Mecatrónica Módulo 5-8

Mecatrónica Módulo 5-8 Componentes mecatrónicos, Sistemas y funciones de la mecatrónica, La puesta en marcha, seguridad y teleservicio, Mantenimiento y diagnóstico Libro de Texto (Concepto) Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la producción industrial globalizada Proyecto EU Nr. 2005-146319 MINOS, Plazo: 2005 hasta 2007 Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 MINOS**, Plazo: 2008 hasta 2010 El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación (comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida. www.minos-mechatronic.eu

Colaboradores en la elaboración y aprobación del concepto conjunto de eseñanza: Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Deutschland Projektleitung Corvinus Universität Budapest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Polen Henschke Consulting Dresden, Deutschland Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschland Neugebauer und Partner OHG Dresden, Deutschland Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Polen Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Ungarn IMH, Spanien VUT Brno, Tschechische Republik CICmargune, Spanien University of Naples, Italien Unis, Tschechische Republik Blumenbecker, Tschechische Republik Tower Automotive, Italien Bildungs-Werkstatt ggmbh, Deutschland VEMAS, Deutschland Concepto conjunto de enseñanza: Libro de texto, libro de ejercicios y libro de soluciones Módulo 1-8: Fundamentos / Competencia intercultural y administración de proyectos / Técnica de fluidos / Accionamiento y mandos eléctricos / Componentes mecatrónicos / Sistemas y funciones de la mecatrónica / La puesta en marcha, seguridad y teleservicio / Mantenimiento y diagnóstico Módulo 9-12: Prototipado Rápido/ Robótica/ Migración Europea/ Interfaces Todos los módulos están disponibles en los siguientes idiomas: Alemán, Inglés, español, italiano, polaco, checo, húngaro Más Información Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität Chemnitz Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz, Deutschland Tel: + 49(0)371 531-23500 Fax: + 49(0)371 531-23509 Email: minos@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch oder www.minos-mechatronic.eu

Mecatrónica Módulo 5: Componentes mecatrónicos Libro de Texto (Concepto) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Universidad Técnica de Wroclaw, Polonia Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la producción industrial globalizada Proyecto EU Nr. 2005-146319 MINOS, Plazo: 2005 hasta 2007 Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 MINOS**, Plazo: 2008 hasta 2010 El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación (comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida. www.minos-mechatronic.eu

Índice Componentes mecatrónicos 1 Sensores inductivos 6 1.1 Fundamentos básicos 6 1.2 Fundamentos teóricos 7 1.2.1 Circuito de resonancia 7 1.2.2 El circuito electrónico 9 1.3 Fundamentos básicos de construcción 10 1.3.1 Funcionamiento 10 1.3.2 Coeficientes correctores 13 1.3.3. Método de montaje 14 1.4. Sensores especiales 16 1.4.1 Sensor inductivo de anillo 16 1.4.2 Uso de sensores en campos electromagnéticos de elevada intensidad 17 1.4.3 Uso de sensores en condiciones adversas 18 1.5 Reconocimiento de la dirección del movimiento 19 1.6 Sensores NAMUR 20 1.7 Sensores inductivos analógicos 21 1.8 Corriente continua( CC) 22 1.9 Corriente alterna (AC) 23 1.10 Principios de conexión de los sensores 24 1.11 Medidas de protección y seguridad de sensores 26 1.12 Conexión de sensores a una red de comunicación 27 1.13 Aplicaciones 28

Componentes mecatrónicos 2 Sensores capacitivos 29 2.1 Introducción 29 2.2 Fundamentos teóricos 30 2.3 Funcionamiento de un sensor capacitivo 32 2.4 Tipos de sensores capacitivos 35 2.5 Influencia del material del objeto 37 2.6 Compensación de interferencias 39 2.7 Aplicaciones 40 3 Sensores de ultrasonido 42 3.1 Fundamentos básicos 42 3.2 Fundamentos teóricos 43 3.2.1 Propagación de las ondas sonoras en el aire 43 3.2.2 Influencia ambiental 46 3.2.3 El transformador de ondas sonoras 47 3.2.4 Generación de ondas ultrasónicas 50 3.3 Funcionamiento de un sensor de ultrasonido 54 3.3.1 Proceso de difusión 56 3.3.2 Modo unidireccional (through beam) 59 3.4 Fallos en el funcionamiento de sensores 61 3.4.1 Factores físicos 61 3.4.2 Factores de montaje 61 3.4.3 Sincronización de sensores 63 3.5 Sensores de ultrasonido especiales 64 3.5.1 Sensores reflexivos 64 3.5.2 Sensores de carcasa con transformador doble 67 3.6. Sensores de ultrasonido analógicos 69 3.7 Aplicaciones 70

Componentes mecatrónicos 4 Sensores fotoeléctricos 76 4.1 Características de diseño 76 4.2 Elementos fotoeléctricos 78 4.2.1 Fundamentos de física 78 4.2.1.1 Luz 78 4.2.1.2 Propiedades de la luz 80 4.2.2 Fotoemisores 82 4.2.2.1 Diodo luminoso (LED) 83 4.2.2.2 Diodo láser (LD) 86 4.2.3 Fotodetectores 88 4.2.3.1 Fotodiodos 91 4.2.3.2 Detectores de posición (PSD) 91 4.2.3.3 Detectores CCD (dispositivo de cargas eléctricas interconectadas) 92 4.2.3.4 Fototransistores 93 4.3 Clases de sensores 94 4.3.1 Barrera de luz unidireccional (Through Beam) 94 4.3.2 Sensores retroreflectivos 96 4.3.3 Filtro de luz 99 4.4 Procesamiento de señales 101 4.4.1 Fuentes de interferencias 101 4.4.2 Prevención de interferencias 103 4.4.2 1 Modulación de la luz 103 4.4.2.2 Polarización de la luz 104 4.4.3 Margen de operación 106 4.4.4 Distancia de trabajo 109 4.4.5 Tiempo de respuesta 111 4.5 Tipos especiales de sensores optoelectrónicos 112 4.5.1 Sensores retroreflectivos polarizados 112 4.5.2 Filtros para la eliminación de la influencia de fondo 113 4.5.3 Sensores retroreflectivos con auto colimación 117 4.5.4 Sensores de fibra óptica 118 4.5.4.1 Fibra óptica 118 4.5.4.2 Funcionamiento 121 4.6 Tecnología de conexión 123 4.6.1 Tipos de conexiones 123 4.6.2 Conmutación de la salida del sensor 124 4.7 Aplicaciones 126

Componentes mecatrónicos 5 Sensores de campo magnético 128 5.1 Fundamentos básicos 128 5.2 Fundamentos físicos 129 5.2.1 Campo magnético 129 5.2.2 Contacto Reed 132 5.2.3 El efecto Hall 134 5.2.4 Magnetorresistencia 135 5.2.5 El efecto Wiegand 136 5.3 Sensores de campo magnético con contacto Reed 137 5.4 Sensores Hall 140 5.5. Sensores especiales de campo magnético 141 5.5.1 Sensores magnetoresistentes 141 5.5.2 Sensores Wiegand 142 5.5.3 Sensores de campo magnético con un imán 144 5.6 Reglas de montaje 145 5.7 Aplicaciones 146

Componentes mecatrónicos 1 Sensores inductivos 1.1 Información básica Los sensores inductivos son los sensores que se utilizan más frecuentemente en sistemas automáticos para controlar la posición y el movimiento de los mecanismos que dirigen las máquinas y equipamiento. Su estructura compacta, fiabilidad y fácil instalación hacen su uso muy popular. Cuando un objeto metálico se encuentra en la zona de acción del sensor, el estado o el valor de la señal de salida del sensor varía. Un sensor inductivo está formado por los siguientes componentes básicos (Fig. 1.1): la cabeza que incluye una bobina de inducción con un núcleo de ferrita, un generador de corriente sinusoidal, un circuito de detección (comparador) y un amplificador de salida. Un circuito de inducción formado por la bobina y el núcleo de ferrita genera en torno al extremo del sensor un campo electromagnético variable de elevada frecuencia. Este campo induce una corriente de Focaoult (o corriente parásita) en el objeto metálico situado cerca del sensor. Esto produce una carga del circuito de inducción, disminuyendo como consecuencia la amplitud de oscilación. El cambio en la amplitud depende de la distancia entre el objeto de metal y el extremo del sensor. Si el objeto alcanza una distancia característica, la señal de salida cambia. En sensores analógicos el valor de la señal de salida es inversamente proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. OBJETO CABEZA DEL SENSOR GENERADOR SISTEMA DE DETECCIÓN SISTEMA DE SALIDA Figura 1.1: Esquema de un sensor inductivo 6

Componentes mecatrónicos 1.2 Fundamentos teóricos 1.2.1 Circuito de resonancia La fuente de un campo magnético variable en sensores inductivos es una bobina de inducción. Si la corriente que fluye a través de la bobina varía en el tiempo, el campo magnético en la bobina es también variable. Estos cambios están relacionados con el fenómeno de la autoinducción, esto es, la creación de un voltaje adicional en la bobina que contrarresta los cambios de la corriente. La energía eléctrica acumulada en los circuitos de resonancia se debe diferenciar entre la energía EL del campo magnético de la bobina de inducción y la energía Ec del campo eléctrico del condensador cargado. La energía total se mantiene siempre constante: E = EL + Ec = const. (Fig. 1.2). En la etapa inicial el circuito LC, integrado por la Bobina L y el condensador C, está abierto y la energía se encuentra almacenada en los electrodos del condensador cargado (1). Al cerrar el circuito eléctrico, el condensador comienza a descargarse y la corriente I comienza a fluir por el circuito. La intensidad de corriente pasa tener valor cero a la intensidad máxima Imax. Toda la energía del condensador se almacena en la bobina (2). Aunque el condensador ya está descargado, la corriente fluye en el circuito en la misma dirección. La corriente procedente de la autoinducción en la bobina, carga el condensador y la energía se transfiere de nuevo a este. Cuando la carga en el condensador es máxima la energía desaparece del circuito(3). El estado en la última fase es similar al de la etapa inicial, solo que en esta fase el condesador está cargado de manera inversa y la corriente fluye en sentido contrario. En todo circuito LC se producen las oscilaciones del campo eléctrico del condensador y del campo magnético de la bobina. Figura 1.2: Oscilaciones en un circuito LC 7

Componentes mecatrónicos En la realidad se producen siempre pérdidas adicionales de energía en todo circuito LC debidas a la propia resistencia de la bobina y el condensador. Estas se representan con la letra R. Como resultado de estas pérdidas las oscilaciones en un circuito con una resistencia RLC desaparecen (Fig. 1.3). Las oscilaciones del circuito pueden mantenerse constantes cuando este sea alimentado por una fuente externa de voltaje sinusoidal. Cuando la frecuencia de la fuente externa es igual a la frecuencia propia del circuito LC la amplitud alcanza su valor máximo. f frecuencia de la fuente externa sinusoidal, f0 frecuencia propia del circuito LC no amortiguado, L inductividad [Henry], C capacidad [Farad]. Bajo esta condición se produce la resonancia de las tensiones. Cuanto mayor sea el factor de calidad del circuito, mayor será la amplitud de las oscilaciones. El factor de calidad Q es una medida de las pérdidas generadas por la resistencia R en los elementos L y C. En un circuito sin pérdidas bajo condiciones de resonancia la resistencia R sería infinitamente grande. Cuanto mayor sean las pérdidas en el circuito, más pequeña será la resistencia y el factor de calidad será menor. Figura 1.3: Oscilaciones de circuitos LC y RLC : a) circuito LC no amortiguado; b) circuito RLC sin fuente externa; c) circuito RLC alimentado por una fuente externa sinusoidal 8

Componentes mecatrónicos 1.2.2 El circuito eléctrico En generadores que presentan un circuito de resonancia formado por una bobina y un condensador se emplean también amplificadores operacionales o transistores para mantener las oscilaciones. Para generar oscilaciones deben cumplirse dos condiciones: de fases y de amplitud. La condición de fases implica que la fase de la tensión de entrada sea igual a la fase de la tensión de salida. La condición de amplitud requiere que el amplificador compense en su totalidad el amortiguamiento en el circuito de resonancia. En este caso el generador mismo produce la señal que mantiene las oscilaciones. Las condiciones de fases y de amplitudes se cumplen cuando el circuito LC está dividido correctamente o se utiliza un transformador acoplado. Las oscilaciones de tensión y corriente se generan en el circuito LC formado por una bobina y un condensador. La corriente conectada al circuito LC le transmite una parte de su energía mediante la carga del condensador y mantiene las oscilaciones en el circuito. Cuando la energía suministrada es igual a la energía que se pierde, se alcanza el equilibrio y la amplitud en el circuito LC se mantiene constante así como las oscilaciones no son amortiguadas ( Fig. 1.4a) La señal de salida depende del factor de calidad Q del circuito de resonancia. Cuanto menor sea el factor de calidad, la señal de salida será menor (Fig. 1.4b). Los generadores LC generan vibraciones cuya frecuencia es mayor que unas pocas decenas de miles de hercios. Cuando la frecuencia es menor, se requiere una inductividad L del circuito de resonancia demasiado grande. En este caso es difícil alcanzar un elevado factor de calidad y las bobinas son de un tamaño relativamente grande. Figura 1.4: El circuito electrónico: a) Generador LC con un amplificador que compensa el amortiguamiento en el circuito, b) nivel de la señal de salida para diferentes valores de Q. 9

Componentes mecatrónicos 1.3 Fundamentos básicos de construcción 1.3.1 Funcionamiento La parte activa de un sensor inductivo contiene una bobina enrollada en torno a un núcleo de ferrita que crea un campo magnético. El núcleo de ferrita con el circuito magnético abierto intensifica el campo de la bobina y lo orienta hacia la zona de medida del sensor. Al cambiar el campo magnético se genera un campo eléctrico. Cuando un conductor se encuentra en este campo eléctrico variable, un campo magnético aparece en torno a las líneas del campo eléctrico (Fig. 1.5), que contrarresta al campo magnético de la bobina y sustrae una parte de la energía del circuito de resonancia. El valor del factor de calidad se reduce porque las pérdidas en el circuito de resonancia se modifican. Mientras que el conductor se encuentre en el campo magnético de la bobina, la amplitud de la oscilación sera amortiguada. Si se elimina el conductor, se reduce la amortiguación hasta que la amplitud alcanza el valor inicial. conductor Campo magnético de corrientes eddy Campo magnético de la bobina Amplitud Amplitud Bobina Núcleo ferromagnético Tiempo Tiempo Figura 1.5: Objeto metálico en el campo magnético de una bobina con el núcleo de ferrita. 10

Componentes mecatrónicos El circuito electrónico de un sensor determina la distancia entre el objeto y la bobina en base al grado de amortiguamiento y genera la señal de salida. En la mayoría de los casos la señal tiene dos estados: el objeto se encuentra en el campo del sensor o fuera de este. En ocasiones la señal es también análoga e inversamente proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. El circuito electrónico del sensor contiene también un comparador con histéresis y un sistema de salida. La histéresis evita las interferencias en la señal de salida que se producen al cambiar el estado, cuando el metal es inestable o la tensión y la temperatura oscilan. La histéresis es la diferencia entre la distancia a la cual el sensor reacciona cuando el objeto metálico se acerca y la distancia a la cual el sensor reacciona cuando el objeto se aleja. El estado del sensor cambia de apagado a encendido (Off-On) (Fig.1.6) El valor de la histéresis depende de la clase de sensor y de su tamaño y es menor que el 20% del rango de medida. Cuando hay histéresis, cualquier objeto situado en la límite de la zona de influencia del sensor será también detectado. Algunos sensores señalizan esto a través de un diodo luminoso. Los generadores LC en sensores inductivos son normalmente de alta frecuencia (HF-high frequency) entre 100 khz-1mhz. Cuanto más grande sea el diámetro de la bobina, mayor será la capacidad de carga y menor será la máxima frecuencia. El area de acción típica de los sensores inductivos es menor de 60 mm. La carcasa del sensor es cilíncrica o cuadrática, de metal o plástico, haciendo posible un montaje fácil. Metal Figura 1.6: Histéresis de un sensor inductivo 11

Componentes mecatrónicos El campo magnético generado por la bobina abarca un área que determina la zona de acción de un sensor inductivo. La distancia entre el objeto y el sensor a partir de la cual el estado de salida se ve modificado se denomina la zona nominal de trabajo Sn. Este valor se proporciona en los catálogos y se determina de acuerdo a la norma EN 60947-5-2 para una placa de acero (St37), de anchura igual al diámetro del sensor y 1 mm de espesor. La zona real de trabajo Sr se determina durante el proceso de fabricación y puede diferenciarse ligeramente de la zona nominal de trabajo Sn. Para tension nominal y temperature nominal el valor de Sr se encuentra limitado dentro del rango 0.9Sn Sr 1.1Sn. En la zona de trabajo Sa 0.8Sn, que determina la distancia más segura entre el objeto y el sensor, ya que en esta zona se puede trabajar sin problemas derivados de la temperatura y cambios de la tensión, independientemente de la zona real de trabajo proporcionada por el fabricante. La zona nominal de trabajo Sn depende del diámetro D (Fig. 1.7) y de las propiedades del núcleo. Cuanto más pequeño sea el sensor, menor será la zona nominal de acción. Existen también configuraciones especiales con una zona nominal de trabajo mayor. Figura 1.7: Relación entre el diámetero de la bobina y su zona nominal de trabajo en sensores inductivos estándar. 12

Componentes mecatrónicos 1.3.2 Coeficientes correctores La amortiguación del circuito de resonancia depende del material a partir del cual fue fabricado el objeto detectado. Aquellos materiales que presentan una resistencia eléctrica menor que el acero St37 como el oro, cobre o aluminio amortiguan las oscilaciones del circuito de resonancia en menor grado. Estas diferencias se pueden compensar con la limitación de la zona nominal de trabajo. Si el metal detectado es latón se debe multiplicar la zona nominal de trabajo del sensor Sn para acero St37 por un coeficiente de corrección de 0,5 (Fig. 1.8). La sensibilidad del sensor depende de su construcción. Existen dos construcciones básicas de sensores cilíndricos: - cubierto: la bobina del circuito de resonancia está insertada en una funda que determina el límite del sensor. - no cubierto: la bobina se encuentra dentro de una caja protectora de plástico. Los sensores con una bobina no cubierta son más sensible ante la presencia de objetos metálicos cercanos. Acero St37 Cromo acero inoxidable Latón Aluminio Oro Figur 1.8: Coeficientes de corrección para diferentes materiales del objeto detectado. 13

Componentes mecatrónicos 1.3.3 Método de montaje Si se siguen las instrucciones de montaje descritas a continuación no se deben producir disturbaciones en el funcionamiento del sensor a causa del ambiente o de la influencia de otros sensores. El tamaño y forma de la zona libre requerida cercana al sensor dependen de la zona de trabajo del sensor, su construcción y el tamaño del objeto detectado (Fig. 1.9a). El diámetro del núcleo y la bobina depende del tamaño de la carcasa cilíndrica (funda metálica). Por ello existe una conexión tan fuerte entre el diámetro de la carcasa, la zona de trabajo del sensor y la zona libre requerida, donde tan solo puede encontrarse el objeto metálico a detectar. Los sensores con bobina oculta presentan una zona de trabajo mayor y por tanto la zona libre debe ser también mayor. Un sensor cilíndrico cubierto es sensible sólamente a los objetos metálicos que se encuentren frente a él. Por ello estos sensores pueden instalarse en elementos metálicos. La zona libre queda determinada por la distancia equivalente a 3Sn (Fig. 1.9b).). Para evitar evitar la interferencia mutua entre sensores, la distancia mínima entre estos debe ser mayor de 2xD. Un sensor cilíndrico no cubierto es sensible a los objetos metálicos situados a su alrededor desde tres lados. Por ello el sensor debe sobresalir algo, de tal manera que la zona libre pueda detectar los lados del sensor. En este caso para evitar interferencias mútuas la distancia mínima entre sensores debe ser mayor de 3xD. Objeto detectado 14 Figura 1.9: Sensores de inducción con una bobina cubierta y no cubierta, a) características; b) consejos de instalación

Componentes mecatrónicos En la especificación técnica de cada sensor se describe la máxima frecuencia de cambio de la señal de salida. Esta especifica el número de cambios en la salida durante un segundo cuando objetos metálicos de acero St37 aparecen y desaparecen de forma cíclica en la zona de trabajo del sensor. Para determinar esta frecuencia son aplican los requisitos técnicos dados en la norma EN 50 010/IEC 60947-5-2. Estos requisitos se refieren al tamaño de los objetos detectados, la distancia entre el objeto y el sensor y la relación entre la longitud del objeto y la distancia entre los objetos. En materiales no conductores se debe instalar una lámina cuadrada de acero St37 cuya anchura es igual al diámetro del sensor y que tiene 1 mm de espesor. La distancia entre esta lámina y el sensor debe ser la mitad de la zona nominal de trabajo Sn (Fig. 1.10). El método de medida de acuerdo a la norma EN 50010 se basa en a relación conocida 1:2 entre la longitud del objeto y la distancia entre objetos. Esto garantiza que los objetos cercanos no ejerzan ninguna influencia en las características del sensor del campo magnético. La frecuencia máxima de la señal de salida se calcula a partir de la siguiente fórmula. f = 1 /(t1 + t2) t1 tiempo necesario para recorrer la longitud de la lámina, t2 tiempo necesario para recorrer la distancia entre láminas El resultado de una medida depende siempre del tamaño del objeto, de la velocidad y de la distancia entre el objeto y el sensor. Al usar un objeto menor que la lámina estándar o una distancia menor entre laminas, se reduce la frecuencia máxima de la velocidad de salida. Figura 1.10: Requisitos según la norma EN 50010 para la determinación de la frecuencia maxima de la señal de salida de un sensro inductivo. 15

Componentes mecatrónicos 1.4 Sensores especiales 1.4.1 Sensor inductivo de anillo La zona de trabajo de los sensores inductivos de anillo se encuentra dentro de la carcasa del anillo. Estos sensores detectan objetos de metal que pasan a través de una apertura en su carcasa. Se utilizan normalmente para detectar y contar pequeños objetos metálicos (tornillos, tuercas). Las carcasas de estos sensores de anillo son de plástico. La forma de actuación de un sensor de anillo se basa en un oscilador de alta frecuencia que crea un campo electromagnético en la obertura del sensor. Se utiliza un núcleo toroidal con un factor de calidad mayor que el de la ferrita. La presencia del objeto metálico produce una disminución en la amplitud de oscilación. El comparador reconoce estos cambios y cuando el valor límite es superado se conmuta la señal de salida. La zona de trabajo del sensor depende del diámetro, de la apertura del sensor y del tamaño y clase del objeto. El sensor funciona cuando el campo magnético está suficientemente amortiguado. Si los objetos son muy pequeños el amortiguamiento puede ser también muy pequeño. Por ello existe una longitud mínima o un diámetro mínimo de objeto para cada tamaño de sensor. (Fig. 1.11b). Una ventaja de los sensores de anillo es que los objetos atraídos no deben realizar la misma trayectoria. Gracias a la zona de acción del anillo los objetos pueden ser detectados independientemente de su orientación, por ejemplo objetos que caen a través de un tubo de plástico. Diametro del objeto [mm] Diámetro longitud Diametro del orificio del sensor [mm] Figura 1.11: Sensor inductivo de anillo. a) construcción; b) relación entre el tamaño del sensor y el tamaño mínimo del objeto detectado. 16

Componentes mecatrónicos 1.4.2 Uso de sensores en campos electromagnéticos de elevada intensidad Los procesos de soldado requieren elevadas cantidades de corriente. La corriente que fluye a través del equipo de soldado produce un fuerte campo magnético variable a su alrededor. Cuando un sensor inductivo se encuentra en la zona de soldado puede ocurrir que la señal de salida sea modificada incontroladamente debido a la influencia del campo magnético sobre la intensidad de saturación. Además se induce una tensión adicional en la bobina que deteriora el trabajo del oscilador y puede producer un cambio del estado de la señal de salida. Durante la soldadura se producen también numerosas chispas que pueden dañar la carcasa del sensor. Debido a esto los sensores que deben ser instalados cerca de equipos de soldado se hacen de plomo y están recubiertos por una capa protectora de teflón. Su lado frontal se haya reforzado con materiales termoplásticos resistentes a altas temperaturas. Los sensores tienen un núcleo con una permeabilidad magnética pequeña (Fig. 1.12) que permite un diseño especial del circuito eléctrico para evitar un encendido erróneo. Estos núcleos están compuestos de acero sinterizado y se saturan en un campo magnético que debe ser algo más denso que en el caso de los núcleos de ferrita. El sensor no se ve influenciado por el campo externo magnético debido a que el campo magnético propio puede acumularse y regularse mejor. Los sensores sin núcleo son especialmente insensibles a la influencia del campo magnético externo, ya que el núcleo concentra el magnetismo externo en los sensores normales. Puesto que no hay núcleo la bobina se envuelve en un rollo de plástico. Bobinas de plástico bobina Baja permeabilidad Figura 1.12: Sensores inductivos insensibles a campos magnéticos 17

Componentes mecatrónicos 1.4.3 Uso de sensores en condiciones adversas Si se utilizan sensors estándar bajo condiciones adversas pueden producirse fallos en el funcionamiento o incluso puede dañarse el sensor. Para hacer los sensores aptos a trabajar en condiciones adversas se pueden aplicar diferentes medidas: se utilizan materiales especiales para la carcasa, se aumentan las dimensiones de los sensores, se aplican mecanismos especiales de montaje, se protegen los circuitos electrónicos o se modifica su construcción. Los fabricantes de sensores ofrecen entre otros los siguientes tipos de sensores especiales para condiciones adversas: sensores resistente a altas temperaturas ( hasta 200 C) sensores resistentes a compuestos químicos sensores resistentes a aceites sensores resistentes a la humedad sensores en miniatura con una cabeza de entre 3 mm y 5 mm Los sensores que operan bajo elevada presión deben disponer de una carcasa resistente y hermética para proteger los elementos internos electrónicos. La superficie frontal del sensor se protege con una superficie cerámica resistente al desgaste. Dicha construcción supone un desplazamiento de la bobina y por ello la zona de trabajo será más pequeña. El oscilador se debe modificar para evitar este efecto. Bajo condiciones normales un sensor modificado tendría de esta manera una zona de trabajo considerablemente más grande que los sensores estándar. El disco cerámico se une por conexion térmica a la carcasa metálica de acero inoxidable. Al enfriarse la carcasa calentada está se queda sujeta al disco estableciéndose una junta hermética. 18

Componentes mecatrónicos 1.5 Reconocimento de la dirección de movimiento Un par de sensores inductores pueden reconocer los movimientos rotatorios o lineares. En el movimiento de rotación la rueda dentada cambia la señal de salida (Fig. 1.13). Las señales del sensor son procesadas por el discriminador y determinadas por el cambio de fase. Cuando la rueda dentada gira hacia la izquierda, se recibe primero la señal 1 y la señal de salida L es activada en el discriminador. Si la rueda gira hacia la derecha, se recibe primero la señal 2 y después se activa la señal R. El reconocimento del movimiento lineal se realiza de manera similar con un sensor de anillo biestable. El sensor presenta dos bobinas que se encuentran al lado una de otra y que presentan diferente suministro de corriente. La intensidad de corriente puede ser por tanto distinta en cada bobina. Si el objeto viene del lado de la izquierda se amortiguará primero el circuito eléctrico de la primera bobina y a continuación el de la segunda. Si el objeto viene de la parte derecha los circuitos eléctricos serán amortiguados en sentido contrario. El módulo de medida reconoce la dirección de movimiento del objeto según la intensidad de corriente en las bobinas. Figura 1.13: Reconocimiento de la dirección de movimiento con dos sensores estándar o un sensor biestabil. 19

Componentes mecatrónicos 1.6 Sensores NAMUR Los sensores inductivos NAMUR presentan dos líneas y trabajan con un amplificador externo. La resistencia de los sensores NAMUR varía en función de la presencia de objetos metálicos. Una resistencia pequeña se produce cuando no hay ningún metal presente, y asimismo una resistencia grande implica la presencia de un metal. Una propiedad de los sensores NAMUR es el rango de salida que comprende 1,2 hasta 2,1 ma (norma EN 60947-5-6). Los sensores NAMUR con el mismo suministro de corriente tienen la misma característica de corriente y una histéresis de cambio exacta de 0,2 ma Los sensores NAMUR presentan un oscilador con bobina amortiguada y un demodulador. Cuando la distancia entre el objeto y el sensor cambia se modifica la corriente absorbida, lo que es conmutado por el amplificador en una señal biestable. Si los sensores NAMUR trabajan en una zona de peligro de explosión el amplificador no puede emitir ninguna chispa o este debe de situarse fuera de la zona de peligro de explosión. Si la corriente en el circuito eléctrico del sensor es menor de 0,15 ma, esto significa para el amplificador que no hay señal. Si la intensidad es mayor de 6 ma, esto significa cortocircuito en el sensor. corriente corriente máxima no humedad humedad zona permitida Desconexión Figura 1.14: Sensor tipo NAMUR: a) característica; b) circuito eléctrico 20

Componentes mecatrónicos 1.7 Sensores inductivos analógicos Los sensores estándar solo detectan si un objeto metálico está presente o no. Los sensores inductivos analógicos registran la posición del objeto en la zona de trabajo del sensor. Cuando el objeto se mueve de 0 a Sn la señal de salida cambia de 0 a 20 ma. El campo magnético variable producido por el circuito de resonancia es amortiguado por el objeto metálico que se encuentra en la zona de trabajo del sensor. Cuanto más cerca se encuentre el sensor del objeto, mayor será la amortiguación. Un oscilador con un diseño especial hace possible la amortiguación del circuito de resonancia al cambiar la distancia y el factor de calidad. Gracias al sistema de linealización la señal de salida es prácticamente linear (Fig. 1.15). Los gráficos mostrados en la figura corresponden al acero St37, ya que este acero presenta la mayor zona de trabajo. Si se emplean metales de una permeabilidad magnética menor deben aplicarse los coeficientes correctores adecuados. La mayoría de los sensores presentan una característica casi linear en la totalidad del rango de medida (zona marcada en el gráfico en gris). Cabeza del sensor Generador Circuito de linearización Sistema de salida proud Figura 1.15: Sensor análogo inductivo. 21

Componentes mecatrónicos 1.8 Corriente continua (CC) Los sensores de corriente continua trabajan con una generador cuya tensión de salida oscila. Si las oscilaciones de amplitud son demasiado grandes no es possible predecir el comportamiento del sensor. El sensor funciona correctamente si las oscilaciones de la tensión son menores que el 10% de la tensión media ( Fig.1.16a). Esto es, se cumple lo siguiente: U ss 0.1U D Una oscilación momentánea de tensión no debe superar dicho rango. Para evitar esto se debe instalar un generador estabilizado o un condensador mayor. Las salidas de los sensores de corriente continua pueden tener una configuración NPN o PNP. En la configuración NPN la resistencia RL se conecta a la salida del sensor y al polo positivo del generador de corriente. En la configuración PNP la resistencia se conecta a la salida del sensor y al polo negativo (Fig. 1.16b). Ambas configuraciones presentan una función salida NO ( normal abierta) o NC (normal cerrada). Algunos sensores tiene una función salida complementaria NP o dos salidas independientes NO y NC. Figura 1.16: Sensores inductivos de corriente continua: a) Voltaje de la fuente de alimentación ; b) Conexión entre el sensor y la Resistencia RL 22

Componentes mecatrónicos 1.9 Corriente alterna Los sensores de corriente alterna no pueden conectarse directamente a un generador de corriente alterna (Fig. 1.17). Si se conecta un sensor de corriente alterna a un generador de corriente alterna los circuitos electrónicos internos del sensor podría resultar dañados. Los sensores de corriente alterna se conectan en serie con la resistencia RL. Los sensores con dos conexiones requieren que se cumplan requisitos adicionales para el circuito eléctrico. Estos presentan un transistor que funciona como amplificador de la potencia. Al estar estos sensores conectados en serie la corriente fluye en el circuito aún estando el sensor apagado. Se produce una cierta pérdida de voltaje. Estos fenómenos son especialmente importantes cuando se conectan los sensores en serie o en paralelo. Cuando se ajustan las condiciones de los sensores con la corriente alterna se deben respetar los valores máximo y mínimo de la corriente especificados por el fabricante. Incorrecto Correcto Figura 1.17: Sensor de corriente alterna 23

Componentes mecatrónicos 1.10 Principios de conexión de los sensores La conexión en serie o en paralelo de sensores posibilita la realización de diferentes configuraciones del equipo que pueden ser conectadas como una resistencia (Fig. 1.18). Así se puden obtener las funciones lógicas AND( y), OR(o) o NOR (No-OR). La función lógica AND garantiza que la señal de salida de un grupo de sensores aparezca cuando el estado de salida de todos los sensores es ON (encendido). La function OR garantiza que la resistencia RL no tenga alimentación de corriente cuando la señal de salida de todos los sensores de todos los sensores sea OFF (apagado). Los grupos de sensores pueden conectarse también en otro orden distinto para conseguir otras funciones lógicas. El número máximo de sensores conectados en serie dependen de la tensión de la fuente de alimentación, de la caída de tensión a la salida de los sensores y de la resistencia conectada. La tensión de la fuente de alimentación menos la caída de tensión a la salida de los sensores debe ser mayor que la tensión de trabajo mínima para la resistencia conectada. Figura 1.18: Conexión de sensores en serie (Función lógica AND) 24

Componentes mecatrónicos La función OR garantiza que la señal de salida de un grupo de sensores aparezca cuando la señal de salida de al menos uno de los sensores esté ON( encendida). Los sensores conectados en paralelo realizan esta función (Fig. 1.19). El número de sensores conectados en paralelo con tres lineas e igual suministro eléctrico no está limitado de manera estricta. Se pueden conectar hasta 10 sensores en paralelo independientemente de la función de salida. Al conectar sensores de dos líneas en paralelo, se suman las corrientes que fluyen en el circuito, aún cuando los sensores estén apagados (debido a la conexión común con la resistencia). Este efecto puede significar un problema para la función. Por ellos los sensores con dos líneas no deben conectarse en paralelo. El número máximo de sensores que se pueden conectar depende de la suma de estas corrientes y de la resistencia. Figura 1.19: Conexión en paralelo de los sensores( función lógica OR) 25

Componentes mecatrónicos 1.11 Protección y seguridad de sensores Es necesario proporcionar medidas de seguridad frente a los fallos de instalación o fallos que se pueden producir durante el funcionamiento de los sensores. Los dispositivos de protección eléctricos protegen los circuitos internos de los sensores de los siguientes fallos: conexión de la fuente de alimentación en sentido inverso cortocircuito en la salida impulses cortos de la línea de alimentación intensidad de corriente demasiado elevada Un cortocircuito no causa daños en sensores con una intensidad constante, incluso si estos se presentan de forma repetida y por un tiempo prolongado. En este caso son solo los diodos del sensor los que no funcionan. Después del cortocircuito el sensor funcionará de manera normal. En el caso de que la tensión del circuito pueda ocasionar daños a las personas los sensores con carcasa metálicas deben de ser provistos de una toma de tierra adicional. Cuando un sensor está conectado en serie con una resistencia, la corriente fluye en el circuito incluso cuando el sensor está apagado (Fig. 1.20). Esto puede bien dañar el sensor o producir una señal de salida OFF permanente. Para evitar estas situaciones se conecta una resistencia adicional en paralelo Rp. El valor de la Resistencia RP y la potencia de la resistencia P se pueden calcular mediante las siguientes fórmulas: RP=U/Imin P=U2/RP suministro de voltaje [V] Figura 1.20: La corriente I p en el circuito de corriente alterna, cuando el sensor inductivo está apagado. 26

Componentes mecatrónicos 1.12 Conexión de sensores a una red de comunicación Las redes de comunicación son la solución más moderna para la conexión entre sensores y aparatos de control. Las soluciones clásicas son reemplazadas por las redes de comunicación para evitar la gran cantidad de cables que estas requieren. Este concepto se basa en estaciones intermedias que recogen las señales del sensor y las mandan a la unidad principal (Fig. 1.21). Gracias a esta solución se pueden: reducer costes significativamente, aumentar la distancia entre el sensor y el aparato de control, transmitir datos referentes a calibración y datos del sensor. Las redes más populares son las redes abiertas, ya que estas posibilitan el intercambio de información entre equipos procedentes de diferentes fabricantes. Las informaciones se intercambian de acuerdo a los procedimientos estándar (Ethernet, Profibus, DeviceNet, Modbus, CAN, AS-I). Gracias a las redes una parte de las señales se procesa a niveles inferiores ( más cercanos al proceso). Los aparatos básicos de la red son los módulos de entrada y salida (I/O) con diferentes interfaces. Cada módulo tiene una dirección de red y posibilita una transferencia rápida de datos. Esto es especialmente importante a nivel de los sensores, en los que el tratamiento de datos laborioso y las decisions se toman de manera muy rápida. Figura 1.21: Sistemas de comunicación con y sin profibus 27

Componentes mecatrónicos 1.13 Aplicaciones 28

Componentes mecatrónicos 2 Sensores capacitivos 2.1 Introducción Los sensores capacitivos utilizan un campo eléctrico para detectar objetos en su zona de acción. Estos pueden detectar tanto objetos metálicos como objetos no conductores de la corriente (por ejemplo plásticos). Un sensor capacitivo puede detectar un objeto situado tras una capa de material no conductor. Por este motivo los sensores capacitivos se pueden emplear para detectar un líquido o granulado en el interior de un contenedor. Los sensores capacitivos generan una señal proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. La distancia de trabajo de un sensor capacitivo comprende 30 mm ( 60 mm para construcciones especiales). Cuando un objeto metálico o un dieléctrico aparece en el campo eléctrico del sensor la señal de salida se cambia a ON ( encendido). Un sensor capacitivo está compuesto de una cabeza con electrodos, un potenciómetro, un oscilador, un detector y un sistema de salida (Fig. 2.1). Los componentes activos del sensor capacitivo son dos electrodos metálicos que forman un condensador abierto. La capacidad del sensor varía cuando un objeto se aproxima al sensor. La señal de salida depende de la capacidad total, que es la suma de la capacidad básica del sensor y la variación en la capacidad producida por el objeto detectado. objeto electrodos potenciometro Cabeza del sensor Oscilador Detector sistema de salida Figura 2.1: Diagrama de un sensor capacitivo 29

Componentes mecatrónicos 2.2 Teoretické základy Un condensador básico presenta dos electrodos situados uno enfrente del otro (Fig. 2.2a). Si los dos electrodos se encuentran en el mismo plano se obtiene un condensador abierto (Fig. 2.2b). Introduciendo un electrodo C cero entre los electrodos A y B, cuyo espesor se aproxima a cero, se obtienen dos condensadores conectados en línea. En un condensador abierto el electrodo intermedio reparte el campo eléctrico entre dos campos de dirección contraria. En este caso las capacidades de ambos condensadores son iguales y se calculan mediante la siguiente fórmula: donde: C capacidad del condensador, S área de los electrodos, ε o constante dieléctrica (para el vacío o aire), ε r constante del dieléctrico presente en el condensador, d distancia entre los electrodos. Figura 2.2: a) condensador con electrodos A y B, b) condensador abierto con electrodos A y B en un mismo plano 30

Componentes mecatrónicos Un objeto metálico que aparece en el campo electrostático del condensador abierto representará la función del electrodo intermedio C. La capacidad del sistema es mayor que la capacidad del condensador sin el electrodo intermedio (Fig. 2.3a). Los objetos no conductores (aislantes) que aparecen en el campo electrostático del condensador abierto aumentan su capacidad de manera proporcional a la constante dieléctrica del aislante (Fig. 2.3b). La capacidad del condensador aumentará debido a que la constante dieléctrica de medios líquidos o sólidos es siempre mayor que la constante dieléctrica del aire (ε air =1) Material Conductor Material no coductor Figura 2.3: Campo eléctrico de un condensador abierto para materiales conductores y no conductores 31

Componentes mecatrónicos 2.3 Funcionamiento de un sensor capacitivo Para generar un campo eléctrico simétrico el electrodo externo B tiene que tener forma de anillo y el electrodo A forma cilíndrica (Fig. 2.4). El objeto detectado actúa de electrodo intermedio C. La superficie externa del anillo B se toma como la superficie activa del sensor. Cuanto más lejos se encuentre el objeto del sensor, menor será la capacidad de éste. Elemento que está siendo detectado àrea activa del sensor área de medición carcasa Campo del sensor electrodo interno electrodo externo Figura 2.4: Campo eléctrico de un sensor capacitivo 32

Componentes mecatrónicos La estructura de la capacidad del sensor depende siempre del tipo de objeto a detectar y de su toma de tierra. Los objetos no conductores tales como plásticos, papel o cristal aumentan la capacidad propia del sensor debido a que sus constantes dieléctricas son mayores que la constante dieléctrica del aire (Fig. 2.5a). El aumento de capacidad depende de la constante dieléctrica del objeto, pero esta presenta un valor pequeño. Por este motivo la zona de acción del sensor es también pequeña. Los objetos conductores sin toma de tierra forman dos condensadores adicionales (entre el objeto y el electrodo interno y entre el objeto y el electrodo externo) que se sitúan en serie (Fig. 2.5b). En este caso la zona de acción del sensor es mayor. Cuando el objeto a detectar es un conductor con toma de tierra la capcidad propia del sensor se conecta en paralelo con la capacidad adicional ( entre el objeto y el electrodo) (Fig. 2.5c). En este caso la zona de acción del sensor es mayor que en cualquier otro caso. objeto electrodo del sensor electrodo del sensor electrodo externo electrodo del sensor objeto electrodo del sensor electrodo del sensor electrodo externo electrodo del sensor objeto electrodo del sensor electrodo del sensor electrodo externo electrodo del sensor Figura 2.5: Estructura de la capacidad del sensor para: a) objeto no conductor, b) objeto conductor sin toma de tierra, c) objeto conductor con toma de tierra 33

Componentes mecatrónicos Los electrodos A y B están conectados a un oscilador de alta frecuencia (Fig. 2.1). El oscilador se encuentra operativo cuando no hay ningún objeto en el campo eléctrico del sensor. Cuando un objeto entra en este campo aumenta la capacidad entre los electrodos A y B y se conecta el oscilador. El detector analiza la amplitud de las vibraciones del oscilador y genera una señal para el conmutador. Entre el oscilador y el electrodo se encuentra un potenciómetro para determinar el punto de activación del oscilador. La zona nominal de acción Sn de un sensor capacitivo viene determinada por la distancia entre el objeto y el sensor a partir de la cual el estado de salida cambia (Fig. 2.6). Este valor se calcula para una lámina cuadrada de acero FE360 con toma de tierra. Su anchura debe ser igual al diámetro del sensor o tres veces Sn ( cuando esta sea mayor que el diámetro) y su grosor debe ser 1 mm. zona de operación real distancia de operación nominal para la operación nominal y la temperatuda constante (20 C) área del sensor activa dentro del diámetro d distancia de operación asegurada Objetivo estandarizado použitelná zóna působení Para 85-110% de la operación nominal y la temperatuda de trabajo Figura 2.6: Definiciones de las zonas de acción de un sensor capacitivo 34

Componentes mecatrónicos 2.4 Tipos de sensores capacitivos Los sensores capacitivos tienen normalmente la forma de un cilindro o de un paralelepípedo. Su zona activa se encuentra en el extremo del sensor (Fig. 2.7). Hay dos tipos de sensores cilíndricos. Los sensores del primer tipo presentan una pantalla y una zona de acción en el extremo del sensor. Su extremo debe ser installado en la superficie de un metal o plástico (Fig. 2.8). Los sensores del segundo tipo tienen una pantalla y una zona de acción alrededor del mismo sensor. Estos sensores se utilizan cuando estos tienen contacto con el medio a detectar (líquido o granulado). Presentan una zona de acción 50% mayor debido a que su campo eléctrico es mayor. Hay diseños especiales como los sensores elásticos que pueden ser adheridos tanto a una superficie lisa como curva. Figura 2.7: Tipos de sensores capacitivos 35

Componentes mecatrónicos Al installar sensores capacitivos deben seguirse las reglas mostradas en la Fig. 2.8 para evitar la influencia y perturbaciones del ambiente externo. Los sistemas de salida y cables de los sensores capacitivos son similares a los de los sensores inductivos. Los sensores capacitivos pueden tener dos, tres o cuatro líneas de corriente continua o alterna. Figura 2.8: Método de montaje de sensores capacitivos a) superficiales y b) no superficiales 36

Componentes mecatrónicos 2.5 Influencia del material del objeto La zona de acción de un sensor capacitivo puede cambiar considerablemente. Esta depende del material y la toma de tierra del objeto a detectar. Los materiales conductores presentan una zona de acción mayor. En el caso de que el objeto esté hecho de un material conductor, esto no tiene influencia alguna en la zona de acción del sensor. Cuando el objeto sea de un material no conductor, su zona de acción depende de la constante dieléctrica. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica, mayor será la zona de acción (Fig. 2.9). En la tabla 2.1 se muestran las constantes dieléctricas de diferentes materiales aislantes. La distancia entre un objeto orgánico( por ejemplo madera) y el sensor en el cual se modifica la señal de salida depende considerablemente del contenido en agua del objeto, ya que la constante dieléctrica del agua es muy elevada (εagua=80). Figura 2.9: Relación entre la zona de acción de un sensor capacitivo y la constante dieléctrica de un objeto no conductor 37

Componentes mecatrónicos material alcohol baquelita gasolina celulosa madera caucho blando goma de silicona zvulkanizivaná guma marmol mica aceite transformado papel papel duro parafina plexiglas poliamido polietileno polypropylen poliester porcelana vidrio teflon aire agua Tabla 2.1: Constante dieléctrica εr de diferentes materiales no conductores En los catálogos se proporciona la zona nominal de acción para un objeto metálico normalizado. Para determinar el valor de la zona real de acción el valor de la zona nominal debe multiplicarse por el coeficiente de corrección del material del objeto a detectar : Zona de operación = Sn. coeficiente de correción material Acero Agua madera Vidrio Aceite PVC PE Cerámica Coeficiente de corrección Tabla 2.2: Coeficientes de corrección para diferentes materiales 38

Componentes mecatrónicos 2.6 Compensación de interferencias El detector contiene un filtro de interferencias que elimina la influencia de campos eléctricos externos cuando estos no son muy grandes. Sin embargo los filtros disminuyen notablemente la frecuencia máxima de conmutación, es decir, empeoran la característica dinámica del sensor. El sensor puede responder de manera errónea si la suciedad o el polvo se acumulan en sus superficies activas. Un electrodo adicional de compensación conectado a la salida del sensor (Fig.2.10) se utiliza para mantener constante la zona de acción. La contaminación aumenta la capacidad entre el electrodo del sensor y la pantalla. La capacidad entre el electrodo del sensor y el electrodo de compensación genera al mismo tiempo un acoplamiento de compensación. Cuando un objeto de poco espesor (como por ejemplo una hoja de papel) entra en contacto con el sensor la señal del electrodo principal puede ser neutralizada por la perturbación y el estado de salida no se verá modificado. sensor de campo Campo de compensación electrodo de compensación objeto detectado electrodo del sensor elecrodo externo contaminación de interferencia Figura 2.10: Sensor con un electrodo adicional de compensación 39