A1 IMTC R introducción a la Mecatronica PDF

Preview

Summary

Materias de fime uanl semestres carrera Mecatronica plan 401 uanl fime 2019 en adelante hasta 2022 osos trigues...

Description

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

INTRODUCCIÓN A LA MECATRÓNICA ACTIVIDAD 1: TIPOS DE SENSORES QUE INTERVIENEN EN UN SISTEMA MECATRÓNICO

MATRÍCULA

NOMBRE

1992093

NORIEGA CASTELLANOS CINTIA ELIZABETH

1992262

CUÉLLAR DÁVILA SAMUEL GERARDO

1898190

CERNA MINUTTI MAURICIO ANTONIO

1991839

JORGE LUIS NAVA ORTIZ

1900466

DENISSE GARCIA ESPINOZA

1991936

DORA KARINA NIETO FLORES

M.I. DANTE FERREYRA MENDEZ AGOSTO 2020 – ENERO 2021 HORA: V2

GRUPO 004

CIUDAD UNIVERSITARIA. A 01 DE OCTUBRE DEL 2020

ÍNDICE: Introducción………………………………………………………….…...... 3 ● Contenido…………………………………………………………………… 4 ● Sistemas Mecatrónicos ……………………………………………. 4 ● ¿Qué es un sensor? ……………………………………………….. 5 ● Características generales de los sensores………………………. 6

●

●

¿Qué tipos de sensores están involucrados en el sistema mecatrónico que vamos a desarrollar?................................... 8

●

Tabla de clasificación de los Sensores en la incubadora de huevos automatizada……………………………………... 14

Conclusiones……………………………………………………………… 16 ● Bibliografía………………………………………………………………… 18 ●

2

INTRODUCCIÓN: En el presente reporte vamos a describir los tipos de sensores que intervienen en un sistema mecatrónico. En este caso el sistema mecatrónico en el que nos vamos a enfocar va a ser en una incubadora de huevo automatizada, con esto identificamos las características de los sensores que puedan estar involucrados en el funcionamiento de este sistema. Vamos a explicar primero algunos términos necesarios, así como mencionar cuáles son las características generales de los sensores y los diferentes tipos, para posteriormente poder clasificar los que están involucrados en específico en la incubadora. El uso de incubadoras automáticas actualmente es muy común en las industrias, por la gran producción que demanda el mercado y por la precisión con la que cuentan a la hora de ejecutar los procesos de incubación que se requiere para obtener los pollitos. Un sensor es cualquier dispositivo que detecta una determinada acción externa. Los sensores existen desde siempre, y nunca mejor dicho, porque el hombre los tiene incluidos en su cuerpo y de diferentes tipos. La importancia de la tecnología los sensores La siempre creciente automatización de los complejos sistemas de producción, necesita la utilización de componentes que sean capaces de adquirir y transmitir información relacionada con el proceso de producción. Los sensores cumplen con estos requerimientos, y por ello se han convertido en los últimos años en componentes cada vez más importantes en la tecnología de medición y en la de control en bucle cerrado y abierto. Los sensores proporcionan la información al control en forma de variables individuales del proceso.

3

CONTENIDO: SISTEMAS MECATRÓNICOS Los sistemas mecatrónicos son aquellos sistemas constituidos fundamentalmente por componentes, dispositivos o elementos que tienen como función específica transformar o transmitir el movimiento desde las fuentes que lo generan, al transformar distintos tipos de energía. Están integrados por sensores, microprocesadores y controladores. En todo momento están procesando información, registran, procesan, y actúan, puede aprender y mecanizar aparte de poseer un cierto grado de inteligencia, comandado a través de programas, es un sistema inteligente. Un sistema mecatrónico no es sólo la unión de los sistemas electrónico y mecánico y es más que sólo un sistema de control; es una integración completa de todos ellos en la cual existe un enfoque concurrente al diseño. En el diseño de autos, robots, máquinas-herramienta, lavadoras, cámaras y muchas otras máquinas, se adopta cada vez más dicho enfoque integrado e interdisciplinario para el diseño en ingeniería. Un sistema mecatrónico se divide en tres partes: • Mecánica • Eléctrica • Software Las partes de un sistema mecatrónico son: 1. Estructura: Es el “cuerpo” de nuestro sistema, en él irán todos los demás elementos que lo integran. 2. Sensores o transductores de entrada: Es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas y transformarlas en variables eléctricas. Permiten medir el estado del mecanismo o del medio ambiente.

4

3. Actuadores o transductores de salida: Los actuadores son, como su nombre lo dice, los que realizan una acción, todo mecanismo requiere de una fuente de potencia para operar, existen muchos tipos de actuadores, por ejemplo, los motores. 4. Controladores: Los controladores son los que regulan todas las funciones asociadas de temporización, cadencia y conteo lógico. 5. Interfaces: es el medio por el cual se conectan dos sistemas o dispositivos.

¿QUÉ ES UN SENSOR? El término sensor se refiere a un elemento de medición que detecta la magnitud de un parámetro físico y lo cambia por una señal que puede procesar el sistema. Al elemento activo de un sensor se le conoce comúnmente como transductor. El diseño de sensores y transductores siempre involucra alguna ley o principio físico o químico que relaciona la cantidad de interés con algún evento medible. Los sistemas de monitorización y control requieren sensores para medir cantidades físicas tales como posición lineal, posición angular, desplazamiento, deformación, aceleración, humedad, presión, caudal, fuerza, velocidad lineal, velocidad angular, temperatura, intensidad lumínica, distancia y vibración. Un sensor se puede considerar un transductor ya que se encargan de convertir una señal física (temperatura, luz, sonido, etc.) en una señal eléctrica de corriente o voltaje que puede ser manipulada (medida, amplificada, transmitida, etc.).

5

Características generales de los sensores: El transductor ideal sería aquel en que la relación entre la magnitud de entrada y la magnitud de salida fuese proporcional y de respuesta instantánea e idéntica para todos los elementos de un mismo tipo. Sin embargo, la respuesta real de los transductores nunca es del todo lineal, tiene un rango limitado de validez, suele estar afectada por perturbaciones del entorno exterior y tiene un cierto retardo en la respuesta. Las características de los transductores se pueden agrupar en dos grandes bloques: Características estáticas, que describen la actuación del sensor en régimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir. Características dinámicas, que describen el comportamiento del sensor en régimen transitorio. Características Estáticas Rango de medida: el conjunto de valores que puede tomar la señal de entrada comprendidos entre el máximo y el mínimo detectados por el sensor con una tolerancia de error aceptable. Resolución: indica la capacidad del sensor para discernir entre valores muy próximos de la variable de entrada. Indica que variación de la señal de entrada produce una variación detectable en la señal de salida. Precisión: define la variación máxima entre la salida real obtenida y la salida teórica dada como patrón para el sensor.

6

Repetibilidad: Indica la máxima variación entre valores de salida obtenidos al medir varias veces la misma entrada con el mismo sensor y en idénticas condiciones ambientales. Linealidad: un transductor es lineal si existe una constante de proporcionalidad única que relaciona los incrementos de la señal de salida con los respectivos incrementos de la señal de entrada en todo el rango de medida. Sensibilidad: indica la mayor o menor variación de la señal de salida por unidad de la magnitud de entrada. Cuanto mayor sea la variación de la señal de salida producida por una variación en la señal de entrada, el sensor es más sensible. Ruido: cualquier perturbación aleatoria del propio sistema de medida que afecta la señal que se quiere medir. Características Dinámicas Tiempo de respuesta: Es el tiempo que transcurre desde que aplicamos una entrada constante, una entrada escalón, hasta que el transductor produce una respuesta en consecuencia a la salida correspondiente a un porcentaje especificado, como el 96% del valor de la entrada. Constante de tiempo: Es una medida de la inercia del sensor y se considera el tiempo que tarda en reaccionar a los cambios en la entrada, se debe considerar que entre mayor sea la constante de tiempo más lenta será su reacción ante una señal de entrada variable. Tiempo de levantamiento: Tiempo que requiere la salida para llegar a un porcentaje especificado de la salida en un estado estable. Tiempo de asentamiento: Tiempo que tarda la salida en alcanzar un porcentaje de un valor determinado. Estabilidad: indica la desviación en la salida del sensor con respecto al valor teórico

7

dado, al variar parámetros exteriores distintos al que se quiere medir (condiciones ambientales, alimentación, etc.). ¿QUÉ TIPOS DE SENSORES ESTÁN INVOLUCRADOS EN EL SISTEMA MECATRÓNICO QUE VAMOS A DESARROLLAR? SELECCIÓN DE SENSORES: Es recomendable conocer nuestras variables que queremos medir, así como las especificaciones de nuestros sensores, para aplicaciones específicas deben considerarse varios factores: ● Tipo de medición que se requiere. ● Tipo de salida que se requiere del sensor. ● Se hace una selección de sensores posibles, considerando intervalo, exactitud, linealidad, velocidad de respuesta, confiabilidad, factibilidad de mantenimiento, disponibilidad y costo. Son algunas consideraciones importantes para la selección del sensor a emplear, se recomienda hacer un listado de las variables disponibles, variables deseadas y posibles variables. TERMINOLOGÍA DEL FUNCIONAMIENTO Los parámetros para considerar en toda calibración y algunos términos empleados para definir el funcionamiento y el de los sistemas de medición como un todo. o Intervalo: Define los límites entre los cuales puede variar la entrada de un transductor. o Extensión: Es el valor máximo de la entrada menos el valor mínimo. o Error: Corresponde a la diferencia entre el resultado de la medición y el valor verdadero. Los errores son por diferentes causas, se pueden de alguna manera prever, calcular, eliminar mediante calibraciones y compensaciones. o Exactitud: Se refiere a cuál cerca del valor real se encuentra el valor medido, por lo tanto, la exactitud es igual a la suma de todos los errores posibles más el error en la exactitud de la calibración del transductor. o Precisión: Es la dispersión del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas correspondientes a una magnitud. o Sensibilidad: Relación que indica cuánta salida se obtiene por unidad de entrada, es decir, salida/entrada. Este término también se utiliza para indicar la sensibilidad a otras entradas además de la que se mide, como a factores

8

o

o o

o o o o

del medio ambiente. Un ejemplo muy fácil de identificar es al agregar la variable de temperatura, esto quiere decir que nuestro sensor o transductor tendrá una variación a los cambios en la temperatura ambiente. Error por histéresis: Corresponde a distintas salidas de la misma cantidad medida, este valor cambia según sea por incremento o decremento. El error de histéresis corresponde a la diferencia máxima obtenida a partir de valores de incremento y decremento. Error por no linealidad: Este error se define como la desviación máxima respecto a la línea recta. Repetibilidad o reproducibilidad: Describe la capacidad del transductor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada. Estabilidad: Capacidad para producir la misma salida cuando se usa para medir una entrada constante en un período. Banda o tiempo muerto: Corresponde a los intervalos de valores de entrada para los cuales no hay salida. Resolución: Es el cambio mínimo del valor de entrada capaz de producir un cambio observable en la salida. Impedancia de salida: Al incluir el sensor a un circuito se debe considerar la impedancia de este, ya que el comportamiento del sistema al que se conecta podría modificarse de manera considerable.

SENSORES EN LA INCUBADORA DE HUEVOS AUTOMATIZADA El sistema está equipado con sensores que monitorizan temperatura y humedad y ventilación. Un sensor es un tipo de transductor, la diferencia es que el sensor está siempre en contacto con la variable a medir o controlar. En el mercado existen diferentes tipos, ninguno de ellos es el mejor en todas las situaciones de medida, la elección de alguno dependerá del tipo de aplicación para la cual vaya a ser utilizado. Los factores que definen las características de un sensor son diversos, por ejemplo, intervalo de uso, velocidad de respuesta, precisión, deriva y precio. En regulación automática hay que agregar otro: la facilidad de conexión con los reguladores, y en especial con los electrónicos digitales. Este último factor mueve a descartar rápidamente varias alternativas como poco prácticas; por ejemplo, los transductores basados en dilataciones (como los termómetros de mercurio).

9

● Sensor de Humedad El sensor de humedad es un aparato de lectura utilizado en espacios interiores para controlar la humedad del aire y la temperatura. Las magnitudes medidas por el sensor de humedad se transforman en una señal eléctrica normalizada, cuya intensidad suele estar comprendida entre 4 y 20 mA. Un material semiconductor es el encargado de determinar con precisión los valores de humedad y temperatura que se corresponden con la señal emitida. Es usado en espacios donde se requiera vigilar humedad en el aire y temperatura. Este sensor toma medidas y las transforma en una señal eléctrica. Un componente semiconductor se encarga de establecer con exactitud los valores de humedad y temperatura que pertenecen a la señal expresada. Es muy útil ya que admite regular el caudal de aire renovado en función de la humedad ambiental. Es posible encontrar diferentes tipos de sensores de humedad los cuales son:

Sensores de Humedad Capacitivos: Este sensor forma un condensador de dos láminas de oro como placas y como dieléctrico una lámina no conductora que varía su constante dieléctrica, esto en función de la humedad relativa de la atmósfera del ambiente. El valor de la capacidad se mide como humedad relativa. Son de fácil producción, bajo costo y alta fidelidad. El principio en el cual están basados en el cambio de la capacidad (en Farad) de un condensador al variar la constante dieléctrica del mismo.

10

Sensores de Humedad Resistivos: Un electrodo polímero montado en tandem censa la humedad en el material. Además, un circuito acondicionador y linealizado dan una salida estándar.

Sensores por Psicrometría Se basa fundamentalmente en la medición de temperatura, para deducir la cantidad de vapor de agua presente en una mezcla gaseosa. Consiste en disponer dos termómetros, con uno de ellos se mide la temperatura de la mezcla (temperatura de bulbo seco) y con el otro la temperatura de la superficie de una película de agua.

Sensores por Desplazamiento o Mecánicos Utiliza un mecanismo para medir la expansión o contracción de cierto material, en presencia de humedad. Algunos materiales comunes son algunas fibras orgánicas y sintéticas como el nylon y la celulosa.

Sensores por Condensación Basados en la medición de la temperatura de rocío la cual permite calcular la humedad relativa, por medio de un dispositivo.

● Sensor de temperatura Termopar Este transductor se caracteriza al juntar dos metales diferentes para que así se genere una variación de potencial a la que se llama “función de diferencia de temperatura” entre sus extremos el cual se llama punto caliente y punto frío. La termocupla convierte los tipos de señal y si emplea una temperatura a la intersección de los metales, causa una diferencia de tensión entre los alambres. Traduce la señal de temperatura y la transforma en señal de voltaje

11

La termocupla viene a constituir un mecanismo, que usualmente es popular por cumplir con las funciones de un sensor de temperatura, generando y transmitiendo impulsos eléctricos proporcionales a la temperatura en la que se encuentre instalado y teniendo presente su medio de ejecución. En general, lo que hace este equipo es generar pequeñas tensiones por parte del sensor, que deben ser amplificadas para ser interpretadas correctamente. Son muchos los testers de empleo masivo en el rubro industrial, los cuales incorporan nuestras termocuplas, que se acoplan a las entradas correctas, y permiten un registro de la temperatura de manera segura, eficiente e inmediata.

Termorresistencia (RTD: Resistence Temperature Detector) Las RTD son sensores basados en elementos conductores. La termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura. Los dispositivos RTD más comunes están construidos con una resistencia de platino (Pt), llamadas también PRTD. Termistores (Sensores Resistivos) Un termistor es un dispositivo semiconductor cuya resistencia varía en función de la temperatura. Existen dos clases de termistores: NTC (Negative Temperature Coefficient: Coeficiente de Temperatura Negativo), que es una resistencia variable cuyo valor tiene un decremento a medida que aumenta la temperatura; y PTC (Positive Temperature Coefficient: Coeficiente de Temperatura Positivo), cuyo valor de resistencia eléctrica aumenta cuando aumenta la temperatura. Los termistores difieren de los resistores de temperatura como las RTD, en que por lo general utilizan materiales como cerámicas y polímeros, mientras las RTD utilizan metales puros. ● Sensor integrado con sensor de humedad y sensor de temperatura El DHT11 y DHT22 son sensores digitales que realizan mediciones de humedad y temperatura simultáneamente. Entre ellos se diferencian físicamente por su tamaño y color pero técnicamente su discrepancia es por

12

el rango de temperaturas y porcentajes de humedad que ofrecen, además de su precisión. Estos sensores utilizan un sensor capacitivo de humedad y un termistor para medir el aire que se encuentra a su alrededor. Este sensor cuenta con un pin para alimentación de 3.3 V a 5 V, un pin para tierra y otro pin para lectura de datos. Los datos de la interfaz serial transmiten 40 bits que son convertidos a señales digitales. Siendo los primeros grupos de 8 bits acerca de la humedad, los siguientes dos acerca de temperatura y los últimos la paridad. ●

Sensor de posición

Sensor de rotación Estos sensores funcionan gracias a que son de tipo magnético, los sensores de posición angular magnéticos cuentan con dos elementos principales, un detector y un emisor, el emisor es principalmente un imán que al variar su posición, también lo harán sus polos. Por este principio de funcionamiento, contamos con un sensor de ángulo absoluto. Este tipo de sensores controla el intervalo de tiempo el cual transcurre entre los impulsos de los movimientos rotativo o cíclico. Cuando el intervalo de tiempo es menor el sensor regula la velocidad y trata de fijarla a la velocidad antes prefijada, en cambio si la velocidad es mayor a la prefijada el sensor no regula la velocidad y deja que esa siga igual ya que esto nos dice que el sistema tiene un gran funcionamiento.

13

Variable física para medir Humedad -Humedad de aire Temperatura Tipo de sensor

Temperat ura

Temperatura

Características estáticas

Características dinámicas

Acondicionador de señal

-Humedad relativa: con el 0 Tiempo de a 100% respuesta: 8s -Rango de temperaturas: 203 – 323 ºK - Resolución 1% RH -Precisión típica ± 8%RH in 70°C, ± 5%RH in -40°C, ± 3%RH in -20°C -Potencia 15 mW.

Este tipo de sensor proporciona una señal de tensión proporcional a la humedad relativa y puede ser acondicionada por la entrada del convertidor Analogico-Digital d...