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Los sensores constituyen el principal medio de comunicación entre las variables de los procesos industriales y los circuitos de control, procesamiento y monitoreo. Tanto los sensores como los transductores son dispositivos que transforman una cantidad física cualquiera (por ejemplo temperatura), en otra cantidad física equivalente, como ser un desplazamiento mecánico, una variable eléctrica, etc., cuya codificación puede ser en forma analógica o digital. Tanto la entrada como la salida de un sensor pueden ser una combinación cualquiera de los siguientes seis tipos básicos de variables existentes en la naturaleza. • Variable Mecánica: Longitud, área, volumen, fuerza, torque, presión, velocidad, aceleración, posición, longitud de onda acústica, intensidad acústica, etc. • Variables Térmicas: Temperatura, calor, entropía, flujo calórico, etc. • Variables Eléctricas: Tensión, Corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia, constante dieléctrica, polarización, campo eléctrico, frecuencia, momento dipolar, etc. • Variables Magnéticas: Intensidad de campo magnético, densidad de flujo, momento magnético, permeabilidad, etc. • Variables Opticas: Intensidad, polarización, fase, reflectancia, transmitancia, índice de refracción, etc. • Variables Químicas o Moleculares: Composición, concentración, potencial redox, rata de reacción, pH, olor, etc. En la industria, los sensores preferidos son los que ofrecen una señal eléctrica de salida, debido a las siguientes ventajas: Cualquier variación de un parámetro no eléctrico (temperatura, presión, peso, etc.) viene siempre acompañado por la variación de un parámetro eléctrico (resistencia, capacitancia, inductancia, etc.). Esto permite realizar sensores eléctricos prácticamente para cualquier variable, eléctrica o no eléctrica. Se puede implementar sensores no intrusivos, es decir que no extraen energía del sistema bajo medición (por ejemplo las termocupla, etc.). También se dispone de una amplia variedad de recursos para acondicionar o modificar las señales a necesidades particulares, así como para presentar o registrar la información suministrada. Muchos de estos recursos (filtros, circuitos de linealización, convertidores A/D, etc.) vienen incluso incorporados de fábrica en los mismos sensores, lo cual facilita su uso. La transmisión de señales eléctricas es más versátil, limpia y segura que la de otros tipos de señales (mecánicas, hidráulicas, neumáticas, etc.). No obstante, estas últimas pueden ser más convenientes en algunas situaciones específicas, por ejemplo en atmósferas altamente explosivas. Tipos de sensores: Mucho de los transductores utilizados en los procesos industriales para convertir variables físicas en señales eléctricas o de otro tipo, necesitan de una o más fuentes auxiliares de energía para realizar su acción básica. ( Fig. 1). Estos tipos de transductores se denominan Transductores Activos o Moduladores y se emplean principalmente para la medición de señales débiles. Ejemplo de estos son las RTD o termoresistencia, los transductores de presión capacitivo, etc.
Variable Medida
Señal de Entrada
Fig.1
Principios Primarios de Transducción
Principios Secundarios de Transducción
Fuente Auxiliar de Energía
Otras Fuentes Auxiliares de Energía
Señal de Salida
También se encuentran los Transductores Pasivos o Generadores, los cuales pueden realizar su acción básica de transducción sin la intervención de una fuente auxiliar de energía. Un DETECTORES DE PROXIMIDAD
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ejemplo típico de estos transductores son las termocuplas, las cuales generan un tensión de salida proporcional a la temperatura aplicada. Además de la distinción entre activos y pasivos, los sensores pueden ser también clasificados de acuerdo al tipo de señal de salida que entregan, el tipo de variable o variables físicas detectadas, el método de detección, el modo de funcionamiento, la relación entre la entrada y la salida (función de transferencia) y otros criterios. Esta clasificación puede observarse en la Fig. 2. Según el Aporte de Energía Pasivos o Generadores
Activos o Moduladores
Según el Tipo de Señal
Analógicas
Digitales
Todo o Nada
Según el Tipo de Parámetro Variable
Resistivos
Capacitivos
Inductivos
Magnéticos
Ópticos
Otros Tipos
Según la Magnitud o Variables Física o Química a Detectar
Posición Lineal o Angular Caudal y Flujo
Desplazamiento o Deformaciones Temperatura y Humedad
Velocidad Lineal o Angular Tacto o Contacto
Aceleración o Vibración Imágenes o Visión Artificial
Fuerza y Par
Nivel
Presión
Otras Variables Físicas o Químicas
Fig.2 Dependiendo del tipo de señal de salida, por ejemplo, un sensor puede ser analógico o digital. Los Sensores analógicos entregan como salida una tensión o una corriente continuamente variable dentro del campo de medida especificado. Los rangos de tensiones de salida son muy variados, siendo los más usuales: +10[V], +5[V], ± 10[V], ± 5[V], ± 1[V]. Los rangos de corriente de salida están más estandarizados, siendo en la actualidad el más común el de 4 a 20 m[A], donde 4m[A] corresponde a cero en la variable medida y 20m[A] a la plena escala. También existen sensores con rangos de salida de 0 a 20m[A] y de 10 a 50m[A]. Los Sensores digitales entregan como salida una tensión o una corriente variable en forma de salto o pasos discretos de manera codificada, es decir con su valor representado en algún formato de pulsos o palabras. Un caso particular de sensores digitales son los detectores todo o nada los cuales tienen una salida digital codificada de solo dos estados y únicamente indican cuando la variable detectada rebasa un cierto valor umbral o límite. Un ejemplo de los sensores todo o nada son los detectores de proximidad inductivos y capacitivos. Dependiendo de la naturaleza de la magnitud o variable a detectar, existen sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, vibración, fuerza, torque, flujo, corriente, gases, pH, proximidad, contacto, imagen, etc. Estos sensores se basan en la aplicación práctica de fenómenos físicos o químicos conocidos y en la utilización de materiales especiales donde dicho fenómenos se manifiestan de forma útil. Los siguientes son algunos de estos principios y los sensores a los cuales están asociados: EFECTOS RESISTIVOS: Variación de la resistividad o de la conductividad en conductores, semiconductores y aislantes a partir de la magnitud a medir. Ejemplos: sensores resistivos de posición (potenciómetros), esfuerzos mecánicos (galgas extensiométricas), temperatura (RTDs, Termistores), campo magnético (magnetoresistencias), luz (fotoresistencias), humedad (humistores), etc.
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EFECTOS CAPACITIVOS: Variación de la constante dieléctrica, la separación entre placas o el área de las placas a partir de la magnitud a medir. Ejemplos: sensores capacitivos de desplazamiento, proximidad, presión, nivel, humedad, fuerza, inclinación, etc. EFECTOS INDUCTIVOS: Variación de la reluctancia, las corrientes de Foucault o la inductancia mutua a partir de la magnitud a medir. Ejemplos: sensores y detectores inductivos de desplazamiento (LVDTs, etc.), velocidad, aceleración, presión, caudal, flujo, nivel, fuerza, etc. EFECTOS MAGNÉTICOS Y ELECTROMAGNETICOS: Producción de tensiones o corrientes inducidas a partir de magnetismo por aplicación o creación de esfuerzos mecánicos (efecto Villari), campos magnéticos intensos (efecto Wiegand), variaciones de flujo magnético (efecto Faraday), campos magnéticos ortogonales (efecto Hall), calor (efecto Ettingshausen), etc. Ejemplos: sensores magnetoelásticos, sensores de efecto Wiegand, sensores de velocidad lineal (LVS), caudalímetros electromagnéticos, sensores de efecto Hall, etc. EFECTOS PIEZOELÉCTRICOS Y PIEZORESISTIVOS: Producción de tensiones o corrientes a partir de esfuerzos mecánicos directamente (efecto piezoeléctrico) o por variaciones de la resistencia (efecto piezoresistivo). Ejemplos: sensores piezoeléctricos y piezoresistivos de fuerza, torque o par, presión, aceleración, vibración, temperatura, etc. EFECTOS TERMICOS Y TERMOELECTRICOS: Producción de tensiones o corrientes a partir de temperatura, directamente o indirectamente por variación de la resistencia, la aplicación de radiaciones térmicas, etc. La producción directa de señales eléctricas a partir de variaciones de temperatura se conoce como efecto Seebeck y constituye el principio de funcionamiento de las termocuplas o termopares y de las termopilas. Los métodos indirectos más comunes son el efecto termoresistivo (variación de la resistencia), en el cual se basan los termistores y las RTDs, y el efecto piroeléctrico (detección de radiaciones térmicas) en el cual se basan los pirómetros, los radiómetros, los analizadores de infrarrojos, y otros dispositivos. También es posible medir temperatura alterando las propiedades de las uniones semiconductoras. En este método se basan los sensores de temperatura monolíticos, como el LM35. EFECTO ÓPTICOS Y ELECTROÓPTICOS: Permiten la producción de señales eléctricas a partir de radiaciones luminosas directamente (efecto fotovoltaico) o indirectamente por variación de la resistencia y otros parámetros eléctricos (efecto fotoeléctricos). Ejemplos: detectores fotovoltaicos de luz, llama y humo, detectores fotoeléctricos de proximidad, fotodiodos, fototransistores, optoacopladores, sensores basados en fibras ópticas, etc. EFECTOS AUTORESONANTES: Permiten la producción de oscilaciones eléctricas a partir de fenómenos físicos resonantes como vibraciones mecánicas, ondas acústicas en cuerdas o cavidades, ondas superficiales en líquidos o sólidos, etc. Ejemplos: resonadores de cuarzo para la medición de temperatura, peso, fuerza y presión; galgas acústicas; sensores basados en cilindros vibrantes; sensores basados en dispositivos de ondas superficiales (SAW),; caudalímetros de vórtices, sensores ultrasónicos para la medición de velocidad, caudal, nivel, proximidad, etc. EFECTOS QUIMICOS Y ELECTROQUIMICOS: Producen señales eléctricas en respuesta a cambios de concentración de sustancias o iones. Ejemplos: pilas voltaícas, sensores de oxigeno y otros gases, sensores químicos basados en MOSFETs, biosensores, etc. Otros sensores especiales son los transmisores y los sensores inteligentes. Los
transmisores son dispositivos que captan la variable a medir y la transmiten hacia un dispositivo receptor alejado, como ser un controlador de proceso, en forma de señal neumática, electrónica o hidráulica equivalente. Los sensores y transmisores inteligentes, son sistemas electrónicos completos basados generalmente en microprocesadores, los cuales, además de su función básica de convertir una variable física en una señal eléctrica equivalente, traen incorporadas funciones adicionales de procesamiento y comunicación como autocalibración, cambio automático del rango de medida, autodiagnóstico, compensación ambiental, interfaces seriales, etc. Son más precisos, estables y confiables que los sensores convencionales, y tienen rangos de medida más amplios. Además, no requieren mantenimiento y simplifican el diseño de sistemas de control.
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INTERRUPTOR MAGNÉTICO (REED SWITCH): Básicamente consiste en una ampolla cerrada de vidrio, dentro del cual existen un gas inerte y dos láminas, que forman los contactos. La función del gas inerte es la de disipar rápidamente la energía liberada cuando se produce la apretura-cierre del contacto, de manera que no se produzcan daño en los mismos. Debido a esto, contactos relativamente chicos pueden soportar corrientes intensas. La corriente máxima que soportan los contactos están en el orden de los 1000m[A]. Los reed switch se accionan en condiciones normales, por la aproximación de un imán, como se muestra en la figura siguiente (Figs. 3).
Fig. 3 La ventaja principal de este relé es la posibilidad de montaje en un espacio muy reducido, pues es un componente de pequeñas dimensiones. Una aplicación importante de este componente es en los sistemas de alarmas, en los que la apertura de una puerta o una ventana, hace que el imán abra o cierre los contactos activando la alarma. Los formatos comunes se lo ven también en la figura anterior. Algunos circuitos típicos de utilización son los siguientes: +6V a +12V
47K
1N4148
RELE
1mA 5K
BC548
REED SWITCH
REED SWITCH 10K
Tanto las alternativas de los circuitos de manejo del REED SWITCH como sus aplicaciones son variadas. Además de sus usos en alarmas también pueden utilizarse en detección de niveles en tanques y en tacómetros.
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DETECTORES DE PROXIMIDAD: Los detectores de proximidad son sensores que detectan la presencia u ausencia de un objeto dentro de un área de influencia, sin entrar en contacto físico con él, y entregan como respuesta una señal binaria del tipo “Todo o Nada”, equivalente a un contacto abierto o cerrado. Los detectores de proximidad electrónicos son ampliamente utilizados en servomecanismo y sistemas de control debido a que pueden operar a muy altas velocidades, no necesitan estar en contacto físico con los objetos que detectan, no se desgastan, pueden trabajar en ambientes muy hostiles, tienen una larga vida útil, pueden detectar objetos muy frágiles y delicados, ofrecen salida por relé o por interruptores de estado sólido (FET, triac, transistor, etc), pueden conmutar directamente cargas AC o DC, son compatibles con PLCs, etc. Entre las aplicaciones que podemos citar del empleo de los detectores de proximidad, podemos destacar: Verificar cuando una parte de una máquina ha alcanzado una cierta posición. Verificar la colocación apropiada de partes durante un procedimiento de ensamblaje en línea. Contar el número de productos que son transferidos a una cinta transportadora. Determinar la presencia, el tamaño, el color, el contenido, la alineación u otra característica particular de un producto que pasa por un punto de inspección. Contar los dientes de un engranaje o medir las revoluciones de un eje para determinar la velocidad rotacional de una máquina o una parte de ella. CLASIFICACIÓN: Los detectores de proximidad electrónicos se clasifican normalmente de acuerdo al tipo de captador utilizado para realizar una acción básica de transducción. Desde este punto de vista, los detectores pueden ser 1) Detectores de Proximidad Inductivos. 2) Detectores de Proximidad Capacitivos. 3) Detectores de Proximidad Opticos. 4) Detectores de Proximidad Ultrasónicos. 5) Detectores de Proximidad Electromagnéticos. Dentro de cada una de estas categorías, existen sus propias clasificaciones, siendo las más comunes las relacionadas con el tipo de alimentación (alterna o continua), el tipo de salida (Todo o Nada. Analógica o Namur) y el tipo de conexión (dos hilos, tres hilos, cuatro hilos, cinco hilos).
Tipos de Salidas: Las salidas pueden ser de dos tipos, en función de la corriente de carga que van a controlar. i. Salidas Todo o Nada: Estas pueden ser: Salidas a relé: utilizado en el caso en que se precise conmutar altas corrientes. Además, este tipo de salida provee aislamiento galvánico entre el sensor y toda su circuitería y el circuito de potencia conmutado. Las corrientes que pueden cortar los contacto varían entre 1[A] y 5[A]. Las salidas a relé pueden ser Normalmente Abiertas (NA) o Normalmente Cerrada (NC); pueden conmutar cargas tanto en C.A. como en C.C., y poseen un período limitado de vida que normalmente se mide en millones de operaciones. Los tiempos de respuesta varían entre los 15 y los 25 m[seg.]. Son utilizados en el caso en que se necesite conmutar una alta corriente, con ciclo de maniobras reducidas y en el que no se necesite una gran velocidad de conmutación. Salidas a Transistor NPN y PNP, Triac, FET y MOSFET: Son utilizados cuando se necesita conmutar pequeñas corrientes a gran velocidad, con una gran cantidad de ciclo de maniobras. Las salidas con FET proporciona una rápida conmutación tanto en C.A. como en C.C., con una corriente máxima de conmutación de 30 m[A] aproximadamente. Las salidas con MOSFET de potencia, proporcionan también una rápida conmutación tanto en C.A. como en C.C., pero con una corriente máxima de conmutación de 300 m[A] aproximadamente. DETECTORES DE PROXIMIDAD
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Las salidas con TRIACS, ofrecen una elevada corriente de conmutación, lo que lo hace adecuado para ser conectados a grandes contactores y solenoides. Solo son aptos para la conmutación de cargas en C.A. Son inadecuados como dispositivos de entrada para controladores programables debido a su gran corriente de fuga (~1m[A]). Los MOSFETs de potencia proporcionan mejores características de salida en la mayoría de las aplicaciones. Las salidas con TRANSISTORES, son utilizadas para la conmutación de cargas en C.C., tienen una corriente de fuga muy baja (medida en µ[A]), y una corriente de conmutación relativamente alta (~100m[A]). Los tiempos de respuesta pueden variar entre los 2m[seg.] y los 30µ[Seg.]. La salida a transistor es a colector abierto, pudiendo ser del tipo PNP o NPN. En todos los casos de salida a transistor, debe tenerse presente que si se manejan elementos de carga inductivos tales como relés, pueden aparecer sobretensiones externas al sensor producto de la autoinducción de dichos elementos, que pueden dañar el transistor de salida. Para protegerlos, deben agregarse al circuito elementos tales como diodos con polaridad inversa que cierren el circuito de la sobretensión. ii. Salidas Namur: Son un tipo especial de detectores inductivos Todo o Nada, diseñado especialmente para el trabajo en atmósferas explosivas. Dependiendo de la presencia o no del objeto detectado, entregan una salida alta o baja que se conecta a un amplificador externo remoto que maneja un relé. iii. Salidas Analógicas: Los detectores con salidas analógicas proporcionan una salida (tensión o corriente) proporcional a la distancia de separación entre el cabezal de detección y el objeto a detectar o Target. Su principal aplicación es como sensores de distancia o posición aunque su rango de medición es relativamente limitado.
Tipos de Conexiones: En función del circuito de control (tecnología) que tenga la salida del detector, estos pueden ser: i. Detectores a dos hilos: Estos como lo vemos en la siguiente figura, pueden ser para C.A. o para C.C., y se conectan en serie con la carga , actuando como interruptores N.A. o N.C. (+)
(~)
(-) A) CC, 2 hilos
(~) B) CA, 2 hilos
Esta disposición no se aplica a los detectores Namur (ver figura siguiente), los cuales a pesar de ser de dos hilos, necesitan de un circuito auxiliar externo.
(+) (-) C) Sensor Namur ii. Detectores a tres hilos: Son los más comunes y pueden ser debido a salidas a relé o a transistor. En estos, dos de los terminales se conectan a la fuente de alimentación y el otro a la carga. El terminal restante de la carga debe conectarse al positivo de la fuente si la salida es NPN (figura D) o al negativo de la misma si la salida es PNP (figura E). Lo mismo se aplica a los sensores analógicos (figura F). Los detectores con salida NPN o PNP se denominan también sensores tipo sumidero (sinking) o tipo fuente (sourcing) respectivamente, debido a que los primeros drenan corriente de la fuente, mientras que los segundos la entregan a la carga. Puesto que ambos modelos son de colector abierto, para su (+)
(+)
(-)
(-)
D) CC, 3 hilos, NPN
E) CC, 3 hilos, PNP F) Salida Analógica
conexión a circuitos lógicos requieren de una resistencia externa de pull-up o de pull-down, respectivamente.
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iii. Detectores de cuatro y cinco hilos: Los circuitos internos de estos detectores se alimentan con corriente continua, pudiendo conmutar tanto cargas en c. alterna y en c. continua. Dos de sus terminales se conectan a la fuente de alimentación, mientras que los otros dos o tres restantes controlan la carga. Las configuraciones se la observan en las figuras G) y H): (+) (+) (-)
(-)
G) CC, 4 hilos
H) CC, 5 hilos, Conmutado Simbología Según DIN 1219: La simbología tiene en cuenta el tipo de detector y el tipo de salida, indicando dichas características según las figuras referenciadas con ℵ y ℑ.
(1)
(2)
A continuación analizamos los distintos tipos de detectores.
1) DETECTORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS: Los detectores de proximidad inductivos, se utilizan para detectar la presencia de objetos metálicos (férricos o no férricos). Constan básicamente de un sensor llamado cabezal de detección, un oscilador LC de alta frecuencia (1-100MHz), un demodulador, un conformador de pulsos Schmitt Trigger y una etapa de salida como vemos en el siguiente diagrama de bloques: Sensor (cabezal de detección)
Oscilador
Demodulador
Conformador de Pulsos
Etapa de Potencia
Estos tipos de sensores trabajan generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección. El cabezal de detección es simplemente una bobina, incorporada a un oscilador LC (circuito tanque en el cual la bobina representa la L), que produce un campo magnético variable en sus vecindades. La misma esta devanada alrededor de un núcleo de ferrita y puede estar o no blindada. En los detectores inductivos blindados, las líneas de campo están dirigidas hacia el frente del cabezal, mientras que en los detectores inductivos no blindados, lo están tanto al frente como a los lados. Esto lo vemos en la figura siguiente:
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Líneas de Campo
Por
esta
razón,
para
detectar
aproximaciones axiales de objetos (de
Bobinas
Núcleo de Ferrita
Detector Inductivo no Blindado
Blindaje
Detector Inductivo Blindado
frente al cabezal de detección), deben usarse detectores inductivos blindados; mientras que para detectar aproximaciones radiales (de lado al cabezal de detección), deben usarse detectores inductivos no blindados. Estos últimos tiene un mayor alcance de detección.
Cuando no hay ningún objeto metálico dentro del campo de actuación del detector, el tanque formado por un capacitor y el inductor (ubicado en la cabeza de detección) están resonando. Un circuito comparador mide la tensión del capacitor con respecto a una tensión patrón prefijada. Cuando el circuito tanque está en resonancia, la tensión en el capacitor es máxima. Cuando se ubica un objeto metálico dentro del campo magnético del detector, se inducen corrientes parásitas llamadas corrientes de Foucault o remolino, las cuales sacan de resonancia al circuito tanque. Esto provoca una disminución de la tensión en el capacitor, disminuyendo la señal del oscilador (menor amplitud) y consecuentemente el nivel de continua del demodulador. Como resultado de esto, el circuito sensor reconoce un cambio especifico de amplitud y genera una señal que conmuta la salida de estado sólido a la posición ON (encendido). Al abandonar el objeto metálico el área de detección, el sistema retoma a sus condiciones normales. Los objetos no metálicos no provocan cambio alguno, es por esto que no son detectados.
Dentro de las especificaciones significativas de los detectores inductivos se encuentran: ALCANCE NOMINAL Sn [mm]: Es la distancia nominal de detección especificada por el
fabricante independientemente del valor de temperatura, la tensión de alimentación y otros factores. Es utilizada como valor de referencia. Este dato esta referido para una placa cuadrada de acero dulce, de 1[mm] de espesor, cuyos lados sean iguales a la cara activa o sensible del sensor (que es el lugar por donde emerge el campo electromagnético de alta frecuencia). ALCANCE REAL Sr [mm]: Es la distancia real de detección especificada por el fabricante para los valores de tensión y temperatura nominales. ALCANCE UTIL Su [mm]: Este es medido dentro de los límites admisibles de temperatura ambiente, de tensión de alimentación y otros factores. Su valor esta comprendido entre 90% y 110% de la distancia nominal de detección especificada por el fabricante. Normalmente es ajustable por el usuario mediante un potenciómetro incorporado en el sensor. En general se lo calcula en función del alcance nominal, debido principalmente a que el tipo de material metálico a detectar no es acero dulce. Esto afecta la distancia a la cual se produce la conmutación del detector. Se lo calcula como Su=Cf.Sn en donde Cf es un factor de corrección que tiene en cuenta el tipo de material a detectar. Algunos factores típicos de corrección son: Cf= 0,9 para aleaciones de cromo-niquel; Cf= 0,85 para acero inoxidable; Cf= 0,5 para bronce; Cf= 0,45 para aluminio; Cf= 0,4 para cobre; etc. DETECTORES DE PROXIMIDAD
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ALCANCE DE TRABAJO Sa [mm]: Este esta comprendido entre el 0% y el 81% del alcance nominal. Es el espacio de funcionamiento seguro del detector. Este me permite calcular la distancia de detección (para los distintos tipos de materiales a detectar y en las condiciones extremas) y seleccionar el detector. En general:
S a = S n ⋅ (C f + K d + K θ + K t ) ≤ S n Cf: factor de corrección que tiene en cuenta los distintos tipos de materiales a detectar. Kd: factor de corrección que tiene en cuenta las dimensiones y formas de los materiales a detectar. Kθ: factor de corrección que tiene en cuenta los efectos de la temperatura. Kt: factor de corrección que tiene en cuenta las variaciones en la tensión de alimentación. En general existen gráficas para aplicar las correcciones y determinar la distancia de detección. Los objetos con formas redondeadas, los materiales no férricos, los objetos con menor tamaño que la cara activa del detector, reducen la distancia de detección. HISTERESIS [%]: Es una característica importante de los detectores de proximidad
inductivos. También se lo denomina Recorrido o Gap Diferencial. Para que un objeto sea detectado, este tiene que acercarse a una distancia Cabezal del Sensor inferior a S1 (punto de ON o de accionamiento) y para Líneas de S2 punto de OFF ser ignorado debe alejarse una distancia superior a S2 campo magnético (punto de OFF o de desconexión). La distancia entre S1 y S2 se denomina Gap Diferencial y, en la mayoría de los casos, es ajustable por el usuario, mediante un potenciómetro incorporado al sensor. Mientras el objeto no salga de esta banda, Gap diferencial la salida no cambia de estado. As{i se evita que, debido S1 punto de ON a la vibración o el juego mecánico de una máquina, un objeto estacionario produzca una señalización múltiple u errónea (conmutación rápida entre estados). La amplitud de las vibraciones han de ser menor que el recorrido de histéresis para evitar fenómenos de rebotes.
FRECUENCIA DE CONMUTACION [Hz]: Indica el número máximo de veces por segundo que
el sensor puede cambiar de estado (activado a desactivado) expresado en Hertz. Este valor depende del tamaño del objeto, de la distancia de este a la cara de detección, de su velocidad y del tipo de salida del detector.
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En el caso de superarse esta frecuencia, la salida permanece activa aún cuando el objeto se haya alejado de la cara activa del detector. La frecuencia máxima de conmutación depende del tipo de detector, pero en general varía entre 1K[Hz] y 5K[Hz]. Estos son algunos de las características principales de estos detectores. Los sensores de proximidad inductivos, como se dijo pueden ser utilizado para detectar tanto metales magnéticos (hierro, acero templado, acero inoxidable, níquel, etc.), como no magnéticos (latón, cobre, aluminio, etc.), siendo más sensibles en el primer caso que en el segundo. Por esta razón, no pueden detectar materiales no metálicos como el plástico, el cristal, etc. De cualquier modo, su operación no se ve afectada por el color, y las condiciones superficiales del objeto a ser detectado. La forma de montaje depende de si son o no blindados. Los sensores blindados, en particular, están diseñados para ser enrasados, es decir montados al ras sobre soportes metálicos, tienen en general forma cilíndrica y su alcance nominal máximo es típicamente 15 [mm].
Los sensores no blindados, pueden tener forma cilíndrica o de bloque rectangular plano, y requieren que el cabezal sobresalga una cierta distancia del soporte metálico para evitar que este último sea detectado como un objeto válido y produzca señales falsas. Su alcance nominal máximo es del orden de los 30 [mm]; mayor que el de los sensores blindados, pero no están autoprotegido como estos últimos contra contactos accidentales. Los detectores de proximidad inductivos son ampliamente utilizados en la industria debido a que son fáciles de instalar y utilizar, no tienen partes móviles, no son afectados por la luz y pueden operar confiablemente en una gran variedad de ambientes, incluso con grandes concentraciones de polvo, grasa, agua, ácidos, etc. Las características de montaje son:
Sensores Blindados
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Sensores No Blindados
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Algunos usos industriales son:
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2) DETECTORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS: Los detectores de proximidad capacitivos, se utilizan para detectar tanto objetos metálicos como no metálicos. Su principio de funcionamiento es similar a la de los sensores inductivos, excepto por la estructura del oscilador. Sensor
Oscilador
(cabezal de detección)
Demodulador
Conformador de Pulsos
Etapa de Potencia
El detector de proximidad Capacitivo constan del cabezal de detección, un oscilador LC de alta frecuencia (1-100MHz), un demodulador, un conformador de pulsos Schmitt Trigger y una etapa de salida como vemos en el diagrama de bloques anterior. En este caso, el valor de la bobina (inductancia) es fija, y lo que varía es el valor del capacitor del oscilador, el cual es el elemento sensor. El principio de operación es la propiedad que tiene un capacitor de cambiar su valor cuando cambia el material dieléctrico existente entre las placas.
+ A
+
A
A
+ C =ε⋅
- B
-
-
Superficie de las placas Distancia entre placas
B B El cabezal de detección (superficie activa del sensor) esta formada por dos electrodos metálicos concéntricos, que puede imaginarse como un condensador seccionado. Las placas A y B de este condensador están conectadas al oscilador de alta frecuencia diseñado de manera que no oscila cuando la superficie activa del sensor esta libre (medio: aire). Cuando un objeto (no metálico) o un fluído se acerca a la superficie activa del sensor, y penetra en el campo eléctrico de los electrodos, se produce un aumento del acoplamiento capacitivo entre los electrodos A y B (el campo eléctrico se intensifica debido a que la constante dieléctrica del objeto es mayor que la del aire). Cuando se alcanza una capacidad predeterminada, el oscilador empieza a funcionar, la amplitud de oscilación activa los demás circuitos del detector, provocando un cambio en la condición de salida. Los detectores capacitivos pueden ser actuados por objetos metálicos como no metálicos o aislante. ACTUACIÓN POR OBJETOS NO METÁLICOS: Si se ubica un elemento aislante entre los electrodos de un condensador, la capacidad del mismo aumenta en función de su constante dieléctrica ε.
A
+
-
A
+
Dieléctrico
B
ε
-
B
La constante dieléctrica de todos los elementos, sólidos o líquidos, es mayor que la del aire (εaire=1), por lo tanto los objetos no metálicos sobre la superficie activa de un sensor capacitivo actúan aumentando la capacidad de acoplamiento. Los materiales con alta constante dieléctrica darán por lo tanto la mayor distancia de detección. En los casos de sensado de materiales higroscópicos (madera, cereales, etc.) debe tenerse muy en cuenta que su distancia de accionamiento dependerá en forma significativa del contenido de agua (εagua=80).
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Las constantes dieléctricas de los materiales más usuales en el ámbito industrial se muestran en la siguiente tabla: MATERIAL
MATERIAL
εr
Aceite Mineral Aceite para transformadores Acetona Agua Aire, Vacío Alcohol Amoníaco Anilina Arena Azúcar Azufre Baquelita Barniz Benceno Cartulina Celuloide Cemento en Polvo Cenizas Cereales Cloro Líquido Cristal de Cuarzo Dióxido de Carbono Ebonita Etanol Gasolina Glicerina Goma Dura Goma Esponja Goma Siliconada Harina Laca
2,2 2,2 19,5 80 1 25,8 15 – 25 6,9 3–5 3 3,4 3,6 2,8 – 3,3 2,3 4,5 3 4 1,5 – 1,7 3–5 2 3,7 1,000985 2,7 – 2,9 24 2,2 47 4 2,5 2,8 1,5 – 1,7 2,5 – 4,7
εr
Leche en Polvo Madera Seca Madera Verde Mármol Mica Nylon Papel Papel aceitado Parafina Petróleo Plexiglas Poliamida Poliestireno Polietileno Polipropileno Polivinilclorid Porcelana Prespan Resina Acrílica Resina epoxi Resina estireno Resina fenólica Resina melamina Resina poliéster Resina PVC Sal Teflón Tetracloruro de carbono Tolueno Vaselina Vidrio
3,5 – 4 2–7 10 – 30 8 – 8,5 5,7 – 6,7 4–5 1,6 – 2,6 4 1,9 – 2,5 2 – 2,2 3,2 5 3 2,3 2 – 2,3 2,9 4,4 – 7 4 2,7 – 4,5 2,5 – 6 2,3 – 3,4 4 – 12 4,7 – 10,2 2,8 – 8,1 2,8 – 3,1 6 2 2,2 2,3 2,2 – 2,9 3,7 - 10
Los medios con constantes dieléctricas alta, tales como los fluidos, pueden ser detectados a través de materiales con una baja constante dieléctrica. Esto se utiliza particularmente para la detección de nivel de líquidos en tanques, ya sean estos de cementos o PVC, en el cual el detector no esta en contacto directo con el material a sensar. Para la detección de materiales con constantes dieléctricas bajas, el cabezal de detección deberá estar en contacto directo con el material a sensar.
A
+
Objeto Metálico
-
B
A
B
+
ACTUACIÓN POR OBJETOS METÁLICOS: Si se ubica un elemento metálico entre los electrodos de un condensador, este último debilita el campo eléctrico entre las placas, actuando como un tercer electrodo y formando dos condensadores en serie (Ca y Cb), como vemos en la siguiente figura.
Ca Cb
Como resultado de estos, la capacidad entre las placa A y B disminuye. Los metales dan la máxima distancia de actuación en estos tipos de detectores. No existen factores de reducción para distintos tipos, como ocurre en el caso de los detectores inductivos.
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En ambos casos el efecto neto es la variación de la frecuencia del oscilador. Este cambio es detectado por la circuitería interna del detector, energizando o no la carga conectada a este. Los detectores capacitivos también pueden ser blindados y no blindados. Los detectores capacitivos blindados, tienen una banda o malla metálica alrededor de la sonda. Esto ayuda a dirigir el campo electrostático al frente del sensor dando como resultado un campo más concentrado. Estos tipos de sensores son más convenientes para detectar materiales de baja constante dieléctrica (difíciles de detectar) debido a la alta concentración de campos electrostáticos. Permiten la posibilidad de montaje del sensor al ras (en paredes contenedoras) sin que se produzcan falsas detecciones o se utilizan también en el caso en que no deba existir contacto físico con el material a sensar. Por lo tanto, pueden detectar fluidos a través de tanques no metálicos y paredes con un espesor delgado (depende de la intensidad del campo electrostático que cada modelo de detector genera). Para una detección segura con sensores blindados montados al ras debemos considerar las siguientes distancias mostrada en la figura siguiente:
Los detectores capacitivos no blindados, son los que no tienen una banda o malla metálica alrededor de la sonda, por lo tanto tienen una menor concentración de campo electrostático. Algunos modelos “no blindados” están equipados con sondas de compensación, las cuales proporcionan mayor estabilidad al sensor. El campo electrostático de un detector no blindado, es de mas baja concentración que el correspondiente a los modelos con blindajes. Esto los hace adecuados para la detección de materiales de alta constante dieléctrica (fáciles de detectar) o también para discriminar entre materiales de alta y baja constante dieléctrica. Para ciertos materiales, los detectores de proximidad capacitivos no blindados poseen distancias de detección mayores que los blindados, además pueden ignorar nebulizaciones, polvo, suciedad, gotas finas de aceite o vapor de agua condensado en el sensor.
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Para una detección segura con detectores capacitivos no blindados debemos considerar las siguientes distancias mostrada en la figura siguiente:
Algunos parámetros de los detectores de proximidad capacitivos tanto blindado como no blindado son: ALCANCE NOMINAL Sn [mm]: Definida de la misma manera que para los sensores inductivos
a una temperatura de 25° [C].. ALCANCE DE TRABAJO Sa [mm]: Este esta comprendido entre el 0% y el 81% del alcance nominal. Es el espacio de funcionamiento seguro del detector. Este me permite calcular la distancia de detección (para los distintos tipos de materiales a detectar y en las condiciones extremas) y seleccionar el detector. En general:
S a = S n ⋅ (C f + K d + K θ + K t ) ≤ S n Cf: factor de corrección que tiene en cuenta los distintos tipos de materiales a detectar. Kθ: factor de corrección que tiene en cuenta los efectos de la temperatura. Kt: factor de corrección que tiene en cuenta las variaciones en la tensión de alimentación. El factor de corrección Cf tiene en cuenta las constante dieléctrica de los distintos materiales a detectar. Estos están tabulados para cada tipo de material. Así una tabla típica de factores de corrección es la siguiente:
MATERIAL Agua Aceites Azúcar aire Aire, Vacío Alcohol Arena Amoníaco Caucho Cemento Cereal Gasolina Harina
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Cf 1 0,3 0,5 0 1 0,85 0,3 – 0,4 0,75 – 0,85 0,3 – 0,9 0,35 0,3 – 0,4 0,2 0,2 – 0,3
MATERIAL Leche en Polvo Madera Seca Madera húmeda Mármol Mica Nylon Papel Poliester Porcelana PVC Sal Trigo Vidrio
Cf 0,3 – 0,4 0,2 – 0,6 0,7 – 0,9 0,5 – 0,6 0,5 – 0,6 0,3 –0,4 0,2 – 0,3 0,2 – 0,6 0,4 –0,5 0,6 0,5 0,8 0,3 – 0,7
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Para conocer otros valores de los factores de corrección para los distintos materiales, se pueden utilizar los manuales de datos de los fabricantes, en los cuales se brindan estas informaciones; o se pueden utilizar gráficas como la siguiente:
En esta se muestra la dependencia de la distancia de sensado (como porcentaje del alcance nominal) en función de las constantes dieléctricas del material a detectar. En general, para el agua y para los metales el factor de corrección puede considerarse unitario. HISTERESIS [%]: Esta definido de manera similar a la de los sensores inductivos, sin embargo, su sensibilidad depende marcadamente del tipo de material a detectar (constante dieléctrica).. FRECUENCIA DE CONMUTACION [Hz]: Indica el número máximo de veces por segundo que
el sensor puede cambiar de estado (activado a desactivado) expresado en Hertz. (definida igual que para los sensores inductivos). Los detectores capacitivos tienen típicamente forma plana o cilíndrica, y al igual que los inductivos, vienen en diámetros normalizados de 8 [mm] (M8), 12 [mm] (M12), 18 [mm] (M18) y 30 [mm] (M30) para las versiones roscadas, y de 4, 5 y 32 [mm], para las no roscadas. Las mismos pueden ser blindados o no, en cuyo caso pueden o no ser montadas al ras. Su principal aplicación es la detección de objetos no metálicos. Su alcance, en general, es mayor que el de los detectores inductivos del mismo tamaño, siendo en algunos modelos superior a los 50 [mm]. Además pueden sensar a través de paredes. Algunos usos en la industria se ven a continuación:
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3) DETECTORES DE PROXIMIDAD FOTOELECTRICOS: Los detectores de proximidad fotoeléctricos, son dispositivos electrónicos que pueden abrir o cerrar un circuito eléctrico por la acción de un haz de luz y un elemento fotosensible. Trabajan detectando el cambio en la cantidad de luz que, o bien es reflejada, o bien es interrumpida por el objeto a detectar. Se puede utilizar detectores fotoeléctricos para aplicaciones en que es necesario detectar objetos (dianas) ubicados a una distancia inferior a 5 [mm] hasta 250 [mts]. Un sensor fotoeléctrico tiene cuatro componentes básicos: i. Un emisor o fuente de luz. ii. Un sensor o detector de luz. iii. Lentes. iv. Circuitería electrónica y dispositivos de conmutación de salida. A continuación analizamos cada uno de estos. i. UN EMISOR O FUENTE DE LUZ: El emisor utiliza en general, uno o varios diodos LEDs para producir un haz de luz modulada que viaja hacia el receptor a través del espacio, una fibra óptica u otro medio. Los LEDs se construyen para emitir longitudes de ondas especificas o colores de la luz. Como fuente de luz se utilizan LEDs que emiten radiación infrarroja, roja visible, verde y azul en la mayoría de los detectores fotoeléctricos. Los más utilizados son los que emiten radiación infrarroja, ya que son más eficaces, pues son los que más porcentaje de luz emiten y los que menos calor disipan comparados con otros LEDs de emisión visible. En aplicaciones en donde se requiere un haz de luz visible (como ayuda en el ajuste o confirmación de la operación del sensor) se utiliza LEDs tipo rojo visible el cual cumple mejor estos requisitos. Los LEDs de espectro visible rojo, azul, y amarillo se utilizan también en aplicaciones especiales en donde se precisa detectarse colores específicos o contrastes de colores determinados. Estos LEDs se utilizan además como visualizadores de indicación de estados en el detector. Como sabemos, la cantidad de luz generada por el LED de la fuente de luz es determinada por la cantidad de corriente que esta conduce. Para incrementar el rango de un detector fotoeléctrico, puede aumentarse la cantidad de corriente. Sin embargo, en los LEDs se genera calor por efecto joule (existe un límite máximo de calor que se puede generar) que si se excede, podría destruir el dispositivo. Entonces, para aumentar el alcance del detector se modula la corriente que circula por el LED (ver figura). Esta modulación tiene la característica que tiene un ciclo ligero (menor que el 5%) lo que permite que la cantidad de corriente, y por lo tanto la cantidad de luz emitida, exceda en gran medida lo permitido bajo una operación continua. La frecuencia de esta señal modulada es superior a los 5 [kHz], mucho más rápida que la detectable por el ojo. La modulación en LEDs infrarrojos garantiza una gran inmunidad a otras formas de luz ambientales, un alto rendimiento luminoso, una alta velocidad de respuesta, la insensibilidad a choques y vibraciones y una vida útil prácticamente ilimitada. Además simplifica el proceso de alineamiento. ii. UN SENSOR O DETECTOR DE LUZ: Es el elemento o dispositivo utilizado para detectar la fuente de luz. En general se utiliza como elemento fotosensible, un fotodiodo o un fototransistor, los cuales producen un cambio en la corriente conducida dependiendo de la cantidad de luz detectada. Es decir que en función de la cantidad de luz detectada produce una señal equivalente que indica la presencia u ausencia de la diana u objeto. DETECTORES DE PROXIMIDAD
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Los fotosensores son más sensibles a la emisión lumínica de ciertas longitudes de ondas. La respuesta espectral de un fotosensor determina su sensibilidad a las diferentes longitudes de ondas del espectro lumínica. Para mejorar la eficacia en la detección, es frecuente que el LED y el fotosensor hayan de acoplarse espectralmente, como vemos en la figura siguiente:
iii. LENTES: Como sabemos, los LEDs emiten luz y los fotosensores son sensibles a la luz en un amplio campo de visión. Para restringir este campo se utilizan lentes acopladas a los LEDs y a los fotosensores. Al reducir el ángulo de visión se incrementa el rango del LED o del fotosensor. Como resultado, las lentes también aumentan la distancia de detección de los sensores fotoeléctricos.
iv. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS Y DISPOSITIVOS DE CONMUTACIÓN DE SALIDA: Una vez detectado el cambio de luz, el detector fotoeléctrico acciona su salida, produciendo un cambio de estado en la carga conectado a este o el elemento de control. Las tipos de salidas disponibles se resumen en el siguiente cuadro:
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MODOS DE DETECCIÓN: Los modos de detección se refieren a la forma en que se encuentran posicionados físicamente las fuentes de luz y el receptor. Teniendo en cuenta esta definición existen seis tipos de sensores fotoeléctricos: I. Detectores Fotoeléctricos De Barrera. II. Detectores Fotoeléctricos Retrorreflectivos. III. Detectores Fotoeléctricos Difusos. IV. Detectores Fotoeléctricos Convergentes. V. Detectores Fotoeléctricos Especulares. VI. Detectores Fotoeléctricos De Marcas De Color. El tipo de sensor a utilizar en una aplicación determinada depende, entre otros factores, de la distancia de detección, la intensidad de la señal óptica, las restricciones de montaje, las características del objeto a ser detectado, el ambiente en que desarrollara su acción, etc. Es importante, por ejemplo, saber si los objetos son opacos, translúcidos o claros, si son alta o ligeramente reflectivos, y si se sitúan siempre en la misma posición o lo hacen aleatoriamente a medida que pasan por el sensor. A continuación analizamos a cada uno de los antes mencionados: I. DETECTORES FOTOELÉCTRICOS DE BARRERA: En este modo, el emisor y el receptor están ubicadas en posiciones opuestas entre sí, pero alineados, de modo que la luz del primero incide directamente sobre el segundo. La detección se produce cuando el objeto interrumpe el haz de luz.
Este método no es adecuado para objetos transparentes, incluso reflectantes (vidrio por ejemplo). Es el que provee el más alto nivel de energía óptica, por lo tanto la máxima distancia de detección. Su uso es apto en ambientes industriales contaminados por polvo, humo, etc. El cambio de estado del receptor se produce cuando un objeto interrumpe por lo menos el 50% del haz emitido por el emisor. Se utilizan para la detección de objetos pequeños, el posicionamiento preciso de piezas y el conteo de objetos. Su principal desventaja es que el emisor y el receptor debe conectarse independientemente. II. DETECTORES FOTOELÉCTRICOS RETRORREFLECTIVO O REFLEX: En este modo, el
emisor y el receptor están montados uno adyacente al otro en la misma cápsula y la luz del primero se transmite por reflexión al segundo gracias a la acción de un elemento reflector externo. La detección se realiza por bloqueo del haz. El elemento reflector externo esta formado por un gran número de prismas o triedos que tienen la propiedad de reflejar todo rayo incidente en la misma dirección y en forma paralela (ver figura siguiente).
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Para ello debe ubicarse frente al detector, centrado y en un plano perpendicular al eje óptico del mismo El tamaño del reflector depende de la distancia con respecto al detector, pero debe ser más pequeño que el objeto a detectar. La distancia máxima de detección dependerá en parte de la eficacia del reflector. Esta dependerá del índice de reflexión del material. Los detectores fotoeléctricos retrorreflectivos son más fácil de instalar que los detectores fotoeléctricos de barrera, pero su uso en ambientes industriales altamente contaminados no es adecuado. Un problema que se presenta con estos detectores es que los objetos altamente reflectivos pueden pasar desapercibidos si los mismos retornan una cantidad de luz similar a la que entrega el reflector. Para solucionar este inconveniente se utilizan varias técnicas, incluyendo el empleo de filtros de polarización en los lentes del emisor y el receptor, que bloquean el paso de las ondas de luz en el plano de polarización vertical u horizontal. III. DETECTORES FOTOELÉCTRICOS DIFUSOS O AUTO-REFLEX: En este modo, el transmisor y el receptor están hospedados en la misma cápsula. La posición del objeto se detecta cuando el mismo se coloca en línea con el haz del transmisor y la luz, al incidir en el objeto, se dispersa, retornando una parte de ella al receptor. De este modo, estos detectores operan por luz o reflejo. Este método es el más conveniente desde el punto de vista de la instalación, puesto que la detección se realiza de un solo lado, sin necesidad de un reflector. Lo importante es que el objeto sea suficientemente reflectivo, tenga una gran área de dispersión, y cualquier superficie de fondo del mismo, no sea reflectiva o, si lo es, este por lo menos a tres veces la distancia entre el detector y el objeto. Su alcance es corto y no se recomienda para objetos pequeños ni ambientes contaminados. El inconveniente principal en este tipo de detección es el grado de reflectividad que tienen las dianas. Por ejemplo, las superficies relativamente brillantes pueden reflejar la mayor parte de la luz en la dirección opuesta al receptor, lo cual dificulta mucho la detección. La cara activa del detector ha de ser paralela a las superficies reflectivas de las dianas. En cambio, los objetos muy oscuros o mates, absorben la mayor parte de la luz y reflejan muy poca para ser detectados. Para solucionar estos inconvenientes debemos colocar el detector lo más cercano posible a la diana. Los fabricantes especifican la máxima distancia de detección de estos sensores, considerando como diana a una hoja de papel blanca (tamaño A4) especialmente formulada para poseer un 90% de reflectancia, lo que significa que el 90% de la energía lumínica procedente de la fuente de luz será reflejada por el papel. Las dianas en el mundo real generalmente son significativamente menos reflectivas, por ejemplo, el cartón tiene una reflectividad relativa típica de 40, la madera: 20, el papel negro: 10, las gomas de neumático: 4, etc.
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IV. DETECTORES FOTOELÉCTRICOS CONVERGENTES: En este modo, el transmisor y el
receptor están inclinados un mismo ángulo con respecto al eje vertical, y se utilizan lentes especiales para enfocar el haz en un área muy estrecha, llamada Profundidad de campo. Los objetos que están situados fuera de esta zona no son detectados. Debido a esto, la luz que llega al receptor es más potente que en el caso anterior, permitiendo que el sensor pueda detectar objetos muy pequeños o poco reflectivos. Este tipo de sensor puede ser utilizado para contar botellas, latas, etc., sobre bandas transportadoras cuando no hay espacio entre productos adyacentes; detectar diferencias de alturas en partes móviles, detectar el nivel de llenado de materiales, etc. V. DETECTORES FOTOELÉCTRICOS ESPECULARES: En este modo, el transmisor y el
receptor están colocados a ángulos iguales del objeto y la detección se realiza por reflexión total. Para ello, se requiere que las superficies del objeto sean como espejos y la distancia entre el mismo y el sensor permanezca constante. Este tipo de sensores se utilizan cuando se requiere diferenciar entre objetos brillantes y opacos. Un ejemplo común es la detección del alineamiento con respecto a una superficies reflectiva de un material difuso, digamos una tela sobre una mesa de acero en una máquina cosedora.
VI. DETECTORES FOTOELÉCTRICOS DE MARCAS DE COLOR: En este modo, en lugar de
explorar el objeto a medida que pasa por el punto de inspección, se detecta por convergencia el contraste entre dos colores. Estos últimos pueden estar sobre la misma superficie o pertenecer a objetos separados. Este tipo de sensores son ampliamente utilizados en operaciones de empaque, donde se recurre a marcas de color para asegurar que la información que debe ir impresa sobre un producto aparezca siempre en el mismo lugar. Normalmente se utiliza como emisor una lampara incandescente, que produce una luz blanca, o un led de luz roja o verde. La luz blanca es la ideal debido a que contiene todos los colores. Existen también Detectores Fotoeléctricos De Fibras Ópticas, los cuales son utilizados principalmente en espacios confinados o ambientes muy hostiles (temperatura ambiente muy elevada, vibraciones, golpes, etc.). En este se utiliza un conductor de fibra óptica (de plástico o de vidrio) para transmitir la luz hacia y desde el punto de detección. El haz transmitido y el haz reflejado son transportados por fibras diferentes. Las detecciones por fibras ópticas pueden realizarse por el modo Barrera o por el modo Difuso. En ambos casos, tanto el emisor como el receptor están hospedados en la misma cápsula. La luz que sale del emisor viaja por la fibra óptica e incide en el
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objeto a detectar (diana), siendo interrumpida o dispersada por este último. Respecto a los conductores de fibra óptica, los de fibra de vidrio son más duraderos que los de fibra de plástico, ya que los primeros soportan temperaturas mucho más alta. Un cuadro comparativo de las fibras ópticas de vidrio y de plástico se muestra en la siguiente tabla:
Algunos especificaciones y parámetros de los sensores fotoeléctricos son: ALCANCE MÁXIMO NOMINAL Sn [mm]: Distancia máxima de detección en condiciones ideales de funcionamiento. Para este factor debemos considerar que esta distancia puede ser del emisor al objeto o del emisor al reflector como en el caso de los detectores fotoeléctricos retrorreflectivos. ALCANCE DE TRABAJO Sa [mm]: Es la distancia de trabajo real del detector, teniendo en
cuanta los diversos factores del entorno, es decir el medio ambiente que rodea al detector. Normalmente es menor que el alcance nominal. El entorno puede ser limpio o estar contaminado por polución, polvo, humo, vapor, lluvia, niebla, humedad, frío, vibraciones, choques, etc. A mayor contaminación menor es el alcance de trabajo y viceversa. Este valor se obtiene aplicando un factor de corrección al alcance nominal, en función del entorno, así: 1,00 para entornos limpios, 0,50 para entornos ligeramente contaminados, 0,25 para entornos medianamente contaminados y 0,10 para entornos muy contaminados. ALCANCE MÍNIMO NOMINAL Sm [mm]: Los detectores fotoeléctricos que tiene el emisor
y el receptor ubicados en el mismo dispositivo tiene una pequeña área ciega cerca del sensor, en el cual no se puede realizar la detección. Para obtener una operación segura y confiable, los reflectores, las cintas reflectivas o las dianas se deben colocar a una distancia mayor que esta distancia mínima de detección. La distancia mínima de detección aumenta al aumentar la distancia entre el emisor de luz y el receptor. VELOCIDAD DE CONMUTACIÓN O TIEMPO DE RESPUESTA: Duración de la señal de
salida en función de la velocidad de paso y de las dimensiones del objeto. Se expresa en término del tiempo de respuesta del sensor, el cual se es el tiempo que transcurre entre la detección de un objeto y el cambio de estado del dispositivo de salida de activado a desactivado y de desactivado a activado. También es el tiempo necesario para que el dispositivo de salida cambie de estado, una vez que la diana ha dejado de ser detectada por el sensor. Los tiempos de respuesta dependen del diseño del sensor y del tipo de dispositivo de salida. Los sensores más lentos normalmente ofrecen rangos de detección más largo. Los más rápidos
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normalmente poseen distancias de detección más cortas. Estos tiempos de respuesta en general varían de 30 [µSeg.] a 30 [mSeg.]. HISTERESIS: La histéresis de un sensor fotoeléctrico es la diferencia entre la distancia en
la que se puede detectar un objeto a medida que se mueve hacia el sensor y la distancia que se tiene que mover en dirección opuesta al sensor para que deje de ser detectado. En la figura siguiente se muestra un ejemplo: Cuando la diana se acerca al sensor, este la detectará a una distancia X. Cuando la diana se aleja del sensor , seguirá siendo detectada hasta llegar a una distancia Y. Una alta histéresis en la mayoría de los detectores fotoeléctricos es útil para detectar objetos grandes y opacos. Una baja histéresis requiere pequeños cambios en el nivel de luz.
Algunas aplicaciones industriales de estos sensores son:
Figura 1
Figura 2
Figura 3
En la fig 1 se aplica para la confirmación de productos transportados en línea sin considerar la variaciones de colores y patrones. En la fig 2 se aplica para la detección de cajas posicionadas en forma inapropiada. En la fig 3 se utiliza para la detección de cajas de diferente color.
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4) DETECTORES DE PROXIMIDAD ULTRASÓNICOS: Los detectores de proximidad Ultrasónico tienen la propiedad de detectar la presencia de objetos cualquiera sea el material (metales, plásticos, maderas, cartón, etc.), su naturaleza (sólidos, líquidos, polvo, etc.), el color y el grado de transparencia. Estos funcionan emitiendo y recibiendo ondas de sonido de alta frecuencia. La frecuencia generalmente es de aproximadamente 200 [kHz]. El funcionamiento de estos sensores es bastante simple. Su elemento principal es un transductor electroacústico. Este elemento, en primer lugar, emite unas ondas ultrasónicas; a continuación pasa a modo de espera, en el que, durante un cierto tiempo, espera la vuelta de las ondas reflejadas en algún objeto. Si las ondas llegan, quiere decir que hay algún objeto en las proximidades. Dependiendo del tiempo de conmutación del transductor (el tiempo que está esperando) se detectará un grado de proximidad u otro. Este tipo de sensores permiten la detección de proximidad a mayores distancias. Estos detectores tienen dos modos de operación :
i. MODO OPUESTO: En el cual un sensor emite la onda de sonido y otro, montado en posición opuesta al emisor la recibe.
ii. MODO DIFUSO: En el cual el sensor emite la onda de sonido y luego escucha el eco que rebota de un objeto.
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Algunas especificaciones y parámetros de los sensores fotoeléctricos son: ALCANCE MÁXIMO NOMINAL Sn: Distancia máxima de detección en condiciones ideales de
funcionamiento.
CAMPO O MARGEN DE DETECCIÓN Sd: Es el campo en donde el detector es sensible a los
objetos. ALCANCE MINIMO: Límite inferior del campo de detección especificado. ALCANCE MAXIMO: Límite superior del campo de detección especificado. ALCANCE DE TRABAJO Sa: Corresponde al campo de funcionamiento del detector (activación de las salidas) y esta incluido en el campo de detección. ZONA CIEGA: Es una zona comprendida entre la cara de detección y el alcance mínimo en el que ningún objeto puede detectarse de manera confiable. El tamaño de la zona ciega depende de la frecuencia del transductor. Se debe evitar el paso de objetos por esta zona durante el funcionamiento del detector, ya que podría provocar un estado inestable en las salidas. HISTERESIS O RECORRIDO DIFERENCIAL: Es la distancia entre el punto de acción cuando la placa de medida se acerca al detector y el punto de desactivación cuando la placa se aleja del mismo.
ANGULO TOTAL DEL HAZ: Angulo sólido alrededor del eje de referencia del detector. PLACA DE REFERENCIA: El objeto estándar para un sensor ultrasónico de modo difuso está establecido por el estándar de la Comisión Electrotécnica Internacional IEC 60947-5-2. El objeto estándar tiene forma cuadrada, un grosor de 1 mm y está hecho de metal con acabado laminado. El tamaño del objeto depende del margen o campo de detección. Campo de Detección [mm] ≤ 300 300 < d < 800 ≥ 800
Tamaño del Objeto [mm] 10 x 10 20 x 20 100 x 100
Se deben tener en cuenta ciertas características de los objetos cuando se usan sensores ultrasónicos. Éstas incluyen la forma, el material, la temperatura, el tamaño y la posición del objeto.
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Los materiales suaves tales como telas o caucho esponjoso son difíciles de detectar por la tecnología ultrasónica difusa porque no reflejan el sonido adecuadamente. Para los sensores ultrasónicos de modo opuesto, no hay un estándar establecido. FRECUENCIA DE CONMUTACION [Hz]: Indica el número máximo de veces por segundo que
el sensor puede cambiar de estado su salida (activado a desactivado) expresado en Hertz. FACTORES DE INFLUENCIA: Los detectores ultrasónicos están especialmente adaptados a la detección de objetos duros y con una superficie plana perpendicular al eje de detección. No obstante, el funcionamiento del detector ultrasónico puede verse afectado por: Las corrientes de aire que pueden acelerar o desviar la onda acústica emitida por el producto (expulsión de piezas por chorro de aire). Los gradientes de temperatura importantes en el campo de detección: un fuerte calor generado por un objeto puede crear zonas de temperatura diferentes que modifican el tiempo de propagación de la onda e impiden una detección fiable. Los aislantes de sonido: materiales que absorben el sonido (algodón, tejidos, caucho...). El ángulo entre el lado del objeto que se va a detectar y el eje de referencia del detector: cuando el ángulo difiere de 90°, la onda ya no se refleja en el eje del detector y el alcance de trabajo disminuye. Este efecto se acentúa más cuanto más grande es la distancia entre el objeto y el detector. Superados los ± 10°, la detección es imposible. La forma del objeto que se va a detectar: al igual que en el caso anterior, un objeto muy anguloso podrá ser difícil de detectar.
En los casos de detección de aislantes de sonido, de objetos angulosos o de presencia de un ángulo entre el lado del objeto que se va a detectar y el eje de referencia del detector, se recomienda elegir el detector modo opuesto que permite detectar por corte de haz.
APLICACIONES:
Medidas de distancias, medidas de alturas
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Detección de presencia/Ausencia de objetos claros, metálicos, etc. - 28 -
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5) DETECTORES DE PROXIMIDAD ELECTROMAGNETICOS: Son los denominados interruptores de posición, limites de carrera o interruptores de fin de curso. Su característica principal es el contacto físico con el objeto a detectar. Transmiten al sistema de control información sobre presencia/ausencia, paso, posicionamiento, fin de carrera, de objetos. Estos son aparatos de instalación sencilla que ofrecen muchas ventajas:
VENTAJAS ELECTRICAS: Separación Galvánica de los circuitos. Buena conmutación de corrientes débiles y gran robustez eléctrica. Buena resistencia a los cortocircuitos si están bien coordinados con los disyuntores adecuados. Inmunidad total a los parásitos electrónicos. Tensión de empleo elevada. Mas de 10 millones de ciclo de maniobra.
VENTAJAS MECANICAS:
Apertura positiva de los contacto. Gran resistencia a los entornos industriales. Grado de protección elevado (IP 65 y/o mayor). Buena repetitividad y fidelidad de la señal (hasta 0,01 mm en los puntos de activación), lo que le confiere una gran precisión en su accionar..
CONSTITUCION DE UN INTERRUPTOR DE POSICION: Un interruptor de posición esta compuesto por tres partes claramente diferenciadas: a) CUERPO: El cual contiene en su interior el microinterruptor con los contactos. b) CABEZAL: Es un mecanismo que cuando se mueve según lo especificado, transmitiendo la fuerza aplicada desde los dispositivos de ataques, ocasiona la actuación del microinterruptor. c) DISPOSITIVO DE ATAQUE: Es elemento mecánico que entra en contacto con el objeto, produciendo la acción de detección. Estos pueden ser: Pulsador. Pulsador y Roldana. Palanca y Roldana (Fija o Regulable). Varilla rígida. Varilla flexible.
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MOVIMIENTOS DE DETECCIÓN: Son los movimientos permitidos para el Cabezal. Estos se ejemplifican en la siguiente figura:
ESPECIFICACIONES Y PARÁMETROS DE LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS: I. Durabilidad mecánica: son la cantidad de ciclo de maniobras que puede soportar el detector en condiciones nominales de funcionamiento. II. Contacto de ruptura brusca: estos tipos de interruptores tarda muy poco tiempo en conmutar la corriente eléctrica, lo que reduce el arco y previene que se peguen los contactos. Por lo tanto, es preferible un interruptor de ruptura brusca para aplicaciones que requieran alta precisión y elevada frecuencia de operación.
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III. Contacto de ruptura lenta: en estos tipos de interruptores el tiempo de conmutación de la corriente eléctrica aumenta o disminuye en proporción a la velocidad de operación de interruptor. Un interruptor de ruptura lenta, comparado con una de ruptura brusca, tiene suficiente fuerza de separación en el momento en que el contacto cierra y proporciona la suficiente capacidad de aislamiento después de que los contactos se han separado. Por lo tanto, un interruptor de ruptura lenta es ideal para conexiones de diferentes cargas.
En general los fabricantes brindan informaciones adicionales sobre cada producto, los cuales pueden consultarse en sus catálogos.
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APLICACIONES: Verificación de posición
Contaje y detección de partes
Detección de objetos
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