TEMA:
Sensores Capacitivos e Inductivos . Sensores
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AUTORES:
GRIJALVA CACHIPUENDO CRISTIAN ANDRES FARINANGO GUAJÁN DANNY MARCIAL GUERRA DÁVILA ERIC OSWALDO CALDERÓN MANCHENO ROMMEL ANDRES RUANO ÁLVAREZ JHONATAN GEOVANY
ASESOR:
Ing. Iván Iglesias
Ibarra, 2016
SENSORES CAPACITIVOS E INDUCTIVOS 1. Características
Sensores capacitivos.
-Los sensores capacitivos son de un tipo sensor eléctrico. -Sensor capacitivo crea un campo magnético el cual al ser interrumpido cambia de estado, es por eso que es capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación y transformarles en variables eléctricas. -Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, etc.
Fig. 1. Sensor capacitivo
Los sensores capacitivos reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad midiendo el cambio en la capacitancia. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica. Constante dieléctrica y objetivo estándar
Los objetivos estándar son específicos para cada sensor capacitivo Los sensores capacitivos dependen de la constante dieléctrica del material a detectar, su masa, tamaño, y distancia hasta la superficie sensible del detector, mientras más grande sea la constante dieléctrica de un material es más fácil de detectar.
Fig. 2. Comportamiento del campo eléctrico y la capacitancia entre las placas de objetos metálicos y no metálicos
Los detectores capacitivos están constituidos en base a un oscilador RC. Debido a la influencia del objeto a detectar, y al cambio de la capacitancia, la amplificación se incrementa haciendo entrar en oscilación al oscilador Parte de un sensor capacitivo.
Fig. 3. Partes del sensor capacitivo
Los detectores capacitivos también poseen histéresis y se especifican mediante los mismos parámetros utilizados para caracterizar los detectores inductivos. Sin embargo, su sensibilidad depende marcadamente del tipo de material a detectar, específicamente de su constante dieléctrica (K), siendo mayor para conductores que para aislantes.
La sensibilidad es igualmente afectada por la temperatura y la humedad ambientales. Por estas razones, deben reajustarse para cada material y situación particular. Su alcance útil (Su) se determina multiplicando el alcance nominal (Sn) por un factor de corrección (ef), propio de cada material. Esto es: Su = Sn X Cf
Sensores inductivos
Un señor inductivo permite detectar solo metales los cuales tienen propiedades magnéticas ya que este tipo de sensor produce un campo magnético el cual al ser interferido por el metal cambia su estado: control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento de codificación y de contaje
Fig. 4. Sensor inductivo
La distancia de operación de un sensor inductivo está en función al diámetro de la bobina y si es enrasado o no enrasado. Material del objeto Tension de funcionamiento Distancia de conmutación nominal Intensidad maxima Temperatura de funcionamiento Vibracion Sensibilidad a la suciedad Vida util Frecuencia de conmutacion Clases de proteccion
Metales
Tipica 10,24,30 v Típica 0.8mm Max. Aprox. 50mm 40 a 75 mA -25 a 70 °C 10 a 50 Hz, 1mm de amplitud Ninguna Larga Tipica 10……..5000Hz
IEC529, DIN40
Tabla. 1. Caracteristicas de un sensor inductivo
Composición
Un detector inductivo detecta la presencia de cualquier objeto de material conductor sin necesidad de contacto físico, consta de un oscilador, cuyos bobinados forman la cara sensible, y de una etapa de salida. El oscilador crea un campo electromagnético alterno delante de la cara sensible. La frecuencia del campo varía entre 100 y 600KHz según el modelo. Cuando un objeto conductor penetra en este campo, soporta corrientes inducidas circulares que se desarrollan a su alrededor (efecto piel). Estas corrientes constituyen una sobrecarga para el sistema oscilador y provocan una reducción de la amplitud de las oscilaciones a medida que se acerca el objeto, hasta bloquearlas por completo. La detección del objeto es efectiva cuando la reducción de la amplitud de las oscilaciones es suficiente para provocar el cambio de estado de la salida del detector.
Fig. 5. Composición de un detector inductivo
Partes de un sensor inductivo.
Fig. 6. Partes del sensor inductivo
Componentes básicos
1) Bobina. - la bobina genera un campo electromagnético con la enrgia elecrica generada por el oscilador 2) Oscilador. - provee la energía a la bobina 3) Circuito de disparo. - Detecta cambios en la amplitud de la oscilación 4) La salida de estado sólido. - cuando se detecta un cambio significativo en el campo electromagnético la salida de estado sólido provee una señal eléctrica para una interfase o un PLC. Esta señal indica la presencia o ausencia de un objeto de metal en el campo visible
Fig. 7. Componentes
Campo electromagnético y zona de influencia
El campo electromagnético generado por un detector inductivo, la intensidad del campo disminuye rápidamente a medida que se aleja de la cara sensible. La zona de influencia (la zona en la que la intensidad del campo es suficiente para que se produzca la detección) es por tanto más pequeña. Condiciona las distancias que deben respetarse entre aparatos o entre aparatos y masas metálicas.
Fig. 8. Campo eléctrico y zona de fluencia
Conexión de los sensores inductivos
a. Tipo de 2 hilos Los aparatos de este tipo se conectan en serie con la carga que se controla. Presentan: – una corriente de fuga Ir: corriente que atraviesa el detector en estado bloqueado, – una tensión residual Ud: tensión en las bornas del detector en estado activado, cuya posible influencia en la carga debe verificarse (umbrales de accionamiento y de desactivación). Existen las siguientes versiones de detectores de 2 hilos: – alimentación de corriente continua, no polarizados, – alimentación de corriente alterna/continua.
Fig. 9. Conexión tipo de 2 hilos
b. Tipo 3 hilos
Los detectores de 3 hilos se alimentan en corriente continua. Disponen de 2 hilos de alimentación y uno para la transmisión de la señal de salida. Ciertos aparatos tienen un hilo adicional para transmitir la señal complementaria (tipo 4 hilos NO + NC). Todos están protegidos contra la inversión de los hilos de alimentación. La mayoría también lo están contra sobrecargas y cortocircuitos. Estos aparatos no tienen corriente de fuga y su tensión residual es desdeñable. Por tanto, sólo debe tenerse en cuenta su límite de corriente conmutada para comprobar su compatibilidad con la carga. Existen dos tipos de detectores de 3 hilos: – aparatos básicos con salida PNP (carga a potencial negativo) o salida NPN (carga a potencial positivo), – aparatos programables que, dependiendo de la polaridad de la conexión, permiten realizar una de las cuatro
Fig. 10. Conexion tipo 3 hilos
2. Diferencias entre sensores capacitivos y sensores inductivos
1. El sensor capacitivo crea un campo eléctrico el cual al ser interrumpido cambia de estado es por eso que puede detectar cualquier material sea o no sea magnético. El sensor inductivo sirve para detectar solo metales los cuales tienen propiedades magnéticas ya que este tipo de sensor produce un campo magnético el cual al ser interferido por el metal y este cambia su estado. 2. El sensor inductivo es usado para explorar, manipular y preseleccionar materiales magnéticos. Los sensores capacitivos se emplean para la identificación de objetos y para toda clase de control de nivel de carga de materiales solidos o líquidos. 3. Los sensores inductivos se aplican en detección y conteo de engranajes en movimiento, cálculo de velocidad, discriminación de objetos, ya que censan solo metales, detección de la forma de los objetos. Los sensores capacitivos se emplean para la identificación de objetos, para funciones contadoras y para toda clase de control de nivel de carga de materiales sólidos o líquidos. También son utilizados para muchos dispositivos con pantalla táctil, como teléfonos móviles o computadoras ya que el sensor percibe la pequeña diferencia de potencial entre membranas de los dedos eléctricamente polarizados de una persona adulta. 4. Los sensores capacitivos son de simplicidad mecánica, error de rozamiento mínimo, tamaño y masa pequeños, alta resolución y sensibilidad, buena reproductibilidad, alta estabilidad con la temperatura, fácil integración en C.I. Los sensores inductivos son de resolución infinita, poca carga mecánica, bajo rozamiento: vida ilimitada y alta fiabilidad, ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario, aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico, alta linealidad, tiene alcances desde 100 micrómetros hasta 25 centímetros.
3. Principio de funcionamiento sensores inductivos Sensores Inductivos
Los sensores inductivos se utilizan para medir la posición o la velocidad, especialmente en entornos complicados. Cuando un objetivo metálico entra al campo, circula corrientes de Eddy dentro del objetivo
Esto aumenta la carga en el sensor, disminuyendo la amplitud del campo electromagnético. El circuito de disparo monitorea la amplitud del oscilador y a un nivel predeterminado, conmuta el estado de salida del sensor. Conforme el objetivo se aleja del sensor, la amplitud del oscilador aumenta. A un nivel predeterminado, el circuito de disparo conmuta el estado de la salida del sensor de nuevo a su condición normal. (Canto)
Los sensores de inductancia y resistencia variable suelen producir una señal eléctrica proporcional al desplazamiento de un objeto conductivo o permeable magnéticamente (normalmente una varilla de acero) con respecto a una bobina. Al igual que con el sensor de proximidad, la impedancia de una bobina varía según el desplazamiento de un objetivo con respecto a una bobina cargada con corriente alterna. Estos dispositivos se suelen utilizar para medir el desplazamiento de los pistones de los cilindros, por ejemplo en sistemas neumáticos o hidráulicos. El pistón se puede disponer de forma que pase sobre el diámetro exterior de la bobina. Los sincronizadores miden el acoplamiento inductivo entre bobinas, ya que se mueven uno con respecto a otro.
Suelen ser rotatorios y necesitan conexiones eléctricas para la parte en movimiento y la parte fija (se suelen denominar rotor y estator). Ofrecen una elevada precisión y se utilizan en la metrología industrial, las antenas de radar y los telescopios. El precio de los sincronizadores es considerablemente elevado y actualmente son poco frecuentes, ya que la mayoría se han sustituido por re solucionadores (sin escobillas). Son otra forma de detector inductivo, pero las conexiones eléctricas solamente se efectúan en los bobinados del estator. (Howard) Algunos sensores tienen blindajes los cuales ayudan o perjudican al momento de sensar un determinado lugar o elemente, seguidamente se presenta el principio de funcionamiento de los sensores blindados. Los sensores blindados tienes bobinas enrolladas en el núcleo de ferrita. Estas pueden ser blindadas o no blindadas. Los sensores no blindados generalmente tienen una mayor distancia de sensado que los sensores blindados. (Canto)
Sensores capacitivos.
Los sensores capacitivos constan de un condensador que genera un campo eléctrico. Este condensador forma parte de un circuito resonador, de manera que cuando un objeto se acerca a este campo, la capacidad aumente y el circuito empieza a resonar. (Canto)
Un sensor capacitivo de forma cilíndrica apenas se puede distinguir del sensor inductivo, pues los fabricantes emplean normalmente carcasas idénticas. Lo que hace el objeto, al estar dentro del campo eléctrico, es aumentar la capacidad de esa área, y por lo tanto cambiar la capacitancia de la misma; esto hace que el circuito interno del sensor entre en resonancia. Los sensores de proximidad capacitivos son similares a los inductivos. La principal diferencia entre los tipos es que los sensores capacitivos producen un campo electroestático en lugar de un campo electromagnético.
La superficie de sensado del sensor capacitivo eta formado por dos electrodos concéntricos de metal de un capacitor. Cuando un objeto se aproxima a la superficie de sensado y este entra al campo electroestático de los electrodos, cambia la capacitancia en un circuito oscilador. Esto hace que el oscilador empiece a oscilar. El circuito disparador lee la amplitud del oscilador y cuando alcanza un nivel específico la etapa de salida del sensor cambia. Conforme el objeto se aleja del sensor la amplitud del oscilador decrece, conmutando al sensor a su estado original (Canto).
4. Materiales que detectan
Inductivos El patrón para estos sensores está definido como una superficie lisa que puede ser de acero dulce, la cual tiene 1mm de espesor o tres veces el rango nominal de operación. Si un objeto es más grande que el patrón, el rango de sensado no varía, pero si el objeto es más pequeño o irregular, la distancia de sensado decrementa. Mientras el área sea menor la placa debe ser acercada a la superficie del sensor para ser detectada. Si el material a ser sensado es diferente a hierro dulce, de aplican factores de corrección. Material Acero dulce Láminas de aluminio Acero inoxidable Latón Aluminio Cobre
Factor de Corrección Blindado No Blindado 1 1 0.90 1 0.70 0.80 0.40 0.50 0.35 0.45 0.30 0.40
Capacitivos Los sensores capacitivos detectan la mayoría de materiales sin ser necesariamente metálicos. Estos sensores tienen una distancia de detección corta. La distancia de estos sensores depende de la constante dieléctrica del material, en la siguiente tabla podremos observa las constantes dieléctricas de algunos materiales. Estos sensores detentan una gran variedad de materiales como: líquidos y sólidos conductores, no conductores Incluso tienen la capacidad de detectar un material a través de otro no conductor, como podría ser el agua, plástico, etc..., por ejemplo podría detectar una lámina metálica dentro de una caja de cartón.
5. Aplicaciones Inductivos
Los sensores inductivos tienen un largo historial de funcionamiento fiable en condiciones difíciles. Por lo tanto, suelen ser la elección automática para aplicaciones de alta fiabilidad, relacionadas con la seguridad o en las que la seguridad es esencial. Estas aplicaciones son frecuentes en el sector: militar, aeroespacial, del ferrocarril, de la industria pesada. El motivo de esta sólida reputación está relacionado con la física básica y los principios de funcionamiento, que suelen ser independientes de: -Contactos eléctricos en movimiento -Temperatura -Humedad, agua y condensación -Partículas extrañas, como suciedad, grasa, arena y tierra
Capacitivos
Estos sensores se emplean para la identificación de objetos, para funciones contadoras y para toda clase de controles de nivel de carga de materiales sólidos o líquidos. También son utilizados para muchos dispositivos con pantalla táctil, como teléfonos móviles, ya que el sensor percibe la pequeña diferencia de potencial entre membranas de los dedos eléctricamente polarizados de una persona.
Detección de nivel
En esta aplicación, cuando un objeto (líquidos, granulados, metales, aislantes, etc.) penetra en el campo eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando consecuentemente el valor de capacitancia. Sensor de humedad
El principio de funcionamiento de esta aplicación es similar a la anterior. En esta ocasión el dieléctrico, por ejemplo el aire, cambia su permitividad con respecto a la humedad del ambiente. Detección de posición
Esta aplicación es básicamente un condensador variable, en el cual una de las placas es móvil, pudiendo de esta manera tener mayor o menor superficie efectiva entre las dos placas, variando también el valor de la capacitancia, y también puede ser usado en industrias químicas. Aplicaciones concretas:
-Detección de nivel de líquidos, polvos, alimentos y sustancias químicas. -Conteo de objetos, presencia de objetos.
-Detección a través de barreras, por ejemplo el agua tiene una constante dieléctrica mucho más alta que el plástico. Esto le da al sensor la habilidad de “ver a tr avés” del
plástico y detectar el agua.
Bibliografía.
Sensores Capacitivos (s.f.). Obtenido de Sites Google: https://sites.google.com/site/tema8otrostransductores/transductores-de proximidad/detectores-capacitivos Acero, I. (08 de septiembre de 2010). Obtenido de Slideshare: https://es.slideshare.net/josueacerov/sensores-cap-acitivos Avellaneda, N. (s.f.). Obtenido de Sites Google: https://sites.google.com/site/654sensoresindustriales/detectores-de-proximidadcapacitivos
Sensores Inductivos
Dominguez, R. (10 de Julio de 2016). Faradayos. Obtenido de http://faradayos.blogspot.com/2016/07/sensor-detector-inductivo-proximidad.html Perez, G. R. (13 de Agosto de 2011). Slideshare. Obtenido de https://es.slideshare.net/PerezGerardo/curso-sensores-silge Rojas, J. (14 de junio de 2011). Control y automatismos Electricos. Obtenido de http://conociendotemporizadores.blogspot.com/2011/06/sensores-inductivos.html
Linkografía
Inductivos https://es.slideshare.net/lonely113/sensores-inductivos-8801776 https://prezi.com/4xv41hdxdutz/sensores-inductivos/ Capacitivos http://www.sensorstecnics.net/es/productos/category/96/sensores-y-transmisores/sensorescapacitivos https://es.slideshare.net/josueacerov/sensores-cap-acitivos https://es.slideshare.net/daylipocoyo/sensores-capacitivos-15157457
