Laboratorio 1 Sensores y Actuadores

LABORATORIO TALLER # 1

INFORME DE RESULTADOS PRACTICA DE PROXIMIDAD DE SENSORES INDUCTIVO , CAPACITIVO Y ÓPTICO.

Sensores y Actuadores 11205 Grupo 383 -244 Andrés Benavides Benavid es 20101073022 20101 073022 Harold Rojas 20101073034 Grupo 383 -245 Carlos Martínez 2014138362 Tomás Roncancio 20141383003 Andrés Vega 20141383014 20141 383014

Presentado a: Cesar Augusto Quintero Obando

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica Ingeniería en Control Sensores y Actuadores 27 de Marzo de 2015

INTRODUCCIÓN La automatización y el control industrial, es un tema amplio y de suma trascendencia en el desarrollo e innovación de la industria en el país. En las últimas décadas se ha seguido la tendencia de automatizar de manera progresiva procesos productivos de todo tipo. Esto con el fin de mejorar la productividad de la empresa, las condiciones de trabajo del personal, la disponibilidad de los productos y simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo, entre otros. El presente trabajo consiste en una compilación de datos tomados en una practica de laboratorio de la sala de automatización de la Facultad Tecnologica de la Universidad Francisco José de Caldas. En la actualidad es impensable realizar y controlar procesos industriales, sin elementos autómatas programables, elementos de gobierno y sensores. Éstos permiten controlar las variables que afectan cualquier proceso industrial. Procesos como contadores, detectores de presencia, detectores de objetos, control de niveles, medidas de seguridad, chequeo de contenidos, inspecciones de calidad automáticos, posicionamiento y verificación y un largo etcétera serian impensables sin esta combinación de elementos. Para analizar la importancia de los sensores en el campo del control industrial, debemos hacer un análisis de lo que significa automatización: automatizar significa que en un proceso productivo no se cuenta con la participación del ser humano, y solo lo hace para fijar instrucciones ó bien modificarlas. En los procesos industriales los sensores equivalen a los ojos, la boca, la nariz, la lengua del ser humano y estos sirven para proporcionar información al dispositivo de control que puede ser un microprocesador el cual va a hacer las funciones del cerebro. Además, la importancia de identificar el concepto de sensor de manera correcta en un sistema de medida es ineludible, ya que el grado de confiabilidad de una medición aumenta cuando todos los factores que influyen en la medición se encuentran completamente definidos.

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Ingeniería en Control

OBJETIVOS El objetivo del presente informe es conocer la definición, características, funcionamiento y aplicaciones de los sensores de proximidad capacitivos, inductivos y ópticos. Esto con base en la observación y experimentación del comportamiento de los sensores a los cambios de materiales y distancias según el planteamiento del profesor y el monitor encargado del laboratorio especializado.


MARCO TEORICO Transductores: un transductor, no es más que un dispositivo el cual tiene la capacidad de convertir un tipo de energía en otro y se clasifican en : Transductores de Entrada: de tipo eléctrico, cuya característica es la de convertir cualquier tipo de energía en energía eléctrica (Corriente y Voltaje), como ejemplo podemos citar un micrófono que convierte la energía acústica en impulsos eléctricos. Transductores de Salida: convierten la energía eléctrica en cualquier tipo de energía como ejemplo: una bocina Sensores: Se denomina sensor a todo elemento que es capaz de transformar señales físicas como temperatura, posición, longitud etc. en señales eléctricas. Sensores, son los dispositivos que son usados para detectar y en algunos procesos para medir la magnitud de algo, asocia la palabra sensar a detectar. En la realidad, un sensor es un transductor el cual se utiliza para convertir variaciones del tipo mecánico, magnético, térmico, óptico ó químico en señales del tipo eléctrico. Las variaciones de tipo mecánico corresponden a un movimiento que se detecta mediante un sensor y se envía una información eléctrica, o bien cuando se genera un campo de origen magnético y este se ve afectado por la presencia de un elemento metálico, también cuando se detectan cambios de temperatura , o cambios en la intensidad luminosa (cambios ópticos), inclusive en campos experimentales agrícolas donde se detectan: la acides, la salinidad y en los laboratorios el pH de sustancias. Todos estos elementos no podemos utilizarlos de manera directa en un controlador sino que tenemos que convertir esas variaciones a señales del tipo eléctrico. Los sensores en la industria son categorizados de acuerdo a la magnitud que miden, pero también al rol que juegan en el moderno proceso de control de manufactura. Clasificación: Podemos clasificar los sensores según el parámetro físico que miden: temperatura, presión, posición, longitud, nivel etc. También podemos clasificarlos atendiendo a el tipo de salida: Salida analógica (Voltaje ó Corriente) y salida digital (1 / 0) (Tabla1.) MAGNITUD

TRANSDUCTOR

CARACTERÍSTICA

Posición lineal o angular

Potenciómetro Encoders Transformador diferencial Galga extensiométrica Dinamo tacométrica Encoders Detector inductivo

Analógica Digital Analógica Analógica Analógica Digital Digital

Desplazamientos y deformación Velocidades lineales y angulares


Aceleración Fuerza y par Presión Caudal Temperatura

Sensores de presencia

Sensores táctiles Visión artificial

Acelerómetro Sensor de velocidad Galgas Membranas Piezoeléctricos Turbina Magnético Termopar PT100 NTC PTC Bimetal Inductivos Capacitivos Ópticos Matriz de contactos Piel artificial Cámaras de video Cámaras CCD

Analógico Digital Analógico Analógica Analógica Analógica Analógica Analógica Analógica Analógica I/0 I/0 I/0 I/0 I/0 Analógica I/0 Analógica Procesamiento digital Procesamiento digital

Tabla1. Magnitud, Transductor y clasificación según su salida.

Sensores Inductivos (Figura 1): Se encuentra clasificado dentro de los sensores de proximidad. Es usado en detección de materiales metálicos debido a la composición del mismo. Es simplemente una bobina electromagnética que al detectar un campo eléctrico, producto de un metal, puede accionarse. Según sus dimensiones, este sensor puede funcionar a diferentes distancias y en el momento que el metal entre a su campo electromagnético.

Figura 1. Sensor Inductivo.


Existe otra forma de clasificación e identificación y corresponde al blindaje expuesto por la forma del sensor como lo indica la figura 2.

Figura 2. Blindaje Sensores Inductivos.

Los sensores NO blindados, tiene por lo general, una mayor distancia de accionamiento de sensado que los dispositivos blindados. Los sensores blindados pueden ser montados a ras del metal, pero siempre se recomienda, dejar un espacio prudente de la superficie de sensado para evitar desgaste físico debido a la irregularidad de los materiales sensados. Sin embargo, esto es ajustable según el tipo de aplicación. Según esta definición podemos indicar que estos sensores, dentro de un proceso de reciclaje, pueden ser usados para detectar y aislar materiales de tipo ferroso, como el hierro y el acero. Por ejemplo tornillería, tubos metálicos, piezas metálicas de diferentes tamaños, motores, herramientas, cables etc. . Es importante aclarar que los materiales provenientes de desperdicios de productos como latas de leche en polvo, de conservas, de refrescos, etc. pueden ser detectadas por este tipo de sensores pero la distancia no será la misma que con los materiales propiamente ferrosos. Estos sensores viene calibrados con un objeto estándar de 1 x 1 cm de hierro dulce (Ideal). Sensores Capacitivos (Figura 3): Se encuentra clasificado dentro de los sensores de proximidad al igual que le sensor inductivo. El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, está basado en la medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximación de cualquier material.


Figura 3 Sensor Capacitivo

Los sensores de proximidad inductivos y capacitivos están basados en el uso de osciladores, en los que la amplitud de oscilación varía al aproximar un objeto. Si un objeto o un medio (metal, plástico, vidrio, madera, agua) irrumpe en la zona activa de conmutación, la capacitancia del circuito resonante se altera. Al aumentar la capacidad, la corriente en el circuito oscilador también aumenta (que es el que suministra la alta frecuencia). La distancia de conmutación es una función resultante del tipo, longitud lateral y grosor del material utilizado. Muchos metales producen aproximadamente el mismo valor. Los sensores capacitivos son siempre muy prácticos. Sus distancias de detección, de entre 1 y 25 mm, proporcionan margen suficiente en casi cualquier situación de instalación y los hacen extremadamente adaptables para una amplia gama de aplicaciones. Las impurezas y la contaminación, el polvo y las partículas en suspensión no les afectan, como tampoco las interferencias electromagnéticas. No es de extrañar que se utilicen en los sectores industriales más diversos: en la industria de alimentación o del automóvil o en equipos de almacenamiento y cintas transportadoras. Según esta definición podemos indicar que estos sensores, dentro de un proceso de reciclaje, pueden ser usados para detectar y aislar materiales de tipo plástico, papel, madera, e incluso los mismo metales. Por ejemplo cartón, papel, equipos electrónicos, vidrio (sobre todo botellas y frascos) revistas, periódicos, papel, bolsas de plástico, botellas de plástico etc Sensores Ópticos (Figura 4): Los sensores ópticos pueden ser usados para clasificar los materiales según su tamaño o según su color. Los sensores ópticos funcionan de manera totalmente automática y separan la contaminación que no cumple el criterio de color (por ejemplo botellas con color de incoloras no transparentes) de un flujo de material reciclable. La inspección óptica se realiza mediante cámaras de alta velocidad. Se evalúa la información relevante ópticamente y las fracciones de color deseadas o no deseadas son separadas de acuerdo a la necesidad. Son ideales en reciclaje PET. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Ingeniería en Control

Figura 4. Sensores Ópticos.

Histéresis: La histéresis de un sensor fotoeléctrico es la diferencia entre la distancia en la que se puede detectar un objeto a medida que se mueve hacia el sensor y la distancia que se tiene que mover en dirección opuesta al sensor para que deje de ser detectado, tal como se observa en la Figura 5.

Figura 5. Histéresis. MATERIALES • • • • • • • •

Sensor Inductivo 152902 (Figura 6) 1 Sensor Óptico 152904 (Figura 6) 2 Sensor capacitivo 152903(Figura 6) 3 Fuente de alimentación FESTO +24 v (Figura 7) Placa de distribución D ER. VERT – FESTO (Figura 8) Superficie de Trabajo (Banco de trabajo # 2) Corredera de ajuste de posición (Figura 9). Maletín de materiales de prueba.(Figura 10) 4

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Anexo A Anexo B 3 Anexo C 4 Anexo D 2


Figura 6. Sensor Inductivo (1), Sensor Óptico(2) Sensor Capacitivo (3)

Figura 7. Fuente de alimentación +24DC

Figura 8. Placa de Distribución. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Ingeniería en Control

Figura 8. Corredera de ajuste de Posición.

Figura 10. Maletín Materiales de Prueba.


PROCEDIMIENTO Montar la placa de distribución (D. ER VERT SENSOR), la corredera de ajuste (D.ER. VS FP1110) y el sensor inductivo (D.ER- SIE-M18) en el tablero de ensamble. De ser posible y para economizar tiempo, podemos alinear los tres sensores para la evaluación como se evidenciará mas adelante.

Figura 11. Disposición.

Los sensores se colocan centrados al frente de la corredera de ajuste de posición (Figura 11 ).Conecte la energía eléctrica de 24 V+ y los sensores a la placa de distribución (Figura 12 )

Figura 12. Conexiones Eléctricas. Recordemos que la norma de colores para los sensores de proximidad corresponde a Universidad Distrital Francisco José de Caldas Ingeniería en Control

(figura 13): Rojo =Alimentación positiva. Azul = Tierra /referencia/ 0 v Negro= Salida o respuesta del sensor • • •

Figura 13. Conexión panel sensores.

En seguida medimos la distancia de conmutación del sensor para cada uno de los diferentes materiales de prueba que ofrece el maletín. Con los valores medidos referenciamos el punto donde ocurre la activación y desactivación, cuando la placa se aproxima al sensor, así como también, el punto de activación y desactivación al alejarse de dicha placa del sensor.

Figura 14. Medición activación.

A continuación tomamos cada uno de los materiales que ofrece el maletín de los objetos de prueba y lo ponemos en el soporte de la corredera de ajuste posición. La guía original indica que las mediciones de ON y OFF deben ser tomadas con un calibrador (pie de rey/ vernier) para lograr un grado de exactitud mayor debido al comportamiento de los sensores evaluados. Para la practica realizada no se contaba con el instrumento y sólo se pudo tomar las mediciones con ayuda de un flexómetro. Sin embargo el grupo de trabajo se esforzó por ser lo mas preciso posible en las mediciones. Este inconveniente suma Universidad Distrital Francisco José de Caldas Ingeniería en Control

incertidumbre a la medición y por ende el error se encuentra en un intervalo mayor al esperado. Luego, tomamos las diferentes placas de metal y demás materiales (Acero inoxidable. Aluminio, latón, cobre, plástico etc.) 5 y lleve acabo las mediciones correspondientes con cada uno de ellos llenando la Tabla 1. El circuito de activación de cada sensor se evidencia al ser encendido una lámpara piloto del panel de distribución. Es en ese momento donde se debe medir la distancia de activación y ser registrado en la tabla (Figura 15).

Figura 15. Circuito de activación.

Para efectos de simplicidad, cada uno de los materiales del maletín de muestras será expuestos ante los tres sensores al mismo tiempo. Siendo el primero el sensor inductivo , el segundo el sensor capacitivo ya que son los sensores que se activan a menor distancia y su comportamiento en similar a excepción de los materiales con los que esperamos reaccionen. Por ultimo obtendremos el dato del sensor óptico quien es el que mas histéresis presenta. Es importante registrar los puntos de activación y desactivación en la tabla. Calculamos la histéresis (diferencia entre los puntos de activación y desactivación) y anotamos en la tabla.

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Anexo E


Figura 16. Activación materiales.

RESULTADOS D. S – ES –SIE-PS-LED.MIL/ 152902 /INDUCTIVO (Anexo A) #Material Punto de Punto de desconexión Histéresis Conexión 3 3mm 4 4mm 5 1,5mm 6 2mm 7 1mm 8 ------------------------9A ------------------------9B ------------------------10 ------------------------17 ------------------------18 ------------------------19 ------------------------20 ------------------------21 ------------------------22 ------------------------Tabla 1.Recolección de datos Sensor Inductivo. 6

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Ver Anexo E


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#Material 3 4 5 6 7 8 9A 9B 10 17 18 19 20 21 22

D. S – ES –SOE-RT-PS/ 152904 /ÓPTICO(Anexo B) Punto de Punto de desconexión Conexión 18,5mm 22,5mm ----------------28,3 mm 34,0 mm 33,3 mm 39,5 mm 30,7 mm 37,3 mm 21,0mm 26,1mm 14,5 mm 17,8 mm 15,8 mm 19,3 mm 23,3 mm 27,9 mm 19,4 mm 23,1 mm 22,9 mm 28,0mm 22,9 mm 27,7 mm 20,6 mm 25,5 mm 16,2 mm 19,6 mm 26,1 mm 32,6 mm Tabla 2. Recolección de datos Sensor Capacitivo.

Histéresis 4mm --------5,7 mm 6,2 mm 6,6 mm 6,1 mm 3,3 mm 3,5 mm 4,6 mm 3,7 mm 5,1 mm 4,8 mm 4,9 mm 3,4 mm 6,4 mm

D. S – ES –SIE-PS-LED.MIL/ 152902 /CAPACITIVO(Anexo C) #Material7 Punto de Punto de desconexió Histéresis Conexión 3 3 mm 4 4 mm 5 3 mm 6 3 mm 7 4 mm 8 1,5 mm 9A 1 mm 9B 2 mm 10 ------------------------17 2 mm 18 ------------------------19 ------------------------20 ------------------------21 ------------------------22 1 mm Tabla 1. Recolección de datos Sensor Óptico.

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Ver Anexo E


Nota: El material 9A corresponde al hule puesto por el sector corrugado. El material 9B corresponde al hule por su área lisa. NOTA 2: El material 22 corresponde a cartón de dimensión 100 mm x 100 mm.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Evaluaremos cada uno de los sensores por aparte: Sensor Inductivo: A simple vista podemos observar que el sensor inductivo no tiene reacción con los materiales que no son metal. Entre los materiales que no son detectados se encuentran papel, hule plástico. En efecto, esto corresponde a lo estudiado en el marco teórico. Observamos también que la máxima distancia registrada de sensado en los materiales se presenta en el acero inoxidable y al comparar con la ficha técnica, evidenciamos que la máxima distancia de sensado corresponde a los 4 mm. Los campos eléctricos de cada material hacen que el comportamiento de sensado sea diferente. Así el acero ofrece la mejor detección. Si el material es ferromagnético, aluminio, cobre, cobalto, níquel y sus aleaciones, la distancia de activamiento disminuye notablemente. Para hacer el análisis de histéresis del sensor inductivo necesitamos la ayuda de un calibrador. NO fue posible obtener esta herramienta dentro del laboratorio y los valores de hicieron con una cinta métrica. Debido a al resolución de este instrumento los valores de activación y desactivación “son iguales” En teoría sabemos que esto no es así, Por lo cual nos dimos a la tarea de encontrar un estudio similar y obtuvimos una tabla de resultados experimentales que nos puede servir para evaluar la histéresis.

Tabla 4. Resultados Experimentales Juan Carlos Mata Cancho. 8

Al observar la tabla , evidenciamos que los valores de diferencia de conexión y desconexión del sensor inductivo, es del orden de las micras. Por lo cual observamos los resultados de histéresis de 0,23 mm. Este valor es imposible de detectar con una cinta métrica.

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LABORATORIO No 01, SENSORES CAPACITIVOS, INDUCTIVOS Y OPTICOS. SENSORICA INDUSTRIAL CENTRO DE AUTOMATIZACION INDUSTRIAL FIIS – UNI . JUAN CARLOS MATA CANCHO


El plástico el cartón y el hule no pudieron ser detectados, ya que se está utilizando un sensor inductivo, en el que es necesario para su atenuación otro campo magnético proveniente del material a sensar. Sensor Capacitivo: A simple vista podemos observar que el sensor capacitivo reacción con todos materiales a excepción de los plasticos. Incluyendo los materiales de tipo metal. En efecto, esto corresponde a lo estudiado en el marco teórico. Observamos también que la máxima distancia registrada en los materiales se presenta nuevamente en el acero inoxidable y al comparar con la ficha técnica, evidenciamos que la máxima distancia de sensado corresponde a los 4 mm. Los sensores capacitivos reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa, sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica. El punto que más llama la atención de los datos recolectados, consiste en que el sensor no es capaz de sensar el papel delgado (hojas de cuaderno) así como tampoco detecta el platico de ningún color. Esto se puede presentar debido a que los sensores capacitivos poseen un ajuste de sensibilidad y si los materiales a sensar son de constante dieléctrica débil, el sensor debe ajustar su sensibilidad para que funcione con dichos materiales. Para hacer el análisis de histéresis del sensor capacitivo necesitamos la ayuda de un calibrador. NO fue posible obtener esta herramienta dentro del laboratorio y los valores de hicieron con una cinta métrica. Debido a al resolución de este instrumento los valores de activación y desactivación “son iguales” En teoría sabemos que esto no es así, Por lo cual nos dimos a la tarea de encontrar un estudio similar y obtuvimos una tabla de resultados experimentales que nos puede servir para evaluar la histéresis.

Tabla 5. Resultados Experimentales Juan Carlos Mata Cancho. 9

Al observar la tabla , evidenciamos que los valores de diferencia de conexión y desconexión del sensor inductivo, es del orden de las micras. Por lo cual observamos los resultados de histéresis máximo de 1,35 mm. Este valor es muy difícil de detectar con una cinta métrica.

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LABORATORIO No 01, SENSORES CAPACITIVOS, INDUCTIVOS Y OPTICOS. SENSORICA INDUSTRIAL CENTRO DE AUTOMATIZACION INDUSTRIAL FIIS – UNI . JUAN CARLOS MATA CANCHO


Sensor Óptico: Los sensores de proximidad ópticos son similares a los sensores ultrasónicos en el sentido de que detectan la proximidad de un objeto por su influencia sobre una onda propagadora que se desplaza desde un transmisor hasta un receptor. Partiendo de este principio todos los materiales referidos en el maletín son sensados por poseer las características de reflejar ondas electromagnéticas sin distinción. Por el comportamiento de este tipo de sensor es fácil reconocer el periodo de histéresis. Como se evidencia en la Tabla 2. El funcionamiento que observamos que el funcionamiento es indistinto al material. Tiene un mucho mejor alcance comparado con los sensores inductivos y capacitivos. Los materiales reflectantes también fueron sensados por el sensor , tal cual lo indica la ficha técnica. CONCLUSIONES Como primera conclusión afirmamos que el estudio de histéresis arrija valores del orden de los micrómetros. Por esta razón , es indispensable usar un calibrador pie de rey. Sin esta herramienta es muy difícil indicar la diferencia entre el encendido y el apagado del sensor inductivo y capacitivo. Por esta razón recurrimos a un estudio citado en las notas al pie, para evaluar y comprobar los valores que arrojan sensores inductivos y capacitivos idénticos a los usados en nuestra practica.

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La guía original 1110 de Festo indica que las mediciones deben ser hechas a través de un pie de rey calibrado y se debe hacer un estudio de factor de reducción.

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Comprobamos el funcionamiento de cada uno de lo s sensores tal cual se especifican en las fichas técnica. Su reacción frente a los distintos materiales es correspondiente al marco teórico y su máxima distancia de sensado es coherente con lo expuesto en las fichas técnicas.

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La teoría de sensores en amplia. Existen muchas fuentes confiables y estudios online pero nos centramos específicamente en los sensores manipulados en el laboratorio/practica. Que corresponden a la línea de sensores detección sin contacto físico.

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A pesar de NO contar con instrumentos para medir adecuados (pie de rey), nuestro grupo de trabajo se esforzó por ser lo mas preciso posible en las mediciones. A estos valores medidos (indicaciones) se les debe sumar la incertidumbre propia del método de medición la magnitud medida (longitud), el factor de corrección del instrumento que se mide y si queremos ser mas veraces (exactitud, precisión corrección de error) debemos hacer correcciones por temperatura debido al comportamiento de los metales a ciertas temperaturas.

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El tamaño de las muestras no influye en las distancias de sensado de ninguno de los sensores analizados. A futuro podríamos establecer si el ángulo de incidencia afecta la detección como lo hace el laboratorio citado.

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Lo más importante en toda detección por medio de sensores ya sea inductivos y/o capacitivos es el cuan cercano este el objeto para el cual será detectado por el sensor. Debido a las limitaciones de los campos magnéticos, los sensores inductivos tienen una distancia de detección pequeña comparados con otros tipos de sensores como el sensor óptico.. Esta distancia puede variar, en función del tipo de sensor inductivo, desde fracciones de milímetros hasta 40 mm en promedio.

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Se puede usar sensores inductivos o capacitivos para detectar objetos similares pero con sus respectivas limitaciones para cada caso, es importante el tamaño del sensor el cual es influyente en la distancia de sensado.

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La superficie del objeto a detectar no debe ser menor que el diámetro del sensor de proximidad (preferentemente 2 veces más grande que el tamaño o diámetro del sensor). Aunque esto no pudo ser evidenciado en la propia practica.

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Los sensores inductivos cilíndricos son los más usuales en las aplicaciones presentes en la industria.

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Las ventajas del sensor capacitivo son algunas más que en el caso de los sensores inductivos como por ejemplo: La primera ventaja es común para ambos, detectan sin necesidad de contacto físico, pero además esto sensor lo realiza de cualquier objeto.

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Gracias a no poseer partes móviles los sensores de proximidad no sufren en exceso el desgaste.

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La chicharrara o sirena como método de detección es muy moleta dentro del laboratorio. Sin duda es mejor usar los pilotos indicadores del panel de distribución.



Laboratorio 1 Sensores y Actuadores

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