Bienvenido a mi blog, hoy hablaremos un poco de los conceptos básicos o generalidades de Actuadores y Sensores. Iniciaremos con los sensores, los cuales son dispositivos electrónicos/electromecánicos/químicos que mapean un atributo ambiental, resultando una medida cuantificada, que normalmente será un nivel de tensión eléctrica. Un sensor es un dispositivo con la capacidad de detectar el alcance, la proximidad y el contacto de las diversas variables físicas de los objetos como energía, velocidad, aceleración, tamaño y cantidad, con el fin de convertir la medición de estas variables en una señal eléctrica, ya sea, analógica o digital.
Características de los Sensores
Entre las características técnicas de un sensor se destacan las siguientes:
• Rango de medida. Dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.
• Precisión. Es el error de medida máximo esperado.
• Offset o desviación de cero. Valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.
• Sensibilidad de un sensor. Relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada.
• Resolución. Mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida.
• Rapidez de respuesta. Puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
• Derivas. Son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
• Repetitividad. Error esperado al repetir varias veces la misma medida.
Criterios para seleccionar un sensor
Según la Magnitud a medir:
• Margen de medida
• Resolución
• Exactitud deseada
• Estabilidad
• Ancho de banda
• Tiempo de respuesta
• Magnitudes interferentes
Según las Características de alimentación:
• Tensión
• Corriente
• Potencia disponible
• Estabilidad
• Frecuencia
Según las Características de salida y Características ambientales:
• Sensibilidad
• Tipo: tensión, corriente, frecuencia
• Impedancia
• Forma de señal: unipolar, flotante, diferencial
• Destino: presentación analógica, conversión digital
Otros factores:
• Peso
• Dimensiones
• Vida media
• Costo de adquisición
• Disponibilidad
• Tiempo de instalación
• Situación en caso de fallo
• Costo de mantenimiento
• Elemento de conexión
Clasificación de los sensores según la señal de salida:
Los sensores se pueden clasificar según su señal de salida en: Analógicos, Binarios y Digitales.
Binarios. Son aquellos que entregan una señal de encendido (ON) y apagado (OFF) al detectar un cambio en el fenómeno físico brindando la posibilidad de abrir o cerrar algún tipo de circuito, el cual sensa el contacto con el elemento.
Digitales. Son aquellos que dan como salida una señal codificada en forma de pulsos o en forma de palabra digital en cualquier tipo de sistema, codificación binaria, BCD, entre otros. Generan una salida eléctrica de voltaje, cuyo valor va depender de la fuente de alimentación, por ejemplo podría ser 24Vcc o 0Vcc.
En la industria se encuentran muchos sensores de este tipo, como los sensores de presencia (inductivo y capacitivo), presostato, termostato, switch de flujo, etc.
Analógicos. Son aquellos que dan como salida un valor de tensión o corriente variable en forma continua dentro del campo de medida, estos permiten monitorear constantemente la variable de proceso. Algunos rangos de salida son: de 0 a 10V, de -5 a +5V, de 4 a 20mA. Debemos tener en cuenta que la linealidad de un sensor análogo nos indica qué tan precisa puede una salida de sensor análogo, aproximarse a una línea recta en todo su rango de medición. En la industria, podemos encontrar este tipo de sensores analógicos para medición continua de nivel, presión, etc. Por ejemplo para monitorear el nivel de un tanque y su temperatura.
Tipos de Sensores:
Sensor de proximidad: Detecta todo tipo de materiales que interrumpen el rayo de luz entre el emisor y el receptor excepto los materiales traslúcidos, a través de una plataforma de transporte. Entre ellos podemos encontrar el sensor óptico de barrera y el sensor de barrera fotoeléctrico.
Sensor de Movimiento: Es un dispositivo electrónico equipado para detectar movimiento físico, que se encarga de generar una señal de alarma o poner el sistema en estado de alerta cuando algo se mueve.
Sensores de presencia o proximidad: Inductivos. Utilizan medios magnéticos para detectar la presencia de un objeto. Se emplean habitualmente para detectar materiales férricos. La amplitud de la salida permite un control todo o nada (on-off). Por medio de los sensores de proximidad inductivos, solo pueden detectarse materiales conductores de electricidad.
Sensores de presencia o proximidad: Capacitivos. El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, está basado en la medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximación de cualquier material. En un sensor de proximidad capacitivo, entre un electrodo “activo” y uno puesto a tierra, se crea un campo electrostático disperso.
Sensor Óptico de barrera: Detectan la presencia de un objeto por medio de una fuente de luz o fotoemisor, como puede ser un diodo LED de luz visible o de luz infrarroja.
Sensor de temperatura: Se utilizan para medir amplios márgenes de temperatura dentro de un líquido, de un sólido y de gases. Acotar que el término Termocupla es una palabra mal utilizada, que corresponde a un extranjerismo de la palabra en inglés “Thermocouple” que en su traducción literal corresponde directamente a “Termopar” siendo “Couple” en español “Par o pareja” antepuesto por el prefijo “thermo” en inglés o “Termo” en español, denotando significado de temperatura.
Sensores de Nivel: Sirven para medir el nivel de líquidos y sólidos depositados en un contenedor o recipiente.
Sensor de Visión Artificial: A través de los sistemas de visión artificial, se verifica el cumplimiento de los requisitos y especificaciones técnicas de un objeto a partir de un patrón dado.
Sensor de fuerza y torsión: Se utilizan principalmente para medir las fuerzas de reacción desarrolladas en la superficie de separación entre conjuntos mecánicos. Los métodos principales para realizar esta operación son los de detección de articulación y muñeca. Un sensor de articulación, por ejemplo, mide los componentes cartesianos de la fuerza y de la torsión que actúan sobre una articulación de robot y la suma de forma vectorial. Para una articulación impulsada por un motor de corriente continua, la detección se realiza simplemente midiendo la corriente del inducido.
Sensores de humedad: Miden la presión parcial del vapor de agua en el gas que se trate y la presión de saturación del vapor a una temperatura dada y es expresada como un porcentaje.
Sensores de intensidad LDR: Detectan radiación luminosa. En presencia de luz, el sensor cambia su resistencia eléctrica inversamente (a mayor luz, menor resistencia). Algunas de las aplicaciones donde podemos emplearlas son: el control de circuitos con relés, en la construcción de alarmas, en la automatización de los sistemas de iluminación, de forma que al oscurecer se enciendan las luces.
En la parte eléctrica tenemos por ejemplo la fotocelda. la cual esta compuesta por una fotoresistencia o resistencia LDR, por sus siglas en ingles "Light Dependent Resistor" y por una circuitería que permite o bloquea el paso de la corriente. Este corte o bloqueo de la corriente se hace mediante un relé interno. No debemos confundir la fotocelda con la fotoresistencia LDR, son conceptos diferentes. La fotocelda es un dispositivo de control y la LDR es un componente fotosensor que permite el funcionamiento de la fotocelda.
Sensores de aceleración: Son dispositivos que miden la aceleración y las fuerzas inducidas por la gravedad. Esto quiere decir que nos permiten detectar el movimiento y el giro del objeto en el cual se encuentre este sensor.
Sensor de velocidad: Los sensores de velocidad de rotación y de velocidad lineal miden el ángulo descrito o el espacio recorrido por unidad de tiempo. La aplicación más común de estos sensores es en el campo automotriz.
Sensores Ultrasónicos: El funcionamiento de estos sensores es bastante simple. Su elemento principal es un transductor electro-acústico. Este elemento, en primer lugar, emite unas ondas ultrasónicas; a continuación pasa a modo de espera, en el que, durante un cierto tiempo, espera la vuelta de las ondas reflejadas en algún objeto. Si las ondas llegan, quiere decir que hay algún objeto en las proximidades.
Aplicaciones
Por lo general, algunas aplicaciones de los sensores son:
Sensor óptico autoréflex. Detección de proximidad de materiales que no sean transparentes a cortas distancias y que permitan que el rayo de luz llegue al receptor.
Sensor óptico de barrera. Este sensor se utiliza para el conteo de piezas, la detención del material en zona de maquinado, presencia de personas en puertas y ascensores, en sistemas de seguridad para la detección de intrusos.
Sensor capacitivo. Detección de proximidad de todo tipo de materiales tales como hierro, vidrio, plástico entre otros.
Celda fotovoltaica. Utilizado como detector de luz y como generador eléctrico que provee energía para el funcionamiento de diferentes equipos que necesitan electricidad para funcionar como: electrodomésticos, vehículos, circuitos electrónicos.
Sensor inductivo. Detecta la proximidad a la zona de detección de objetos metálicos de electricidad, tales como: acero, níquel, latón, aluminio y cobre. Se utiliza en maquinas de mecanizado de metales, en sistemas de selección de metales reciclados, entre otros.
Sensor de luminosidad LDR. Una aplicación la encontramos en la automatización de los sistemas de iluminación pública, al sensar la luminosidad de sol, se envía una señal que desactiva el alumbrado y al oscurecer se enciendan las luces.
Sensor final de carrera. Es usado para detectar la proximidad de los objetos al final de un recorrido o como interruptor de corriente eléctrica de un circuito. También es común encontrarlos en circuitos de control de talanqueras en los peajes.
Sensor de temperatura RTD y Termocuplas. Uno de los usos es la detección de temperatura de un líquido. Una termocupla o termopar es el sensor de temperatura más empleado a nivel industrial. Se elabora a partir de dos alambres de diferentes materiales, unidos en un extremo mediante soldadura. Al aplicar calor o frío en el punto de intersección de ambos extremos se genera un voltaje muy pequeño, como resultado del efecto Seebeck, del orden de los milivoltios, que aumenta a la par de la temperatura, es decir, si se aplica temperatura a la unión, lo que sucederá es que habrá una tensión entre los alambres que traducirá la temperatura en voltaje
Actuadores
Los actuadores son dispositivos que convierten una magnitud eléctrica en una salida, generalmente mecánica, que puede provocar un efecto sobre el proceso automatizado. Se denominan actuadores a aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre un proceso automatizado, modificando los estados de un sistema. Su función es generar el movimiento de los elementos según las órdenes dadas por la unidad de control. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar un elemento final de control, transformando la energía de entrada en energía de salida utilizable para realizar una acción.
Los actuadores generan una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica o gaseosa, por este motivo se requieren de dispositivos que realicen funciones de fuerza, movimiento, estabilidad, control de fluidos, temperatura o señales de alarma.
Criterios para seleccionar un actuador
La selección está en función de la aplicación. Es necesario conocer si el tipo de control del proceso es de interrupción, regulación o rotación. Los actuadores son de distintas formas según el tipo de montaje que se quiera realizar. Para la selección se deben tener en cuenta factores como: potencia, controlabilidad, peso, volumen, precisión, velocidad, mantenimiento y costo.
En general cuando se va automatizar un sistema la selección puede darse así:
• Cuando se necesita mover, desplazar o soportar algún peso, para ello, se requiere de actuadores de movimiento como lo son: Los motores paso a paso, de corriente continua y de corriente alterna.
• Cuando se trabaja con líquidos se utilizan motobombas y electroválvulas.
• En los procesos en los cuales, es importante utilizar un indicador que informe el estado de cada etapa, para ello se pueden utilizar alarmas e indicadores luminosos.
• Para el control de temperatura se utilizan resistencias, ventiladores y extractores.
• Entre los criterios más importantes de selección para un actuador, se encuentran el tipo de señal, si es de corriente continua o de corriente alterna.
Clasificación de los actuadores
Por lo general, existen básicamente tres tipos de actuadores que son usados para manejar aparatos mecatrónicos, Actuadores Hidráulicos, Actuadores Neumáticos y Actuadores Eléctricos:
Tipos y aplicaciones de los actuadores
Motor de corriente alterna (AC)
Motor de velocidad variable y alto torque que funciona con corriente alterna (AC). Aplicaciones donde se requiera movimientos rotacionales que necesiten mucha potencia y en transporte de cargas que tengan mucha resistencia mecánica.
Motor de corriente continua (DC)
Es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. Su característica principal es la capacidad para el cambio de sentido de giro invirtiendo la polaridad de alimentación. Se utiliza en aplicaciones donde se requiera movimientos rotacionales que no necesiten mucha potencia, juguetes y extractores de calor de equipos electrónicos que ofrezcan poca resistencia mecánica.
Motor Paso a Paso (PP)
Es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. Tiene la ventaja de tener alta precisión y repetibilidad en cuanto al posicionamiento.
Válvulas
Es un elemento final de control, ya sea automático o manual. Su función es variar el caudal del fluido de control, que modifica a su vez el valor de la variable controlada, comportándose como un orificio de área continuamente variable. Entre las más utilizadas se encuentra la válvula solenoide, la cual permite el paso de líquido cuando es activada y lo bloquea cuando se apaga. Usada en aplicaciones donde se requiera control de fluidos a través de una tubería.
Motobombas
Son un sistema mecánico compuesto por una bomba (medio de transporte de fluidos líquidos) y el mando (motor), cuando se activa succiona líquido y lo descarga a una presión mayor. Se utiliza en la industria de la construcción o en la agrícola principalmente, con la finalidad de bombear agua de un dispositivo y trasvasarla hacia otro lugar a través de una manguera.
Alarma Sonora
Es un dispositivo electrónico que produce un sonido o zumbido continuo o intermitente de un mismo tono. Sirve como mecanismo de señalización o aviso, y son utilizados en múltiples sistemas como en automóviles o en electrodomésticos. Puede ser conectado a circuitos integrados especiales para así lograr distintos tonos. Cuando se acciona, la corriente pasa por la bobina del electroimán y produce un campo magnético variable que hace vibrar la lámina de acero sobre la armadura.
Aplicaciones de alarmas. Hay procesos en los que se requiere algún tipo de aviso al finalizar una tarea, al llegar a un límite, o simplemente generar una advertencia, para esto existen actuadores como zumbadores y pilotos. Los actuadores de sonido son los encargados de propagar ondas a través de un medio que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Las partículas materiales que transmiten tales ondas oscilan en la dirección de la propagación de las mismas ondas. Los actuadores que generan sonidos a más de 20.000 Hz se denominan ultrasonicos.
Indicadores luminosos
Indicadores que transforman la energía eléctrica en energía lumínica. Son utilizados donde se requiera señalización y alarmas como en avisos y semáforos. El actuador de luz es el encargado de reaccionar ante un estado de un sistema por medio de la emisión de luz. Son elementos de monitoreo en diferentes procesos.
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