción inductiva: Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de la autoinductancia de un devanado único, provocado por el movimiento de un núcleo ferromagnético.

• La capacidad que tiene un conductor de inducir un voltaje en si mismo cuando cambia la corriente es su auto inductancia o simplemente inductancia

VL L=

di/dt

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION •El coeficiente de auto inductancia de una bobina depende de su geometría y de la permeabilidad magnética de su núcleo. Esta dada por la siguiente formula 2

L(H)= 1.257 .

2

N. S (Cm ) 8

10 L (Cm )

u

Donde: S = Sección de la bobina L = Longitud de la bobina u = permeabilidad del núcleo, representa la facilidad para establecer un campo magnético en un material dado.

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION

Un variación de movimiento del núcleo implicara una variación en la u por lo tanto la VL de la bobina variara. La bobina debe estar excitada por una fuente.

DL

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION 4.2.3-Elementos de transducción reluctiva: Convierten un cambio de la magnitud en un cambio de la tensión de c.a, debido a un cambio en la reluctancia del campo magnético entre dos o mas devanados. Recordemos que es la reluctancia?

I1 V1

n1

lc

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION Circuito magnético Análogo para el núcleo de un transformador

I

Φ

V

F =Ni

R

V=I.R

R

F=Φ. R

R=

lc

Reluctancia

u.A

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION

+

DV

50 V Ca

-

Una variación en el movimiento del material ferromagnético implicara una variación de la reluctancia del transformador por lo tanto habrá una variación de la tensión inducida en el secundario Automatización Industrial Fernando F. Brizuela Ing. Electricista Electrónico

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION 4.2.4-Elementos de transducción Electromagnética: Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de una fuerza electromotriz (Tensión de Salida) inducida en un conductor, debido a un cambio en el flujo magnético.

+

DV

-

Fuente de campo magnético

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION 4.2.5-Elementos de transducción piezoeléctrica: Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio en la carga estática o de la tensión generada por ciertos materiales cuando se encuentran sometidos a presión. Presión + DV

Material Piezoeléctrico

DQ -

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION •La piezoelectricidad es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie, y que se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma. •Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).

Cuarzo

Turmalina

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION 2.7-Elementos de transducción Resistiva: Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio en la resistencia debido a diversos medios, tales como calentamiento, enfriamiento, esfuerzo mecánico, humidificación de sales electrolíticas, movimiento de un brazo de escobilla de un reóstato. DR

DR

1-Variación de R por Calentamiento/Enfriamiento

2-Variación de R por movimiento de un brazo

DR 3-Variación de R por esfuerzo mecánico

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION Reóstato: variación de la resistencia relacionada con la variación de la posición de la perilla o brazo móvil.

Potenciómetro Electrónico

Resistencia variable

R

Común R Fija

Resistencia Fija

Foto Real

Estructura Interna Esquemática

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION Ejemplo de aplicación del principio de transducción en maquina inyectora de plástico: ¿Qué es una maquina inyectora de plástico?

..\..\..\..\VideosEducativos\AutomatizacionIndustrial\ Inyección de plásticos.mp4 ..\..\..\..\VideosEducativos\AutomatizacionIndustrial\ Inyectora de plastico.mp4 ..\..\..\..\VideosEducativos\AutomatizacionIndustrial\ Maquina Inyectora de Plástico.mp4 ..\..\..\..\VideosEducativos\AutomatizacionIndustrial\ proceso de inyeccion de plastico.mp4 Automatización Industrial Fernando F. Brizuela Ing. Electricista Electrónico

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION Ejemplo de aplicación del principio de transducción en la detección de la posición instantánea de un brazo móvil:

Movimiento de la unidad de inyección

PLC Entrada Analógica

+

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION

Foto Máquina Inyectora Real

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION 2.8-Elementos de transducción por galgas extresometricas: Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de resistencia debido a una deformación en dos o cuatro brazos de un puente de Wheatstone. c a

b d Diagrama circuital puente de Wheatstone

El Puente de Wheatstone se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Esta constituido por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia desconocida.

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION En el Puente vemos que, Rx es la resistencia cuyo valor queremos determinar, R1, R2 y R3 son resistencias de valores conocidos, además la resistencia R2 es ajustable. Si la relación de las dos resistencias del brazo conocido “R2/R1” es igual a la relación de las dos del brazo desconocido (Rx/R3), el voltaje entre los dos puntos medios será nulo y por tanto no circulará corriente alguna entre esos dos puntos. Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R2 hasta alcanzar el punto de equilibrio. La detección de corriente nula se puede hacer con gran precisión mediante el galvanómetro G. La dirección de la corriente, en caso de desequilibrio, indica si R2 es demasiado alta o demasiado baja. El valor de la F.E.M. (E) del generador es indiferente y no afecta a la medida. En condición de equilibrio (corriente nula por el galvanómetro), se cumple que:

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2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION Si los valores de R1, R2 y R3 se conocen con mucha precisión, el valor de Rx puede ser determinado igualmente con precisión. Pequeños cambios en el valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la indicación del galvanómetro. De forma alternativa, si los valores de R1, R2 y R3 son conocidos y R2 no es ajustable, la corriente que fluye a través del galvanómetro puede ser utilizada para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento más rápido que el ajustar a cero la corriente a través del medidor. Variantes del puente de Wheatstone se pueden utilizar para la medida de impedancias, capacidades e inductancias La disposición en puente también es ampliamente utilizada en instrumentación electrónica. Para ello, se sustituyen una o más resistencias por sensores, que al variar su resistencia dan lugar a una salida de tensión proporcional a la variación. A la salida del puente suele colocarse un amplificador

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION

Figura: Imagen de un Puente de Wheatstone típico

utilizado para medir resitencias.

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION 2.8-Elementos de transducción fotovoltaica: Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de la tensión generada en la unión de ciertos metales cambia por el cambio de la resistencia. +

DV

Luz

-

Laboratorio: Mostrar resistencia LDR y como funciona Automatización Industrial Fernando F. Brizuela Ing. Electricista Electrónico

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION 2.8-Elementos de transducción Térmica: Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de la fuerza electromotriz generada por la diferencia de temperaturas existentes entre las uniones de dos materiales distintos (efecto Seebeck). Este tipo de sensores de llama TERMOCUPLA

+ T1

DV -

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION •El principio de funcionamiento de una termocupla, podemos explicarlo con la teoría de las fuerzas electromotrices de origen térmico que surgen en la unión de dos metales distintos, o en un mismo cuerpo metálico donde encontramos dos puntos a diferentes temperaturas. Estas fems, son térmicamente dependientes.

•Una termocupla consisten en dos alambres de metales distintos. Dichos alambres están soldados en un extremo, y terminan en una ficha especial en el otro (Clavija).

Figura: Termocupla de una zona de calentamiento extrusora

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION La lista de los materiales empleados como alambres, puede extenderse indefinidamente. Sin embargo, se han estandarizado unas pocas combinaciones. Para distinguirlas, podemos mencionar sus materiales constituyentes: “Una termocupla de Cromel-Alumel”, o también usamos una letra identificatoria: “Una termocupla K”. •La condición indispensable es que los materiales de los conductores deben ser distintos y homogéneos, o sea sin concentraciones de impurezas. La termocupla produce en el extremo de la clavija, una fem que depende de la diferencia de temperaturas entre la soldadura y la clavija misma. Como el sentido de la tensión es importante, distinguimos a los conductores con los signos positivo y negativo, para no confundirlos. Podemos identificar los signos en la clavija.

Laboratorio: Mostrar termocupla, como se usa para medir temperatura con el tester, utilizar un encendedor. Ver con Osciloscopio el incremento de la tensión vs la temperatura en la termocupla.

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION Aplicación: calentamiento de un cañón para derretir polietileno: Cañón que es Pirómetro atravesado por Pe + Tx Termocupla

NC NA

Común

Alimentación

c F c N Resistencia Eléctrica

Fusible

circular

Termomagnética Alimentación Automatización Industrial Fernando F. Brizuela Ing. Electricista Electrónico

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Pirometro Real

Resitencias Circulares

Termocupla

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4.2-PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION • Los principios de transducción son los principios básicos de funcionamiento de una gran diversidad de transductores deferentes. • Para la detección de una misma variable física se puede utilizar transductores basados en principios de transducción diferentes.

Amplificador Amplificador Bobina

Núcleo Cristal de cuarzo

Diafragma

Fluido a presión

Fluido a presión

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