SENSORES DE POSICIÓN DESCRIPCIÓN, SELECCIÓN Y USO TEXTO. Autor: Ing. Miguel Indriago

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1 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

2 ii

3 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.

4 iv Indice. Prólogo...iii Indice....iv Indice de figura....ix Indice de tablas...xiv Resumen...xv 1 Introducción Sensores ópticos Definición Partes Fuente Receptor Lentes Circuito de salida Margen Modos de detección Transmisión directa o barrera Reflexivo Difuso o proximidad Fibras Comparación entre las diferentes configuraciones de sensores ópticos Especificaciones de sensores ópticos Operación luz/oscuridad Distancia máxima de detección... 17

5 v Distancia mínima de detección Curva de respuesta típica Tiempo de respuesta Campo de visión Histéresis Aplicaciones Dimensiones Encapsulado Sensores de Proximidad Inductivos Características generales Principio de funcionamiento Factor de corrección para la distancia de detección Frecuencia de conmutación Sensores blindados y no blindados Histéresis Aplicaciones Dimensiones Sensores de Proximidad Capacitivos Características generales Principio de funcionamiento Sensores capacitivos blindados y no blindados Sensores blindados Sensores no blindados Aplicaciones Dimensiones... 38

6 vi 5 Sensores ultrasónicos Características generales Principio de operación Modos de operación Modo de operación opuesto Modo de operación difuso Margen de detección y zona ciega Aplicaciones Dimensiones Interruptores de final de carrera Descripción Partes El actuador El cabezal La base Aplicaciones Dimensiones Aspectos generales para el uso de sensores Codificadores ópticos Características generales Tipos de codificadores ópticos Codificador óptico Incremental Codificador óptico Absoluto Comparación entre codificadores ópticos diferenciales y codificadores ópticos absolutos Otros aspectos sobre codificadores ópticos... 64

7 vii 7.5 Dimensiones Otros sensores de posición Transformador diferencial variable lineal (LVDT) Características generales Principio de funcionamiento Aplicaciones Dimensiones Potenciómetros y regletas potenciométricas Características generales Principio de funcionamiento Aplicaciones Dimensiones Sensores micro eléctrico mecánico (MEM) Características generales Principio de funcionamiento Aplicaciones Dimensiones Sensores inteligentes Características generales Principio de funcionamiento Aplicaciones Dimensiones Circuitos de salidas Salidas a relé Salida a transistor... 81

8 viii 9.3 Salida de TRIAC Salida a FET: Salida a MOSFET Salida Analógica Salida Serial Conexión a dos y a tres hilos Criterios de selección Bibliografía Anexo A. Glosario de términos Anexo B. Hojas técnicas Detector óptico Detector inductivo Detector capacitivo Detector ultrasónico Interruptor final de carrera Codificador óptico LVDT Potenciómetro Dispositivo Micro Electro Mecánico Sensor inteligente

9 ix Indice de figura. Figura 1. Foto emisor 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 Figura 9. Modo Reflexivo Figura 10. Materiales reflexivos Figura 11. Reflexivo polarizado Figura 12. Modo difuso Figura 13. Sensor difuso con fondo reflexivo Figura 14. Modo difuso gran angular Figura 15. Cables de fibra óptica Figura 16. Distancia mínima de detección Figura 17. Curva de respuesta típica Figura 18. Campo de visión para un sensor reflexivo Figura 19. Histéresis Figura 20. Sistema de paletizado Figura 21. Dimensiones de un sensor fotoeléctrico Figura 22. Sensor foto eléctrico fotoeléctrico Figura 23. Sensor inductivo... 23

10 x Figura 24. Principio de funcionamiento de sensor inductivo Figura 25. Respuesta de los sensores inductivos Figura 26. Frecuencia de conmutación Figura 27. Sensor blindado y sin blindaje Figura 28. Histéresis en los sensores inductivos Figura 29. Detección de objetos sobre una cinta transportadora Figura 30. Detección de una puerta abierta o cerrada Figura 31. Maquina de recubrimiento Figura 32. Válvula con confirmación de abierto cerrado Figura 33. Dimensiones de un sensor inductivo Figura 34. Sensores inductivos Figura 35. Sensor capacitivo Figura 36. Partes de un sensor capacitivo Figura 37. Sensor capacitivo blindado Figura 38. Sensor capacitivo sin blindaje Figura 39. Detección de contenedor lleno Figura 40. Sensores capacitivos para la medición de nivel Figura 41. Detección de madera Figura 42. Dimensiones de un sensor capacitivo Figura 43. Foto de sensores capacitivos Figura 44. Sensor ultrasónico Figura 45. Modo de operación opuesto Figura 46. Modo de operación difuso opuesto Figura 47. Margen de detección y zona ciega Figura 48. Uso de sensores ultrasónica para la medición de nivel... 41

11 xi Figura 49. Uso de sensores ultrasónicos en robots Figura 50. Dimensiones de un sensor ultrasónico Figura 51. Foto de un sensor ultrasónico Figura 52. Partes de un interruptor final de carrera Figura 53. Tipos de leva Figura 54. Cabeza de acción por desplazamiento angular Figura 55. Cabeza de acción por desplazamiento lineal Figura 56. Contactos de salidas de la base del interruptor de carrera Figura 57. Uso de interruptores finales de carrera en la detección de puerta abierta/cerrada Figura 58. Dimensiones de un interruptor de carrera Figura 59. Foto de un interruptor de final de carrera Figura 60. Codificador óptico Incremental Figura 61. Fuente de luz Figura 62. Disco rotatorio Figura 63. Detector de Luz Figura 64. Máscara Figura 65. Acondicionador de señal Figura 66. Circuito de salida Figura 67. Señales de los pares A, B y Z Figura 68. Como se determina el sentido de giro con un codificador óptico incremental Figura 69.Cortes de Longitud Figura 70. Medición de flujo Figura 71. Determinar la altura de un elevador Figura 72. Máquina para colocar etiquetas... 59

12 xii Figura 73. Codificador óptico absoluto Figura 74. Fuente de luz en los codificadores ópticos absolutos Figura 75. Tipos de discos rotatorios Figura 76. Detector de luz en los codificadores ópticos absolutos Figura 77. Medición de posición sobre un tornillo sin fin Figura 78. Aplicaciones en tornillo sin fin Figura 79. Máquina de inserción de componentes Figura 80. Dimensiones de un codificador óptico Figura 81. Foto de un codificador óptico Figura 82 Transformador diferencial variable lineal Figura 83 Salida de un LVDT Figura 84. Servo sistema fuerza balance Figura 85. Detalle del LVDT Figura 86. Máquina de fatiga para el estudio de alambres Figura 87 Potenciómetro y su diagrama eléctrico Figura 88. Uso del potenciómetro para medir posición angular Figura 89. Aspecto real y dimensiones de un potenciómetro Figura 90. Comparación de un dispositivo MEM con un cabello humano Figura 91. Acelerómetro de 3 ejes Figura 92. Acelerómetro con tecnología MEM encapsulado como un circuito integrado Figura 93. Aspecto real de un dispositivo de tecnología MEM Figura 94. Elementos que componen a un sensor inteligente Figura 95. Funciones en un sensor inteligente Figura 96. Red de sensores inteligentes Figura 97.Dimensiones de un sensor inteligente... 78

13 xiii Figura 98. Aspecto real de un sensor inteligente Figura 99. Salida a relé Figura 100. Conexión de la carga en un sensor con salida NPN Figura 101. Conexión de la carga en un sensor con salida PNP Figura 102. Forma de onda y circuito típico para salidas con TRIAC Figura 103. Circuito típico de una salida con FET Figura 104. Trama de bit de un sensor serial Figura 105. Conexión de dispositivos en una red DeviceNet Figura 106. Conexión a dos hilos Figura 107. Conexión a tres hilos... 88

14 xiv Indice de tablas. Tabla 1. Reflectividad típica de algunos materiales Tabla 2. Ventajas y precauciones de los modos de detección fotoeléctrica Tabla 3. Factor de corrección Tabla 4. Comparativa del uso de sensores Tabla 5. Diferencia entre codificadores ópticos incrementales y absolutos Tabla 6. Ventajas y desventajas de las salidas digitales... 85

15 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 Resumen Autor: Ing. Miguel Indriago Año: 2003 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.

16 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,

17 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.

18 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.

19 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 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.

20 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 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.

21 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 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.

22 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

23 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 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

24 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.

25 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 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

26 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.

27 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 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

28 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 Reflectividad relativa típica Aluminio pulido 500 Papel banco (referencia) 100 Papel blanco de escritura 90 Cartón 40 Madera cortada 20 Papel negro 10 Neopreno 5 Goma de neumático 4 Fieltro negro 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 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

29 14 hace que el detector pueda sensar el objeto deseado que se encuentra cerca de él y no sensar el fondo 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 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 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.

30 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 las diferentes configuraciones de sensores ópticos. La tabla 2 resume las principales características de las configuraciones mencionadas. 2.7 Especificaciones de sensores ópticos 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

31 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 Transmisión directa Aplicaciones Ventajas Consideraciones Detección de uso general Conteo de piezas 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 Reflexivo Detección de uso general Detección a distancias moderadas Menos costoso que el haz transmitido porque el cableado es más simple Facilidad de alineamiento Más costoso porque requiere fuente de luz y receptor separados, cableado más costoso El alineamiento es importante Evite detectar objetos de material transparente 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) 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 corte 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 Difusa de foco fijo Detección de pequeñas dianas. Detecta objetos a una distancia específica del sensor. Detección de marcas de color. Difusa gran Detección de objetos que no angular están en una posición precisa. Detección de fibras muy finas en un área extensa. Fibras ópticas 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 Más costoso que otros tipos de sensores difusos Distancia de detección máxima limitada Detección a distancia muy corta Inadecuado para detección de uso general El objeto debe estar en una posición precisa Detección a distancia corta Más costoso que los sensores con lente Detección a distancia corta

32 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 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 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.

33 18 Figura 17. Curva de respuesta típica 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 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

34 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

35 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.

36 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

37 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 puede visitar los sitios Web y

38 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

39 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

40 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 Factor de corrección aproximado Acero templado 1.0 Acero inoxidable 0.85 Latón 0.50 Aluminio 0.45 Cobre 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

41 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.

42 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

43 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 seg 1 rev k 60 * 6 (3) min 10 pulsos 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

44 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