UNIDAD II TIPOS DE SENSORES DE PROXIMIDAD

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1 UNIDAD II TIPOS DE SENSORES DE PROXIMIDAD SENSORES FOTOELÉCTRICOS Un sensor fotoeléctrico, es un dispositivo que tiene como objeto detectar sin contacto de una forma confiable y segura, el procedimiento de detección se lleva a cabo bloqueando ó reflejando un haz luminoso. COMPONENTES DE LOS SENSORES FOTOELÉCTRICOS Los sensores fotoeléctricos tienen muchos componentes que contribuyen sobre todo a su funcionamiento, pero hay dos componentes, los cuales determinan su operación y su correspondiente respuesta de salida y son los siguientes: Fuente o Emisor La fuente es simplemente el emisor de luz del sensor fotoeléctrico, a través de los años se han empleado algunos tipos de fuentes de luz para estos equipos, anteriormente los sensores fotoeléctricos utilizaban lámparas incandescente estándar como fuentes de luz, sin embargo las lámparas incandescentes son tendenciosas a fallar prematuramente, adicionalmente el reemplazo de partes frecuentemente sobrepasa el costo de un nuevo control. Por esta razón dicho tecnología es considerada como obsoleta, en la actualidad el L.E.D. (Diodo Emisor de Luz) es la fuente de luz mas comúnmente empleada en los sensores fotoeléctricos. Un diodo electroluminosente es un componente electrónico semiconductor que emite luz cuando circula por él una corriente eléctrica. Esta luminosidad puede ser visible o invisible según la longitud de onda de emisión. Se utilizan en los sensores fotoeléctricos los diodos electroluminosentes (LED) y los fototransistores infrarrojos por su gran rendimiento luminoso, su insensibilidad a las temperaturas externas y su larga vida. Los diodos y los fototransistores con luz roja se utilizan para la transmisión por fibras ópticas de plástico y en los detectores reflex polarizados. Su ventaja del L.E.D Es su gran rapidez de respuesta para insensibilizar el sistema de luz ambiental, se modula la corriente que circula por el L.E.D. para obtener una emisión luminosa pulsante. Solo la señal pulsante será utilizada por el fototransistor y tratada para mandar a la carga. Propiedades del L.E.D. - No esta sujeto a interferencia de la luz ambiental. - Longitud de onda especifica de emisión de luz. - No costoso, confiable y a prueba de fallas. Limitación del L.E.D. - Requiere de un ciclo (oscilado), prendido y apagado debido al calentamiento. - No puede detectar el color rojo muy correctamente. 12

2 RECEPTOR. - (También llamado fotocelda, fotodetector ó fototransistor.) El receptor como parte componente del sensor fotoeléctrico es el encargado de recibir el haz luminoso enviado por el diodo emisor de luz (fuente) y transforma la energía luminosa en flujo de corriente eléctrica, la cual es utilizada para la alimentación a la carga. Los diagramas siguientes, muestran los componentes del emisor y receptor. 1. Indicador de voltaje 2. Oscilador 3. Amplificador con potenciómetro 4. Emisor fotoeléctrico (Diodo Emisor de Luz) 5. Voltaje externo 6. Voltaje interno estabilizado (Diodo Zener) 1. Receptor fotoeléctrico 2. Pre-amplificador 3. Filtro de banda 4. Convertidor de nivel de pulso 5. Indicador de conmutación 6. Etapa de salida con circuito de protección 7. Voltaje externo 8. Voltaje interno estabilizado 9. Salida a conmutación. CLASIFICACIÓN DE SENSORES FOTOELECTRICOS Los sensores fotoeléctricos industriales se dividen en los siguientes tipos: - Sensores fotoeléctricos de barrera de luz (rayo de luz emitido) - Sensor fotoeléctrico Retroreflectivo - Retroreflectivo normal - Retroreflectivo polarizado - Sensor fotoeléctrico de reflexión directa - Sensor fotoeléctrico de reflexión directa, con cable de fibra óptica. 13

3 SENSORES FOTOELECTRICO DE BARRERA DE LUZ (Rayo de Luz Emitido) La operación de este sensor es la más simple ya que cada uno de sus componentes (Emisor y Receptor) se encuentran separados uno del otro, la luz emitida por la fuente Se encuentra en el rango de longitud de onda del rojo o infrarrojo, cuando un objeto impide el paso del rayo, la salida del sensor cambia de estado, lo cual indica una conmutación o detección. La distancia entre la fuente y el receptor varia desde 5 hasta 213,36m, esto da por entendido que se puede variar la sensibilidad del detector utilizando para esto el amplificador con potenciómetro incorporado con que cuentan estos sensores, por este motivo esta forma de censado se considera el mas robusto modo de operación y por lo tanto el mas eficiente cuando el medio ambiente es contaminado. Con los sensores fotoeléctricos, se pueden detectar cualquier objeto, sin embargo existen algunos materiales que serán muy difíciles de detectar, considerando los procedimientos de detección empleados (bloquear y reflejar), como por ejemplo los materiales transparentes. Ventajas: - Capaz de verse a grandes distancias - Puede verse a través de suciedad y humedad - Puede sensar a través de algunos objetos. - Es la forma más confiable para el conteo. Desventajas: - Algunas veces sensa a través de un objeto cuando no se requiere - Mayor costo de adquisición e instalación - Dificultad para alinearse a grandes distancias - Difícilmente detecta materiales transparentes. En las siguientes figuras se muestra el diagrama de conexión de estos sensores. 14

4 SENSOR DE REFLEXION DIRECTA (También llamado sensado difuso de proximidad.) Este modo de sensado es dificultoso y uno de los más probables a causar problemas inesperados. Este tipo de sensores utiliza el objeto como superficie reflectora y es el encargado de regresar la luz al receptor. La luz viaja desde la fuente al objeto y entonces se refleja con la superficie del objeto y regresa al receptor. Para una buena detección por medio de este tipo de sensores, se debe ajustar la sensibilidad de los mismos hasta detectar el objeto, en el caso de querer detectar un objeto menos reflejante a la misma distancia, es necesario aumentar la sensibilidad del detector. Hay ocasiones que se tiene un plano posterior al objeto a detectar más reflectante, en este caso, se debe utilizar un detector fotoeléctrico de proximidad, con borrado de plano posterior, el cual tiene la característica de poderse regular dé manera que no detecte el plano posterior y posteriormente se verifica la conmutación en presencia de los objetos a detectar. Ventajas. - Detecta objetos ignorando el plano posterior. - Detecta objetos hasta una distancia dada, cualquiera que sea su color. El siguiente diagrama muestra la conexión eléctrica de este tipo de sensores SENSORES RETROREFLECTIVOS. Este tipo de sensores también es considerado como sensor de barrera de luz ya que el objeto a detectar bloquea el haz luminoso enviado por el emisor hacia el espejo industrial que sirve como medio de reflexión. 15

5 Principio de Funcionamiento. Los sensores fotoeléctricos de proximidad del tipo Retroreflectivo contienen tanto el emisor como receptor alojados en el mismo compartimiento, de tal forma que es necesario un medio adicional para poder realizar una adecuada detección, el medio que se utiliza como reflector es un espejo formado por muchos triedros, por tal motivo el haz luminoso que llega a dicho espejo, es reflejado en muchas direcciones, debido a la construcción del mismo. Los sensores Retroreflectivos se clasifican en: - Retroreflectivo normal. - Retroreflectivo polarizado RETROREFLECTIVO NORMAL. (Llamado también sensado reflectivo, retro ó reflejante) Con este tipo de sensor, se lleva a cabo la forma más común de sensado fotoeléctrico y debe considerarse como la segunda opción cuando se analice una aplicación. A pesar de lo difícil de la parte opuesta fotoeléctrica, el conjunto de fuente y receptor proporcionan algunas ventajas, por la utilización de un simple reflector industrial. La luz de la fuente debe ser dirigida a la fotocabeza elegida como receptor. Esta forma de sensado se encuentra normalmente en la entrada de muchas tiendas departamentales, para monitorear el tráfico de consumidores. Ventajas del Sensado Retroreflectivo Normal. - Muy fácil de alinear - El reflector es indulgente cuando es montado en una superficie que vibre. - Grandioso para sensar objetos largos o bandas transportadoras. Desventajas. - Mayor costo que el sensado de rayo transmitido - No tiene la potencia del rayo transmitido - No puede sensar objetos brillantes - Trabaja pobremente en humedad y medio ambiente sucio - Si se daña el reflector, se disminuye el sistema de operación. A continuación se observa en el diagrama los componentes de dicho sensor. 16

6 1) Oscilador 2) Emisor fotoeléctrico 3) Receptor fotoeléctrico 4) Preamplificador con potenciometro 5) Conexión AND (Y) 6) Convertidor de nivel de pulso 7) Indicador de conmutación L.E.D. 8) Etapa de salida con circuito de protección 9) Voltaje externo 10) Voltaje interno estabilizado 11) Ruta óptica 12) Salida de conmutación SENSOR RETROREFLECTIVO POLARIZADO. (También llamado anti-deslumbrante.) Como se sabe los objetos brillantes se presentan en todas formas, plástico, laminas, cilindros, superficies lisas, aceitosas, etc. El sensor Retroreflectivo normal no puede detectar confiablemente este tipo de materiales. Esa es la razón por la cual para este tipo de materiales y/o aplicaciones, se sustituye por el detector polarizado. La polarización de los lentes es el secreto para la eliminación del problemático objeto brillante en la actualidad la polarización se lleva a cabo poniendo líneas sobre los lentes con el objeto de dejar una orientación segura de luz a ser reflejada para que la luz sea orientada apropiadamente. Lo anterior se muestra en la siguiente figura: Ventajas del Sensor Retroreflectivo Polarizado. - Fácil de alinear - Sensa confiablemente objetos brillantes Desventajas del Sensado Retroreflectivo Polarizado Requiere un cubo reflector industrial ó tipo especial para operar 17

7 SENSORES FOTOELECTRICOS CON FIBRA ÓPTICA En este tipo de sensores recibe dicho nombre debido a que emplea un cable de fibra óptica el cual es el encargado de llevar la luz emitida por la fuente, el emisor como el receptor están contenidos en una sola carcasa, el principio de funcionamiento es el mismo que el sensor de reflexión directa, la utilización de este tipo de sensores es principalmente para la detección de objetos en lugares de difícil acceso, para el conteo de objetos muy pequeños, control de posicionamiento y en lugares con temperaturas extremas en este ultima aplicación las fibras deben ser de vidrio, las cuales soportan temperaturas hasta de 600 c, la única diferencia es que el haz luminoso que sale del emisor es trasladado hacia el objeto por medio de una fibra óptica, y el haz de luz que refleja el objeto, llegue al receptor por otra fibra óptica. Fibras ópticas (También llamadas tubos de luz o canales de luz) La fibra es un medio de transmisión de información analógica o digital. Las ondas electromagnéticas viajan en el espacio a la velocidad de la luz. Básicamente, la fibra óptica está compuesta por una región cilíndrica, por la cual se efectúa la propagación, denominada núcleo y de una zona externa al núcleo y coaxial con él, totalmente necesaria para que se produzca el mecanismo de propagación, y que se denomina envoltura o revestimiento y un recubrimiento protector ( forro ) La capacidad de transmisión de información que tiene una fibra ótica depende de tres características fundamentales: - Del diseño geométrico de la fibra - De las propiedades de los materiales empleados en su elaboración. ( diseño óptico ) - De la anchura espectral de la fuente de luz utilizada. Cuando mayor sea esta anchura, menor será la capacidad de transmisión de información de esa fibra. 18

8 La fibra óptica presenta dimensiones más reducidas que los medios preexistentes. Un cable de 10 fibras tiene un diámetro aproximado de 8 a 10 mm. Y proporciona la misma o más información que un coaxial de 10 tubos. El peso del cable de fibras ópticas es muy inferior al de los cables metálicos, redundando en su facilidad de instalación. El sílice tiene un amplio margen de funcionamiento en lo referente a temperatura, pues funde a 600 o c. La F.O. presenta un funcionamiento uniforme desde 550 o c a +125 o c sin degradación de sus características. De que están echas La mayoría de las fibras ópticas se hacen de arena o sílice, materia prima abundante en comparación con el cobre. Con unos kilogramos de vidrio pueden fabricarse aproximadamente 43 kilómetros de fibra óptica. Los dos constituyentes esenciales de las fibras ópticas son los núcleos y el revestimiento. El núcleo es la parte más interna de la fibra y es la que guía la luz. Consiste en una o varias hebras delgadas de vidrio o de plástico con diámetro de 50 a 125 micras. El revestimiento es la parte que rodea y protege al núcleo. El conjunto de núcleo y revestimiento está a su vez rodeado por un forro o funda de plástico u otros materiales que lo resguardan contra la humedad, el aplastamiento, los roedores, o otros riesgos del entorno. Características Mecánicas La fibra óptica como elemento resistente dispuesto en el interior de un cable formado por agregación de varias de ellas, no tiene características adecuadas de tracción que permitan su utilización directa. Por otra parte, en la mayoría de los casos las instalaciones se encuentran a la intemperie o en ambientes agresivos que pueden afectar al núcleo. La investigación sobre componentes optoelectrónicos y fibras ópticas ha traído consigo un sensible aumento de la calidad de funcionamiento de los sistemas. Es necesario disponer de cubiertas y protecciones de calidad capaces de proteger a la fibra. Para alcanzar tal objetivo hay que tener en cuenta su sensibilidad a la curvatura y microcurvatura, la resistencia mecánica y las características de envejecimiento. 19

9 Las microcurvaturas y tensiones se determinan por medio de los ensayos de: - Tensión: Cuando se estira o contrae el cable se puede causar fuerzas que rebasen el porcentaje de elasticidad de la fibra óptica y se rompa o formen microcurvaturas. - Comprensión: Es el esfuerzo transversal. - Impacto: Se debe principalmente a las protecciones del cable óptico. - Enrollamiento: Existe siempre un límite para el ángulo de curvatura pero, la existencia del forro impide que se sobrepase. - Torsión: Es el esfuerzo lateral y de tracción. Limitaciones Térmicas : Estas limitaciones difieren en alto grado según se trate de fibras realizadas a partir del vidrio o a partir de materiales sintéticos (plástico). Otro objetivo es minimizar las pérdidas adicionales de cableado y las variaciones de la atenuación con la temperatura. Tales diferencias se deben a diseños calculados a veces para mejorar otras propiedades, como la resistencia mecánica, la calidad de empalme, el coeficiente de relleno (número de fibras por mm 2 ). Ventajas : - La fibra óptica hace posible navegar por Internet a una velocidad de dos millones de bps. - Acceso limitado y continuo las 24 horas del día, sin congestiones. - Video y sonido en tiempo real. - Es inmune al ruido y las interferencias. - Las fibras no pierden luz, por lo que la transmisión es también segura y no puede ser perturbada. - Carencia de señales eléctricas en la fibra. - Presenta dimensiones más reducidas que los medios preexistentes. - El peso del cable de fibra óptica es muy inferior al de los cables metálicos. La materia prima para fabricarla es abundante en al naturaleza. - Compatibilidad con la tecnología digital. Desventajas : - El costo es alto en la conexión de fibra óptica, las empresas no cobran por tiempo de utilización sino por cantidad de información transferida al computador, que se mide en megabytes. - El costo de instalación es elevado - Fragilidad de las fibras - Disponibilidad limitada de conectores. - Dificultad de reparar un cable de fibras roto en el campo 2.2. SENSORES INDUCTIVOS DE PROXIMIDAD Los sensores inductivos son "Interruptores Electrónicos de característica estática, que actúan sin elementos electromecánicos. Su principio de funcionamiento esta basado en un circuito oscilante L.C. de alta frecuencia, dicho circuito genera por encima de la cara sensible del detector un campo magnético variable. 20

10 Al introducir una pieza metálica en el campo magnético, se producen corrientes de faucoult, que influencian al oscilador y provocan una debilitación del circuito oscilante como consecuencia se produce una disminución de la amplitud de las oscilaciones y/o el cese de las mismas. Un circuito de conmutación detecta esta variación de amplitud y determina una señal de salida. La siguiente figura muestra la teoría del funcionamiento y el diagrama funcional del sensor inductivo. En la figura siguiente se muestra el diagrama funcional de un sensor de proximidad inductivo. 1) Zona activa de conmutación 2) Oscilador 3) Demodulador 4) Etapa de disparo 5) Indicador de conmutación 6) Etapa de salida con circuito protector 7) Salida de conmutación 8) Tensión interna estabilizada 9) Tensión externa 21

11 Los sensores inductivos detectan solamente materiales metálicos sin contacto físico, por tal motivo cuentan con las siguientes ventajas: - Funcionamiento sin esfuerzo mecánico. - No tiene desgastes - Es insensible a las influencias externas. - Larga vida útil. - Gran precisión del punto de conmutación - Frecuencia de conmutación elevada. - Tamaños muy reducidos gracias a la técnica híbrida CLASIFICACION DE LOS SENSORES INDUCTIVOS Los sensores inductivos se clasifican en dos grandes grupos: el primero que toma en consideración la construcción de los equipos y, el segundo grupo en función a la tensión de alimentación. En el caso de su construcción los sensores se clasifican en: sensores con cuerpo cilíndrico, el cual puede ser tubo metálico roscado, tubo plástico roscado, tubo metálico liso, tubo plástico liso, se tienen sensores construidos también con cuerpo rectangular, dentro de estos se cuentan con cuerpo rectangular plástico o metálico. Existe una tercera construcción de estos equipos, llamada: Herradura /anular, el material de fabricación de estos sensores es de plástico. CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES INDUCTIVOS EN FUNCIÓN A SU ALIMENTACIÓN. Los sensores inductivos se agrupan en tres tipos considerado la alimentación de los mismos, de tal forma que tenemos sensores alimentados en: - C. D. ( Corriente Directa ) - C. A. ( Corriente alterna ) - C.A./C.D.( Corriente alterna / Corriente Directa ) Este ultimo llamado antivalente, porque es capaz de funcionar tanto en corriente alterna como en corriente directa. En la actualidad se tiene diferentes versiones de los sensores inductivos, las cuales están hechas en función al número de hilos del sensor y del sistema de alimentación por tal motivo se cuentan con las siguientes versiones: - NAMUR a 2 hilos - Sensores alimentados en Corriente Continua 3 hilos - Sensores alimentados en Corriente. Continua a 4 hilos - Sensores alimentados en Corriente Alterna a 2 hilos - Sensores multitención a 2 hilos SENSORES NAMUR A 2 HILOS Los sensores NAMUR, son sensores polarizados con dos hilos en los cuales la resistencia interna varia en función de la influencia con los materiales a detectar. Están diseñados para ser conectados a amplificadores-reles externos, que transforman la variación de corriente en una señal de salida binaria. El siguiente diagrama indica este tipo de detectores. 22

12 SENSORES ALIMENTADOS EN CORRIENTE CONTINUA - 3 HILOS Este tipo de sensores están fabricados de acuerdo con las normas Europeas establecidas para estos equipos, cuentan con 3 hilos de los cuales dos de ellos se utilizan para la alimentación del sensor y el tercero es el conductor de salida, a la carga. Constan de un circuito oscilador acoplado en la propia unidad, con un circuito de disparo y una etapa amplificadora con salida digital. Los siguientes diagramas muestran las conexiones básicas, pudiendo las salidas adoptar las siguientes versiones. Salida P.N.P. Conexión Positiva. a) Circuito Abierto.- Al detectar cierra el circuito. b) Circuito Cerrado: Al detectar abre el circuito. Diagrama de Conexión. 23

13 N.P.N. Conexión Negativa. a) Circuito Abierto.- Al detectar cierra el circuito. Marrón (+) Negro out ( -) Azul b) Circuito Cerrado.- Al detectar abre el circuito. Marrón (+) Negro out Azul ( -) Diagrama de Conexión. (-) (+) salida (-) carga SENSORES ALIMENTADOS CON CORRIENTE CONTINUA A 4 HILOS. a) Conexión Positiva P.N.P. (+) (-) salida (+) salida (+) carga carga 24

14 b) Conexión Negativa N.P.N. (-) (+) salida (-) salida (-) carga carga SENSORES ALIMENTADOS EN CORRIENTE ALTERNA - 2 HILOS Este tipo de sensores, están constituidos por el circuito oscilante, acoplado en la propia unidad a un circuito de disparo y a una etapa de potencia en corriente alterna, con salida por thyristor, la salida se realiza por dos hilos y la carga se intercala en serie con uno de ellos Existen dos versiones: - A salida normalmente abierta y - A salida normalmente cerrada. SENSORES INDUCTIVOS PARA APLICACIONES ESPECIALES. Existen sensores diseñados para aplicaciones especiales dentro de los cuales podemos mencionar los siguientes: - Sensores con distancia de detección aumentada - Sensores resistentes a los campos magnéticos - Sensores con salida analógica. - Sensores para altas temperaturas. - Sensores con temporización incorporada. - Sensores para alta presión - Sensores con características de detección selectiva. - Sensores sin factor de reducción. SENSORES INDUCTIVOS CON ALCANCE AMPLIADO Este tipo de sensores son construidos con cuerpo cilíndrico metálico ó cuerpo rectangular metálico tiene la ventaja de poder ampliar el alcance hasta un 100 % en comparación con las versiones estándar. Esto se logra por: - Elementos de construcción de alta calidad y rigurosamente seleccionados. - Un material de moldeado de baja pérdida dieléctrica. - Un oscilador diseñado especialmente. - Bobinas del oscilador con una puesta a punto especial. El principio de funcionamiento es el mismo que los detectores inductivos habituales. 25

15 SENSORES RESISTENTES A LOS CAMPOS MAGNÉTICOS. Los sensores resistentes a los campos magnéticos son construidos con cuerpo cilíndrico metálico roscado ó cuerpo rectangular metálico y tiene las siguientes: Ventajas. - Las corrientes de soldadura elevadas no influyen en los detectores. - Mantenimiento de los alcances normalizados. - Frecuencia de conmutación elevada. - Aplicaciones en las instalaciones donde se producen campos magnéticos alternativos y corrientes elevadas. La alta resistencia a los campos magnéticos se logra por la utilización de un material muy específico del núcleo y un dimensionado especial del oscilador. El valor límite de la resistencia a los campos magnéticos depende del tipo de campo, del tamaño del detector y de la naturaleza del campo (continuo ó alternativo) SENSORES PARA ALTAS TEMPERATURAS. Este tipo de detectores son construidos con cuerpo cilíndrico metálico y/o cuerpo rectangular metálico con cara activa orientable para 9 posiciones. La resistencia a las altas temperaturas se obtienen gracias a las siguientes consideraciones: - Elección especial de los elementos de construcción - Moldeado especial - Cable resistente a las altas temperaturas. Ventaja - Temperatura ambiente C Aplicaciones Este tipo de sensor es el adecuado para las siguientes aplicaciones: - En proximidad de tuberías calientes en las cervecerías y lecherías. - Maquinas de moldeado plástico por presión. - Fundiciones. - Industria del vidrio. - Laminados etc... SENSORES INDUCTIVOS CON TEMPORIZACIÓN INTEGRADA. Este tipo de sensores son construidos con cuerpo rectangular plástico ó metálico y montaje blindado, cuentan con cara activa orientable. Para 9 posiciones. La salida de estos sensores incorpora una temporización ajustable desde (0.05 hasta 20 seg.). De tal forma que cuenta con retardo a la activación, retardo a la desactivación y retardo a la activación y a la desactivación. Las temporizaciones se rearman es decir, durante el transcurso del tiempo del periodo de temporización, se realiza lo siguiente 26

16 - Una influencia y una desinfluencia reactivan la temporización. - En este caso de desconexión de la tensión el ciclo no se produce. - El ajuste de la temporización se realiza con un potenciómetro localizado en la cabeza orientable del oscilador. SENSORES INDUCTIVOS SELECTIVOS La fabricación de estos sensores igualmente a todos los sensores inductivos mencionados anteriormente, son construidos con cuerpo cilíndrico, el cual esta formado por un tubo metálico o plástico con tamaño M 30 x 1.5, alimentados con corriente continua. También existe la construcción rectangular, diseñada para montaje blindado y cuenta además con la cara activa orientable los voltajes de alimentación para esta construcción son: - Voltaje de alimentación en corriente continua ( v.c.c. ) - Voltaje de alimentación en corriente alterna ( v.c.a. ) Los sensores inductivos selectivos presentan grandes distancias de detección con metales no férricos como por ejemplo: - Cobre, Aluminio, Estaño, Latón, Bronce, Zinc, Oro, Manganeso y plomo. Con este tipo de sensores, es posible el montaje en los materiales, (metálicos) férricos. SENSORES INDUCTIVOS SIN FACTOR DE REDUCCIÓN. Este tipo de sensores, son un desarrollo complementario de los detectores inductivos. El principio de funcionamiento es igual a los sensores inductivos habituales, con la diferencia que en este tipo se tiene las siguientes ventajas: - Alcance constante para todos los metales (sin factor de reducción) - No requiere de reajuste después de un cambio de material. - Es posible el montaje blindado en todos los metales, eso quiere decir que los podemos montar completamente enrasados hasta su cara activa en metales, sin que el sensor funcione incorrectamente. - Son construidos de cuerpo cilíndrico ó metálico, y cuerpo rectangular plásticos, con cara activa orientable. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS La siguiente tabla, indica los datos técnicos más relevantes relacionados con los sensores de proximidad inductivos. Las cifras indicadas en esta tabla son ejemplos. Técnicos y proporcionan solamente una visión general. Tabla que indica las características técnicas genéricas de los sensores industriales 27

17 Material del Objeto Metales Tensión de funcionamiento Distancia de conmutación nominal Intensidad Máxima Temperatura de funcionamiento Vibración Sensibilidad a la suciedad Vida util Frecuencia de conmutación Ejecución Típica 10 v - 30 v Típica 0,8-10 mn Máxima de aprox. 250mm 75 ma ma -25 c + 70 c hz Insensible Muy larga Típica Hz Max 20 Khz Cilíndrica Rectangular Tamaño ( ejemplo ) M 8 x1, M 12 x1, M 18 x1, M30x1,Ø4mm, Ø30mm, Rect. 25mm x 400m x 80 mm. Siglas de protección IEC 529 DIN Hasta Ip67* * 6. - Contra polvo 7. Sumergido en líquidos MONTAJES : Sensores Diseñados Para Empotrarse En Metal. Un sensor es empotrable en metal, cuando puede estar rodeado de un metal cualquiera, hasta el plano de su cara activa, sin que varíen sus características, esto es debido gracias al blindaje interno con que cuentan estos equipos 28

18 La siguiente figura muestra las distancias mínimas para montajes de sensores blindados. Un sensor no se puede empotrar en metal, cuando para mantener sus características requiere una zona libre alrededor de su superficie sensible. En al siguiente figura se muestran las distancias mínimas que se deben considerar para montajes de sensores no blindados. Los sensores inductivos se pueden montar opuesto uno del otro de tal forma que sus caras activas queden una frente de la otra, para estos montajes la distancia mínima debe ser la que se indica en la figura siguiente. 29

19 Diagrama de conexión eléctrica: El siguiente diagrama indica la forma de conexión de este tipo de sensores SENSOR CAPACITIVO DE PROXIMIDAD Este tipo de sensor es de características parecidas a los sensores inductivos en cuanto a su constitución se refiere. Los detectores capacitivos son así mismo interruptores electrónicos de característica estática que actúan sin la intervención de elementos electromagnéticos y cuyo objetivo es detectar de una forma clara y precisa todo tipo de materiales (metálicos y no metálicos) conductores y no conductores, sin necesidad de tener contacto físico. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. Su principio de acción es basa en el funcionamiento de un circuito oscilante (RC) ajustado en un punto critico, próximo al de oscilación, que se inicia al modificarse algunas de las constantes del circuito. La función detectora se realiza por el condensador del circuito oscilante cuyas placas, forman parte de la cara activa del sensor y cierran sus líneas de campo eléctrico a través del aire. Ver las siguientes figuras. 30

20 Al aproximar a este condensador (cara activa del sensor). Un objeto con una constante dieléctrica superior a la del aire. (Ɛ aire=1), se provoca una variación de su capacidad que ocasiona el desequilibrio del circuito y el inicio de las oscilaciones. Un amplificador analiza a continuación la amplitud de esta oscilación y la transforma en señal de conmutación definida. Dicha variación de la capacidad producida por la proximidad de un objeto o sustancia de las características citadas, es función no solo de su constante dieléctrica, sino también de su volumen, densidad y capacidad. Al igual que los detectores inductivos, se agrupan en tres tipos. - Sensores en corriente continua a 2 hilos. - Sensores en corriente continua a 3 hilos. - Sensores en corriente alterna a 2 hilos. SENSORES ALIMENTADOS POR CORRIENTE CONTINUA A 2 HILOS. Como su nombre lo designa, este tipo de sensores son alimentados con corriente continua y tiene salida a dos hilos que actúan como una independencia variable, cuentan con amplificador incorporado y su diagrama a bloques es como se indica a continuación. La siguiente figura muestra el diagrama funcional de un sensor de proximidad capacitivo. SENSORES ALIMENTADOS POR CORRIENTE CONTINUA - 3 HILOS Este tipo de sensores llevan el circuito oscilante acoplada en la misma unidad, un circuito de disparo y una etapa amplificadora con salida digital. En los esquemas siguientes se presentan los circuitos básicos adaptando las salidas, las versiones siguientes: 31

21 Conexión positiva " P N P " (a) Circuito abierto: al detectar cierra el circuito. (b) Circuito cerrado: al detectar abre el circuito. Conexión negativa " N P N " a) Circuito abierto: Al detectar cierra el circuito b) Circuito cerrado Al detectar abre el circuito Donde: Positivo (+) : Marrón BN Negativo (-) : Azul BLU Señal (out) : Negro Bk 32

22 SENSORES ALIMENTADOS POR CORRIENTE ALTERNA - 2 HILOS. Están constituidos por el circuito oscilante acoplado en la propia unidad a un circuito de disparo y una etapa de potencia en corriente alterna. Con salida por tiristor. La salida se realizan por dos hilos y la carga se intercala en serie con uno de ellos. Existen dos versiones. a) Circuito abierto (conecta al detectar) b) Circuito cerrado (desconecta al detectar) INFLUENCIA DE LOS SENSORES CAPACITIVOS. Los sensores capacitivos son influenciados tanto por los objetos conductores como por lo no conductores. a) Influencia con los objetos conductores. Los objetos conductores, forman un contraelectrodo frente a la cara activa del detector. Este forma con las caras A y B dos capacidades Ca y Cb que están en serie, ver la figura. La capacidad de este acoplamiento en serie es siempre más grande que la capacidad de las placas libres A y B. Los metales dada su alta conductividad, se detectan a distancias más grandes. b) Influencia con los objetos no conductores (Materiales aislantes) Cuando se coloca un objeto aislante entre las placas de un condensador, la capacidad aumenta en función de la constante dieléctrica.. La constante dieléctrica de todas las sustancias sólidas y líquidas es más grande que la del aire ( aire=1) de la misma manera, cuando los objetos no conductores influencian las caras activas de un sensor capacitivo; este acoplamiento aumenta. Los materiales que tienen una constante dieléctrica más elevada alcanzan grandes distancias de detección. En el caso de la detección de materias orgánicas (madera, trigo, etc.) Hay que tener en cuenta que la distancia de detección esta fuertemente influenciada por el contenido de agua. ( agua=80) 33

23 La tabla siguiente indica la constante dieléctrica de algunos materiales importantes. MATERIAL CONSTANTE DIELECTRICA (ER) Aire Vacío 1 Alcohol 5,8 Baquelita 3,6 Madera Caucho de silicona 2,8 Caucho duro 4 Caucho blando 2,5 Celuloide 3 Cloruro de polivinilo 2,9 Agua 80 Aceite de transformador 2,2 Mica 6 Material aislante de cable 2,5 Mármol 8 Papel 2,3 Papel fuerte 4,5 Papel aceitado 4 Parafina 2,2 petróleo 2,5 Plexiglás 5 Polietileno 2,3 Poli estireno 3 Porcelana 4,4 Arena de cuarzo 4,5 Teflón 2 Vidrio 5 Vidrio cuarzo 3,7 34

24 INFLUENCIA DEL AMBIENTE Influencia por cambio de temperatura. Los detectores capacitivos, deben trabajar a una temperatura ambiente de -25 C a + 70 C, por lo general hay que tener en cuenta una variación de temperatura un poco mas importante que para los detectores inductivos ( 0.25 Sr para Sr < Sn ) Influencia por puesta a tierra. Cuando se pone a tierra un objeto de material de alta conductividad, se observa un ligero aumento de la distancia de detección, si es necesario, dicha influencia se puede corregir con el potenciómetro. Influencia de la humedad, condensación y escarcha. En la práctica, el detector se puede mojar, estar sometido a la condensación, a la escarcha o a una influencia similar. En este caso el electrodo auxiliar ( c ).Se vuelve activo y realiza con la contrarreacción en el detector una compensación de defecto que impide un bloqueo indeseable del detector. El efecto buscado por esta compensación de la humedad puede en circunstancias determinadas, tener una influencia negativa. De esta forma el sensor puede detectar una única hoja de papel a una distancia determinada. Si se aproxima la hoja de tal forma que la superficie activa, interviene la compensación de la humedad, y reconoce la influencia débil como un defecto que se debe corregir. IMPLANTACIÓN Todos los detectores capacitivos poseen un blindaje incorporado de tal forma que los campos eléctricos son activos únicamente delante de las caras activas, por esta razón, son apropiados para un montaje blindado en cualquier material (conductor o no conductor). La influencia del montaje blindado en la distancia de detección es débil y se puede corregir con el potenciómetro. AJUSTE NOMINAL, CONSEJOS DE AJUSTE. La mayor parte de lo sensores capacitivos cuentan con un potenciómetro para el ajuste de la distancia de detección. El ajuste básico de los detectores, se realiza en fabrica a Sn, esto se logra por medio de una placa de activación de forma cuadrada de 3 Sn de lado, y todos los datos técnicos, están basados a esta medida. En caso de objetos de baja influencia como (papel y vidrio). Se puede aumentar la sensibilidad del sensor, girando el potenciómetro hacia la derecha. Diagrama de conexión eléctrica de los sensores capacitivos Los diagramas de conexión siguientes muestran la conexión pnp y npn de los sensores capacitivos. 35

25 2.4 SENSORES MAGNETICOS Definición.- Los sensores magnéticos constan de un sistema de contactos cuyo accionamiento será ocasionado por la aparición de un campo magnético. Los contactos se cerrarán bajo la influencia de un campo magnético provocado por un dispositivo imantado alojado en el objeto a detectar, en los cilindros neumáticos el imán permanente va integrado en el émbolo, estos cuando el campo magnético se acerca al sensor, estos transmiten una señal eléctrica o neumática a los controles, electro válvulas o elementos de conmutación neumáticos. TIPOS DE SENSORES MAGNÉTICOS Tipo reed swich Este tipo de sensores están construidos por dos líneas metálicas con alto contenido de carbón, las cuales al acercarse un imán natural, debido a la inducción magnética generada, dichas lainas son atraídas, cerrándose su contacto. Magneto Inductivo El sensor magneto inductivo es un dispositivo electrónico que esta compuesto de las partes, indicadas en la siguiente ilustración. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El imán permanece fijado en el pistón del cilindro satura con su campo magnético, desde el momento en que se aproxima, el núcleo altamente permeable y de forma especial la bobina del circuito oscilante del detector de banda tórica. De esta forma se influencia la corriente del circuito oscilante. Un amplificador analiza a continuación esta influencia y la transforma en señal de conmutación definida. Los detectores explotan un solo componente de la inducción magnética: la componente paralela a la cara activa del detector. 36

26 La construcción específica del detector de banda tórica tiene como consecuencia que solo se utiliza el puntó de conmutación principal. No se producen los subpuntos de conmutación anexos a menudo son la causa de múltiples puntos de conmutación en los contactos Reed. Las formas características de los puntos de conmutación principales y anexos (curva B + C) tal como se encuentran cuando se utilizan contactos REED. Como se indica en la siguiente figura. a) Punto de conmutación característico del detector b) Punto de conmutación principal característico de los contactos Reed. c) Puntos de conmutación anexos posibles de los contactos Reed. Estos puntos de conmutación anexos actúan siempre de una forma negativa, puesto que la sensibilidad del contacto Reed. No está exactamente ajustada a la fuerza de la inducción magnética paralela del imán incorporado. Esto significa en la práctica que los contactos Reed. Y los cilindros han de ser suministrados por el mismo fabricante. CLASIFICACIÓN DE LO SENSORES MAGNÉTICOS : Por su tensión de alimentación : - Sensores alimentados en corriente directa - Sensores alimentados en corriente alterna. Por su número de hilos : - Sensores a 2 hilos en corriente directa. Este tipo se sensores se les conoce así porque cuentan solo con 2 hilos para la alimentación al sensor y la carga se conecta en serie con alguno de ellos, tal y como se muestra en la siguiente figura: Este tipo de sensores cuentan con las siguientes características: - Sensor a 3 hilos en corriente directa. Este tipo de sensores magnéticos contienen 3 conductores 2 de ellos para la alimentación del sensor y el 3ro. para la alimentación a la carga. 37

27 Este tipo de sensores cuenta con dos tipos de conexiones, una denominada pnp y la otra npn. Las siguientes figuras muestran dichas conexiones. - Sensores a 2 hilos en corriente alterna. Este tipo de sensores a diferencia de los 2 anteriores utiliza corriente alterna para poder funcionar la carga se conecta en serie con alguno de los hilos. Además es importante tomar en cuenta que en este tipo de sensores es necesario conectarlos a tierra. La siguiente figura muestra el diagrama de conexión de este tipo de sensores. Por su construcción : - Cilíndrica - Rectangular CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS.- - Detección del objeto a través del plástico - Detección del objeto en medios agresivos a través de las paredes protectoras del teflón. - Detección del objeto en áreas de alta temperatura - Reconocimiento de la codificación usando imanes - Amplio campo de funcionamiento mt - Un punto de conmutación sin subpuntos anexos. - Alta precisión del punto de conmutación. - Bridas de montaje para prácticamente todos los cilindros neumáticos. - Alcance nominal - Frecuencia de conmutación elevada - Voltaje nominal de 24vcd y de 20 a 250 vca hasta 250 m amp - Corriente nominal - Protección contra cortocircuito - Protección contra sobrecarga - Protección contra conducto abierto 38

28 ZONA DE DETECCIÓN HISTÉRESIS La zona de detección b es alrededor de 7 a 20 mm según el diámetro del tubo y la inducción del imán incorporado. La histéresis permanece constante. Es un valor que puede ser fijado dentro de un cierto rango en el momento de la construcción. La tabla adjunta indica los valores medidos en los cilindros de un fabricante definido. Cilindro Histéresis Zona De Detección (B) 12 mm 1 mm 7,5 mm 16mm 1 mm 8,0 mm 25 mm 1 mm 14,0 mm 32 mm 1 mm 13,0 mm 40 mm 1 mm 12,0 mm 50 mm 1 mm 17,0 mm 63 mm 1 mm 17,5 mm 80 mm 1 mm 18,0 mm 100mm 1 mm 19,5 mm 2.5. SENSORES DE EFECTO HALL Un sensor de efecto hall es un dispositivo electrónico que utiliza el efecto hall para poder funcionar del cual recibe su nombre. Para poder entender el funcionamiento de dicho sensor es necesario considerar los siguientes conceptos: Magnetismo Se define como una fuerza que atrae materiales magnéticos, tales como el hierro y el acero, hacia otro material que emite magnetismo. Esta fuerza tiene otros usos. La figura ilustra el campo magnético de un imán de barra. Los polos del imán están localizados donde la concentración de líneas de flujo magnético es mas fuerte. Hay dos polos en cada imán: el polo norte y polo el sur. Los Puntos importantes del magnetismo son: 1. Polos iguales, se repelen 2. Polos diferentes, se atraen 3. Las líneas de flujo siempre siguen ciclos completos 4. Las líneas de flujo siempre toman el camino "más sencillo" 39

29 Permeabilidad y flujo magnético Figura. 1 Campo magnético de un imán de barra La figura 2 ilustra el efecto de los materiales paramagnéticos y ferromagnéticos en el flujo. El vidrio es diamagnético y las líneas de flujo no se ven afectadas por éste. El acero tiene una alta permeabilidad. Este conduce bien el magnetismo y concentra más líneas de flujo. Las líneas de flujo toman este camino a pesar de la saturación de las mismas, dado que es mucho más sencillo para el flujo magnético pasar a través del acero que del aire. Nótese que el acero produce sus propios polos norte y sur. Esto se conoce como inducción magnética. Estos polos reaccionan exactamente como los polos de un imán. La figura 3 ilustra la forma del campo magnético producido por el anillo magnético. Note la localización de los polos del imán y la forma del campo magnético. Efecto Hall. Figura. 2 Un dispositivo extremadamente útil para detectar campos magnéticos es el sensor de efecto Hall. El principio de transducción de este dispositivo fue descubierto en 1879 por Edward H. Hall en la universidad Johns Hopkins. La transducción es la propiedad de un conductor que confiere la habilidad para desarrollar una tensión a los ángulos correctos de una corriente que circula a través de un material. El descubrimiento de Hall usó oro como conductor. Los dispositivos de efecto Hall contemporáneos se construyen con materiales semiconductores. Este es el mismo material utilizado para construir transistores y circuitos integrados. Los semiconductores producen una tensión Hall mucho mayor que cualquier otro material. Sin embargo, aún esta tensión es muy pequeña. Este efecto se ilustra en la figura 3. 40

30 Figura. 3 Se conectan una batería y un vóltmetro al dispositivo Hall como se ilustra en la figura 4A. Note que no hay distorsión de la corriente conforme ésta fluye a través del material semiconductor. Esto resulta en una mejor distribución de la carga eléctrica a través del semiconductor. El vóltmetro conectado a cada lado del material indica tensión cero. Cuando un imán se acerca al material como en la figura 4B, el flujo de corriente se desvía. Esta distribución desigual de carga eléctrica produce un tensión a través del material. El voltmetro indica la presencia de esa tensión. Si se invierte la dirección del campo magnético, el flujo de corriente se distorsiona como se muestra en la figura 4C. Note que la polaridad de la tensión Hall ahora es opuesta a la producida en la figura 4B. Figura 4. El efecto Hall Los dispositivos de efecto Hall son típicamente aparatos de cuatro terminales. Dos terminales se usan para la tensión de suministro y las otras dos se usan para la tensión de salida. Cuando se presenta integrado como interruptor de efecto Hall, comúnmente tiene tres terminales, como se ilustra en la figura 5. Los circuitos de entrada y de salida comparten una tierra común. Es importante notar que, a diferencia de la generación electromagnética, la tensión de salida de un dispositivo de efecto Hall se produce por la presencia de una eventual constante de campo magnético. No necesita existir movimiento relativo entre el campo magnético y el dispositivo Hall. 41

31 Figura 5. Interruptor de efecto Hall Existen básicamente dos tipos de dispositivos de efecto Hall: lineales y digitales. Los lineales producen una salida que es proporcional a la intensidad del campo magnético. Los digitales simplemente producen una salida de tensión constante cuando se encuentran en presencia de un campo magnético. Dispositivo Lineal de Efecto Hall: Los dispositivos lineales se usan para medidores de intensidad de campo magnético. La intensidad de campo magnético es directamente proporcional al flujo de corriente en un circuito. Usando un medidor de intensidad de campo magnético, es posible medir la corriente directa en un conductor sin necesidad de abrir el circuito para insertar el amperímetro. La punta de prueba simplemente se coloca cerca del conductor que porta la corriente a medir, produciéndose entonces una tensión proporcional a la intensidad de campo magnético. La electrónica del medidor convierte esta tensión en una corriente que se despliega en el medidor. Dispositivo digital de efecto Hall: Los dispositivos digitales se usan para diversa aplicaciones, entre las cuales se encuentran: cerraduras, monitores e interruptores de velocidad, etc. Los dispositivos Hall también suelen colocarse bajo las teclas en un teclado de computadora: se coloca un pequeño imán adjunto a cada tecla. Cuando se presiona la tecla, el imán se mueve cerca del dispositivo Hall el cual detecta el golpe y éste se registra. Una ventaja de este tipo de teclado es que no tiene contactos mecánicos que se estropeen. No hay arqueo, lo que permite que este tipo de tecla se use en atmósfera explosiva. También este tipo de interruptor funciona bien en ambientes sucios debido a que función de interruptor se encuentra encapsulada. Estos dispositivos se conocen como interruptores de efecto Hall. Características del interruptor de efecto Hall. Para usar adecuadamente un interruptor de efecto Hall, se deben cuidar aspectos como los requerimientos de campo magnético, el circuito amplificador, el circuito de protección, y el encapsulado. Cada uno de estos factores afectan la operación del interruptor de efecto Hall. Existen requerimientos estrictos acerca de la intensidad y la polaridad del campo magnético requerido para adecuar el interruptor. Estos requerimientos en efecto eliminan la posibilidad de falsos disparos debido a campos magnéticos extraños. La circutería en muchos interruptores Hall se dice para reconocer únicamente una polaridad magnética En otras palabras, sólo disparará cuando la dirección del flujo magnético sea como se muestra en la figura 4B 5 4C y se ignorará el flujo en la dirección opuesta. Si el imán se encuentra en la posición correcta respecto al interruptor, el sensor detectará su presencia y cambiará su estado de salida. Esto permite que el interruptor asuma el estado correcto en todo momento, aún durante el inicio o El amplificador electrónico incluido en el interruptor sirve para diversos propósitos. Dos de los más importantes son: la amplificación y la configuración de señal. Debido a que la tensión Hall es muy pequeña, típicamente de 10mV o menos, es necesario amplificarla para controlar dispositivos externos. El amplificador es aún necesario para operar el indicador luminoso externo del interruptor. 42

32 La configuración del amplificador determina la operación del interruptor. Si el amplificador es lineal, la tensión de salida del interruptor variará directamente con la intensidad del campo magnético. Si el amplificador es digital, la salida del interruptor cambiará rápidamente de un estado a otro al encontrarse en presencia del campo magnético adecuado. Esta es la configuración que se usa en los interruptores digitales de efecto Hall. Para proteger el sensor y la electrónica del interruptor, se provee circuitería de protección. Esta protege al interruptor contra tensión de suministro de polaridad errónea y contra sobrecargas. Todo esto se coloca dentro de una carcaza adecuada que permite la instalación y montaje sencillo del interruptor. La figura 6 ilustra las dos configuraciones de los interruptores digitales de efecto, Hall: Como fuente y como sumidero de corriente. En la configuración como fuente, el amplificador conecta la carga a la fuente de tensión. La figura 6A ilustra la salida, en configuración sumidero de corriente, del interruptor de efecto Hall. Este interruptor provee un uno lógico o un "alto" en el punto A, cuando se desenergiza y un cero lógico o un "bajo" en el punto A cuando se energiza. La figura 6B ilustra la salida en la configuración fuente de corriente de un interruptor de efecto Hall. Este interruptor provee un cero, lógico o "bajo" en el punto A cuando se desenergiza. Como todos los dispositivos de este tipo, un dispositivo de tipo sumidero no puede usarse como tipo fuente ni viceversa. En adición a las características mencionadas, los interruptores de efecto Hall tienen aquellas características propias de todos los dispositivos semiconductores de estado so1ido. Estas incluyen: larga vida útil, alta confiabilidad, capacidad para soportar vibración y golpes y alta velocidad de respuesta. El interruptor de efecto Hall típico puede operara velocidades de más de ciclos por segundo. Siendo un dispositivo de estado so1ido no hay contactos que se dañen. Debido a estas características, los dispositivos Hall se usan en muchas aplicaciones en la industria FIGURA 6. Configuraciones de interruptor de efecto Hall. Alambrado del circuito del interruptor de efecto Hall. Los interruptores de efecto Hall se alambran dentro de un circuito de control de una manera similar a los interruptores de líate excepto que requieren de una fuente de poder de corriente directa filtrada, para su operación. El interruptor de efecto Hall requiere 24 VCD con el positivo conectado al pin 1 y el negativo al pin 3. Este dispositivo tiene una salida "sumidero", de manera que la carga se conecta entre los pines 1 y 2. 43