Tema: Medición de Posición

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1 Instrumentación Industrial. Guía 2 1 Facultad: Ingeniería Escuela: Electrónica Asignatura: Instrumentación Industrial Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio 3, 2da planta) Tema: Medición de Posición Objetivo General Examinar la curva de respuesta de los transductores de posición óptico y LVDT y analizar el funcionamiento de sensores capacitivos e inductivos y sus campos de aplicación. Objetivos Específicos Experimentar con el medidor óptico de recorridos. Experimentar con un medidor LVDT de recorrido. Analizar la curva del medidor óptico y el LVDT. Describir la operación de los detectores de proximidad capacitivos e inductivos Elegir el sensor apropiado para una determinada aplicación, a partir de las características de los sensores estudiados. Material y Equipo 1 Fuente de alimentación +/-15 VDC [SO3538-8D]. 1 Medidor Optoelectrónico de recorrido [SO H]. 1 Amplificador de medición de CC [SO A]. 8 Puentes de conexión Lucas Nülle. 1 Fuente de alimentación de +/-12 VDC Elettronica Veneta. 1 Módulo Transductor de Posición LVDT G27 de Elettronica Veneta. 1 Fuente de alimentación de 24 VRMS Elettronica Veneta. 4 Cables de conexión Elettronica Veneta. 1 Sensor Capacitivo. 1 Sensor inductivo. 1 Resistencia de 10KΩ. 1 Multímetro digital. 1 Par de cables para el multímetro. 1 Computadora con Microsoft Excel o LibreOffice Calc. Introducción Teórica Los componentes optoelectrónicos han encontrado amplia difusión en la electrónica moderna y con ello en casi todos los ámbitos de nuestra vida. Participan en gran medida en el proceso de transición de la mecánica hacia la electrónica y debido a su función de convertidores de señales ópticas en señales eléctricas, han permitido la realización de muchas de las modernas soluciones electrónicas. Barreras de luz para el control de la producción y como dispositivos de seguridad, equipos de control de

2 2 Instrumentación Industrial. Guía 2 luz y reguladores tales como los dimmer, detectores de humo y dispositivos para la vigilancia de candencia (altas temperaturas), exploración de tarjetas y cintas perforadas, posicionado de máquinas herramientas (para medición del largo, ángulo y posición), control de equipos ópticos y procesos de ignición, transmisión de señales en el caso de una separación galvánica de la entrada y de la salida como asimismo la conversión de luz en energía eléctrica, son solo algunos ejemplos de las aplicaciones clásicas. Elementos fotoeléctricos Los fotoelementos son dipolos activos que convierten la energía óptica en eléctrica sin requerir para ello de una fuente de tensión externa. Las propiedades de un fotoelemento quedan definidas esencialmente por la tensión en vacío y cortocircuito. En caso de cortocircuito (U=0), la corriente IK es una función lineal de la intensidad de iluminación y con ello también proporcional a la superficie iluminada. La tensión en vacío UL aumenta inicialmente en forma logarítmica con la intensidad de la luz. Con 1000 Lx es aproximadamente 0.5V y es independiente del tamaño del elemento. U Figura 2.1. Generación de portadores en un fotoelemento planar. n U I =I S e T Ecuación I P Principio de medición Dos fotoelementos dispuestos en circuito diferencial, son iluminados mediante lámparas. Entre las lámparas y los fotoelementos se encuentra un diafragma obturador, que en su posición central tapa a medias ambos fotoelementos. Si se desvía el diafragma de su posición central, cambian las superficies iluminadas de ambos fotoelementos en sentido contrario. Puesto que las corrientes de cortocircuito de los dos fotoelementos varían proporcionalmente a la superficie iluminada, la diferencia de estas corrientes es una medida del camino recorrido. Detectores de proximidad Los detectores de proximidad BERO son altamente utilizados para sensar objetos en los procesos automáticos, se tienen diferentes tipos: SONAR BERO, CAPACITIVE BERO, INDUCTIVE BERO, la diferencia entre ellos es el método que utilizan para detectar la proximidad de un objeto.

3 Instrumentación Industrial. Guía 2 3 El BERO capacitivo puede captar materiales conductores o no conductores de la electricidad, sólidos, en polvo o líquidos. La distancia de maniobra alcanzable varía según sea la constante dieléctrica ɛ r del material actuante. En el laboratorio se cuenta con el BERO capacitivo 3RG AC00 el cual detecta objetos cuando éstos están a una proximidad menor o igual a 10mm, opera con una alimentación desde 10 hasta 65 Vcd y provee de una salida NC y otra NO, la salida es digital y será igual al voltaje de la alimentación, además este BERO posee un indicador LED para verificar su estado. Los aparatos son muy insensibles a la humedad (condensaciones). Hay que evitar el sucio fuerte para no elevar la distancia de maniobra, la histéresis y la respuesta a la temperatura. Figura 2.2. Sensores de proximidad SIEMENS. Transformador diferencial lineal. Este dispositivo, que también se denomina TDL (Transformador Diferencial Lineal) o LVDT ( Linear Variable Differential Transformer ), está constituido por un soporte de material no ferromagnético, en el que están alojados un arrollamiento primario (alimentado con C.A.) y dos arrollamientos secundarios idénticos, pero conectados en oposición de fase; a este sistema (cuyo circuito eléctrico se muestra en la Figura 2.3) se le agrega un núcleo de material ferromagnético. Toda vez que el núcleo se halle en una posición simétrica con respecto a los arrollamientos secundarios, en los extremos de estos últimos habrán tensiones inducidas iguales (esto en condiciones ideales), y ya que dichos arrollamientos se encuentran en oposición de fase, la señal total representado por la diferencia de las dos tensiones resultará nula. En cambio, si dicho núcleo no ocupa la posición central entre los dos arrollamientos secundarios, los flujos concatenados entre el primario y los secundarios serán diferentes, por lo que las tensiones entre los extremos de los dos arrollamientos serán distintas y darán lugar a una tensión de salida total diferente de cero. Figura 2.3. Esquema eléctrico de un LVDT.

4 4 Instrumentación Industrial. Guía 2 Los acondicionadores de señal para los transductores del tipo LVDT son muy complejos, pues comprenden un generador de ondas sinusoidales destinado a alimentar el primario de estos últimos, un demodulador síncrono para convertir la amplitud y la fase de la señal de salida de los mismos en una información de posición, y un amplificador de salida para obtener la ganancia y el filtrado requeridos. En la Figura 2.4 se encuentra representado el esquema de principio de un acondicionador de señal para transductores del tipo LVDT. Figura 2.4. Diagrama de bloques de acondicionador de señal LVDT. Parámetros que definen a los transductores de posición del tipo LVDT. Las características fundamentales que determinan el campo de empleo y la calidad de estos dispositivos son las siguientes: 1. La tensión de entrada nominal: que es el valor eficaz de la tensión sinusoidal con que se debe alimentar el primario de dichos transductores. 2. El margen de frecuencias: dentro del cual se hayan comprendidas las frecuencias admisibles para la tensión de entrada. 3. El campo nominal de desplazamiento: que es el valor del desplazamiento máximo que cada transductor puede convertir manteniendo las características de medición. 4. La impedancia del primario y del secundario. 5. El campo de temperaturas de trabajo y de almacenamiento. Las características relativas a la calidad de la conversión son las siguientes: La linealidad. La sensibilidad. La variación de fase. Existen además otros parámetros que sirven para definir la resistencia de estos dispositivos a las vibraciones y a los golpes. La Figura 2.5 muestra un gráfico que ilustra las características de funcionamiento de un transductor LVDT.

5 Instrumentación Industrial. Guía 2 5 Figura 2.5. Características de funcionamiento de LVDT. Procedimiento PARTE I: MEDICIÓN DE RECORRIDO CON MEDIDOR OPTOELECTRÓNICO. 1. Arme el circuito que se muestra en la Figura 2.6. Figura 2.6. Armado del sistema del sensor de medición de recorrido optoelectrónico.

6 6 Instrumentación Industrial. Guía 2 2. Coloque el interruptor de ganancia (GAIN) del amplificador de instrumentación en 1000, el potenciómetro de ajuste fino (FINE GAIN ADJ), en 1 y la frecuencia de corte (CUTOFF FREQ) en 2 Hz. 3. Ajuste el punto cero eléctrico. Para ello libere el diafragma obturador girando la perilla 2, luego retírelo del módulo con cuidado, encienda el sistema, coloque los potenciómetros de 2KΩ (RA y RB) a la mitad de la escala y luego ajústelos hasta que la diferencia entre ambas tensiones de salida sea 0 V. 4. Ajuste el cero mecánico, para ello monte el diafragma obturador de nuevo en el módulo, y sujételo con la perilla 2, luego con la perilla 1 coloque la aguja del calibrador en 5mm (escala interna), luego ajuste con la perilla 3 de tal modo que ambas fotoceldas queden semitapadas, y la diferencia entre ambas tensiones de salida sea nuevamente 0 V. 5. Desvíe el diafragma en 5mm más girando la perilla 1 y ajuste el amplificador de medición CC con las perillas llamadas OUTPUT OFFS. ADJ, INPUT OFFS ADJ y OFFS. ADJ, de tal modo que la tensión sea 5V, anote este valor en la la Tabla 2.1 y complete los otras mediciones que pide la tabla. mm Vsal (V) Tabla 2.1. Mediciones con el sensor optoelectrónico de recorrido. 6. Apague la fuente y desconecte el circuito. 7. Encienda la PC y corra el programa Microsoft Excel o LibreOffice Calc, coloque los datos de la Tabla 2.1 y haga un gráfico de X-Y dispersión de los mismos. 8. Haga un ajuste hacia una curva, puede ser una línea recta, para ello de clic derecho sobre uno de los puntos del gráfico y luego en la opción agregar o insertar línea de Tendencia, seleccione el tipo lineal y también las opciones para que se muestre el coeficiente determinado R 2 y la ecuación del gráfico. Anote estos valores: Ecuación: R 2 : PARTE II: SENSOR DE PROXIMIDAD CAPACITIVO E INDUCTIVO. 9. Visualice el diagrama de conexiones del sensor de proximidad capacitivo impreso en el dispositivo, como el de la Figura 2.7. Conéctelo el terminal L+ a 12 VDC y L- a tierra. Aproxime

7 Instrumentación Industrial. Guía 2 7 la mano al sensor capacitivo (distancia cercana, unos cuantos milímetros), verifique que se active el led. 10. Realice la detección de distintos objetos de materiales diversos (metal, plástico, papel, madera, etc.) Para cuáles de estos materiales se obtiene respuesta? Figura 2.7. Esquema de conexión de sensor capacitivo D.C. 11. Conecte el voltímetro entre el cable BK (NO) que es el cable color negro y BU (L-) que es el cable color azul cuál es el resultado en el medidor al efectuar una detección de objeto? 12. Repita el paso anterior cambiando el voltímetro al punto WH (NC), cable de color blanco y siempre con la otra punta en BU (L-) Cuál es el comportamiento al efectuar una detección? 13. Realice ahora la conexión de un sensor inductivo con alimentación AC, No se debe conectar el sensor directamente a la fuente AC, siempre debe tener en serie una carga, por eso coloque una resistencia de 10KΩ antes del sensor. Para esta prueba utilizará una fuente alterna de 24VRMS. Verifique con su docente de laboratorio que las conexiones estén correctas, para la detección emplee sólo objetos metálicos. PARTE III: DETERMINACIÓN DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DESPLAZAMIENTO TENSIÓN DEL LVDT Y CÁLCULO DE LA LINEALIDAD. 14. Conecte el Módulo Transductor de Posición LVDT G27 de Elettronica Veneta a -12VDC, tierra y +12V,DC coloque el multímetro entre el punto 11 y tierra del módulo para hacer las mediciones. 15. Haga 25 mediciones de desplazamiento y mida la magnitud del voltaje a la salida del circuito acondicionador (punto 11), escriba sus resultados en la Tabla 2.2. N L (en mm) Vout(en V)

8 8 Instrumentación Industrial. Guía Tabla 2.2. Mediciones con LVDT. 16. Encienda la PC y corra el programa Microsoft Excel o LibreOffice Calc, coloque los datos de la Tabla 2.2 y haga un gráfico de X-Y dispersión de los mismos. 17. Haga un ajuste hacia una curva, puede ser una línea recta, para ello de clic derecho sobre uno de los puntos del gráfico y luego en la opción agregar o insertar línea de Tendencia, seleccione el tipo lineal y también las opciones para que se muestre el coeficiente determinado R 2 y la ecuación del gráfico. Anote estos valores: Ecuación: R 2 : 18. Determine la linealidad de la siguiente manera: Trace dos rectas paralelas y equidistantes a la recta óptima, de tal forma que entre las dos primeras queden contenidos todos los puntos los puntos de medida trasladados al gráfico. Trazando una recta paralela al eje de las ordenadas y midiendo los valores de la tensión en los puntos de intersección de aquélla con las dos rectas que delimitan todos los puntos de medición (vea la Figura 2.8), resulta que la linealidad, referida al valor de escala completa, vale: ±1 2 V 1 V 2 F.S.O =linealidad Ecuación 2.2 Este valor se expresa normalmente en porcentaje, F.S.O. es Full Scale Output, es decir, la variación de tensión que sufre la salida cuando el desplazamiento varía según una cantidad igual al valor total de la escala.

9 Instrumentación Industrial. Guía 2 9 Figura 2.8. Esquema de ejemplo para el cálculo de la linealidad. 19. Apague y desconecte el equipo. Análisis de Resultados De la primera parte, al observar el funcionamiento del sensor óptico de desplazamiento concluya: Se podrá emplear este sistema en distancias mayores a 10mm? Se apegan los datos obtenidos a una recta óptima? Concluya acerca de su linealidad De la segunda parte, los sensores inductivos y capacitivos y su funcionamiento, concluya: Será más conveniente (por costo) el uso de interruptores electromecánicos que el uso de sensores inductivos y capacitivos? De la tercera parte, el funcionamiento del LVDT, concluya: Podrá este sistema emplearse en distancias superiores a 30mm? Se apegan los resultados obtenidos a una recta óptima? Cuáles serán las ventajas con respecto al uso del sistema óptico empleado en la primera parte del procedimiento? Concluya acerca de la linealidad del sensor. Bibliografía Lucas Nülle. (1987). Manual Medición de recorrido y de ángulo. IMT 3. versión 1. Num. De Ref: SO P. Elettronica Veneta. (s.f). Transductor de Posición LVDT Módulo G27/EV.

10 10 Instrumentación Industrial. Guía 2 Hoja de cotejo: 2 Guía 2: Medición de Posición Alumno: Máquina No: Docente: GL: Fecha: CONOCIMIENTO 25% APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO EVALUACIÓN % Nota 70% ACTITUD 2.5% 2.5% TOTAL 100% Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos Tiene deficiencias con: - Experimentar con el sensor óptico de recorrido y realizar el análisis. - Experimentar con el LVDT y analizar su comportamiento. - Analizar el comportamiento de los sensores de proximidad. Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos Logra realizar, pero de forma incompleta: - Experimentar con el sensor óptico de recorrido y realizar el análisis. - Experimentar con el LVDT y analizar su comportamiento. - Analizar el comportamiento de los sensores de proximidad. Es un observador pasivo. Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con su compañero. Es ordenado; pero no hace un uso adecuado de los recursos Hace un uso adecuado de los recursos, respeta las pautas de seguridad; pero es desordenado. Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos Logra realizar todos los análisis solicitados. Participa propositiva e integralmente en toda la práctica. Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene.