Sensor de Proximidad

Ing. José L. Mendoza Rodríguez

¿Qué es un sensor?

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas oquímicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas envariables eléctricas.

Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo:temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación,desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc.

Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como enuna RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad),una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica(como en un fototransistor), etc.


En un sistema de control automático el sensor es el elemento quecierra el lazo de control y tiene como tarea captar, del proceso omaquina sobre la que se ejerce control, la información de como se estácomportando o realizando el trabajo.

Esta información es transmitida al controlador que la usará para tomarla acción de control correspondiente.

Los sensores se conectan a la entrada de los PLCs y son básicamentede dos tipos:

• Analógicos

• Digitales


Características de un sensor

Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puedeaplicarse el sensor.

Precisión: es el error de medida máximo esperado.

Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando lavariable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valoresnulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro puntode referencia para definir el offset.

Linealidad o correlación lineal.

Sensibilidad: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de lamagnitud de entrada.


Características de un sensor

Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puedeapreciarse a la salida.

Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuántovaríe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema paraseguir las variaciones de la magnitud de entrada.

Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud deentrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden sercondiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otrascomo el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.

Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.


SENSORES DISCRETOS

Los sensores de tipo discreto proporcionan información querepresenta la presencia o ausencia de un objeto.

También se llaman interruptores o detectores.

En este ejemplo el sensor detecta la presencia de botellas en la bandatransportadora.


TIPO DE SENSORES

Mecánico Inductivos Capacitivos

Ultrasónico Fotoeléctrico


Existe en el mercado una gran variedad de marcas y tipos de sensores,pero la mayoría pertenece a alguna de las clasificaciones dadas acontinuación , según su accionamiento:

a) De acción mecánica o de contacto

b) De acción magnética

c) De acción capacitiva

d) Accionados por luz

e) De acción ultrasónica

f) De acción neumática


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

Para poder accionar estos interruptores se requiere contacto físicoentre la parte de la máquina y la palanca del interruptor con la fuerzasuficiente 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 sensoresópticos 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 alas 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

Regulador de tensión

Disparador

A la carga

Oscilador

Salida


Principio de operación

Cuando un objetivo metálico entra al campo, circulan corrientes

de Eddy dentro del objetivo.

Material atenuante

Corrientes de Eddy producidas por el campo Hw

Campo magnético Hs


Principio de operación

Esto aumenta la carga en el sensor, disminuyendo la amplitud del campoelectromagnético.

El circuito de disparo monitorea la amplitud del oscilador y a un nivelpredeterminado, conmuta el estado de la salida del sensor.

Conforme el objetivo se aleja del sensor, la amplitud del oscilador aumenta. Aun nivel predeterminado, el circuito de disparo conmuta el estado de la salidadel sensor de nuevo a su condición normal.


Blindaje

Los sensores de proximidad tienen bobinas enrolladas en núcleo deferrita. Estas pueden ser blindadas o no blindadas. Los sensores noblindados generalmente tienen una mayor distancia de sensado quelos sensores blindados.

Sensor blindado Sensor no blindado


Sensores de proximidad Inductivos blindados

• El núcleo de ferrita concentra el campo radiado en la dirección deluso.

• Se le coloca alrededor del núcleo un anillo metálico para restringirla radiación lateral del campo.

• Los sensores de proximidad blindados pueden ser montados al rasde metal, pero se recomienda dejar un espacio libre de metal abajoy alrededor de la superficie de sensado.


Sensores de proximidad Inductivos no blindados

• Un sensor de proximidad no blindado no tiene el anillo de metalrodeando el núcleo para restringir la radiación lateral del campo.

• Los sensores no blindados no pueden ser montados al ras de unmetal .

• Estos deben tener un área libre de metal alrededor de la superficiede 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 diámetrode la superficie de sensado o tres veces el rango de operaciónespecificada, el cual es mayor.

Objetivo estándar


Grueso del objetivo

La distancia de sensado esconstante para el objetivoestándar.

Sin embargo, para objetivos noferrosos tal como el bronce,aluminio y cobre, ocurre unfenómeno conocido como“efecto epitelial”.

Que da como resultado que, ladistancia de sensado disminuyaconforme el grueso del objetivoaumenta.

Acero dúctil

BronceAluminio

Cobre

Grueso del objetivo en milímetros

Fact

or

de

corr

ecci

ón


Técnica para obtener la respuesta de un sensor inductivo a diferentesmateriales


Material del objetivo

Cuando el material a ser sensado no es de acero dúctil, es necesarioaplicar 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 cuandoestán dentro de un área definida enfrente de la cara de sensado delinterruptor.

• El punto en el cual el interruptor de proximidad reconoce unobjetivo entrante es el punto de operación.

• El punto en el que un objetivo saliendo hace que el dispositivoconmute de nuevo a su estado normal se le conoce como punto dedesarme .

• El área entre estos dos puntos es llamado la zona de histéresis.


Punto de operación

Zona de histéresisCurva característica de respuesta

Objetivo

Punto de desarme

Objetivo t


Curva de respuesta

El tamaño y forma de una curvade respuesta depende delinterruptor de proximidadespecífico. La curva mostradarepresenta un tipo de interruptorde proximidad.

En este ejemplo, un objetivo a0,45 mm aproximadamente delsensor hará que el sensor operecuando el objetivo cubra el 25%de la cara del sensor. A 0,8 mm delsensor, el objetivo debe cubrir lacara completa del sensor.


Técnica para medir la Frecuencia máxima de Conmutación de unsensor de proximidad


Algunos modelos de sensores inductivos

Los sensores inductivos están disponibles en varios tamaños yconfiguraciones 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 corrientedirecta (DC). Los modelos de sensores inductivos típicamente son de 3ó 4 hilos los cuales requieren una fuente de poder separada . Algunosmodelos usan de conmutador transistores NPN y otros usantransistores PNP

Sensor DC de 2 hilos




Operación

Los sensores de proximidad de DC de 3 hilos pueden ser dispositivosya sea de suministro de corriente (sourcing) o de “drenado” decorriente ( sinking).

Los sensores de tipo suministro (sourcing) usan transistores PNP paraconmutar la corriente de carga y los sensores de tipo drenado decorriente (sinking) usan transistores NPN.

El tipo de transistor usado es un factor importante para determinar lacompatibilidad del sensor con la entrada del sistema de control (porejemplo un PLC).


Operación como suministro de corriente (sourcing)

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

Transistor PNP

Carga


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 eltransistor. A esto se refiere cuando se dice que un sensor tiene unasalida de drenado de corriente ya que la dirección de la corriente eshacia el sensor

Transistor NPN

Carga


Operación normalmente abierto y normalmente cerrado

Las salidas pueden ser Normalmente abiertas o normalmente cerradasdependiendo de la condición del transistor cuando el objetivo no estáausente. Si , por ejemplo, el transistor de salida esta Off cuando elobjetivo está ausente , entonces es un dispositivo Normalmenteabierto. Si el transistor de salida está ON cuando el objetivo esteausente éste es un dispositivo normalmente cerrado.

Los transistores también pueden ser dispositivos complementarios ( 4hilos). Se dice que un sensor es de salida complemetaria cuando tienetanto operación como normalmente abierto y normalmente cerradoen el mismo sensor.


Operación normalmente abierto y normalmente cerrado

Sensor de 4 hilos complementario


Símbolos estándar usados para los sensores de 2 hilos

BN = MarrónBK = NegroBU = Azul



PNP contacto nomalmente abierto

PNP contacto nomalmente cerrado

NPN contacto nomalmente abierto

NPN contacto nomalmente cerrado

BN = MarrónBK = NegroBU = Azul



BN=MarronBK=NegroWH= BlancoBU= Azul


Los sensores de proximidad capacitivos son similares a los inductivos.La principal diferencia entre los dos tipos es que los sensorescapacitivos producen un campo electrostático en lugar de un campoelectromagnético.

Los interruptores de proximidad capacitivos sensan objetos metálicostambién como materiales no metálicos tal como papel, vidrio, líquidosy 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 doselectrodos concéntricos de metal de un capacitor.

Cuando un objeto se aproxima a la superficie de sensado y éste entra alcampo electrostático de los electrodos, cambia la capacitancia en un circuitooscilador.

Esto hace que el oscilador empiece a oscilar. El circuito disparador lee laamplitud del oscilador y cuando alcanza un nivel específico la etapa de salidadel sensor cambia.

Conforme el objetivo se aleja del sensor la amplitud del oscilador decrese,conmutando al sensor a su estado 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 sensores capacitivos dependen de la constante dieléctrica delobjetivo. Mientras más grande es la constante dieléctrica de unmaterial es más fácil de detectar.

La gráfica muestra la relación de las constantes dieléctricas

de un objetivo y la habilidad del sensor de detectar el material

basado en la distancia nominal de sensado (Sr).

Co

nst

ante

Die

léct

rica


Tabla de constantes Dieléctricas


Ejemplo de constante dieléctrica

Si un sensor capacitivo tiene una distancia de sensado nominal de 10mm y el objetivo es alcohol, la distancia efectiva de sensado esaproximadamente 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 seafecten adversamente sus características de sensado. Se debe tenercuidado de asegurarse que este tipo de sensores sea usado enambientes secos. Liquido en la superficie puede hacer que el sensordispare 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 ladetección de nivel a través de barreras.

Por ejemplo el agua tiene una constante dieléctrica mucho más altaque el plástico.

Esto le da al sensor la habilidad de “ ver a través “ del plástico ydetectar el agua.

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