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Informe sobre los principios básicos de los sensores de desplazamiento lineal....

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SENSORES DE DESPLAZAMIENTO LINEAL Titulación: Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática Asignatura: Instrumentación electrónica OBJETIVOS   

Comprender los principios básicos de los sensores de desplazamiento lineal. Investigar y determinar las características de los elementos disponibles en el laboratorio. Comprobar el funcionamiento de los elementos de desplazamiento lineal.

MARCO TEÓRICO ELEMENTOS DE DESPLAZAMIENTO LINEAL Sensores de desplazamiento inductivo que utilizan el principio de transformador diferencial (LVDT) se puede utilizar para medir desplazamiento e, indirectamente, magnitudes que se pueden convertir en desplazamientos tales como fuerza, presión, tensión, torque, vibración y demás. Gracias a la alta calidad de sus medidas, su alto protección y larga vida útil, estos sensores se utilizan en muchos tecnologías (industria, investigación, desarrollo, etc.). Las aplicaciones incluyen medición, control, regulación y monitoreando movimientos lentos y rápidos entre la máquina partes, medidas de posición y cambios de posición de componentes y cimientos estructurales, servos reguladores, válvula y controladores de robot, mediciones de crecimiento, etc.

Fig. 1 Sensor de desplazamiento potenciómetro [1]. Rangos de medición 0 .... 1 mm a 0 ... 150 mm No linealidad ± 0.25% F.S., opcional a 0.1% F.S. Amplificador de medición integrado, salida 0 ... 5 V Opcional 0 ... 10 V, 4 ... 20 mA Electrónica en macetas no susceptible a la vibración o impacto MODELO DE DIBUJO DIMENSIONAL

Fig. 2 Dimensiones [1]. DATOS TÉCNICOS

Fig. 3 Características técnicas del sensor. INSTALACIÓN

Fig. 4 Instalación [1]. A. SENSOR DE DESPLAZAMIENTO ENCODER SONY DG50BP

Fig. 5 Sensor encoder Sony [2].      

Alta precisión, calibres robustos. Adecuado para instalación en máquinas Principio magnético Excelente resistencia a las condiciones del taller (BP: IP64). Resistente al aceite, agua, polvo, vibraciones y golpes. Precisión: ± 1 μm (DG50BP / 50BN), ± 2 μm (DG100BP / 100BN), ± 2,5 μm (DG155BP), ± 3 μm (DG205BP)

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Resolución: 0.5 μm Rango de medición: 50 mm / 1.96 ", 100 mm / 3.93", 155 mm / 6.10 "y 205 mm / 8.07" Alta fuerza de medición (DG50BP / 100BP) Baja fuerza de medición (DG50BN / 100BN) Sensor magnético (DG155BP / 205BP) Fácil instalación

DATOS TECNICOS

Fig. 6 Características técnicas del sensor [2]. DIMENSIONES

Fig. 7 Dimensiones [2]. INSTRUCCIONES DE MONTAJE •

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Asegúrese de colocar el vástago de la sonda para el montaje. Si otra porción de la sonda necesita ser tirado, evite tirar la parte de la etiqueta del nombre (donde está incorporada la cabeza) y su barrio (Fig. 1). Si la sonda está montada en otro dispositivo, asegúrese de que la sonda está libre de contacto con los tornillos de montaje. Cuando se reemplaza la sonda, ya que someter el eje a un par excesivo puede dañar el mecanismo interno, siempre reemplace el palpador a mano sin usar herramientas. Excepto cuando se usa un

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palpador plano, se recomienda adjuntar un 2.5 nominal arandela de resorte o use un bloqueo de tornillo para evitar que se afloje la sonda (par de apriete) valor de referencia: 0.05-0.06 N · m). La sonda comprende cojinete de bolas. Por lo tanto, tirar el vástago de la sonda con demasiada fuerza cuando el montaje puede dañar el eje y evitar su movimiento suave. Se puede usar un soporte de dimensiones como se muestra en la Fig. 2 para montar la sonda, apretando el tornillo a aproximadamente 4 N • m de par. Debido a que el paralelismo de montaje afecta la precisión de la medición, ajuste el paralelismo dentro de 0.3 mm (0.0118 ") en relación con el desplazamiento de 100 mm (3.94") por medio de soporte de montaje (o manga). Fije el cable en una posición adecuada para evitar su posible rotura. Nunca maneje el cable tirando o doblando a la fuerza. (Radio de curvatura interior de 40 mm o más) Si el husillo debe fijarse a la máquina, utilice el acoplamiento DZ-191 que es opcional disponible. Consulte el Manual de instrucciones DZ-191 con respecto al procedimiento de montaje [2].

Fig. 8 Instalación [2]. SENSOR DE DESPLAZAMIENTO POTENCIÓMETRO BURSTER 8713-50 El transmisor de presión digital Cerabar PMP51 con membrana metálica se utiliza normalmente en procesos industriales e higiénicos para la medición de presión, nivel, volumen o masa en líquidos o gases. PMP51 está diseñado para aplicaciones de alta presión hasta 400 bar. El menú de Configuración rápida con rango de medición ajustable permite una fácil puesta en marcha, reduce costes y ahorra tiempo. SIL2 según IEC 61508 e IEC 61511. Un potenciómetro es un dispositivo electromecánico que consta de una resistencia de valor fijo sobre la que se desplaza un contacto deslizante llamado cursor y que la divide eléctricamente. La aplicación más común de los potenciómetros en instrumentación es como sensor de desplazamiento de tipo resistivo. El movimiento del cursor origina un cambio en la resistencia, el cual puede utilizarse para medir desplazamientos lineales o angulares de piezas acopladas al cursor. Los potenciómetros pueden usarse para medir diversas magnitudes físicas siempre que se puedan convertir en desplazamiento [2].

Fig. 9 Potenciómetro de desplazamiento [2]. DATOS TÉCNICOS

Measurement ranges: Non-linearity up Durability Resolution Resistance: measuring range measuring range Tolerance of resistance: operating voltage: measuring range measuring range measuring range Recommended current in slider circuit: Max. current in slider circuit:

0 ... 10 mm to 0 ... 150 mm to 0.05 % F.S. 108 operations 0.01 mm Follower roll on request Optional with internal spring 10 mm and 25 mm 1 kΩ 50 mm up to 150 mm ± 20 % Max. 10 mm 14 V 25 mm 25 V 50 mm up to 150 mm 60 V < 0.1 µA 10 mA (> 0.1 µA negative influence to linearity and durability) > 100 MΩ at 500 V 500 Veff at 50 Hz - 50 °C ... 120 °C - 30 °C ... 100 °C

Insulation resistance: Electrical strength: Storage temperature range: Nominal temperature range: Temperature coefficient: - 200 ± 200 ppm/K of connection resistance max. of output voltage < 1.5 ppm/K Tabla I. Características técnicas del sensor [2]. SENSOR DE DESPLAZAMIENTO LVDT

Los sensores de desplazamiento tipo inductivo, también conocidos como sensores de desplazamiento LVDT (de las siglas en inglés Linear Variable Differential Transformer), basan su funcionamiento en el movimiento de un núcleo dentro del cuerpo del sensor que tiene arrollados los bobinados, de ahí que sea un transformador de núcleo móvil. Se trata de un sensor sin rozamiento, ya que, al ser inductivo, la variación es por campo magnético. Este desplazamiento debidamente calibrado, proporciona una relación entre la inducción y la distancia recorrida. Son habituales para rangos bajos y medios, desde pocos milímetros hasta los 500mm, y cuentan con múltiples opciones de montaje, como muelle de retorno, rótulas, etc. Los formatos son variados, modelos con o sin electrónica que pueden soportar altas temperaturas, modelos para insertar en cilindros que pueden soportar altas presiones, modelos tipo palpador, etc [2]. Sensores LVDTs:       

Rangos de medida desde ±0.25mm hasta ±470mm Precisiones de medida hasta ±0.1%FS Frecuencias de trabajo hasta cientos de Hz Salidas eléctricas configurables (4 – 20mA, 0 – 10V, ±10V, AC) Alimentación AC ó DC Sensores sumergibles Entornos ATEX

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Bajo coste (aplicaciones OEM)

Fig. 10 Sensor de desplazamiento LVDT [2] SENSOR DE DESPLAZAMIENTO IDL 1302-50 El miniaturizado optoNCDT 1302 es un sensor láser de bajo costo para tareas de medición comunes. El diseño extremadamente pequeño facilita su integración incluso en áreas con espacio limitado. A pesar de sus pequeñas dimensiones, la serie 1302 proporciona resultados de medición precisos y es adecuado para la integración de la máquina y la tecnología de automatización. CARACTERÍSTICAS:          

Rangos de medida (mm): 20 | 50 | 100 | 200 Linealidad máxima: 40 µm Resolución máxima: 4 µm Ratio de medición: 750 Hz Diseño compacto con electrónica integrada Bajo coste Salida analógica escalable Entrada de trigger Interface RS422 Selección de carga máxima

Fig. 11 Sensor de desplazamiento IDL 1302-50 [2]. DESARROLLO DE LA PRACTICA 1. 2. 3. 4.

Encendemos los equipos y se procede a calibrar los sensores a utilizarse. Variando el desplazamiento de 5mm en 5 mm se obtuvo los datos de los 3 diferentes sensores. La última medición fue cuando el sensor marco 50mm. Se realizo cálculos sobre las mediciones.

Tabla de mediciones: Los resultados de las mediciones de cada sensor se muestran en las siguientes tablas.

Sensor inductivo Las mediciones de este sensor se muestran en la tabla 1, como se puede ver no existe un error considerable en la medición de dicho sensor, por lo que es un sensor bastante exacto para medir el desplazamiento lineal, el error humano es mínimo en este sensor por lo que es práctico para una implementación industrial. Tabla 1 Mediciones sensor inductivo Referencia encoder(mm ) 0 5 10 15 20 25 30

Medición (mm)

Error (mm)

Error (%)

0 4.96 9.92 14.88 19.84 24.8 29.76

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 0.24

0 0.8 0.83 0.77 0.81 0.82 0.8

35 40 45 48

34.73 39.72 44.69 47.64

0.27 0.28 0.31 0.36

0.76 0.7 0.69 0.74

Sensor potenciométrico Este sensor presenta un error de mayor magnitud respecto al sensor inductivo por lo que es menos preciso para medir desplazamiento lineal, el error de medición humano puede ser uno de los factores involucrados en el error de medición de dicho sensor. Tabla 2 Mediciones sensor potenciómetro Referencia encoder (mm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 48

Medición (mm)

Error (mm)

Error (%)

0 5.17 10.33 15.49 20.67 25.85 31.03 36.2 41.37 46.43 47.63

0 -0.17 -0.33 -0.49 -0.67 -0.85 -1.03 -1.2 -1.37 -1.43 0.37

0 3.36 3.28 3.3 3.33 3.4 3.43 3.44 3.41 3.17 0.77

Sensor Óptico El sensor óptico es el mejor de los tres tipos para medir desplazamiento lineal ya que es muy estable y presenta el menor dato de error por lo que se recomienda usar en aplicaciones prácticas y precisas.

Tabla 3 Mediciones sensor óptico Referencia encoder (mm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 48

Medición (mm)

Error (mm)

Error (%)

0 5 10 15.07 19.99 25.16 30.11 35.05 40.16 45.1 48.07

0 0 0 -0.07 0.01 -0.16 -0.11 -0.05 -0.16 -0.1 -0.07

0 0.01 0.05 0.48 0.04 0.65 0.36 0.15 0.41 0.22 0.15

ANALISIS DE RESULTADOS En la presente practica se realizó la medición de desplazamiento lineal mediante tres sensores, un sensor inductivo, un potenciométrico y un óptico, al realizar la práctica se vio que el sensor óptico es el mejor de los tres para medir el desplazamiento lineal debido a su baja tasa de error generado por lo que es recomendable usarlo en aplicaciones de precisión, los 3 sensores se estabilizaron en un tiempo específico por lo que según su estabilidad se puede usar cualquiera de los tres sensores, el sensor potenciométrico es el que presenta mayor rango de error por lo que es el menos preciso, además de tener el error humano de medición. La medición del desplazamiento lineal se dio cada 5mm con ayuda de un micrómetro, las mediciones tomadas fueron dadas por software por lo que el sistema de medición es bastante preciso. CONCLUSIONES Mediante la obtención de datos experimentales se puede concluir que el sensor óptico tiene el menor rango de error de todos los sensores utilizados en esta práctica, también es muy importante denotar el tiempo de estabilización de cada sensor de desplazamiento lineal. En la práctica después de realizarla se puede concluir que el sensor óptico fue el más factible para poder medir desplazamiento, ya que con los resultados obtenidos se pudo ver que es el que tiene menos error de los tres sensores utilizados, también se debe tener en cuenta el tiempo en el que demoraron los sensores en estabilizarse y se pudo notar que en el sensor potenciómetro presenta error por parte del operario. BIBLIOGRAFIA [1] Buster, www.burster.com, disponible en: https://www.burster.com/en/products/p/detail/8740-8741/ (ultimo acceso 28/01/2018). www.buster.com, disponible en: [2] Buster, https://www.burster.com/fileadmin/user_upload/redaktion/Documents/Products/Manuals/Section_8/BA_8739 -8741_EN.pdf (ultimo acceso 28/01/2018)....