SENSORES DE MOVIMIENTO

Transcripción

1 SENSORES DE SENSORES DE La cinemática estudia la geometría del movimiento de los cuerpos, y las variables físicas asociadas a esta rama de la dinámica están dadas, en términos generales, por: Posición Velocidad Aceleración Jerk ur X = f(t) ur df(t) X = dt ur X = ur X = 2 d f(t) dt 2 3 d f(t) dt 3 Cambio de la posición en el tiempo Cambio de la velocidad en el tiempo Cambio de la aceleración en el tiempo 1

2 Qué es un detector de proximidad? Es una herramienta importante en automatización. Transmite al sistema de control la información sobre ciertas condiciones de posición (discretas) en el funcionamiento de máquinas: - Presencia o paso de piezas - Fin de carrera de actuadores - Rotación - Conteo - Posiciones límites para seguridad - Etc. Tipos más comunes de detectores: Detectores mecánicos Detectores Inductivos Detectores capacitivos Detectores ópticos 2

3 Detectores mecánicos: Son switches que se activan mediante un accionamiento mecánico, generalmente llamados como limit-switches F Una Fuerza F produce el accionamiento Esto implica que el detector entra en contacto con el elemento que está sensando. El contacto mecánico entre el detector y el elemento sensado, genera deterioro e induce histéresis inherente al funcionamiento de la mayoría de sistemas mecánicos. Menor frecuencia de conmutación. 3

4 Otro tipo de formas constructivas ofrecen diferentes opciones, por ejemplo varios contactos (NC ó NO) al mismo tiempo para el detector. Detectores Inductivos: Son detectores de NO contacto que sensan la presencia o ausencia de un elemento fabricado con un metal. El objetivo ideal a sensar debe tener por lo menos 1 mm de espesor y un diámetro mínimo igual al del detector. Material metálico 1 mm 4

5 Detectores Inductivos: Están compuestos generalmente por un núcleo de ferrita con un bobinado, un oscilador, un Schmitt Trigger y un amplificador en la salida. Target Sensing area Coil Oscillator Schmitt Trigger Output amplifier Detectores inductivos: En este sensor un circuito oscilador genera un campo magnético simétrico y oscilatorio a través de un bobinado cercano a la cara de sensado. Cuando un metal entra en el campo magnético, pequeñas corrientes llamadas de Eddy son inducidas y esto representa una pérdida de carga en el circuito del oscilador. Cuando entra una cantidad suficiente de metal en el campo, éste colapsa. El fenómeno es llamado ECKO ( Eddy Current Killed Oscillator ). 5

6 Detectores inductivos: La frecuencia de conmutación está dada generalmente en Hz o en ciclos por segundo. Los rangos varían desde Hz en AC y 500 Hz-5kHz en DC. Al igual que los campos magnéticos tienen limitaciones de distancia, en promedio detectan objetos en un rango de fracciones de mm hasta 60 mm ECKO Principle Metallic target Se pueden encontrar diversas formas de detectores inductivos de proximidad, dependiendo de la aplicación. 6

7 Diferentes construcciones de detectores inductivos 7

8 Detectores capacitivos: Los detectores capacitivos pueden detectar materiales metálicos y no metálicos como polvos, granulados, líquidos y sólidos. Son usados inclusive para la medición de nivel de líquidos en envases dentro de cadenas de producción en serie Material metálico o No metálico Detectores capacitivos: Los sensores capacitivos funcionan en general como un condensador abierto. Un condensador puede ser mejor descrito como dos conductores con diferentes potenciales separados por un aislante. Aquí los dos conductores son placas situadas en la cara de sensado del detector. RC oscillator Signal Conditioning Output Stage 8

9 Detectores capacitivos: En reposo se tiene una pequeña capacitancia y cuando un objeto entra en el área de sensado la capacitancia entre placas incrementa, resultando en un cambio de amplitud en el circuito del oscilador que es detectado por el Schmitt Trigger. Detectores capacitivos: En los sensores inductivos el circuito oscila hasta que el objeto a sensar es detectado, en lugar de esto en los capacitivos el circuito comienza a oscilar cuando el objetivo es detectado. Esta diferencia de funcionamiento hace que los sensores capacitivos tengan frecuencias de conmutación más bajas, que pueden estar entre Hz. También poseen ciertos rangos de sensado que varían entre 3 y 60 mm, el cual en la mayoría es ajustable variando la resistencia del circuito RC. 9

10 Detectores capacitivos: El hecho de que los capacitivos puedan detectar cualquier tipo de material genera un riesgo de falsas detecciones, por ejemplo en ambientes en los que hay material particulado, lo que hace pensar en la elección de sensores inductivos cuando se tienen materiales ferrosos. Detectores capacitivos: La distancia de sensado Sr depende de la constante dieléctrica del material que va a constituir el elemento capacitor al ser sensado. 10

11 Detectores capacitivos: En este tipo de sensores el alcance nominal Sn puede ser ajustado por medio de la resistencia variable. La histéresis de los detectores de proximidad es conocida como carrera diferencial y establece la distancia entre el punto de accionamiento cuando la placa de medida se acerca y el punto de desaccionamiento cuando la placa se aleja del detector 11

12 Detectores ultrasónicos: Los detectores ultrasónicos usan transductores para enviar y recibir señales de sonido de alta frecuencia. Cuando un objetivo se interpone a la señal, esta rebota siendo sensada por el detector, haciendo que se energice o desenergice el circuito de salida. 12

13 Detectores ultrasónicos: Un disco que vibra a altas frecuencias produce ondas sonoras que son reflejadas por el objetivo en forma de eco Detectores ultrasónicos: La señal emitida es de corta duración pero de amplitud grande. La señal del eco es disminuida en amplitud y el tiempo que se demora en regresar varía con la distancia al objetivo. 13

14 Detectores ultrasónicos: Tienen un punto ciego frente al sensor, de esta forma un objeto en el punto ciego produce una salida inestable. 14

15 Detectores fotoeléctricos: Son basados en la emisión y recepción de luz. La recepción de un haz de luz genera un cambio de estado. La luz es modulada con el fin de ampliar el rango de operación y evitar los efectos del ambiente Espectro usado Detectores fotoeléctricos: La técnica de escaneo usada para detectar la posición de un objeto (objetivo) depende mucho del objeto, de su forma constructiva, de la superficie a sensar, del color, etc. Existen tres metodologías de escaneo bastante usadas: 15

16 Detectores fotoeléctricos: La emisión de un haz de luz directo requiere de dos módulos, uno para emitir y el otro para recibir. Cuando el objetivo interrumpe el haz, hay un cambio de estado en el receptor Detectores fotoeléctricos: La técnica de escaneo reflectiva o retroreflectiva contiene el emisor y el receptor en la misma unidad. Los reflectores pueden ser de diversos tipos, dependiendo de las condiciones de la aplicación. El máximo rango para este tipo de detectores está cercano a los 10 m. 16

17 Detectores fotoeléctricos: La técnica difusa también contiene el emisor y el receptor de luz, sin embargo la reflexión no se hace de forma directa sobre el receptor como en el caso anterior. El receptor cambia de estado cuando se interrumpe el nivel de luz que se recibe dentro de cierto rango. Están limitados a 1 m aproximadamente 17

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19 SENSORES DE DESPLAZAMIENTO LINEAL Potenciómetros lineales Un sensor de desplazamiento basado en potenciómetros lineales, consta de un estator cilíndrico y de una pista devanada o una película de plástico conductor depositada en él. La resistencia por unidad de longitud permanece constante, por lo tanto la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de alimentación varía linealmente con el desplazamiento. SENSORES DE DESPLAZAMIENTO LINEAL Potenciómetros lineales Vout k X Vin = 19

20 SENSORES DE DESPLAZAMIENTO LINEAL Potenciómetros lineales Generalmente están diseñados para rangos entre mm de desplazamiento axial en el eje. Generan fricción y tienen consideraciones muy especiales de montaje que puedan garantizar la vida útil del elemento sensor. 20

21 SENSORES DE DESPLAZAMIENTO LINEAL LVDTs (Linear Voltage Differential Transformer) Los sensores de desplazamiento con transformador diferencial variable lineal constan de un solo devanado primario y dos devanados secundarios idénticos. Arrollados todos alrededor de un núcleo. Cuando el núcleo es desplazado axialmente, la inductancia entre la bobina primaria y las secundarias varía, generando un cambio de voltaje que se traduce en una medida del desplazamiento. SENSORES DE DESPLAZAMIENTO LINEAL LVDTs Se fabrican de forma que el elemento al cual se le quiere sensar la posición está acoplado mecánicamente al núcleo. 21

22 SENSORES DE DESPLAZAMIENTO LINEAL En operación, la entrada de este sensor es un voltaje de excitación, de corriente alterna de magnitud y fase adecuadas (constantes), aplicado en el devanado primario. La salida corresponde a la diferencia de potencial entre los bobinados secundarios. SENSORES DE DESPLAZAMIENTO LINEAL LVDTs (Linear Voltage Differential Transformer) Aunque los LVDT s son elementos cuyo principio de funcionamiento se basa en transformadores (ley de faraday AC) pueden tener circuitos de acondicionamiento tal que sean alimentados con DC y también tengan una salida estándar en DC : (0 5 VDC, 0 10 VDC, 4 20 ma). Se en encuentran LVDT s con rangos entre ± 0.25 mm y ± 250 mm (comúnmente). 22

23 SENSORES DE DESPLAZAMIENTO LINEAL LVDTs (Linear Voltage Differential Transformer) Se en encuentran LVDT s con rangos entre ± 0.25 mm y ± 250 mm (comúnmente). 23