Sensores para la técnica de procesos y manipulación. Sensores de proximidad. Conjunto de funciones FP1110 Libro de texto. F. Ebel S.

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1 Sensores para la técnica de procesos y manipulación Sensores de proximidad Conjunto de funciones FP1110 Libro de texto F. Ebel S. Nestel KG, D-7300 Esslingen 1, 1993

2 Nº de artículo: Descripción: NAEH-SCH.LEHRB. Designación: D.LB-FP1110-E Edición: 06/93 Gráficos: B. Böhland Layout: , M. Schwarz / S. Sperrfechter Autores: F. Ebel, S. Nestel Traducción: I. Sahun Copyright by KG. D-7300 Esslingen 1, Reservados todos los derechos, incluso los de traducción. No debe reproducirse ninguna parte de la obra con ningún método (impresión, fotocopia, microfilm u otro sistema); tampoco debe ser procesada o divulgada utilizando sistemas electrónicos sin la autorización de KG. ISBN

3 Sistema para enseñar Automatización Notassobreladistribucióndeestelibro... 7 Tabla de contenido Sección A: Curso Capítulo 1: Notas generales La importancia de la tecnología de los sensores Términos Típicasseñalesdesalidadelossensores Sensoresdeproximidad Campos de aplicación de los sensores de proximidad Capítulo 2: Interruptores de posición electromecánicos Interruptoresdeposiciónelectromecánicos Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Notassobrelainstalación Ejemplosdeaplicación Interruptoresdeposiciónmecánico-neumáticos Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobresuaplicación Ejemplosdeaplicación Ejercicios Capítulo 3: Sensores de proximidad magnéticos SensoresdeproximidadReed Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobreladisposición Ejemplosdeaplicación Sensoresdeproximidadmagnéticossincontacto Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobrelaaplicación Ejemplosdeaplicación Sensoresdeproximidadmagnético-neumáticos Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobrelaaplicación Ejemplodeaplicación Ejercicios

4 Sistema para enseñar Automatización Capítulo 4: Sensores de proximidad inductivos Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobrelaaplicación Ejemplosdeaplicación Ejercicios Capítulo 5: Sensores de proximidad capacitivos Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobrelaaplicación Ejemplosdeaplicación Ejercicios Capítulo 6: Sensores de proximidad ópticos Característicasgenerales Sensoresdebarrera Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobrelaaplicación Ejemplosdeaplicación Sensoresderetrorreflexión Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobrelaaplicación Ejemplosdeaplicación Sensoresdereflexióndirecta Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobrelaaplicación Ejemplosdeaplicación Sensores ópticos de proximidad con cables de fibra óptica Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobrelaaplicación Ejemplosdeaplicación Ejercicios Capítulo 7: Sensores de proximidad ultrasónicos Descripcióndelfuncionamiento Característicastécnicas Observacionessobrelaaplicación Ejemplosdeaplicación Ejercicios

5 Sistema para enseñar Automatización Capítulo 8: Sensores de proximidad neumáticos Característicasgenerales Sensores de obturación de fuga (toberas de contrapresión) Sensoresdereflexión Barrerasdeaire Observacionessobrelaaplicación Ejemplosdeaplicación Ejercicios Capítulo 9: Criterios de selección de sensores de proximidad Materialdelobjeto Condiciones para la detección de objetos Condicionesdeinstalación Consideracionesambientales Aplicacionesdeseguridad Opciones/características Capítulo 10: Técnicas de conexión y circuitería Tiposdeconexión Tecnologíade2hilos Tecnologíadetreshilos Tecnologíadecuatroycincohilos Salidasconectandoapositivoonegativo SalidaPNP SalidaNPN Tecnologíadecircuitos Conexión en paralelo de sensores de proximidad utilizando la tecnología de dos hilos Conexión en paralelo de sensores de proximidad utilizando la tecnología de tres hilos Conexión en serie de sensores de proximidad utilizando la tecnología de dos hilos Conexión en serie de sensores de proximidad utilizando la tecnología de tres hilos Tecnología de conexión bajo la influencia deunelevadoelectromagnetismo Conexión de controles, relés y elementos de visualización Fuentedealimentaciónrequerida

6 Sistema para enseñar Automatización Sección B: Fundamentos y su posterior análisis Capítulo 1: Fundamentos físicos Fundamentos de los sensores de proximidad inductivosycapacitivos Fundamentos de los sensores de proximidad magnéticos Fundamentos de los sensores ultrasónicos Fundamentos de los sensores de proximidad ópticos Curvas características de sensores de proximidad neumáticos Capítulo 2: Simbología para sensores de proximidad Capítulo 3: Términos técnicos relacionados con los sensores de proximidad Términosgenerales Términos para los valores de las características dimensionales Términos para los valores de las características eléctricas Términos para las características de tiempos y funcionamiento Características de actuación de los interruptoresdeposiciónelectromecánicos Términos relativos a las condiciones ambientales Capítulo 4: Estándares y clases de protección Estándares Clasesdeprotección Codificaciónporcolores Formasdelossensoresdeproximidad Capítulo 5: Ejecuciones especiales y variantes de los sensores de proximidad Variantes de los sensores de proximidad inductivos Variantes de los sensores de proximidad ópticos Sección C: Soluciones a los ejercicios Solucionesalosejerciciosdel Capítulo Solucionesalosejerciciosdel Capítulo Solucionesalosejerciciosdel Capítulo Solucionesalosejerciciosdel Capítulo Solucionesalosejerciciosdel Capítulo Solucionesalosejerciciosdel Capítulo Solucionesalosejerciciosdel Capítulo Índice

7 Notas sobre la distribución de este libro Este libro de texto forma parte del Conjunto de Funciones Sensores de Proximidad (FP1110) y pertenece al Sistema para la Enseñanza de la Técnica de Automatización de. En este libro, el instructor se familiariza con el tema de sensores de proximidad. El conjunto de funciones sirve tanto para los programas de formación profesional, como para el aprendizaje autodidacta. El conjunto de funciones consta de un juego de materiales y de la documentación del aprendizaje. Notassobreladistribución de este libro El libro se divide en la Sección A Curso, Sección B Fundamentos y Sección C soluciones. La Sección A presenta el campo de los sensores de proximidad con indicaciones sobre su aplicación, modos de funcionamiento y características. Se enseñan las bases fundamentales de los sensores de proximidad y, con la ayuda de ejercicios, se guía al instructor hacia la resolución independiente de problemas con diferentes aplicaciones de los sensores de proximidad. En la Sección C se dan las soluciones a los ejercicios. La Sección B trata de los fundamentos físicos y técnicos de determinados tipos de sensores de proximidad y contiene una lista de los términos técnicos, así como generalidades sobre los estándares aplicables. Además, se describen con detalle algunos ejemplos de variantes especiales de los sensores de proximidad. Esta sección puede trabajarse de la misma forma que la Sección A y también puede utilizarse como referencia. Esta es la razón por la que la Sección A contiene referencias a capítulos tratados en la Sección B. El índice al final del libro, hace posible buscar información con la ayuda de palabras clave. Para cuando se desarrollan ejercicios prácticos con el equipo del Conjunto de Funciones FP1110, se dispone como suplemento de un libro adicional de ejercicios y de una colección de fichas técnicas de los componentes. Descripción Designación Nº de artículo Libro de ejercicios D.LE-FP1110-E Colección de fichas técnicas D.LM-FP1110-E en preparación 7

8 Sistema para enseñar Automatización 8

9 Sistema para enseñar Automatización A Sección A Curso 9

10 A Sistema para enseñar Automatización 10

11 Notas generales A 1 Capítulo 1 Notas generales 11

12 A 1.1, 1.2 Notas generales 1.1 La importancia de la tecnología de los sensores La siempre creciente automatización de los complejos sistemas de producción, necesita la utilización de componentes que sean capaces de adquirir y transmitir información relacionada con el proceso de producción. Los sensores cumplen con estos requerimientos, y por ello se han convertido en los últimos años en componentes cada vez más importantes en la tecnología de medición y en la de control en bucle cerrado y abierto. Los sensores proporcionan la información al control en forma de variables individuales del proceso. Las variables de estado del proceso son, por ejemplo, variables físicas como temperatura, presión, fuerza, longitud, ángulo de giro, nivel, caudal, etc. Hay sensores para la mayoría de estas variables físicas, que reaccionan con cada una de ellas y transfieren las correspondientes señales. 1.2 Términos relacionados con los sensores Un sensor tiene las siguientes características: Un sensor es un convertidor técnico, que convierte una variable física (por ejemplo, temperatura, distancia, presión) en otra variable diferente, más fácil de evaluar (generalmente una señal eléctrica) Expresiones adicionales a los sensores son: Codificadores (encoders), efectores, convertidores, detectores, transductores, iniciadores Un sensor no necesariamente tiene que generar una señal eléctrica. Ejemplo: Los finales de carrera neumáticos, producen una señal de salida neumática (en términos de cambio de presión) Los sensores son dispositivos que pueden funcionar tanto por medio de contacto físico, por ejemplo, finales de carrera, sensores de fuerza, como sin contacto físico, por ejemplo, barreras fotoeléctricas, barreras de aire, detectores de infrarrojos, sensores de reflexión ultrasónicos, sensores magnéticos, etc. Incluso un simple final de carrera puede considerarse como un sensor Dentro de un proceso controlado, los sensores representan los perceptores que supervisan un proceso, indicando los errores, recogiendo los estados y transmitiendo esta información a los demás componentes del proceso. Para hacer una comparación humana: Ojo cerebro (facultad visual) miembros Un sensor es útil sólo con respecto al proceso o a su evaluación. Por ejemplo Ojo + facultad visual reconocimiento de siluetas, colores, visión en 3D, secuencias de movimientos. 12

13 Notas generales A 1.2 Además de la expresión sensor, también se utilizan los siguientes términos: Por componente de un sensor entendemos una parte de un sensor o de un sistema sensor que registra una variable medida, pero que no permite una utilización independiente, dado que se precisa un procesamiento de la señal y un pre-montaje (caja, conexiones). Componente de un sensor Un sistema sensor consiste en varios componentes de medida y evaluación, a menudo con una parte significativa de funciones de procesamiento de señales. Los componentes son a menudo modulares y pueden ser intercambiados dentro de la misma familia de productos. Además de los sensores, también se dispone de procesadores de señales, microordenadores e interfaces de datos compatibles para el acondicionamiento de las señales. Sistema sensor Ejemplo: Sistemas de procesamiento de imágenes con sensores de imagen CCD, sistemas de medición por láser, sistemas de identificación. En el caso de estas capacidades de procesamiento de las señales, se habla de sensores inteligentes o de sensores activos (smart sensors). Sistema sensor con varios tipos de sensores similares o diferentes. Sistema multi-sensor Ejemplo: Un sensor de temperatura y humedad o de presión y temperatura, cada uno formando parte del mismo dispositivo Una combinación de varios sensores de proximidad para distinguir la forma y el material de una pieza Una combinación de varios sensores químicos para gases, con la cual, y a través de la respuesta solapada de los rangos y por medio de una evaluación inteligente, proporcionan una mayor información como conjunto de la que emitirían como sensores individuales Utilización de varios órganos sensitivos del hombre (olfato, gusto, vista, tacto de la lengua) durante la ingestión de alimentos. 13

14 A 1.3 Notas generales 1.3 Típicas señales de salida de los sensores Cuando se utilizan sensores, es importante conocer los diferentes tipos de señales de salida. Tipo A: Sensores con señal de salida por interrupción (señal de salida binaria). Ejemplos: Sensores de proximidad Presostatos Sensores de nivel Sensores bimetálicos Por norma, estos sensores pueden conectarse directamente a los controles lógicos programables (PLC) Tipo B: Sensores con salida por trenes de pulsos Ejemplos: Sensores incrementales de longitud y rotativos Generalmente se dispone de interfaces compatibles para PLC. Requerimientos del PLC: que dispongan de contadores de hardware y software con posibilidad de una mayor longitud de palabra. Tipo C: Componentes de sensores con salida analógica y sin amplificador integrado ni conversión electrónica, que proporcionan una señal de salida analógica muy débil, no apta para una evaluación inmediata (por ejemplo, en la gama de los milivoltios) o de una señal que solamente puede ser evaluada utilizando circuitería adicional. Ejemplos: Componentes de sensores piezorresistivos o piezoeléctricos Células termoeléctricas o Pt-100 Magnetorresistores y componentes de sensores de efecto Hall Sondas de medida de conductividad y ph Potenciómetros lineales A menudo hay aplicaciones donde, en el caso de producciones elevadas, el usuario elige sus propias soluciones electrónicas. 14

15 Notas generales A 1.3 Tipo D: Sensores con salidas analógicas, amplificador y conversión electrónica integrados, que proporcionan señales de salida que pueden evaluarse inmediatamente. Ejemplos típicos de señales de salida: V -5 V V V ma ma ma Tipo E: Sensores y sistemas de sensores con señal de salida estandarizada, por ejemplo, RS 232-C, RS 422-A, RS 485 o con interface a buses de datos tales como bus de campo (profibus, bus-sensor-actuador). 15

16 A 1.3 Notas generales Sensores binarios y analógicos Ejemplos de sensores binarios Los sensores binarios son sensores que convierten una magnitud física en una señal binaria, principalmente en una señal eléctrica con los estados ON o OFF (conectado o desconectado). Final de carrera Sensor de proximidad Presostato Sensor de nivel Termostato. Ejemplos de sensores analógicos Los sensores analógicos son sensores que convierten una magnitud física en una señal analógica, principalmente una señal eléctrica de tensión o de intensidad. Sensores de longitud, distancia o desplazamiento Sensores para movimiento lineal y rotativo Sensores para superficies, formas y geometría Sensores de fuerza Sensores de peso Sensores de presión Sensores de par Sensores de flujo (para gases y fluidos) Sensores de caudal (para materiales sólidos) Sensores de nivel de llenado Sensores de temperatura y otros valores térmicos Sensores para valores ópticos Sensores para valores acústicos Sensores para valores electromagnéticos Sensores para radiaciones físicas Sensores para substancias químicas Sensores para características físicas. 16

17 Notas generales A 1.4 En este libro de texto, se trata principalmente de los sensores con posiciones discretas, es decir, sensores que detectan si un objeto se halla o no en una determinada posición. Estos sensores se conocen como sensores de proximidad. Los sensores de este tipo proporcionan una información de Si o No dependiendo de si el objeto ha alcanzado o no la posición definida. Estos sensores que indican solamente dos estados, se conocen también como sensores binarios o menos comunmente como iniciadores. 1.4 Sensores de proximidad En muchos sistemas de producción, se utilizan interruptores mecánicos de posición para identificar la ejecución de movimientos. Otros términos también utilizados son microrruptores, finales de carrera, válvulas limitadoras. Puesto que los movimientos se detectan por medio de contactos, deben cumplirse ciertos requisitos constructivos. Además estos componentes están sometidos a desgaste. En contra, los sensores de proximidad funcionan electrónicamente y sin contacto. Las ventajas de los sensores de proximidad sin contacto son: Detección precisa y automática de posiciones geométricas Detección sin contacto de objetos y procesos; utilizando sensores electrónicos de proximidad, no es preciso el contacto entre el sensor y la pieza Características de conmutación rápidas; dado que la señal de salida se genera electrónicamente, los sensores están libres de rebotes y no crean errores en las señales emitidas Resistencia al desgaste; los sensores electrónicos no contienen partes móviles que puedan desgastarse Número ilimitado de ciclos de conmutación Versiones disponibles incluso para utilización en ambientes peligrosos (por ejemplo, en ambientes con riesgo de explosión). Ventajas de los sensores de proximidad 17

18 A 1.4 Notas generales Actualmente, los sensores de proximidad se utilizan en muchas áreas de la industria por las razones mencionadas anteriormente. Se utilizan para el control de secuencias en instalaciones técnicas y como tales para supervisión y salvaguarda de procesos. En este contexto, los sensores se utilizan para la detección anticipada, segura y rápida de fallos en los procesos de producción. La prevención de daños a las personas y máquinas es otro factor importante a considerar. También puede alcanzarse una reducción en los tiempos de paro de las máquinas por medio de los sensores, ya que el fallo es rápidamente detectado y localizado. La Fig. 1.1 muestra los diferentes tipos de sensores de posición sin contacto en grupos separados, de acuerdo a sus principios físicos y tipo, donde básicamente cada sensor puede ser del tipo binario o analógico. En esta ocasión, trataremos solamente con los tipos binarios. 18

19 Notas generales A 1.4 analógicos:... Resumen de los sensores de proximidad Sensores de posición magnéticos binarios: sensores de proximidad magnéticos con contacto sin contacto salida neumática Sensores de posición inductivos analógicos:... binarios: sensores de proximidad inductivos Sensores de posición capacitivos analógicos:... binarios: sensores de proximidad capacitivos analógicos:... Sensores de posición ópticos binarios: sensores de proximidad ópticos Barreras de luz Barreras con/sin CFO * Reflex con/sin CFO* Sensores reflexión directa. Con CFO* sin CFO * Sensores de posición ultrasónicos analógicos:... binarios: sensores de proximidad ultrasónicos Barreras ultrasónicas Sensores ultrasónicos Sensores de posición neumáticos sensores de proximidad neumáticos Sensores obturación fuga Sensores reflex Barreras de aire Fig. 1.1: Clasificación de los sensores para detección de posición ( * CFO=Cabledefibraóptica) 19

20 A 1.4, 1.5 Notas generales Tensiones de funcionamiento En los países Europeos, los sensores de proximidad funcionan generalmente con una tensión nominal de 24 V DC (corriente continua), por lo cual los sensores están generalmente diseñados para trabajar en un margen entre 10 y 30 Voentre10y55V. En el Sudeste Asiático, Norte y Sudamérica, así como en Australia y Sudáfrica, se estima que el 30% de los sensores de proximidad ópticos e inductivos funcionan con AC (corriente alterna). Los sensores de proximidad inductivos, capacitivos y ópticos a menudo están disponibles no solamente para corriente continua sino también para alterna, cuyas tensiones usuales son 24 V, 110 V, 120 V o 220 V. Los sensores de proximidad inductivos, capacitivos y ópticos también están disponibles en tensiones universales, los cuales pueden conectarse tanto a corriente continua como alterna, por ejemplo, en el rango de los 12 V a 240 V DC ó 24 V a 240 V AC. Otros fabricantes, por ejemplo, ofrecen ejecuciones para 20 V a 250 V DC AC (por ejemplo Hz). Un término utilizado en estos casos es el de ejecución en tensiones universales (UC). 1.5 Campos de aplicación de los sensores de proximidad Los campos de aplicación típicos para los sensores de proximidad son las áreas de: Industria del automóvil Ingeniería mecánica Industria del embalaje Industria de la madera Industria de la impresión y papeleras Industria de la alimentación Industria cerámica y de construcción. Las posibilidades de aplicación de los sensores de proximidad en la técnica de automatización son tan diversas y amplias que es imposible abarcar una descripción completa. Sin embargo en este libro se ofrece una selección de ejemplos típicos de posibles aplicaciones. 20

21 Notas generales A 1.5 En aplicaciones para detectar si hay un objeto en una determinada posición; por ejemplo para el funcionamiento de cilindros neumáticos, accionadores eléctricos, pinzas, barreras de protección, sistemas de arrollado y puertas. Ejemplos de aplicación de sensores de proximidad Fig. 1.2: Detección sin contacto En aplicaciones de posicionado de piezas, por ejemplo, en centros de mecanizado, correderas de transferencia de piezas, cilindros neumáticos. Fig. 1.3: Detección de la posición 21

22 A 1.5 Notas generales Aplicaciones de conteo de piezas y secuencias de movimiento, por ejemplo, cintas transportadoras, dispositivos de clasificación. Fig. 1.4: Conteo de elementos Aplicaciones para medición de la velocidad de rotación, por ejemplo, de engranajes, o para detectar velocidad cero. Fig. 1.5: Detección de movimientos giratorios 22

23 Notas generales A 1.5 Aplicación para detección de material, por ejemplo, para suministrar o clasificar material (reciclado). Fig. 1.6: Discriminación de materiales Aplicación para definir el sentido de un movimiento lineal o rotativo, por ejemplo, definiendo el sentido de las piezas clasificadas. Fig. 1.7: Detección del sentido de movimiento Hay sensores inductivos capaces de detectar el movimiento de un objeto en un sentido y no en el opuesto (función de retorno en vacío, ver página 281). B5 23

24 A 1.5 Notas generales Aplicaciones de supervisión de herramientas Fig. 1.8: Verificación de rotura de broca Aplicación para supervisión de niveles de llenado por medio de sensores de proximidad ópticos, capacitivos o ultrasónicos. Fig. 1.9: Detección del nivel de lenado 24

25 Notas generales A 1.5 Aplicación para la medición aproximada de distancias (distancia x) Fig. 1.10: Medición de distancias 25

26 A 1.5 Notas generales Aplicación para medición de la velocidad (velocidad v) Fig. 1.11: Medición de la velocidad de desplazamiento de un objeto 26

27 Notas generales A 1.5 Aplicación para la protección de máquinas contra contacto peligroso Fig 1.12: Prevención de accidentes, por ejemplo, por medio de sensores Nota: Las barreras fotoeléctricas utilizadas en la prevención de accidentes, a menudo deben satisfacer ciertas condiciones que se detallan en regulaciones específicas, según requerimientos concretos de cada país. B5 27

28 A 1.5 Notas generales Aplicaciones para la detección de la forma de un objeto por medio de varios detectores de proximidad dispuestos siguiendo el contorno. Fig. 1.13: Detección de la forma de un objeto 28