SENSORES CAPACITIVOS

Transcripción

1 SENSORES CAPACITIVOS PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO. El objetivo de esta sección es conocer que son los sensores de Proximidad Capacitivos y cuál es su principio de funcionamiento.

2 PROCESO En esta sección trabajaremos sobre el principio de funcionamiento de los sensores capacitivos, y para eso veremos: Definición de capacitor. Definición de campo eléctrico y su comportamiento. El flujo de cargas dentro del capacitor. Cómo se aplica el principio de funcionamiento del capacitor en el sensor capacitivo. Despiece de un sensor capacitivo. Simulación de la operación del sensor. BENEFICIO Al término de esta sección, el alumno podrá: Ser capaz de describir los principios de funcionamiento de sensores inductivos. Desarrollar un criterio de selección y reemplazo de sensores y sus accesorios. Ser capaz de identificar aplicaciones en industrias típicas. NOMENCLATURA UTILIZADA En este documento utilizaremos esta orientación para determinar los conceptos centrales y la ampliación de los principios físicos: Explicaciones de los conceptos básicos para comprender el funcionamiento y uso de la tecnología. Se amplían los conceptos centrales con los principios de físicos que ayudan en la comprensión del comportamiento del sensor. 2

3 Un capacitor o condensador es un dispositivo electrónico conformado por dos placas metálicas llamadas electrodos, que almacena energía eléctrica. En su construcción, un capacitor puede tener los electrodos separados por aire o por un material aislante, también llamado dieléctrico. 3

4 CAMPO ELÉCTRICO Los sensores de proximidad capacitivos utilizan un campo eléctrico, para polarizar el material que se les acerca. FLUJO DE CARGAS El campo eléctrico provoca que las cargas se muevan dentro del material dieléctrico. En las placas metálicas, llamadas ELECTRODOS, se acumulan cargas que equilibran el campo. CAPACITOR ABIERTO Los sensores de proximidad capacitivos trabajan como un capacitor ABIERTO. De esa forma, se establecen líneas de campo entre los electrodos. Esas líneas de campo polarizan el material a detectar. DETECCIÓN y CONSTANTE DIELÉCTRICA Los materiales pueden polarizarse más o menos, dependiendo de su CONSTANTE DIELÉCTRICA. Cuánto más ALTA es la constante, más fácil se polarizará un material, por lo que acumulará cargas más fácilmente, y más fácil será detectado. 4

5 Un campo eléctrico es un campo de fuerza creado por la atracción y repulsión de cargas eléctricas. La intensidad del campo eléctrico aumenta cuánto más cerca están las placas que lo producen. Dentro de la sección MULTIMEDIA encontrarán una simulación del campo eléctrico Cuando los electrodos están separados, tenemos una intensidad de campo baja. Cuando los electrodos están cerca, tenemos una intensidad de campo alta. Al colocar un material dieléctrico entre los electrodos, podrán acercarse mucho más las placas sin que se toquen, lográndose campos eléctricos muy intensos. Al cerrar el circuito las cargas se moverán de un electrodo al otro para equilibrar ese campo, y se dice que el capacitor quedó Polarizado. Ese flujo de cargas puede medirse claramente como la corriente de carga del capacitor. 5

6 Los materiales dieléctricos que se polarizan dentro de un campo eléctrico son capaces de almacenar cargas, y la constante dieléctrica indica cuánto más se polariza respecto del vacío. Detallamos valores de constante dieléctrica de algunos materiales comunes utilizados en la industria: Acero: 98 Agua: 80 Alcohol: 25.8 Caucho: 2.5 a 35 Polietileno: 2.3 Aire: Cuanto más alto sea el valor de la constante, más fácil se polarizará el material, y más cargas se necesitarán para equilibrar el campo, por lo que almacenará más energía. Para el caso del sensor capacitivo, cuanto más ALTA sea la constante dieléctrica del material frente al sensor, más fácil será detectarlo. 6

7 El sensor capacitivo se comporta como un capacitor abierto, y el material a detectar actúa como dieléctrico. En el diagrama podemos ver las líneas de campo. Cuando se acerca un material frente a los electrodos, las líneas de campo comienzan a ejercer influencia sobre el material, realizándose así la polarización. En la propuesta interactiva Capacitivos-Funcionamiento encontramos un simulador del comportamiento, en donde podremos seleccionar distintos tipos de materiales, acercarlos y alejarlos de los electrodos. Note que cada material indica su constante dieléctrica, y que cuanto más alto es ese valor, mayor será la capacidad de almacenar cargas. METAL METAL: 98 Los metales son los más fáciles de detectar, pues permiten la mayor movilidad de cargas eléctricas, o sea, mayor polarización. 7

8 AGUA AGUA: 80 El agua y la mayoría de los líquidos tiene constantes dieléctricas altas, y en general son muy fáciles de detectar. CAUCHO CAUCHO: 2.5 a 35 El caucho y los polímeros plásticos tienen constantes dieléctricas intermedias. ENVASES ACEITE En una banda transportadora mueve metal o envases con líquido, puede detectarse a través del caucho de la banda. CARTON: 4 POLIETILENO: 2.3 POLIESTIRENO: 1.5 Los materiales utilizados habitualmente como envases tienen baja constante dieléctrica. Esto permite detectar el material que contienen, pero no el envase. ACEITE: 3 El aceite tiene muy baja constante dieléctrica. A pesar de que es un producto muy común en la industria alimenticia, será más difícil detectarlo dentro del envase, haciéndose quizás necesaria otra tecnología de detección. 8

9 Los sensores capacitivos se construyen en múltiples formatos, según el tipo de aplicación. CILÍNDRICOS LISOS Es el estilo más frecuente y se identifican por el diámetro en milímetros: M8, M12, M18, M30. Puede haberlos con sensibilidad REGULABLE. CILÍNDRICOS ROSCADOS Este formato permite montarlo fácilmente. En general son de sensibilidad FIJA. CILÍNDRICOS DE TEFLÓN Para detección en ambientes agresivos. RECTANGULARES PLANOS Para detección en lugares estrechos. TUBULARES Para detección de nivel de líquidos. 9

10 Describimos aquí algunas aplicaciones típicas Detección de llenado de polvo Detección de líquidos envasados Detección nivel en tanque Detección de nivel indirecto 10

11 Cada vez que se requiere encontrar una solución a una aplicación de detección dentro de un proceso industrial, es una buena práctica probar cada una de las tecnologías desde el punto de vista teórico. DISTANCIA DE SENSADO Distancia del sensor al objeto mm TIPO DE DETECCIÓN Presencia/Ausencia Medición TAMAÑO DEL OBJETO Diámetro Alto x Ancho TIPO DE MATERIAL DEL OBJETO Metal No Metal TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN Contínua VDC Alterna VAC TIPO DE SALIDA Transistor NPN PNP 2 Hilos DC AC TIPO DE OPERACIÓN NA NC NA+NC REQUERIMIENTOS DE CARGA miliamperes Corriente de Pérdida Caída de tensión PROTECCIÓN DE CIRCUITOS Cortocircuitos Inversión de polaridad TEMPERATURA AMBIENTE Temp FORMATO DEL SENSOR Cilíndrico Cuerpo Corto Largo Diámetro Rectangular MOVIMIENTO DEL OBJETO Cómo se acerca el objeto al área de sensado? Atravesando el área del sensor Hacia el sensor CONEXIONES ELÉCTRICAS Precableado Conector para servicio rápido Agujero de conexión eléctrica TIEMPO DE RESPUESTA Operaciones por seg INTERFERENCIA MUTUA Hay otros sensores en la cercanía? Si No Distancia al otro sensor REQUERIMIENTOS DE MONTAJE Tipo de soporte requerido Espacio para montar el sensor AMBIENTE Está el ambiente sucio con: Polvo Aceite Condensación/Humedad Grado Protección IP 11