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Fundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensores

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Fundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensores

  1. 1. FUNDAMENTOS FÍSICOS Y CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE SENSORES Un sensor es un dispositivo para detectar y señalar una condición de cambio. Con frecuencia, una condiciónde cambio,se tratade lapresenciaoausenciade unobjetoomaterial (deteccióndiscreta). También puede ser una cantidad capaz de medirse, como un cambio de distancia, tamaño o color (detecciónanalógica).Lossensoresposibilitanlacomunicaciónentreel mundofísicoylossistemasde medicióny/o de control,tantoeléctricoscomoelectrónicos,utilizándoseextensivamenteentodotipo de procesos industriales y no industriales para propósitos de monitoreo, medición, control y procesamiento. CÁLCULO DE Sn (Distancia máxima de conmutación) Al utilizar un sensor para una aplicación,se debe calcularunadistanciade detecciónnominalyunadistanciade detecciónefectiva. [Fundamentos de la detección de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley] Distancia nominal de detección La distancia de detección nominal corresponde a la distancia de operación para la que se ha diseñado un sensor, la cual se obtiene mediante criterios estandarizados en condiciones normales.[Fundamentosde ladetecciónde presencia,Rockwell Automation/Allen-Bradley] Distancia efectivade detecciónLadistanciade detecciónefectivacorrespondealadistanciade deteccióninicial (o de fábrica) del sensor que se logra en una aplicación instalada.Esta distancia se encuentra más o menos entre la distancia de detección nominal, que es la ideal, y la peor distancia de detección posible.[Fundamentos de la detección de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley] Existen otros términosasociadosal cálculode la distancianominal enlossensoresloscualesson: Histéresis, Repetibilidad, Frecuencia de conmutación y Tiempo de respuesta. Histéresis La histéresis, o desplazamiento diferencial, es la diferencia entre los puntos de operación (conectado) y liberación (desconectado) cuandoel objetose alejade lacara del sensoryse expresacomounporcentaje de la distanciade detección.Sinunahistéresissuficiente,el sensorde proximidad se conectaydesconecta continuamente al aplicar una vibración excesiva al objeto o al sensor, aunque se puede ajustar mediante circuitos adicionales.
  2. 2. 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. Frecuencia de conmutación La frecuencia de conmutación corresponde a la cantidad de conmutaciones por segundo que se pueden alcanzar en condicionesnormales. En términos más generales, es la velocidad relativa del sensor. Tiempo de respuesta El tiempode respuestade un sensorcorresponde al tiempoque transcurre entre la detecciónde un objeto y el cambio de estado del dispositivo de salida (de encendido a apagado o de apagado a encendido).Tambiénesel tiempoque el dispositivode salidatarda encambiar de estadocuando 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.
  3. 3. Sensores Inductivos Los sensoresinductivostienenunadistanciamáximade accionamiento,que dependeengranmedida del área de la cabeza sensora (bobina o electrodo), por ello a mayor diámetro, mayor distancia máxima;enrelaciónaladistanciareal de accionamientoSndependeráde latemperaturaambientey de latensiónnominal yse sitúadentrodel +/- 10% de ladistancianominalSn. Lossensoresinductivos poseenunazonaactivapróximaalasecciónextremadelinductor,que estáestandarizadapornormas para distintosmetales.Estazonaactivadefine ladistanciamáximade captaciónoconmutaciónSn.La distanciaútil 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 un80% de factor de corrección,para el Aluminioun 30 % y para el cobre un 25%. La distanciade operacióntambiéndependesi el sensoresblindadoono.Lossensoresblindadosestán construidosconun anillode protecciónalrededordel núcleo.Este tipode sensorconcentrael campo electromagnéticoenlaparte delanterade lacara frontal del del sensor.Enlossensoresinductivosno blindadosnoexiste el anillometálicoalrededor,porlo tanto,el campo no estáconcentradosobre la parte delanteradel sensor,estasconfiguracionespermitenun50% más de rango de sensadoque en un sensor blindado del mismo tamaño. Sensores Capacitivos Los sensorescapacitivosal igual que los inductivostienenunadistanciamáximade accionamiento, que depende en gran medida del área de la cabeza sensora (bobina o electrodo), por ello a mayor diámetro, mayor distancia máxima. Zona activa Poseenunazonaactivapróximaala secciónextremasimilaralosinductivos,quedefineladistancia máximade captacióno conmutaciónSm. La distanciaútil de trabajo suele tomarse como de un 90% de la de captación: Objeto Patrón Las distanciassensorasde lossensorescapacitivossonespecificadasporel accionadormetálico,con ladoigual a3 vecesladistanciasensoraparalosmodelosembutidos(enlagranmayoría),yenalgunos pocoscasosde sensorescapacitivosembutidosse utilizael ladocuadradoigualal diámetrodelsensor. Sensores Fotoeléctricos En los sensores fotoeléctricos la distancia nominal de detección varía de acuerdo al sensor: a) Sensores de Barrera. Cuando existe un receptor y un emisor apuntados uno al otro. Tiene este método el más alto rango de detección (hasta unos 60 m). b) Sensores Reflex. Cuando la luz es reflejada por un reflector especial cuya particularidad es que devuelve la luz en el mismo ángulo que la recibe (9 m de alcance). Sensores Fotoeléctricos En los sensores fotoeléctricos la distancia nominal de detección varía de acuerdo al sensor: a) Sensoresde Barrera.Cuandoexisteunreceptoryunemisorapuntadosunoal otro.Tieneestemétodo el más alto rango de detección (hasta unos 60 m). b) Sensores Reflex.Cuando la luz es reflejada por
  4. 4. un reflectorespecial cuyaparticularidadesque devuelve laluzenel mismoánguloque larecibe (9m de alcance). c) Sensores Auto Reflex. Cuando el emisor tiene un lente que polariza la luz en un sentido y el receptor otro que la recibe mediante unlenteconpolarizacióna90° del primero.Conesto,elcontrol noresponde aobjetosmuy brillososque puedenreflejarlaseñal emitida(5mde alcance).d) Sensoresde FocoFijo.Cuandolaluz esreflejadadifusamente porel objetoyesdetectadoporel hechode que el transmisory el receptor estánestereoscópicamente acoplados,evitandoconellointerferencia del fondo (3.5 m de alcance). e) Sensores de detección difusa. Igualesalosanterioresperoloslentesson divergentes,yse usanparadetectarobjetosmuypróximos (1.5 m de alcance). f) Sensores de Fibra Óptica. En este tipo, el emisor y receptor están interconstruídos en una caja que puede estar a varios metros del objeto a sensar. Para la detección emplean los cables de fibra óptica por donde circulan los haces de luz emitido y recibido. La mayor ventaja de estos sensores es el pequeño volumen o espacio ocupado en el área de detección. Alcance Nominal (Sn) Es ladistanciamáximaaconsejadaque debehaber entre el emisoryel receptor,emisoryreflectoro 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 distanciahasta la cual la detecciónestáasegurada y toma en cuenta los factoresambientales (polvo,humo,etc.) yunmargende seguridad.Este alcance essiempre menorque el alcance nominal. Sensores Ultrasónicos Zona Ciega Lossensoresultrasónicostienenunazonaciegainherenteubicadaenlacarade detección.El tamaño de la zona ciega depende de la frecuencia del transductor. Los objetos ubicados dentro de la zona ciega no se pueden detectar de manera confiable.
  5. 5. La técnicaactual permite lafabricaciónde estossensoresconunrangode deteccióndesde 100 mm hasta unos6000 mm con una exactitudde 0.05%. Consideraciones sobre el objeto Se debentenerencuentaciertascaracterísticasde los objetoscuandose usansensores ultrasónicos.Estasincluyenlaforma,el material,latemperatura,el tamañoylaposicióndel objeto, ya que de ellasdependenque éste devuelvael ecomásfuerte posible. La formaideal del objetoesunasuperficie lisayplana.Tambiénpuedendetectarseobjetos redondosodisparejosperose reduciránlasdistanciasde deteccióny/olosvoltajesde salida analógica.Losmaterialessuavestalescomotelasocauchoesponjososondifícilesde detectarporla tecnologíaultrasónicadifusaporque noreflejael sonidoadecuadamente. Finales de carrera Principiode Funcionamiento: El movimientomecánicoenformade levaoempujadoractúasobre la palancao pistónde accionamientodel interruptorde posiciónhaciendoabrirocerrar un contacto eléctricodel interruptor. Esta señal eléctricase utilizaparaposicionar,contar,parar o iniciarunasecuencia operativaal actuar sobre loselementosde control de lamáquina. Construcción:
  6. 6. Aplicaciones: Apertura y cierre de puertas, sistemas de cinta transportadora, conteo y detección de piezas, máquinas de transferencia, fosas y taladros, entre otras. Principio de Funcionamiento: Lossensoresmagnéticosconstande unsistemade contactoscuyoaccionamientovendráocasionado por la aparición de un campo magnético. Los contactos se cerrarán bajo la influencia de un campo magnético provocado por un dispositivo imantado alojado en el objeto a detectar, en los cilindros neumáticos el imán permanente va integrado en el émbolo, estos cuando el campo magnético se acerca al sensor,estostransmitenuna señal eléctricao neumáticaa los controles,electroválvulaso elementos de conmutación neumáticos.
  7. 7. Sensores capacitivos Los sensores capacitivos están especialmente diseñados para lograr detectar materiales aislantes tales como el plástico, el papel, la madera, entre otros, no obstante también cuentan con la capacidad de de detectar metales. Es importante tener en cuenta que los sensores capacitivos funcionan de manera inversa a los inductivos, es decir que a medida que el objetivos se va a acercan al sensor las oscilaciones del mismo aumentan hasta que llega a un límite que activa el circuito que dispara las alarmas. Principiode funcionamiento: Constade una sondasituadaenlaparte posteriorde lacara del sensor el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto. Cuando el objetose encuentrafueradel campo electrostático,el osciladorpermanece inactivo,perocuandoel objetose aproxima,sedesarrollaunacoplamientocapacitivoentreéste ylasondacapacitiva.Cuando la capacitancia alcanza un límite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de encendido y apagado. Construcción:
  8. 8. SENSORES FOTOELÉCTRICOS
  9. 9. Sensores ultrasónicos Los sensoresultrasónicos sondispositivosautónomosde estadosólidodiseñadosparaladetección sincontacto de objetossólidosylíquidos.Paramuchasaplicaciones,talescomoel monitoreodel nivel de aguaenun tanque,latecnologíaultrasónicapermite que undispositivohaga el trabajoque de otro modorequeriríavariossensores.Nuestrossensoresestándisponiblesenvariosrangosy estilosde detecciónytienenunasalidaanalógicaodiscretasegúnel modelo. Ventajas  Captaciónsincontacto  Fiabilidadencasode condicionesambientalescríticascomosuciedad,polvooniebla  Independientemente delcolor,de latransparencia,de lapropiedadesde reflexión,asícomo del acabadode lassuperficiesdelobjeto  Captaciónprecisainclusode objetospequeños  Las formasconstructivasde rectánguloycilindroaportanuna mayorlibertadde construcción Otro aspecto positivo:mayor seguridady menor coste Un sensorultrasónicoanalógicoademásescapazde asumirla funciónde unsegundo.Esposible utilizarindistintamente conunoo dospuntosde actuación,trabajar de forma exclusivamente analógicao combinarlaforma analógicacondos
  10. 10. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE SENSORES Tipo de Salida: Pueden ser principalmente de dos tipos,en función de la corriente de carga que van a controlar. Para corrientesde cierta importancia,comopor ejemplobobinasde contactores,donde la corriente puede llegaraalgunosAmpers,se utilizanlosde salidaaRelé (ocontactoseco),pudiendoserlasalida tipoNA o NC. Para cargas pequeñas,generalmente elementoselectrónicos,lasalidaesatransistor con colector abierto, pudiendo ser del tipo PNP o NPN. Es raro ver salidas a colector cerrado (equivalente aunNC).En todoslos casosde salidaa transistor,debe tenersepresente que si se manejanelementosde cargainductivostalescomorelés,puedenaparecersobretensionesexternas al sensorproductode laautoinducciónde dichoselementos,que puedendañarel transistorde salida. Para protegerlos,debenagregarse al circuitoelementostalescomodiodosconpolaridadinversaque cierren el circuito de la sobretensión. Una variante de estos, cuando se debe trabajar en C.A., son los de salida a Triac. Alimentación: En general, estos elementos se colocan lejos de sus fuentes de alimentación externas, y su electrónicatiene supropiafuente de alimentacióninternade tensiónregulada,porloque permiten alimentarlos en un amplio rango de valores de tensión, por ejemplo de entre 15 y 90V., independizando su elección de los valores de la tensión disponible y de la distancia de su ubicación desde la fuente principal. Tipo de Conexión: En función del circuito de control que se pretenda armar, los detectores pueden ser de distintos tipos: A 3 hilos de C.C. de C.A. A 2 hilos de C.C. de C.A. A 3 hilos de C.C.: Sonlosmáscomunes,ypuedensersalidasarelé oatransistor.Losde salidaarelé puedensertipo P o tipoN dependiendode lapolaridadque entregael contacto del relé.A su vez,el contacto puede ser NA o NC. Los de salidaa transistor,pueden sera colectorabiertotipoP (o PNP) o tipoN (o NPN).Sonraros de encontrar,peroexistentambiénlosde colectorcerrado,equivalentesaun NC,y generalmente traen el diodo de protección internamente. Sensores Inductivos: Estossensorespueden serde construcciónmetálicaparasu mayorproteccióno,de caja de plástico. Y puedentenerformasanular,de tornillo,cuadrada,tamañointerruptorde límite,etc;Además,por su funcionamientopuedenserdel tipoempotrable al rasen acero o, del tipono empotrable.Losdel tiponoempotrable se caracterizanporsumayoralcance de detección,de aproximadamenteel doble.
  11. 11. Ciertas marcas fabrican estos sensores en dos partes, una parte es el sensor propiamente dicho y el otro es el amplificador de la señal de frecuencia, con el finde usarlos en zonas peligrosas,y de esta maneracumplirconlasnormas seguridadintrínseca.SensoresCapacitivos: Ademásde losvoltajes y circuitosmencionados,existetambiénenlossensorescapacitivosuntipocon salidaanalógica(4-20 mA).

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