Download de figura. - Departamento de Ingeniería Electrónica

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICERRECTORADO BARQUISIMETO
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SENSORES DE POSICIÓN
DESCRIPCIÓN, SELECCIÓN Y USO
TEXTO
Autor: Ing. Miguel Indriago
Barquisimeto, noviembre de 2003
ii
iii
Prólogo
El control industrial depende en gran medida de la exactitud con la cual se
puedan medir las variables del proceso. Existen una gran cantidad de variables
que intervienen en los procesos industriales como nivel, flujo, temperatura,
presión, ph, humedad, posición, velocidad, aceleración. La bibliografía específica
que haga el estudio de los sensores que dan como respuesta posición es muy
escasa, a pesar de ser estas variables de suma importancia en la automatización
de procesos industriales. Es por esta razón, que dada la necesidad de tener un
texto específico que se aplique solamente a estudio de los detectores que se usen
para la medición posición o presencia de un objeto, que se decidió iniciar el
estudio de los mismos con la finalidad de elaborar un texto que cubra las
necesidades de los estudiantes en el tema considerado.
El texto abarca los sensores de posición de uso común en el ámbito
industrial y es por ello que se estudian con detalle los detectores ópticos,
inductivos, capacitivos, ultrasónicos, finales de carrera y codificadores ópticos que
abarcan una gran cantidad de aplicaciones en la automatización y control de
procesos. Se cubren aspectos como: principios de funcionamiento, tipos de
salidas, forma de conexión, aplicaciones y otros que servirán para comprender
mejor y aplicar de forma correcta el uso detectores mencionados.
iv
Indice.
Prólogo .........................................................................................................iii
Indice. ...........................................................................................................iv
Indice de figura. ............................................................................................ix
Indice de tablas........................................................................................... xiv
Resumen .....................................................................................................xv
1
Introducción ........................................................................................... 1
2
Sensores ópticos ................................................................................... 4
2.1 Definición ............................................................................................ 4
2.2 Partes.................................................................................................. 4
2.2.1 Fuente .......................................................................................... 4
2.2.2 Receptor ....................................................................................... 5
2.2.3 Lentes........................................................................................... 6
2.2.4 Circuito de salida .......................................................................... 6
2.3 Margen ................................................................................................ 8
2.4 Modos de detección ............................................................................ 8
2.4.1 Transmisión directa o barrera ....................................................... 8
2.4.2 Reflexivo ..................................................................................... 10
2.4.3 Difuso o proximidad .................................................................... 12
2.5 Fibras ................................................................................................ 14
2.6 Comparación entre las diferentes configuraciones de sensores
ópticos. .............................................................................................................. 15
2.7 Especificaciones de sensores ópticos............................................... 15
2.7.1 Operación luz/oscuridad ............................................................. 15
2.7.2 Distancia máxima de detección .................................................. 17
v
2.7.3 Distancia mínima de detección ................................................... 17
2.7.4 Curva de respuesta típica........................................................... 17
2.7.5 Tiempo de respuesta. ................................................................. 18
2.7.6 Campo de visión. ........................................................................ 18
2.7.7 Histéresis.................................................................................... 19
2.8 Aplicaciones ...................................................................................... 19
2.9 Dimensiones ..................................................................................... 21
2.10 Encapsulado ................................................................................... 22
3
Sensores de Proximidad Inductivos .................................................... 23
3.1 Características generales.................................................................. 23
3.2 Principio de funcionamiento .............................................................. 23
3.3 Factor de corrección para la distancia de detección ......................... 25
3.4 Frecuencia de conmutación .............................................................. 25
3.5 Sensores blindados y no blindados................................................... 26
3.6 Histéresis. ......................................................................................... 27
3.7 Aplicaciones ...................................................................................... 28
3.8 Dimensiones ..................................................................................... 32
4
Sensores de Proximidad Capacitivos .................................................. 33
4.1 Características generales.................................................................. 33
4.2 Principio de funcionamiento. ............................................................. 33
4.3 Sensores capacitivos blindados y no blindados. ............................... 34
4.3.1 Sensores blindados. ................................................................... 34
4.3.2 Sensores no blindados. .............................................................. 34
4.4 Aplicaciones ...................................................................................... 35
4.5 Dimensiones ..................................................................................... 38
vi
5
Sensores ultrasónicos ......................................................................... 39
5.1 Características generales.................................................................. 39
5.2 Principio de operación....................................................................... 39
5.3 Modos de operación.......................................................................... 40
5.3.1 Modo de operación opuesto ....................................................... 40
5.3.2 Modo de operación difuso .......................................................... 40
5.4 Margen de detección y zona ciega.................................................... 40
5.5 Aplicaciones ...................................................................................... 41
5.6 Dimensiones ..................................................................................... 42
6
Interruptores de final de carrera. ......................................................... 43
6.1 Descripción. ...................................................................................... 43
6.2 Partes................................................................................................ 43
6.2.1 El actuador. ................................................................................ 44
6.2.2 El cabezal. .................................................................................. 45
6.2.3 La base....................................................................................... 46
6.3 Aplicaciones ...................................................................................... 47
6.4 Dimensiones ..................................................................................... 48
6.5 Aspectos generales para el uso de sensores.................................... 49
7
Codificadores ópticos .......................................................................... 50
7.1 Características generales.................................................................. 50
7.2 Tipos de codificadores ópticos .......................................................... 50
7.2.1 Codificador óptico Incremental ................................................... 50
7.2.2 Codificador óptico Absoluto ........................................................ 59
7.3 Comparación entre codificadores ópticos diferenciales y codificadores
ópticos absolutos. .............................................................................................. 64
7.4 Otros aspectos sobre codificadores ópticos...................................... 64
vii
7.5 Dimensiones ..................................................................................... 66
8
Otros sensores de posición ................................................................. 67
8.1 Transformador diferencial variable lineal (LVDT) .............................. 67
8.1.1 Características generales ........................................................... 67
8.1.2 Principio de funcionamiento........................................................ 67
8.1.3 Aplicaciones................................................................................ 68
8.1.4 Dimensiones ............................................................................... 71
8.2 Potenciómetros y regletas potenciométricas..................................... 71
8.2.1 Características generales ........................................................... 71
8.2.2 Principio de funcionamiento........................................................ 72
8.2.3 Aplicaciones................................................................................ 72
8.2.4 Dimensiones ............................................................................... 73
8.3 Sensores micro eléctrico mecánico (MEM) ....................................... 74
8.3.1 Características generales ........................................................... 74
8.3.2 Principio de funcionamiento........................................................ 74
8.3.3 Aplicaciones................................................................................ 75
8.3.4 Dimensiones ............................................................................... 76
8.4 Sensores inteligentes ........................................................................ 76
8.4.1 Características generales ........................................................... 76
8.4.2 Principio de funcionamiento........................................................ 77
8.4.3 Aplicaciones................................................................................ 78
8.4.4 Dimensiones ............................................................................... 78
9
Circuitos de salidas ............................................................................. 80
9.1 Salidas a relé .................................................................................... 80
9.2 Salida a transistor.............................................................................. 81
viii
9.3 Salida de TRIAC................................................................................ 83
9.4 Salida a FET: .................................................................................... 83
9.5 Salida a MOSFET ............................................................................. 84
9.6 Salida Analógica................................................................................ 85
9.7 Salida Serial ...................................................................................... 85
9.8 Conexión a dos y a tres hilos ............................................................ 87
9.9 Criterios de selección ........................................................................ 88
10
Bibliografía ....................................................................................... 90
Anexo A. Glosario de términos ................................................................... 91
Anexo B. Hojas técnicas ............................................................................. 94
Detector óptico ........................................................................................ 94
Detector inductivo ................................................................................... 95
Detector capacitivo.................................................................................. 96
Detector ultrasónico ................................................................................ 97
Interruptor final de carrera....................................................................... 98
Codificador óptico ................................................................................... 99
LVDT ..................................................................................................... 100
Potenciómetro ....................................................................................... 100
Dispositivo Micro Electro Mecánico....................................................... 101
Sensor inteligente ................................................................................. 102
ix
Indice de figura.
Figura 1. Foto emisor. ............................................................................................. 4
Figura 2. Modulación............................................................................................... 5
Figura 3. Longitud de onda...................................................................................... 5
Figura 4. Lentes ...................................................................................................... 6
Figura 5. Diagrama de bloques de un sensor foto eléctrico .................................... 7
Figura 6. Modo transmisión directa ......................................................................... 9
Figura 7. Haz efectivo en la transmisión directa...................................................... 9
Figura 8. Haz efectivo con aberturas..................................................................... 10
Figura 9. Modo Reflexivo ...................................................................................... 10
Figura 10. Materiales reflexivos............................................................................. 11
Figura 11. Reflexivo polarizado ............................................................................. 12
Figura 12. Modo difuso.......................................................................................... 12
Figura 13. Sensor difuso con fondo reflexivo ........................................................ 13
Figura 14. Modo difuso gran angular..................................................................... 14
Figura 15. Cables de fibra óptica........................................................................... 15
Figura 16. Distancia mínima de detección ............................................................ 17
Figura 17. Curva de respuesta típica .................................................................... 18
Figura 18. Campo de visión para un sensor reflexivo ........................................... 18
Figura 19. Histéresis ............................................................................................. 19
Figura 20. Sistema de paletizado. ......................................................................... 20
Figura 21. Dimensiones de un sensor fotoeléctrico............................................... 21
Figura 22. Sensor foto eléctrico fotoeléctrico ........................................................ 21
Figura 23. Sensor inductivo................................................................................... 23
x
Figura 24. Principio de funcionamiento de sensor inductivo ................................. 24
Figura 25. Respuesta de los sensores inductivos ................................................. 24
Figura 26. Frecuencia de conmutación ................................................................. 26
Figura 27. Sensor blindado y sin blindaje.............................................................. 27
Figura 28. Histéresis en los sensores inductivos................................................... 27
Figura 29. Detección de objetos sobre una cinta transportadora .......................... 29
Figura 30. Detección de una puerta abierta o cerrada .......................................... 31
Figura 31. Maquina de recubrimiento.................................................................... 31
Figura 32. Válvula con confirmación de abierto cerrado. ...................................... 32
Figura 33. Dimensiones de un sensor inductivo.................................................... 32
Figura 34. Sensores inductivos ............................................................................. 32
Figura 35. Sensor capacitivo ................................................................................. 33
Figura 36. Partes de un sensor capacitivo ............................................................ 34
Figura 37. Sensor capacitivo blindado .................................................................. 34
Figura 38. Sensor capacitivo sin blindaje .............................................................. 35
Figura 39. Detección de contenedor lleno ............................................................. 36
Figura 40. Sensores capacitivos para la medición de nivel ................................... 36
Figura 41. Detección de madera. .......................................................................... 37
Figura 42. Dimensiones de un sensor capacitivo .................................................. 38
Figura 43. Foto de sensores capacitivos ............................................................... 38
Figura 44. Sensor ultrasónico................................................................................ 39
Figura 45. Modo de operación opuesto................................................................. 40
Figura 46. Modo de operación difuso opuesto ...................................................... 40
Figura 47. Margen de detección y zona ciega....................................................... 41
Figura 48. Uso de sensores ultrasónica para la medición de nivel........................ 41
xi
Figura 49. Uso de sensores ultrasónicos en robots .............................................. 42
Figura 50. Dimensiones de un sensor ultrasónico................................................. 42
Figura 51. Foto de un sensor ultrasónico .............................................................. 42
Figura 52. Partes de un interruptor final de carrera............................................... 43
Figura 53. Tipos de leva ........................................................................................ 44
Figura 54. Cabeza de acción por desplazamiento angular ................................... 45
Figura 55. Cabeza de acción por desplazamiento lineal ....................................... 46
Figura 56. Contactos de salidas de la base del interruptor de carrera .................. 46
Figura 57. Uso de interruptores finales de carrera en la detección de puerta
abierta/cerrada ............................................................................................... 47
Figura 58. Dimensiones de un interruptor de carrera ............................................ 48
Figura 59. Foto de un interruptor de final de carrera ............................................. 48
Figura 60. Codificador óptico Incremental ............................................................. 51
Figura 61. Fuente de luz ....................................................................................... 52
Figura 62. Disco rotatorio ...................................................................................... 52
Figura 63. Detector de Luz .................................................................................... 53
Figura 64. Máscara ............................................................................................... 53
Figura 65. Acondicionador de señal ...................................................................... 54
Figura 66. Circuito de salida.................................................................................. 55
Figura 67. Señales de los pares A, B y Z .............................................................. 55
Figura 68. Como se determina el sentido de giro con un codificador óptico
incremental..................................................................................................... 56
Figura 69.Cortes de Longitud ................................................................................ 57
Figura 70. Medición de flujo .................................................................................. 58
Figura 71. Determinar la altura de un elevador ..................................................... 58
Figura 72. Máquina para colocar etiquetas ........................................................... 59
xii
Figura 73. Codificador óptico absoluto .................................................................. 60
Figura 74. Fuente de luz en los codificadores ópticos absolutos .......................... 60
Figura 75. Tipos de discos rotatorios .................................................................... 61
Figura 76. Detector de luz en los codificadores ópticos absolutos ........................ 62
Figura 77. Medición de posición sobre un tornillo sin fin ....................................... 63
Figura 78. Aplicaciones en tornillo sin fin .............................................................. 63
Figura 79. Máquina de inserción de componentes................................................ 64
Figura 80. Dimensiones de un codificador óptico.................................................. 66
Figura 81. Foto de un codificador óptico ............................................................... 66
Figura 82 Transformador diferencial variable lineal............................................... 68
Figura 83 Salida de un LVDT ................................................................................ 68
Figura 84. Servo sistema fuerza balance .............................................................. 69
Figura 85. Detalle del LVDT .................................................................................. 70
Figura 86. Máquina de fatiga para el estudio de alambres.................................... 70
Figura 87 Potenciómetro y su diagrama eléctrico. ................................................ 72
Figura 88. Uso del potenciómetro para medir posición angular. ........................... 73
Figura 89. Aspecto real y dimensiones de un potenciómetro. ............................... 74
Figura 90. Comparación de un dispositivo MEM con un cabello humano ............. 74
Figura 91. Acelerómetro de 3 ejes ........................................................................ 75
Figura 92. Acelerómetro con tecnología MEM encapsulado como un circuito
integrado. ....................................................................................................... 76
Figura 93. Aspecto real de un dispositivo de tecnología MEM .............................. 76
Figura 94. Elementos que componen a un sensor inteligente............................... 77
Figura 95. Funciones en un sensor inteligente...................................................... 77
Figura 96. Red de sensores inteligentes. .............................................................. 78
Figura 97.Dimensiones de un sensor inteligente................................................... 78
xiii
Figura 98. Aspecto real de un sensor inteligente. ................................................. 79
Figura 99. Salida a relé ......................................................................................... 81
Figura 100. Conexión de la carga en un sensor con salida NPN .......................... 82
Figura 101. Conexión de la carga en un sensor con salida PNP .......................... 82
Figura 102. Forma de onda y circuito típico para salidas con TRIAC.................... 83
Figura 103. Circuito típico de una salida con FET................................................. 84
Figura 104. Trama de bit de un sensor serial ........................................................ 86
Figura 105. Conexión de dispositivos en una red DeviceNet ................................ 87
Figura 106. Conexión a dos hilos .......................................................................... 87
Figura 107. Conexión a tres hilos.......................................................................... 88
xiv
Indice de tablas.
Tabla 1. Reflectividad típica de algunos materiales .............................................. 13
Tabla 2. Ventajas y precauciones de los modos de detección fotoeléctrica.......... 16
Tabla 3. Factor de corrección................................................................................ 25
Tabla 4. Comparativa del uso de sensores ........................................................... 49
Tabla 5. Diferencia entre codificadores ópticos incrementales y absolutos. ......... 64
Tabla 6. Ventajas y desventajas de las salidas digitales....................................... 85
xv
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICERRECTORADO BARQUISIMETO
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SENSORES DE POSICIÓN
DESCRIPCIÓN, SELECCIÓN Y USO
TEXTO
Autor: Ing. Miguel Indriago
Año: 2003
Resumen
Una gran cantidad de sensores que se utilizan en la industria mundial son
sensores para detectar posición o presencia de un objeto. Los sensores más
utilizados para estas aplicaciones son los sensores ópticos, inductivos,
capacitivos, ultrasónicos, finales de carrera y codificadores ópticos. Los sensores
ópticos detectan al objeto por la emisión y recepción de un haz de luz, se instalan
en tres configuraciones: transmisión directa, reflexiva y difusa. Los sensores
inductivos detectan objetos metálicos y su principio de funcionamiento se basa en
la creación de un campo magnético. Los sensores capacitivos sirven para detectar
objetos metálicos y no metálicos, basan su funcionamiento en la generación de un
campo eléctrico. Los finales de carrera se activan de forma mecánica cuando el
objeto hace contacto con el sensor, su mayor versatilidad está en la gran variedad
de levas para diferentes usos y aplicaciones. Los codificadores ópticos se utilizan
para detectar posición angular e internamente tiene una fuente y un receptor de
luz, los hay del tipo incremental (la salida es un tren de pulsos) y del tipo absoluto
(la salida está codificada en binario). Todos los sensores de posición estudiados
en este texto tienen un circuito de salida que puede ser digital (relé, transistor,
TRIAC, FET, MOSFET), analógica y serial.
1 Introducción
Los sensores son una parte muy importante para la instrumentación y el
control de los procesos industriales. Gran cantidad de los sensores que se
encuentran en la industria mundial se usan para detectar posición, estos indican la
presencia o ausencia de un objeto, como una botella en un transportador, o si se
llenó una tolva de cemento, o si una puerta terminó de cerrar, algunos inclusive
son capaces de medir la distancia del objeto hasta el sensor. Este texto tiene el
objetivo de orientar sobre los tipos (ópticos, inductivos, capacitivos, ultrasónicos y
finales de carrera, y codificadores ópticos), principios de funcionamiento,
aplicaciones y criterios de selección de los sensores de posición, así como
también los tipos de salidas y las variantes de cada uno.
En la descripción de los codificadores ópticos se incluye, además de la
medición de posición angular, la medición de velocidad angular. Se explican los
codificadores ópticos incrementales y absolutos, como están construidos, cuando
usar un codificador óptico absoluto o uno incremental, los tipos de salidas y
algunos aspectos referentes a estos.
La importancia de este trabajo radica en el hecho de desarrollar un material
en donde se incluye el principio de funcionamiento de sensores de posición del
tipo óptico, inductivo y capacitivo, ultrasónico, finales de carrera y codificadores
ópticos, las diferencias entre estos, los tipos y las aplicaciones. Contiene criterios
para definir cuándo es apropiado el uso de estos sensores y cuándo utilizar algún
tipo específico de ellos, como por ejemplo, cuando utilizar un sensor AC o DC, o
de dos o tres hilos. Se muestra los tipos de conexión de salidas, y se incluye la
conexión a buses de campo seriales.
Este trabajo está enmarcado dentro de una investigación documental para
el levantamiento de la información necesaria para llevarlo a cabo. Esto consiste en
una revisión bibliográfica de los aspectos teóricos que se necesitan, para esto se
consultarán textos, páginas Web, revistas generales acerca de sensores,
2
manuales de equipos y manuales de entrenamiento entre otros. La mayor parte de
las figuras y tablas de los capítulos 2, 3, 4 y 5 son tomados de la referencia [6] y la
de los capítulos 6, 7 y 9 son tomadas de la referencia [7].
Se realizará un análisis de la información que permite estructurar
adecuadamente el texto sobre sensores de posición.
En el capítulo 2 se estudian los sensores ópticos, sus partes incluyendo la
lente, la fuente, el receptor, el circuito de alimentación; sus configuraciones de
transmisión directa, reflexiva y difusa así como supresión de fondo, con luz
polarizada y para detección de objetos transparentes.
En el capítulo 3 se detallan los sensores inductivos sus partes: el circuito
magnético, el oscilador, el circuito de detección; se muestran los tipos blindados y
sin blindaje y se ilustraran algunas aplicaciones.
En el capítulo 4 se hace un estudio de los sensores capacitivos y se
describe su composición, el circuito que genera el campo eléctrico, el oscilador el
detector y el circuito de alimentación y se muestra el uso de estos sensores en
algunos ejemplos industriales.
En el capítulo 5 se describe el principio de funcionamiento de los sensores
ultrasónico y las configuraciones utilizada con este tipo de sensores.
El capítulo 6 versa sobre los sensores finales de carreras tipo giratorio y de
presión, mostrará las levas que se pueden utilizar con éstos y todas sus
características eléctricas y mecánicas.
El capítulo 7 describe los codificadores ópticos de posición angular, tanto
los incrementales como los absolutos, sus partes: fuente, receptor, mascara, disco
giratorio, acondicionador de la señal de salida, y se presentan algunas
aplicaciones.
3
El capítulo 8 habla sobre transformador diferencial variable lineal (LVDT),
potenciómetros y regletas potenciométricas, sensores micro electromecánicos y
sensores inteligentes.
El capítulo 9 cubre los circuitos y tipos de salidas, AC, DC y a relé, a dos
hilos y a tres hilos, discretos y analógicos, para conexión a redes de campo.
También se muestra la conexión de los detectores a los dispositivos de control.
El capítulo 10 es un glosario de términos.
El capítulo 11 es un anexo donde se muestran las hojas técnicas de
algunos detectores de uso industrial.
El capítulo 12 es la bibliografía.
4
2 Sensores ópticos
2.1 Definición
Los detectores ópticos basan su funcionamiento en la emisión de un haz de
luz que es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar. Tiene mucha
aplicaciones en al ámbito industrial y son ampliamente utilizados.
2.2 Partes
Los sensores ópticos están conformados por las siguientes partes:
-
Fuente.
-
Receptor.
-
Lentes.
-
Circuito de salida.
2.2.1 Fuente
Origina un haz luminoso, usualmente con un LED, que puede tener un
amplio rango en el espectro (incluyendo luz visible e infrarroja). Para la mayoría
de las aplicaciones se prefiere las radiaciones infrarrojas pues son las que mayor
porcentaje de luz emiten y disipan menos calor. Los LEDs tipos visibles son muy
útiles sobre todo para facilitar el ajuste de la operación del sensor. Entre los LED
de luz visible los LEDs de luz roja son los más eficaces para esta aplicación. En la
figura 1 se muestra el diagrama de un LED y se observan sus partes.
Figura 1. Foto emisor.
5
El haz con frecuencia es modulado con pulsos, ya que la modulación
presenta ventajas como son: mayor luminosidad en el haz, mayor vida útil del
LED, inmunidad del sensor a otras fuentes de luz que puedan interferir con la
señal. Presenta la desventaja de reducir la respuesta en frecuencia del detector
óptico. La figura 2 presenta los pulsos de alimentación para la modulación de un
emisor.
Figura 2. Modulación
2.2.2 Receptor
Recibe el haz luminoso de la fuente, usualmente es un fotodiodo o un foto
transistor. El foto sensor debe estar acoplado espectralmente con el emisor, esto
significa que el fotodiodo o el foto transistor que se encuentra en el detector debe
permitir mayor circulación de corriente cuando la longitud de onda recibida sea
igual a la del LED en el emisor. El receptor recibe los pulsos de luz en sincronía
con el emisor, esto permite ignorar radiaciones provenientes de otras fuentes. Este
tipo de recepción sincrónica sólo es posible cuando la fuente y el receptor están
en el mismo encapsulado. En el receptor, además, existe un circuito asociado que
acondiciona la señal antes de llegar al dispositivo de salida. En la figura 3 se
observa una gráfica que muestra como el LED infrarrojo tiene mayor eficacia que
el LED visible rojo.
Figura 3. Longitud de onda.
6
2.2.3 Lentes
Tienen la función de dirigir el haz de luz tanto en el emisor como en el
receptor para restringir el campo de visión, esto trae como consecuencia aumentar
la distancia de detección. El área de la base del cono de haz emitido por el LED y
el lente aumenta a mayor distancia. Utilizando un lente se puede generar un cono
muy estrecho, lo que permitiría darle más alcance al sensor pero con el
inconveniente de presentar mayor dificultad en el momento de alinearlo. Algunos
detectores son diseñados para tener un amplio campo de visión, esto permite
detectar objetos grandes, pero a distancias relativamente cortas. La figura 4
presenta como propaga el campo de visión en presencia y ausencia del lente.
Figura 4. Lentes
2.2.4 Circuito de salida
Existen varios tipos de salidas discretas o digitales (se denominan así por
tener dos estados y la más comunes son: relé, NPN o PNP, TRIAC, MOSFET),
analógicas y seriales que serán discutida en el capitulo 6.
En la figura 5 se muestra un diagrama de bloque de un sensor fotoeléctrico
con todas sus partes.
7
Figura 5. Diagrama de bloques de un sensor foto eléctrico
La fuente de alimentación suministra la potencia necesaria para el
funcionamiento del detector, en el regulador de voltaje se ajustan y mantienen los
niveles de tensión utilizados por el resto de los bloques del sensor. El generador
de pulsos suministra al LED la señal modulada que permitirá la emisión de un haz
discontinuo de luz que al chocar con un objeto regresa al foto detector. La salida
de foto detector es amplificada (note que la ganancia del amplificador puede ser
cambiada para ajustar la sensibilidad) y luego es comparada con la frecuencia de
pulsos para verificar que la señal recibida provenga del LED del detector, esto se
hace en el integrador. El nivel de salida del integrador es chequeado en el detector
de nivel de tal forma que la cantidad de luz recibida sea suficiente para activar o
desactivar el sensor. En algunos sensores se puede colocar una lógica de tiempo
opcional que permite introducir retardos para activar o retardos para desactivar la
salida. Finalmente se encuentra el dispositivo de salida, para el diagrama de
bloque de la figura 5, que corresponde a un sensor con salida discreta, este
dispositivo puede ser un relé, un transistor NPN, un transistor PNP, un TRIAC, un
FET o un MOSFET. La salida alimenta directamente a la carga que puede ser la
entrada de un controlador lógico programable, la bobina de un relé, de un
8
arrancador o de una válvula solenoide, una luz piloto, o cualquier otro dispositivo
de salida.
2.3 Margen
La definición de margen según [6] es la siguiente:
El margen es una medida de la cantidad de luz de la fuente de luz
detectada por el receptor. El concepto de margen se puede explicar mejor por
medio de un ejemplo:
1. Un margen de cero ocurre cuando el sensor de luz no puede detectar
nada de la luz emitida por la fuente de luz.
2. El margen de uno se obtiene cuando se detecta la cantidad de luz
suficiente para cambiar de estado el dispositivo de salida (del estado
CONECTADO al de DESCONECTADO, o viceversa).
3. Se dice que existe un margen de 20 cuando se detecta una cantidad
de luz 20 veces mayor que la mínima requerida para cambiar de
estado el dispositivo de salida.
El concepto de margen se define como:
Cantidad actual de luz detectada _______
Cantidad mínima necesaria para cambiar
de estado el dispositivo de salida
Y generalmente se expresa como una relación o como un número entero
seguido por “X”. Un margen de 6 puede expresarse como 6:1 ó como 6X.
2.4 Modos de detección
Los sensores ópticos se colocan en tres configuraciones diferentes estas
son: Transmisión directa, reflexivo y difuso.
2.4.1 Transmisión directa o barrera
El emisor se coloca en frente del receptor y el objeto es detectado cuando
pasa entre ambos. Esta configuración tiene la ventaja de alcanzar grandes
9
distancias de detección (hasta unos 270 m). Su principal desventaja se presenta
durante la instalación en campo de estos detectores ya que por estar separados el
emisor y el detector los cables de alimentación y señal que van hacia estos
dispositivos no pueden ser los mismos al igual que los ductos o tuberías por donde
el cable es tendido, esto trae e como consecuencia que la cantidad de cable y
tubería que se utilizan con estos sensores sea mayor. La figura 6 muestra un
sensor foto eléctrico en configuración de transmisión directa.
Figura 6. Modo transmisión directa
El área cónica de proveniente de la fuente de luz y el área de detección
frente al receptor es lo que se denomina campo de visión y el haz efectivo en la
configuración transmisión directa es igual al diámetro del lente (área menor de la
conicidad del campo de visión) como se muestra en la figura 8.
Figura 7. Haz efectivo en la transmisión directa
Si se necesita detectar objetos de menor tamaño se puede reducir el
diámetro de haz efectivo colocando unas aberturas en los lentes tanto del emisor
como del receptor. La figura 8 ilustra como se puede reducir el haz efectivo.
10
Figura 8. Haz efectivo con aberturas
Esta configuración (barrera) no es muy adecuada para la detección de
objetos traslucidos o transparentes debido al alto margen con el que funciona, por
esta razón, puede que estos tipos de objetos no sean detectados. El alto margen
(mayor a 100x) de detección también lo hace ser la configuración apta para
ambientes muy contaminados.
2.4.2 Reflexivo
El emisor y el receptor se colocan en el mismo sitio uno al lado del otro y en
frente de ellos se coloca una superficie reflexiva El haz de luz emitido choca contra
el reflector para ser registrado por el receptor. La detección ocurre cuando pasa el
objeto impidiendo el haz de luz llegue hasta el receptor. Esta configuración, que es
la de uso común, tiene la ventaja de que el emisor y el receptor vienen en el
mismo empaque y utilizan el mismo ducto para el cableado, pero las distancias de
detección son varias veces menor que en la configuración de transmisión directa.
La figura 9 muestra un sensor óptico en configuración reflexiva.
Figura 9. Modo Reflexivo
La superficie donde choca el haz esta formada por reflectores especiales o
cintas reflexivas diseñadas para que el haz regrese al foto interruptor, aún estando
11
desalineado, y esto es una ventaja sobre el uso de espejos en donde el haz debe
incidir de forma perpendicular. El tamaño y construcción de estos reflectores
influyen sobre la distancia máxima de detección, reflectores muy pequeños no
reflejaran la misma cantidad de luz que uno de mayor tamaño. La figura 10
presenta algunos ejemplos de materiales reflexivos.
Figura 10. Materiales reflexivos
Los detectores de tipo reflexivo pueden presentar problemas cuando el
objeto a detectar es muy brillante ya que el haz de todas formas llega al detector.
En estos casos es muy útil usar sensores reflexivos polarizados. Este tipos de
detectores tienen un filtro en el emisor y otro, desfasado 90º, en el receptor.
Cuando el haz de luz polarizada choca con el receptor, éste despolariza el haz y el
receptor deja pasar parte de la luz reflejada. Cuando el objeto brillante pasa frente
al detector la luz se refleja pero sin despolarizase y el filtro colocado en el receptor
impide que la luz pase lo que ocasiona que el objeto sea detectado. Los sensores
polarizados tienen entre 30 y 40 % menos alcance que los sensores reflexivos sin
polarizar. La figura 11 ilustra e funcionamiento de un sensor reflexivo polarizado.
12
Figura 11. Reflexivo polarizado
Para la detección de objetos trasparentes se utilizan sensores reflexivos
polarizados con arreglos ópticos que luego se optimizan con la ayuda de la
electrónica del circuito y rutinas de software.
2.4.3 Difuso o proximidad
Esta configuración se parece a la reflexiva sólo que ésta no utiliza el espejo
sino que el objeto a detectar es el que sirve de reflector. Para lograr que objetos
poco brillantes puedan ser detectados, el haz de luz no se transmite en una sola
dirección como en las configuraciones anteriores, sino que viaja en varias
direcciones. Esta configuración presenta la desventaja de tener muy corta
distancia de detección, pero es muy útil cuando es difícil acceder ambos lados de
objeto. La figura 12 muestra el modo de detección difuso.
Figura 12. Modo difuso
13
En la tabla 1 muestra la reflectividad relativa típica (valor típico de la
propiedad que tienen algunos materiales para reflejar la luz) de algunos
materiales, a mayor reflectividad relativa mayor será la distancia de detección.
Tabla 1. Reflectividad típica de algunos materiales
Diana
Aluminio pulido
Papel banco (referencia)
Papel blanco de escritura
Cartón
Madera cortada
Papel negro
Neopreno
Goma de neumático
Fieltro negro
Reflectividad
relativa típica
500
100
90
40
20
10
5
4
2
Además del difuso normal, que ya explicamos existen varios tipos de
detectores difusos, estos son: difusa de corte abrupto, difusa de foco fijo, difusa
gran angular y supresión del fondo difuso. Estos otros tipos de detección difusa se
utilizan sobre todo cuando el fondo es altamente reflexivo (como ilustra la figura
13) y se explican a continuación.
Figura 13. Sensor difuso con fondo reflexivo
2.4.3.1 Difusa de corte abrupto
En los sensores de corte abrupto, el emisor y el receptor están orientados
uno hacia el otro de tal forma que la distancia de detección sea pequeña. Esto
14
hace que el detector pueda sensar el objeto deseado que se encuentra cerca de él
y no sensar el fondo.
2.4.3.2 Supresión del fondo difuso
Este tipo de sensores pueden detectar los cambios de luminosidad en el
receptor. El sensor puede discriminar la luz proveniente de un fondo brillante y
detectar el objeto menos brillante que el fondo, esto se hace a través de circuitos
electrónicos sofisticados lo que los hace más costosos.
2.4.3.3 Difusa de foco fijo
El haz de luz y el área de detección del receptor están enfocados hacia un
punto muy específico, esto quiere decir que la distancia de detección es fija y el
sensor es muy sensible en este punto y muy poco sensible fuera de él.
2.4.3.4 Difuso gran angular
Este tipo de sensores tanto el haz de luz como el área de detección de
receptor son bastante amplias, esto se puede observar en la figura 14.
Figura 14. Modo difuso gran angular
2.5 Fibras
A las configuraciones mencionadas se les pueden instalar cables ópticos o
fibras ópticas de tal forma de lograr algunas mejoras ya que la fibra puede
colocarse en espacios muy reducidos donde no caben los sensores y además
pueden soportar mayores temperaturas, hasta unos 500ºC. Estos cables ópticos
pueden ser de fibra de vidrio o de fibra de plástico.
15
Los cables ópticos de fibras de vidrio soportan mayor temperatura y son
más duraderos, generalmente vienen recubiertos de plástico o de acero
inoxidable. Los cables ópticos de fibra de plástico generalmente están hechos de
un solo filamento de acrílico sin recubrimiento lo que los hace más económicos,
son muy flexibles y vienen en configuración de espiral, lo que les da mayor
flexibilidad. Tanto el cable óptico de fibra de vidrio como el de fibra de plástico
vienen en configuración individual (utilizada en la configuración barrera) o
bifurcada (utilizados para las configuraciones reflexiva y difusa). La fibra sirve
tanto para luz infrarroja como para luz visible y la detección reflexiva polarizada no
es posible con cables ópticos. La figura 15 muestra los cables de fibra óptica
utilizados con los detectores ópticos.
Figura 15. Cables de fibra óptica
2.6 Comparación entre
sensores ópticos.
las
diferentes
configuraciones
de
La tabla 2 resume las principales características de las configuraciones
mencionadas.
2.7 Especificaciones de sensores ópticos
2.7.1 Operación luz/oscuridad
La operación luz se refiere al modo de funcionamiento en el cual la salida
del sensor se activa cuando al receptor le llega suficiente luz. Para el caso de los
sensores de transmisión directa o reflexivos esto ocurre cuando el objeto a
detectar esta ausente y para los sensores difusos esto ocurre cuando el objeto a
detectar está presente. La operación en oscuridad opera de forma totalmente
16
opuesta, la salida se energiza cuando al receptor no le llega suficiente luz, en el
caso de los detectores en barrera o reflexivos esto ocurre cuando el objeto está
presente y en los difusos cuando el objeto está ausente.
Tabla 2. Ventajas y precauciones de los modos de detección fotoeléctrica
Modo de
detección
Aplicaciones
Ventajas
Consideraciones
Transmisión
directa
Detección de uso general
 Más costoso porque requiere fuente
de luz y receptor separados, cableado
más costoso
 El alineamiento es importante
 Evite detectar objetos de material
transparente
Reflexivo
Detección de uso general
 Alto
margen
para
ambientes
contaminados
 Detección a gran distancia
 No es afectado por reflejos de segunda
superficie
 Probablemente más confiable cuando
usted tiene objetos altamente reflexivos
 Detección a distancias moderadas
 Menos costoso que el haz transmitido
porque el cableado es más simple
 Facilidad de alineamiento
Reflexivo
polarizado
Detección de uso general de
objetos brillantes
 Ignora los reflejos de la primera
superficie
 Usa haz rojo visible para facilitar el
alineamiento
 Menor distancia de detección que el
reflexivo normal
 Puede ver reflejos de segunda
superficie
Difuso normal
Aplicaciones donde no se
puede acceder a ambos lados
del objeto
 No se requiere acceso a ambos lados
del objeto
 No se requiere reflector
 Facilidad de alineamiento
 Puede ser difícil de aplicar si el
fondo
detrás
del
objeto
es
suficientemente reflexivo y está cerca
al objeto
Difusa de
abrupto
Detección de corto rango de
objetos con la necesidad de
ignorar los fondos que están
acerca al objeto
 No se requiere acceso a ambos lados
del objeto
 Proporciona cierta protección contra la
detección
 de fondos cercanos
 Detecta objetos independientemente del
color dentro de la distancia especificada
 Útil sólo para detección de distancia
muy corta
 No se usa con fondos cercanos al
objeto
Supresión
del fondo difuso
Detección de uso general
Áreas donde usted necesita
ignorar los fondos que están
cerca del objeto
 Más costoso que otros tipos de
sensores difusos
 Distancia de detección máxima
limitada
Difusa de foco fijo
Detección
de
pequeñas
dianas.
Detecta
objetos
a
una
distancia
específica
del
sensor.
Detección de marcas de color.
Detección de objetos que no
están en una posición precisa.
Detección de fibras muy finas
en un área extensa.
Permite
la
detección
fotoeléctrica en áreas donde
no se puede instalar un sensor
debido a consideraciones de
tamaño o ambientales.
 No es necesario el acceso a ambos
lados de la diana
 Ignora los fondos por encima de la
distancia
nominal
de
detección
independientemente de su reflectividad
 Detecta objetos independientemente del
color a una distancia especificada
 Detección precisa de objetos pequeños
en una ubicación especifica
 Efectivo para ignorar reflejos del fondo
 Detección de objetos que no están en
una posición precisa
 No se requiere reflector
 Cables disponibles para aplicaciones de
temperatura ambiental elevada
 Resistente al choque y a la vibración
 Se pueden usar cables de fibra óptica en
áreas donde se requiere movimiento
continuo
 Inserción en espacio limitado
 Inmunidad al ruido
 Es factible en áreas corrosivas
 Detección a distancia corta
Conteo de piezas
corte
Difusa
angular
Fibras ópticas
gran
 Detección a menor distancia que el
haz transmitido
 Menor
margen
que
el
haz
transmitido
 Puede detectar reflejos de objetos
brillantes (en ese caso use polarizado)
 Detección a distancia muy corta
 Inadecuado para detección de uso
general
 El objeto debe estar en una posición
precisa
 Más costoso que los sensores con
lente
 Detección a distancia corta
17
2.7.2 Distancia máxima de detección
Este es un parámetro dado por el fabricante y se refiere a:

La distancia entre el emisor y el receptor en los sensores de haz transmitido.

La distancia entre el emisor/receptor y el reflector en los sensores reflexivo.

La distancia entre el emisor/receptor y el objeto en los sensores difusos.
La distancia máxima viene dada para un margen de 1x y en la práctica es
ligeramente mayor a la que especifica el fabricante.
2.7.3 Distancia mínima de detección
La mayoría de los sensores reflexivos y difusos tienen un área ciega dentro
del cual no pueden detectar, como se puede observar en la figura 16 existe una
región entre el detector y la distancia mínima de detección en la cual si un objeto
se ubica o bien el haz de luz no lo toca, o bien el haz reflejado no llega al receptor.
Figura 16. Distancia mínima de detección
2.7.4 Curva de respuesta típica
Muestra cuanto vale el margen según la distancia de detección. La figura 17
muestra una gráfica para un sensor reflexivo que tiene como reflector papel
blanco, el margen operativo se obtiene interceptando la distancia a la cual se
encuentra el papel blanco del detector con la curva, por ejemplo para una
distancia de operación de 100 mm se obtiene un margen de 80.
18
Figura 17. Curva de respuesta típica
2.7.5 Tiempo de respuesta.
El tiempo de respuesta es el lapso de tiempo que transcurre desde que el
objeto está presente hasta que la salida se energiza o el tiempo desde que el
objeto desaparece y la salida se desactiva. Este va desde unos 30 s hasta unos
30 ms de pendiendo de que tipo de salida tenga el detector, las salidas en DC
tienen tiempos de respuesta más cortos que las salidas en AC.
2.7.6 Campo de visión.
En la mayoría de sensores fotoeléctricos, el haz de luz proveniente de la
fuente de luz y el área de detección al frente del receptor se proyecta en dirección
opuesta al sensor en una forma cónica. El campo de visión es una medida (en
grados) de esta área cónica. La figura 18 ilustra esto con más detalle.
Figura 18. Campo de visión para un sensor reflexivo
19
2.7.7 Histéresis
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, tal como se observa en la figura 19.
Figura 19. Histéresis
2.8 Aplicaciones
En la figura 20 se muestra un sistema de paletizadores (un paletizador es
una máquina donde se llena una pieza de madera, llamada paleta, de varias
capas de algún producto) numerados del 1 al 11 que reciben paletas de cuatro
dispensadores (A, B, C y D) por medio de dos carros (A y B). En el sistema hay
instalados 50 detectores fotoeléctricos. Cada paletizador tiene tres foto detectores
a lo largo de un transportador. El primer foto detector que se encuentra en el
transportador de cadena indica que la paleta abandonó el caro. El segundo foto
detector indica que hay una paleta esperando para ser llenada. El tercer foto
detector indica que hay una paleta lista para se cargada de producto. Estos
detectores ópticos son del tipo reflexivo ya que se puede acceder a ambos lados
del objeto a detectar, presenta mayor margen que el tipo difuso y es más
económico que el tipo transmisión directa.
Los dispensadores tienen tres foto detectores. Uno para indicar la pila de
paletas que se colocó es mayor a la que el dispensador puede manejar, en
condiciones normales no bebe detectar a ningún objeto. Este foto detector es del
tipo difuso para facilitar la operación de llenado de paletas en el dispensador por
20
un monta carga. El segundo foto detector indica cuando la pila de paletas se ha
vaciado. Este detector óptico es del tipo reflexivo ya que se puede acceder a
ambos lados del objeto. El tercer detector óptico indica cuando hay una paleta en
el dispensador lista para ser entregado a uno de los carros y es del tipo reflexivo.
El carro tiene dos foto detectores que tienen la misma función, detectar si
hay una paleta sobre el carro. Los detectores son redundantes y se colocan de
esta forma ya que, dependiendo del dispensador que suministre la paleta esta
puede entrar en uno de dos sentidos posibles. Este detector es del tipo difuso para
minimizar el riesgo de choque con el sensor o el reflector cuando la paleta ingresa
al carro.
El último detector utilizado está conectado en modo transmisión directa a lo
largo de la ruta de los carros (FSE: emisor y FSR: receptor) y a una altura
suficiente para no detectar al carro con la paleta. La finalidad del detector es
proteger de ser atropellada a cualquier persona que se atraviese en el camino de
los carros. Además de esta protección el sistema cuenta con otra que se serán
estudiada en el capitulo 6. La razón por la que se utiliza detectores en modo
barrera es por que la distancia de detección es de 26 m.
Figura 20. Sistema de paletizado.
21
2.9 Dimensiones
La figura 21 muestra las dimensiones de un sensor fotoeléctrico y en la
figura 22 se puede observar el aspecto real de un sensor comercial. Las
dimensiones fuera de los paréntesis tienen unidades en milímetros y la que están
dentro de los paréntesis tienen unidades en pulgadas.
Figura 21. Dimensiones de un sensor fotoeléctrico
Figura 22. Sensor foto eléctrico fotoeléctrico
22
2.10 Encapsulado
Es importante resaltar que el encapsulado de los detectores está regido por
normas internacionales como la NEMA (National Electrical Manufacturers
Association) o la IEC (International Electrotechnical Commission). Estas normas
especifican las característica del encapsulado según el ambiente donde vaya a
trabajar el detector, así tendremos, por ejemplo, especificaciones para trabajar en
ambiente corrosivo (NEMA 4X o IP67 – IEC529) donde los dispositivos se
construyen de poliéster reforzado con fibra de vidrio no metálicos y son totalmente
sellados. Tenemos especificaciones para ambientes explosivos donde los
detectores son construidos con materiales semiconductores, evitando los
dispositivos con piezas móviles que puedan causar chispas, y totalmente
herméticos para evitar el contacto del interior del sensor con el medio ambiente.
También existen especificaciones para equipos que van a trabajar en la
intemperie, en ambientes con mucho polvo, para ambientes de uso general y otros
ambientes.
La aplicación de normas para los encapsulados se aplica a todos los tipos
de sensores estudiados en este texto y no serán tocados mas adelante. Para
mayor
información
http://www.nema.org/
puede
visitar
los
sitios
Web
http://www.iec.ch/
y
23
3 Sensores de Proximidad Inductivos
3.1 Características generales
Los sensores inductivos se utilizan para la detección de metales, algunos
de estos sensores pueden diferenciar entre materiales ferrosos (no detectan
aluminio, aleaciones de cobre y zinc también llamado hojalata o cobre)
y no
ferrosos (no detectan acero ni aleaciones ferrosas inoxidables), la distancia de
detección no es tan grande como en los sensores ópticos y varia según el material
que se vaya a detectar. La figura 23 muestra un interruptor de proximidad
inductivo se puede observar que este tiene una cara activa que permite detectar el
objeto o diana.
Figura 23. Sensor inductivo
3.2 Principio de funcionamiento
Para la detección de los objetos con sensores inductivos se utiliza una
bobina alimentada por un oscilador. Esta bobina se coloca en una de las caras del
sensor a la que se le denomina superficie de detección, cuando el objeto entra en
el campo magnético carga al circuito disminuyendo la amplitud de las oscilaciones.
Estos cambios son detectados por un circuito de disparo que genera una señal
que conmuta la salida, el circuito de disparo normalmente tiene un potenciómetro
que permite hacer ajustes en la sensibilidad. La figura 24 muestra un sensor
inductivo con todas sus partes y la figura 25 muestra la operación de los sensores
inductivos a medida que un objeto se acerca o se aleja de este, en ella se puede
observar que a medida que el objeto se acerca al sensor la amplitud de las
24
oscilaciones disminuyen hasta un punto donde el circuito de disparo cambia el
estado de la salida, a medida que objeto se aleja del detector ocurre el proceso
inverso.
Figura 24. Principio de funcionamiento de sensor inductivo
Figura 25. Respuesta de los sensores inductivos
25
3.3 Factor de corrección para la distancia de detección
La distancia de detección varia según el material a detectar. Para
determinar el rango de detección se utiliza la siguiente formula:
Rango de detección = Rango de sensibilidad nominal x Factor de corrección (1)
El rango de sensibilidad es un dato que se obtiene de la hoja técnica del
sensor y el factor de corrección para algunos metales se puede obtener de la
siguiente tabla 3
Tabla 3. Factor de corrección
Material
específico
Acero templado
Acero inoxidable
Latón
Aluminio
Cobre
Factor de corrección
aproximado
1.0
0.85
0.50
0.45
0.40
Hay otros factores que influyen sobre la distancia de detección, estos son:

Los objetos planos son más deseables. Las formas redondeadas
pueden reducir la distancia de detección.

Los objetos más pequeños que la superficie de detección reducen,
usualmente, la distancia de detección

Los objetos no ferrosos disminuyen la distancia de detección

Los objetos mayores que la superficie de detección pueden aumentar
la distancia de detección.

Los objetos laminares pueden aumentar la distancia de detección.
3.4 Frecuencia de conmutación
Si tenemos un objeto acercándose y alejándose de un sensor, la salida
conmutará entre encendido y apagado. Si el objeto comienza a alejarse y a
acercarse a una velocidad mayor llega un punto en el cual la salida no puede
conmutar a la misma velocidad que se mueve el objeto, esta es la máxima
26
frecuencia de conmutación y tiene un valor entre 10 a 80 Hz dependiendo de su
construcción (tamaño de la cara activa, tipo de salida, blindaje). La figura 26
muestra un engranaje frente a un interruptor inductivo. Cada vez que uno de los
dientes pasa frente al detector, éste se activa y se desactiva cuando el diente ya
no está frente a ella. El diámetro de la cara activa del sensor d es del mismo
tamaño de los lados del diente (m), los dientes están separados entre si una
distancia de dos veces el diámetro de la cara activa y el sensor esta separado del
diente a una distancia igual a la mitad de la distancia máxima de detección (Sn). Si
el engranaje comienza a girar, el estado de la salida comienza a cambiar. A
medida que el engranaje gira más rápido la salida cambia de estado a una
frecuencia f. Si la velocidad del eje sigue aumentando hay un punto en el cual la
salida del sensor no puede seguirla y corresponde a la máxima frecuencia de
conmutación.
Figura 26. Frecuencia de conmutación
3.5 Sensores blindados y no blindados.
Los sensores inductivos pueden ser blindados o sin blindaje. El blindaje es
una hoja metálica que rodea a la bobina y al núcleo de ferrita con el objetivo de
que sólo se detecten objetos por la cara activa, la figura 27 muestra un esquema
de los sensores blindados y sin blindaje.
27
Los sensores que no son blindados tienen un distancia de detección mayor
que los sensores blindados pero pueden ser afectados por metales que se
encuentren a su alrededor, mientras que los sensores blindados pueden montarse
al ras en metal hasta el plano de la cara de detección.
Figura 27. Sensor blindado y sin blindaje
3.6 Histéresis.
La diferencia entre los puntos de activación y desactivación de un sensor se
denomina histéresis. La figura 28 muestra con detalle el concepto de histéresis, en
ella se puede observar que el detector tiene un punto de conmutación cuando el
objeto se aproxima a él y otro punto de conmutación cuando el objeto se aleja de
él, la distancia entre estos dos puntos es lo que se denomina histéresis.
Figura 28. Histéresis en los sensores inductivos
28
3.7 Aplicaciones
La figura 26 también ilustra una aplicación muy común para sensores
inductivos, con mucha frecuencia se colocan engranajes o aspas en el eje de un
motor con la finalidad de medir la velocidad angular, por ejemplo si el engrane
tiene 10 dientes y se conecta el sensor a un controlador lógico programable (PLC)
se pueden contar la cantidad de pulsos que se reciben en un segundo y la rpm
vendrían dadas por la siguiente ecuación:
rpm  k * n
(2)
En este caso
k  60
seg 1 rev
*
6
min 10 pulsos
(3)
y n es la cantidad de pulsos recibidos en un segundo. Hay que tener en cuenta la
velocidad de conmutación del sensor inductivo y de la tarjeta de entrada del PLC.
Si suponemos que para nuestro ejemplo la velocidad máxima del eje son 300 rpm
o 5 rps pero cada revolución produce 10 pulsos lo que indica que a la máxima
velocidad se producirá 50 pps por segundo o lo que es lo mismo un pulso cada 20
ms, el detector debe ser capaz de tener una frecuencia de conmutación mayor a
50 Hz y la tarjeta de entrada del PLC debe ser capaz de medir esta frecuencia. En
ocasiones la velocidad a la cual conmuta el detector no puede ser medida con una
tarjeta de entrada digital, en estos casos es necesario colocar tarjetas de entrada
de conteo rápido que son más costosas pero garantizan la lectura. Otra forma de
resolver este problema sería disminuyendo la cantidad de pulsos por revolución
pero esto iría en prejuicio de la resolución. Para nuestro ejemplo la medida de la
velocidad tiene una resolución de 6 rpm y se obtiene cada segundo en ocasiones
se puede requerir mayor resolución o menor tiempo de actualización de la
velocidad del eje lo que puede obligarnos a utilizar un codificador óptico con una
tarjeta de conteo rápido lo que nos da mayor rapidez y resolución en la lectura
pero también aumenta considerablemente el costo. A veces la misma
configuración del ejemplo anterior es usada para detectar movimiento en el eje, sin
29
importar la velocidad a la que este gire, para este caso es muy útil utilizar relé
temporizadores con retardos para desactivar (algo similar al un monoestable con
re - disparo) que puede ser un equipo aparte o si el detector esta conectado a un
PLC se puede implementar por programa.
La figura 29 muestra otra aplicación donde se utilizan sensores inductivos
para verificar objetos metálicos o para detectar botellas con tapas sobre una cinta
transportadora. El objetivo de la detección puede ser contar los objetos y las
botellas para llevar un inventario de producción o para medir la eficiencia de una
de las máquinas en la línea de producción. En el caso de las botellas la detección
puede ser utilizada para rechazar botellas sin tapas. Hay que tomar en cuenta que
el detector debe estar a una distancia adecuada del objeto a detectar para nuestro
caso el sensor debe instalarse sobre una corredera de tal forma que puede
desplazarse en forma vertical esto permitirá ajustarlo a una altura cuando se
desplacen las botellas sobre la banda transportadora y a otra altura cuando se
desplacen los objetos metálicos.
Figura 29. Detección de objetos sobre una cinta transportadora
En la aplicación de la figura 30 se utiliza en una barrera para detener el
paso de vehículos, la activación del interruptor inductivo indica que la barrera está
cerrada. En esta aplicación puede surgir la pregunta ¿Por qué no colocar un
interruptor mecánico si es más económico?, la respuesta va a depender del
30
número de carros que circulen por la barrera, por ejemplo si la barrera esta
ubicada en un peaje de una autopista la cantidad de carros que circula por ella es
muy elevado y los interruptores mecánicos presentan las desventajas de tener
desgaste físico lo que los hace impráctico cuando el número de operaciones es
grande ya que deben ser reemplazados por mayor frecuencia que otros tipos de
detectores. Si la barrera se encuentra en una zona residencial donde la cantidad
de vehículos que circula es pequeña la mejor opción puede ser instalar un final de
carrera ya que son más económicos. Los brazos de estas barreras generalmente
son metálicos pero en caso de que sean de madera, plástico, fibra de vidrio u otro
material el sensor inductivo puede ser reemplazado por un sensor capacitivo (ver
capitulo 4). Es importante destacar que en el sistema de barrera este no va a ser
el único detector en acción debe haber un sensor óptico detectando la presencia
del vehículo y otro sensor inductivo indicando que el brazo esta totalmente abierto.
Si alguno de los sensores falla es posible que la barrera choque contra algún
vehículo. En muchos casos, para evitar accidentes, los sensores se colocan en
forma redundantes, es decir, dos sensores, uno al lado del otro haciendo la misma
función. Cuando un sensor falla el sistema de control lo nota al detectar
operaciones diferentes en las salidas de los dos sensores e indica al operador
para que sea revisado, el otro sensor realiza la función de detección. Otra forma
como el control advierte que hay un funcionamiento anormal en el detector es
conectándolo en “falla segura”, en este tipo de conexión el sensor suministra
energía al control cuando está desactivado, por ejemplo si la barrera está arriba (el
detector de barrera abierta indica esta posición), y el sensor inductivo que indica
que la barrera está abajo no suministra señal al control entonces existe un
funcionamiento anormal y puede que el sensor esté dañado o se haya roto el
cable que lleva la señal del detector al control. Otras aplicaciones se pueden ver
en las figuras 31 y 32. La figura 31 muestra una máquina para recubrimiento de
piezas, los sensores inductivos se utilizan para establecer la posición de la
máquina, arriba o abajo. La figura 32 se muestra como se utilizan un par de
detectores de proximidad inductivos para determinar si una válvula está abierta o
31
cerrada. Al final del capitulo 6 se encuentra una tabla haciendo la comparación
entre los diferentes sensores que se estudian en este texto.
Figura 30. Detección de una puerta abierta o cerrada
Figura 31. Maquina de recubrimiento
32
Figura 32. Válvula con confirmación de abierto cerrado.
3.8 Dimensiones
La figura 33 muestra las dimensiones de un tipo sensor inductivo y la figura
34 muestra el aspecto real de algunos sensores inductivos.
Figura 33. Dimensiones de un sensor inductivo
Figura 34. Sensores inductivos
33
4 Sensores de Proximidad Capacitivos
4.1 Características generales
Los sensores capacitivos se utilizan para la detección de una gran cantidad
de materiales, la distancia de detección no es tan grande como en los sensores
ópticos, es similar a la de los sensores inductivos y varia según el material que se
vaya a detectar. La figura 35 muestra un interruptor de proximidad capacitivo
donde se puede observar que este tiene una cara activa que permite detectar el
objeto o diana.
Figura 35. Sensor capacitivo
4.2 Principio de funcionamiento.
Los sensores capacitivos detectan los objetos (metales, no metales,
líquidos o sólidos) creando un campo eléctrico que varia según la constante
dieléctrica del objeto que se acerca al sensor. La capacitancia de la sonda de
detección del sensor varia, también de acuerdo a la distancia y al tamaño del
objeto. Cuando la capacitancia de esta sonda es significativa; el oscilador
comienza a funcionar, la señal entregada por éste es rectificada y filtrada para
hacer conmutar al circuito de salida. Es importante resaltar que los detectores
capacitivos tienen un potenciómetro que permite cambiar los parámetros del
oscilador de tal forma que se pueda ajustar la sensibilidad. La figura 36 muestra
un sensor capacitivo con todas sus partes.
34
Figura 36. Partes de un sensor capacitivo
4.3 Sensores capacitivos blindados y no blindados.
4.3.1 Sensores blindados.
Los sensores blindados están recubiertos por una banda metálica que
permite obtener un
campo más concentrado. Esto es muy útil para detectar
cuerpos de baja constante dieléctrica, y además permite alinear la base del sensor
con la superficie de detección sin que se produzcan falsas detecciones. La figura
37 muestra un sensor capacitivo con blindaje.
Figura 37. Sensor capacitivo blindado
4.3.2 Sensores no blindados.
Los sensores no blindados carecen de la banda metálica y por lo tanto
producen un campo eléctrico menos concentrado. Son muy útiles para detectar
cuerpos con alta constante dieléctrica o para diferenciar cuerpos de alta constante
dieléctrica de cuerpos de baja constante dieléctrica. Para ciertos materiales los
sensores capacitivos de proximidad no blindados poseen distancia de detección
mayor que los blindados. La figura 38 muestra un sensor capacitivo sin blindaje,
en él se puede observar dos sondas de compensación que ayudan a direccionar el
35
campo eléctrico de tal forma de lograr mayor distancia en la detección de objeto
en cuestión.
Figura 38. Sensor capacitivo sin blindaje
4.4 Aplicaciones
En la figura 39 se muestra el uso de sensores capacitivos para la detección
de alimento dentro de una caja de cartón. En esta aplicación se emplea una
característica que tienen los detectores capacitivos que no tienen los detectores
ópticos ni los detectores inductivos. En estos últimos, cuando el objeto está frente
a ellos a una distancia dentro del rango de detección es percibido por el sensor, y
si se trata de un recipiente no se puede discernir sobre su contenido. Los sensores
capacitivos detectarán un recipiente sin importar que este vacío o lleno, pero si
graduamos la sensibilidad el detector capacitivo puede discriminar entre un
recipiente lleno o uno vacío. Esto se debe a que el objeto cambiará su constante
dieléctrica dependiendo de contenido del recipiente. En la figura 39 se puede
observar que hay tres detectores capacitivos instalados a una distancia adecuada
de la caja, esto permitirá saber si la caja está total o parcialmente llena. El objeto
de la detección puede ser conteo de cajas llenas o puede ser el rechazo de las
cajas vacías o incompletas más adelante en la línea de producción. La conexión
del sensor capacitivo al equipo de control es la misma que para el resto de los
sensores y será explicada con más detalle en el capítulo de circuitos de salidas.
36
Figura 39. Detección de contenedor lleno
Una aplicación muy frecuente para los sensores capacitivos es la detección
del nivel de líquido o de cualquier una sustancia granulada (por ejemplo maíz o
sorgo) dentro de un depósito tal como se muestra en la figura 40. Esta medición
del nivel se hace de forma discreta, es decir sólo se conocerá cuando el contenido
del recipiente está en determinado punto, es muy común supervisar los niveles
alto, muy alto (también llamado alto – alto), bajo y muy bajo (también llamado bajo
– bajo) que son los que normalmente dan las condiciones de arranques o paradas
de los equipos con los que el deposito interactúa (válvulas, motores, alarmas). Los
niveles alto – alto y bajo – bajo en la mayoría de los casos son utilizados para
generar alarmas.
Figura 40. Sensores capacitivos para la medición de nivel
37
Como se puede notar en la figura 40, a veces medir niveles de sólidos
granulados con este tipo de detector puede tener sus inconvenientes sobre todo
por que estos no toman la forma exacta del recipiente, lo que puede generar
errores.
En este punto se puede preguntar ¿Por qué no usar un sensor inductivo o
un sensor óptico para la medición de nivel? Si colocáramos un sensor óptico con
bastante probabilidad quedaría tapado con el líquido o el polvo que se adhiere a
él. Para la utilización de un sensor inductivo el material a detectar debe ser
metálico y puede presentarse el caso de virutas adheridas al detector. En ambos
casos los sensores indicarían presencia de materia sin ser esto verdad. Si bien es
cierto que el sensor capacitivo puede tener los mismos problemas de adherencia,
tiene la capacidad de discernir entre si sólo es adherencia o en realidad está en
presencia de alguna sustancia, con solo ajustar la sensibilidad, como se explicó en
la aplicación anterior. Hay aplicaciones donde es posible utilizar más de un tipo de
detector, en estos casos los criterios para la selección pueden ser otros como el
precio de los detectores o la estandarización en cuanto al tipo de detector utilizado
dentro de la planta.
La figura 41 muestra el uso de un sensor capacitivo para la detección de
madera en una maquina de corte. Al final del capítulo 6 se encuentra una tabla
haciendo la comparación entre los diferentes sensores que se estudian en este
texto.
Figura 41. Detección de madera.
38
4.5 Dimensiones
La figura 42 muestra las dimensiones de un tipo de sensor capacitivo y en
la figura 43 se observa algunos de estos sensores.
Figura 42. Dimensiones de un sensor capacitivo
Figura 43. Foto de sensores capacitivos
39
5 Sensores ultrasónicos
5.1 Características generales
Los sensores ultrasónicos basan su funcionamiento en la emisión y
recepción de una onda de acústica en el rango de 30 0 300 KHz, un valor
demasiado alto para ser detectado por el oído humano. Tanto el emisor como el
receptor son construidos con materiales piezoeléctricos. La piezoelectricidad es
una propiedad que tiene algunos cristales de generar una diferencia de potencial
entre sus extremos cuando son sometidos a una deformación mecánica, y de
manera contraria, se deforman cuando se les aplica una diferencia de potencial
entre sus extremos. Los sensores ultrasónicos no son muy eficientes para detectar
objetos suaves ya que estos no reflejan el sonido adecuadamente.
5.2 Principio de operación
El emisor genera un pulso ultrasónico (en los sensores analógicos se
emiten ráfagas de pulsos comúnmente a una frecuencia de 10 Hz), si hay un
objeto presente la onda choca y se regresa hacia el receptor y es examinada por
una unidad evaluativa donde se filtran ruidos para asegurarse que el eco
corresponde a la pulso onda emitida. Esta unidad le indica al circuito de salida que
conmute según sea el caso (presencia o ausencia de objetos). En los detectores
ultrasónicos con salida analógica se cuantifica el tiempo que tarda en llegar el eco
para determinar la distancia a la cual se encuentra el objeto del detector. La figura
44 muestra un sensor ultrasónico con todas sus partes.
Figura 44. Sensor ultrasónico
40
5.3 Modos de operación
Hay dos modos de operación: opuesto y difuso (eco)
5.3.1 Modo de operación opuesto
Este modo se parece al modo transmisión directa de los sensores ópticos,
un sensor emite una onda de ultrasonido y otro colocado en una posición opuesta
recibe esta onda. La presencia de un objeto interrumpe la onda y el objeto es
detectado. En este modo la emisión de los pulsos es de forma continúa y no por
ráfagas. La figura 45 ilustra este modo de operación.
Figura 45. Modo de operación opuesto
5.3.2 Modo de operación difuso
En el modo difuso el emisor genera la onda que choca contra el objeto y
rebota hacia el detector. El la figura 46 se observa como funciona el modo difuso.
Figura 46. Modo de operación difuso opuesto
5.4 Margen de detección y zona ciega
El margen de detección es el rango de distancia donde un objeto puede ser
detectado de forma confiable y la zona ciega es aquella región cercana al detector
donde los objetos no pueden ser detectados de forma confiable. El tamaño de la
zona ciega depende de la frecuencia del transductor. La figura 47 muestra el
margen de detección y la zona ciega para un detector ultrasónico.
41
Figura 47. Margen de detección y zona ciega
5.5 Aplicaciones
La figura 48 muestra el uso de un sensor ultrasónico para la detección de
nivel, el tiempo que demora la onda en salir del sensor chocar contra el líquido y
regresar al sensor es proporcional a la distancia a la cual el líquido se encuentra
del sensor (l), en otras palabras la salida del sensor es proporcional a la distancia
que el líquido se encuentra del sensor. Si previamente se ha programado, en el
controlador donde el sensor está conectado, la altura del tanque (m), entonces el
nivel del tanque (h) se puede medir como:
h  ml
(3)
Figura 48. Uso de sensores ultrasónica para la medición de nivel
Una aplicación muy común en estos días para los detectores ultrasónicos
es implementada en los robots. En la actualidad muchos robots utilizan este tipo
de sensores para detectar que hay algún objeto cerca con la finalidad de evadirlo
o de encontrar su objetivo. La figura 49 muestra el diagrama de bloque de un
42
circuito basado en un microprocesador que sirve como sistema de guía de un
robot. Originalmente la construcción del circuito se hace con elementos
independiente para cada bloque. Sin embargo los bloques: Excitación, Tx, Rx,
Amplificador y Detección de Nivel pueden ser reemplazados por un sensor
ultrasónico ya que están incluidos dentro de éste.
Figura 49. Uso de sensores ultrasónicos en robots
5.6 Dimensiones
La figura 50 muestra las dimensiones de un sensor ultrasónico y el la figura
51 se pueden observar el aspecto real de los mismos de los mismos.
Figura 50. Dimensiones de un sensor ultrasónico
Figura 51. Foto de un sensor ultrasónico
43
6 Interruptores de final de carrera.
6.1 Descripción.
Los interruptores de final de carrera son dispositivos que se activa de forma
mecánica con el paso del objeto. Existen dos tipos interruptores: de palanca (se
activan con desplazamiento angular) o interruptores de pulsador (se activan con
desplazamiento lineal). Cada tipo tiene algunas especificaciones como son: el
recorrido necesario para la activación, el torque o presión necesario para la
activación. Son de cierta forma configurables ya que se puede cambiar la dirección
de acción del cabezal y los niveles de tensión de la alimentación. Lo que los hace
más versátiles para los diferentes tipos de aplicaciones es la gran variedad de
levas que se le pueden colocar sobre todo a los de tipo palanca.
6.2 Partes
Los interruptores de final de carrera generalmente están formados por tres
partes mostradas en la figura 52:
1. El actuador.
2. El cabezal.
3. La base.
Figura 52. Partes de un interruptor final de carrera
44
6.2.1 El actuador.
Son levas que van fijadas al cabezal de interruptor final de carrera. Existen
una gran variedad de actuadores para ser usadas según la aplicación. La figura 53
muestra las levas de uso común.
Figura 53. Tipos de leva
6.2.1.1 Leva rotativa
Es la de uso común y es empleada en aplicaciones generales de finales de
de carrera como por ejemplo la detección de una puerta cerrada
6.2.1.2 Leva con ajuste micrométrico
Está diseñada especialmente para instalaciones donde la posición del
rodillo es un factor crítico. Esta palanca posee un rodillo pivotante que puede
girarse lateralmente. Después de fijar la palanca al eje del interruptor, la posición
del rodillo se puede ajustar con precisión a través de un arco de 7.5° a cada lado
del centro o en posición de línea recta.
6.2.1.3 Leva rotativa con ajuste de longitud
Se usa para aplicaciones generales donde hay variaciones en la distancia
entre objetos y el detector.
6.2.1.4 Leva oscilante
La leva oscilante es muy útil en la detección de objetos que van en una sola
dirección, ya que esta no debe retornar con el objeto sino por si sola. Por ejemplo
la detección de cajas sobre una banda transportadora.
45
6.2.1.5 Vástago con lazo de nylatron
Se usa sobre todo cuando hay cierta incertidumbre en la posición exacta
por donde va a pasar el objeto a detectar ya que esta leva abarca un área
relativamente grande en comparación con el resto de las levas.
6.2.1.6 Leva de horquilla
Es muy útil en aplicaciones donde se requiere conmutación de la salida en
dos direcciones, es decir en la posición de reposo el interruptor está desactivado y
se activa bien sea con desplazamientos a la derecha o a la izquierda de se
posición central.
6.2.2 El cabezal.
El cabezal determina el tipo de acción del detector, los hay de
desplazamiento angular y de desplazamiento lineal. El cabezal va fijado a la base
y puede ser rotado de tal forma de lograr el accionamiento en el sentido más
conveniente para la aplicación. Al ocurrir cierta cantidad de desplazamiento el
cabezal por medio de un vástago hace que los contactos de salidas ubicados en
la base cambien de estado. Al igual que los sensores ópticos, inductivos y
capacitivos, los interruptores de final de carrera también tienen histéresis. En las
figuras 54 y 55 ilustran la histéresis para cabezales de palanca y para cabezales
tipo pulsador.
Figura 54. Cabeza de acción por desplazamiento angular
46
Figura 55. Cabeza de acción por desplazamiento lineal
6.2.3 La base
Es el cuerpo del sensor. En él están contenidos los contactos eléctricos que
van a permitir conectar el interruptor final de carrera al control que lo utiliza. La
base también permite fijar el detector para su correcto funcionamiento. En la figura
56 se muestran dos juegos de contactos de dos bases diferentes, el primero
consta de dos circuitos uno normalmente abierto (NA) y otro normalmente cerrado
(NC) cuando el interruptor se acciona la lámina que une a los contactos NC
desplaza abriendo este circuito y cerrando el circuito donde se encuentran los
contactos NA, en la base que contiene cuatro circuitos la operación es similares
pero con dos conjuntos de contactos en vez de uno.
Figura 56. Contactos de salidas de la base del interruptor de carrera
47
6.3 Aplicaciones
Una aplicación muy común en el uso de interruptores finales de carrera es
la detección de puertas abiertas o cerradas. La figura 57 muestra una
configuración para la detección de puerta abierta/cerrada. Se puede notar que a la
puerta se le añadió una pieza de metal de tal forma que cuando la puerta esta
totalmente cerrada se activa el interruptor LS1 y mientras la puerta esta abierta y
durante todo su recorrido se activa el interruptor LS2. Esta configuración es muy
práctica porque además de saber el estado de la puerta permite conocer si un
detector se averió, siempre debe estar activado uno sólo y sólo uno de los
sensores, cualquier otro caso es indicativo de alguna anomalía.
Figura 57. Uso de interruptores finales de carrera en la detección de puerta abierta/cerrada
En el capitulo 1 se mostró una sistema de paletizadores (figura 20) en
donde hay dos carros que transportan paletas de dos dispensadores cada uno a
once paletizadores, el sistema tiene un sensor óptico tipo barrera para evitar que
los carros atropellen a alguna persona que transite por la ruta de estos, como se
explico en el capitulo 1. Además cada carro cuenta con cuatro interruptores de
final de carrera, dos en la parte del frente y dos en la parte de atrás, Los cuatro
interruptores están conectados en serie. Cada carro tiene dos láminas de metal,
una por el frente y otra por atrás. Cada una de estas láminas se desplaza cuando
choca contra un objeto accionando al interruptor final de carrera que a su vez le
indica al dispositivo de control que detenga el carro correspondiente.
En el capitulo 3 se presentó la aplicación de una barrera para detener el
paso de vehículos (figura 30) en esta se utilizó un sensor inductivo para detectar si
48
la barrera estaba abierta o cerrada sin embargo se hizo la salvedad que si la
cantidad de vehículos que pasaban a través de la barrera era pequeña, por
ejemplo una barrera de uso domestico instalada en una zona residencial, se
podían utilizar detectores mecánicos, los interruptores final de carreras son
adecuados para esta circunstancia.
6.4 Dimensiones
La figura 58 muestra las dimensiones de un interruptor de final de carrera,
los valores fuera de los paréntesis están en milímetros y los valores dentro de los
paréntesis están en pulgadas. En la figura 52 se puede observar el aspecto real de
estos interruptores.
Figura 58. Dimensiones de un interruptor de carrera
Figura 59. Foto de un interruptor de final de carrera
49
6.5 Aspectos generales para el uso de sensores
La tabla 4 presenta las ventajas y consideraciones a tener con el uso de los
diferentes tipos de sensores
Tabla 4. Comparativa del uso de sensores
Sensor
Óptico
Aplicaciones
Inductivo
 Detección
metálicos
Capacitivo
 Detección
de
objetos
metálicos corrientes y no
metálicos,
sólidos
y
líquidos
Ultrasónico
 Detección
general
de
objetos:
no
metales,
metales, sólidos y líquidos
Final de carrera
 Detección de objetos con
contacto sobre estos
 Detección
objetos.
general
de
Ventajas
Consideraciones
de
 Grandes distancias de
detección
 Sensibilidad ajustable
 Salida digital, analógica y
serial
objeto
 Discrimina entre metales
ferrosos y no ferrosos
 Sensibilidad ajustable
 Salida digital, analógica y
serial
 Discrimina
materiales
según
su
constante
dieléctrica
 Sensibilidad ajustable
 Salida digital y serial
 Distancias de detección
medias (hasta un metro)
 Distancia de detección
ajustable
 Salidas digital, analógica y
serial.
 Económicos
 Gran variedad de levas le
dan versatilidad
 Salidas digital y serial
 Poco útil en ambientes
contaminados
 Tiene zona ciega
 Necesita accesorio para la
detección de objeto pequeño
 Cuando el objeto refleja luz se
necesita polarización
 En algunas configuraciones se
requiere acceder a ambos
lados del objeto
 Son más difíciles de alinear
que el resto de los sensores
 Distancias de detección cortas
 La distancia de detección
depende del tamaño del
objeto y del tipo de metal a
detectar
 Distancias de detección cortas
 La distancia de detección
depende del tamaño y la
constante
dieléctrica
del
objeto a detectar
 Tiene zona ciega
 Los materiales suaves son
difíciles de detectar
 La forma ideal de objeto a
detectar es de superficie plana
y lisa
 Desgaste mecánico
 El contacto con el objeto a
veces no es deseable
 Distancia
de
detección
limitadas al largo de la leva
50
7 Codificadores ópticos
7.1 Características generales
Los codificadores ópticos usan emisores y receptores de luz separados por
un disco codificado que va unido a un eje. Los datos suministrados por los
receptores nos dan información que son útiles para medir posición y velocidad del
eje, con la ayuda de cremalleras también se puede medir posición lineal.
7.2 Tipos de codificadores ópticos
Los codificadores ópticos son dispositivos que suministran información
sobre la posición o movimiento de un eje. Hay dos tipos de codificadores ópticos:
los absolutos y los incrementales. Los codificadores ópticos absolutos tienen una
salida binaria, donde el valor de esta salida indica la posición del eje y su
resolución depende del número de bits. Los codificadores ópticos incrementales
tienen sólo tres salidas: A, B y Z. La salida A envía una cantidad fija de pulsos por
revolución del eje. La salida B, tiene características similares a la salida A, con la
única diferencia que se encuentra en cuadratura (desfasada 90°) con esta. Las
salidas, A y B, permiten saber además, de cuanto se ha movido el eje, la dirección
en la que se mueve. La salida denominada Z da un pulso cada revolución. Es muy
común encontrar en los codificadores ópticos diferenciales, además de las salidas
A, B y Z, otras tres salidas denominadas A, B y C que son el complemento de las
tres primeras. Los codificadores ópticos incrementales tienen una construcción
más sencilla que los codificadores ópticos absolutos y por eso son más
económicos, pero presentan la desventaja que la información que suministran
depende de los acontecimientos anteriores y por eso los datos suministrados por
el sensor son propensos a ser afectados por las fallas de energía.
7.2.1 Codificador óptico Incremental
7.2.1.1 Partes
La figura 60 muestra un codificador óptico Incremental básico con todas sus
partes:
51
•
Fuente de luz.
•
Disco rotatorio.
•
Detector de luz.
•
Máscara.
•
Acondicionador de señal/manejador de salida.
Figura 60. Codificador óptico Incremental
 Fuente de Luz
La fuente de luz está formada por un diodo emisor de luz (LED) y una lente
que concentra el haz suministrado por los LED. La figura 61 muestra el haz
emitido por el LED y luego, como con el uso del lente se, corrige la difusión del
haz haciéndolo más concentrado.
52
Figura 61. Fuente de luz
 Disco Rotatorio
El disco rotatorio está sujeto al eje del codificador óptico y tiene dos
patrones de hendiduras concéntricos. Un primer patrón externo (O. D.) tiene un
número de hendiduras igual a la cantidad de pulsos por revolución del codificador
óptico y estas dejan pasar el haz de luz desde la fuente hacia los receptores que
forman el par de salida A y B. Un segundo patrón interno (I.D.) el cual solo permite
un pulso por revolución y deja pasar el haz de luz hacia los receptores del par Z.
La figura 62 muestra con detalle lo explicado anteriormente.
Figura 62. Disco rotatorio
 Detector de luz
El detector de luz está formado por un arreglo de fototransistores o
fotodiodos que están ubicados detrás, del disco rotatorio, frente a la fuente de luz.
Hay dos elementos receptores por cada par de salida, en total son 6: dos para el
par A, dos para el par B y dos para el par Z. La salida del receptor va hacia el
acondicionador de señal/manejador de salida. Ver figura 63.
53
Figura 63. Detector de Luz
 Máscara
La máscara es una película ubicada entre la fuente de luz y el disco
rotatorio, tiene zonas traslucidas y zonas opacas que están colocadas de tal forma
de obtener las señales de salidas del par A y el par B, es decir, la máscara hace
que las señales del par A estén desfasada 180º entre ellas, que las señales del
par B estén desfasadas 180° entre ellas y que las señales del par A estén
desfasadas 90° con las señales del par B. En otras palabras las señales del par A
están en cuadratura con las señales del par B. Las zonas traslucidas y opacas
para el par Z no tienen ninguna diferencia entre ellas debido a que las formas de
ondas de salida de este par se definen en el disco rotatorio. En la figura 64 se
muestra la máscara con sus zonas opacas y traslucidas.
Figura 64. Máscara
54
 Acondicionador de señal/Manejador de salida
El acondicionador de señal es un disparador schmitt que toma la señal
proveniente del detector de luz y aumenta la pendiente de los flancos de subida y
de bajada. También proporciona los niveles de voltajes adecuados para activar al
manejador de disparo, tal como muestra la figura 65.
Figura 65. Acondicionador de señal
El circuito de salida es la parte final del codificador óptico y de todos los
sensores de posición. En él se define el tipo de salida que tiene el codificador
óptico y debe ser capaz de manejar la carga que se conectará a él. En la figura 66
se muestra dos formas de conectar manejadores para una salida de 24 Vdc tipo
sumidero (en ingles sink) o NPN. En la primera de ellas se conecta una resistencia
de pull-up que alimenta la carga cuando el sensor está desactivado (transistor
abierto o en tercer estado) y cuando el sensor se activa (transistor en conducción)
coloca 0 V en la carga y toda la corriente que circula por la resistencia se desvía
hacia el transistor, en esta configuración se puede observar que cuando el sensor
está activo la carga esta sin alimentación y cuando el sensor está desactivado la
carga está alimentada. En la segunda configuración la alimentación se conecta al
colector del transistor a través de la carga, cuando el detector está desactivado
(transistor en tercer estado) no circula corriente a través de la carga y cuando el
sensor está activado (transistor en conducción) circula corriente a través de la
carga. En esta configuración se puede observar que cuando el detector está activo
55
la carga tiene alimentación y cuando el detector está desactivado la carga no tiene
alimentación. Como se puede observar la operación desde el punto de vista de la
carga es al contrario que en la primera configuración, la segunda forma de
conexión es la más común pero en algunos casos la conexión con resistencia de
pull-up puede ser útil. En el capitulo 9 se muestra todos los tipos de salidas que
pueden estar presente en los codificadores ópticos.
La figura 67 muestra los pares de salida A, B y Z, en ella se puede observar
como las señales del par A, del par B y del par Z son complementarias entre si,
también se puede observar el defasaje de 90° entre las señales del par A y el par
B, finalmente se muestra como Z solo se activa una vez por revolución. Cuando la
frecuencia de conmutación es muy alta estas señales tienden a parecer ondas
sinusoidales en vez de cuadradas.
Figura 66. Circuito de salida
Figura 67. Señales de los pares A, B y Z
56
7.2.1.2 ¿Cómo se determina el sentido de giro con un codificador óptico
incremental?
La figura 68 muestra un codificador óptico incremental conectado a un
contador. El contador debe estar diseñado para leer señales en cuadratura, en el
mercado hay una gran cantidad de fabricantes que comercializan contadores con
esta característica. En la figura 68 se puede sustituir el contador por una tarjeta de
conteo rápido en un PLC, estás tarjetas están especialmente diseñadas para leer
señales provenientes de codificadores ópticos. El funcionamiento es como sigue:
cada vez que el flanco de subida de la señal A aparece primero que el flanco de
subida de la señal B, la rotación de codificador óptico se toma en sentido directo y
el contador se incrementa con cada flanco de subida de la señal A, si el flanco de
subida de la señal B aparece primero que el flanco de subida de la señal A, la
rotación del codificador óptico se toma como en sentido reverso y el contador tiene
un decremento con cada flanco de bajada de la señal A. El sentido de rotación se
puede determinar fácilmente con la secuencia de los pares formados por los
niveles de la señal A y B. En la rotación directa la secuencia de los pares de la
forma (nivel A, nivel B) viene de la forma (alto, bajo), (alto, alto), (bajo, alto) y
(bajo, bajo) y en la rotación reversa la secuencia viene dada por (bajo, bajo), (bajo
alto), (alto, alto) y (alto, bajo), cada cuatro transiciones en uno de los sentido hace
un conteo creciente para la rotación directa o decreciente para la rotación reversa.
Figura 68. Como se determina el sentido de giro con un codificador óptico incremental.
57
7.2.1.3 Aplicaciones
A continuación se muestran dos aplicaciones del uso de codificadores
ópticos diferenciales. La figura 69 muestra una máquina para hacer cortes en una
lámina de aluminio. El motor mueve los rodillos que impulsan la lámina de aluminio
y cuya longitud es proporcional a la cantidad de pulsos que el codificador óptico
(encoder) envía al controlador, este le da una señal a la herramienta de corte para
que descienda y seccione cuando se ha avanzado la longitud preestablecida.
Figura 69.Cortes de Longitud
En la segunda aplicación se utiliza un codificador óptico para medir el flujo
(figura 70). El movimiento del líquido a través de la tubería hace que se mueva el
motor hidráulico a través de las aspas que éste tiene. El eje del codificador óptico
está conectado al eje del motor y la cantidad de pulsos que envía es proporcional
al movimiento del motor que a su vez es proporcional al flujo en la tubería.
58
Figura 70. Medición de flujo
En la figura 71 se puede observar un codificador óptico incremental para
determinar el desplazamiento de un ascensor y en la figura 72 se utiliza un
codificador óptico incremental para determinar el momento en que se debe colocar
una etiqueta sobre una botella.
Figura 71. Determinar la altura de un elevador
59
Figura 72. Máquina para colocar etiquetas
7.2.2 Codificador óptico Absoluto
7.2.2.1 Partes
Las partes de un codificador óptico absoluto, como muestra la figura 73,
son:
•
Fuente de luz.
•
Disco rotatorio.
•
Detector de luz.
•
Acondicionador de señal.
•
Manejador de salidas
60
Figura 73. Codificador óptico absoluto
 Fuente de luz
La luz de la fuente es suministrada por un LED o un láser y esta envía un
patrón de radiación lo suficientemente ancho para cubrir el radio del disco rotario.
En la mayoría de los casos se coloca entre el disco rotatorio y la fuente de luz un
arreglo de fibra óptica que guía la luz hacia cada receptor como se muestra en la
figura 74.
Figura 74. Fuente de luz en los codificadores ópticos absolutos
61
 Disco rotatorio
El disco rotatorio se encuentra entre la fuente de luz y el receptor, puede
ser metálico o de vidrio, en ambos casos tiene zonas opacas y traslucidas que
permiten o no el paso de luz. El disco rotatorio está codificado, el código
generalmente es gray, binario o BCD con una resolución igual a (360/2N)º donde N
es el número de bits que típicamente está entre 8 y 24 bits. La figura 75 muestra
un par de discos codificados metálico y de vidrio.
Figura 75. Tipos de discos rotatorios
 Detector de luz
El detector de luz está formado por un arreglo de fototransistores o
fotodiodos ubicados en el lado opuesto del disco rotatorio al que se encuentra la
fuente de luz, hay tantos fototransistores o fotodiodos como bits de resolución en
el codificador óptico. Del receptor se envía la señal hacia el acondicionador de
señal/manejador de salida. En la figura 76 se muestra un detector de luz con los
circuitos típicos.
62
Figura 76. Detector de luz en los codificadores ópticos absolutos
 Acondicionador de señal/Manejador de salida
El acondicionador de señal/manejador de salida de estos codificadores es
igual a la de los codificador óptico incrementales.
7.2.2.2 Aplicaciones
En la aplicación mostrada en la figura 77 se utiliza un codificador óptico
absoluto para medir la posición de una corredera sobre un tornillo sin fin. La
corredera se mueve al lo largo del tornillo sin fin en la medida que éste va girando
y el eje del codificador óptico está acoplado al tornillo sin fin, de esta forma se
tiene la información de la posición de la corredera, que puede ser utilizada para
mover una herramienta en un torno de control numérico, por ejemplo. Las salidas
del codificador óptico van a un modulo de entrada digital de un PLC, si suponemos
que el codificador óptico es de 16 bits se debe utilizar una tarjeta de entrada de al
menos el mismo número de bits. La mayoría de los controladores PLC están
equipados con instrucciones de conversión de código BCD o gray a binario en
complemento a dos, que es el formato más usado para la representación de
números enteros. Algunos codificadores ópticos absolutos tienen como entrada un
comando de enclavamiento que le permite memorizar los datos de salida. Otras
63
opciones adicionales que presentan los codificadores ópticos absolutos son el
control de dirección (seleccionar los conteos progresivos hacia la derecha o hacia
la izquierda) y la lógica de salida (puede ser lógica “0” o lógica “1”).
Figura 77. Medición de posición sobre un tornillo sin fin
En la figura 78 se puede ver otras aplicaciones de codificadores ópticos
absolutos con tornillos sin fin y la figura 79 muestra una aplicación de una máquina
que inserta dispositivos electrónicos en un circuito impreso.
Figura 78. Aplicaciones en tornillo sin fin
64
Figura 79. Máquina de inserción de componentes
7.3 Comparación entre codificadores ópticos diferenciales y
codificadores ópticos absolutos.
La tabla 4 muestra las diferencias entre los codificadores ópticos
diferenciales y el codificador óptico absoluto.
Tabla 5. Diferencia entre codificadores ópticos incrementales y absolutos.
Absoluto:
Incremental:
Proveen información de la posición.
La información de salida son pulsos.
Más costosos.
Más económicos.
Baja resolución.
Alta resolución.
Baja velocidad de operación.
Alta velocidad de operación.
Los datos no son afectados por la Los datos pueden ser afectados por la
perdida de energía.
perdida de energía.
7.4 Otros aspectos sobre codificadores ópticos
Los codificadores ópticos son muy utilizados para la medición de velocidad
y esto puede hacerse de varias formas. La más sencilla pero la más costosa es
conectarlo a una tarjeta de conteo rápido (sólo para codificadores ópticos
65
incrementales) de un PLC y configurarla para medir velocidad. Si no es necesario
hacer control, sino sólo tener una lectura se utilizar un contador ajustado para
medir velocidad. Para realizar controlar con un PLC sin la tarjeta de conteo rápido,
se conecta el codificador a una tarjeta de entrada digital y se usa una base de
tiempo con una instrucción de temporizador o la interrupción de tiempo del
controlador. El número de conteos por unidad de tiempo da la lectura de
velocidad. Por ejemplo se utiliza un codificador óptico incremental de 60 pulsos
por revolución y una base de tiempo de un segundo para obtener las rpm de un
motor con un tiempo de muestreo de un segundo y una resolución de una rpm. Al
aumentar el número de conteos por revolución a 600 y sin cambiar la base de
tiempo la resolución de la lectura mejora a 0,1 rpm. Si la base de tiempo se
cambia a 0,1 s con los mismos 600 pulsos/revolución el tiempo de muestreo será
de 0,1 s con una resolución de 1 rpm. Siempre hay que tener en cuenta, sobre
todo cuando se utilizan tarjetas de entrada digitales, que la velocidad a la que
éstas conmutan sea lo suficientemente rápida para medir los pulsos provenientes
del codificador óptico.
La selección de un tipo de codificador depende generalmente de la
aplicación, por ejemplo la corredera acoplada al tornillo sin fin de la máquina
explicada en la sección anterior tiene un rango de movimiento que está
determinado por la posición mínima y máxima de la corredera. El motor que gira al
tronillo sin fin debe ser un motor reversible de tal forma que la corredera pueda
desplazarse hacia ambos lados. Una vez que la corredera llega a uno de los
topes, el motor no debe seguir girando. Esta aplicación es muy adecuada para el
uso de codificadores ópticos absolutos ya que la posición de la corredera está
dentro de un rango al igual que el código de codificador óptico absoluto. Se puede
ajustar de forma mecánica el codificador de tal forma que valor mínimo del código
coincida con la posición mínima de la corredera. Si se mide las rpm de un motor
que va a girar sin importar el número de vuelta, resulta más práctico y económico
el codificador óptico incremental, ya que se usan menos entradas del controlador,
son más baratos que los codificadores ópticos absolutos y la lógica de
66
programación es más sencilla (en caso de que el controlador al que esté
conectado sea programable).
7.5 Dimensiones
En al figura 80 se muestra las dimensiones de un codificador óptico, los
valores fuera de los paréntesis están en milímetros y los valores dentro de los
paréntesis están en pulgadas. En la figura 81 se puede observar una foto de un
codificador óptico.
Figura 80. Dimensiones de un codificador óptico
Figura 81. Foto de un codificador óptico
67
8 Otros sensores de posición
Existen otros sensores de posición que no son de uso tan frecuente, como
los mencionados hasta ahora, pero es importante conocerlos, estos son:
transformador diferencial variable lineal (LVDT), potenciómetros y regletas
potenciométricas,
sensores
microeléctricomecánico
(MEM)
y
sensores
inteligentes.
8.1 Transformador diferencial variable lineal (LVDT)
8.1.1 Características generales
El LVDT es un transformador con núcleo móvil que suministra una señal
eléctrica analógica proporcional al desplazamiento de su núcleo, aunque la salida
se puede acondicionar de tal forma que suministre una señal digital. Necesitan
tener contacto con el objeto a medir. Tienen muy buena precisión, son bastante
lineales y tienen poco desgaste mecánico. Son muy útiles en algunas
aplicaciones.
8.1.2 Principio de funcionamiento
El transformador diferencial variable lineal es un transformador cuyo núcleo
se puede desplazar variando la inductancia lo que hace que varíe el voltaje de
salida. Dicho transformador tiene un primario y dos secundarios con el mismo
número de vueltas, conectados en serie y en oposición de tal forma que cuando el
núcleo esta es su posición de equilibrio (el desplazamiento es igual a 0) la salida
de los secundarios sea igual a cero voltios. La figura 82 muestra un diagrama del
LVDT.
La figura 83 muestra la gráfica del voltaje de salida vs. la posición del
núcleo. Se observa que la salida de este transductor es lineal con respecto a su
entrada de allí su nombre.
68
Figura 82 Transformador diferencial variable lineal
Figura 83 Salida de un LVDT
8.1.3 Aplicaciones
Una aplicación común que se le da al LVDT es como componente de un
servo sistema fuerza-balance. Esto es indicado esquemáticamente en la figura 84.
Las terminales de salida de un transformador de entrada y un transformador
balanceado se conectan en serie y en oposición. La suma algebraica de los dos
voltajes alimenta a un amplificador que maneja un motor de dos fases. Cuando los
dos transformadores están en sus posiciones de referencia, la suma de sus
voltajes de salida es cero y no hay voltaje hacia el servomotor. Cuando se mueve
el cursor del transformador de entrada de su posición de referencia, existirá un
voltaje de salida, que será enviado al amplificador, provocando que el motor gire.
El motor esta mecánicamente acoplado al núcleo del transformador balanceado.
Cuando la salida del transformador balanceado se opone a la salida del
69
transformador de entrada el motor girará, hasta que las salidas de los dos
transformadores sean iguales. El indicador en el motor se calibra para leer el
desplazamiento
del
transformador
balanceado,
e
indirectamente
el
desplazamiento del transformador de entrada.
Figura 84. Servo sistema fuerza balance
La figura 85 muestra con detalle del LVDT. El embobinado del primario esta
montado en la parte central del núcleo tipo ’E’, y los embobinados del secundario
están en las partes laterales del núcleo tipo ’E’. La armadura se encuentra girando
debido a la aplicación de una fuerza externa en un punto pivote a lo largo de la
pata del centro del núcleo. Cuando la armadura es desplazada de su posición de
referencia, la reluctancia del circuito magnético a través de una bobina del
secundario disminuye, mientras que simultáneamente, la reluctancia del circuito
magnético a través de la otra bobina del secundario aumenta. Las FEMs inducidas
en los embobinados del secundario son iguales en la posición de referencia de la
armadura, y serán diferentes en magnitud como resultado del desplazamiento
aplicado. Las FEMs están en fase opuesta una con respecto de la otra y el
transformador opera de la misma manera que el desplazamiento del cursor del
transformador de la figura 85.
70
Figura 85. Detalle del LVDT
Otra aplicación para los LVDT es en una máquina de fatiga para el estudio
de alambres, donde se utiliza un LVDT para determinar la deformación en un
alambre, como se muestra en la figura 86. La fuente de corriente es puesta en
operación lo que provoca el paso de una corriente continua (i) muy pequeña (<0,1
A) a través del alambre. La caída de tensión (U) que genera la resistencia eléctrica
del alambre es medida y amplificada, y es enviada a un sistema e adquisición de
datos. Mediante la computadora se mide y controla la temperatura del baño de
aceite de silicón (T), la señal del LVDT mide el cambio de longitud del alambre (d)
y la señal amplificada de U. Estos datos son utilizados para analiza la fatiga del
alambre.
Figura 86. Máquina de fatiga para el estudio de alambres
71
8.1.4 Dimensiones
A continuación se muestra las dimensiones de un modelo de LVDT
comercial, se pueden apreciar el aspecto real del mismo.
8.2 Potenciómetros y regletas potenciométricas
8.2.1 Características generales
Los potenciómetros y regletas potenciométricas son resistencias variables
que se usan como sensores de posición analógicos. Requieren estar acoplados
72
con el objeto que se le quiere medir la posición. Son muy económicos y de amplia
distribución por la diversidad de usos que tienen aparte de su aplicación como
sensores.
8.2.2 Principio de funcionamiento
Los
potenciómetros
y
regletas
potencionétricas
son
transductores
electromecánicos que tienen un cursor móvil conectado a una resistencia, en la
medida que es cursor se mueve la resistencia entre sus extremos varía. Cuando
se aplica una tensión en los terminales fijos del potenciómetro o de la regleta
potenciométrica, la tensión medida entre el terminal móvil y uno de los terminales
fijos será proporcional al desplazamiento en una forma lineal, logarítmica o
exponencial. Los potenciómetros miden desplazamiento angular, mientras que las
regletas potenciométricas miden desplazamiento lineal. La figura 87 muestra un
potenciómetro con su respectivo diagrama eléctrico, la función de transferencia
viene dada por Vo/Vs = R23/R13.
Figura 87 Potenciómetro y su diagrama eléctrico.
8.2.3 Aplicaciones
En la siguiente aplicación se utiliza un potenciómetro para medir el ángulo
de un péndulo en un sistema para el estudio de oscilaciones no lineales. El
sistema consiste en un péndulo solidario a un disco, que por medio de una polea
transmite su movimiento a un potenciómetro. El potenciómetro se fijó a una
distancia h de la vertical de la polea, por medio de una prolongación del soporte, y,
por medio de una banda que lo une a la polea del disco, se mueve con la misma
frecuencia con que lo hace el péndulo. Dicho disco está fijo a un soporte de modo
que tiene libertad de girar sobre un eje que pasa por el centro del mismo. El disco
73
tiene adosada una barra de material ferromagnético, que es el brazo del péndulo,
y en cuyo extremo se le coloca uno de los imanes utilizados para generar un
potencial no lineal. El soporte posee en su base un dispositivo que consta de un
tornillo regulable, del mismo material que el brazo del péndulo, que se ubica en
forma lineal con el punto de equilibrio del péndulo sin excitar (es decir en θ = 0) y a
una distancia d. Sobre el mismo se coloca el otro imán, igual al anterior pero de
manera que éstos se repelan. De esta forma, los imanes generan un campo
magnético, y se los puede considerar como monopolos. Asimismo, se conecta el
potenciómetro a una interfase, la cual envía la información de los ángulos medidos
en función del tiempo a una P.C. para hacer las mediciones respectivas. La figura
88 muestra la aplicación.
Figura 88. Uso del potenciómetro para medir posición angular.
8.2.4 Dimensiones
En la figura 89 se puede observar el aspecto real y las dimensiones de un
potenciómetro de uso industrial.
74
Figura 89. Aspecto real y dimensiones de un potenciómetro.
8.3 Sensores micro eléctrico mecánico (MEM)
8.3.1 Características generales
La tecnología MEMs es muy novedosa, combina disciplinas tales como
ingeniería eléctrica, electrónica, mecánica, óptica, de materiales, química y de
fluidos para producir micro máquinas similares a las que conocemos (detectores,
actuadotes y otras) pero mucho más pequeñas. El tamaño de un dispositivo con
tecnología MEMs va desde 1 hasta 100 micras de largo. La foto de la figura 90
muestra un dispositivo MEM al lado de un cabello.
Figura 90. Comparación de un dispositivo MEM con un cabello humano
8.3.2 Principio de funcionamiento
Los dispositivos MEMs son fabricados utilizando procesos basados en
técnicas y materiales para fabricación de circuitos impresos, o usando tecnologías
emergentes tal como micro inyección moldeada. Estos procesos involucran la
75
construcción del dispositivo cara por cara, incluyendo varios depósitos de
materiales en cada paso. Los dispositivos MEMs típicamente son fabricados en un
sustrato (chip) que puede contener la electrónica requerida para interactuar con el
dispositivo. Debido al pequeño tamaño y masa que de los dispositivos, los
componentes MEMs pueden ser actuados electroestáticamente (los efectos
piezoeléctrico y bimetálico son usados con frecuencia). La posición de ellos puede
ser sensada de forma capacitiva. Por lo tanto la electrónica MEMs incluye fuente
de
poder
manejada
electroestáticamente,
comparadores
por
carga
de
capacitancias y circuitos acondicionadores de señal. La conexión con el mundo
macroscópico se hace por cables. El encapsulado es variado algunos de ellos se
encapsulan como un circuito impreso.
8.3.3 Aplicaciones
Una aplicación desarrollada con esta tecnología es el acelerómetro (sensor
para medir aceleración) de tres ejes de la figura 91, el cual es muy utilizado en la
industria automotriz para aplicaciones como: control del auto, diagnóstico del auto,
navegación del auto, sistema de bolsa de aire en automóviles.
El funcionamiento de los acelerómetros, incluso los de tecnología MEMs,
está basado en medir la fuerza necesaria para acelerar un objeto de masa
conocida en un sistema de masa – resorte. El acelerómetro de la figura 91 cuenta
con tres sistemas masa - resorte para la medición de la aceleración en los ejes X,
Y y Z. Además tiene incluido un reloj maestro que sincroniza la lógica digital de los
circuitos para cada eje
Figura 91. Acelerómetro de 3 ejes
76
8.3.4 Dimensiones
Las dimensiones de los dispositivos MEM varia según el encapsulado, los
dispositivos que se encapsulan en el mismo empaque que los circuito integrados
tiene las misma dimensiones que estos, la figura 92 muestra la configuración de
pines de dos tipos de encapsulados diferentes. En la figura 93 se puede apreciar
el aspecto real de un acelerómetro construido con tecnología MEM.
Figura 92. Acelerómetro con tecnología MEM encapsulado como un circuito integrado.
Figura 93. Aspecto real de un dispositivo de tecnología MEM
8.4 Sensores inteligentes
8.4.1 Características generales
La tendencia a eliminar el control centralizado y aumentar el control
distribuido ha hecho que los dispositivos de campos, como sensores y actuadores,
sean cada vez más inteligentes. El objetivo es poder suprimir los dispositivos de
control tal como los conocemos ahora y que el control este disperso en todos los
dispositivos de campo, esto sería en un verdadero control distribuido. Por esta
razón los dispositivos de campo, como los sensores, cada vez tengan mayores
funciones lógicas, de diagnóstico y mejores capacidades de comunicación.
77
8.4.2 Principio de funcionamiento
Los sensores inteligentes tienen el mismo principio de funcionamiento de
los sensores tradicionales con la diferencia que se les añade componentes
electrónicos que los hacen más versátiles. Estos sensores además del detector,
tienen circuitos amplificadores de precisión, convertidores analógicos a digital y un
microcontrolador, la figura 94 muestra las partes que componen a un sensor
inteligente.
Figura 94. Elementos que componen a un sensor inteligente
El amplificador lleva la señal a niveles en los que opera el convertidor
analógico a digital que se encarga de digitalizar la señal de forma que el micro
controlador pueda procesarla. Entre las tareas del microcontrolador se encuentran
funciones de control (temporizado, indicación de operaciones máxima, conteos,
cálculo de distancias) y configuración (modo de trabajo, linealización, auto
calibración entre otras), también se encarga de transmitir la información hacia la
red de campo. En la figura 95 se muestran resumidas todas las operaciones
involucradas en un sensor inteligente.
Figura 95. Funciones en un sensor inteligente
78
8.4.3 Aplicaciones
Las aplicaciones de los sensores inteligentes son las mismas de los
sensores tradicionales, con la diferencia que los sensores inteligentes manejan
mayor cantidad de información que es transmitida de forma serial hacia el
dispositivo de control. La figura 96 muestra una red de sensores inteligentes.
Figura 96. Red de sensores inteligentes.
8.4.4 Dimensiones
La figura 97 muestra las dimensiones de un sensor inteligente de uso
industrial y en la figura 98 se puede observar el aspecto real de los mismos
Figura 97.Dimensiones de un sensor inteligente
79
Figura 98. Aspecto real de un sensor inteligente.
80
9 Circuitos de salidas
Existen varios tipos de circuitos de salidas divididos en tres grupos: digitales
(relé, TRIAC, FET, MOSFET), analógicas y seriales. A continuación se describen
las más comunes:
9.1 Salidas a relé
Los relés son dispositivos electromecánicos que están formados por una
bobina y juegos de contactos normalmente abierto (NA) y normalmente cerrados
(NC). Cuando se energiza la bobina que se comporta como un electroimán, hace
que los contactos eléctricos cambien de estado y cuando se le quita la
alimentación a la bobina los contactos regresan a su posición inicial. Estos
contactos son “secos”, es decir, es una lámina de cobre que se cierra o se abre al
energizarse la bobina según sea el tipo de contacto, NA o NC respectivamente y
permanecen así mientras la bobina siga energizada. El hecho de que los
contactos sean “secos” posee la ventaja de tener una corriente igual a cero
cuando la salida está abierta y presentar una impedancia muy baja cuando el
contacto está cerrado; los dispositivos electrónicos tales como transistores, TRIAC
y FET carecen de estas ventajas. La figura 99 muestra una salida de relé de un
polo y dos contactos un NA y otro NC. Las características de este tipo de salidas
se muestran a continuación:
•
Voltaje de salida: hasta 240 V AC/DC.
•
Corriente de salida: hasta 5 A máximo.
•
Propósito general, bajo costo.
•
Vida útil finita.
•
SPDT (un polo dos contactos. 1 NA, 1 NC) o DPDT (dos polos dos
contactos, 2 NA, 2 NC).
•
Tiempo de respuesta largo (15 ms para abrir los contactos, 25 ms para
cerrar los contactos).
81
•
Las salidas de múltiples sensores pueden ser cableadas en serie o
paralelo. Este tipo de conexiones es útil cuando se carece de algún tipo de
equipo para control, y se tiene que implementara la lógica de control con
sensores y elementos finales de control (como arrancadores, relés
temporizados y otros).
Figura 99. Salida a relé
9.2 Salida a transistor
Los transistores son dispositivos electrónicos que se pueden comportar
como interruptores. El transistor tienen un terminal de base que cuando está activo
permite la circulación de corriente entre el emisor y el colector, este último
generalmente se conecta al terminal de salida del detector. Hay dos tipos de
salidas a transistores, NPN que permite la circulación de corriente desde el
colector hacia el emisor y PNP que permite la circulación de corriente desde el
emisor hacia el colector. El uso de un sensor con salida NPN o PNP depende de
la carga que se vaya a conectar a este, por ejemplo si tenemos un PLC con una
tarjeta de entrada digital DC de tipo sumidero (el terminal común de la tarjeta va a
tierra y cada entrada se activa con un nivel de tensión positivo) los detectores que
se van a conectar a esta tarjeta deben ser del tipo PNP. Las figuras 100 y 101
ilustran esto, la carga representa una de las entradas de la tarjeta de entrada
discreta DC del PLC. Si la tarjeta es tipo fuente (el terminal común de la tarjeta va
a el voltaje de alimentación y cada entrada se activa colocando cero voltios en su
respectivo terminal) se debe colocar sensores tipo NPN. A continuación se
muestran algunas de las características de las salidas a transistor
•
Voltaje de salida: 0-30 V DC.
•
Corriente de salida: 100 mA máximo.
82
•
Baja corriente de fuga.
•
Tiempo de respuesta corto – 1ms o menos.
•
Propósito general en operación DC.
Figura 100. Conexión de la carga en un sensor con salida NPN
Figura 101. Conexión de la carga en un sensor con salida PNP
83
9.3 Salida de TRIAC
Los TRIAC son dispositivos semiconductores de tres terminales que
permiten el paso de corriente entre dos de sus terminales cuando se suministra
una señal de disparo por el tercer terminal denominado compuerta (G) y que está
conectado al circuito control del detector, a través de un opto acoplador que aísla
la carga del circuito de control como se muestra en la figura 102. Se utilizan para
señales AC y tienen un apagado natural cuando la señal alterna cruza por cero.
Algunas de las características de este tipo de salidas se muestran a continuación.
•
Voltaje de salida: 120 o 240 V AC.
•
Corriente de salida: 0,75 A máximo.
•
Tiempo de repuesta largo: hasta 8,3 ms para activar o para desactivar.
•
1 mA de corriente de fuga máxima.
•
Propósito general en operación AC.
•
Apropiado para cargas inductivas.
Figura 102. Forma de onda y circuito típico para salidas con TRIAC
9.4 Salida a FET:
Los FETs son transistores de efecto de campo (field effect transistor) y las
principales características de esta configuración se muestra a continuación:
•
Voltaje de salida: 0-120 V AC ó de 10-200 V DC.
84
•
Corriente de salida: 30 mA máximo.
•
Tiempo de respuesta corto (1ms o menor).
•
Baja corriente de fuga < 10 A.
•
Las salidas de múltiples sensores pueden ser cableadas en serie y/o en
paralelo. Este tipo de conexiones es útil cuando se carece de algún tipo de
equipo para control, y se tiene que implementara la lógica de control con
sensores y elementos finales de control (como arrancadores, relés
temporizados y otros).
La figura 103 muestra el diagrama eléctrico de una salida con FET
Figura 103. Circuito típico de una salida con FET
9.5 Salida a MOSFET
Los MOSFET (metal oxide semiconductor FET) tienen características
similares a los FET pero con mayor capacidad de manejo de corriente
•
Voltaje de salida: 0-120 V AC ó de 10-200 V DC.
•
Corriente se salida: 300 mA de salida típico.
•
Corriente de fuga moderadamente alta.
•
Las salidas de múltiples sensores pueden ser cableadas en paralelo.
En la tabla 6 se resumen las ventajas y desventajas de las salidas digitales
85
Tabla 6. Ventajas y desventajas de las salidas digitales
Tipo de salida
Ventajas
Desventajas
Relé electromecánico
Selección de CA o CC
 La salida está eléctricamente aislada de la fuente
de alimentación eléctrica
 Fácil conexión en serie y/o en paralelo de salidas
de sensor
 Alta corriente de conmutación
 No es posible proporcionar protección
contra cortocircuito
 Vida útil limitada del relé
Transistor NPN o PNP
Selección de CC solamente
TRIAC
Selección de CA solamente
 Corriente de fuga muy baja
 Solo para cargas DC
FET
Selección de CA o CC
MOSFET de potencia
Selección de CA o CC
 Corriente de fuga muy baja
 Alta velocidad de conmutación
 Baja corriente de salida

 Corriente de fuga moderadamente alta

Rápida velocidad de conmutación
 Alta corriente de salida.
Rápida velocidad de conmutación
 Corriente de fuga relativamente alta
 Baja velocidad de conmutación de salida
9.6 Salida Analógica
Los sensores con salidas analógicas proveen una señal que es proporcional
a la distancia que se encuentra el objeto del detector. Los hay de pendiente
positiva, que aumentan la salida mientras mayor es la distancia del detector, y los
de pendiente negativa que disminuyen el valor de la salida a medida que el objeto
se aleja del detector. Algunas de las características de las salidas analógicas se
muestran a continuación.
•
La salida es proporcional o inversamente proporcional a la cantidad de luz
recibida por el detector.
•
La seña de salida puede ser en voltaje en un rango de 1-10 V DC ó en
corriente en un rango de 1 a 20 mA.
9.7 Salida Serial
Los sensores con salidas seriales van conectados a una red para
dispositivos de campo (los dispositivos de campo son todos aquellos que llevan
información al controlador o permiten accionar algún elemento, los sensores
estudiados entran dentro de esta denominación) y transmiten información de
forma serial (trama de bits) a través de esta red, enviando datos desde el detector
hacia el dispositivo de control o de supervisión. Las redes seriales para
dispositivos de campo permiten disminuir la utilización de entradas en los equipos
controladores, ya que los dispositivos de campo van conectado al cable de la red y
la información llega al controlador a través de una tarjeta de comunicación serial.
86
Esta característica también trae un ahorro en cables para la conexión de los
detectores al controlador. Los dispositivos seriales tienen la ventaja sobre los
dispositivos con salidas digitales y analógicas que pueden enviar mayor
información a los controladores, lo que permite dotarlos con algunas capacidades
adicionales como lo son: diagnóstico y funciones lógicas (temporizado, conteo y
detección de movimiento). Estas características permiten reducir los tiempos de
mantenimiento de los sistemas en donde están instalados los detectores con
salida serial y permiten que parte de la lógica de control resida en el detector
inteligente. La información que el detector envía por la red es una trama de bits
que es almacenada en la memoria de datos del controlador y contiene el estado
del detector. En la figura 104 hay un ejemplo de la trama de bit para un sensor
inductivo en una red DeviceNet. Se puede observar que el primer byte contiene: la
salida del sensor, un bit de diagnóstico, un bit que indica que el sensor está
operativo, un par de bits que indican si el objeto a detectar está muy cerca o muy
lejos, un bit de detección de movimiento (funciona como un retardo para cerrar) y
una salida con retardo (funciona como un retardo para abrir). El segundo byte es
una indicación analógica de ocho bits de la distancia del objeto al sensor.
Figura 104. Trama de bit de un sensor serial
La figura 105 muestra la conexión de un dispositivo (tal como un detector)
en una red DeviceNet. También se puede observar como se instala un
computador en la misma red. El uso del computador puede ser para la supervisión
de los datos provenientes del dispositivo o la configuración de éste.
87
Figura 105. Conexión de dispositivos en una red DeviceNet
9.8 Conexión a dos y a tres hilos
En la conexión a dos hilos la fuente, el sensor y la carga se conectan en
serie. Esto trae como desventaja que cuando el sensor está activo permite que
circule corriente pero la caída de voltaje en el sensor no es totalmente cero. De la
misma forma cuando el sensor está desactivado hay una corriente de fuga debido
a que el detector para poder funcionar necesita consumir cierta cantidad de
potencia. La ventaja de esta configuración es el ahorro en cable en el momento de
la instalación. La conexión del sensor a dos hilos se muestra en la figura 106.
Figura 106. Conexión a dos hilos
En la conexión a tres hilos la fuente y el sensor están en paralelo y del
sensor sale un tercer cable que se conecta en serie con la carga. Las ventajas de
esta configuración depende del tipo de salida que tenga el sensor y se pueden
encontrar más detalles en la tabla 6. La principal desventaja radica en el hecho de
necesitar una cantidad mayor de cables y tubería a la hora de ser instalados. La
figura 79 muestra la conexión de un sensor de tres hilos.
88
Figura 107. Conexión a tres hilos.
9.9 Criterios de selección
A continuación se muestra algunos criterios que sirven para la selección del
tipo de salida a utilizar en un detector.
 Cuando se instala un sistema es muy frecuente utilizar sensores con salidas AC,
la mayoría de los casos con salidas a relé ya que son los más económicos. El
uso de sensores AC evita tener que agregar fuentes de poder para la
alimentación DC del sistema instalado. El rango del voltaje de control
(entiéndase como voltaje de control el que usan los dispositivos de campo
digitales, como por ejemplo los sensores digitales) en nuestro país, en la
mayoría de los casos es de 120 V AC, esto es comprensible ya que esta es la
tensión de alimentación suministrada por las compañías de servicio eléctrico y la
mayoría de los equipos encontrados en el mercado nacional (como:
computadoras, monitores, equipos de video y otros) trabajan con esta tensión de
alimentación. Sin embargo se encuentra casos de plantas con voltajes de control
de 220 V AC, sobre todo sus sistemas provienen de Europa. También es
frecuente encontrar plantas que utilizan un voltaje de control de 24 V DC.
 Cuando se requiere aplicaciones donde la velocidad de detección es rápida se
necesita usar detectores de salida DC. Los detectores de salida AC típicamente
funcionan hasta unos 15 Hz mientras que los sensores DC de uso común
pueden alcanzar decenas de KHz.
 La corriente de fuga es un factor importante a considerar, si no se tiene cuidado
esta corriente puede ser suficiente para activar la carga y no habría ninguna
89
diferencia, desde el punto de vista de la carga, si el detector está activado o
desactivado.
 Cuando la cantidad de detectores a instalarse es grande puede llegar a ser más
económico la instalación de dispositivos seriales. Esto se determina haciendo un
análisis económico entre una instalación que use una red de campo y una que
use dispositivos con salida discreta. Este análisis debe llevar, además del costo
de los equipos, el costo de la instalación.
 En ocasiones, cuando se va a seleccionar un sensor para una aplicación en una
planta, se llega a la conclusión de que se puede utilizar más de un tipo de
detector, en este caso la inclinación debe hacerse por el de uso más frecuente
en otras aplicaciones dentro de la misma planta, esto nos llevará a una
estandarización de equipos que aminoran el costo del inventario de repuestos en
almacén.
90
10 Bibliografía
[1] Ivan’s Corners. Sensors Today. Rockwell Automation. Vol. 4 Noviembre 2001.
[2] Bissell, T. “Evolution of Network”. Sensors Today. Rockwell Automation. Vol. 3
Noviembre 2000.
[3] Bissell, T. “Zone Control Basic Conveyors Systems”. Sensors Today. Rockwell
Automation. Vol. 5 Julio 2003.
[4] Allen Bradley disponible en http://www.ab.com/
[5] Maloney, T. Instrumentación Electrónica Moderna. Prentice Hall. Tercera
edición. 1997.
[6] Manual de Sensores c113es. Rockwell Automation. Feb 2000.
[7] Manual de entrenamiento de sensores. Allen Bradley. Marzo 1991
[8] Sistema de cables DeviceNet, manual de planificación e instalación. Allen
Bradley. Mayo 1999.
[9] W. Cooper. Instrumentación electrónica. Prentice hall. 1982
[10]
GreenGT, Global Tecnology disponible en http://www.greengt.org/
[11]
Sandia Nacional Laboratorio disponible en http://www.sandia.gov
[12]
Balpardo, C., Ferrari, V., Justo, D., “Estudio del Potencial de un Péndulo No
Lineal”. Laboratorio IV – Dpto. de Física – UBA – 1998
[13]
Eidson, J. and Woods, S. “A Research Prototype of a Networked Smart
Sensor
System”.
Measurement
Systems
Photonics Laboratory HPL-95-91. August, 1995
Department
Instruments
and
91
Anexo A. Glosario de términos
Actuador
Mecanismo del interruptor final de carrera, que al moverse
según lo especificado hace funcionar los contactos del
interruptor.
Blindaje
Recubrimiento metálico que se coloca en los sensores
inductivos u ópticos con la finalidad dirigir el campo para
tener mayo distancia de detección.
Cable óptico
Cable hecho con fibra óptica
Campo de visión
Región donde los sensores ópticos pueden detectar un
objeto
Circuito de salida
Ultima etapa en un sensor y puede ser digital, analógico y
serial
Cono de haz
Se refiere a la conicidad formada por el haz de luz en un
sendo óptico
Control
Dispositivo que dirige la operación de un proceso, a él
llegan todos los dispositivos de entrada como sensores,
gobierna todos los dispositivo de salidas o elementos final
de control
Corriente de fuga
Es la corriente que circula por la salida del detector cuando
está desactivada, en el caso ideal esta corriente debería
ser cero.
DeviceNet
Red serial para la conexión de dispositivos de campo tales
como sensores o actuadores.
Dispositivos de
campo
Son todos aquellos dispositivos que llevan información al
controlador o permiten accionar algún elemento, los
sensores entran dentro de esta denominación
Distancia mínima de
detección
Límite más alejado del sensor de la zona ciega
Emisor
Se refiere a la fuente de luz en los sensores ópticos y a la
fuente de señal acústica en los sensores ultrasónicos
Encapsulado
Cubierta de los sensores
Factor de corrección
de distancia
Factor que se usa en los sensores inductivos para
determinar el rango de detección del sensor
Fem
Fuerza electromotriz causada por un campo magnético
debida a la diferencia de potencial en un dispositivo
eléctrico
Fibra óptica
Fibra conductora de luz
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Filtro óptico
Permite pasar sólo el haz de luz polarizada en un
determinado plano
Frecuencia de
conmutación
Es la máxima frecuencia a la que puede operar la salida de
un sensor
Fuente de luz
Diodos emisores de luz (LED) que se encuentran en los
sensores ópticos y en los codificadores ópticos
Haz de luz
Es la emisión de luz proporcionada por la fuente de luz en
un detector óptico
Histéresis
Es la distancia entre el punto de operación y el punto de
liberación
Leva
Palanca que se coloca en el cabezal de los interruptores de
final de carrera y permite accionarlos
Linealidad
Se dice que un dispositivo es lineal cuando la relación entre
la entrada y la salida se aproxima más a una línea recta, la
falta de linealidad produce errores en la medición
Margen
Medida de la cantidad de luz de la fuente de luz detectada
por el receptor
Margen de
detección
Es el rango de distancia donde un objeto puede ser
detectado de forma confiable
Monoestable
Circuito electrónico que se activa con una señal de entrada
y se desactiva un tiempo T luego que la señal de entrada
desaparece, se dice que es redisparable cuando el conteo
de tiempo es puesto a cero en presencia de una segunda
señal de entrada mientras el monoestable está activo
Paleta
Una pieza de madera o de plástico que se usa para colocar
productos en varia capas, los productos pueden ser
botellas, latas, sacos y otros
Paletizador
Máquina donde se llenan paletas de varias capas de algún
producto
Polarización
Se refiere a la polarización de la luz, cuando se polariza un
haz de luz su longitud de onda viaja en un determinado
plano
Receptor
Tiene la función de detectar el haz de luz en los sensores
ópticos y la señal acústica en los sensores ultrasónicos
Receptor de luz
Es un foto transistor o un foto diodo que recibe la emisión
de una fuente de luz en los sensores ópticos y en los
codificadores ópticos
Reflectividad relativa Es el valor típico de la propiedad que tienen algunos
típica
materiales para reflejar la luz.
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Salida digital
Se denomina así por tener dos estados
Sensor
Elemento que convierte una variable de campo en una
señal que puede ser leída por un dispositivo de control
Tiempo de
respuesta
Lapso de tiempo que transcurre desde que el objeto está
presente hasta que la salida se energiza, también se puede
definir como el tiempo desde que el objeto desaparece y la
salida se desactiva
Transductor
Dispositivo que convierte un tipo de energía en otra
Tubería
Para la canalización del tendido eléctrico es usual usar
tubos, al sistema de tubos por donde pasa los cables del
tendido eléctrico se le denomina tubería
Voltaje de control
El voltaje que usan los dispositivos de campo digitales,
como por ejemplo los sensores digitales
Zona ciega
Región cercana al detector donde los objetos no pueden
ser detectados de forma confiable
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Anexo B. Hojas técnicas
Detector óptico
A continuación se muestra una hoja técnica de un sensor foto eléctrico
comercial.
95
Detector inductivo
A continuación se muestra una hoja técnica de un sensor inductivo
comercial
96
Detector capacitivo
A continuación se encuentra la hoja técnica de un
comercial.
sensor capacitivo
97
Detector ultrasónico
A continuación se muestra la hoja técnica de un sensor ultrasónico de uso
industrial.
98
Interruptor final de carrera
A continuación se muestra la hoja técnica de un interruptor final de carrera
de uso industrial.
99
Codificador óptico
A continuación se presenta la hoja técnica de un codificador óptico de tipo
industrial.
100
LVDT
Las Características de un LVDT de uso industrial se pueden observar a en
las siguientes especificaciones.
Potenciómetro
A continuación se muestran las especificaciones de un potenciómetro de
uso industrial.
101
Dispositivo Micro Electro Mecánico
A continuación se muestra algunas especificaciones de un acelerómetro
construido con tecnología MEM
102
Sensor inteligente
A continuación se muestra la hoja técnica de un sensor inteligente de uso
industrial.