Instrumentación y control Ing. Carrizales Martínez Pedro Horario: 14:00 – 15:00
Martínez Vicencio Gerardo 12071161
Fecha de entrega: 17 de marzo de 2015
ÍNDICE UNIDAD 2.
SENSORES
2.1. Sensores de posición binarios……………………………… 2.1.1. Final de carrera…………………………………………….. 2.1.2. Mecánicos…………………………………………………… 2.1.3. Eléctricos……………………………………………………. 2.1.4. Fotoeléctricos……………………………………………….. 2.1.5. Ultrasónicos…………………………………………………. 2.1.6. Inductivos y capacitivos…………………………………….. 2.1.7. Sensores y/o transmisores analógicos. ……………………. 2.1.8. Sensores de velocidad y aceleración………………………. 2.1.9. Sensores de fuerza, par y deformación…………………….
SENSOR - Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. - Un sensor es un elemento que se usa para determinar la existencia de determinado fenómeno o característica, de alguna manera se podría decir que el sensor es un detector ¿Cómo se clasifican? Los sensores se pueden clasificar según: • Su principio de funcionamiento • El tipo de señal de salida • El rango de valores de salida • El nivel de integración • El tipo de variable medida 2.1 SENSORES DE POSICIÓN BINARIOS Los sensores binarios son sensores que convierten una magnitud física en una señal binaria, principalmente en una señal eléctrica con los estados "ON" o "OFF" (conectado o desconectado). Informan sobre la presencia de objetos Ejemplos de sensores binarios •Final de carrera •Sensor de proximidad •Presostato •Sensor de nivel •Termostato.
2.1.1 final de carrera Sensores de Contacto: Se emplean para detectar el final del recorrido o la posición límite de componentes mecánicos. Por ejemplo: saber cuándo una puerta o una ventana que se abren automáticamente están ya completamente abiertas y por lo tanto el motor que las acciona debe pararse. Los principales son los llamados fines de carrera (o finales de carrera). Se trata de un interruptor que consta de una pequeña pieza móvil y de una pieza fija que se llama NA, normalmente abierto, o NC, normalmente cerrado.
2.1.2 mecánicos Sensores Mecánicos • Son dispositivos que cambian su comportamiento bajo la acción de una magnitud física que pueden directa o indirectamente transmitir una señal que indica cambio. • son utilizados para medir: Desplazamiento, posición, tensión, movimiento, presión, flujo. Para principalmente mente transmitir una señal que indica cambio. Los sensores mecánicos se utilizan para el posicionamiento y la desconexión final en máquinas herramienta y prensas, en centros de fabricación flexible, robots, instalaciones de montaje y transporte, así como en la construcción de máquinas y aparatos.
Existen dos tipos de funcionamiento Efecto piezoresistivo: convierte una tensión aplicada en un cambio en la resistencia que puede sentirse en circuitos electrónicos tales como el puente de whetstone. El efecto piezoresistivo puede usarse en sensores que miden presión.
Efecto piezoeléctrico: convierte una tensión (fuerza) aplicada en una diferencia de potencial eléctrico. El efecto piezoeléctrico es reversible, así que un cambio en el voltaje también genera una fuerza y un cambio correspondiente en el espesor.
Tipos de sensores Sensor tunneling: el efecto tunneling es un método extremadamente exacto para medir desplazamientos a escala nanómetros.
Pero su naturaleza altamente no lineal requiere el uso de control de retroalimentación para hacerlo útil.
Sensores limitswitch: Estos interruptoes se usan ordinariamente para desconectar, limites de carreras, el avance de bancadas en maquinas 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 maquina y la palanca del interruptor con la fuerza suficiente para operar.
Simbología
Cuando usar un interruptor mecánico Donde sea posible un contacto físico Donde se requiera una posición definida. En situaciones de operación critica o de seguridad critica. 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) Muy robustos (aprueba de explosión si se requiere). Generalmente usados como: Limit swich Indicador de presencia/ausencia Puerta cerrada/abierta Ventajas y desventajas de los sensores mecánicos Ventajas:
Detectan la ausencia o presencia de los elementos No se equivocan en la medición si se trabaja a una frecuencia correcta y al tener contacto directo con el sensor la medida siempre es exacta. Desventajas: Por tener contacto directo con los objetos a medir tienen desgaste en la pieza. Poca resistencia ala oxidación, por estar al aire libre el clima puede afectarlo. Son normalmente muy grandes, necesitan un espacio mayor frente a otros elementos sensoricos. 2.1.3 eléctricos Sensores Eléctricos • Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc.
2.1.4 fotoeléctricos
Un sensor fotoeléctrico (también llamados ópticos) es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Están diseñados especialmente para la detección, ausencia, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.
Diagrama de la composición de un sensor fotoeléctrico.
Existen diferentes tipos de sensores fotoeléctricos, las cuales se agrupan según el tipo de detección, estos son:
a. Sensores de barrera.- cuando existe un emisor y un receptor apuntados unos a los otros.
b. Sensore réflex.- cuando la luz es reflejada por un reflector especial cuya particularidad es que devuelve la luz en el mismo Angulo que la recibe.
c. Sensores auto réflex.- son iguales a los de los tipo anterior pero, excepto que, el emisor tiene un lente que polariza la luz en un sentido y el receptor la recibe mediante un lente con polarización a 90 grados del primero. Con esto el control no responde a objetos muy brillosos que puedan reflejar la señal emitida.
. Principio de funcionamiento
Los sensores fotoeléctricos utilizan LEDS como fuentes de luz. Los LEDS pueden ser construidos para que emitan en verde , azul , amerillo, rojo , infrarrojo, etc . los colores mas comúnmente usados en aplicaciones de sensado son rojos e infrarrojos, pero la eleccion del color de emicion es fundamental, siendo el color mas ultilizado el verde. Los fototransistores son los componentes mas ampliamente usados como receptores de luz debido aque ofrecen la mejor relación entre la sensibilidad ala luz y la velocidad de respuesta además responden bien ante la luz visible e infrarroja. Los sensores fotoeléctricos de pulso modulado responden únicamente a la luz emitida por su propia fuente de luz. Modular la luz de un LED simplemente significa encenderlo y apagarlo en alta frecuencia. El secreto dela eficiencia de un sistema modulado es que el fototransistor del sensor y el amplificador estén sintonizados ala frecuencia dela modulación, dando como resultado que únicamente la luz modulada es amplificada, y toda la otra luz que alcanza al fototransistor es ignorada.
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En comparación con los demás sensores de proximidad, los sensores fotoeléctricos presentan las siguientes ventajas. Distancias de detección mucho mas grandes que en el caso de los capasitivos e inductivos. Se pueden obtener hasta 500 metros en tipo separado y 5 metros en deflexión. Permiten la identificación de colores y objetos de pequeño tamaño (decimas de milímetro) .
2.1.5 ultrasónicos Sensores de Ultrasonidos:
Tienen como función principal, la detección de objetos a través de la emisión y reflexión de ondas acústicas. Las ondas ultrasónicas tienen la capacidad de que cuando viajan por un medio cualquiera son reflejadas si encuentran en su camino una discontinuidad o algún elemento extraño. La reflexión de la onda es debida a la diferencia de impedancias acústicas entre el medio y el objeto. El tiempo de espera entre el envío de la onda ultrasónica hasta su recepción se denomina tiempo de eco, y es utilizado para determinar la distancia al objeto.
Principio de funcionamiento: Funciona igual al sistema de sonar usado por los submarinos. Emiten un pulso ultrasónico contra el objeto a censar, y, al detectar el pulso reflejado, se para un contador de tiempo que inicio su conteo al emitir el pulso. Este tiempo es referido a distancias y de acuerdo con los parámetros elegidos de respuesta con ello manda una señal eléctrica digital o analógica.
Aplicaciones: *Instalaciones de almacenamiento. *sistema de transporte.
*industria de la alimentación. *procesos de metales. *procesos de vidrio. *procesos de plásticos. *supervisión de materiales a granel.
El elemento básico es un transductor electroacústico, de tipo cerámico piezoeléctrico. La capa de resina protege al transductor contra la humedad, polvo y otros factores ambientales. Absorbedores acústicos, se utilizan para amortiguar rápidamente la energía acústica, para detectar objetos a pequeñas distancias, ya que el mismo transductor se utiliza como emisor y como receptor.
2.1.6 inductivos y capacitivos Sensores Inductivos: Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria,
tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetos metálicos en un determinado contexto: detección de paso, de atasco, de codificación y de conteo.
El sensor inductivo genera su propio campo magnético, el cual se ve afectada su intensidad al acercarse a cuerpos ferro-magnéticos. Esta variación es la que estimula el cambio de estado del sensor.
Principio de funcionamiento Los sensores inductivos consisten en una bobina cuya frecuencia de oscilación cambia al ser aproximado un objeto metálico a su superficie axial. Esta frecuencia es empleada en un circuito electrónico para conectar o desconectar un tiristor y con ello, lo que esté conectado al mismo, de forma digital (ON-OFF) o, analógicamente. Si el objeto metálico se aparta de la bobina, la oscilación vuelve a empezar y el mecanismo recupera su estado original.
Aplicaciones: Estos sensores se desempeñan en las condiciones de trabajo más difíciles donde hay presente aceites, líquidos, polvos y vibraciones, entre algunas que se mencionan están: herramientas, máquinas textiles, líneas transportadoras, sistema de transporte, equipos de empaques, industria automotriz, etc.
Donde aplicar los sensores inductivos
VENTAJAS • Sin desgaste mecánico, por tanto, larga duración. • Funcionamiento seguro ante contactos sucios o desgastados. • No hay rebotes en el cierre de contactos. • Gran velocidad de Conmutación (4000hz)
• No está limitado el número de maniobras • Insensible ante vibraciones • Cualquier posición de montaje es posible • Encapsulado total, protegido mecánicamente y ante derivaciones de tensión. • Numero ilimitado de ciclos de conmutación.
Sensores Capacitivos: Modificación de la capacidad de un condensador por presencia de objetos sólidos 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. Ejemplos: Presencia de agua en un tubo o el cereal dentro de una caja de cartón.
El elemento sensor es un condensador constituido por un electrodo sensible y un electrodo de referencia separados por un dieléctrico, una cavidad de aire seco para aislar y un conjunto de circuitos electrónicos. d S C a = ε Utilizado como medidor de desplazamiento, se consigue haciendo que el desplazamiento a medir provoque un desplazamiento en algún componente del condensador => cambio en su capacidad. El elemento capacitativo es parte de un circuito que es excitado de manera continua por una forma de onda sinusoidal de referencia. Un cambio en la capacidad, produce un desplazamiento de fase entre la señal de referencia y una señal obtenida a partir del elemento capacitativo. El desplazamiento de fase es proporcional al cambio de capacidad, este cambio se utiliza para detección de proximidad. - La capacidad varía con la distancia a la que está el objeto - La capacidad depende del material objeto de detección
Principio de funcionamiento: Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la
presencia de un objeto. Cuando el objeto se encuentra fuera del campo electrostático, el oscilador permanece inactivo, pero cuando el objeto se aproxima, se desarrolla un acoplamiento capacitivo entre éste y la sonda capacitiva. Cuando la capacitancia alcanza un límite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de encendido y apagado. Aplicaciones Detección de nivel de aceite, agua, PVC, colorantes, harina, azúcar, leche en polvo, posicionamiento de cintas transportadoras, detección de bobinas de papel, conteo de piezas metálicas y no metálicas, entre otros.
2.1.7 sensores y/o transmisores analógicos Sensores Analógicos: Detectan no sólo la presencia, sino también la fuerza ejercida Ej: compresión de un muelle en la zona de contacto. es aquel que, como salida, emite una señal comprendida por un campo de valores instantáneos que varían en el tiempo, y son proporcionales a los efectos que se están midiendo. Principio de funcionamiento.
Está constituido por una varilla accionada por un resorte mecánicamente enlazada con un eje giratorio, de tal manera que el desplazamiento de la varilla debida a una fuerza lateral da lugar a una rotacional proporcional al eje. Se mide la rotación con un potenciómetro, y conociendo la constante del resorte se conoce la fuerza correspondiente a un desplazamiento dado: F = k*x Ejemplos : Los sensores analógicos son sensores que convierten una magnitud física en una señal analógica, principalmente una señal eléctrica de tensión o de intensidad.Ejemplos de sensores analógicos •Sensores de longitud, distancia o desplazamiento •Sensores para movimiento lineal y rotativo •Sensores para superficies, formas y geometría •Sensores de fuerza •Sensores de peso •Sensores de presión •Sensores de par •Sensores de flujo (para gases y fluidos) •Sensores de caudal (para materiales sólidos) •Sensores de nivel de llenado •Sensores de temperatura y otros valores térmicos •Sensores para valores ópticos •Sensores para valores acústicos •Sensores para valores electromagnéticos
2.1.8 sensores de velocidad y aceleración Sensor de velocidad El sensor de velocidad fue uno de los primeros transductores de vibración, que fueron construidos. Consiste de una bobina de alambre y de un imán colocado de tal manera que si se mueve el Carter, el imán tiende a permanecer inmóvil debido
a su inercia. El movimiento relativo entre el campo magnético y la bobina induce una corriente proporcional a la velocidad del movimiento. De esta manera, la unidad produce una señal directamente proporcional a la velocidad de la vibración. Es autogenerado y no necesita de aditamentos electrónicos acondicionadores para funcionar. Tiene una impedancia de salida eléctrica relativamente baja que lo hace relativamente insensible a la inducción del ruido.
Sensor de aceleración. El modo general de funcionamiento consiste en un cristal piezoeléctrico sometido a una carga y presión constante producida por un resorte y una masa inerte o sísmica. La presión hacia arriba o hacia abajo se modifica en función de la aceleración y deceleración, dando lugar a una tensión de salida proporsional ala presión ejercida sobre el cristal piezo eléctrico.
Aplicación: Cinturónes de seguridad
2.1.10 sensores de fuerza par y deformación
Sensores de fuerza y par *miden la fuerza y los pares *utilizan los sensores piezorresistivos que presentan una resistencia variable a la deformación sufrida.
Sensores de par Miden el par mediante la deformación de una estructura piezorresistiva. La deflexión genera una tensión que cambia una resistensia que genera una salida calibrada
Sensores Ópticos Un sensor óptico se basa en el aprovechamiento de la interacción entre la luz y la materia para determinar las propiedades de ésta. Una mejora de los dispositivos sensores, comprende la utilización de la fibra óptica como elemento de transmisión de la luz.
Sensores infrarrojos
El sensor infrarrojo es un dispositivo electrónico capaz de medir la radiación electromagnética infrarroja de los cuerpos en su campo de visión. Todos los cuerpos reflejan una cierta cantidad de radiación, esta resulta invisible para nuestros ojos pero no para estos aparatos electrónicos, ya que se encuentran en el rango del espectro justo por debajo de la luz visible. Principio de funcionamiento Los rayos infrarrojos(IR) entran dentro del fototransistor donde encontramos un material piroeléctrico, natural o artificial, normalmente formando una lámina delgada dentro del nitrato de galio (GaN), nitrato de Cesio (CsNO3), derivados de la fenilpirazina, y ftalocianina de cobalto. Normalmente están integrados en diversas configuraciones (1, 2,4 píxels de material piroeléctrico). En el caso de parejas se acostumbra a dar polaridades opuestas para trabajar con un amplificador diferencial, provocando la auto-cancelación de los incrementos de energía de IR y el desacoplamiento del equipo.
Aplicaciones: Aplicaciones Domésticas Para aplicaciones domésticas, los sensores infrarrojos se utilizan en electrodomésticos de línea blanca tales como hornos microondas, por ejemplo, para permitir la medición de la distribución de la temperatura en el interior. Los sensores infrarrojos también se pueden utilizar como sensores de gas. Ciencias médicas y biológicas Los sensores infrarrojos ofrecen una solución para ciertos procedimientos de reconocimiento, por ejemplo, los de mama y de músculos. Otra aplicación médica para los sensores infrarrojos es la medición instantánea de la temperatura del cuerpo, es decir, como un termómetro remoto. Seguridad Aérea y Territorial Los sensores infrarrojos están siendo utilizados por las fuerzas armadas. Los sistemas infrarrojos de monitorización del campo, tanto fijos como portátiles, sustituyen cada vez más a los sistemas refrigerados por su reducido consumo de energía. Automovilismo
En la industria automovilística, los sensores infrarrojos se usan en el campo de la seguridad y el confort en la conducción. Monitorización del tráfico y carreteras, sistemas antiniebla, de los neumáticos y frenos, mejoras de la visión del conductor y detección de los ocupantes sentados para la activación de airbags inteligentes son algunas de las aplicaciones anteriores, por su banda el control de la temperatura de la cabina y la monitorización de la calidad del aire constituyen las más recientes. Sensores magnéticos El sensor magnético es un interruptor de proximidad que seactiva con un campo magnético externo. A diferencia delinductivo que genera su propio campo magnético.Un concepto que permite con suma facilidad detectar losfinales de carrera de los cilindros neumáticos, es el uso desensores magnéticos que pueden detectar la posición delémbolo magnético de los actuadores, sin complicaciones demontaje mecánico.
Sensores magnéticos
VENTAJAS •Conmutar rápidamente sin golpe. • Sensibilidad contra las influencias del medio ambiente. • Gran frecuencia de conmutación (1000hz). • Ejecuciones resistentes al calor hasta una temperatura de 120 C.
