Sensores

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INSPT – UTN – Material Compilador por R. Minniti 1

Los dispositivos eléctricos los debemos encontrar protegidos en cierta medida contra contra su deterioro por la acción que pueden ejercer agentes externos sobre estos. Una de las formas de protegerlo es desde su diseño donde se debe cuidar ciertos factores. La clase de protección se indica por un símbolo, el cual está compuesto por el código de letras IP (Protección Internacional) y un código para el grado de protección. Por ejemplo: IP 67 El primer código vemos que puede adoptar los valores del “0 al 6” y especifica el grado de protección contra el contacto y penetración de cuerpos extraños, mientras que el segundo código del “0 al 8” es el grado de protección contra la penetración de agua. La clase de protección se indica en la caja o en la placa de características del dispositivo. Grado de IP (para dispositivos eléctricos y conductores) dados por la primera cifra característica Primera

cifra característica

Descripción abreviada Definición del grado de protección:

0 No protegido No tiene protección especial.

1 Protegido contra cuerpos sólidos mayores de 50 mm.

Una gran superficie del cuerpo humano (ej. la mano) o cuerpos sólidos mayores de 50 mm de diámetro.


Una superficie del cuerpo humano (ej. los dedos) o cuerpos sólidos análogos que no superen los 12 mm de diámetro.

3 Protegido contra cuerpos sólidos mayores de 2,5 mm.

Herramientas, alambres, etc. de espesor mayor de 2,5 mm. Cuerpos sólidos mayores de 2,5 mm de diámetro.


Alambres de espesor mayor de 1 mm. Cuerpos sólidos mayores de 1 mm de diámetro.

5 Protegido contra el polvo. Sólo se admite la penetración de polvo que no perjudique el buen funcionamiento del equipo.

6 Totalmente protegido contra el polvo. No hay penetración de polvo.



Grados de IP dados por la seguda cifra característica Segunda

cifra característica

Descripción abreviada Definición del grado de protección:

0 No protegido No tiene protección especial.

1 Protegido contra las caídas verticales de gotas de agua (goteo).

Las gotas de agua (que caen verticalmente) no deben tener efectos nocivos.

2 Protegido contra las caídas de gotas de agua (goteo), en superficies inclinadas.

Las caídas verticales de gotas de agua no deben tener efectos nocivos cuando la envoltura está inclinada hasta 15º respecto de su posición normal.

3 Protegido contra lluvia de agua.

El agua, cayendo en forma de lluvia en un ángulo menor a 60º

respecto de la vertical, no debe tener efectos nocivos.

4 Protegido contra las proyecciones de agua.

El agua, proyectada en todas las direcciones contra la envoltura, no debe tener efectos nocivos.

5 Protegido contra chorros de agua.

El agua, proyectada con una lanza en todas las direcciones contra la envoltura, no debe tener efectos nocivos.

6 Protegido contra golpes de mar.

Bajo el efecto de chorros potentes, el agua no debe entrar en la envoltura en cantidad nociva.

7 Protegido contra los efectos de la inmersión.

Sometida la envoltura a agua bajo presión no debe ser posible la penetración de agua en cantidad nociva.

8 Protegido contra la inmersión prolongada.

El equipo se usará en inmersión prolongada en agua en las condiciones fijadas por el fabricante.

Grados de IP dados por la tercer cifra característica La tercera cifra característica escrita después de las letras IP y las dos primeras cifras características indica el grado de protección proporcionados por las envolturas contra daños mecánicos producidos por impactos. Los diferentes grados de protección se designan con los números 0 (sin protección), 1,3,5,7 y 9.



La importancia de la tecnología de 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. Las variables de estado del proceso son, por ejemplo, variables físicas como temperatura, presión, fuerza, longitud, ángulo de giro, nivel, caudal, etc. Hay sensores para la mayoría de estas variables físicas, que reaccionan con cada una de ellas y transfieren las correspondientes señales. Un sensor tiene las siguientes características: • Un sensor es un convertidor, que convierte una variable física (por

ejemplo, temperatura, distancia, presión) en otra variable diferente, más fácil de evaluar (generalmente una señal eléctrica) Expresiones adicionales a los sensores son: Codificadores (encoders), efectores, convertidores, detectores, transductores, iniciadores

• Un sensor no necesariamente tiene que generar una señal eléctrica. Ejemplo: Los finales de carrera neumáticos, producen una señal de salida neumática (en términos de cambio de presión).

• Los sensores son dispositivos que pueden funcionar tanto por medio de contacto físico, por ejemplo, finales de carrera, sensores de fuerza, como sin contacto físico, por ejemplo, barreras fotoeléctricas, barreras de aire, detectores de infrarrojos, sensores de reflexión ultrasónicos, sensores magnéticos, etc.

• Incluso un simple final de carrera puede considerarse como un sensor. Dentro de un proceso controlado, los sensores representan los "perceptores" que supervisan un proceso, indicando los errores, recogiendo los estados y transmitiendo esta información a los demás componentes del proceso.

Para hacer una comparación humana: Ojo → cerebro (facultad visual) → miembros

Un sensor es útil sólo con respecto al proceso o a su evaluación. Por ejemplo Ojo + facultad visual → reconocimiento de siluetas, colores, visión en 3D, secuencias de movimientos.

Típicas señales de salida de los sensores Cuando se utilizan sensores, es importante conocer los diferentes tipos de señales de salida.



Tipo A:

Sensores con señal de salida por interrupción (señal de salida binaria). Ejemplos: Sensores de proximidad Presostatos Sensores de nivel Sensores bimetálicos Por norma, estos sensores pueden conectarse directamente a los controles lógicos programables (PLC)

Tipo B: Sensores con salida por trenes de pulsos Ejemplos: Sensores incrementales de longitud y rotativos Generalmente se dispone de interfaces compatibles para PLC. Requerimientos del PLC: que dispongan de contadores de hardware y software con posibilidad de una mayor longitud de palabra.

Tipo C:

Componentes de sensores con salida analógica y sin amplificador integrado ni conversión electrónica, que proporcionan una señal de salida analógica muy débil, no apta para una evaluación inmediata (por ejemplo, en la gama de los milivoltios) o de una señal que solamente puede ser evaluada utilizando circuitería adicional. Ejemplos: Componentes de sensores piezorresistivos o piezoeléctricos. Células terrnoeléctricas o Pt-100. Magnetorresistores y componentes de sensores de efecto Hall. Sondas de medida de conductividad y pH. Potenciómetros lineales. A menudo hay aplicaciones donde, en el caso de producciones elevadas, el usuario elige sus propias soluciones electrónicas.

Tipo D:

Sensores con salidas analógicas, amplificador y conversión electrónica integrados, que proporcionan señales de salida que pueden evaluarse inmediatamente. Ejemplos típicos de señales de salida:



0 .... 10 V -5V ... +5V 1 .... 5 V 0 .. 20 mA -10 ... + 10 mA 4 ... 20 mA

Tipo E: Sensores y sistemas de sensores con señal de salida estandarizada, por ejemplo, RS 232-C, RS 422-A, RS 485 o con interfaces a buses de datos tales como bus de campo (profibus, bus-sensor-actuador).

Los sensores binarios y analógicos Los sensores binarios son sensores que convierten una magnitud física en una señal binaria, principalmente en una señal eléctrica con los estados "ON" o "OFF" (conectado o desconectado). Ejemplos de sensores binarios

• Final de carrera • Sensor de proximidad • Presostato • Sensor de nivel • Termostato.

Los sensores analógicos son sensores que convierten una magnitud física en una señal analógica, principalmente una señal eléctrica de tensión o de intensidad. Ejemplos de sensores analógicos

• Sensores de longitud, distancia o desplazamiento • Sensores para movimiento lineal y rotativo • Sensores para superficies, formas y geometría • Sensores de fuerza • Sensores de peso • Sensores de presión • Sensores de par • Sensores de flujo (para gases y fluidos) • Sensores de caudal (para materiales sólidos) • Sensores de nivel de llenado • Sensores de temperatura y otros valores térmicos • Sensores para valores ópticos • Sensores para valores acústicos • Sensores para valores electromagnéticos



• Sensores para radiaciones físicas • Sensores para substancias químicas • Sensores para características físicas.

En este curso, se trata principalmente de los sensores de "posiciones", es decir, sensores que detectan si un objeto se halla o no en una determinada posición. Estos sensores se conocen como sensores de proximidad. Los sensores de este tipo proporcionan una información de "Si" o "No" dependiendo de si el objeto ha alcanzado o no la posición definida. Estos sensores que indican solamente dos estados, se conocen también como sensores binarios o menos comúnmente como iniciadores. En muchos sistemas de producción, se utilizan interruptores mecánicos de posición para identificar la ejecución de movimientos. Otros términos también utilizados son microrruptores, finales de carrera, válvulas limitadoras. Puesto que los movimientos se detectan por medio de contactos, deben cumplirse ciertos requisitos constructivos. Además estos componentes están sometidos a desgaste. En contra, los sensores de proximidad funcionan electrónicamente y sin contacto. Las ventajas de los sensores de proximidad sin contacto son:

• Detección precisa y automática de posiciones genéricas • Detección sin contacto de objetos y procesos; utilizando

sensores electrónicos de proximidad, no es preciso el contacto entre el sensor y la pieza

• Características de conmutación rápida; dado que la señal de salida se genera electrónicamente, los sensores están libres de rebotes y no crean errores en las señales emitidas

• Resistencia al desgaste; los sensores electrónicos no contienen partes móviles que puedan desgastarse

• Número ilimitado de ciclos de conmutación • Versiones disponibles incluso para utilización en

ambientes peligrosos (por ejemplo, en ambientes con riesgo de explosión).

Actualmente, los sensores de proximidad se utilizan en muchas áreas de la industria por las razones mencionadas anteriormente. Se utilizan para el control de secuencias en instalaciones técnicas y como tales para supervisión y salvaguarda de procesos. En este contexto, los sensores se utilizan para la detección anticipada, segura y rápida de fallos en los procesos de producción. La prevención de daños a las personas y máquinas es otro factor importante a considerar. También puede alcanzarse una reducción en los tiempos de paro de las máquinas por medio de los sensores, ya que el fallo es rápidamente detectado y localizado. La figura muestra los diferentes tipos de sensores de posición sin contacto en grupos separados, de acuerdo a sus principios físicos y tipo, donde básicamente cada sensor puede ser del tipo binario o



analógico. En esta ocasión, trataremos solamente con los tipos binarios.

Sensores de posición magnéticos

Analógicos

Binarios: Sensores de proximidad magnéticos

Contacto

Sin contacto

Salida neumática

Sensores de posición inductivos

Analógicos

Binarios: Sensores de proximidad inductivos

Sensores de posición capacitivos

Analógicos

Binarios: Sensores de proximidad capacitivos

Sensores de posición ópticos

Analógicos

Binarios: Sensores de proximidad ópticos

Barreras de luz

Sensores de reflexión directa

Sensores de posición ultrasónicos

Analógicos

Binarios: Sensores de proximidad ultrasónicos

Barreras ultrasónicas

Sensores ultrasónicos

Sensores de posición neumáticos

Sensores de proximidad neumáticos

Obturación de fuga

Sensores reflex

Barreras de aire



Tensiones de funcionamiento En los países Europeos, los sensores de proximidad funcionan generalmente con una tensión nominal de 24 V DC (corriente continua), por lo cual los sensores están generalmente diseñados para trabajar en un rango entre 10 y 30 V o entre 10 y 55 V. En el Sudeste Asiático, Norte y Sudamérica, así como en Australia y Sudáfrica, se estima que el 30% de los sensores de proximidad ópticos e inductivos funcionan con AC (corriente alterna). Los sensores de proximidad inductivos, capacitivos y ópticos a menudo están disponibles no solamente para corriente continua sino también para alterna, cuyas tensiones usuales son 24 V, 110V, 120 V o 220 V. Los sensores de proximidad inductivos, capacitivos y ópticos también están disponibles en tensiones universales, los cuales pueden conectarse tanto a corriente continua como alterna, por ejemplo, en el rango de los 12 V a 240 V DC ó 24 V a 240 V AC. Otros fabricantes, por ejemplo, ofrecen ejecuciones para 20 V a 250 V DC - AC (por ejemplo 45 - 65 Hz). Un término utilizado en estos casos es el de ejecución en tensiones universales (UC). Campo de aplicación de los sensores de próximidad Los campos de aplicación típicos para los sensores de proximidad son las áreas de:

• Industria del automóvil • Ingeniería mecánica • Industria del embalaje • Industria de la madera • Industria de la impresión y papeleras • Industria de la alimentación • Industria cerámica y de construcción.

Las posibilidades de aplicación de los sensores de proximidad en la técnica de automatización son tan diversas y amplias que es imposible abarcar una descripción completa. Sin embargo en este apunte se ofrece una selección de ejemplos típicos de posibles aplicaciones. Para detectar si hay un objeto en una determinada posición; por ejemplo para el funcionamiento de cilindros neumáticos, accionadores sensores de proximidad eléctricos, pinzas, barreras de protección, sistemas de arrollado y puertas.



En aplicaciones de posicionado de piezas, por ejemplo, en centros de mecanizado, correderas de transferencia de piezas, cilindros neumáticos. Aplicaciones de conteo de piezas y secuencias de movimiento, por ejemplo, cintas transportadoras, dispositivos de clasificación. Aplicaciones para medición de la velocidad de rotación, por ejemplo, de engranajes, o para detectar velocidad cero. Aplicación para detección de material, por ejemplo, para suministrar o clasificar material (reciclado).



Aplicación para definir el sentido de un movimiento lineal o rotativo, por ejemplo, definiendo el sentido de las piezas clasificadas. Hay sensores inductivos capaces de detectar el movimiento de un objeto en un sentido y no en el opuesto (función de retorno en vacío). Aplicación para supervisión de llenado por medio de sensores de próximidad ópticos, capacitivos o ultrasónicos. Interruptores de posición electromecánicos Con los finales de carrera mecánicos, se establece o se interrumpe un contacto eléctrico por medio de una fuerza externa. La vida útil del contacto es de un máximo de unos 10 millones de ciclos de interrupción. Dependiendo del diseño, pueden transmitirse tensiones e intensidades relativamente elevadas. En el caso de un final de carrera mecánico, el espacio que separa dos contactos abiertos de diferente polaridad se conoce como el intervalo entre contactos. Los tiempos de conmutación de los finales de carrera mecánicos son entre 1 y 10 ms. Cuando se utilizan interruptores electromecánicos para operaciones de conteo, deben tenerse en cuenta los posibles rebotes de los contactos.



1 Muelle de compresión 6 Resorte de arqueado 2 Caja 7 Resorte de presión de contactos 3 Disco de retención 8 Lámina de contacto 4 Contactos normalmente abiertos 9 Perno de gría 5 Contactos normales cerrados Pueden diferenciarse los siguientes tipos de finales de carrera electromecánicos:

1. Interruptores miniatura de posición, microrruptores miniatura y subminiatura

2. Interruptores de control, finales de carrera 3. Interruptores de ruptura brusca o de contacto progresivo 4. Interruptores de posición al aire 5. Interruptores de posición sumergidos en plástico 6. Interruptores de posición sumergidos en metal 7. Interruptores de posición de seguridad 8. Interruptores de posición de precisión.

Los componentes más importantes de un final de carrera o microrruptor mecánico son sus contactos. Los materiales más ampliamente utilizados para los contactos son: níquel-oro, oro fino, plata, óxido de plata-cadmio, plata-paladio y níquel-plata. Haciendo una correcta elección de los materiales del contacto, es posible alcanzar unas condiciones favorables de funcionamiento en cualquier campo de aplicación de los finales de carrera. Empleando accesorios, los finales de carrera pueden utilizarse para una amplia gama de posibles aplicaciones. Los tipos clásicos de estos accesorios se muestran en la figura inferior.

Rodillo con retorno en vacío Rodillo Antena



Capacidad de ruptura (carga resistiva) p.ej. 24 V DC, 6 A 250 V AC, 6 A Precisión del punto de conmutación de 0.01 a 0.1 mm (Precisión del interruptor hasta 0.001 mm) Frecuencia de conmutación aprox. 60... 400 operaciones de conmutación/min Vida útil 10 Mill. de ciclos de ruptura Clase de protección (IEC 529, DIN40050) de IP00 a IP67



Sensores de proximidad inductivos Los componentes más importantes de un sensor de proximidad inductivo son un oscilador, un rectificador demodulador, un amplificador biestable y una etapa de salida. 1 Oscilador 6 Tensión externa 2 Demodulador 7 Alimentación interna constante 3 Etapa de disparo 8 Zona activa (bobina) 4 Indicador del estado de activación 9 Salida del sensor 5 Etapa de salida con circuito protector

Elementos constituyentes de un Sensor de proximidad inductivo (Diagrama en bloques) EI campo magnético, que es dirigido hacia el exterior desde el oscilador, este es generado por medio del núcleo de ferrita semiabierto de una bobina osciladora. Esto crea un área limitada a lo largo de la superficie activa del sensor de proximidad inductivo, la cual se conoce como zona activa de conmutación. Cuando se aplica una tensión al sensor, el oscilador se activa y fluye una corriente de reposo definida. Si un objeto conductor de electricidad se introduce en la zona activa de conmutación, se crean unas corriente parásitas que restan energía al oscilador. La oscilación se atenúa y esto produce un cambio en el consumo de corriente del sensor de proximidad. Los dos estados “oscilación atenuada y oscilación sin atenuar” se evalúan electrónicamente. Elemento actuador Campo magnético de alta frecuencia Superficie activa Circuito resonante de la bobina

Sensor de proximidad sin actuar (oscilador no atenuado)

Se resta energía al campo magnético de alta frecuencia

Sensor de proximidad actuado (oscilador atenuado) Por medio de los sensores de proximidad inductivos, solo pueden detectarse materiales conductores de electricidad.



Dependiendo del tipo de conmutación (normalmente cerrado o normalmente abierto), la etapa final es conectada o interrumpida si se presenta un objeto metálico en la zona activa de conmutación. La distancia del área activa, donde se produce un cambio en la señal de salida, se conoce como distancia de conmutación. Por ello, un criterio importante para los sensores de proximidad inductivos es el tamaño de la bobina incorporada en la cabeza del sensor. Cuanto más grande sea la bobina, mayor será la distancia de conmutación activa. Pueden alcanzarse distancias de hasta 250 mm. Para determinar la distancia de conmutación de los sensores de proximidad inductivos, se utiliza una placa de calibración estandarizada. Solamente así pueden hacerse comparaciones válidas de las distancias de conmutación de diferentes sensores de proximidad inductivos. La placa de medición estándar está hecha de acero dulce (Fe 360 según los Eurostandars 25 y 27 o ISO 630), de 1 mm de grueso. Tiene forma cuadrada y la longitud del lado es igual a:

• el diámetro de la superficie activa del sensor o bien • tres veces la distancia de conmutación nominal.

Se utilizará el mayor de ambos valores como longitud del lado de la placa de calibración estándar. La utilización de placas con superficies mayores no conduce a cambios significativos en la distancia de conmutación medida. Sin embargo, si se utilizan placas menores, se obtiene una disminución de la distancia de detección. Asimismo, la utilización de diferentes materiales conduce a una reducción de la distancia de conmutación efectiva. En la tabla inferior, se indican los factores de reducción para diferentes materiales. Material Factor de reducción Acero dulce 1.0 Níquel cromo 0.70 - 0.90 Latón 0.35 - 0.50 Aluminio 0.35 - 0.50 Cobre 0.25 - 0.40 .

Valores indicativos para el factor de reducción La tabla indica que las mayores distancias de detección se alcanzan con materiales magnéticos. Las distancias alcanzables con materiales no magnéticos (latón, aluminio, cobre) son netamente inferiores.

Símbolo de un sensor de proximidad inductivo de corriente continua, de tres hilos (L es la carga)



Características técnicas La tabla inferior indica los datos técnicos más relevantes relacionados con los sensores de proximidad inductivos. Las cifras indicadas en esta tabla son ejemplos típicos y proporcionan solamente una visión general. Material del objeto Metales . Tensión de funcionamiento típica 10 V... 30 V Distancia de conmutación nominal típica 0.8...10 mm max. aprox. 250 mm Intensidad máxima 75 mA... 400 mA Temperatura de funcionamiento -25oC... +70oC Sensibilidad a la suciedad insensible Vida útil muy larga Ejecución cilíndrica, rectangular Tamaño (ejemplos) M8x1, M12x1, M18x1, M30x1, ∅ 4 mm... ∅30 mm Clase de protección IEC 529, DIN 40 050 hasta IP 67

Datos técnicos de sensores de proximidad inductivos

Muchos de los sensores de proximidad inductivos que se ofrecen actualmente en el mercado tienen las siguientes características de protección para garantizar un manejo sencillo y un funcionamiento seguro:

• Protección contra polaridad inversa (contra daños causados como resultado de invertir las conexiones)

• Protección contra cortocircuito (protege el cortocircuito de la salida contra la tierra)

• Protección contra picos de tensión (contra sobretensiones transitorias)

• Protección contra rotura de cable (la salida se bloquea si la línea de alimentación se desconecta).

Conexión por cable integrado o por conector LED Superficie activa

Sensor de proximidad inductivo en ejecución roscada Si los sensores de proximidad inductivos se montan en alojamientos metálicos, debe tenerse cuidado de no alterar las características del



sensor. Debe distinguirse entre dos tipos de sensores de proximidad: los de montaje enrasado y los de montaje no-enrasado. Zona libre >=3xSn Montaje adyacente Allí donde los sensores deban montarse completamente enrasados en metal, deberán instalarse de forma que el campo electromagnético esté dirigido desde la zona activa hacia adelante. De esta forma, las características del sensor de proximidad no serán influidas por el método de montaje. En el caso de montaje adyacente de sensores de proximidad debe respetarse una distancia mínima entre ellos en relación con su diámetro. Esto es esencial para evitar que los sensores de proximidad influyan unos con otros. La zona libre frente al sensor de proximidad debe ser por lo menos de tres veces la distancia de conmutación nominal del sensor utilizado. La zona libre es la distancia entre el sensor de proximidad y un objeto situado enfrente. La ventaja de los sensores de proximidad de montaje enrasado es que son muy sencillos de instalar y ahorran espacio. La desventaja en comparación con los de montaje no-enrasado en que aunque el diámetro exterior del cuerpo del sensor sea idéntico, la distancia de detección es inferior.

Sensor de proximidad inductivo en montaje no-enrasado Los sensores de proximidad no-enrasables que se montan sobre materiales que influyen en sus características (metales), requieren una



zona libre que circunde toda el área activa. Sin embargo, estos sensores de proximidad pueden montarse embebidos en plásticos, madera u otros materiales no metálicos sin que se vean afectadas las características del sensor. Este tipo de sensores pueden reconocerse a menudo por la cabeza de la bobina que forma una protuberancia en el cuerpo del sensor de proximidad.

Ejemplos de utilización de sensores de proximidad inductivos



Sensores de proximidad capacitivos EI principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, está basado en la medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un condensador, 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. Generalmente también se halla presente un tercer electrodo para compensación de las influencias que pueda ocasionar la humedad en el sensor de proximidad. 1 Oscilador 6 Tensión externa 2 Demodulador 7 Alimentación interna constante 3 Etapa de disparo 8 Zona activa (condensador) 4 Indicador del estado de activación 9 Salida del sensor 5 Etapa de salida con circuito protector

Diagrama de bloques de un sensor de proximidad capacitivo Si un objeto o un medio (metal, plástico, vidrio, madera, agua), irrumpe en la zona activa de conmutación, la capacitancia del circuito resonante se altera. Este cambio en la capacitancia depende esencialmente de los siguientes parámetros: la distancia entre el medio y la superficie activa, las dimensiones del medio y su constante dieléctrica. La sensibilidad (distancia de detección) de la mayoría de los sensores de proximidad capacitivos puede ajustarse por medio de un potenciómetro. De esta forma es posible eliminar la detección de ciertos medios. Por ejemplo, es posible determinar el nivel de un líquido a través de la pared de vidrio de su recipiente. La distancia de detección de un sensor de proximidad capacitivo viene determinada por medio de una placa de metal puesta a tierra. La tabla inferior muestra las variaciones en las distancias del punto de conmutación con respecto a diferentes materiales. La máxima distancia de conmutación que puede obtenerse en los sensores de proximidad capacitivos industriales es de unos 60 mm.



Grueso del material Distancia de conmutación 1.5 mm ---------- 3.0 mm 0.2 mm 4.5 mm 1.0 mm 6.0 mm 2.0 mm 7.5 mm 2.3 mm 9.0 mm 2.5 mm 10.5 mm 2.5 mm

Variación de la distancia de conmutación en función del grueso del material, utilizando una tira de cartón (ancho = 30 mm)

Con sensores de proximidad capacitivos, debe observarse que la distancia de conmutación es una función resultante del tipo, longitud lateral y grosor del material utilizado. A continuación se indican valores para diferentes tipos de materiales. Material Factor de reducción Todos los metales 1.0 Agua 1.0 Vidrio 0.3... 0.5 Plástico 0.3... 0.6 Cartón 0.3... 0.5 Madera (depende de la humedad) 0.2... 0.7 Aceite 0.1... 0.3

Valores indicados para el factor de reducción Características técnicas Tensión de funcionamiento típica 10... 30 V DC ó 20... 250 V AC Distancia nominal de conmutación típica 5... 20 mm

máx. 60 mm (gen. variable y ajustable con potenciómetro)

Material de los objetos todos los materiales con constante dieléctrica > 1

Temperatura de funcionamiento -25oC... +70oC Sensibilidad a la suciedad sensible Vida útil muy larga Frecuencia de conmutación hasta 300 Hz Ejecución Cilíndrica p.ej. M18x1,

M30x1, hasta ∅30 mm, rectangular

Clase de protección IEC 529, DIN 40 050 hasta IP 67

Datos técnicos de un sensor de proximidad capacitivo (ejemplo)



AI igual que con los sensores de proximidad inductivos, debe distinguirse entre los sensores de proximidad capacitivos enrasables y no-enrasables. Es más, debe observarse que este tipo de sensores es más sensible a perturbaciones. Debido a esta propiedad de reaccionar ante una amplia gama de materiales, el sensor de proximidad capacitivo es más universal en aplicaciones que el sensor de proximidad inductivo. Por otro lado, los sensores de proximidad capacitivos son sensibles a los efectos de la humedad en la zona activa de detección. Muchos fabricantes, por ejemplo, utilizan un electrodo auxiliar para compensar los efectos de la humedad, rocío o hielo, reduciendo así estas perturbaciones. Consideraciones en la aplicación • Por razones de coste, en la detección de objetos metálicos se prefieren

generalmente los sensores de proximidad inductivos a los capacitivos. • En la detección de objetos no metálicos, también compiten como

alternativa viable los sensores de proximidad ópticos • Hay campos de aplicación particulares donde la utilización de sensores

de proximidad capacitivos proporcionan diferentes ventajas Los sensores de proximidad capacitivos son adecuados, por ejemplo, para supervisar los niveles de llenado en contenedores de almacenamiento. Otras áreas de aplicación incluyen la detección de materiales no metálicos. Detección de objetos mate y negros Los objetos de goma, cuero, plástico y otros materiales, son difíciles de detectar por sensores ópticos de reflexión directa y, en según que aplicaciones, la utilización de sensores ultrasónicos puede resultar excesivamente costosa.

Detección de superficies negras Detección del nivel de llenado de líquidos En el caso de tener que detectar niveles de líquidos a través de paredes finas de recipientes de plástico, tubos de vidrio de inspección, etc. el grueso de la pared debe limitarse de tal forma que permita al sensor de proximidad capacitivo reaccionar sólo con el propio contenido del recipiente.



a) Sensor de proximidad capacitivo, encapsulado en plástico o en cristal de cuarzo. b) Detección de! nivel de un liquido a través de un tubo de plástico o de vidrio. Detección del nivel de Ilenado de material a granel Los sensores de proximidad capacitivos también son adecuados para la detección de materiales pulverulentos o granulados en contenedores o silos. Verificación del contenido de paquetes Es posible, por ejemplo, verificar el volumen de llenado de contenedores de productos alimenticios a través de cajas selladas, por medio de sensores de proximidad capacitivos. La figura muestra cuatro sensores de proximidad capacitivos en la base de una caja de cartón para verificar que se hayan introducido cuatro botellas.

Comprobación del contenido de una caja a través del cartón



Sensores de proximidad ópticos Los sensores de proximidad ópticos utilizan medios ópticos y electrónicos para la detección de objetos. Para ello se utiliza luz roja o infrarroja. Los diodos semiconductores emisores de luz (LEDs) son una fuente particularmente fiable de luz roja e infrarroja. Son pequeños y robustos, tienen una larga vida útil y pueden modularse fácilmente. Los fotodiodos y fototransistores se utilizan como elementos receptores. Cuando se ajusta un sensor de proximidad óptico, la luz roja tiene la ventaja frente a la infrarroja de que es visible. Además, pueden utilizarse fácilmente cables de fibra óptica de polímero en la longitud de onda del rojo, dada su baja atenuación de la luz. La luz infrarroja (invisible) se utiliza en ocasiones en las que se requieren mayores prestaciones, por ejemplo, para cubrir mayores distancias. Además, la luz infrarroja es menos susceptible a las interferencias (luz ambiental). Con ambos tipos de sensores de proximidad ópticos, la supresión adicional de las influencias de luz externas se alcanza por medio de la modulación de la señal óptica. EI receptor (con la excepción de los sensores de barrera) se sintoniza con los pulsos del emisor. Con sensores de barrera se utiliza un pasabanda eléctrico en el receptor. Particularmente en el caso de luz infrarroja, la utilización de filtros de luz diurna, mejora aún más su insensibilidad a la luz ambiental. 1 Oscilador 7 Indicador del estado de activación 2 Emisor fotoeléctrico 8 Etapa de salida con circuito protector 3 Receptor fotoeléctrico 9 Tensión externa 4 Preamplificador 10 Alimentación interna constante 5 Operación lógica 11 Alcance óptico 6 Convertidor pulso/nivel 12 Salida del sensnr

Diagrama de bloques de un sensor de proximidad óptico (Emisor y receptor instalados en el mismo cuerpo)



Variantes de los sensores de proximidad ópticos Esquemáticamente, las variantes pueden dividirse como sigue:

Variantes de los sensores de proximidad ópticos Los sensores de barrera constan de dos componentes, emisor y receptor, montados separadamente, con los cuales pueden obtenerse amplios rangos de detección. Para poder detectar la interrupción del rayo de luz, debe cubrirse la sección activa del rayo. EI objeto a detectar sólo debe permitir una mínima penetración de la luz, pero puede reflejar cualquier cantidad de luz. Un fallo del emisor se evalúa como "objeto presente".

Principio de funcionamiento de un sensor de barrera Características técnicas Tensión de funcionamiento típica 10... 30 V DC o 20... 250 V AC Alcance máx. 1 m hasta 100 m (en general,

ajustable) Material del objeto cualquiera. Dificultades con objetos

muy transparentes Intensidad de ruptura (Salida por transistor) máx. 100... 500 mA DC Temperatura de funcionamiento 0oC... 60oC o -25oC... 80oC

Sensores de proximidad ópticos

Sensores de barrera

Sensores de reflexión directa

Ejecución con cable defibra

óptica fibra óptíca

Sensores de de retrorreflexión

Ejecución con cable defibra

óptica fibra óptíca



Sensibilidad a la suciedad sensible Vida útil larga (aprox. 100 000 h) Frecuencia de conmutación 20... 10000 Hz Ejecuciones generalmente, rectangular pero

también en cilíndrico Clase de protección IEC 529, DIN 40 050 hasta IP 67

Datos técnicos de los sensores de barrera Los receptores tienen salidas por transistor PNP o NPN y en algunos casos salida por relé. Zona de recepción Zona de emisión Emisor Receptor Zona de respuesta

Zona de respuesta de sensores de barrera La zona de respuesta está definida con presición por el tamaño de la apertura óptica del emisor y receptor. De esta forma se obtiene una detección precisa de la posición lateral. Observaciones sobre la aplicación Ventajas del sensor de barrera: • Incremento de la fiabilidad debido a la presencia permanente de luz

durante el estado de reposo • Amplio alcance • Pueden detectarse pequeños objetos incluso a largas distancias • Adecuado para ambientes agresivos • Los objetos pueden ser reflectantes, especulares o traslúcidos • Buena precisión de posicionado. Desventajas del sensor de barrera: • Dos elementos separados forman el sensor (emisor y receptor), con lo

que se requieren conexiones independientes • No pueden utilizarse para objetos completamente transparentes. Notas: • En el caso de objetos transparentes, es posible reducir la potencia del

emisor por medio del potenciómetro incorporado hasta un nivel tal que



el receptor se desactive cuando el objeto transparente interfiera en el rayo de luz.

• Un fallo del emisor es evaluado como "objeto presente" (importante en aplicaciones para prevención de accidentes).

Sensores de retrorreflexfón EI emisor y el receptor de luz se hallan instalados en un solo cuerpo, con lo funcionamiento que se requiere un reflector. Se evalúa la interrupción del rayo de luz reflejado. La interrupción del rayo de luz no debe ser compensada por la reflexión directa o difusa de un objeto. En algunos casos, los objetos transparentes, claros o brillantes, pueden pasar inadvertidos. Los objetos especulares deben posicionarse de tal forma que el rayo reflejado no sea devuelto por el propio objeto. En comparación con los sensores de reflexión directa, los sensores de retrorreflexión poseen un alcance mayor.

EI principio del sensor de retrorreflexión Características técnicas Tensión de funcionamiento típica 10 ... 30 V DC ó 20...

250 V AC/DC Alcance hasta 10 m (depende del reflector) (en general, ajustable) Material del objeto cualquiera, dificultades con

objetos reflectantes Intensidad de ruptura (salida por transistor) 100... 500 mA DC Temperatura de funcionamiento 0oC... 60ºC ó -25oC... 80oC Sensibilidad a la suciedad sensible Vida útil larga (aprox. 100 000 h) Frecuencia de conmutación 10... 1000 Hz Ejecución cilíndrica, rectangular Clase de protección IEC 529, DIN 40 050 hasta IP 67

Datos técnicos de un sensor de retrorreflexión (ejemplo)



Zona de respuesta de un sensor de retrorreflexión

La zona de respuesta se halla dentro de las líneas que forman el límite del borde de apertura de la óptica emisor/receptor y el borde del reflector. Por norma, la zona de respuesta cerca del reflector es inferior a la sección del propio reflector, dependiendo de la distancia del sensor y del ajuste del potenciómetro. Ventajas del sensor de retrorreflexión: • Mejor fiabilidad dado que hay luz permanentemente durante el estado

de reposo • Instalación y ajustes sencillos • EI objeto a detectar puede ser reflectante, especular o transparente,

siempre que absorba un porcentaje suficientemente elevado de luz • En muchos casos, cubren un rango mayor en comparación con los

sensores de reflexión directa. Desventajas de los sensores de retrorreflexión: Los objetos transparentes, muy claros o brillantes pueden pasar inadvertidos al sensor. Notas: • En el caso de objetos transparentes, el rayo de luz atraviesa dos veces

el objeto y como resultado de ello se ve atenuado. Es posible detectar objetos de este tipo con un ajuste adecuado del potenciómetro

• Los objetos reflectantes deben disponerse de forma tal que se asegure que no reflejarán directa o indirectamente sobre el receptor

• Con objetos particularmente pequeños, un orificio en el rayo de luz puede mejorar la efectividad

• Un fallo en el emisor, es evaluado como "objeto presente" • Los reflectores pueden deteriorarse por envejecimiento o suciedad. A

temperaturas por encima de los 80 oC, el plástico puede quedar dañado permanentemente. Los reflectores inadecuados pueden limitar considerablemente el rango de efectividad del sensor.

Observaciones sobre la aplicación Ventajas del sensor de reflexión directa:



• Ya que es la propia reflexión del objeto la que activa el sensor, no se requiere un reflector adicional

• EI objeto puede ser reflectante, especular o transparente y hasta traslúcido mientras refleje un porcentaje suficientemente elevado del rayo de luz que recibe.

• Mientras que en el sensor de barrera, los objetos sólo pueden detectarse lateralmente, los sensores de reflexión directa permiten detectar en posición frontal, es decir, en la dirección del rayo de luz

• Dependiendo del ajuste del sensor de reflexión directa, los objetos pueden detectarse selectivamente frente a un fondo.

Desventajas de los sensores de reflexión directa: • La respuesta, según la figura anterior, no es completamente lineal. Por

ello, los sensores de reflexión directa no son tan adecuados como los sensores de barrera si se necesita una elevada precisión de respuesta lateral.

Notas: • EI tamaño, superficie, forma, densidad y color del objeto.

determinan la intensidad de la emisión de luz reflejada y, por lo tanto, del rango real de detección. EI rango nominal de detección dado en las fichas técnicas, se mide utilizando el lado blanco de la tarjeta de verificación Kodak. EI fondo debe absorber o desviar la emisión de luz, es decir, en ausencia del objeto, la emisión de luz reflejada debe estar netamente por debajo del umbral de respuesta del circuito receptor

• Un fallo en el emisor, es evaluado como "objeto ausente".

Factores de corrección a tener en cuenta con diferentes superficies de objetos: Material Factor Cartón, blanco 1.0 Poliestireno expandido, blanco 1.0 ... 1.2 Metal brillante 1.2 ... 2.0 Madera basta 0.4 ... 0.8 Tejido de algodón, blanco 0.5 ... 0.8 Cartón, blanco mate 0.1 Cartón, blanco brillante 0.3 PVC, gris 0.4 ... 0.8

Factores de corrección para la distancia de conmutación de sensores de retrorreflexión La distancia de conmutación debe multiplicarse por el factor de corrección.



Influencia del fondo en el ajuste de sensibilidad Potenciómetro de ajuste Objeto Fondo

Influencia del fondo en un sensor de reflexión directa

Sensibilidad ajustable EI efecto del sensor de reflexión directa depende de la diferencia entre la reflexión del objeto y la del fondo. Con contrastes muy pequeños, el umbral de respuesta debe ajustarse, si es preciso, modificando la sensibilidad del sensor de proximidad (potenciómetro de 1 vuelta o multivuelta) de forma que el objeto sea detectado con fiabilidad incluso bajo estas circunstancias difíciles. Sin embargo, debe tenerse en cuenta un margen de tolerancia en relación con el envejecimiento, fluctuaciones de la tensión o la temperatura y suciedad. Por esta razón, cuando se realizan los ajustes no debe utilizarse todo el margen de tolerancia. Cuando se ajusta el sensor de reflexión directa con su potenciómetro, debe dejarse un cierto margen teniendo en cuenta los cambios en las condiciones del objeto, del grado de suciedad del sensor o de la contaminación de la atmósfera (polvo, etc.). De cerca, los ajustes funcionales raramente pueden producir problemas. Algunos sensores de reflexión directa tienen un LED intermitente incorporado para facilitar un ajuste correcto, el cual parpadea si el objeto no se detecta claramente. EI ajuste de un detector de proximidad con una salida normalmente abierta debe hacerse de forma tal que el LED esté activo y sin parpadear en el estado de detección del objeto. Emisor Receptor Superficie reflectante

Emisor Receptor Superficie reflectante El objeto no es detectado



Objetos con baja reflexión Ejemplos: Plástico negro mate Goma negra

Materiales obscuros con superficies rugosas Tejidos obscuros Acero pulido. Los sensores de reflexión directa no reaccionan ante este tipo de materiales, o solo lo hacen a distancias muy cortas. Soluciones alternativas: • Usar sensores de barrera o de retrorreflexión para acercamiento lateral • Usar sensores capacitivos o ultrasónicos para aproximación frontal. Sensor con fibra óptica El símbolo normalizado es: ¿Para qué sirve? Es un detector de proximidad, empleado para determinar la presencia de cualquier tipo de pieza o producto sin que estos tomen contacto con el sensor, utilizados en espacios reducidos o en áreas con riesgo de explosión.

Funcionamiento Estos sensores de proximidad utilizan medios ópticos para la detección de objetos. Es de uso común la luz roja o la infrarroja, esta última es invisible y muy efectiva. Además, la luz infrarroja es menos susceptible a las interferencias causadas por la luz ambiental. La luz en cualquier medio se propaga en línea recta y la única forma de cambiar la dirección en que se propaga es por medio de superficies reflexivas.

Ángulo del rayo incidente

Se debe tener en cuenta que desde el punto de vista físico la ley de la reflexión indica que el ángulo del rayo de luz incidente es igual al reflejado

As de luz que escapa de la fibra óptica

Fibra óptica que en su interior tiene infinitas superficies reflexivas

As de luz incidente a la fibra óptica

Ángulo del rayo reflejado



La fibra óptica utiliza este fenómeno de reflexión para su funcionamiento y, la podemos definir como un cable flexible conductor de luz con infinitas superficies de reflexión para poder transmitir la luz en forma “no rectilínea” (es como si la fibra estuviese compuesta por infinitos espejos en su interior). Los cables del emisor y receptor de una fibra óptica se incorporan en una misma cabeza sensora, permitiendo la instalación a distancia del cuerpo del sensor, por ejemplo en lugares peligrosos donde exista: calor, agua, radiaciones, riesgo de explosión; o donde se requiera la detección precisa de pequeños objetos o en lugares de acceso restringido. Las fibras ópticas pueden ser de polímero o de fibra de vidrio, las ventajas de los cables ópticos de polímero es que son mecánicamente más resistentes, la longitud puede acortarse fácilmente con una cuchilla afilada y es más económica. Los cables ópticos de fibra de vidrio son más apropiados para altas temperaturas, mayor durabilidad y menor perdida de intensidad de luz para grandes distancias. ¿Qué cuidados se deben tener? Aunque los sensores ópticos están protegidos hasta cierto punto contra la influencia de las fuentes externas de luz, una excesiva iluminación (por ejemplo luces de filmación, luz directa del sol) puede producir interferencias. Los cabezales de las fibras deben limpiarse regularmente (por ejemplo, con aire comprimido). Si la suciedad puede causar interferencias, se debe meditar la posibilidad de utilizar otro sensor de proximidad que no sea sensible a la misma. No se debe flexionar demasiado la fibra porque esto puede causar su rotura. Fallas: Es poco frecuente una falla, pero si no se llegará a emitir señal cuando hay un cuerpo presente se debe verificar la integridad de la fibra y los cabezales de fijación, además debe tenerse en cuenta que ante un cambio de producto probablemente cambie la superficie, forma, densidad y color del artículo a sensar pudiéndose entonces alterar la intensidad de luz reflejada.

Sensor de proximidad óptico

Cable receptor de fibra óptica

Cable emisor de fibra óptica

Producto

Cable de conexión LED indicador

de estado

Cabezal de fijación de la fibra

Sensores

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Transcript of Sensores