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Dispositivos Electromecánicos empleados en sistemas electrónicos y sensores inductivos Dispositivos Electromecánicos Introducción: La electromecánica es la combinación de las ciencias del electromagnetismo de la ingeniería eléctrica y la ciencia de la mecánica. La Ingeniería electromecánica es la disciplina académica que la aborda, gracias a ella se han producido importantes avances en el desarrollo tecnológico en la mayoría de los campos científicos. Los dispositivos electromecánicos son los que combinan partes eléctricas y mecánicas para conformar su mecanismo, así cumplir con una función determinada. Tipos de dispositivos electromecánicos Dentro del área de la electromecánica existe un gran número de componentes, estos pueden clasificarse de la siguiente manera: Motores. Relés electromecánicos Solenoides (Válvulas solenoides) Interruptores y llaves de selección electromecánicas El Motor eléctrico 2.1 Descripción El motor eléctrico es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica rotación por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estator y un rotor. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden convertir energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores o dinamo. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se diseñan adecuadamente. Son utilizados en infinidad de sectores tales como instalaciones industriales, comerciales y particulares. Su uso está generalizado en ventiladores, vibradores para teléfonos móviles, bombas, medios de transporte eléctricos, electrodomésticos, esmeriles angulares y otras herramientas eléctricas, unidades de disco, etc. Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (CC), y por fuentes de corriente alterna (CA). Figura 1 partes internas de un motor eléctrico 2.2 Principio de funcionamiento del Motor Eléctrico El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor. Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería. Los motores eléctricos son dispositivos que transforman energía eléctrica en energía mecánica. El medio de esta transformación de energía en los motores eléctricos es el campo magnético. Existen diferentes tipos de motores eléctricos y cada tipo tiene distintos componentes cuya estructura determina la interacción de los flujos eléctricos y magnéticos que originan la fuerza o par de torsión del motor. El principio fundamental que describe cómo es que se origina una fuerza por la interacción de una carga eléctrica puntual “q” en campos eléctricos y magnéticos es la Ley de Lorentz. Dónde: q : carga eléctrica puntual E{\displaystyle \mathbf {E} } : Campo eléctrico v{\displaystyle \mathbf {v} } : velocidad de la partícula B{\displaystyle \mathbf {B} }: densidad de campo magnético En el caso de un campo puramente eléctrico la expresión de la ecuación se reduce a: En el caso de un campo puramente magnético: Figura 2 Principio de funcionamiento de un motor de corriente continúa 2.3 Aplicaciones de los Motores Eléctricos Los motores eléctricos son encontrados en aplicaciones tan diversas como abanicos industriales, sopladores y bombas, máquinas, herramientas, aparatos electrodomésticos, herramientas eléctricas, y unidades de disco. Estos pueden ser impulsados por la corriente directa o por la corriente alterna de una rejilla de distribución eléctrica central. Los motores más pequeños pueden ser encontrados en relojes de pulsera eléctricos. Los motores de tamaño medio de dimensiones y características muy estandarizadas proporcionan el poder mecánico conveniente para usos industriales. Los motores eléctricos mucho más grandes son usados para la propulsión de grandes barcos, y para objetivos tales como compresores de tubería. Los motores eléctricos pueden ser clasificados por la fuente de energía eléctrica, por su construcción interna, por su aplicación, o por el tipo de movimiento que ofrecen. Relés electromecánicos 3.1 Descripción: Un relevador es un aparato eléctrico que funciona como un interruptor pero que es accionado eléctricamente. El relé permite abrir o cerrar contactos mediante un electroimán, Fue desarrollado en la primera mitad del siglo XIX por el físico norteamericano Joseph Henry, a través de una bobina y un electroimán. Lo que hace la bobina es crear un campo magnético que lleva los contactos a establecer una conexión. El electroimán, por su parte, permite el cierre de los contactos 3.2 Estructura de un Relé electromecánico El relé electromagnético es uno de los relés más utilizados, las partes principales son: La bobina - La bobina de este relé es la encargada de generar una corriente inducida en el bobinado crear un campo magnético. Conexiones de la bobina - Mediante estas conexiones daremos tensión a la bobina, normalmente serán tensiones de 12 voltios o 24 voltios en corriente continua. Núcleo - El núcleo está situado en el interior de la bobina y se magnetiza con la intención de atraer la parte metálica llamada hierro inducido. Hierro inducido - El hierro inducido se moverá atraído por el núcleo y provocará la unión de los contactos abiertos. Contactos abiertos - Los contactos abiertos los utilizaremos para dar tensión al receptor que queramos hacer actuar. Figura 3 partes des un relé electromecánico 3.3 Principio de funcionamiento Un relevador funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Figura 4 principio de funcionamiento de un relé electromecánico 3.4 Tipos de Relés Electromecánicos Relés de tipo armadura Son los más antiguos y también los más utilizados. El esquema siguiente nos explica prácticamente su constitución y funcionamiento. El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.O ó N.C (normalmente abierto o normalmente cerrado). Figura 5 Relé electromecánico tipo Armadura Relé tipo Reed o de Lengüeta Formados por una ampolla de vidrio, en cuyo interior están situados los contactos (pueden se múltiples) montados sobre delgadas láminas metálicas. Dichos contactos se cierran por medio de la excitación de una bobina, que está situada alrededor de dicha ampolla. Figura 6 Relé electromecánica tipo lengüeta 3.4 Aplicación de los relés Las aplicaciones del relé son ilimitadas, su función principal es controlar el circuito de alta tensión. Los relés no sólo se utilizan en los grandes circuitos eléctricos, sino también en los circuitos informáticos para realizar las operaciones aritméticas ymatemáticas de los mismos. Se utiliza para controlar los interruptores del motor eléctrico. Para encender un motor eléctrico necesitamos una fuente de alimentación de 230V AC pero en pocos casos/aplicaciones, puede haber una situación para encender el motor con un voltaje de alimentación de DC. En estos casos, se puede utilizar un relé. Los estabilizadores automáticos son una de sus aplicaciones donde se utiliza un relé. Cuando la tensión de alimentación es distinta de la tensión nominal, un conjunto de relés detecta las variaciones de tensión y controla el circuito de carga con la ayuda de disyuntores. Se utiliza para la selección de circuitos si existe más de un circuito en un sistema. Utilizado en televisores. Los circuitos internos de un televisor de tubo de imagen antiguo funcionan con el voltaje de CC, pero el tubo de imagen necesita un voltaje de CA muy alto, para encender el tubo de imagen con un suministro de CC podemos usar un relé. Utilizado en los controladores de señales de tráfico, controladores de temperatura. Solenoides 4.1 Descripción Un solenoide es cualquier dispositivo físico capaz de crear un campo magnético sumamente uniforme e intenso en su interior, y muy débil en el exterior. Un ejemplo teórico es el de una bobina de hilo conductor aislado y enrollado helicoidalmente, de longitud indeterminada. En ese caso ideal el campo magnético sería uniforme en su interior y, como consecuencia, afuera sería nulo. En la práctica, una aproximación real a un solenoide es un alambre aislado, de longitud finita, enrollado en forma de hélice (bobina) o un número de espirales con un paso acorde a las necesidades, por el que circula una corriente eléctrica. Cuando esto sucede, se genera un campo magnético dentro de la bobina tanto más uniforme cuanto más larga sea la bobina. La ventaja del solenoide radica en esa uniformidad que a veces se requiere en algunos experimentos de física. Pero también tiene inconvenientes: es más engorroso que las Bobinas de Tesla y no puede producir un campo magnético elevado sin un equipo costoso y un sistema de refrigeración. André- Marie Ampére inventó en 1820 el nombre de solenoide, en un experimento en las corrientes circulares. 4.2 Principio de funcionamiento La bobina con un núcleo apropiado, se convierte en un electroimán. Se utiliza en gran medida para generar un campo magnético uniforme. Se puede calcular el módulo del campo magnético en el tercio medio del solenoide según la ecuación: {\displaystyle B={\frac {mNi}{L}}} Siendo: m, la permeabilidad magnética, N, el número de espiras del solenoide, i, la corriente que circula y L, la longitud total del solenoide. Mientras que el campo magnético en los extremos de este pueden aproximarse como: Figura 7 Solenoide atravesado por una corriente. Las curvas azules representan las líneas del campo magnético 4.3 Aplicaciones de los solenoides 4.4 Válvulas Solenoides Los solenoides son muy útiles para realizar acciones a distancia sobre válvulas de control de gas y fluidos. Un solenoide es una bobina de material conductor cuyo funcionamiento se basa en campos electromagnéticos. Al pasar una corriente eléctrica a través de la bobina, se genera un campo electromagnético de cierta intensidad en el interior. Un émbolo fabricado de metal ferroso es atraído por la fuerza magnética hacia el centro de la bobina, lo que proporciona el movimiento necesario para accionar la válvula. La válvula se puede abrir o cerrar, no hay término medio, por lo que no se puede utilizar este sistema para regulación de flujos. Una vez que se activa el solenoide, la válvula se mantendrá abierta o cerrada, dependiendo del diseño, hasta que se corte la corriente eléctrica y desparezca el campo electromagnético del solenoide. En este momento, un muelle o resorte empuja el émbolo de nuevo hacia su posición original cambiando el estado de la válvula. El hecho de que no se necesite manipulación física directa hace que las válvulas solenoides sean la mejor solución para controlar la entrada o salida de fluidos y gases en sitios de difícil acceso o dónde el entorno puede ser peligroso, como en sitios a altas temperaturas o con productos químicos peligrosos. Además, las bobinas del solenoide se puede cubrir con material ignífugo para hacerlas más seguras para ambientes peligrosos. Una válvula de solenoide eléctrico sólo puede funcionar como dispositivo on/off y no puede ser utilizado para abrir o cerrar la válvula gradualmente en aplicaciones dónde se requiera una regulación más precisa del flujo. Figura 8 .Partes internas de una válvula solenoide Interruptores de posición electromecánicos. 5.1 Descripción Los interruptores de posición se encargan de detectar presencia o paso, y se conectan directamente a las entradas de las unidades de tratamientos de datos. Constan de tres elementos básicos, uno o varios contactos eléctricos (NO o NC), el cuerpo y la cabeza de mando. Los interruptores de posición electromecánicos se reparten en dos grandes familias: Interruptores de control cuyo papel, en el ámbito de los equipos de automatismo, consiste en detectar la presencia o el paso. Se conectan a las entradas de la unidad de tratamiento de datos, interruptores de potencia insertados en las fases de alimentación de los accionadores. Generalmente, su función se limita a la seguridad. Los interruptores de posición electromecánicos se utilizan en variedad de aplicaciones debido a sus numerosas cualidades. Los interruptores de posición constan de los tres elementos básicos siguientes: Un contacto eléctrico, un cuerpo y una cabeza de mando con su dispositivo de ataque. La mayoría de estos aparatos se componen a partir de distintos modelos de cuerpos dotados de un contacto eléctrico, de cabezas de mando y de dispositivos de ataque. Esta modularidad facilita en gran medida el mantenimiento gracias a la posibilidad de cambiar cualquier elemento con comodidad. 5.2 Principio de funcionamiento El movimiento mecánico en forma de leva o empujador actúa sobre la palanca o pistón de accionamiento del interruptor de posición haciendo abrir o cerrar un contacto eléctrico del interruptor. Esta señal eléctrica se utiliza para posicionar, contar, parar o iniciar una secuencia operativa al actuar sobre los elementos de control de la máquina. Estos sensores tienen dos tipos de funcionamiento: modo positivo y modo negativo. En el modo positivo el sensor se activa cuando el elemento a controlar tiene una tara que hace que el eje se eleve y conecte el contacto móvil con el contacto NC. Cuando el muelle (resorte de presión) se rompe el sensor se queda desconectado. El modo negativo es la inversa del modo anterior, cuando el objeto controlado tiene un saliente que empuje el eje hacia abajo, forzando el resorte de copa y haciendo que se cierre el circuito. En este modo cuando el muelle falla y se rompe permanece activado. Figura 9 Simbología de un interruptor de posición electromecánico 5.3 Aplicaciones de los interruptores de posición Aparatos para manutención-elevación Estos aparatos de cuerpo metálico disponen de dispositivos de ataque de diseño robusto que les permite ser accionados por todo tipo de móviles. Se utilizan principalmente en aplicaciones de elevación y manutención. Los dispositivos de ataque, de movimiento angular, son de vuelta a cero (sólo varilla, varilla o palanca con rodillo), o de posición mantenida (varilla en cruz o en T). Figura 10 aplicaciones de un interruptor de posición en aparatos de elevación Interruptores para control de cinta Se utilizan en el control de desvío de cintas transportadoras. Su palanca con rodillo controla un primer contacto NO/NC de ruptura brusca para una inclinación de 10° (señalización del defecto) y un segundo contacto NO/NC de 18° (parada de la cinta). Existen dos versiones disponibles: caja de aleación de aluminio para entornos normales y caja de poliéster preimpregnadopara ambientes corrosivos. SENSORES INDUCTIVOS FUNCIONAMIENTO Un sensor inductivo tiene la capacidad de detectar objetos metálicos sin tener contacto físico, siempre y cuando estén dentro del rango de sensado. Al tener solo la capacidad de detectar objetos metálicos se puede aprovechar para detectar metales a través de algún plástico. Este sensor está constituido por una bobina en la cual se induce un campo magnético cuando es energizado. Al detectar un objeto metálico se genera un campo magnético diferente a la dirección del campo inducido por la bobina, este fenómeno es mejor conocido como corrientes de Foucault. La inductancia, es un valor intrínseco de las bobinas, o inductores, que depende del diámetro de las espiras y el número de ellas. En sistemas de corriente alterna, la reactancia inductiva se opone al cambio del sentido de la corriente y se calcula de la siguiente manera: XL=2πfL Donde: XL = Reactancia inductiva medida en ohms π = Número π f = Frecuencia del sistema medida en Hertz (Hz) L =Inductancia medida en Henrios (H) CARACTERÍSTICAS Los sensores inductivos tienen una distancia máxima de accionamiento, que depende en gran medida del área de la cabeza sensora (bobina o electrodo), por ello a mayor diámetro, mayor distancia máxima; en relación a la distancia real de accionamiento Sn dependerá de la temperatura ambiente y de la tensión nominal y se sitúa dentro del +/- 10% de la distancia nominal Sn. Los sensores inductivos poseen una zona activa próxima a la sección extrema del inductor, que está estandarizada por normas para distintos metales. Esta zona activa define la distancia máxima de captación o conmutación Sn. La distancia útil de trabajo suele tomarse como de un 90% de la de captación: Su =0.9 x Sn. La técnica actual permite tener un alcance de hasta unos 100 mm en acero. El alcance real debe tomarse en cuenta, cuando se emplea el mismo sensor en otros materiales. Ejemplo: Para el Acero Inoxidable debe considerarse un 80% de factor de corrección, para el Aluminio un 30 % y para el cobre un 25%. La distancia de operación también depende si el sensor es blindado o no. Los sensores blindados están construidos con un anillo de protección alrededor del núcleo. Este tipo de sensor concentra el campo electromagnético en la parte delantera de la cara frontal del del sensor. En los sensores inductivos no blindados no existe el anillo metálico alrededor, por lo tanto, el campo no está concentrado sobre la parte delantera del sensor, estas configuraciones permiten un 50% más de rango de sensado que en un sensor blindado del mismo tamaño. Estos son los bloques que habitualmente constituyen un sensor inductivo: Bobina: Este componente dentro del sensor se encarga de generar un campo magnetico. Oscilador: Genera una onda senoidal de amplitud constante. Rectificador: Es básicamente un rectificador de media onda, este se encarga de rectificar la onda senoidal a una señal de D.C. pulsante. Comparador: Genera 2 voltajes diferentes, cuando la salida del rectificador se reduce hasta cierto nivel, la salida del sensor cambia. lo mismo pasa cuando la salida del rectificador aumenta. Indicador led: Este indicador se enciende cuando el sensor detecto un objeto metálico. Salida: Se encarga de proveer la señal de salida del sensor, (ya sea alta o baja). PARÁMETROS Histéresis La histéresis, o desplazamiento diferencial, es la diferencia entre los puntos de operación (conectado) y liberación (desconectado) cuando el objeto se aleja de la cara del sensor y se expresa como un porcentaje de la distancia de detección. Sin una histéresis suficiente, el sensor de proximidad se conecta y desconecta continuamente al aplicar una vibración excesiva al objeto o al sensor, aunque se puede ajustar mediante circuitos adicionales. Frecuencia de conmutación La frecuencia de conmutación corresponde a la cantidad de conmutaciones por segundo que se pueden alcanzar en condiciones normales. En términos más generales, es la velocidad relativa del sensor. Repetibilidad La repetibilidad es la capacidad de un sensor de detectar el mismo objeto a la misma distancia de detección nominal y se basa en una temperatura ambiental y voltaje eléctrico constantes. Tiempo de respuesta El tiempo de respuesta de un sensor corresponde al tiempo que transcurre entre la detección de un objeto y el cambio de estado del dispositivo de salida (de encendido a apagado o de apagado a encendido). También es el tiempo que el dispositivo de salida tarda en cambiar de estado cuando el sensor ya no detecta el objeto. El tiempo de respuesta necesario para una aplicación específica se establece en función del tamaño del objeto y la velocidad a la que éste pasa ante el sensor. Alcance Nominal (Sn) Es la distancia máxima aconsejada que debe haber entre el emisor y el receptor, emisor y reflector o emisor y objeto para garantizar la detección. El alcance nominal es el indicado en los catálogos del producto y sirve de base de comparación entre los distintos dispositivos. Alcance de trabajo (Sa) Es la distancia hasta la cual la detección está asegurada y toma en cuenta los factores ambientales (polvo, humo, etc.) y un margen de seguridad. Este alcance es siempre menor que el alcance nominal. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Si consideramos al sensor como un bloque indivisible desde el punto de vista eléctrico, éste va a ser caracterizado por parámetros como su impedancia de entrada, impedancia de salida, consumo de corriente, tipo de señal eléctrica a su salida (tensión, intensidad, pulsos, continua, alterna, etc.). Impedancia de entrada La descripción de un sensor o sistema de medida mediante esquemas de bloques, deja al margen el hecho de que en todo proceso de medida es inevitable la extracción de una cierta cantidad de energía del sistema donde se mide. Cuando, debido a esta circunstancia, la variable medida queda alterada, se dice que hay un error por carga. Los esquemas de bloques sólo son válidos cuando no hay interacción energética entre bloques. El concepto de impedancia de entrada permite valorar si se producirá o no un error por carga. Para tener impedancias de entrada altas, puede ser necesario cambiar el valor numérico de los componentes del sistema o cambiar el diseño y usar un elemento activo. En este caso, la mayor parte de la energía viene de una fuente externa y no necesariamente de del medio donde se mide. Otra alternativa es medir empleando el método de cero, pues en éste sólo se extrae energía de forma importante cuando hay un cambio en el valor de la entrada. La velocidad de respuesta indica la rapidez con la que el sistema de medida responde a los cambios en la variable de entrada. En cuanto a la medida, no importa mucho que exista un retardo entre la magnitud aplicada a la entrada y la indicación correspondiente a la salida. Pero si el sensor forma parte de un sistema de control, este retardo puede dar lugar a oscilaciones. Precisión Es la máxima desviación entre el valor real proporcionado y el teórico según un patrón definido. Linealidad Máxima desviación entre la respuesta real y la puramente lineal. Sensibilidad Indica la variación de salida por unidad de magnitud de entrada. Exactitud La exactitud (en inglés, "accuracy") es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida. En castellano se emplea como sinónimo de exactitud el término precisión, pero en inglés americano "accuracy" y "precisión" no siempre se emplean como sinónimos. Fidelidad La fidelidad (en inglés americano designada a veces como "precisión") es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar el mismo valor de la magnitud medida, al medir varias veces en unas mismas condiciones determinadas (ambientales, operador, etc.), prescindiendo de su concordancia o discrepancia con el valor real de dicha magnitud.La fidelidad implica que se tenga simultáneamente una conformidad en las sucesivas lecturas y un número alto de cifras significativas y es, por tanto, una condición necesaria pero no suficiente para la exactitud. TIPOS Sensor blindado Los blindados tienen un agregado al núcleo y un blindaje metálico que limita el campo magnético al frente del sensor. Sensor no-blindado Los no blindados no tienen blindaje extra, resultando en un área de sensado mayor. NORMATIVA Las normas referentes a los tipos o grados de protección son: NEMA TIPO 1: Propósito general. Envolvente destinada a prevenir de contactos accidentales con los aparatos. TIPO 2: Hermético a gotas. Previene contra contactos accidentales que pueden producirse por condensación de gotas o salpicaduras. TIPO 3: Resistencia a la intemperie. Para instalación en el exterior. TIPO 3R: Hermético a la lluvia. TIPO 4: Hermético al agua. Protege contra chorro de agua. TIPO 5: Hermético al polvo. TIPO 6: Sumergible en condiciones especificadas de presión y tiempo. TIPO 7: Para emplazamientos peligrosos Clase I. El circuito de ruptura de corriente actúa al aire. TIPO 8: Para emplazamientos peligrosos Clase I. Los aparatos están sumergidos en aceite. TIPO 9: Para emplazamientos peligroso Clase II y funcionamiento intermitente. TIPO 10: A prueba de explosión. TIPO 11: Resistente a ácidos o gases. TIPO 12: Protección contra polvo, hilos, fibras, hojas, rebose de aceite sobrante o refrigerante. TIPO 13: Protección contra polvo. Protege de contactos accidentales y de que su operación normal no se interfiera por la entrada de polvo DIN La norma DIN 40 050 establece el grado de protección IP; éste se compone de dos dígitos: El primero indica la protección contra sólidos. El segundo indica la protección contra el agua. APLICACIONES CONCLUSIONES Sin importar el tipo de sensor, la parte fundamental para su selección es atender minuciosamente a la aplicación, ya que de ésta depende en gran medida su correcta selección. El medio ambiente es otra variable importante, ya que puede entorpecer en cierto rango el medio de sensado, además de los problemas de operación del mismo. Por otro lado, es fácil apreciar la supremacía de los sensores capacitivos frente a otros tipos de sensores, como lo son los inductivos, dado que estos últimos no cuentan con muchas de las ventajas que tienen los sensores capacitivos, como son la detección de materiales no metales, la ausencia de contacto físico para detectar un objetivo, entre otros.
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