Sensor de proximidad (1).pdf

Ing. José L. Mendoza Rodríguez

Los sensores de proximidad o de tipo discreto proporcionan información información que representa la presencia o ausencia de un objeto. También se llaman interruptores interruptores o detectores. detectores. En este ejemplo el sensor detecta la presencia de botellas en la banda transportadora.


Una de las principales informaciones que es necesario extraer de un proceso determinado determinado es la presencia presencia o ausencia de un objeto: Al paso por un punto determinado. La cerc cercanía anía a una región región de importanc importancia. ia. El contaje de número de piezas piezas que pasan. El verificar verificar la completitud completitud de un lote lote de elementos, elementos, Etc. Se trata de sensores de sensores de posición todo o nada que nada que entregan una señal binaria que informa de si hay un objeto o no frente al detector. La salida suele ser a base de interruptor estático (transistor, tiristor o triac), pudiendo actuar como interruptores de CC o de CA. Algunos pueden dar una salida analógica proporcional a la distancia, es decir, miden la distancia al objeto que se quiere detectar detectar.. • • • •


Los interruptores pueden ser Normalmente Abiertos (NA) o Normalmente Cerrados (NC) lo que nos dice cuál es el estado normal del interruptor en ausencia del objeto a detectar.

Hay que tener en cuenta que los interruptores tienen una caída de tensión residual en el estado cerrado y una corriente de fugas en el estado abierto. Esto puede dar problemas cuando se conectan a un autómata, sobre todo, una alta corriente de fugas puede dar problemas de interpretación de nivel alto de entrada.


Se pueden realizar diferentes clasificaciones en función de las distintas características. Según el tipo de captador: •

Detectores inductivos.

•

Detectores capacitivos.

•

Detectores ópticos.

•

Detectores ultrasónicos.


Se pueden realizar diferentes clasificaciones en función de las distintas características. Según el tipo de captador:

Mecánico

Ultrasónico

Inductivos

Capacitivos

Ópticos


Según el tipo de salida: •

Detectores de CA. Son detectores cuya salida es un interruptor

estático de CA a base de tiristores o triacs.

•

Detectores de CC. Son detectores cuya salida suele ser

transistor PNP o NPN.

un


Estos interruptores se usan ordinariamente para desconectar, límites de carreras, el avance de bancadas en máquinas o herramientas como fresadoras, así como limitar el avance de los porta-herramientas de los tornos, en montacargas, ascensores, robots , etc. •

Detectores Namur. Detectores de tipo inductivo, previstos para funcionamiento en atmósferas explosivas, según recomendaciones

NAMUR (DIN 19.234). Son detectores de dos hilos que absorben una intensidad alta o baja dependiendo de la presencia o no del objeto detectado. •

Detectores con salida analógica. Los detectores con salida analógica dan una corriente proporcional a la distancia entre el

cabezal detector y el objeto a detectar. La conexión suele ser a dos hilos y permite detectar un rango de distancias limitado. Únicamente los de tipo óptico y ultrasónico pueden detectar distancias iderables con una resolución aceptable.


Estos interruptores se usan ordinariamente para desconectar, límites de carreras, el avance de bancadas en máquinas o herramientas como fresadoras, así como limitar el avance de los porta-herramientas de los tornos, en montacargas, ascensores, robots , etc. Para poder accionar estos interruptores se requiere contacto físico entre la parte de la máquina y la palanca del interruptor con la fuerza suficiente para operar.



Simbología usada para representar los interruptores mecánicos.


Diferentes estilos de actuadores usados.


Cuando usar un interruptor mecánico • • • •

Donde sea posible un contacto físico Donde sea requerida una posición definitiva. En situaciones de operación crítica o de seguridad -crítica Donde las condiciones ambientales no permiten el uso de sensores ópticos o inductivos.


Aplicaciones y uso de interruptores mecánicos

Fácil de integrar a maquinaria de todo tipo Requiere contacto (por lo tanto hay uso) Rango de voltajes: DC 0-1000 V AC, etc. Muy robustos (a prueba de explosión si se requiere) Generalmente usados como:  Limit switch  Indicador de presencia/ausencia  Puerta cerrada/abierta • • • •


Comercialmente existen infinidad de tipos y tamaños dependiendo de: La fuerza de operación, La manera de montar Las limitaciones de acuerdo a su aplicación (como acoplamiento a las cargas que van a ser accionadas). • • •


Desventajas más importantes • • • • • •

Producen Rebote mecánico al conmutar El contacto físico produce desgaste y requieren mantenimiento Son de respuesta lenta Son ruidosos Voluminosos Vida limitada


Bobina electromagnética y objetivo metálico

Los sensores de proximidad inductivos incorporan una bobina electromagnética la cual es usada para detectar la presencia de un objeto metálico conductor. Este tipo de sensor ignora objetos no metálicos.


Componentes de un sensor inductivo

Campo electromagnético Bobina Oscilador

Regulador de tensión Disparador

Salida A la carga


Principio de operación

Cuando un objetivo metálico entra al campo, circulan corrientes de Eddy dentro del objetivo.

Material atenuante

Campo magnético Hs

Corrientes de Eddy producidas por el campo Hw


Principio de operación

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 la 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.


Blindaje

Los sensores de proximidad tienen bobinas enrolladas en 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.

Sensor blindado

Sensor no blindado


Sensores de proximidad Inductivos blindados •

•

•

El núcleo de ferrita concentra el campo radiado en la dirección del uso. Se le coloca alrededor del núcleo un anillo metálico para restringir la radiación lateral del campo. Los sensores de proximidad blindados pueden ser montados al ras de metal, pero se recomienda dejar un espacio libre de metal abajo y alrededor de la superficie de sensado.


Sensores de proximidad Inductivos no blindados •

•

•

Un sensor de proximidad no blindado no tiene el anillo de metal rodeando el núcleo para restringir la radiación lateral del campo. Los sensores no blindados no pueden ser montados al ras de un metal . Estos deben tener un área libre de metal alrededor de la superficie de sensado.


Objetivo estándar para Sensores Inductivos •

•

Un objetivo estándar es una placa que tiene una superficie plana, liza , hecha de acero dúctil de 1 mm de grueso . La longitud de los lados del objetivo estándar es igual al diámetro de la superficie de sensado o tres veces el rango de operación especificada, el cual es mayor.

Objetivo estándar


Grueso del objetivo

La distancia de sensado es constante para el objetivo estándar. Sin embargo, para objetivos no ferrosos tal como el bronce, aluminio y cobre, ocurre un fenómeno conocido como “efecto epitelial”. Que da como resultado que, la distancia de sensado disminuya conforme el grueso del objetivo aumenta.

Acero dúctil n ó i c c e r r o c e d r o t c a F

Bronce Aluminio Cobre

Grueso del objetivo en milímetros


Técnica para obtener la respuesta de un sensor inductivo a diferentes materiales


Material del objetivo

Cuando el material a ser sensado no es de acero dúctil, es necesario aplicar un factor de corrección

Material

Factor de corrección

Blindado

No blindado

Acero dúctil, Carbón

1

1

Lámina de Aluminio

0,90

1

Acero inoxidable serie 300

0,70

0,08

Bronce

0,40

0,50

Aluminio

0,35

0,45

Cobre

0,30

0,40


Características de respuesta •

•

•

•

Los detectores de proximidad responden a un objeto solo cuando están dentro de un área definida enfrente de la cara de sensado del interruptor. El punto en el cual el interruptor de proximidad reconoce un objetivo entrante es el punto de operación. El punto en el que un objetivo saliendo hace que el dispositivo conmute de nuevo a su estado normal se le conoce como punto de desarme . El área entre estos dos puntos es llamado la zona de histéresis.


Curva característica de respuesta Objetivo Punto de operación

Zona de histéresis Objetivo t

Punto de desarme


Curva de respuesta

El tamaño y forma de una curva de respuesta depende del interruptor de proximidad específico. La curva mostrada representa un tipo de interruptor de proximidad. En este ejemplo, un objetivo a 0,45 mm aproximadamente del sensor hará que el sensor opere cuando el objetivo cubra el 25% de la cara del sensor. A 0,8 mm del sensor, el objetivo debe cubrir la cara completa del sensor.


Técnica para medir la Frecuencia máxima de Conmutación de un sensor de proximidad


Algunos modelos de sensores inductivos

Los sensores inductivos están disponibles en varios tamaños y configuraciones para apegarse a una gran variedad de requerimientos


Ejemplos de aplicación de los sensores inductivos

Detección de ruptura de brocas

Detección de tornillos y tuercas para control de dirección y velocidad Detección de latas y tapas

Detección de posición totalmente abiertas o cerradas de válvulas

Detección de ruptura de puntas de fresadora


Ejemplos de aplicación de los sensores inductivos


Modelos de sensores de corriente directa

Aunque hay en el mercado algunos dispositivos de 2 hilos de corriente directa (DC). Los modelos de sensores inductivos típicamente son de 3 ó 4 hilos los cuales requieren una fuente de poder separada . Algunos modelos usan de conmutador transistores NPN y otros usan transistores PNP

Sensor DC de 2 hilos




Operación

Los sensores de proximidad de DC de 3 hilos pueden ser dispositivos ya sea de suministro de corriente (sourcing) o de “drenado” de corriente ( sinking). Los sensores de tipo suministro (sourcing) usan transistores PNP para conmutar la corriente de carga y los sensores de tipo drenado de corriente (sinking) usan transistores NPN. El tipo de transistor usado es un factor importante para determinar la compatibilidad del sensor con la entrada del sistema de control (por ejemplo un PLC).


Operación como suministro de corriente (sourcing)

En la ilustración se muestra la etapa de salida de un sensor tipo suministro de corriente . Cuando el transistor PNP se satura, fluye corriente del transistor hacia la carga.

Carga

Transistor PNP


Operación de drenado de corriente (sinking)

En un sensor de tipo drenado de corriente, se usa un transistor NPN. Cuando el transistor se satura , fluye corriente de la carga hacia el transistor. A esto se refiere cuando se dice que un sensor tiene una salida de drenado de corriente ya que la dirección de la corriente es hacia el sensor

Carga Transistor NPN


Operación normalmente abierto y normalmente cerrado

Las salidas pueden ser Normalmente abiertas o normalmente cerradas dependiendo de la condición del transistor cuando el objetivo no está ausente. Si , por ejemplo, el transistor de salida esta Off cuando el objetivo está ausente , entonces es un dispositivo Normalmente abierto. Si el transistor de salida está ON cuando el objetivo este ausente éste es un dispositivo normalmente cerrado. Los transistores también pueden ser dispositivos complementarios ( 4 hilos). Se dice que un sensor es de salida complemetaria cuando tiene tanto operación como normalmente abierto y normalmente cerrado en el mismo sensor.


Operación normalmente abierto y normalmente cerrado

Sensor de 4 hilos complementario


Símbolos estándar usados para los sensores de 2 hilos

BN = Marrón BK = Negro BU = Azul



PNP contacto nomalmente abierto

BN = Marrón BK = Negro BU = Azul

PNP contacto nomalmente cerrado

NPN contacto nomalmente abierto

NPN contacto nomalmente cerrado



BN=Marron BK=Negro WH= Blanco BU= Azul


Los sensores de proximidad capacitivos son similares a los inductivos. La principal diferencia entre los dos tipos es que los sensores capacitivos producen un campo electrostático en lugar de un campo electromagnético. Los interruptores de proximidad capacitivos sensan objetos metálicos también como materiales no metálicos tal como papel, vidrio, líquidos y tela.

Frente del sensor

Objetivo (metálico o no metálico)


Principio de operación de los Sensores capacitivos



La superficie de sensado del sensor capacitivo está formada por dos electrodos concéntricos de metal de un capacitor. Cuando un objeto se aproxima a la superficie de sensado y éste entra al campo electrostático de los electrodos, cambia la capacitancia en un circuito oscilador oscilado r. 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 objetivo se aleja del sensor la amplitud del oscilador decrese, conmutando conmutando al sensor a su estado original. original.


Objetivo estándar y la constante dieléctrica

Los objetivos estándar son especificado para cada sensor capacitivo. El objetivo estándar se define normalmente como metal o agua. Los sensor sensores es capaci capaciti tivo voss depend dependen en de la const constan ante te dielé dieléctr ctric icaa del obje objeti tivvo. Mien Mientr tras as más más gran grande de es la const onstan ante te diel dieléc éctr tric icaa de un material es más fácil de detectar. La gráfica muestra la relación de las constantes dieléctricas de un objetivo objetivo y la habilidad del sensor de detectar detectar el material material basado en la distancia distancia nominal de sensado (Sr). a c i r t c é l e i D e t n a t s n


Tabla de constantes Dieléctricas


Ejemplo de constante dieléctrica

Si un sensor capacitivo tiene una distancia de sensado nominal de 10 mm y el objetivo es alcohol, la distancia efectiva de sensado es aproximadamente el 85% de la distancia nominal, o sea 8.5 mm.


Sensores de proximidad capacitivos blindados

Los sensores blindados se pueden montar enrazados sin que se afecten adversamente sus características de sensado. Se debe tener cuidado de asegurarse que este tipo de sensores sea usado en ambientes secos. Liquido en la superficie puede hacer que el sensor dispare en falso.

Superficie de trabajo

Anillo de blindaje


Algunos modelos de sensores capacitivos

Existen en el mercado versiones de sensores de CD y CA. Los de CD los hay de 2, 3 y 4 hilos de salida. Con distancias de sensados desde 5 mm hasta 20 mm.


Ejemplos de aplicación de sensores de proximidad capacitivos

Control de nivel de llenado de sólidos en un recipiente

Detección de fluidos en contenedores tal como leche en botes de cartón


Detección a través de barreras

Una aplicación para los sensores de proximidad capacitivos es la detección de nivel 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 través “ del plástico y detectar el agua.



Los detectores ópticos emplean fotocélulas como elementos de detección. Algunos tipos disponen de un cabezal que incorpora un emisor de luz y la fotocélula de detección, actuando por reflexión y detección del haz de luz, reflejado sobre el objeto que se pretende detectar. Otros tipos trabajan con un emisor y un receptor separados (modo barrera), están diseñados para detección de mayores distancias. Ambos tipos suelen trabajar con frecuencias luminosas en la gama de los infrarrojos. Tipos de detectores ópticos según el modo de trabajo:

Reflexión sobre objeto o réflex: el emisor emite un haz de luz y cuando un objeto interfiere en su recorrido, la luz se refleja parcialmente hacia el receptor lo que hace que cambie su estado.


Tipos de detectores ópticos según el modo de trabajo:

Reflexión sobre espejo: el detector emite un haz de luz que en reposo es reflejado por un espejo hacia el receptor del propio detector. Cuando un objeto interfiere en su área de trabajo, la luz deja de llegar al receptor del detector cambiando su salida.

El tamaño del reflector debe ser menor o igual del objeto a detectar, pero teniendo en cuenta a la vez que cuanto mayor sea el tamaño, mayor será la posible distancia de detección.



Barrera óptica: el emisor y receptor del detector forman cuerpos separados. El emisor produce un haz de luz que en reposo llega al receptor creándose una especie de barrera de luz. Cuando un objeto interfiere en el haz de luz, el receptor deja de recibirlo, modificando su salida.



Fibra óptica: en cualquiera de los tipos anteriores la luz puede ser canalizada mediante fibra óptica, pero como la fibra atenúa la luz, la distancia de detección se reduce. Los puntos de emisión y recepción de luz están separados de la unidad generadora, y unidos a ella mediante fibra, de esta forma se puede llevar a lugares de difícil acceso.



Detectores laser: Los detectores láser utilizan una luz de alta intensidad visible que permite una instalación y ajuste fácil. Se pueden utilizar en cualquier modo de operación. La tecnología del láser permite la detección de objetos sumamente pequeños a una distancia elevada, por ejemplo 0.1 mm2 a una distancia de 80 cm. Podría detectarse un hilo de 0,1 mm de diámetro.


Ejemplos de aplicación: Son muchas las posibles aplicaciones de los detectores ópticos, habiendo aplicaciones más adecuadas para cada modo de operación. Reflexión directa sobre objeto (proximidad).


Reflexión sobre espejo reflector.


Barrera óptica

Fibra óptica


Los sensores por ultrasonidos están basados en la emisión-recepción de señales de sonido de alta frecuencia. Cuando un objeto interrumpe el haz, el nivel de recepción varía y el receptor lo detecta, actuando sobre el nivel de salida del sensor.


Principio de operación:

El sensor tiene un disco piezoeléctrico montado en su superficie, el cual produce ondas de sonido.

Cuando los pulsos transmitidos alcanzan a un objeto reflector de sonido, se produce un eco. Para detectar un objeto, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco Cuando el objetivo entra dentro del rango de operación preestablecido la salida del interruptor cambia de estado. Cuando el objetivo se sale del rango preestablecido la salida regresa a su estado original.


Ventajas: •

•

•

•

Detectan objetos a distancias de hasta 8 m. Trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Pueden detectar objetos transparentes (ventaja frente a los ópticos).

Inconvenientes: •

•

•

Falsas alarmas. No funcionan bien en zonas donde el aire se mueve con violencia o en medios con elevada contaminación acústica. Las zonas ciegas, es decir, la zona comprendida entre el lado sensible del detector y el alcance mínimo en el que ningún objeto puede detectarse de forma fiable.


Ejemplos de aplicación:


SENSORES DE PROXIMIDAD POR ULTRASONIDOS Ejemplos de aplicación:

Sensor de proximidad (1).pdf

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