Sensores para la técnica de procesos y manipulación

Sistersa pars Ensenanza de .as Tecnicas cJe A xmrnszacldn

Sensores para la Tecnica de Procesos y Manipulacidn

Sensores para la tecnica de procesos y manipulacion

Sensores de proximidad

Conjunto de funciones FP1110 Libro de texto

F. Ebel • S. Nestel

Festo Didactic KG, D-7300 Esslingen 1, 1993

Ne de artfculo: 093 047 Descripcion: NAEH-SCH.LEHRB. Designation: D.LB-FP1110-E Edition: 06/93 Graficos: B. Bohland Layout: 05.08.92, M. Schwarz/S. Sperrfechter Autores: F. Ebel, S. Nestel Traduccion: I. Sahun

© Copyright by Festo Didactic KG. D-7300 Esslingen 1, 1993.

Reservados todos los derechos, incluso los de traduccion. No debe reproducir-se ninguna parte de la obra con ningun metodo (impresion, fotocopia, microfilm u otro sistema); tampoco debe ser procesada o divulgada utilizando sistemas electronicos sin la autorizacion de Festo Didactic KG.

ISBN 3-8127-3047-2

Si sterna para ensenar Automatizacion Festo Didactic

Notas sobre la distribucion de este libra 7 Tabla de contenido

Seccion A: Curso Capi'tulo 1: Notas generales 11 1.1 La importancia de la tecnologfa de los sensores 12 1.2 Terminos 12 1.3 Tfpicas senales de salida de los sensores 14 1.4 Sensores de proximidad 17 1.5 Campos de aplicacion de los sensores de proximidad 20

Capi'tulo 2: Interruptores de posicion electromecanicos 29 2.1 Interruptores de posicion electromecanicos 30 2.1.1 Descripcion del funcionamiento 30 2.1.2 Caracterfsticas tecnicas 31 2.1.3 Notas sobre la instalacion 34 2.1.4 Ejemplos de aplicacion 37 2.2 Interruptores de posicion mecanico-neumaticos 39 2.2.1 Descripcion del funcionamiento 39 2.2.2 Caracterfsticas tecnicas 40 2.2.3 Observaciones sobre su aplicacion 40 2.2.4 Ejemplos de aplicacion : . 41 2.3 Ejercicios 42

Capi'tulo 3: Sensores de proximidad magneticos 43 3.1 Sensores de proximidad Reed 44 3.1.1 Descripcion del funcionamiento 44 3.1.2 Caracterfsticas tecnicas 45 3.1.3 Observaciones sobre la disposicion 49 3.1.4 Ejemplos de aplicacion 51 3.2 Sensores de proximidad magneticos sin contacto 53 3.2.1 Descripcion del funcionamiento 53 3.2.2 Caracterfsticas tecnicas 55 3.2.3 Observaciones sobre la aplicacion 57 3.2.4 Ejemplos de aplicacion 57 3.3 Sensores de proximidad magnetico-neumaticos 58 3.3.1 Descripcion del funcionamiento 58 3.3.2 Caracterfsticas tecnicas 59 3.3.3 Observaciones sobre la aplicacion 59 3.3.4 Ejemplo de aplicacion 59 3.4 Ejercicios 60

3


Capi'tulo 4: Sensores de proximidad inductivos 63 4.1 Descripcion del funcionamiento 64 4.2 Caracteri'sticas tecnicas 68 4.3 Observaciones sobre la aplicacion 70 4.4 Ejemplos de aplicacion 72 4.5 Ejercicios 77

f Capi'tulo 5: Sensores de proximidad capacitivos 79 5.1 Descripcion del funcionamiento 80 5.2 Caracteri'sticas tecnicas 83 5.3 Observaciones sobre la aplicacion 84 5.4 Ejemplos de aplicacion 85 5.5 Ejercicios 90

Capi'tulo 6: Sensores de proximidad opticos 91 6.1 Caracteristicas generales 92 6.2 Sensores de barrera 101 6.2.1 Descripcion del funcionamiento 101 6.2.2 Caracteristicas tecnicas 102 6.2.3 Observaciones sobre la aplicacion 104 6.2.4 Ejemplos de aplicacion 104 6.3 Sensores de retrorreflexion 106 6.3.1 Descripcion del funcionamiento 106 6.3.2 Caracteristicas tecnicas 107 6.3.3 Observaciones sobre la aplicacion 109 6.3.4 Ejemplos de aplicacion 110 6.4 Sensores de reflexion directa 111 6.4.1 Descripcion del funcionamiento 111 6.4.2 Caracteristicas tecnicas 112 6.4.3 Observaciones sobre la aplicacion 114 6.4.4 Ejemplos de aplicacion 119 6.5 Sensores opticos de proximidad con cables de fibra optica 121 6.5.1 Descripcion del funcionamiento 121 6.5.2 Caracteristicas tecnicas 122 6.5.3 Observaciones sobre la aplicacion 124 6.5.4 Ejemplos de aplicacion 128 6.6 Ejercicios 131

Capi'tulo 7: Sensores de proximidad ultrasonicos 137 7.1 Descripcion del funcionamiento 138 7.2 Caracteristicas tecnicas 141 7.3 Observaciones sobre la aplicacion 142 7.4 Ejemplos de aplicacion 147 7.5 Ejercicios 148

4

Sistema para ensenar Automatization Festo Didactic

4-

Capi'tulo 8: Sensores de proximidad neumaticos 149 8.1 Caracterfsticas generales 150 8.2 Sensores de obturacion de fuga (toberas de contrapresion) 152 8.3 Sensores de reflexion 153 8.4 Barreras de aire 154 8.5 Observaciones sobre la aplicacion 155 8.6 Ejemplos de aplicacion 156 8.7 Ejercicios 161

y / Capi'tulo 9: Criterios de seleccion de sensores de proximidad 163 9.1 Material del objeto 165 9.2 Condiciones para la deteccion de objetos 166 9.3 Condiciones de instalacion 166 9.4 Consideraciones ambientales 167 9.5 Aplicaciones de segundad 167 9.6 Opciones/caracterfsticas 168

Capi'tulo 10: Tecnicas de conexion y circuiteria 169 10.1 Tipos de conexion 170 10.1.1 Tecnologfa de 2 hilos 170 10.1.2 Tecnologfa de tres hilos 172 10.1.3 Tecnologfa de cuatro y cinco hilos 173 10.2 Salidas conectando a positivo o negativo : 175 10.2.1 Salida PNP 175 10.2.2 Salida NPN 177 10.3 Tecnologfa de circuitos 179 10.3.1 Conexion en paralelo de sensores de proximidad

utilizando la tecnologfa de dos hilos 180 10.3.2 Conexion en paralelo de sensores de proximidad

utilizando la tecnologfa de tres hilos 181 10.3.3 Conexion en serie de sensores de proximidad

utilizando la tecnologfa de dos hilos 182 10.3.4 Conexion en serie de sensores de proximidad

utilizando la tecnologfa de tres hilos 183 10.4 Tecnologfa de conexion bajo la influencia

de un elevado electromagnetismo 184 10.5 Conexion de controles, reles y elementos de visualizacion 185 10.6 Fuente de alimentacion requerida 186

5

Sistema para ensenar Automatization Festo Didactic

Seccion B: Fundamentos y su posterior analisis Capi'tulo 1: Fundamentos fi'sicos 189

A . \ Fundamentos de los sensores de proximidad inductivos y capacitivos 190

1.2 Fundamentos de los sensores de proximidad magneticos 203 1.3 Fundamentos de los sensores ultrasonicos 211 1.4 Fundamentos de los sensores de proximidad opticos 223 1.5 Curvas caracteri'sticas de sensores de proximidad neumaticos. . . . 236

Capi'tulo 2: Simbologi'a para sensores de proximidad 241

Capi'tulo 3: Terminos tecnicos relacionados con los sensores de proximidad 245

3.1 Terminos generales 246 3.2 Terminos para los valores de las caracteristicas dimensionales . . 249 3.3 Terminos para los valores de las caracteristicas electricas 254 3.4 Terminos para las caracteristicas de tiempos y funcionamiento . . . 255 3.5 Caracteristicas de actuation de los

interruptores de position electromecanicos 257 3.6 Terminos relativos a las condiciones ambientales 259

/ Capi'tulo 4: Estandares y clases de protection 261 4.1 Estandares 262 4.2 Clases de proteccion 264 4.3 Codification por colores 266 4.4 Formas de los sensores de proximidad 268

Capi'tulo 5: Ejecuciones especiales y variantes de los sensores de proximidad 273

.X5 .1 Variantes de los sensores de proximidad inductivos 274 5.2 Variantes de los sensores de proximidad opticos 290

Seccion C: Soluciones a los ejercicios Soluciones a los ejercicios del Capitulo 2 304 Soluciones a los ejercicios del Capi'tulo 3 307 Soluciones a los ejercicios del Capitulo 4 311 Soluciones a los ejercicios del Capitulo 5 314 Soluciones a los ejercicios del Capitulo 6 317 Soluciones a los ejercicios del Capitulo 7 324 Soluciones a los ejercicios del Capitulo 8 326

Indice 329

Notas sobre la distribucion de este libro Festo Didactic

Este libro de texto forma parte del Conjunto de Funciones "Sensores de Proxi- Notas sobre la distribucion midad" (FP1110) y pertenece al Sistema para la Ensenanza de la Tecnica de de este libro Automatizacion de Festo Didactic. En este libro, el instructor se familiariza con el tema de sensores de proximidad. El conjunto de funciones sirve tanto para los programas de formacion profesional, como para el aprendizaje autodidacta. El conjunto de funciones consta de un juego de materiales y de la documenta-cion del aprendizaje.

El libro se divide en la Seccion A "Curso", Seccion B "Fundamentos" y Seccion C "soluciones".

La Seccion A presenta el campo de los sensores de proximidad con indicacio-nes sobre su aplicacion, modos de funcionamiento y caracterfsticas. Se ense-nan las bases fundamentales de los sensores de proximidad y, con la ayuda de ejercicios, se gufa al instructor hacia la resolucion independiente de proble-mas con diferentes aplicaciones de los sensores de proximidad. En la Seccion C se dan las soluciones a los ejercicios.

La Seccion B trata de los fundamentos ffsicos y tecnicos de determinados tipos de sensores de proximidad y contiene una lista de los terminos tecnicos, asf como generalidades sobre los estandares aplicables. Ademas, se des-criben con detalle algunos ejemplos de variantes especiales de los sensores de proximidad. Esta seccion puede trabajarse de la misma forma que la Sec-cion A y tambien puede utilizarse como referenda. Esta es la razon por la que la Seccion A contiene referencias a capftulos tratados en la Seccion B.

El fndice al final del libro, hace posible buscar informacion con la ayuda de palabras clave.

Para cuando se desarrollan ejercicios practicos con el equipo del Conjunto de Funciones FP1110, se dispone como suplemento de un libro adicional de ejer-cicios y de una coleccion de fichas tecnicas de los componentes.

Descripcion Designacion N2 de arti'culo

Libro de ejercicios D.LE-FP1110-E 093 047

Coleccion de fichas tecnicas

D.LM-FP1110-E en preparacion

7


Seccion A

Curso

9

1

Notas generales Festo Didactic

i

j J

Capi'tulo 1

Notas generales

11

A Notas generates Festo Didactic

La siempre creciente automatization de los complejos sistemas de production, necesita la utilization de componentes que sean capaces de adquirir y trans-mits information relacionada con el proceso de production.

Los sensores cumplen con estos requerimientos, y por ello se han convertido en los ultimos anos en componentes cada vez mas importantes en la tecnolo-gi'a de medicion y en la de control en bucle cerrado y abierto. Los sensores proporcionan la information al control en forma de variables individuales del proceso.

Las variables de estado del proceso son, por ejemplo, variables fisicas como temperatura, presion, fuerza, longitud, angulo de giro, nivel, caudal, etc.

Hay sensores para la mayorfa de estas variables fisicas, que reaccionan con cada una de ellas y transfieren las correspondientes senales.

1.2 Terminos relacionados Un sensor tiene las siguientes caracteristicas: con los sensores

• Un sensor es un convertidor tecnico, que convierte una variable fisica (por ejemplo, temperatura, distancia, presion) en otra variable diferente, mas fa-cil de evaluar (generalmente una serial electrica)

• Expresiones adicionales a los sensores son: Codificadores (encoders), efectores, convertidores, detectores, transductores, iniciadores

• Un sensor no necesariamente tiene que generar una serial electrica. Ejemplo: Los finales de carrera neumaticos, producen una serial de salida neumatica (en terminos de cambio de presion)

• Los sensores son dispositivos que pueden funcionar tanto por medio de contacto fi'sico, por ejemplo, finales de carrera, sensores de fuerza, como sin contacto ffsico, por ejemplo, barreras fotoelectricas, barreras de aire, detectores de infrarrojos, sensores de reflexion ultrasonicos, sensores mag-neticos, etc.

• Incluso un simple final de carrera puede considerarse como un sensor

• Dentro de un proceso controlado, los sensores representan los "percepto-res" que supervisan un proceso, indicando los errores, recogiendo los esta-dos y transmitiendo esta information a los demas componentes del proce-so.

Para hacer una comparacion humana: Ojo cerebro (facultad visual) -» miembros

Un sensor es util solo con respecto al proceso o a su evaluation. Por ejemplo Ojo + facultad visual —> reconocimiento de siluetas, colores, vision en 3D, secuencias de movimientos.

1.1 La importancia de la tecnologfa de los sensores

12


Ademas de la expresion "sensor", tambien se utilizan los siguientes terminos:

Por componente de un sensor entendemos una parte de un sensor o de un Componente de un sei sistema sensor que registra una variable medida, pero que no permite una utilizacion independiente, dado que se precisa un procesamiento de la serial y un pre-montaje (caja, conexiones).

Un sistema sensor consiste en varios componentes de medida y evaluacion, a Sistema sensor menudo con una parte significativa de funciones de procesamiento de senales. Los componentes son a menudo modulares y pueden ser intercambiados den-tro de la misma familia de productos. Ademas de los sensores, tambien se dispone de procesadores de senales, microordenadores e interfaces de datos compatibles para el acondicionamiento de las senales.

Ejemplo: Sistemas de procesamiento de imagenes con sensores de imagen CCD, sistemas de medicion por laser, sistemas de identificacion.

En el caso de estas capacidades de procesamiento de las senales, se habla de sensores "inteligentes" o de sensores activos (smart sensors).

Sistema sensor con varios tipos de sensores similares o diferentes. Sistema multi-sensor

Ejemplo:

• Un sensor de temperatura y humedad o de presion y temperatura, cada uno formando parte del mismo dispositivo

• Una combinacion de varios sensores de proximidad para distinguir la forma y el material de una pieza

• Una combinacion de varios sensores qufmicos para gases, con la cual, y a traves de la respuesta solapada de los rangos y por medio de una evalua-cion inteligente, proporcionan una mayor informacion como conjunto de la que emitiri'an como sensores individuales

• Utilizacion de varios organos sensitivos del hombre (olfato, gusto, vista, tac-to de la lengua) durante la ingestion de alimentos.

13


T 2 ^as senates de salida Cuando se utilizan sensores, es importante conocer los diferentes tipos de 2e los sensores senates de salida.

Tipo A:

Sensores con serial de salida por interruption (serial de salida binaria).

Ejemplos: Sensores de proximidad Presostatos Sensores de nivel Sensores bimetalicos

Por norma, estos sensores pueden conectarse directamente a los controles logicos programables (PLC)

Tipo B:

Sensores con salida por trenes de pulsos

Ejemplos: Sensores incrementales de longitud y rotativos

Generalmente se dispone de interfaces compatibles para PLC. Requerimientos del PLC: que dispongan de contadores de hardware y software con posibilidad de una mayor longitud de palabra.

Tipo C:

Componentes de sensores con salida analogica y sin amplificador integrado ni conversion electronica, que proporcionan una serial de salida analogica muy debit, no apta para una evaluation inmediata (por ejemplo, en la gama de los milivoltios) o de una serial que solamente puede ser evaluada utilizando circui-terfa adicional.

Ejemplos: Componentes de sensores piezorresistivos o piezoelectricos Celulas termoelectricas o Pt-100 Magnetorresistores y componentes de sensores de efecto Hall Sondas de medida de conductividad y pH Potenciometros lineales

A menudo hay aplicaciones donde, en el caso de producciones elevadas, el usuario elige sus propias soluciones electronicas.

14


Tipo D:

Sensores con salidas analogicas, amplificador y conversion electronica integra-dos, que proporcionan senales de salida que pueden evaluarse inmediatamente.

Ejemplos ti'picos de senales de salida:

0 .. 10V -5 V .. + 5 V

1 .. 5 V 0 .. 20 mA

-10 .. + 10 mA 4 .. 20 mA

Tipo E:

Sensores y sistemas de sensores con serial de salida estandarizada, por ejemplo, RS 232-C, RS 422-A, RS 485 o con interface a buses de datos tales como bus de campo (profibus, bus-sensor-actuador).

15


Sensores binarios y analogicos

E emplos de sensores binarios

Los sensores binarios son sensores que convierten una magnitud fisica en una serial binaria, principalmente en una serial electrica con los estados "ON" o "OFF" (conectado o desconectado).

• Final de carrera

• Sensor de proximidad

• Presostato

• Sensor de nivel

• Termostato.

Ejemplos de sensores analogicos

Los sensores analogicos son sensores que convierten una magnitud ffsica en una serial analogica, principalmente una serial electrica de tension o de inten-sidad.

• Sensores de longitud, distancia o desplazamiento

• Sensores para movimiento lineal y rotativo

• Sensores para superficies, formas y geometri'a

• Sensores de fuerza

• Sensores de peso

• Sensores de presion

• Sensores de par

• Sensores de flujo (para gases y fluidos)

• Sensores de caudal (para materiales solidos)

• Sensores de nivel de llenado

• Sensores de temperatura y otros valores termicos

• Sensores para valores opticos

• Sensores para valores acusticos

• Sensores para valores electromagneticos

• Sensores para radiaciones fisicas

• Sensores para substancias qui'micas

• Sensores para caracteristicas fisicas.

16


1.5

En este libro de texto, se trata principalmente de los sensores con "posiciones discretas", es decir, sensores que detectan si un objeto se halla o no en una determinada posicion. Estos sensores se conocen como sensores de proximi-dad. Los sensores de este tipo proporcionan una informacion de "Si" o "No" dependiendo de si el objeto ha alcanzado o no la posicion definida. Estos sensores que indican solamente dos estados, se conocen tambien como sen-sores binarios o menos comunmente como iniciadores.

1.4 Sensores de proximidad

En muchos sistemas de produccion, se utilizan interruptores mecanicos de po-sicion para identificar la ejecucion de movimientos. Otros terminos tambien utilizados son microrruptores, finales de carrera, valvulas limitadoras. Puesto que los movimientos se detectan por medio de contactos, deben cumplirse ciertos requisitos constructivos. Ademas estos componentes estan sometidos a desgaste. En contra, los sensores de proximidad funcionan electronicamente y sin contacto.

Las ventajas de los sensores de proximidad sin contacto son:

• Deteccion precisa y automatica de posiciones geometricas

• Deteccion sin contacto de objetos y procesos; utilizando sensores electroni-cos de proximidad, no es preciso el contacto entre el sensor y la pieza

• Caracterfsticas de conmutacion rapidas; dado que la serial de salida se genera electronicamente, los sensores estan libres de rebotes y no crean errores en las senales emitidas

• Resistencia al desgaste; los sensores electronicos no contienen partes mo-viles que puedan desgastarse

• Numero ilimitado de ciclos de conmutacion

• Versiones disponibles incluso para utilizacion en ambientes peligrosos (por ejemplo, en ambientes con riesgo de explosion).

Ventajas de los sensores de proximidad

17


Actualmente, los sensores de proximidad se utilizan en muchas areas de la industria por las razones mencionadas anteriormente. Se utilizan para el con-trol de secuencias en instalaciones tecnicas y como tales para supervision y salvaguarda de procesos. En este contexto, los sensores se utilizan para la detection anticipada, segura y rapida de fallos en los procesos de production. La prevention de danos a las personas y maquinas es otro factor importante a considerar. Tambien puede alcanzarse una reduction en los tiempos de paro de las maquinas por medio de los sensores, ya que el fallo es rapidamente detectado y localizado.

La Fig. 1.1 muestra los diferentes tipos de sensores de position sin contacto en grupos separados, de acuerdo a sus principios fi'sicos y tipo, donde basica-mente cada sensor puede ser del tipo binario o analogico. En esta ocasion, trataremos solamente con los tipos binarios.

18


1.5

Sensores de posicion magneticos

Sensores de posicion inductivos

Sensores de posicion capacitivos

Sensores de posicion

opticos

Sensores de posicion ultrasonicos

Sensores de posicion neumaticos

analogicos:...

binarios: sensores de proximidad magneticos

con contacto

sin contacto

salida neum&ica

analogicos: ...

binarios: sensores de proximidad inductivos

analogicos:...

binarios: sensores de proximidad capacitivos

analogicos:

binarios: sensores de proximidad opticos

Barreras de luz

Barreras con/sin CFO

Reflex con/sin CFO*

Sensores reflexion directa.

Con CFO*

sin CFO

analogicos: ...

binarios: sensores de proximidad ultrasonicos

Barreras uitrasonicas

Sensores ultrasonicos

sensores de proximidad neumaticos

Sensores obturacion fuga

Sensores reflex

Barreras de aire

Resumen de los sensores de proximidad

Fig. 1.1: Clasificacion de los sensores para deteccion de posicion

( CFO = Cable de fibra optica)

19

4.


Tensiones de funcionamiento En los pai'ses Europeos, los sensores de proximidad funcionan generalmente con una tension nominal de 24 V DC (corriente continua), por lo cual los sen-sores estan generalmente disenados para trabajar en un rango entre 10 y 30 V o entre 10 y 55 V.

En el Sudeste Asiatico, Norte y Sudamerica, asi como en Australia y Sudafri-ca, se estima que el 30% de los sensores de proximidad opticos e inductivos funcionan con AC (corriente alterna).

Los sensores de proximidad inductivos, capacitivos y opticos a menudo estan disponibles no solamente para corriente continua sino tambien para alterna, cuyas tensiones usuales son 24 V, 110 V, 120 V o 220 V. Los sensores de proximidad inductivos, capacitivos y opticos tambien estan disponibles en ten-siones universales, los cuales pueden conectarse tanto a corriente continua como alterna, por ejemplo, en el rango de los 12 V a 240 V DC o 24 V a 240 V AC. Otros fabricantes, por ejemplo, ofrecen ejecuciones para 20 V a 250 V DC AC (por ejemplo 45 - 65 Hz). Un termino utilizado en estos casos es el de ejecucion en tensiones universales (UC).

1.5 Campos de aplicacion Los campos de aplicacion tfpicos para los sensores de proximidad son las de los sensores de areas de: proximidad

• Industria del automovil

• Ingenieria mecanica

• Industria del embalaje

• Industria de la madera

• Industria de la impresion y papeleras

• Industria de la alimentation

• Industria ceramica y de construction.

Las posibilidades de aplicacion de los sensores de proximidad en la tecnica de automatization son tan diversas y amplias que es imposible abarcar una des-cription completa. Sin embargo en este libro se ofrece una selection de ejem-plos tfpicos de posibles aplicaciones.

20


1.5

En aplicaciones para detectar si hay un objeto en una determinada posicion; Ejemplos de aplicacion de por ejemplo para el funcionamiento de cilindros neumaticos, accionadores sensores de proximidad electricos, pinzas, barreras de proteccion, sistemas de arrollado y puertas.

Fig. 1.2: Deteccion sin contacto

En aplicaciones de posicionado de piezas, por ejemplo, en centros de mecani-zado, correderas de transferencia de piezas, cilindros neumaticos.

Fig. 1.3: Deteccion de la posicion

21


Aplicaciones de conteo de piezas y secuencias de movimiento, por ejemplo, cintas transportadoras, dispositivos de clasificacion.

Fig. 1.4: Conteo de elementos

Aplicaciones para medicion de la velocidad de rotation, por ejemplo, de engra-najes, o para detectar velocidad cero.

Fig. 1.5: Deteccion de movimientos giratorios

22


Aplicacion para deteccion de material, por ejemplo, para suministrar o clasificar material (reciclado).

Fig. 1.6: Discrimination de materiales

Aplicacion para definir el sentido de un movimiento lineal o rotativo, por ejem-plo, definiendo el sentido de las piezas clasificadas.

1.5

Fig. 1.7: Deteccion del sentido de movimiento

Hay sensores inductivos capaces de detectar el movimiento de un objeto en un sentido y no en el opuesto (funcion de "retorno en vacfo", ver pagina 281).

23


Aplicaciones de supervision de herramientas

n

Fig. 1.8: Verification de rotura de broca

Aplicacion para supervision de niveles de llenado por medio de sensores de proximidad opticos, capacitivos o ultrasonicos.

Fig. 1.9: Detection del nivel de lenado

24


Aplicacion para la medicion aproximada de distancias (distancia x)

Fig. 1.10: Medicion de distancias

25

r


Aplicacion para medicion de la velocidad (velocidad v)

Fig. 1.11: Medicion de la velocidad de desplazamiento de un objeto

26


Aplicacion para la proteccion de maquinas contra contacto peligroso

\

1.5

Fig 1.12: Prevention de accidentes, por ejemplo, por medio de sensores

Nota: Las barreras fotoelectricas utilizadas en la prevencion de accidentes, a menudo deben satisfacer ciertas condiciones que se detallan en regulaciones especfficas, segun requerimientos concretos de cada pais.

27


Aplicaciones para la detection de la forma de un objeto por medio de varios detectores de proximidad dispuestos siguiendo el contorno.

Fig. 1.13: Detection de la forma de un objeto

28

Interruptores de posicion electromecanicos Festo Didactic

Capitulo 2

Interruptores de posicion electromecanicos

A 2."

A £ Interruptores de posicion electromecanicos Festo Didactic

2.1 Interruptores de posicion electromecanicos

2.1.1 Descripcion del Con los finales de carrera mecanicos, se establece o se interrumpe un contac-funcionamiento to electrico por medio de una fuerza externa. La vida util del contacto es de un

maximo de unos 10 millones de ciclos de interruption. Dependiendo del dise-no, pueden transmitirse tensiones e intensidades relativamente elevadas. En el caso de un final de carrera mecanico, el espacio que separa dos contactos abiertos de diferente polaridad se conoce como el intervalo entre contactos. Los tiempos de conmutacion de los finales de carrera mecanicos son entre 1 y 10 ms. Cuando se utilizan interruptores electromecanicos para operaciones de conteo, deben tenerse en cuenta los posibles rebotes de los contactos.

1 Muelle de compresion 2 Caja 3 Disco de retencion 4 Contactos normalmente abiertos 5 Contactos normalmente cerrados

6 Muelle arqueado 7 Muelle de presion de contactos 8 Lamina de contacto 9 Perno de gui'a

Fig. 2.1: Final de carrera (accionado y sin accionar)

30


Pueden diferenciarse los siguientes tipos de finales de carrera electromecani-cos:

• Interruptores miniatura de posicion, microrruptores miniatura y subminiatura

• Interruptores de control, finales de carrera

• Interruptores de ruptura brusca o de contacto progresivo

• Interruptores de posicion al aire

• Interruptores de posicion sumergidos en plastico

• . Interruptores de posicion sumergidos en metal

• Interruptores de posicion de seguridad

• Interruptores de posicion de precision.

Los componentes mas importantes de un final de carrera o microrruptor meca-nico son sus contactos. Los materiales mas ampliamente utilizados para los contactos son: m'quel-oro, oro fino, plata, oxido de plata-cadmio, plata-paladio y niquel-plata. Haciendo una correcta eleccion de los materiales del contacto, es posible alcanzar unas condiciones favorables de funcionamiento en cual-quier campo de aplicacion de los finales de carrera.

2.1.2 Caracteristicas tecnicas

31


Empleando accesorios, los finales de carrera pueden utilizarse para una am-plia gama de posibles aplicaciones. Los tipos clasicos de estos accesorios se muestran en la figura inferior.

Fig. 2.2: Accesorios para finales de carrera mecanicos a) Rodillo b) Rodillo con retorno en vacio c) Antena

32


Capacidad de ruptura (carga resistiva) p.ej. 24 V DC, 6 A 250 V AC, 6 A

Precision del punto de conmutacion de 0.01 a 0.1 mm (Precision del interruptor hasta 0.001 mm)

Frecuencia de conmutacion aprox. 60... 400 operaciones de conmutacion/min

Vida util 10 Mill, de ciclos de ruptura

Clase de proteccion (IEC 529, DIN40050) de I POO a IP67

Table 2.1: Datos tecnicos de un final de carrera

33


2.1.3 Notas sobre la instalacion

Puesto que los finales de carrera son componentes de precision mecanica, debe observarse lo siguiente en los que respecta a su instalacion:

• Precision en relation con el montaje (holgura precisa entre el componente que actua el microrruptor y el objeto o leva)

• Rigidez de la conexion del interruptor/soporte de montaje

• Cuidadosa observancia de los dispositivos de actuation (aproximacion fron-tal o lateral).

Debe tenerse cuidado cuando se realizan las conexiones electricas. En el caso de conexiones a presion o atornilladas, deben utilizarse terminales aislados. Si los cables se sueldan, debe tenerse cuidado de no recalentar los contactos durante la soldadura. Una carcasa deformada puede producir un funciona-miento defectuoso del microrruptor. Las lineas de conexion al final de carrera deben mantenerse libres de tensiones mecanicas.

Si el final de carrera debe accionarse directamente, hay que tener en cuenta que no puede utilizarse como tope mecanico (salvo que este previsto para este fin).

Hay aplicaciones, en las que las desventajas de los finales de carrera mecani-cos, tales como la actuation con contacto, rebotes o desgastes, no son impor-tantes. En tales casos, es posible aprovechar ventajosamente estos compo-nentes de precio relativamente moderado.

Las areas tfpicas de aplicaciones de los finales de carrera mecanicos incluyen, por ejemplo, lugares donde hay un ambiente con elevado ruido electrico como resultado de campos electromagneticos, tal como es el caso de las instalacio-nes de soldadura, donde los sensores electronicos de proximidad podrian fun-cionar incorrectamente.

34


Hay interruptores de final de carrera con punto de conmutacion de muy eleva-da precision, hasta 0,001 mm, que se utilizan para tareas donde se requieren estas elevadas precisiones.

Con interruptores de posicion electromecanicos, debe restringirse la maxima intensidad, ya que esta puede conducir a la formacion de arcos de descarga durante la conmutacion y por lo tanto a la destruccion de los contactos. Una resistencia en serie sirve como limitador de corriente, prolongando asi la vida util de los contactos.

Cuando se interrumpen cargas inductivas, se crea un pico de alta tension en el momento de la interrupcion. Por esta razon, debe preverse un circuito de proteccion para los contactos del final de carrera.

El circuito de proteccion puede ser tanto un elemento RC adecuado, como un diodo o un varistor (ver esquema). Los valores electricos de estos componen-tes dependen de la potencia del elemento que activa el contacto (por ejemplo, un rele o un contactor, etc.)

Si se activa un rele o un contactor, es esencial que se respeten los datos tecnicos del interruptor y del rele o del contactor.

La potencia de llamada de un rele o de un contactor es varias veces mayor (de 8 a 10 veces) que la potencia de mantenimiento. Por ello es importante utilizar la potencia de llamada como valor de referencia principal.

35


RL= Resistencia de carga L = Inductancia de carga R = Resistencia de proteccion C = Condensador de proteccion D = Diodo o varistor de proteccion

Fig. 2.3: Circuitos de proteccion para sensores electromecanicos de posicion

36


2.1

2.1.4 Ejemplos de aplicacion

Fig. 2.4: Vigilancia de una puerta

Fig. 2.5: Interruptor de luces de freno

37


Fig. 2.6: Comprobacion de la posicion final de una mesa de transferencia

38


2.2

2.2 Interruptores de posicion mecanico-neumaticos

Con este tipo de sensor de proximidad, se influye directamente sobre un cir-cuito neumatico por medio del efecto mecanico que produce el acercamiento de un objeto. Una leva, por ejemplo, actua sobre una valvula neumatica. En lo que se refiere al diseno, este tipo de valvula es similar al descrito anteriormen-te al tratar del interruptor electromecanico de posicion. Sin embargo la ventaja del interruptor neumatico es la ausencia de contactos electricos y, por lo tanto, la imposibilidad de que se quemen.

2.2.1 Descripcion del funcionamiento

1 (P) = Alimentation de aire 2 (A) = Linea de trabajo o salida 3(R) = Escape

Fig. 2.7: Sensor neumatico de posicion (micro valvula de leva)

39

A 2.2



Presion de trabajo - 0.95... + 8.00 bar

Temperatura - 10°C... + 60°C

Fuerza de actuation a 6 bar 6...10 N

Punto de ruptura depende de la presion, varfa un maximo de 0,8 mm con presiones entre 0...8 bar

Table 2.2: Caracteristicas tecnicas de un sensor de posicion neumatico-mecanico (ejemplo)

2.2.3 Observaciones sobre Aquf vale lo mismo que lo destacado en el apartado 2.1.3 su aplicacion

Estos finales de carrera se utilizan preferentemente en aplicaciones donde ya se utilizan componentes neumaticos. En este caso, la alimentation de aire comprimido que precisan los finales de carrera ya esta disponible y no es necesario convertir la senal de salida del sensor en un valor electrico.

40


2.2


Fig. 2.8: Inversion de un cilindro de doble efecto, por medio de sensores de posicion ajustables. (La posicion de los sensores puede ajustarse a la carrera requerida

J

sJil Fig. 2.9: Funcion auxiliar en la elevacion de piezas delgadas

41


2.3 Ejercicios Ejercicio 2.3.1 Circuitos de proteccion para finales de carrera electromecanicos

Describir los diferentes tipos de carga que pueden producirse en la conexion de un final de carrera. No es necesario tener en cuenta tipos de cargas mix-tos. Indicar las diferentes opciones de circuitos de proteccion.

Ejercicio 2.3.2 Conexion de potencias electricas muy bajas

Debe utilizarse un final de carrera para interrumpir una potencia muy baja. La tension es de aproximadamente 5 V DC y la intensidad inferior a 1 mA. En estas condiciones, incluso la mas pequena suciedad en los contactos puede provocar fallos. Sugiera un circuito que pueda compensar este problema.

42

Sensores de proximidad magneticos Festo Didactic A

Capi'tulo 3

Sensores de proximidad magneticos

43


3 ' Sensores de proximidad Reed

3.1.1 Descripcion del Estos sensores de proximidad, reaccionan ante los campos magneticos de funcionamiento imanes permanentes y de electroimanes.

En el caso de un sensor reed, las laminas de contacto estan hechas de mate-rial ferromagnetico (Fe-Ni aleado, Fe= hierro, Ni= niquel) y estan selladas den-tro de un pequeno tubo de vidrio.

El tubo se llena con un gas inerte, por ejemplo, Nitrogeno (gas inerte significa un gas no activo ni combustible).

Fig. 3.1: Sensores magneticos de proximidad reed

Si se acerca un campo magnetico al sensor de proximidad, las laminas se unen por magnetismo y se produce un contacto electrico.

44


La tabla inferior muestra algunos de los datos tecnicos mas importantes rela- 3.1.2 Caracterfsticas cionados con los contactos de estos sensores de proximidad. tecnicas

Tension de conmutacion 12 V... 27 V DC o AC

Precision de conmutacion ±0.1 mm

Potencia maxima de interrupcion 40 W

Max. interferencia magnetica 0.16 mT

Max. corriente de ruptura 2 A

Frecuencia maxima de conmutacion 500 Hz

Tiempo de conmutacion < 2 ms

Conductancia 0.1 £2

Vida util del contacto (con circuito de proteccion) 5 • 106 ciclos de conmutacion •

Clase de proteccion IEC 529, DIN 40 050 IP 66

Temperatura de funcionamiento -20°C... 60°C

Tabla 3.1: Caracterfsticas tecnicas de los sensores de proximidad reed

45


Los sensores de proximidad reed a menudo poseen un diodo emisor de luz incorporado, para indicar su estado. La Fig. 3.2 ilustra las conexiones internas y externas. Los diodos emisores de luz, junto con la resistencia en serie, asu-men la funcion de un circuito de proteccion para una carga inductiva.

* L,

f L :

- f c b -

BN(1) O-

l BK(4) - O

BU(3) -O-

- O +24VDC

1

• O 0 V

RL = Resistencia de carga; Li, L2 = Diodos emisores de luz (LED); R = Resistencia de proteccion

Fig. 3.2: Esquema de un sensor de proximidad reed con diodos emisores de luz (LED)

46


Cuando se desplaza un iman permanente ante un sensor de proximidad reed, son posibles diferentes acciones (ver Fig. 3.3). El rango de conmutacion de-pende de la orientacion del eje polar del iman.

Fig. 3.3: Caracterfsticas de la respuesta de un sensor de proximidad reed

47


Fig. 3.4: Ejemplos de interruptores magneticos reed para la detection de las posiciones de un cilindro ("sensores de cilindro")

48

Sensores de proximidad magneticos Festo Didactic A A 3.1

Cuando se utilizan sensores de proximidad reed, es importante asegurarse de que no haya interferencias cerca del sensor, cuyo campo magnetico exceda de 0,16 mT (T=Tesla). Si este fuera el caso, el sensor deberfa apantallarse correspondientemente.

3.1.3 Observaciones sobre la disposicion

Si se montan varios cilindros neumaticos con sensores de proximidad, se re-quiere una distancia minima de 60 mm entre los sensores de proximidad y las paredes externas de los cilindros adyacentes. Si se reduce esta distancia, pue-de producirse puntos de conmutacion no deseados.

Con sensores reed, debe reducirse el maximo flujo de corriente. De lo contra-rio esto puede provocar un arco de descarga durante la conexion o la desco-nexion y ello ocasionar que se quemen las laminas de contacto. Una resisten-cia en serie hace de limitadora de corriente y prolonga la vida de los contac-tos.

Cuando se interrumpen cargas inductivas, se crea un elevado pico de tension en el momento de la desconexion. Por esta razon debe preverse un circuito de proteccion para el sensor de proximidad, a no ser que ya lleve uno incorpora-do.

El circuito de proteccion puede ser tanto un elemento RC adecuado, como un diodo o un varistor (ver esquema). Los valores electricos de estos componen-tes dependen de la potencia del elemento que activa el contacto (por ejemplo, un rele o un contactor, etc.)

Si se activa un rele o un contactor, es esencial que se respeten los datos tecnicos del interruptor y del rele o del contactor.

La potencia de llamada de un rele o de un contactor es varias veces mayor (de 8 a 10 veces) que la potencia de mantenimiento. Por ello es importante utilizar la potencia de llamada como valor de referencia principal.

49


RL= Resistencia de carga L = Inductancia de carga R = Resistencia de proteccion C = Condensador de proteccion D = Diodo o varistor de proteccion

Fig. 3.5: Circuitos de proteccion para contactos reed

50

Sensores de proximidad magneticos Festo Didactic A 3.1


Fig. 3.6: Cilindro neumatico con sensores de proximidad magneticos. Los sensores de proximidad se utilizan para la deteccion de las posiciones finales, aprox. a unos 10 mm del final de la carrera.

• La aplicacion mas ampliamente conocida y utilizada: Detectores de posicion de cilindros

• Con la utilizacion de sensores de proximidad magneticos pueden solventar-se muchos otros problemas de deteccion si al objeto a detectar se le aplica un iman, por ejemplo:

• Medicion de la velocidad de rotacion de piezas de cualquier material • Deteccion selectiva de piezas individuales de series similares • Sistemas de codificacion por desplazamiento incremental • Dispositivos de conteo • Interruptores de puertas • Posicionamiento de material.

51


Fig. 3.7: Principio de funcionamiento de los sensores de proximidad magneticos para la detection de las posiciones de un cilindro

a) El sensor de proximidad esta sin activar; los contactos estan abiertos. b) Cuando se aproxima un campo magnetico, los contactos se cierran.

52


3.2

Sensores de proximidad magnetico-inductivos

3.2 Sensores de proximidad magneticos sin contacto


Estos sensores de proximidad, similares a los sensores de proximidad inducti-vos, tienen un oscilador incorporado (circuito oscilador LC). Sin embargo, en contraste con los sensores de proximidad inductivos, la bobina osciladora no es del tipo con nucleo de media capa, que crea un campo magnetico directa-mente hacia afuera, sino una bobina con un nucleo de capa cerrada, es decir, una bobina con un nucleo de ferrita apantallado. Al acercar un iman perma-nente, el material del nucleo del oscilador se satura causando con ello una variacion en la corriente del oscilador del sensor de proximidad. Una etapa de disparo evalua el cambio y lo convierte en una serial de salida definida. El rango de conmutacion de este tipo de sensores de proximidad depende de la orientacion el eje polar del iman (ver pagina 56. Fig. 3.9). Estos sensores de proximidad solamente reaccionan ante campos magneticos, y no ante cual-quier objeto metalico.

B 1 3> B 1

Indicador LED en el lado opuesto

Superficie activa

Conexion utilizando conector acodado

Fig. 3.8: Sensor de proximidad magnetico-inductivo

53

A 3.2


Sensores de proximidad magnetorresistivos

Las cintas resistentes (por ejemplo Wi o InSb; Wi=Bismuto, In—Indio, S b ^ " -monio) cambian su resistencia electrica ante campos magneticos. Este e f e r : es decir, la magnetorresistencia, puede utilizarse para varios tipos de se-s i -res.

Sensores de proximidad de efecto Hall

Si un semiconductor (por ejemplo, InSb) se expone a un campo magnetico s-e crea una tension perpendicular a la direction de la corriente, es decir, la llama-da tension de Hall. Se aplican ciertas dimensiones fisicas en este caso part cu-lar, es decir, el grueso de la placa debe ser pequeno en comparacion cor el largo y el ancho. Pueden generarse tensiones de hasta 1,5 V.

El efecto fisico subyacente se conoce como el efecto Hall, por el nombre del fisico americano que lo descubrio, E. Hall.

Los sensores de proximidad Wiegand

Los sensores Wiegand consisten en un hilo hecho de una aleacion ferroma;-netica de vanadio, cobalto y hierro. La direction de la magnetization de es:e hilo cambia espontaneamente cuando un campo magnetico que se acerq^e excede de cierto valor. Si se arrolla una bobina alrededor de este hilo Wie-gand, se induce una tension de hasta 3 V.

En printipio, los sensores Wiegand no requieren alimentation externa de co-rriente.

54

Sensores de proximidad magneticos Festo Didactic

A partir de aqui, solamente se consideraran los sensores magneticos de proxi-midad del tipo inductivo.

Tension de funcionamiento 10... 30 V

Intensidad maxima de ruptura 200 mA

Induccion minima de respuesta 2... 35 mT

Maxima interferencia magnetica 1 mT

Recorrido de respuesta (depende de la fuerza del campo y del cilindro) 7... 17 mm

Histeresis 0.1... 1.5 mm

Precision del punto de ruptura + 0,1 mm

Cafda de tension (a la intensidad maxima) 3 V

Cin sumo de corriente (en vaci'o) 6.5 mA max

Temperatura de funcionamiento -20°C... 70°C

Frecuencia de conmutacion 1000 Hz

Proteccion IEC 529, DIN 40 050 IP 67

Proteccion para cargas inductivas integrada

3.2

tecnicas

Tabla 3.2: Datos tecnicos de un sensor de proximidad del tipo magnetico-inductivo (ejemplo)

Los sensores de proximidad magnetico-inductivos, tienen las siguientes venta-jas basicas en comparacion con los sensores de proximidad con contactos reed.

• No hay problemas con los rebotes de los contactos

• No tienen desgaste al no haber partes moviles

• Se crea solamente una area de conmutacion, si el eje polar magnetico se alinea adecuadamente (ver Fig. 3.9).

55


Fig. 3.9: Caracteristicas de la respuesta de un sensor de proximidad magnetico-inductivo

56


3.2

Debe tenerse en cuenta en la utilizacion de sensores de proximidad, que estos pueden presentar un comportamiento asimetrico de conexion. Por lo tanto, debe verificarse que el sensor conmute de forma fiable en condiciones reales. Los materiales ferromagneticos cerca de un sensor de proximidad, pueden hacer cambiar su respuesta o producir interferencias al igual que cuando estos sensores se utilizan bajo la influencia de fuertes campos magneticos como sucede, por ejemplo, en los equipos de soldadura o en las fundiciones de aluminio con hornos electricos.

3.2.3 Observaciones sobre la aplicacion

Si se montan varios cilindros neumaticos con sensores de proximidad magneti-cos, se requiere una distancia minima de 60 mm entre los sensores de proxi-midad y las paredes externas de los cilindros adyacentes.

Los sensores de proximidad magnetico-inductivos, generalmente llevan un cir-cuito de proteccion incorporado para poder interrumpir cargas inductivas, asi como para protegerle de los picos de tension. En este caso esta de mas un circuito de proteccion adicional.

Uno de los campos mas comunes de aplicacion de los sensores de proximidad 3.2.4 Ejemplos de aplicacion magneticos sin contacto es, como en el caso de los sensores de proximidad con reed, la deteccion de la posicion del embolo en los cilindros neumaticos (ver Fig. 3.6). Sin embargo, estos sensores pueden utilizarse para muchas otras aplicaciones, al igual que los sensores de proximidad reed, como se indica en 3.1.4.

57

A 3.3


3.3 Sensores de proximidad magnetico-neumaticos


Se acciona una valvula neumatica por medio de un iman permanente, gene-rando con ello una serial de control.

2

1 Lamina reed 2 Iman permanente en el embolo 3 Conducto flexible

Fig. 3.10: Principio de funcionamiento de un sensor de proximidad magnetico-neumatico para detection de la position de un cilindro.

a) El sensor de proximidad esta sin activar; una lamina reed interrumpe el flujo de aire de P.

b) La lamina es atraida por un campo magnetico; el aire fluye de P hacia A.

58


3.2

Presion de funcionamiento 4... 6 bar

Presion de la serial 40 mbar a 125 mbar, segun la presion de alimentacion, o bien: hasta la presion de alimentac.

Precision de ruptura ± 0.2 mm

Max, interferencia magnetica 0.2 mT

Frecuencia de conmutacion aprox. 50 Hz

Temperatura de funcionamiento - 20°C... + 60°C


Tabla 3.3: Caracteristicas tecnicas de un sensor de proximidad magnetico-neumatico (ejemplo)

El sensor de proximidad corresponde en principio a una barrera de aire, en la que una lamina de conmutacion obtura el flujo de aire de una serial inminente. Al acercarse el campo magnetico (por ejemplo, el iman permanente del embo-lo de un cilindro neumatico), la lamina es atrafda y libera el flujo de aire, creando asf una senal en la salida. Algunos tipos de sensor funcionan en combinacion con amplificadores de presion.

La distancia entre dos sensores de proximidad neumatico-magneticos, deberia 3.3.3 ser por lo menos de 50 mm. Debe comprobarse que el campo magnetico disponible sea suficiente para un funcionamiento fiable del sensor de proximi-dad.

Observaciones sobre la aplicacion

Si la senal de salida de baja presion va a utilizarse para un posterior proceso, es recomendable instalar en serie un amplificador de presion.

Los sensores de proximidad neumatico-magneticos se utilizan preferentemente 3.3.4 para deteccion de la posicion del embolo en cilindros neumaticos. Son especialmente adecuados para soluciones puramente neumaticas, es de-cir, aquellas en las que el aire comprimido es la unica fuente de energfa.

Ejemplo de aplicacion

59

3.4


3.4 Ejercicios Ejercicio 3.4.1 Velocidad maxima de paso del embolo de un cilindro neumatico, ante un sensor de proximidad reed Calcular la velocidad maxima de paso del embolo de un cilindro neumatico, cuya posicion debe detectarse por medio de un contacto reed. Para ello, asu-mir que el tiempo de conmutacion del sensor de proximidad utilizado es de 2 ms y tomar el recorrido de respuesta de la tabla 3.4. Calcular el valor para un cilindro Festo, tipo DNNZ con un diametro de 80 mm como ejemplo. iCual sera la maxima velocidad si, por ejemplo, debe activarse una electroval-vula con un tiempo de conmutacion de 15 ms?

Diam. embolo

mm

Tipo Histeresis Hmax.mm

Recorrido respuesta Smin.mm

SME* SMP SME SMP*

8 ESN,DSN 2 1,5 7 9

10 ESN,DSN 2 1,5 5 9

12 ESN,DSN 2 2 8 11

16 ESN,DSN 2 2 6 9

20 ESN,DSN 2 2,5 7 9 20

DGS

25 ESN,DSN 1,5 2 6 17 25

DGS 2 1,5 7 10 H

/ I

/ 4

/ 3 J X 1

25

DGS 2 1,5 7 10 H

/ I

b

/ 1 N 5 ^ !

/ 4

/ 3 J X 1

32 ESW.DSW 2 1,5 10 12

H

/ I

b

/ 1 N 5 ^ !

/ 4

/ 3 J X 1

32

DN,DNZ 2,5 4 7 15

H

/ I

b

/ 1 N 5 ^ !

/ 4

/ 3 J X 1

32

DNNZ 2,5 4 7 15

H

/ I

b

/ 1 N 5 ^ !

/ 4

/ 3 J X 1

40 ESW,DSW 2 2 9,5 12

H

/ I

b

/ 1 N 5 ^ !

/ 4

/ 3 J X 1

40

DN,DNZ 2,5 4,5 8 15

H

/ I

b

/ 1 N 5 ^ !

/ 4

/ 3 J X 1

40

DNNZ 2,5 4,5 8 15 i — 7 I 50 ESW.DSW 2 2 10,5 12

1 r f f l \

I

50

DN.DNZ 3 5 8 17 1 I I

50

DNNZ 3 5 8 17 i

I

63 ESW.DSW 2 2 11 13

H = Histeresis S = Rango de respuesta 1 Iman permanente 2 Camisa del cilindro 3 Sensor activado 4 Sensor desactivado 5 Centra del sensor

63

DN.DNZ 3 5 9 18 H = Histeresis S = Rango de respuesta 1 Iman permanente 2 Camisa del cilindro 3 Sensor activado 4 Sensor desactivado 5 Centra del sensor

63

DNNZ 3 5 9 18 H = Histeresis S = Rango de respuesta 1 Iman permanente 2 Camisa del cilindro 3 Sensor activado 4 Sensor desactivado 5 Centra del sensor

80 DN.DNZ 3 5 10 19


80

DNNZ 3 5 10 19


100 DN.DNZ 4 7 10 20


100

DNNZ 4 7 10 20


125 DN.DNZ 4 5 11 5


160 DN.DNZ 4 6 11 16


200 DN.DNZ 5 7 10 16


250 DN.DNZ 4 7 11 16


320 DN.DNZ 5 7,5 11 16


-

Tabla 3.4: Histeresis y rango de respuesta de diversos cilindros (ejemplo)

'SME = se refiere a los sensores de proximidad reed y magnetico-inductivos "SMP = se refiere a los sensores de proximidad neumatico-magneticos

6 0

A 3.4

Ejercicio 3.4.2 Conexion electrica de un sensor de proximidad reed Describir el comportamiento de un sensor reed como el mostrado en la Fig. 3.2, con la polaridad de la alimentacion invertida, es decir, con inversion de polaridad del sensor de proximidad. <j,Puede con esto danarse el sensor?

J

Ejercicio 3.4.3 Resolucion de un sensor de proximidad

i,Cual es la minima carrera posible de un cilindro, para que pueda ser detecta-da por dos sensores de proximidad reed? Utilice la tabla de datos tecnicos 3.4 para su respuesta.


9

61

Sensores de proximidad m a g n e t i c o s Festo Didactic 9

Capftulo 4

Sensores de proximidad inductivos

63

A 4.1


4.1 Descripcion del funcionamiento

Los componentes mas importantes de un sensor de proximidad inductivo son un oscilador (circuito resonante LC), un rectificador demodulador, un amplifica-dor biestable y una etapa de salida.

8

i

1 G A - — • <s> D> i / \ r

D> i

J~L

1 Oscilador 2 Demodulador 3 Etapa de disparo 4 Indicador del estado de activacion 5 Etapa de salida con circuito protector

6 Tensi6n externa 7 Alimentacion interna constante 8 Zona activa (bobina) 9 Salida del sensor

Fig. 4.1: Diagrams de bloques de un sensor de proximidad inductivo

El campo magnetico, que es dirigido hacia el exterior, es generado por medio del nucleo de ferrita semiabierto de una bobina osciladora y de un apantallado adicional. Esto crea un area limitada a lo largo de la superficie activa del sensor de proximidad inductivo, la cual se conoce como zona activa de con-mutacion.

Cuando se aplica una tension al sensor, el oscilador se activa y fluye una corriente de reposo definida. Si un objeto conductor de electricidad se introdu-ce en la zona activa de conmutacion, se crean unas corriente parasitas que restan energia al oscilador. La oscilacion se atenua y esto produce un cambio en el consumo de corriente del sensor de proximidad. Los dos estados - osci-lacion atenuada y oscilacion sin atenuar - se evaluan electronicamente.

64

Sensores de proximidad inductivos Festo Didactic

4.1

Elemento actuador

Campo magnetico de alta frecuencia

Superficie activa

Circuito resonante de la bobina

If/ ill

•N'\ / ^ m

i

Sensor de proximidad sin actuar (oscilador no atenuado)

Se resta energia al campo magnetico de alta frecuencia

Sensor de proximidad actuado (oscilador atenuado)

Fig. 4.2: Metodo de funcionamiento de un sensor de proximidad inductivo

Por medio de los sensores de proximidad inductivos, solo pueden detectarse materiales conductores de electricidad.

Dependiendo del tipo de conmutacion (normalmente cerrado o normalmente abierto), la etapa final es conectada o interrumpida si se presenta un objeto metalico en la zona activa de conmutacion. La distancia del area activa, donde se produce un cambio en la senal de salida, se conoce como distancia de conmutacion. Por ello, un criterio importante para los sensores de proximidad inductivos es el tamano de la bobina incorporada en la cabeza del sensor. Cuanto mas grande sea la bobina, mayor sera la distancia de conmutacion activa. Pueden alcanzarse distancias de hasta 250 mm.

65

Sensores de proximidad c a p a c i t i v o s Festo Didactic

4.1

Para determinar la distancia de conmutacion de los sensores de proximidad inductivos, se utiliza una placa de calibration estandarizada. Solamente asf pueden hacerse comparaciones validas de las distancias de conmutacion de diferentes sensores de proximidad inductivos. La placa de medicion estandar esta hecha de acero dulce (Fe 360 segun los Eurostandars 25 y 27 o ISO 630), de 1 mm de grueso. Tiene forma cuadrada y la longitud del lado es igual a:

• el diametro de la superficie activa del sensor

o bien

• tres veces la distancia de conmutacion nominal.

Se utilizara el mayor de ambos valores como longitud del lado de la placa de calibration estandar. La utilization de placas con superficies mayores no con-duce a cambios significativos en la distancia de conmutacion medida. Sin em-bargo, si se utilizan pfacas menores, se obtiene una disminucion de la distan-cia de detection.

Asimismo, la utilization de diferentes materiales conduce a una reduction de la distancia de conmutacion efectiva. En la tabla inferior, se indican los facto-res de reduction para diferentes materiales.

Material Factor de reduccion

Acero dulce 1.0

Niquel cromo 0.70 - 0.90

Laton 0.35 - 0.50

Aluminio 0.35 - 0.50

Cobre 0.25 - 0.40

Tabla 4.1: Valores indicativos para el factor de reduccion

La tabla indica que las mayores distancias de detection se alcanzan con ma-teriales magneticos. Las distancias alcanzables con materiales no magneticos (laton, aluminio, cobre) son netamente inferiores.

66

•


Fig 4.3: Simbolo de la conexion de un sensor de proximidad inductivo en corriente continua, ejecucion de tres hilos (L = carga)

4.1

La designacion de las conexiones de los sensores de proximidad inductivos estan estandarizadas. Ver Capi'tulo A 10 y B 4.

Para notas adicionales sobre el circuito ver Capi'tulo A 10.

67

A 4.2


i

i

4.2 Caracteristicas La tabla inferior indica los datos tecnicos mas relevantes relacionados con los tecnicas sensores de proximidad inductivos. Las cifras indicadas en esta tabla son

ejemplos tfpicos y proporcionan solamente una vision general.

Material del objeto • Metales

Tension de funcionamiento tfpica 10 V... 30 V

Distancia de conmutacion nominal tfpica 0.8...10 mm max. aprox. 250 mm

Intensidad maxima 75 mA... 400 mA

Temperatura de funcionamiento -25°C... +70°C

Vibracion 10 ... 50 Hz, 1 mm amplitud3

Sensibilidad a la suciedad insensible

Vida util muy larga

Frecuencia de conmutacion tfpica 10... 5000 Hz max. 20 kHz

Ejecucion cilfndrica, rectangular

Tamano (ejemplos) M8x1, M12x1, M18x1, M30x1, 0 4 mm... 0 30 mm, 25 mm x 40 mm x 80 mm

Clas de proteccion IEC 529, DIN 40 050 hasta IP 67

Tabla 4.2: Datos tecnicos de sensores de proximidad inductivos

68


Muchos de los sensores de proximidad inductivos que se ofrecen actualmente en el mercado tienen las siguientes caracteristicas de proteccion para garanti-zar un manejo sencillo y un funcionamiento seguro:

• Proteccion contra polaridad inversa (contra danos causados como resultado de invertir las conexiones)

• Proteccion contra cortocircuito (protege el cortocircuito de la salida contra el tierra)

• Proteccion contra picos de tension (contra sobretensiones transitorias)

• Proteccion contra rotura de cable (la salida se bloquea si la linea de ali-mentacion se desconecta).

Conexion por cable integrado o por conector

Superficie activa

Fig. 4.4: Sensor de proximidad inductivo en ejecucion roscada

69

5.1


4.3 Observaciones sobre la aplicacion

Si los sensores de proximidad inductivos se montan en alojamientos metalicos, debe tenerse cuidado de no alterar las caracteristicas del sensor. Debe distin-guirse entre dos tipos de sensores de proximidad: los de montaje enrasado y los de montaje no-enrasado.

Fig. 4.5: Sensores de proximidad inductivos, de montaje enrasado

Alii donde los sensores deban montarse completamente enrasados en metal, deberan instalarse de forma que el campo electromagnetico este dirigido des-de la zona activa hacia adelante. De esta forma, las caracteristicas del sensor de proximidad no seran influidas por el metodo de montaje. En el caso de

B 3 \ montaje adyacente de sensores de proximidad debe respetarse una distancia minima entre ellos en relation con su diametro. Esto es esencial para evitar que los sensores de proximidad influyan unos con otros. La zona libre frente al sensor de proximidad debe ser por lo menos de tres veces la distancia de conmutacion nominal del sensor utilizado. La zona libre es la distancia entre el sensor de proximidad y un objeto situado enfrente.

70


*

I

Fig. 4.6: Sensor de proximidad inductivo, de montaje no-enrasado

La ventaja de los sensores de proximidad de montaje enrasado es que son muy sencillos de instalar y ahorran espacio. La desventaja en comparacion con los de montaje no-enrasado en que aunque el diametro exterior del cuerpo del sensor sea identico, la distancia de deteccion es inferior.

Zona libre 3 x S „ Zona libre > 3 x S„

>2xS n

A 4.3

Los sensores de proximidad no-enrasables que se montan sobre materiales que influyen en sus caracterfsticas (metales), requieren una zona libre que circunde toda el area activa. Sin embargo, estos sensores de proximidad pue-den montarse embebidos en plasticos, madera u otros materiales no metalicos sin que se vean afectadas las caracterfsticas del sensor. Este tipo de sensores pueden reconocerse a menudo por la cabeza de la bobina que forma una protuberancia en el cuerpo del sensor de proximidad.

71

5.1


4.4 Ejemplos de aplicacion

Fig. 4.7: Detection del embolo en un cilindro neumatico o hidraulico

Transportador de la pieza

Cinta transportadora

Sensor de proximidad inductivo

Fig. 4.8: Detection de transportadores metalicos de piezas en una cinta

72

Fig. 4.9: Deteccion de un arbol de levas por medio de sensores de proximidad inductivos (Fuente: Turck)

Fig. 4.10: Medicion de la velocidad y sentido de rotation (Fuente: Turck)

73


Actuador giratorio neumatico (Rotic)


Fig. 4.11: Dos sensores de proximidad inductivos detectan la posicion de un actuador giratorio neumatico

Fig. 4.12: Detection de cuerpos de valvulas por medio de sensores de proximidad inductivos, detectando lateralmente

74


Fig. 4.13: Deteccion de la posicion final de la matriz de una prensa

75



Fig. 4.14: Dos sensores de proximidad inductivos detectan si la corredera de un dispositivo de alimentation se halla en uno u otro de los extremos. Los sensores de hallan bajo la corredera.

76


9

Ejercicio 4.5.1 Aplicacion de un sensor inductivo de proximidad

4.5 Ejercicios

Debe verificarse el numero, distancia y direccion de transporte de unos conte-nedores de material sobre una cinta transportadora. Para su marcaje, los con-tenedores estan provistos de una placa de alumino. ^Que debe tenerse en cuenta al seleccionar un sensor inductivo para esta tarea?

i,C6mo se alcanza la mayor distancia posible de deteccion en un sensor de determinado diametro? itk que se debe prestar especial atencion en este caso?

^Cual es la influencia positiva de la histeresis en el comportamiento de un sensor de proximidad inductivo? Considere que necesitarfa observar en la practica, si los puntos de conexion y desconexion estuvieran exactamente a la misma distancia del sensor de proximidad.

Ejercicio 4.5.2 Deteccion de rodillos de acero que vibran

Por medio de una cinta se transportan rodillos de acero (ver Fig. 4.15 y 4.16). Los rodillos deben contarse por medio de un sensor de proximidad inductivo, que debe conectarse a un control programable. Debido a las vibraciones de la cinta transportadora, los rodillo de acero sufren una ligera vibracion vertical de amplitud "a".

a) Si utiliza un sensor de proximidad inductivo. iQue problemas pueden pre-sentarse en el conteo de los rodillos de acero?

b) El sensor de proximidad tiene una distancia nominal de deteccion de 8 mm. La histeresis puede ser del orden del 1 al 5% de la distancia de deteccion. Esto, asumiendo que estos valores de histeresis valen tambien para un acercamiento lateral al sensor de proximidad, como es este el caso. <j,Cual es la maxima amplitud "a" permitida de la vibracion, para que no se produz-can los problemas indicados en el parrafo anterior?

77


Fig. 4.15: Conteo de rodilios de acero en una cinta transportadora por medio de sensores de proximidad inductivos

Fig. 4.16: Movimiento vibratorio de los rodilios de acero

78

Capitulo 5

Sensores de proximidad capacitivos

79

5.1

Sensores de proximidad capacitivos Festo Didactic

5.1 Descripcion del funcionamiento

El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, esta ba-sado en la medicion de los cambios de capacitancia electrica de un condensa-dor en un circuito resonante RC, ante la aproximacion de cualquier material.

1 En un sensor de proximidad capacitivo, entre un electrodo "activo" y uno pues-

v to a tierra, se crea un campo electrostatico disperso. Generalmente tambien se 1 1 1 / halla presente un tercer electrodo para compensation de las influencias que

pueda ocasionar la humedad en el sensor de proximidad.

1 Oscilador 2 Demodulador 3 Etapa de disparo 4 Indicador del estado de activacion 5 Etapa de salida con circuito protector

6 Tension externa 7 Alimentacion interna constante 8 Zona activa (condensador) 9 Salida del sensor

Fig. 5.1: Diagrams de bloques de un sensor de proximidad capacitivo

Si un objeto o un medio (metal, plastico, vidrio, madera, agua), irrumpe en la zona activa de conmutacion, la capacitancia del circuito resonante se altera.

80

Sensores de proximidad magneticos Festo Didactic 9

Este cambio en la capacitancia depende esencialmente de los siguientes para-metros: la distancia entre el medio y la superficie activa, las dimensiones del medio y su constante dielectrica.

La sensibilidad (distancia de deteccion) de la mayoria de los sensores de pro-ximidad capacitivos puede ajustarse por medio de un potenciometro. De esta forma es posible eliminar la deteccion de ciertos medios. Por ejemplo, es posi-ble determinar el nivel de un Ifquido a traves de la pared de vidrio de su recipiente.

La distancia de deteccion de un sensor de proximidad capacitivo viene deter-minada por medio de una placa de metal puesta a tierra. La tabla inferior muestra las variaciones en las distancias del punto de conmutacion con res-pecto a diferentes materiales. La maxima distancia de conmutacion que puede obtenerse en los sensores de proximidad capacitivos industriales es de unos 60 mm.

Grueso del material Distancia de conmutacion

1.5 mm

3.0 mm 0.2 mm

4.5 mm 1.0 mm

6.0 mm 2.0 mm

7.5 mm 2.3 mm

9.0 mm 2.5 mm

10.5 mm 2.5 mm

Tabla 5.1: Variation de la distancia de conmutacion en funcion del grueso del material, utilizando una tira de carton (ancho = 30 mm)

81


Con sensores de proximidad capacitivos, debe observarse que la distancia de conmutacion es una funcion resultante del tipo, longitud lateral y grosor del material utilizado. Muchos metales producen aproximadamente el mismo valor. A continuation se indican valores para diferentes tipos de materiales.

Material Factor de reduccion

Todos los metales 1.0

Agua 1.0

Vidrio 0.3... 0.5

Plastico 0.3... 0.6

Carton 0.3... 0.5

Madera (depende de la humedad) 0.2... 0.7

Aceite 0.1... 0.3

Tabla 5.2: Valores indicados para el factor de reduccion

82

Tension de funcionamiento tipica 10... 30 V DC 6 20... 250 V AC

Distancia nominal de conmutacion tfpica 5... 20 mm max. 60 mm (gen. variable y ajustable con potenciometro)

Material de los objetos todos los materiales con constante dielectrica > 1

Intensidad de conmutacion max. 500 mA DC

Temperatura de funcionamiento -25°C... +70°C

Sensibilidad a la suciedad sensible

Vida util muy larga

Frecuencia de conmutacion hasta 300 Hz

Ejecucion Cilindrica p. ej. M18x1, M30x1, hasta 0 30 mm, rectangular

Clase de proteccion IEC 529, DIN 40 050 hasta IP 67


5.2 Caracteristicas tecnicas

Tabla 5.3: Datos tecnicos de un sensor de proximidad capacitivo (ejemplo)

83


Observaciones sobre Al igual que con los sensores de proximidad inductivos, debe distinguirse entre la aplicacion los sensores de proximidad capacitivos enrasables y no-enrasables. Es mas.

debe observarse que este tipo de sensores es mas sensible a perturbaciones. Asimismo, su sensibilidad en lo que respecta a la humedad es muy elevada debido a la elevada constante dielectrica del agua (e = 81). Por otro lado. pueden utilizarse para detectar objetos a traves de una pared no-metalica. En este caso, el grosor de la pared debe ser inferior a 4 mm y la constante dielectrica del material a detectar debe ser por lo menos 4 veces el de la pared.

Debido a esta propiedad de reaccionar ante una amplia gama de materiales. el sensor de proximidad capacitivo es mas universal en aplicaciones que el sen-sor de proximidad inductivo. Por otro lado, los sensores de proximidad capac -tivos son sensibles a los efectos de la humedad en la zona activa de detec-tion. Muchos fabricantes, por ejemplo, utilizan un electrodo auxiliar para com-pensar los efectos de la humedad, roci'o o hielo, reduciendo asf estas perturba-ciones.

Consideraciones en la aplicacion

• Por razones de coste, en la detection de objetos metalicos se prefieren generalmente los sensores de proximidad inductivos a los capacitivos

• En la detection de objetos no-metalicos, tambien compiten como alternativa viable los sensores de proximidad opticos

• Hay campos de aplicacion particulares donde la utilization de sensores de proximidad capacitivos proporcionan diferentes ventajas

84

Sensores de proximidad capacitivos Festo Didactic A 5.4

Los sensores de proximidad capacitivos son adecuados, por ejemplo, para su- 5.4 Ejemplos de aplicacion pervisar los niveles de llenado en contenedores de almacenamiento. Otras areas de aplicacion incluyen la deteccion de materiales no-metalicos.

Deteccion de objetos mate y negros

Los objetos de goma, cuero, plastico y otros materiales, son diffciles de detec-tar por sensores opticos de reflexion directa y, en segun que aplicaciones, la utilizacion de sensores ultrasonicos puede resultar excesivamente costosa.


Detection del nivel de llenado de li'quidos

En el caso de tener que detectar niveles de li'quidos a traves de paredes finas de recipientes de plastico, tubos de vidrio de inspection, etc. el grueso de la pared debe limitarse de tal forma que permita al sensor de proximidad capaci-tivo reaccionar solo con el propio contenido del recipiente.

Fig. 5.3: Detection del nivel de llenado en un deposito de acero

a) Sensor de proximidad capacitivo, encapsulado en plastico o en cristaI de cuarzo.

b) Detection del nivel de un liquido a traves de un tubo de plastico o de vidrio.

86


Deteccion del nivel de llenado de material a granel

Los sensores de proximidad capacitivos tambien son adecuados para la detec-cion de materiales pulverulentos o granulados en contenedores o silos.

Verificacion del contenido de paquetes

Es posible, por ejemplo, verificar el volumen de llenado de contenedores de productos alimenticios a traves de cajas selladas, por medio de sensores de proximidad capacitivos.

La figura muestra cuatro sensores de proximidad capacitivos en la base de una caja de carton para verificar que se hayan introducido cuatro botellas de bebida refrescante.

Fig. 5.4: Comprobacion del contenido de una caja a traves del carton

87


Supervision del bobinado de cables e hilos electricos

Los sensores de proximidad capacitivos reaccionan al cobre que contienen los hilos o cables electricos de diametro relativamente pequeno, donde los senso-res de proximidad inductivos no reaccionan o lo hacen a distancias inferiores. Tambien los sensores de proximidad inductivos podrian tener dificultades en estos casos.

Fig. 5.5: Supervision de la rotura de un cable, por medio de un sensor de proximidad capacitivo

88


Comprobacion de la presencia de bombillas en cajas de carton montadas

Fig. 5.6: Comprobacion de la presencia de bombillas en cajas de carton (Fuente: Turck)

89

A © 5.5 TT Sensores de proximidad magneticos Festo Didactic 9

5.5 Ejercicios Ejercicio 5.5.1 Medicion del nivel de llenado en un silo de grano

Si tiene intention de utilizar un sensor de proximidad capacitivo para detera* el nivel de llenado en un silo de grano, £que tiene que recordar?

Ejercicio 5.5.2 Influencias del entorno en los sensores de proximidad capacitivos

Esta utilizando un sensor de proximidad capacitivo en una instalacion al are libre. iQue tiene que recordar, especialmente en primavera y en otono?

Ejercicio 5.5.3 Detection de cajas de carton

Cuando deba utilizar un sensor de proximidad capacitivo para la detection de cajas de carton de diversos gruesos de material, ique debe tener en cuenta?

Ejercicio 5.5.4 Detection de un panel transparente

En una empresa de productos alimenticios, debe detectarse la presencia de una mirilla hecha de material transparente, en unas cajas vacias de carton para envasado (ver fig. 5.7). Esta dudando entre elegir un sensor de proximi-dad capacitivo, optico o ultrasonico, £cuales son sus razonamientos para la election?

Mirilla de 50 x 30 mm

Film de plastico de 0,1 mm de grueso

Envase de cart6n

Fig. 5.7: Control de presencia de una mirilla transparente

90


Capftulo 6

Sensores de proximidad opticos

91

6.1


6.1 Caracteri'sticas generales

Los sensores de proximidad opticos utilizan medios opticos y electronicos para la detection de objetos. Para ello se utiliza luz roja o infrarroja. Los diodos semiconductores emisores de luz (LEDs) son una fuente particularmente fiable de luz roja e infrarroja. Son pequenos y robustos, tienen una larga vida util y pueden modularse facilmente. Los fotodiodos y fototransistores se utilizan como elementos receptores. Cuando se ajusta un sensor de proximidad optico, la luz roja tiene la ventaja frente a la infrarroja de que es visible. Ademas, pueden utilizarse facilmente cables de fibra optica de polimero en la longitud de onda del rojo, dada su baja atenuacion de la luz.

La luz infrarroja (invisible) se utiliza en ocasiones en las que se requieren mayores prestaciones, por ejemplo, para cubrir mayores distancias. Ademas, la luz infrarroja es menos susceptible a las interferencias (luz ambiental).

Con ambos tipos de sensores de proximidad opticos, la supresion adicional de las influencias de luz externas se alcanza por medio de la modulation de la serial optica. El receptor (con la exception de los sensores de barrera) se sintoniza con los pulsos del emisor. Con sensores de barrera se utiliza un pasabanda electrico en el receptor. Particularmente en el caso de luz infrarro-ja, la utilization de filtros de luz diurna, mejora aun mas su insensibilidad a la luz ambiental.

92


10

V. 11 D>

V -&

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8

Oscilador Emisor fotoelectrico Receptor fotoelectrico Preamplificador Operation iogica Convertidor pulso/nivel

7 Indicador del estado de activation 8 Etapa de salida con circuito protector 9 Tension externa

10 Alimentation interna constante 11 Alcance optico 12 Salida del sensor

6.1

Fig. 6.1: Diagrama de bioques de un sensor de proximidad optico (Emisor y receptor instalados en el mismo cuerpo)

Ejemplo de los elementos emisor y receptor en los sensores de proximi-dad opticos.

Emisor

• Para versiones sin conexion de fibra optica: • GaAIAs - IRED • Longitud de onda 880 nm (invisible, infrarroja).

• Para versiones con conexion de fibra optica: • GaAIAs- IRED • Longitud de onda 660 nm (visible, roja).

Receptor

Fototransistor o fotodiodo de silicio. (Para sensores de proximidad funcionando a 880 nm, se utilizan filtros de luz diurna dispuestos en serie)

93

\


Los sensores de proximidad opticos generalmente incorporan medidas de prc-teccion:

• Proteccion contra polaridad inversa

• Proteccion de las salidas contra cortocircuito

• Proteccion contra picos de tension.

Con sensores de barrera y de retrorreflexion, se distinguen las siguientes furv ciones de conmutacion:

• Metodo de detection por luz La salida conecta cuando el rayo de luz no esta interrumpido por un objeto (contactos normalmente abiertos). En el caso de un barrera que se ac: .•=• por luz, la salida en el receptor esta activada si no hay ningun objetc que obstruya el rayo de luz

• Metodo de detection por obscuridad La salida esta inactiva (sin conmutar) cuando el rayo de luz no esta nto i rrumpido por ningun objeto (contactos normalmente cerrados). En e1 caso de una barrera que se active por obscuridad, la salida del receptor se CCH necta si hay un objeto que irrumpe en el rayo de luz.

Las funciones de conmutacion de los sensores de reflexion directa son como sigue:

• Metodo de detection por luz: La salida cierra si el objeto a detectar se introduce en el rayo de luz. (Salida normalmente abierta. N/A = Normalmente Abierta)

• Metodo de detection por obscuridad: La salida abre si el objeto a detectar se introduce en el rayo de luz. (Salida normalmente cerrada, N/C = Normalmente Cerrada).

94


Forma constructiva de un sensor de proximidad optico

Los sensores de proximidad opticos consisten basicamente en dos partes prin-cipales: el emisor y el receptor. Dependiendo del tipo y de la aplicacion, se requieren adicionalmente reflectores y cables de fibra optica.

El emisor y el receptor se hallan instalados en un cuerpo comun (sensores de reflexion directa y de retrorreflexion), o en cuerpos separados (sensores de barrera).

El emisor aloja la fuente de emision de luz roja o infrarroja, la cual, y segun las leyes de la optica, se propaga en Ifnea recta y puede ser desviada, enfocada, interrumpida, reflejada y dirigida. Esta luz es aceptada por el receptor, separa-da de la luz externa, y evaluada electronicamente.

Cubierta transparente Pantalla Potenciometro

fotoelectricos (tecnologfa SMD)

Fig. 6.2: Disposition de un sensor de proximidad optico de forma cilfndrica

El sensor de proximidad se monta con un apantallamiento interno, que es aislado del cuerpo. Los componentes electronicos son encapsulados y se dis-pone un potenciometro externo en el lado de la salida del cable, para ajustar la sensibilidad.

Generalmente, los sensores de proximidad incluyen un diodo emisor de luz (LED), que luce cuando la salida esta activada. El indicador LED sirve como medio de ajuste y verification del funcionamiento.

95


Margen de funcionamiento para los sensores de proximidad opticos

Los sensores de proximidad opticos a menudo estan expuestos a la contami-nation por polvo, virutas o lubricantes durante su funcionamiento. Esta conta-mination puede ser causa de interferencias en los sensores de proximidad opticos. Tanto el ensuciamiento de las lentes que forman parte de la optica del sensor de proximidad como el ensuciamiento de los reflectores en los de retro-rreflexion, puede ser la causa de fallos en el funcionamiento.

Una fuerte contamination del rayo de luz en los sensores de barrera y de los de retrorreflexion puede causar una interruption de la serial. En estos casos, el sensor detecta continuamente la presencia de un objeto. En el caso de los sensores de reflexion directa, el ensuciamiento del sistema de lentes puede interpretarse como la presencia de un objeto si la emision de luz es reflejada de nuevo hacia el receptor, como resultado de este ensuciamiento de las len-tes. Tambien la suciedad en el propio objeto a detectar puede conducir a considerarlo como no presente, si como resultado de esta suciedad el objeto refleja menos cantidad de luz.

Para conseguir un funcionamiento fiable, deberian tomarse las siguientes me-didas:

1. Hacer funcionar el sensor de proximidad optico con suficiente margen ope-rativo - Realizando ensayos previos - Seleccionando un sensor de proximidad con suficiente margen de funcio-

namiento

2. Utilizando sensores de proximidad con ayudas al ajuste, por ejemplo, parpa-deo del LED en las zonas li'mite de detection.

3. Utilizando sensores de proximidad con indication automatica de ensucia-miento.

Los sensores de proximidad opticos tienen un cierto margen de funcionamien-to (tambien conocido como reserva funcional) 13, que es el cociente de la po-tencia real de la serial optica en la entrada del receptor PR dividida por la potencia de la serial optica minima detectable en el umbral de conmutacion PT:

Si la emision optica recibida esta en el nivel del umbral de conmutacion, esto significa P = 1, es decir, no hay margen de funcionamiento. Si el factor es, por ejemplo, p = 1,5 significa que se dispone de un margen de funcionamiento del 50%.

96


El factor p depende por una parte de la distancia entre el emisor y el receptor en el caso de los sensores de barrera, entre el emisor y el reflector en el caso de los de retrorreflexion o entre el sensor y el objeto en el caso de los senso-res de reflexion directa.

Por otro lado, el factor del margen de funcionamiento depende de la distancia s en relation con cada sensor de proximidad. Las Figs. 6.3 a 6.5 muestran diferentes curvas esquematicas del margen de funcionamiento.

i 1 400

200

100 CD 60 0 1 40

2 20 <D Q. O

10 6

1

0.01 0.04 0.1 0.2 0.4 1 2 4 m 10

Distancia s •

Fig. 6.3: Ejemplo que muestra el recorrido del factor del margen de funcionamiento en un sensor de barrera

97


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Fig. 6.4: Ejemplo que muestra el recorrido del factor del margen de funcionamiento en un sensor de retrorreflexion

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Distancia s •

Fig. 6.5: Ejemplo que muestra el recorrido del factor del margen de funcionamiento en un sensor de reflexion directa

98


Cuanto mayor es el riesgo de contamination, tanto mayor debe ser el factor del margen de funcionamiento. Si el fabricante especifica curvas del margen de funcionamiento, puede definirse un valor especffico cuando se dimensiona la disposition de la aplicacion de un sensor de proximidad. La contamination anticipada puede estimarse considerando el factor de transmision x. Si se toma x = 1 para una transmision sin contamination, entonces x = 0,1 significa que, con contamination, solamente 1/10 de la capacidad de la serial optica alcanzara el receptor. En este caso, se requiere un factor de margen de fun-cionamiento de p > 10.

Si no hay especificaciones del fabricante, el margen de funcionamiento puede verificarse por medio de la simulation de las condiciones contaminantes.

Un indicador intermitente en el sensor de proximidad, es util para verificar el margen de funcionamiento. Este parpadea si el sensor queda por debajo del margen mi'nimo de funcionamiento. Se dispone de ejecuciones, en las que empieza a parpadear si se alcanza el factor del margen de funcionamiento de (3 = 1,5 significando que aun se dispone de un margen del 50%.

El indicador intermitente tambien puede utilizarse como ayuda durante el mon-taje y ajuste del sensor de proximidad, al mismo tiempo que sirve como indica-dor de contamination durante el subsecuente proceso de funcionamiento si su margen se reduce gradualmente.

Un tipo diferente de indicador de contamination, funciona comprobando dina-micamente en cada actuation del sensor si, al llegar al umbral de conexion, la capacidad de la senal optica ha alcanzado un nivel que aun deje suficiente margen de funcionamiento. Para este modo de funcionamiento, se supone que se producen frecuentemente senales de conmutacion. Un LED parpadea si hay un margen de funcionamiento insuficiente, o se emite una senal electrica de advertencia en una salida adicional.

Otras razones, aparte de la contamination, pueden ser la causa de que el sensor quede fuera del margen de funcionamiento:

• Sobrepasar el margen de seguridad de deteccion

• Cambios en la superficie del material de los objetos detectados

• Montaje incorrecto (ajuste defectuoso)

• Envejecimiento del diodo emisor

• Rotura del cable de fibra optica.

99

A 6.1


Variantes de los sensores de proximidad opticos

Esquematicamente, las variantes pueden dividirse como sigue:

Fig. 6.6: Variantes de los sensores de proximidad opticos

100

Sensores de proximidad opticos Festo Didactic A 6.2

6.2 Sensores de barrera

Los sensores de barrera constan de dos componentes, emisor y receptor, montados separadamente, con los cuales pueden obtenerse amplios rangos de deteccion. Para poder detectar la interruption del rayo de luz, debe cubrirse la seccion activa del rayo. El objeto a detectar solo debe permitir una minima penetration de la luz, pero puede reflejar cualquier cantidad de luz. Un fallo del emisor se evalua como "objeto presente".


)

Fig. 6.7: Principio deI sensor de barera

101

5.1


6.2.2 Caracteristicas tecnicas Tension de funcionamiento tfpica 10... 30 V DC

o 20... 250 V AC

Alcance max. 1 m hasta 100 m (en general, ajustable)

Material del objeto cualquiera. Dificultades con objetos muy transparentes

Intensidad de ruptura (Salida por transistor) max. 100... 500 mA DC

Temperatura de funcionamiento 0°C... 60°C or -25°C... 80°C


Vida util larga (aprox. 100 000 h)

Frecuencia de conmutacion 20... 10000 Hz

Ejecuciones generalmente, rectangular pero tambien en cilfndrico


Tabla 6.1: Datos tecnicos de los sensores de barrera

Los receptores tienen salidas por transistor PNP o NPN y en algunos casos salida por rele.

102


Fig. 6.8: Zona de respuesta de los sensores de barrera

La zona de respuesta esta definida con precision por el tamano de la apertura optica del emisor y el receptor. De esta forma se obtiene una deteccion preci-sa de la posicion lateral.

103

5.1



Ventajas del sensor de barrera:

• Incremento de la fiabilidad debido a la presencia permanente de luz duran-te el estado de reposo

• Amplio alcance

• Pueden detectarse pequenos objetos incluso a largas distancias

• Adecuado para ambientes agresivos

• Los objetos pueden ser reflectantes, especulares o traslucidos

• Buena precision de posicionado.

Desventajas del sensor de barrera:

• Dos elementos separados forman el sensor (emisor y receptor), con lo que se requieren conexiones independientes

• No pueden utilizarse para objetos completamente transparentes.

Notas:

En el caso de objetos transparentes, es posible reducir la potencia del emi-sor por medio del potenciometro incorporado hasta un nivel tal que el re-ceptor se desactive cuando el objeto transparente interfiera en el rayo de luz

Un fallo del emisor es evaluado como "objeto presente" (importante en apli-caciones para prevention de accidentes).


Fig. 6.9: Verification de la rotura de broca por medio de sensores de barrera

104

Fig. 6.10: Prevention de accidentes en una prensa por medio de un sensor de barrera

Las barreras de seguridad deben cumplir con las normas de prevention de accidentes de las asociaciones profesionales. El equipo debe autosupervisarse y verificarse continuamente en la consola y debe ser probado en lo que res-pecta a su funcionamiento. En especial debe supervisarse el acceso a prensas y maquinas de corte, dado su elevado riesgo de accidentes.

cyn>

105

5.1


6.3 Sensores de retrorreflexion


El emisor y el receptor de luz se hallan instalados en un solo cuerpo, con lo que se requiere un reflector. Se evalua la interruption del rayo de luz reflejado.

>3 B 1 .4> La interruption del rayo de luz no debe ser compensada por la reflexion direc-ta o difusa de un objeto. En algunos casos, los objetos transparentes, claros o brillantes, pueden pasar inadvertidos.

Los objetos especulares deben posicionarse de tal forma que el rayo reflejado no sea devuelto por el propio objeto.

En comparacion con los sensores de reflexion directa, los sensores de retrorre-flexion poseen un alcance mayor.

Fig. 6.11: El principio del sensor de retrorreflexion

106

Tension de funcionamiento tfpica 10 ... 30 V DC o 20... 250 V AC/DC

Alcance hasta 10 m (depende del reflector) (en general, ajustable)

material del objeto cualquiera, Dificultades con objetos reflectantes

Intensidad de ruptura (salida por transistor) 100... 500 mA DC

Temperatura de funcionamiento 0°C... 60°C 6 -25°C... 80°C



Frecuencia de conmutacion 10... 1000 Hz





Tabla 6.2: Datos tecnicos de un sensor de retrorreflexion (ejemplo)

107

Zona de recepcion

Zona de respuesta Zona de emision


Fig. 6.12: Zona de respuesta de un sensor de retrorreflexion

La zona de respuesta se halla dentro de las Ifneas que forman el limite del borde de apertura de la optica emisor/receptor y el borde del reflector. Por norma, la zona de respuesta cerca del reflector es inferior a la seccion del propio reflector, dependiendo de la distancia del sensor y del ajuste del poten-ciometro.

108


6.3

Ventajas del sensor de retrorreflexion: 6.3.3 Observaciones sobre la aplicacion

• Mejor fiabilidad dado que hay luz permanentemente durante el estado de reposo

• Instalacion y ajustes sencillos

• El objeto a detectar puede ser reflectante, especular o transparente, siem-pre que absorba un porcentaje suficientemente elevado de luz

• En muchos casos, cubren un rango mayor en comparacion con los senso-res de reflexion directa.

Desventajas de los sensores de retrorreflexion:

• Los objetos transparentes, muy claros o brillantes pueden pasar inadverti-dos al sensor.

Notas:

• En el caso de objetos transparentes, el rayo de luz atraviesa dos veces el objeto y como resultado de ello se ve atenuado. Es posible detectar objetos de este tipo con un ajuste adecuado del potenciometro

• Los objetos reflectantes deben disponerse de forma tal que se asegure que no reflejaran directa o indirectamente sobre el receptor

• Con objetos particularmente pequenos, un orificio en el rayo de luz puede mejorar la efectividad

• Un fallo en el emisor, es evaluado como "objeto presente"

• Los reflectores pueden deteriorarse por envejecimiento o suciedad. A tem-peraturas por encima de los 80 °C, el plastico puede quedar danado per-manentemente. Los reflectores inadecuados pueden limitar considerable-mente el rango de efectividad del sensor.

109

A 6.2

Sensores de proximidad opticos Festo Didactic


Fig. 6.13: Control de presencia y conteo de objetos por medio de un sensor de retrorreflexion

Ventaja: Solo se necesita un reflector pasivo en uno de los lados de la cinta transportadora, evitando con ello el cableado que precisaria el receptor de un sensor de barrera.

Fig. 6.14: Control de un bucle compensador por medio de sensores de retrorreflexion

Reflector: Una lamina reflectora o tres reflectores individuales

La solution de la Fig. 6.14 no es aplicable en el caso de material transparente.

110


6.4 Sensores de reflexion directa

El emisor y el receptor se hallan alojados en un mismo cuerpo. El objeto refleja directamente un porcentaje de la luz emitida, activando con ello el re-ceptor. Dependiendo del diseno del receptor, la salida es activada (funcion normalmente abierta) o desactivada (funcion normalmente cerrada). La distan-cia de deteccion depende mucho de la reflectividad del objeto. El tamano, superficie, forma, densidad y color del objeto, asi como el angulo de incidencia del rayo, determinan la intensidad de la luz reflejada de forma que, en general, solo pueden detectarse objetos a distancias cortas, del orden de unos pocos deci'metros. El fondo debe absorber o desviar la emision de luz, es decir, cuando no hay objeto, el rayo de luz reflejado debe estar netamente por deba-jo del umbral de respuesta del circuito receptor.


111

A 6.2

6.4.2 Caracteri'sticas tecnicas Tension de alimentation tfpica 10... 30 V DC

6 20... 250 VAC/DC

Alcance max. 50 mm hasta 2 m (en general, ajustable)

Material del objeto cualquiera

Intensidad de ruptura (salida por transisitor) 100... 500 mA DC

Temperatura de funcionamiento 0°C... 60°C o -25°C... 80°C



Frecuencia de conmutacion 10 Hz... 2000 Hz



Tabla 6.3: Datos tecnicos de los sensores de reflexion directa

Por norma, la amplitud de detection especificada en las fichas tecnicas se refiere a carton bianco, donde se usa generalmente el lado bianco del reverso de una tarjeta gris Kodak CAT 152 7795. El lado bianco de esta tarjeta de verification tiene una reflexion constante del 90%, dentro de la zona espectral de aproximadamente 450 a 700 nm. El lado gris refleja el 18%.

112


Fig. 6.16: Curvas de respuesta de los sensores de reflexion directa Para distancias cortas: Se requiere una zona de reflexion pequena Para distancias largas: Se requiere una zona de reflexion grande

113

5.1



Ventajas del sensor de reflexion directa:

• Ya que es la propia reflexion del objeto la que activa el sensor, no se requiere un reflector adicional

• El objeto puede ser reflectante, especular o transparente y hasta traslucido mientras refleje un porcentaje suficientemente elevado del rayo de luz que recibe

• Mientras que en el sensor de barrera, los objetos solo pueden detectarse lateralmente, los sensores de reflexion directa permiten detectar en posi-cion frontal, es decir, en la direction del rayo de luz

• Dependiendo del ajuste del sensor de reflexion directa, los objetos pueden detectarse selectivamente frente a un fondo.

Desventajas de los sensores de reflexion directa:

• La respuesta, segun la Fig. 6.16, no es completamente lineal. Por ello, los sensores de reflexion directa no son tan adecuados como los sensores de barrera si se necesita una elevada precision de respuesta lateral

Notas:

• El tamano, superficie, forma, densidad y color del objeto. determinan la intensidad de la emision de luz reflejada y, por lo tanto, del rango real de detection. El rango nominal de detection dado en las fichas tecnicas, se mide utilizando el lado bianco de la tarjeta de verification Kodak. El fondo debe absorber o desviar la emision de luz, es decir, en ausencia del objeto, la emision de luz reflejada debe estar netamente por debajo del umbral de respuesta del circuito receptor

• Un fallo en el emisor, es evaluado como "objeto ausente".

114

Sensores de proximidad opticos Festo Didactic A 6.2

| Factores de correccion a tener en cuenta con diferentes superficies de objetos:

Material Factor

Carton, bianco1' 1.0

Poliestireno expandido, bianco 1.0 ... 1.2

Metal brillante 1.2 ... 2.0

Madera basta 0.4 ... 0.8

Tejido de algodon, bianco 0.5 ... 0.8

Carton, bianco mate 0.1

Carton, bianco brillante 0.3

PVC, gris 0.4 ... 0.8

Tabla 6.4: Factores de correccion para la distancia de conmutacion de sensores de retrorreflexion 1) Dorso bianco mate de la tarjeta Kodak gris CAT 152 7795

La distancia de conmutacion debe multiplicarse por el factor de correccion.

115

A 6.2


Influencia del fondo en el ajuste de sensibilidad

Potenciometro de ajuste

Objeto Fondo

Fig. 6.17: Influencia del fondo en un sensor de reflexion directa

Sensibilidad ajustable El efecto del sensor de reflexion directa depende de la diferencia entre la reflexion del objeto y la del fondo. Con contrastes muy pequenos, el umbral de respuesta debe ajustarse, si es preciso, modificando la sensibilidad del sensor de proximidad (potenciometro de 1 vuelta o multivuelta) de forma que el objeto sea detectado con fiabilidad incluso bajo estas circunstancias diffciles.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta un margen de tolerancia en relation con el envejecimiento, fluctuaciones de la tension o la temperatura y suciedad. Por esta razon, cuando se realizan los ajustes no debe utilizarse todo el margen de tolerancia.

Cuando se ajusta el sensor de reflexion directa con su potenciometro, debe dejarse un cierto margen teniendo en cuenta los cambios en las condiciones del objeto, del grado de suciedad del sensor o de la contamination de la atmosfera (polvo, etc.). De cerca, los ajustes funcionales raramente pueden producir problemas.

Algunos sensores de reflexion directa tienen un LED intermitente incorporado para facilitar un ajuste correcto, el cual parpadea si el objeto no se detecta claramente. El ajuste de un detector de proximidad con una salida normalmen-te abierta debe hacerse de forma tal que el LED este activo y sin parpadear en el estado de detection del objeto.

116


Comportamiento de un sensor de reflexion directa con un objeto especular

Fig. 6.18: El objeto es detectado

Fig. 6.19: El objeto no es detectado

117


r

Objetos transparentes

Ejemplos:

• Vidrio claro

• Plexiglas claro

• Lamina transparente.

Estos materiales tienen generalmente superficies reflectantes lisas, con lo que permiten la utilization de sensores de reflexion directa. Condition: La superficie del objeto a detectar debe estar alineada perpendicu-larmente con la direction del rayo de luz.

Objetos con baja reflexion

Ejemplos:

• Plastico negro mate

• Goma negra

• Materiales obscuros con superficies rugosas

• Tejidos obscuros

• Acero pulido.

Los sensores de reflexion directa no reaccionan ante este tipo de materiales, o solo lo hacen a distancias muy cortas.

Soluciones alternativas:

• Usar sensores de barrera o de retrorreflexion para acercamiento lateral

• Usar sensores capacitivos o ultrasonicos para aproximacion frontal.

118


6.4


incorrecta correcta

correcta

Fig. 6.20: Verification de la posicion de una pieza por medio de un sensor de reflexion directa

Debe ponerse especial cuidado en el ajuste de la sensibilidad, ya que hay que tener en cuenta las tolerancias debidas a las diferencias en el material, sucie-dad, etc.

119


Fig. 6.21: Control de forma y posicion con sensores de reflexion directa

Un control conectado, verifica si responden consecuentemente todos los sen-sores (los sensores de proximidad se conectan mediante un determinado enla-ce logico). Para una mayor precision y distancias inferiores, podria considerar-se la utilization de sensores de reflexion directa con cables de fibra optica.

120


6.5

6.5 Sensores opticos de proximidad con cables de fibra optica

Los sensores de proximidad con adaptadores para fibra optica se utilizan cuando los dispositivos convencionales ocupan demasiado espacio. Otra apli-cacion, donde es ventajosa la utilizacion de cables de fibra optica es en areas con riesgo de explosion. Con la utilizacion de cables de fibra optica, puede detectarse con precision la posicion de pequenos objetos.


Fig. 6.22: Sensor de barrera con cables de fibra optica (principio)

Utilizando dos cables de fibra optica separados, es posible construir un sensor de barrera. Dada su extrema flexibilidad, pueden utilizarse universalmente.

121

A 6.2


Fig. 6.23: Sensor de reflexion directa con cables de fibra optica

Los cables del emisor y del receptor de una fibra optica se incorporan en una cabeza sensora.


Receptor \

f ^ " ^

Emisor

£= I \ 1 / I J Zona de / Zona de emision

V. J recepcion

Zona de respuesta

Fig. 6.24: Zona de respuesta de un sensor de barrera con fibra optica

La zona de respuesta esta determinada con precision por la apertura de los extremos del cable de fibra optica. Esto permite una buena precision en apro-ximacion lateral, incluso con objetos pequenos.

122


Sensor de proximidad

de ajuste

Fig. 6.25: Sensor de barrera con cables de fibra optica (ejemplo de disposition)


potencibmetro de ajuste

Fig. 6.26: Sensor de reflexion directa con cables de fibra optica (ejemplo de disposition)

123

5.1



Ventajas de los sensores opticos de proximidad adaptados para utiliza-tion con fibras opticas:

• Detection de objetos en areas de acceso restringido, por ejemplo, a traves de agujeros

• Posibilidad de instalacion a distancia del cuerpo del sensor (por ejemplo en lugares peligrosos: calor, agua, radiaciones, riesgo de explosion)

• Detection precisa de pequenos objetos

• Los elementos detectores pueden desplazarse.

Ventajas de los cables opticos de polfmero

• Mecanicamente mas resistentes que los de fibra de vidrio

• La longitud puede reducirse facilmente cortando los extremos de los cables con una cuchilla afilada

• Ahorro de costes.

Ventajas de los cables opticos de fibra de vidrio:

• Adecuados para elevadas temperaturas

• Menor atenuacion optica en distancias largas asi como en rangos cercanos al infrarrojo

• Mayor durabilidad.

124


Si se utilizan emisores/receptores en cuerpos separados, montados cerca unos de otros (como con los sensores de barrera), debe observarse que si estan orientados de forma similar pueden producirse interferencias entre ellos.

Fig. 6.27: Evitar interferencias mutuas

a) Problema: Interferencia mutua del emisor y receptor b) Solution: Disposition alternativa del emisor y el receptor

125

A 7.3

Sensores de proximidad ultrasonicos Festo Didactic

Aunque los sensores de proximidad opticos estan protegidos hasta cierto pun-to contra la influencia de las fuentes de luz externas, una excesiva iluminacion (por ejemplo, luces de filmacion, flashes, luz directa del sol) puede producir interferencias.

Fig. 6.28: Evitar interferencias de la luz exterior

Solucion: Girar el eje optico fuera de la fuente de luz externa o instalar orifi-cios en el rayo de luz

126


Una superficie reflectante proxima a algunos tipos de sensores de fibra optica, puede producir interferencias si reflejos dispersos del emisor alcanzan el re-ceptor a traves de estas superficies reflectantes (ver Fig. 6.29). Si se utilizan sensores de reflexion directa, un fondo reflectante (por ejemplo, piezas de alu-minio anodizado) puede crear interferencias.

Fig. 6.29: Como evitar las interferencias de la reflexion

a) Problema: Superficies reflectantes en areas circundantes. (Dependiendo del tipo de sensor. No todos los sensores se ven afectados).

b) Solution: Desviar o cubrir las superficies reflectantes por medio de orificios. Otras posibilidades son: - Situar el eye optico en un angulo que "desvfe" la reflexion

que interfiere. - Redutir la sensibilidad del receptor.

Las lentes de los sensores opticos de proximidad deben apantallarse contra la suciedad o limpiarse regularmente (por ejemplo, con aire a presion). Si la su-ciedad puede producir interferencias, deberia hacerse una consideration basi-ca sobre la necesidad de utilizar soluciones alternativas con sensores de proxi-midad menos afectados por la suciedad.

127

A 7.3



Fig. 6.30: Detection de pequenos objetos por medio de un sensor de reflexion directa con cables de fibra optica

1 2 8

Fig. 6.31: Distincion de una o dos capas de tejido por medio de un sensor de barrera con cables de fibra optica

Debe detectarse una doble capa de material textil, con el adecuado ajuste de un sensor de proximidad optico.

129


Fig. 6.32: Control de roscas

Los tornillos roscados reflejan suficiente luz difusa para hacer conmutar al re-ceptor. Si la superficie es lisa, el rayo del emisor es desviado fuera del alcance del receptor.

Fig. 6.33: Detection de piezas en un sistema transportador a-b = Sensor de barrera con cables de fibra optica

130


Ejercicio 6.6.1 6.6 Ejercicios Efectos del entorno en los sensores de proximidad opticos

iQue debe tenerse en cuenta al utilizar un sensor de proximidad optico en ambientes de elevada suciedad? Sugerir opciones para resolver el problema

Ejercicio 6.6.2 Seleccion de sensores de proximidad opticos

Deben detectarse unos objetos en una zona muy inaccesible de un equipo de proceso, donde la temperatura ambiente puede superar los 100 QC. Se consi-dera la utilizacion de sensores de proximidad opticos. <j,Que solution es parti-cularmente adecuada en este caso? iQue debe considerarse al seleccionar el medio de deteccion?

Ejercicio 6.6.3 Fiabilidad de funcionamiento de los sensores de proximidad opticos

iCual es el efecto que tiene la modulation de la luz emitida, en la fiabilidad de los sensores de proximidad opticos?

Ejercicio 6.6.4 Deteccion de acero pulido

En una planta de production se ha instalado un sensor de reflexion directa. Una vez instalado, responde sin la presencia de un objeto, es decir, se activa su salida. En presencia del objeto, se desactiva. El objeto en cuestion es una pieza de acero pulido. iComo puede explicarse este comportamiento?

Ejercicio 6.6.5 Conexion electrica de sensores de proximidad

En una fabrica, se han detectado fallos por razones desconocidas al instalar sensores de proximidad. El ingeniero responsable de la instalacion no tiene experiencia en este tipo de sensores, con lo que no debe descartarse una conexion equivocada. Por otro lado, se han utilizado sensores con proteccion contra cortocircuito y polaridad invertida. El ingeniero confirma que los senso-res de proximidad han sido conectados a una fuente de alimentation de 24 V DC. La fuente de alimentation que ha sido utilizada tiene un circuito de filtro (inductancia y condensador de filtrado), pero sin control electronico. ^Cuales son en su opinion, las razones que han provocado el fallo?

131


Ejercicio 6.6.6 Medicion del nivel de llenado por medio de sensores de proximidad opticos

La figura muestra una aplicacion donde se ha utilizado un sensor de proximi-dad optico para la detection del nivel de llenado de un li'quido.

a) <j,Que tipo de sensor de proximidad debe considerarse para esta aplica-cion?

b) ^Permite esta solution una detection precisa del nivel de llenado? £Por que?

c) iBajo que condiciones puede fallar esta solution?

d) i E s adecuada esta solution para medir el nivel de li'quido en un contene-dor de cera fundida para velas?

e) iQue otras soluciones conoce para medicion de nivel de liquidos?

Fig. 6.34: Medicion del nivel de un li'quido por medio de un sensor de barrera

Al alcanzar el Ifquido un nivel determinado, la luz emitida por el emisor se reflejara en la superficie y alcanzara al receptor.

132

Sensores de proximidad magneticos Festo Didactic 9 © A TT 6.6

Ejercicio 6.6.7 Deteccion de piezas

La Fig. 6.35, muestra una pieza en una corredera de transporte. La pieza se posiciona en un alojamiento del transportador de piezas. Debe detectarse la pieza lateralmente a traves de taladros pasantes.

a) i E s posible solucionar este problema utilizando un sensor de barrera? <j,0 se pierde demasiada luz cuando el haz atraviesa los agujeros?

b) Con las otras correderas de transporte, se dispone de suficiente espacio en un solo lado o encima de la corredera para montar un sensor de proximi-dad o una fibra optica. La pieza a detectar es de plastico y tiene un lateral mate cortado a sierra asi como una superficie lisa reflectante. La corredera esta hecha de alumi-nio mate. <^que solution recomendaria?

Pieza

Sensor de proximidad optolectronico

Fig. 6.35: Deteccion por medio de un sensor de barrera con cables de fibra optica a-b - Sensor de barrera con cables de fibra optica

133

A 6.6


Ejercicio 6.6.8 Utilization de sensores de proximidad opticos en un tunel de lavado de automoviles

Debe decidirse su van a utilizarse sensores de proximidad opticos en un tunel de lavado de automoviles, para controlar el movimiento de las toberas de se-cado, como se muestra en la figura inferior. Una vez lavado, un portico que mueve las toberas de secado recorre el perfil de automovil. La tarea de los sensores de proximidad es la de asegurar que la tobera de secado siga cons-tantemente el contorno del vehiculo a una determinada distancia. Los sensores de proximidad pueden salpicarse de agua durante el proceso de secado del vehiculo.

i,Que tipo de sensor de proximidad recomendaria? iCuantos sensores de proximidad sugeriria para cada tunel de lavado y en que orden?


I ' « A 6.6

Ejercicio 6.6.9 Utilizacion de sensores de proximidad opticos equipados con cables de fibra optica

A un disenador ingenioso, le gustaria utilizar un sensor optico de reflexion directa equipado con cables de fibra optica, como sensor de retrorreflexion, utilizando para ello un reflector tal y como se muestra en la figura. Con esta solution, espera alcanzar una zona mayor de deteccion para piezas oscuras y mates, las cuales solo pueden acercarse a traves de un acceso restringido. iFunciona esta solution? ^Cuales son, en su opinion, las caracteristicas de esta solution?

Fig. 6.37: Utilizacion de un sensor de reflexion directa de fibra optica, como sensor de retroflexion

135

A 7.3 3


Ejercicio 6.6.10 Comprobacion de botellas

Un fabricante de bebidas quiere utilizar un sensor de proximidad para detectar automaticamente los envases devueltos que aun llevan el tapon de metal lige-ro. Las botellas deben pasar por debajo de un sensor de proximidad en una cinta transportadora (ver figura). Dado que hay pequehas variaciones en la altura de la botella y diferentes profundidades de roscado de los tapones, debe preverse una tolerancia maxima en altura de 8 mm.

a) ^Que solution recomendaria con sensores de proximidad opticos?

b) i,Es posible tambien la utilization de sensores de proximidad inductivos (por ejemplo, sensores de proximidad con una distancia nominal de detec-tion de 8 mm)?

Fig. 6.38: Selection de botellas con o sin tapon

136


Capi'tulo 7

Sensores de proximidad ultrasonicos

A 7

137

7.4


7.1 Descripcion del El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad ultrasonico esta funcionamiento basado en la emision y reflexion de ondas acusticas entre un emisor, un obje-

to y un receptor. Normalmente, el portador de estas ondas sonicas es el aire. Se mide y se evalua el tiempo que tarda en desplazarse el sonido.

1 Oscilador 2 Unidad de evaluacion 3 Etapa de disparo 4 Indicador del estado de activacion 5 Etapa de salida con circuito protector

6 Tension externa 7 Tension de alimentacion interna 8 Zona activa (transductor ultrasonico) 9 Salida del sensor

Fig. 7.1: Diagrams de bloques de un sensor de proximidad ultrasonico

El sensor de proximidad ultrasonico puede dividirse en tres modulos principa-les, el transductor ultrasonico, la unidad de evaluacion y la etapa de salida. Un pulso corto dispara brevemente el transmisor ultrasonico. Este es generalmen-te un modulo piezo-electrico, es decir, basado en piezo-oxidos (materiales ce-ramicos que reaccionan segun el efecto piezoelectrico, de forma similar al cuarzo).

138


El transmisor ultrasonico emite ondas sonicas en el rango inaudible a cualquier frecuencia, generalmente entre 30 y 300 kHz. En muchos casos, el transmisor ultrasonico cambia de emisor a receptor, es decir, operando como un microfo-no. Los filtros dentro del sensor de proximidad ultrasonico, comprueban si el sonido recibido es realmente el eco de las ondas sonicas emitidas.

A 7.3

i

td = Duration del pulso te = Tiempo de transmision del eco t0 = Tiempo de decaimiento de la oscilacion tp = Intervalo entre pulsos

Fig. 7.2: Principio de la medicion de distancia, por evaluation del tiempo de transmision de pulsos ultrasonicos

La velocidad de los sensores de proximidad ultrasonicos esta limitada por la maxima frecuencia de repetition de pulsos, la cual, dependiendo del disefio, puede oscilar entre 1 Hz y 25 Hz.

La principal ventaja de los sensores de proximidad ultrasonicos reside en el hecho que pueden detectar una amplia gama de diferentes materiales. La de-teccion es independiente de la forma, color y material, mientras que el material puede ser solido, fluido o en forma de polvo. La verification no se ve afectada por la suciedad, ni por las atmosferas con vapores o humos.

139


Los sensores de proximidad ultrasonicos estan generalmente disponibles en forma de sensores de reflexion directa, donde el emisor y el receptor se hallan en un mismo cuerpo. Por otro lado, se dispone de barreras ultrasonicas, que tienen el emisor y el receptor en cuerpos separados.

Las areas mas adecuadas de aplicacion para los sensores de proximidad ultrasonicos son:

• Instalaciones de almacenamiento

• Sistemas de transporte

• Industria de la alimentation

• Proceso de metales, vidrio y plasticos

• Supervision de material a granel.

Los sensores de proximidad ultrasonicos tienen las siguientes ventajas:

• Rango relativamente amplio (hasta varios metros)

• Detection del objeto independiente del color y del material

• Detection segura de objetos transparentes (por ejemplo, botellas de vidrio)

• Relativamente insensible a la suciedad y al polvo

• Posibilidad de desvanecimiento gradual del fondo

• Posibilidad de aplicaciones al aire libre

• Posibilidad de detection sin contacto con puntos de conmutacion de preci-sion variable. La zona de detection puede dividirse a voluntad. Se dispone de versiones programables.

Los sensores de proximidad ultrasonicos tienen las siguientes desventa-jas:

• Si se utilizan sensores de proximidad ultrasonicos para objetos con superfi-cies inclinadas, el sonido se desvi'a. Por ello es importante que la superficie del objeto a reflejar este dispuesta perpendicularmente al eje de propaga-tion del sonido o bien que se utilicen barreras ultrasonicas

• Los sensores de proximidad ultrasonicos reaccionan con relativa lentitud. La frecuencia de conmutacion maxima esta entre 1 y 125 Hz

• Los sensores de proximidad ultrasonicos son generalmente mas caros que los sensores de proximidad opticos (casi el doble).

140

Tension de alimentation tfpica 24 V DC

Alcance nominal ti'pica 100 mm hasta 1 m (en general, ajustable) max. hasta 10 m

Material del objeto cualquiera, excepto materiales absorbentes del sonido

Intensidad de ruptura (salida por transistor) 100 ... 400 mA DC

Temperatura de funcionamiento 0°C...70°C, en parte hasta -10°C

Sensibilidad a la suciedad moderada

Vida util larga

Frecuencia ultrasonica 30 kHz ... 300 kHz

Frecuencia de conmutacion 1 ... 125 Hz

Ejecucion cih'ndrica, rectangular

Clase de proteccion IEC 529, DIN 40 050 tlpica IP 65 max. hasta IP 67


7.2 Caracteristicas tecnicas

Tabla 7.1: Datos tecnicos de un sensor ultrasonico (ejemplo)

Generalmente, los sensores de proximidad ultrasonicos estan equipados con diodos emisores de luz para indication de su estado y a menudo con un potenciometro para el ajuste del rango de funcionamiento. Tambien hay ejecu-ciones con dos potenciometros para ajustar una ventana de conmutacion, asi como ejecuciones especiales programables, con las que pueden seleccionarse diferentes rangos de funcionamiento por medio de un interface electronico. Algunos sensores de proximidad ultrasonicos esta equipados con entradas sin-cronizadas, con lo que es posible un funcionamiento alternado y libre de inter-ferencias, cuando se utilizan varios sensores de proximidad ultrasonicos mon-tados cerca unos de otros.

141


7.3 Observaciones sobre Distancias mfnimas la aplicacion

Con la instalacion de sensores de proximidad ultrasonicos, al igual que con la de los sensores de proximidad inductivos y capacitivos, deben observarse unas distancias mi'nimas entre sensores adyacentes.

Cuando se montan sensores de proximidad ultrasonicos sin la option de sin-cronizacion, asegurarse que no se produzcan influencias mutuas entre ellos. Observense las distancias mi'nimas indicadas a continuation en relation con el rango de detection de los sensores de proximidad utilizados. Se aplican estos valores si el objeto a detectar se desplaza frontal y verticalmente al sensor de proximidad. Los valores indicados son meramente a efectos orientativos. Pue-den producirse desviaciones dependiendo del tipo y de las instrucciones del fabricante.

Rango de detection (cm) Distancia mfnima tfpica (cm)

6... 30 > 15

20... 100 > 60

80... 600 > 250

Tabla 7.2: Minima distancia lateral entre dos sensores de proximidad ultrasonico adyacentes

Bajo otras condiciones de funcionamiento, las distancias mi'nimas se estable-cen experimentalmente por cada montaje. Si dos sensores de proximidad ul-trasonicos esta opuestos uno con el otro, deben observarse los valores dados en la tabla que sigue.

A 7.3

142


Rango de deteccion (cm) (cm)

6... 30 > 120

20... 100 > 400

80... 600 > 2500

Tabla 7.3: Distancias mini mas entre sensores de proximidad ultrasonicos dispuestos frontalmente

En los casos en que al lado del sensor ultrasonico se hallen una pared u otros objetos reflectantes de sonido, se aplicaran los siguientes valores:

Rango de deteccion (cm) Distancia rm'nima ti'pica (cm)

6... 30 > 3

20... 100 > 15

80... 600 > 40

Tabla 7.4: Distancias mfnimas entre los sensores de proximidad ultrasonicos y una pared lateral reflectante

143

7.3


Tamano mfnirno requerido de un objeto

El tamano que debe tener el objeto a detectar depende del angulo de acepta-cion del rayo ultrasonico. Si las ondas ultrasonicas se dirigen a un objeto de-masiado pequeno, cualquier objeto que se halle al lado o en el fondo, puede interferir. Dado que a menudo el fabricante no proporciona datos suficientes, se recomienda hacer ensayos previos desplazando la placa de verification lateralmente hacia el objeto a detectar, mientras se observa la distancia de conmutacion.

Sensor \

/

O = Objeto S = Cono de sonido a = Angulo de aceptacion del cono de sonido

Fig. 7.3: Area de detection de un sensor ultrasonico

Tipo de objeto

Son adecuados los materiales solidos, fluidos, pulverulentos o granulados. Los objetos que no son adecuados para los sensores ultrasonicos de reflexion di-recta, son los materiales que absorben el sonido, tales como las telas gruesas, lana, algodon, gomaespuma, lana de roca. Por otro lado, es posible detectar estos materiales por medio de barreras ultrasonicas. De forma similar, es posible detectar objetos transparentes, reflectantes o in-tensamente negros, sobre los que los sensores de proximidad opticos podrian fallar. Incluso laminas muy finas de material transparente, de un grosor de aproxima-damente 0,01 mm, pueden detectarse por medio de sensores de proximidad ultrasonicos.

B 1

Distancia minima posible de un objeto

Dado que un sensor de proximidad requiere un mfnimo tiempo de proceso, para detectar el eco del ultrasonido, no puede funcionar sin una cierta zona ciega. En el caso de distancias cortas, los "lobulos secundarios" del cono ultra-sonico pueden producir pulsos de error. Con disenos consistentes en un sim-ple transductor ultrasonico, debe completarse la oscilacion despues de la emi-sion (ver Fig. 7.2), antes de que pueda registrarse el pulso del eco.

144


Posicion del objeto

De forma similar a lo que sucede con la luz, los ultrasonidos se desvian en las superficies planas e inclinadas. En este caso, el sensor ultrasonico no recibirfa el eco de la senal. Los objetos con superficies lisas y regulares, no pueden detectarse si las desviaciones son, por ejemplo, mas de ± 3°...± 5° de la per-pendicular al sensor de proximidad. Con objetos de superficie rugosa o irregu-lar, es posible un margen mas amplio, con lo cual la longitud de la onda ultrasonica, el acabado de la superficie y la distancia tambien son importantes.

Fig. 7.4: Efecto de la superficie de un objeto cuando se utilizan sensores ultrasonicos

145


Efectos de la temperatura ambiente, humedad y presion atmosferica

La velocidad de los ultrasonidos depende aproximadamente en un 1,8 %o por °C de la temperatura del aire. Puesto que los sensores de proximidad ultraso-nicos son invariables y no estan compensados por la temperatura, pueden producirse pequenos cambios en el punto de conmutacion como resultado de la temperatura ambiente. La humedad contenida en el aire a una temperatura por debajo de los 40 °C, afecta un cambio maximo en la velocidad del sonido de un 1,4% con una humedad relativa del aire entre el 0% y el 100%. Los cambios naturales en la presion atmosferica no producen cambios significati-vos en la velocidad del sonido. Solo a grandes altitudes, la velocidad del soni-do decrece ligeramente.

Desviacion del rayo ultrasonico

La onda del rayo ultrasonico puede desviarse por medio de reflectores pianos o ligeramente concavos, con lo que pueden detectarse objetos "a la vuelta de la esquina".

Efectos de la temperatura del objeto

Los objetos muy calientes, como banos fundentes, metales al rojo vivo, etc. producen fuertes estriamientos del aire y pueden interferir en la propagation ultrasonica. Por ello se recomiendan experimentos previos en tales casos.

Efectos de los ruidos ambientales

Ya que las frecuencias de transmision estan en la gama de 30 kHz hasta 300 kHz y debido a la limitation de la banda del receptor, los sensores de proximidad ultrasonicos son, en general, poco sensibles a los ruidos externos. En casos excepcionales, pueden reaccionar a interferencias intensas muy se-lectivas.

146


7.4

Los sensores de proximidad ultrasonicos se utilizan para supervisar los niveles 7.4 Ejemplos de aplicacion de llenado en silos.

Tambien han demostrado su fiabilidad para el control de transportadores auto-maticos en almacenes.

Las siguientes figuras muestran algunos ejemplos adicionales:

a) Control de un bucle entre rodillos de alimentation

b) Gasification segun diferentes alturas

c) Deteccion de grueso en lotes

Fig. 7.5: Ejemplos de aplicacion de sensores de proximidad ultrasonicos

147

A © 7.5 TT Sensores de proximidad ultrasonicos Festo Didactic

7.5 Ejercicios Ejercicio 7.5.1 Minima distancia medible

Cuando se miden distancias con sensores de proximidad ultrasonicos, debe tenerse en cuenta la minima distancia medible. ^Por que?

Ejercicio 7.5.2 Desviacion de las ondas ultrasonicas

<i,Es posible desviar las ondas de sonido de forma similar a lo que hacemos con la luz y con un espejo, por ejemplo 90°? iQue hay que observar?

Ejercicio 7.5.3 Detection de cajas en una cinta transportadora

Debe observarse una cinta transportadora para cajas metalicas, para saber si se dispone de cajas llenas o vatias. Los sensores de proximidad a utilizar no solo deben detectar si hay cajas, sino tambien "mirar dentro" desde arriba y comprobar si han sido llenadas. La utilization de sensores de proximidad opti-cos se ha cuestionado, dado que los contenedores y su contenido tienen dife-rentes colores, asi como por el riesgo de contamination. Explicar las ventajas y desventajas de los sensores de proximidad ultrasonicos en oposicion a los sensores de proximidad opticos de reflexion directa, para una aplicacion de este tipo.

148

I

Capi'tulo 8

Sensores de proximidad neumaticos

149

8.1

Sensores de proximidad neumaticos Festo Didactic

8.1 Caracteri'sticas generales

Con los sensores de proximidad neumaticos, puede detectarse la presencia o ausencia de un objeto por medio de chorros de aire que detectan sin contacto. Cuando se presenta un objeto, se produce un cambio en la presion de la serial, que puede ser procesado posteriormente.

Las ventajas de estos sensores de proximidad son:

• Funcionamiento seguro en ambientes con suciedad

• Funcionamiento seguro en ambientes de elevada temperatura

• Pueden utilizarse en ambientes con riesgo de explosion

• Insensibles a influencias magneticas y ondas sonicas

• Fiables incluso en ambientes con brillo intenso y para detection de objetos transparentes a la luz, donde los sensores de proximidad opticos podrian no ser adecuados.

Los sensores de proximidad neumaticos pueden dividirse en sensores por ob-turation de fuga, sensores de reflexion y barreras de aire. Las distancias de-tectables son del orden de 0 a 100 mm, ver Fig. 8.1

Una exigencia comun para la aplicacion de sensores de proximidad es la de reducir la presion de aire del sistema a la zona de baja presion por medio de reguladores de presion. Es esencial un suministro de aire libre de aceite.

Dado que la serial neumatica es generalmente demasiado debil para una pos-terior evaluacion, debe conectarse a continuation un amplificador de presion. Puede crearse un sensor de proximidad binario con salida se senal electrica con la ayuda de convertidores electroneumaticos (presostatos).

Es importante asegurar que el amplificador podra resistir la presion de alimen-tation, cuando se cierre completamente la tobera.

Cuando se sustituye un sensor de proximidad neumatico, generalmente es necesario ajustar el umbral de disparo del amplificador, debido a las diferen-cias resultantes de las tolerancias de fabrication.

150

Sensores de proximidad neumaticos Festo Didactic

4 5

A 8.1

s [mm]

Sensores de obturation de fuga

15 s [mm]

T Sensores reflex

s [mm]

Barreras de aire

Fig. 8.1: Distancias tipicas de deteccion de diferentes sensores neumaticos P = Alimentation, A = presion de salida (senal del sensor) s - Distancia de detection

La presion de alimentation puede variar, pero generalmente se halla en la zona de 0,1 a 8 bar. La serial de presion generada depende de la presion de alimentation y de la distancia entre la boquilla y el objeto. p y i . 5 >

151

7.4


8.2 Sensores de obturacion La obstruction de un chorro de aire que fluye por un taladro, por medio del de fuga (toberas de objeto a detectar, produce una subida de presion en la salida del sensor, hasta contrapresion) el nivel de la presion de alimentation.

Designation alternativa: Tobera de contrapresion

Fig. 8.2: Principio de funcionamiento de un sensor por obturacion de fuga

152


7.4

El tipo de sensor de reflexion (reflex), consiste en un chorro anular de aire y 8.3 Sensores de reflexion en una boquilla central receptora.

Si se aproxima un objeto hacia el chorro de aire que escapa de la boquilla anular (emisor), se forma una sobrepresion en la boquilla central (receptor), cuando el objeto se halla a una determinada distancia del chorro. La Fig. 8.3 ofrece una vista esquematica del flujo de aire.

Tobera emisora Tobera receptora

Fig. 8.3: Principio de funcionamiento de un sensor reflex

La reflexion del chorro de aire sobre el objeto a detectar forma una sobrepre-sion en la salida de control, dependiendo de la distancia detectada y de la presion de alimentation.

Este diseno es ti'pico del sensor de reflexion. Un sensor de reflexion generalmente consiste en una boquilla emisora y una receptora dispuestas concentricamente. El emisor lanza continuamente un chorro de aire a baja presion.

La aproximacion de un objeto hacia el sensor, influye sobre este chorro de aire y se forma una contrapresion (reflex) frente a la boquilla receptora, que es evaluada como una senal (salida A). Designation alternativa: Tobera reflex

153

7.4


8.4 Barreras de aire Situando una boquilla anular emisora directamente frente a una boquilla anular receptora, es posible formar una barrera de aire (de forma analoga a un sen-sor de barrera de luz) que puede interrumpirse por un objeto. Este tipo de barreras, tambien es posible interrumpirlas con otro chorro de aire en lugar de hacerlo con un objeto. Esto se conoce como barrera de chorro interferente. Pueden cubrirse distancias de hasta unos 100 mm por medio de barreras de aire.

Las barreras simples de aire, en las cuales el aire escapa solamente del emi-sor, estan sometidas a la acumulacion de suciedad en la boquilla receptora, puesto que el flujo de aire recoge parti'culas de suciedad del ambiente circun-dante. Esto puede producir funcionamientos defectuosos o un fallo total debido a la obstruction de la tobera.

Fig. 8.4: Principio de funcionamiento de una barrera de aire

154


,8.4, 8.5

Muchas de las barreras disponibles funcionan segun el principio de desviacion de chorro, en las cuales el aire escapa de ambos lados de la barrera. La funcion del receptor puede compararse a la de un sensor reflex. De esta for-ma, es posible reducir mucho el riesgo de contamination del receptor.

Dado que el coste de un sensor de proximidad neumatico completo (boquilla y 8.5 Observaciones sobre amplificador de presion/interruptor de presion) es generalmente mas elevado la aplicacion que el de un sensor estandar inductivo, capacitivo o incluso optico, los senso-res de proximidad neumaticos se usan preferentemente en aplicaciones espe-ciales y en nuevos desarrollos, allf donde los otros sensores citados serian inoperantes.

Aplicaciones ventajosas para los sensores de proximidad neumaticos:

• Areas con riesgo de explosion

• Utilizacion en zonas de soldadura donde se generan fuertes campos de interferencias de AC y DC

• Utilizacion en ambientes humedos y sucios

• Utilizacion en ambientes con temperaturas elevadas

• Utilizacion en medicion de niveles de llenado en h'quidos espumantes.

155

7.4


8.6 Ejemplos de aplicacion • Medicion de la velocidad de transporte de pantallas (pantallas de plastico) para impresion de seda. Estas pantallas se ensucian facilmente, por lo que los sensores opticos de proximidad son inadecuados. Una posible solution es la de prever agujeros a intervalos especificados, en todo el largo del lateral de la pantalla y utilizar un sensor neumatico para su detection

• Supervision de herramientas (por ejemplo, detection de la rotura de una broca) en ambientes donde, por ejemplo, los sensores de proximidad opti-cos son inadecuados dado el alto grado de suciedad que ocasionan el aceite o los li'quidos refrigerantes

• Comprobacion de agujeros despues del taladrado

• Verification de la planitud de placas ceramicas despues de tratadas en el homo.

Fig. 8.5: Comprobacion de rotura de broca por medio de una barrera de aire

Utilizando una barrera de aire, es posible comprobar que la broca se halla en posicion correcta inmediatamente antes de taladrar la pieza.

Si se rompe la broca, el chorro de aire de la boquilla emisora choca contra el receptor generando una senal. Con una simple barrera de aire, la senal se crearfa solo si el objeto no estuviera presente.

La principal ventaja de esta solution (por ejemplo, en oposicion a la solution con un sensor de proximidad optico), es que una contamination tal como la del Ifquido de corte, no interfiere en su funcionamiento.

156

Sensores de proximidad ultrasonicos Festo Didactic A 7.3

Fig. 8.6: Utilizacion de una barrera de aire para conteo de hojas de plastico

Unas hojas de plastico transparente, pasan por un dispositivo de transporte a intervalos de 20 mm. Los espacios entre las hojas se utilizan para contarlas. Se ha montado un amplificador de presion a continuation del receptor de la barrera de aire.

Datos clave: Presion de alimentation del emisor 0,25 bar Tiempo de respuesta 16 ms Velocidad maxima del dispositivo de transporte 37 m/min

La utilizacion de sensores de proximidad opticos o capacitivos podri'a presentar problemas en esta aplicacion; los sensores de proximidad ultrasonicos podrian ser una alternativa posible.

157


8.6

8.6

0.1 a 0.3 bar

Fig. 8.7: Detection del nivel por medio de un sensor de contrapresion

El extremo roscado de una tobera de contrapresion permite la fijacion de un tubo de inmersion. Una vez el nivel del fluido ha alcanzado cierta altura en el tubo de inmersion, la contrapresion en la salida de la tobera activa el amplifi-cador conectado.

La presion de la serial de salida es proporcional a la altura del fluido. La presion maxima de la serial de salida X, corresponde a la presion de alimenta-tion.

Esta solution es adecuada principalmente para li'quidos espumantes, ya que los sensores de proximidad neumaticos responden solamente al fluido y no a la espuma.

158

A 8.6

Fig. 8.9 Deteccion de las agujas de un instrumento de medicion

159


Fig. 8.11 Conteo de botellas de vidrio

1 6 0


Ejercicio 8.7.1 Rango de los sensores de barrera de aire

8.7 Ejercicios

Deben detectarse piezas de un ancho de 90 mm en una zona sometida a riesgo de explosion. Comprobar si, basandose en las caracterfsticas de los sensores de barrera de aire tipo Festo SFL indicadas en la Parte B, Capftulo 1.5, pueden utilizarse en esta aplicacion. Especificar el valor de la senal de salida en mbar.

Ejercicio 8.7.2 Verificacion de tapas por medio de un sensor reflex

Debe utilizarse un sensor reflex para comprobar que se hayan montado las tapas de unos envases. Especificar un valor aceptable de distancia entre el sensor y la tapa. Las curvas caracterfsticas respectivas pueden hallarse en la Parte B, Capftulo 1.5.

Determinar tambien el consumo de aire para esta configuration, de acuerdo con las curvas caracterfsticas de la Parte B.

Fig. 8.12: Verificacion de tapas por medio de un sensor reflex

161

A Criterios de selection Festo Didactic

Capftulo 9

Criterios de seleccion de sensores de proximidad

163


En primer lugar, los sensores de proximidad pueden seleccionarse de acuerdo con el material que deben detectar. Los metales de cualquier tipo pueden de-tectarse facil y economicamente con sensores de proximidad inductivos si solo se requieren distancias pequenas (de 0,4...10 mm). Para distancias mayores, se dispone de sensores de proximidad opticos en distintas ejecuciones. Las mayores distancias pueden cubrirse con sensores de barrera. Los sensores de proximidad capacitivos son adecuados para la detection de una amplia gama de materiales pero tambien para distancias relativamente cortas, similares a las de los sensores de proximidad inductivos. Los objetos a detectar por un sensor de proximidad capacitivo deben tener un determinado volumen minimo. Los sensores ultrasonicos y opticos de reflexion directa son capaces de detec-tar una amplia gama de diferentes materiales a distancias algo mayores. Sin embargo la detection de objetos reflectantes con superficies inclinadas puede ocasionar dificultades.

Otros criterios para la selection de los sensores de proximidad son las condi-tioned bajo las cuales se detecta el objeto, que exigencias hay para la instala-cion del sensor, y los factores ambientales a tener en cuenta. Una vez plan-teados todos los requerimientos, puede seleccionarse el sensor de proximidad adecuado de entre los diferentes productos que se ofrecen.

En las paginas siguientes se da una lista sistematica de los criterios menciona-dos arriba.

164


9.1

Criterios de seleccion para sensores de proximidad

Materiales conductores de la electricidad 9.1 Material del objeto

• Acero • Acero inoxidable • Laton • Cobre • Aluminio • Niquel • Cromo • Recubrimientos metalicos de materiales no conductores, dependiendo del

grueso de la capa metalica • Grafito.

Materiales no conductores de electricidad

• Plasticos • Carton, papel • Madera • Textiles • Vidrio.

Naturaleza de materiales no conductores

• Opticamente transparentes u opacos • Capacidad de reflexion optica de la superficie (absorbente o reflectante) • Homogeneo o irregular (p. ej. material compuesto) • Poroso, fibroso • Solido, liquido, material a granel • Constante dielectrica.

Tamano y forma

Dimension de la estructura a detectar y posible clasificacion en formas estan-dar, es decir, cubo, cilindro, esfera, cono.

165

9.2, 9.3


9.2 Condiciones para la detection de objetos

• Con o sin contacto • Distancia requerida entre el sensor de proximidad y el objeto, posiblemente

teniendo cualquier tolerancia que pueda producirse con respecto a la dis-tancia, por ejemplo, en el caso de objetos en movimiento

• Velocidad de un objeto en movimiento o tiempo durante el cual el objeto esta presente o ausente

• Requerimientos de detection constantes o cambiantes, por ejemplo, dife-rentes posiciones del objeto

• Distancia a los objetos adyacentes, resolution requerida de la detection

• Tipo de fondo o area que hay detras.

9.3 Condiciones de • Espacio libre disponible (distancia/volumen) alrededor del area de detec-instalacion cion. La necesidad de utilizar ejecuciones miniatura o sensores de proximi-

dad remotos cuando se utilizan sensores de proximidad por fibra optica o cabezas de sensores neumaticos. La necesidad de detectar objetos "a la vuelta de la esquina", en grietas o a traves de agujeros

• Necesidad de un montaje enrasado

• Distancia minima requerida entre varios sensores dispuestos uno al lado del otro.

166


• Temperatura ambiente 9.4 Consideraciones ^ Efectos del polvo, suciedad, parti'culas, humedad, salpicaduras de agua, ambientales

chorros de agua, ver clases de proteccion IP

• Influencia de campos magneticos o electricos, por ejemplo en ambientes de soldadura electrica

• Influencia de emisiones de luz externas (peculiaridades de la iluminacion ambiental)

• Zonas con riesgo de explosion

• Ambiente de salas limpias

• Requerimientos de higiene o esterilizacion para utilizacion en envasado de alimentos o en ambientes ch'nicos

• Aplicaciones en condiciones de alta presion o vacfo.

A 9.4. 9.5

Aplicaciones en areas con riesgo de explosion Aplicaciones ^ a de seguridad

Aplicaciones con fines de prevention de accidentes

Aplicaciones donde se requiere extremar medidas de seguridad ante paros.

167


9.6

9.6 Opciones/caracterfsticas • de los sensores de proximidad *

Ejecucion/tipo con especificacion de dimensiones

Alimentation de corriente (corriente continua, alterna)

• Tipo de salida y tipo de circuito de proteccion:

- Salida positiva (salida PNP)

- Salida negativa (salida NPN)

- Proteccion contra cortocircuito

- Proteccion contra polaridad inversa

• Conexion: Cable o conector

• Clase de proteccion IEC 529, DIN 40050

• Temperatura ambiente permisible durante el funcionamiento

• Ejecuciones especiales disponibles, por ejemplo DIN 19234 (NAMUR) o ejecucion de seguridad intrfnseca ("antideflagrante"), o ejecucion de protec-cion de accidentes

• Alcance, distancia de conmutacion o margen, valor fijo o ajustable

• Distancia nominal de detection o alcance nominal

• Histeresis de conmutacion

• Repetibilidad

• Frecuencia maxima de funcionamiento (frecuencia de conmutacion)

• Intensidad de ruptura maxima

• Option para montaje enrasado o no-enrasado

• Distancia minima requerida entre sensores de proximidad del mismo tipo

• Factor de reserva de funcionamiento para sensores de proximidad opticos

• Disponibilidad de ejecucion en fibra optica para sensores de proximidad opticos. Se aplican los siguientes datos tecnicos en relation con las ejecu-ciones en fibra optica:

- Alcance (margen)

- Dimensiones de la cabeza de fibra optica

- Longitud del cable de fibra optica

- Angulo de detection, zonas de respuesta

- Temperatura ambiente permisible

• Accesorios disponibles para sensores de retroreflexion (reflectores, dimen-siones)

• Costes o categoria de costes para sensores de proximidad.

1 6 8

A Tecnicas de conexion Festo Didactic

Capftulo 10

Tecnicas de conexion y circuiterfa

A 10

1 6 9

10.1

Tecnicas de conexion Festo Didactic

10.1 Tipos de conexion

10.1.1 Tecnologia de CC y CA de 2 hilos

Los sensores de proximidad en tecnologia de dos hilos, poseen solamente dos hilos para conectar. Se conectan en serie con la carga a activar, por lo que reciben su tension de alimentation a traves de la carga. Esto produce como resultado una cierta corriente residual que fluye hacia la carga incluso cuando la salida se halla bloqueada, y una cai'da de tension en el sensor de proximi-dad cuando se halla en estado de conduction.

Los sensores de proximidad estan disenados como contactos "normalmente cerrados" (NC) o como contactos "normalmente abiertos" (NA), pero tambien existen ejecuciones que incorporan ambas funciones.

Fig. 10.1: Esquema de conexion para tecnologia de dos hilos (ejecuciones en CC, CA, CC/CA [corriente universal] ) V = Tension de alimentation, L = Carga

170


El terminal para el tierra de proteccion se identifica con un hilo verde-amarillo.

En el caso de las ejecuciones para CA o CA/CC (corriente universal), los cables de conexion puede ser identificados en cualquier color que no sea el verde-amarillo. Sin embargo, generalmente se elige marron o azul, como para los de corriente continua.

Tensiones de alimentation, p.ej: 15 V a 250 V CC 20 V a 250 V CA

En el caso de sensores de dos hilos, debe tenerse en cuenta que en el estado de reposo, debe fluir una corriente residual para proporcionar la alimentation al sensor de proximidad. La corriente residual fluye tambien a traves de la carga. En el estado de reconocimiento de serial, una minima corriente de car-ga debe fluir para garantizar un funcionamiento fiable del sensor de proximi-dad.

A 10.6

171

A 10.1


10.1.2 Tecnologia de tres hilos

Los sensores de proximidad en tecnologia de tres hilos, poseen tres hilos para conectar. Por norma, los colores de los hilos cumplen con el estandar Europeo EN 50 044. Dos hilos son para la alimentation del sensor (marron +, azul -). El tercer hilo (negro) representa la senal de salida del sensor de proximidad.

-o +24VDC

o ov

O +24VDC

O ov

O +24VDC

o OV

o +24VDC

O OV

PNP con contacto normalmente abierto

PNP con contacto normalmente cerrado

NPN con contacto normalmente abierto

NPN con contacto normalmente cerrado

Fig. 10.2: Esquemas de conexion en tecnologia de tres hilos (CC), L - carga

172


Los sensores de proximidad disenados en tecnologfa de cuatro hilos tambien estan divididos en sensores con salida PNP (salida positiva) y NPN (salida negativa). A diferencia de los sensores de proximidad en tecnologfa de tres hilos, los de cuatro hilos poseen una salida antivalente, es decir, poseen una salida normalmente abierta y otra salida normalmente cerrada.

10.1.3 Tecnologfa de cuatro hilos

BN(1)0

bk(4) Q n

WH(2^ U C=

B U 3 ) 0 ,

-O +24VDC

L J :

-O ov

PNP con contactos normalmente abierto y normalmente cerrado

BNf1)c

BK(4),

WH(2^ I T

BUI3V U

- o +24VDC

-O OV

NPN con contactos normalmente abierto y normalmente cerrado

Fig. 10.3: Esquema de conexion en tecnologfa de cuatro hilos (CC), L = carga

173

Designation de los terminales Funcion Color Designation

Alimentation positiva (+) marron BN

Alimentation negativa (-) azul BU

Salida del sensor negro BK

Salida antivalente bianco WH


La designation de los terminales se hace segun el estandar Europeo EN 50 044. El codigo abreviado del color se basa en el estandar internacional I EC 757.

174

Tecnicas de conexion Festo Didactic A 10.6

Generalmente, se distinguen dos ejecuciones de sensores de proximidad, PNP 10.2 Salidas conectando (salida positiva) y NPN (salida negativa). Otras designaciones son conmuta- a positivo o negativo cion-P o conmutacion positiva, asi como conmutacion-N o conmutacion negati-va. Los sensores de proximidad de conmutacion positiva, generalmente tienen un transistor PNP en su salida. Sin embargo, tambien es posible hacer senso-res de proximidad de salida positiva con un transistor NPN. Las designaciones PNP y NPN son ampliamente utilizadas.

En el caso de sensores de proximidad de corriente continua con salida PNP, 10.2.1 Salida PNP la salida es conectada al potencial positivo en estado de conmutacion. Esto significa que en la carga que se conecte (piloto, rele,...), un hilo debera conec-tarse a la salida del sensor de proximidad y el otro a 0V.

Fig. 10.4: Salida PNP (Los diodos sirven para proporcionar una proteccion, L = carga)

Los sensores de proximidad PNP pueden distinguirse como "normalmente ce-rrados" o "normalmente abiertos".

175


Fig. 10.5: PNP con contacto normalmente abierto (L = carga)

Fig. 10.6: PNP con contacto normalmente cerrado (L = carga)

176


10.2

En el caso de sensores de proximidad de corriente continua con salida NPN, 10.2.2 Salida NPN la salida es conectada al potencial negativo en estado de conmutacion. Esto significa que en la carga que se conecte (piloto, rele,...), un hilo debera conec-tarse a la salida del sensor de proximidad y el otro al potencial positivo.

Fig. 10.7: Salida NPN (Los diodos sirven para proporcionar una proteccion, L = carga)

Igualmente, los sensores de proximidad NPN pueden distinguirse como "nor-malmente cerrados" o "normalmente abiertos".

177


Fig. 10.8: NPN con contacto normalmente abierto (L = carga)

Fig. 10.9: NPN con contacto normalmente cerrado (L = carga)

178


10.3

Generalmente, las operaciones logicas con sensores de proximidad se realizan en el control. No obstante es posible realizar conexiones en serie o en paralelo con sensores de proximidad para obtener funciones logicas.

10.3 Tecnologfa de circuitos

Con una conexion en paralelo, es posible efectuar un enlace (Booleano) OR, y Conexion en serie con una conexion en serie, un enlace AND. y en paralelo de sensores

de proximidad

Las ventajas de este tipo de conexiones son:

• Pueden realizarse funciones logicas sin utilizar un control electrico o elec-tronic©

• La realization de funciones logicas por conexionado puede hacerse en el punto de instalacion, de forma que solo se transmite al control el resultado de la operation, con lo que se ahorra cableado.

Las desventajas son:

• El diseno y construction de operaciones logicas con sensores requiere ex-periencia, ya que la influencia mutua de sensores de proximidad incremen-ta los tiempos de respuesta y de desconexion, debiendose tambien consi-derar la limitation en el numero de sensores de proximidad a conectar

• El mantenimiento es mas diffcil.

Sin embargo, si se utiliza un control para el procesamiento de las senales, es mas recomendable realizar todas las operaciones logicas en el propio control.

179

10.3


10.3.1 Conexion en paralelo de sensores de proximidad utilizando la tecnologia de dos hilos

C3Hi>

En la conexion en paralelo de los sensores de proximidad en tecnologia de dos hilos, deben observarse los siguientes puntos:

• Dado que la suma de todas las posibles corrientes de fuga de los sensores de proximidad conectados en paralelo, en estado de reposo fluyen a traves de la carga, deben tomarse medidas para asegurar que esto no provocara un funcionamiento defectuoso de los controles a los que se hallen conecta-dos.

• Cuando se active uno de los sensores de proximidad, "absorbera" la ten-sion de alimentation de los demas sensores de proximidad conectados en paralelo. Esto produce el efecto que los sensores de proximidad restantes ya no podran indicar su actual estado de conmutacion. Si el primer sensor de proximidad regresa a su estado inactivo, entonces un segundo sensor activado podra mostrar su estado correctamente despues de un tiempo de retraso a la desconexion del primer sensor. Esto puede producir senales incorrectas

• La conexion en paralelo no es posible con la tecnologia NAMUR.

Fig. 10.10: Conexion en paralelo con tecnologia de dos hilos (L= carga)

1 8 0


La conexion en paralelo de los sensores de proximidad en tecnologfa de tres hilos puede realizarse sin dificultades. No obstante, deben observarse los si-guientes puntos:

• En estado inactivo, la baja corriente residual de los sensores de proximidad conectados en paralelo se acumula (es posible la utilizacion conjunta de contactos mecanicos y sensores de proximidad)

• Si se utilizan sensores de proximidad con etapa de salida en forma de circuito en colector abierto, no hay efecto de interferencia mutua. En el caso de sensores de proximidad con diferentes tipos de salida, es necesa-rio utilizar diodos de desacoplamiento (ver Fig. 10.11). Los diodos general-mente estan integrados en el sensor, a efectos de proteccion contra polari-dad in versa.

Fig. 10.11: Conexion en paralelo con tecnologfa de tres hilos (CC), (L = carga)

Los sensores de corriente continua de tres hilos, pueden conectarse en parale-lo sin mayores limitaciones, si las corrientes residuales de las senales de sali-da son suficientemente pequenas en estado de reposo. Este es el caso con la mayorfa de sensores de proximidad, con lo que pueden conectarse hasta 20 o 30 sensores. Igualmente es posible una combinacion de sensores de proximi-dad e interruptores mecanicos. Los diodos de desacoplo mostrados en la figura, estan previstos para evitar que el sensor activado se cargue con las resistencias de salida de los demas sensores conectados en paralelo. Ademas, esto evita que se iluminen todos los LEDs en el caso de sensores con LED de indication. Si los diodos son parte integrante de la circuiterfa de proteccion del sensor, no se necesitan diodos externos.

No se recomienda la conexion de sensores de CA, ya que pueden producirse funcionamientos defectuosos durante el arranque del oscilador.

181

10.3


10.3.3 Conexion en serie de Como norma, la conexion en serie de sensores de proximidad que utilicen la sensores de proximidad tecnologia de dos hilos, deberfa evitarse. Si es inevitable, deben observarse utilizando la tecnologia los siguientes puntos. de dos hilos

• La tension de alimentation se distribuye a cada uno de los sensores conec-tados en serie. Si se utilizan sensores de proximidad identicos, se aplica lo siguiente con respecto a la tension que recibe cada sensor de proximidad (en estado de activation):

Vsensores de proximidad — VTension de alimentacion

(n = numero de sensores de proximidad )

En estado de activation, se produce una cai'da de tension en cada sensor de proximidad (aproximadamente 0,7...2,5V por sensor). Cuando se calcu-la la carga, tambien debe tenerse en cuenta que el voltaje en la carga sera el de alimentacion menos la suma de las caidas de tension en cada uno de los sensores de proximidad conectados en serie.

+24V DC

Fig. 10.12: Conexion en serie con tecnologia de dos hilos (L - carga)

182


10.3

Es posible la conexion en serie de sensores de proximidad en tecnologi'a de 10.3.4 Conexion en serie de tres hilos, como se muestra en la Fig. 10.13, pero deben observarse los si-guientes puntos:

• Las salidas de cada uno de los sensores de proximidad conectados en serie se cargan progresivamente: sumada a la corriente consumida por la carga, se halla el consumo individual de cada sensor de proximidad conec-tado en serie

• En el estado de activation, se produce una cai'da de tension en cada sen-sor de proximidad (aproximadamente 0,7...2,5 V por sensor). Como resulta-do, la tension de alimentation disponible para la carga se reduce por la suma total de las cai'das de tension individuates

• En el caso de conexion en serie de sensores de tres hilos siempre es la tension de alimentation del sensor siguiente la que es conmutada, con lo que debe tenerse en cuenta el tiempo de respuesta real antes de disponer de la senal. Si la presencia de un objeto ante el detector es inferior a este tiempo de respuesta, pueden producirse errores de deteccion. En el caso de sensores de proximidad con indicadores de estado de activation (LED,...) no puede garantizarse la correcta indication del estado

• Los diodos de desacoplo pueden estar incluidos en la circuiterfa del sensor, ver 10.3.2.

• Si los sensores incluyen condensadores en derivation con la fue alimentation y si tienen una proteccion contra cortocircuito, la con serie puede ocasionar la siguiente dificultad:

sensores de proximidad utilizando la tecnologi'a de tres hilos

Fig. 10.13: Conexion en serie en tecnologi'a de tres hilos (L= carga)

183

A 10.6

10.4 Tecnologia de conexion bajo la influencia de un elevado electromagne-tismo


Si un sensor conmuta, la proteccion contra cortocircuito de este sensor surgira efecto debido a la elevada carga dinamica del condensador en el sensor siguiente. Como resultado, el sensor anterior ya no podra alimentar al siguiente, el cual, a su vez, ya no podra conmutar.

En lo que se refiere a las conexiones, debe asegurarse que los cables de los sensores de proximidad se instalen aparte de las h'neas de alimentacion a motores, valvulas de potencia, etc. Si los cables de conexion de los sensores de proximidad estan tendidos en largas distancias sobre canaletas o conductos, y se hallan en paralelo con otros cables que transporten corrientes alternas o de fuertes pulsaciones, pue-den producirse interferencias.

Si se utilizan sensores de proximidad en zonas de elevadas interferencias electromagneticas (equipos de soldadura, motores, embragues electromagneti-cos,...) deben tener en cuenta los siguientes puntos:

• Mantener cortos los cables de conexion de los sensores de proximidad

• Apantallar los cables de conexion de los sensores

• Si es posible, limitar la senal de error en la fuente

• Instalar filtros de interferencias en la fuente de alimentacion.

184


10.3

Si la salida de un sensor de proximidad se carga como resultado de un dispo-sitivo conectado a continuation, debe observarse lo siguiente:

• El consumo de corriente de la carga conectada no debe exceder de la intensidad de ruptura del sensor de proximidad. Los valores ti'picos de in-tensidad de carga de un sensor de proximidad estan entre 50...500 mA.

• Para garantizar un funcionamiento fiable de un sensor de proximidad en estado activo, la resistencia de la carga conectada no debe ser tan elevada como para dificultar el flujo de la minima corriente de carga.

• Los sensores de proximidad pueden emitir senales de conmutacion irregu-lares cuando se conecta o desconecta la fuente de alimentation, depen-diendo de si el sensor esta activado o no. Estos pulsos incontrolados pue-den producir funcionamientos defectuosos en los dispositivos conectados y deben eliminarse utilizando un hardware adicional o deben ser tenidos en cuenta en el software de programacion del control.

• Si se utilizan pilotos como elementos de visualization, debe observarse que la intensidad de conexion de los pilotos con el filamento en fri'o, es conside-rablemente mayor que la intensidad nominal. Por ello es posible que para reducir la intensidad de conexion, se instale una resistencia en paralelo con el sensor de proximidad para precalentar el filamento del piloto.

• Si debe activarse un rele (una valvula u otro dispositivo de elevada induc-tancia), por medio de un sensor de proximidad, debe verificarse que exista proteccion contra picos de tension. Sino, debe preverse una circuiterfa adi-cional de proteccion.

10.5 Conexion de controles, reles y elementos de visualizacion

185

A 10.6

10.6 Fuente de alimentacion requerida


Cuando se conectan y desconectan fuentes de alimentacion, debe tenerse cui-dado en asegurar que no se producen picos de tension que puedan perjudicar el funcionamiento de los sensores de proximidad conectados a ella. Las fuen-tes de alimentacion con control electronico insuficiente pueden crear subidas de tension durante su conexion, que pueden superar las tensiones de alimen-tacion admisibles en los sensores de proximidad, las cuales, dependiendo de la constante de tiempo, desaparecen relativamente despacio. En el caso de fuentes de alimentacion poco conocidas, es recomendable verificar el compor-tamiento de la tension al conectar y desconectar, por medio de un osciloscopio con memoria.

Dependiendo de las especificaciones dadas en las fichas tecnicas de los sen-sores de proximidad, el rizado de salida de la fuente de alimentacion no debe exceder de ciertos valores limite.

186

Seccion B

Fundamentos y su posterior analisis

Fundamentos fi'sicos Festo Didactic B

Capftulo 1

Fundamentos ffsicos

B 1

189

B 1.4

Fundamentos fi'sicos Festo Didactic

1.1 Fundamentos de los Los sensores de proximidad inductivos y capacitivos estan basados en el uso sensores de proximidad de osciladores, siendo su amplitud de oscilacion afectada por la aproximacion inductivos y capacitivos de un objeto.

Para generar una oscilacion sinusoidad, se utilizan osciladores LC (consisten-tes en una bobina y un condensador), osciladores de cuarzo y osciladores RC (consistentes en una resistencia, un condensador y un amplificador, es decir, osciladores de puente de Viena).

Las letras L,C y R significan:

L = Inductancia (Unidad: Henrio (H), 1 H = 1 Vs/A)

C = Capacitancia (Unidad: Faradio (F), 1 F = 1 As/V)

R = Resistencia (Unidad: Ohm (Q), 1Q = 1 V/A).

Sensores de proximidad Vamos ahora a considerar el circuito resonante LC tal como se aplica en un inductivos sensor de proximidad inductivo.

La bobina de un oscilador LS se halla dentro de un nucleo medio cubierto magnetizado unilateralmente. Este oscilador oscila generalmente a una fre-cuencia que se halla en la zona de 100...1000 kHz aproximadamente.

El oscilador LC genera un campo alternative de alta frecuencia electromagneti-ca (campo HF), el cual es emitido en la superficie activa del sensor de proximi-dad.

La amplitud de la oscilacion decrece a medida que se acerca un conductor metalico al nucleo medio cubierto, o cesa totalmente.

Corrientes parasitas La causa de la perdida de energia es el resultado de una perdida en corrientes parasitas a medida que se acerca el objeto.

Si se desplaza una pieza metalica en un campo magnetico constante, se indu-cen corrientes parasitas en ella. Sucede lo mismo si piezas de metal estacio-narias se hallan expuestas a campos magneticos alternatives.

Un sensor de proximidad inductivo funciona con un bajo consumo de corriente, de algunos microwatios, lo cual tiene varias ventajas:

• No hay efecto magnetizante significativo

• El campo de HF no causa interferencia alguna

• No aumenta la temperatura en el objeto a detectar

190

Fundamentos fi'sicos Festo Didactic B 1.1

Las oscilaciones electricas pueden explicarse claramente tomando como ejem- Oscilaciones plo las oscilaciones mecanicas.

En el caso de la oscilacion mecanica de un muelle, se produce un cambio periodico entre la energfa potencial y la energia cinetica (energia potencial y energi'a motriz). De forma analoga, la energia de un campo electrico y magne-tico cambia en el caso de una oscilacion electromagnetica.

La comparacion de los valores mecanicos y electricos, viene dada por:

Deflexion x Carga q

Carga m Inductancia L

Contante de rozamiento k Resistencia R

Constante del muelle D Inverso de la capacidad 1/C

• - v M M l ^ M M ^

Fig. 1.1: Comparacion entre las oscilaciones mecanicas y electricas

191

B 1.1


Ei circuito resonante LC Las oscilaciones electromagneticas se crean en el llamado circuito resonante LC, que consiste en una bobina y un condensador. Una vez se ha cargado el condensador, se descarga a traves de la bobina. Durante este proceso, la intensidad y la tension cambian periodicamente.

R1

Fig. 1.2: Circuito resonante LC

Sin embargo, en este caso solo puede obtenerse una oscilacion sin atenuar si el circuito resonante no tiene ninguna resistencia ohmica. Por lo tanto, en la practica es necesario utilizar un amplificador que compense la atenuacion re-sultante de la resistencia. En la Fig. 1.2, se utiliza un amplificador operacional para mostrar el principio del circuito.

192


Para obtener el valor de la frecuencia de un circuito resonante LC, se examina el tiempo variable de carga Q en el condensador. En el caso de un condensa-dor de placas con una capacidad C y una tension V, se aplica lo siguiente:

Q = C • V

En un determinado momento t, se obtiene una carga variable q(t), que propor-ciona una tension variable v(t)

La derivada de esta carga respecto al tiempo, dq/dt, determina la intensidad i(t), que fluye a traves de la bobina con inductancia L. La tension obtenida en el condensador es:

vc(t) - q(t)/C

y la tension en la bobina

vL = L di/dt = L d2q/dt2

La ecuacion para la oscilacion es:

v c + vL = L d2q/dt2 + q/C = 0

Si dividimos esta ecuacion por L, el resultado para una oscilacion sin atenuar es:

d2q/dt2 + q/LC = 0

El resultado de la frecuencia de resonancia del circuito sin atenuacion es:

to2 = 1/ LC

Por ejemplo, si suponemos L = 100 ^iH, y C = 10 nF, entonces la frecuencia Ejemplo resonante es:

co = 1/ (100 • 10"6 • 10 • 10"9)1/2 = 1 . 1 0 6 Hz = 1 MHz

B 1.4

193

B 1.1


Circuito basico de un sensor de proximidad inductivo

8

c

i

D> J~L

1 Oscilador 2 Demodulador 3 Etapa de disparo 4 Indicador del estado de activacion 5 Etapa de salida con circuito de protection

6 Tension externa 7 Alimentacion interna constante 8 Zona activa (bobina) 9 Salida del sensor

Fig. 1.3: Diagrams de bioques de un sensor de proximidad inductivo

194


Fig. 1.4: Amplitud de oscilacion y umbral de conmutacion de la etapa de disparo

Se conecta un demodulador al oscilador para evaluar los cambios en la ampli-tud de la oscilacion. Aquf es donde se crea la serial de salida para la actua-tion de la etapa de disparo. En la etapa de disparo, la senal analogica es convertida en una senal digital. La etapa de disparo no genera ninguna senal de salida a no ser que la senal de entrada este por encima de un determinado umbral.

Con la serial proporcionada por la etapa de disparo, la etapa de salida se activa. Dependiendo del estado de activation, el umbral de la etapa de disparo tambien cambia ligeramente. Con ello se crea la histeresis del sensor de proxi-midad. Se crea una serial de salida si, con el incremento de la atenuacion del sensor de proximidad, la serial rectificada en amplitud queda por debajo del umbral de disparo. Con la atenuacion decreciente, se requiere una mayor am-plitud de oscilacion para desconectar la serial de salida. En este caso el um-bral de disparo es ligeramente mayor que en el caso anterior y el sensor de proximidad muestra su histeresis.

195

B 1.1


Distancia de conmutacion y conductividad

Entre otras cosas, la distancia de conmutacion depende de la conductividad electrica del metal a detectar. La tabla siguiente indica los valores en relacion a la conductividad de los diferentes metales y aleaciones. La tercera columna indica el factor de reduccion para la distancia de conmutacion del sensor de proximidad inductivo. Esta simple dependencia no se aplica en todos los casos de metales ferromagneticos y aleaciones. Con materiales ferromagneticos, se crean perdidas considerablemente mayores por las corrientes parasitas en el material atenuador que con materiales que no sean ferromagneticos.

Conductor Conductividad — £2 mrrr

Factor de reduccion

Cobre 56.0 0.25 - 0.40

Aluminip 33.0 0.35 - 0.50

Laton 15.0 0.35 - 0.50

Tabla 1.1: Conductividad y factor de reduccion de diversos metales

196


Material atenuador

Campo magnetico disperso H s Corrientes parasitas Hw a traves del campo magnetico

Fig. 1.5: Forma del campo magnetico en un sensor de proximidad

El campo H w creado como resultado de la corrientes parasitas actua contra el campo generado H s . Este efecto se describe como desplazamiento de campo. El efecto superficial (ver pag. 198), tiene otro efecto, aunque menos potente, en las diferentes distancias de conmutacion de los diferentes materiales, con las frecuencias ti'picas de oscilacion utilizadas. Por norma, la frecuencia del oscilador de los sensores de proximidad inductivos se halla en el rango de 300...800 kHz.

Hasta ahora, la dependencia de la distancia de conmutacion para la atenua-cion, no podia ser calculada exph'citamente.

Las perdidas se crean como resultado de las corrientes parasitas en una placa Disipacion de potencia en el metalica. Asumiendo que la profundidad de penetration del campo es pequena material atenuador y que el campo de aproximacion no penetra en la capa de metal, se aplica lo siguiente:

H0 = r.m.s valor de la fuerza del campo magnetico en la zona de dispersion de la superficie de la placa

M- = M-o • M-r = permeabilidad magnetica, n 0 = 1.257 • 10"6 Vs/Am = campo magnetico constante, |ar = permeabilidad relativa

k = Conductividad electrica

f = Frecuencia

197


1.1

El valor de H0 depende de la distancia entre la placa y el sensor de proximi-dad y de la distribucion del campo. La disipacion de potencia se incrementa con la rai'z cuadrada de la permeabilidad. Por otro lado, con el incremento de conductividad, la disipacion de potencia decrece. La disipacion de potencia es decisiva en lo que se refiere a la atenuacion del oscilador. En el caso de materiales con elevada disipacion de potencia, la atenuacion ya se produce a mayores distancias, produciendo la conmutacion, pero en el caso de baja disi-pacion de potencia solo a cortas distancias.

Diamagnetismo, paramagnetismo y ferromagnetismo

Los materiales que reducen el campo magnetico de una bobina de medicion, se denominan diamagneticos, es decir, su permeabilidad es inferior a 1. Sin embargo, la reduccion es muy pequena. Con materiales paramagneticos, se produce un ligero fortalecimiento en el campo magnetico, es decir, la permea-bilidad es superior a 1. Los materiales ferromagneticos refuerzan el campo magnetico y por ello reciben un nombre diferente. Su permeabilidad es consi-derablemente mayor de 1 y aparte de esto, dependen mucho del tratamiento previo de los materiales.

materiales paramagneticos

materiales diamagneticos

materiales ferromagneticos

Manganeso Zinc Hierro

Cromo Plomo Cobalto

Aluminio Cobre Niquel

Platino Plata

Table 1.2: Materiales paramagneticos, diamagneticos y ferromagneticos

Efecto superficial Con un conductor lineal que transporta corriente continua, la densidad de la corriente tiene el mismo valor en todos los puntos de la seccion del conductor. Sin embargo, con corrientes alternas, la corriente es forzada hacia la superfi-cie. En el caso de frecuencias muy elevadas la corriente esta practicamente restringida a una fina capa en la superficie del conductor, de ahi su nombre de efecto superficial. El efecto superficial significa que un hilo por el que circula una corriente alterna de frecuencia elevada, tiene una mayor resistencia que si fuera corriente continua.

Si asumimos que el hilo esta hecho de varios conductores de menor seccion, entonces la influencia mutua de tal conductor en el centra, es mayor que la del extremo exterior, Asi, la corriente alterna que fluye es forzada hacia la superfi-cie, es decir, el area con menor resistencia a la corriente alterna.

198


El grueso de la capa superficial, dentro de la cual la amplitud de la corriente Profundidad de ha decrecido la cantidad 1/e (=1/2,718), se conoce como la profundidad de penetracion penetration d. Se aplica la siguiente formula:

d= Vji JvMo K f

Donde

jjo = 1.257 • 10"6 Vs/Am = campo magnetico constante

|ir = permeabilidad relativa

K = conductividad

f = frecuencia

Puede observarse que cuanto mayor es la permeabilidad y la conductividad del material, menor es la profundidad de penetracion. Si el grosor del material del objeto a detectar por un sensor de proximidad inductivo, es menor que la profundidad de penetracion del campo, entonces una parte del campo cae fuera de la placa, resultando con ello un aumento de la distancia de conmuta-cion.

B 1.4

Profundidades de penetracion del campo a una frecuencia de f = 800 kHz:

Cu = 0.073 mm

Al = 0.094 mm

Tabla 1.3: Profundidad de penetracion del campo electromagnetico

Laton = 0.16 mm

199

B 1.1


Sensores de proximidad capacitivos

El elemento activo de un sensor de proximidad capacitivo es un condensador, el cual esta hecho de electrodos metalicos en forma de discos, y una pantalla metalica semiabierta en forma de vaso. Si un material conductor o no, se introduce dentro de la zona activa frente al sensor, la capacidad C del conden-sador cambia de valor. En los sensores de proximidad capacitivos, un circuito resonante RC es sintonizado de tal forma que el sensor en estado inactivo produzca un campo disperso frente a su superficie activa. Solamente si entra un objeto en esta zona, es posible que responda el oscilador RC. El cambio en la capacitancia produce esta respuesta.

Los cambios de capacitancia dependen de los siguientes factores:

• Distancia y posicion del objeto frente al electrodo

• Constante dielectrica del objeto

• Dimensiones del objeto

Si se introduce un objeto no conductor en la zona activa, la capacitancia se incrementa con la constante dielectrica er del material y viceversa, en propor-cion a la distancia desde el electrodo en forma de disco del condensador. La mayor distancia de conmutacion se alcanza o bien en la superficie del agua, o en materiales conductores de electricidad puestos a tierra. Cuanto menor sea la constante dielectrica relativa de un material no conductor, menor sera la distancia de conmutacion.

Como con los sensores de proximidad inductivos, es posible detectar objetos moviles o estacionarios

200

Material Constantes dielectricas relativas

Alcohol etflico 25.1

Cloruro de polivinilo 2.9

Alcohol metilico 33.5

Polietileno 2.3

Vidrio 3...15

Poliestireno 3.0

Agua 81

Aceite de transformador 2.2...2.5

Hielo 4

Pizarra 6...10

Aire 1

Mamposteri'a 2.3

Goma dura 3...4

Vaselina 2.1...2.3

Papel 1.2...3.0

Hermetico para juntas 2.5

Parafina 2.2

Papel parafinado 5

Tabla 1.4: Constante dielectrica relativa de diversos materiales

201

B 1.1

Fundamentos fisieos Festo Didactic

Circuito resonante RC Un circuito RC no es capaz de oscilar por si mismo. Se necesita un elemento activo para hacerlo oscilar.

A menudo se utilizan circuitos que son similares del oscilador Wien-Robinson.

Fig. 1.6: Circuito resonante RC

Para R1 = R2 = R y C1 = C2 = C, la frecuencia de resonancia del oscilador RC es:

00 = 1/RC

202


En magnetismo, debe distinguirse entre magnetismo permanente y electro-magnetismo. Una simple ilustracion de las h'neas de un campo magnetico en el espacio, puede obtenerse por medio de limaduras de hierro. Para dar un ejem-plo, las limaduras de hierro puestas sobre una hoja de papel con un iman debajo, se orientaran con las h'neas del campo magnetico. Incluso la pequena aguja de una brujula puede utilizarse para detectar un campo magnetico.

1.2 Fundamentos de los sensores de proximidad magneticos

Si comparamos los efectos dinamicos de los polos de dos imanes permanen- Magnetismo permanente tes cuando se ponen uno frente a otro, pueden atraerse o repelerse. Los polos iguales se repelen, mientras que los polos opuestos se atraen.

Fig. 1.7: Ilustracion de la disposition de las lineas del campo magnetico con polos iguales y opuestos

203

B 1.4


Las li'neas de campo de un iman son h'neas cerradas que van desde el polo norte al polo sur. Los polos norte o sur nunca se producen individualmente; todos los imanes tienen siempre dos polos.

Los imanes permanentes estan hechos de diferentes materiales:

• Imanes de ferrita dura

• Imanes de aleacion metalica

• Imanes hechos de minerales raros: samario-cobalto o neodimio-hierro-boro.

Si una parte del magnetismo permanece en un material despues de cesar los efectos de un fuerte campo magnetico, hablamos de magnetismo remanente B r . Se requiere un campo magnetico inverso con la fuerza de campo -HK, para cancelar completamente esta magnetizacion.

Fig. 1.8: Curva de magnetizacion H = Fuerza del campo magnetico B = Induccion magnetica

204


Las areas circundantes de los conductores que transportan corriente siempre Electromagnetismo tienen campos magneticos. Las h'neas del campo magnetico alrededor de un conductor recto son siempre en ci'rculos concentricos.

La direction de las h'neas de campo alrededor de un conductor de corriente se determina por la regla del sacacorchos. Si se utiliza un sacacorchos con la mano derecha, en el sentido del flujo de corriente, este sentido de rotation indicara el de las h'neas de campo

B 1.4

Fig. 1.9: Recorrido del flujo magnetico en un conductor y en una bobina

El metodo mas simple y usual de detectar un campo magnetico es utilizar un Interruptor reed interruptor reed. Dos laminillas flexibles de material magnetico se unen por medio de un campo magnetico externo, estableciendo un contacto electrico. Sin embargo, el cierre de este contacto no esta exento de rebotes. La Fig. 1.10 ilustra el comportamiento de este contacto durante la conmutacion.

ON -

OFF -

ON -

OFF -

t l t 2 1

Fig. 1.10: Rebotes caracteristicos en una conmutacion con contacto mecanico

205

B 1.2


Ademas, debe observarse que este interruptor tiene dos o tres zonas de con-mutacion dependiendo de la direccion del eje polar magnetico. Si el eje polar apunta perpendicularmente al piano de las laminas reed, siempre se obtendran dos zonas de conmutacion (Fig. 1.11). Esto es debido a la forma que adopta el flujo magnetico. Cuando pasa el iman, la fuerza del campo que se requiere para disparar el interruptor se obtiene dos veces. Si el eje polar se halla para-lelo a las laminas reed, entonces de crean tres zonas de conmutacion para distancias pequenas, una zona principal de conmutacion y dos zonas mas pequenas. Las zonas mas pequenas se producen debido a los efectos magne-ticos inversos de las laminas reed cuando entran en el campo magnetico (Fig. 1.12)

Fig. 1.11: Zonas de conmutacion de un interruptor reed en relacion con el eje polar magnetico

Fig. 1.12: Zonas de conmutacion de un interruptor reed en relacion con el eje polar magnetico

206


De forma similar a los sensores de proximidad inductivos para la deteccion de metales, el estado de oscilacion de un oscilador electronico se evalua como una serial binaria. La diferencia con un sensor de proximidad inductivo "puro" reside en el hecho que la bobina del oscilador esta apantallada de forma que no se emite un campo electromagnetico. Sin embargo, un campo magnetico externo activo produce una magnetization adicional del nucleo del material. Esto hace que el sensor de proximidad se active.

Sensores de proximidad magnetico-inductivos

Hay ejecuciones en donde la bobina es pre-atenuada por medio de una pe-quena placa magnetica. Un campo magnetico activo externo induce la magne-tization de esta pequena placa. Entonces oscila el oscilador y el sensor de proximidad actua.

Tambien con este tipo de sensores de proximidad, el numero de zonas de conmutacion depende de la orientation del eje polar. Una ventaja en compara-cion con el interruptor reed es que se produce una sola zona de conmutacion si el eje polar del iman se desplaza paralelamente a la superficie activa (ver Fig. 3.9, pagina 56).

207

B 1.2


Sensores Hall El efecto Hall fue descubierto el siglo pasado por E.Hall. Descubrio que se crea una diferencia de tension en los lados opuestos de una pequena y fina placa de oro, a traves de la cual circula una corriente, si un campo magnetico actua perpendicularmente a ella. Subsecuentemente, se descubrio que este efecto tambien sucede con muchos semiconductores. Se requieren ciertas ca-racterfsticas fi'sicas para ello. El grosor de la placa debe ser inferior al largo y al ancho. Pueden crearse tensiones de hasta 1,5 V.

Fig. 1.13 Representation esquematica del efecto Hall

La formula para la tension Hall es:

VH=RH!-t

VH = Tension Hall R h = Constante de Hall I = Intensidad B = Campo magnetico t = Grueso de la placa

Los elementos sensores Hall se utilizan para medicion de intensidades y cam-pos magneticos o en combinacion con imanes moviles para angulos y posicio-nes.

208


Los sensores magnetorresistivos funcionan bajo el principio de un cambio en la resistencia de materiales ferromagneticos bajo la influencia de campos mag-neticos. Los sensores de este tipo constan de finas laminas en tiras o de estructura sinuosa. Las capas de resistencia consisten en aleaciones de hie-rro-nfquel (Permalloy), que estan dispuestas en circuitos de Puente de Wheatstone. La tension del puente cambia bajo la influencia un campo magne-tico externo. El efecto no es lineal; se produce una saturation en un cambio de resistencia de aproximadamente 1-2%. En materiales ferromagneticos poli-cristalinos, el cambio en la resistencia tambien depende del sentido en que incide el campo magnetico.

Efecto magnetorresistivo

Los sensores magnetorresistivos a menudo consisten en materiales semicon- Sensor magnetorresistivo ductores, tales como el indio-antimonio (InSb) o indio-antimonio/nfquel-antimo-nio (InSb-NiSb), los cuales cambian su resistencia electrica en presencia de un campo magnetico.

La resistencia de salida de un magnetorresistor sin un campo magnetico exter-no y a temperatura ambiente, depende de las dimensiones y de la conductivi-dad del material utilizado. La conductividad del semiconductor esta determina-da por su dopado. Por dopado entendemos la introduction deliberada de im-purezas en un semiconductor para incrementar su conductividad. En este sen-tido, se habla de conduction extrinseca en lugar de conduction intrinseca, puesto que los atomos de las impurezas introducidas influyen decisivamente en su conductividad.

El cambio de resistencia en el caso de pequenos campos magneticos es muy pequeno, debido al hecho que la resistencia del sensor esta en funcion del cuadrado del campo magnetico. El incremento de sensibilidad puede alcanzar-se por una polarization magnetica en el magnetorresistor por medio de un iman permanente. El punto de trabajo del magnetorresistor se halla ahora en la zona mas inclinada de la curva caracterfstica cuadratica creando asf un mayor cambio en la resistencia. Por ello, los sensores de este tipo se constru-yen con materiales semiconductores magnetorresistivos juntamente con ima-nes permanentes y materiales de hierro dulce que dirijan el flujo.

Los sensores magnetorresistivos pueden ser excitados por medio de la aproxi- Ferro-sensores macion externa de imanes permanentes o - en el caso de los sensores polari-zados magneticamente - por medio de materiales ferromagneticos. Esta ultima ejecucion tambien se conoce como ferro-sensor. Con la aproximacion de un material ferromagnetico, cambia el campo magnetico del iman permanente que contiene el sensor. El cambio del campo es detectado por el magnetorresistor y convertido en una serial de salida. Este sensor solo responde a materiales ferromagneticos.

209

B 1.2


Efecto Wiegand Se utiliza como medio sensor un material ferromagnetico en forma de hilo con una zona magnetica simple. La polarizacion magnetica solamente puede ha-cerse en uno de los dos sentidos paralelos al hilo. El nucleo magnetico debit esta encerrado por una capa magnetica fuerte. En presencia de un campo magnetico externo se produce una inversion magnetica a lo largo de todo el hilo. Se crea una tension en una bobina que esta arrollada sobre el hilo. Se obtienen senales de tension de 2 a 8 V de amplitud con longitudes de sensor de 15 a 30 mm.

Una destacada caracterfstica de los sensores Wiegand es que no se requiere alimentacion de tension externa para hacer funcionar al sensor. Funcionan a una gama de temperaturas de entre -196° hasta +175°C.

1 5 - 3 0 mm

Capa magnetica fuerte

Nucleo magnetico debil

Una o varias capas de bobinado, con devanados concentrados por unidad de longitud

Sentidos de la magnetizacion

Fig. 1.14 Sensor Wiegand

210

Fundamentos fi'sicos Festo Didactic B _B _ L

La frecuencia del sonido que esta por encima del Ifmite audible humano se 1.3 Fundamentos de los conoce con el nombre de ultrasonido. El Ifmite mas bajo esta aproximadamen- sensores ultrasonicos te en los 20 kHz. Las particulars caracterfsticas de los ultrasonidos, aplicadas a los sensores de proximidad, son el resultado de la elevada frecuencia y de la correspondientemente corta longitud de onda.

10 I

100 1K 10K 100K I I I I

1M 10M 100M l 1 1

1G (HZ) i

" j L I I j 1 1 1

J L ^ v V V

Infra Audible Ultra Hipersonido

Fig. 1.15: Margen de la frecuencia del sonido

La propagation del sonido es el resultado de la propagation de largas ondas mecanicas, que se manifiestan por una variation periodica de la densidad del medio portador, que conduce a compresiones y dilataciones. La propagation de las ondas de sonido depende del medio transmisor, con lo que no es posi-ble que se propague en el vacfo.

211

B 1.3


Velocidad del sonido en objetos solidos

Para objetos solidos, la velocidad de propagacion de las ondas sonoras es igual a:

E = Modulo de elasticidad p = Densidad ' - < f > *

El modulo de elasticidad de un material viene determinado por la ley de Hooke:

E= FI

AAI

Aqui, F es la fuerza que dilata o contrae un cuerpo de longitud I en la longitud A I, y A es el area de la seccion del cuerpo.

Velocidad del sonido en los fluidos

La velocidad del sonido en los fluidos vale:

K = Modulo de compresion r = Densidad

Velocidad del sonido en los gases

Para la velocidad del sonido en los gases, se aplica lo siguiente:

K = Exponente adiabatico

v = ( ^ = (KRT)^ P = P r e s i 6 n

p p = Densidad T = Temperatura R = Constante del gas

El exponente adiabatico K describe el cociente del calor especffico a presion constante cp, y el calor especffico a volumen constante cv.

Esta ecuacion demuestra que la velocidad de propagacion de las ondas de sonido en un gas, dependen mayormente de la temperatura y no de la presion del gas.

Velocidad del sonido en el aire

La formula siguiente se aplica para la velocidad del sonido en aire seco a una temperatura T:

vq = 331.6 m/s

o bien

vo + 0.58 m T_ s ' °C

212

Solidos (a 20°C)

V

m/s

Aluminio 5110

Hierro 5180

Oro 2000

Corcho 500

Cobre 3800

Laton 3500

Acero 5100

Fluidos (a 20°C)

V

m/s

Benceno 1320

Cloroformo 1000

Glicerina 1923

Petroleo 1320

Mercurio 1415

Agua destilada 1483

Gases (a 0°C y 1013 h Pa)

V

m/s

Argon 308

Helio 971

Dioxido de carbono 258

Monoxido de carbono 337

Aire 332

Hidrogeno 1286


Tabla 1.5: Velocidad del sonido en distintos materiales

213

B 1.3


Dada su corta longitud de onda, las ondas ultrasonicas se comportan de forma similar a las ondas de luz. Igualmente, a las ondas ultrasonicas se les aplican tambien las leyes de la geometria optica (angulo de incidencia = angulo de reflexion)

La estructura de la superficie que refleja una onda ultrasonica es de gran importancia asi como la direccion en que es reflejada. Si la rugosidad de la superficie esta dentro de 1/4 a 1/6 de la longitud de onda del sonido, las ondas se reflejan de forma difusa, ya que las superficies lisas tienen un angulo maximo de aproximadamente ± 5e hacia el cono de sonido, mientras que las superficies de estructura rugosa, por ejemplo materiales a granel, tienen un angulo maximo de aproximadamente ± 45°.

La longitud de onda X es igual a:

Jt = * v X = Longitud de onda v = Frequencia v = Velocidad del sonido

Ejemplo A una frecuencia de 200 kHz y a una velocidad de propagacion del sonido en el aire de aproximadamente 340 m/s, se obtiene el siguiente valor de longitud de onda

. v 340 m/s . —j . —.— 3 , X = - = — = 1 . 7 - 1 0 ° m = 1 , 7 m m

v 200 103Hz

214


Hay tres metodos diferentes para generar ultrasonidos: mecanicos, magneticos Generacion de ultrasonido y electricos. En este contexto, la generacion mecanica de ultrasonidos tiene muy poca importancia.

Con la ayuda de la magnetoestriccion, es posible generar ultrasonidos de has- Generacion magnetica ta aproximadamente 50 kHz. Las sustancias ferromagneticas cambian su lon-gitud en un campo magnetico. El cambio relativo en longitud esta dentro del rango maximo de 4 • 10 ,-5

x 10"6

40--

A |

H •

Resto Fe

Fig. 1.16: Curvas de tension magnetoestrictiva de diversos materiales en relation con la fuerza del campo H

215

B 1.3


Generacion electrica En la electroestriccion (efecto inverso al piezoelectrico) se conecta una tension alterna de alta frecuencia a una placa de cristal. Esta placa produce las oscila-ciones mecanicas de la frecuencia correspondiente, que se vuelven particular-mente fuertes con la resonancia. Pueden alcanzarse frecuencias de hasta 10.000 kHz aproximadamente.

Eje de polarization Conversion de la fuerza en tension

a) b) c)

Conversion de la tension en carga lineal

-o +

o +

A r

o —o

d) e)

Fig. 1.17: Ei efecto piezoelectrico (fuente: Philips Components)

a) Cuerpo sin cargar b) Fuerza de compresion c) Fuerza de traction d) Tension CC, opuesta a la polarization e) Tension CC, paralela a la polarization f) La tension de CA provoca un alargamiento y acortamiento alternativos.

Para generar ultrasonidos, en lugar de cristales, actualmente se utilizan mate-riales piezoelectricos, ampliamente difundidos bajo la marca registrada Piezoxi-de (p. ej. por Valvo).

216


Las Figs. 1.18 y 1.19 muestran la dependencia de la velocidad del sonido en el aire, respecto a la temperatura y humedad relativa del aire.

B 1.4

Fig. 1.18: Velocidad del sonido en aire seco en funcion de la temperatura

n m T i /0+ 0.58 — - ^

= 331.6 —

Fig. 1.19: Porcentaje del cambio de velocidad en el sonido en funcion de la humedad relativa del aire

217

B 1.3


Atenuacion del ultrasonido en el aire

Cuando se elige un sensor ultrasonico, debe tenerse en cuenta la frecuencia del emisor. La atenuacion del ultrasonido en el aire depende de la frecuencia y como tal tambien del rango del sensor ultrasonico.

Ley ffsica En la propagacion de un sonido en el aire, la amplitud de la presion sonora p decrece exponencialmente con la distancia d:

A P

A Po

. -ad

A PO Valor de pico de la presion de la onda sinusoidal de presion

del sonido en la salida del emisor (d = 0).

A P

a

Valor de pico de la onda de presion del sonido a una distancia d del emisor (asumiendo que el rayo ultrasonico no diverge)

Coeficiente de atenuacion (Unidad: m 1)

Correspondientemente, se aplica lo siguiente con respecto a la potencia acus-tica:

P= Pq- e~ 2 a d = Pq- e~ a d

Esta formulacion es a menudo utilizada con 2a = a' representando el coefi-ciente de atenuacion.

218


Relacion logaritmica de atenuacion

En lugar del coeficiente de atenuacion (lineal) a o a', tambien se utiliza una relacion logaritmica de atenuacion aL , la cual, en la observation de la amplitud de la presion de sonido, se define por la relacion:

• d A A - 20 P = Po • 10

o en el examen de la potencia acustica, por la relacion:

a'u d

p=p0. 10" 10

a L o a'L viene indicado en dB/m (1 dB = 1 decibelio).

B 1.4

219

1 0 1 0 2 1 0 3 1 0 4 1 0 5 Hz 106

Frecuencia

Fig. 1.20: Dependencia del coeficiente de atenuacion en la frecuencia ultrasdnica

Temperatura del aire: 20°C

a) Humedad relativa del aire 10% b) Humedad relativa del aire 40% c) Humedad relativa del aire 80% d) Atenuacion tedrica basada en la absorcion estandar:

La atenuacion lineal es proporcional al cuadrado de la frecuencia del sonido

220

Fundamentos fisicos Festo Didactic R

1 2 3 4 5

1 Oscilador 2 Unidad de evaluation 3 Etapa de disparo 4 Indicador del estado de activation 5 Etapa de salida con proteccion

6 Tension externa 7 Alimentation interna constante 8 Transductor ultrasonico 9 Salida del sensor

Sensores de proximidad ultrasonicos

Fig. 1.21: Diagrams de bloques de un sensor de proximidad ultrasonico

Se genera una tension alterna de alta frecuencia para excitar un modulo piezo-ceramico a la oscilacion. Esta tension de CA es activada en el modulo cerami-co por medio de un generador de pulsos, cuando debe emitirse el pulso de transmision. La medicion de la distancia se calcula segun el tiempo de propa-gation. Un generador de rampa se dispara en el momento de la transmision, lo cual genera una tension dependiente del tiempo. Inmediatamente, el modulo piezoceramico es conmutado para recibir. La senal ultrasonica se refleja si un objeto se halla presente en la zona activa del sensor de proximidad. El sensor de proximidad recibe la senal y el generador de rampa se detiene. En este punto se evalua el nivel de tension y se emite una serial de salida.

221

B 1.4


Fig. 1.22: Caracteri'stica de la emision de sonido en un transductor ultrasonico

Campo cercano ~ D2/X

Campo alejado

No debe haber ningun objeto en el campo sonico del sensor de proximidad, dentro del denominado campo cercano, ya que ello puede conducir a pulsos erroneos en la salida del sensor. Para un sensor de proximidad ultrasonico con un transductor de 15 mm y una frecuencia de emision de 200 kHz, la zona del campo cercano es de unos 130 mm.

222

EL 1.4

Los sensores de proximidad opticos son dispositivos que convierten las sena- 1.4 Fundamentos de los les generadas por la emision de luz en senales electricas. La respuesta de los sensores de proximidac receptores opticos varia segun los diferentes rangos de longitud de onda. La opticos Fig. 1.23, indica los rangos espectrales de la emision electromagnetica.

492 597

Fig. 1.23: Zonas espectrales de las emisiones electromagneticas de la luz

El rango de la luz visible es tan solo una pequena parte de todo el espectro optico, que va desde el ultravioleta (aproximadamente 380 nm) hasta el rojo (aproximadamente 780 nm). La frecuencia de la luz esta en la zona de los 1015 Hz

223


La luz se propaga en li'nea recta. Una consecuencia de esta afirmacion es la formacion de una sombra. Una fuente de luz en forma de alfiler produce un nucleo de sombra. En el caso de amplias fuentes de luz (o varias en forma de alfiler), los nucleos y medias sombras se sobreponen.

Los rayos de luz que irradian desde un punto, son divergentes (la seccion del rayo aumenta a medida que crece la distancia). Los rayos enfocados a un punto son convergentes (la seccion del rayo disminuye a medida que crece la distancia). Los rayos sin una salida comun o un punto de direccion se conocen como luz difusa.

La velocidad de la luz en el vacio es aproximadamente de 300 000 km/s. La tabla inferior muestra algunos valores para la velocidad de la luz con respecto a diferentes materiales.

Medio v [km/s] Indice de refraccion

Vaci'o 300 000 1

Aire 300 000 1.0003

Agua 225 000 1.33

Cristal muy puro (Segun el tipo)

198 000 1.51

Cristal de cuarzo (Segun el tipo)

186 000 1.61

Diamante 124 000 2.42

Metacrilato de polimetilo (PMMA)

200 000 1.49

Tabla 1.6: Velocidad de la luz e indice de refraccion

224


En relacion con la reflexion de la luz, se aplica el siguiente principio: Reflexion

Angulo de incidencia = Angulo de reflexion

Aqui los angulos se miden entre la vertical y el angulo de incidencia.

B 1.4

Fig. 1.24: Reflexion de los rayos de luz

225


Refraccion En la union de dos medios transparentes, el rayo de luz no solo es reflejado, sino que parte de su energi'a se dispersa en diferentes direcciones en el nuevo medio, es decir, se produce una refraccion.

Aqui, un medio con una baja velocidad de propagacion de la luz, se conoce como opticamente denso, y el que permite una mayor velocidad, como optica-mente claro.

En la transicion desde un medio opticamente claro a uno opticamente denso, el angulo de refraccion es mas pequeno que el angulo de incidencia, con lo que el rayo es refractado hacia la vertical.

En la transicion desde un medio opticamente denso a uno opticamente claro, el angulo de refraccion es mayor que el angulo de incidencia, con lo que el rayo es refractado hacia fuera de la vertical

B 1.4

226


En la transition desde un medio opticamente denso a uno opticamente claro, Reflexion total el angulo de incidencia no puede sobrepasar un cierto valor Ifmite, En el caso de angulos superiores a este, se produce una reflexion total, es decir, toda la energia del rayo se refleja hacia el medio opticamente denso.

B 1.4

\ :: n 1

ni > r\2

r\2

- /

p r -_ _.... X P

n2

Fig. 1.26: Reflexion total

227

B 1.4


Componentes fotoelectricos En los sensores de proximidad electronicos, se utilizan componentes emisores fotoelectricos para crear la emision de luz y componentes receptores fotoelec-tricos para recibir la emision de luz.

Los elementos emisores mas comunmente utilizados son los diodos luminis-centes, tambien conocidos como LEDs (Light Emitting Diodes / diodos emiso-res de luz). Para aplicaciones especiales, tambien se utilizan diodos laser.

Como elementos receptores, generalmente se utilizan fotodiodos o fototransis-tores. Adicionalmente, las fotorresistencias tienen tambien alguna importancia, por ejemplo en medidores de exposicion fotoelectricos.

Diodos luminiscentes Los diodos luminiscentes (LED) son diodos semiconductores que emiten rayos de luz cuando son atravesados por una corriente electrica. Dependiendo de la composicion del material semiconductor, se crean rayos de luz de diferentes longitudes de onda, ver Tabla 1.7.

Material Color Longitud de onda

Arseniuro de galio infrarrojo 950

Arseniuro de galio aluminio infrarrojo 880

Arseniuro de galio aluminio rojo 660

Fosfuro arseniuro de galio rojo 660

Fosfuro arseniuro de galio rojo 635

Fosfuro arseniuro de galio amarillo 590

Fosfuro de galio verde 565

Nitruro de galio azul 480

Tabla 1.7: Materiales tipicos y longitudes de onda de los diodos luminiscentes

En sensores, se utilizan principalmente diodos luminiscentes en la zona espec-tral del rojo y del infrarrojo, puesto que ello produce una buena adaptacion a la sensibilidad de los fotodiodos cuando reciben las emisiones de luz.

228


Los diodos luminiscentes representan un ancho del espectro relativamente pe-queno de la luz emitida, que esta generalmente entre 30 nm hasta 140 nm (ancho mitad del espectro), ver Fig. 1.27.

B 1.4

Fig. 1.27: Espectro de la emision de un LED de GaAs

229

B 1.4

Fotodiodos


Los fotodiodos son componentes semiconductores que estan basados en el principio de los cristales simples de silicio o germanio. Estan construidos de la misma forma que los diodos semiconductores normales y tienen una capa de barrera que, sin embargo, esta dispuesta muy cerca bajo la superficie del cris-tal. Si el diodo se expone a la emision de luz, entonces los fotones que pene-tran en el cristal (quantum de radiacion optica) son absorbidos y se crean pares portadores de carga electrica. Este efecto se conoce como efecto fotoe-lectrico. Los pares portadores de carga se separan en la capa de barrera y se crea una corriente electrica, es decir, la fotocorriente.

Los fotodiodos se dividen basicamente en los siguientes tipos:

• Fotodiodos PN

• Fotodiodos PIN

• Fotodiodos Schottky

• Fotodiodos de avalancha

Los fotodiodos PN poseen dos diferentes zonas de dopaje en el material del cristal, la llamada zona P y la zona N, las cuales estan separadas por una fina capa de barrera. (El dopaje se refiere al proceso de integracion de atomos de otro material, por ejemplo, de boro o de galio en el cristal del material. Por medio del dopaje es posible influir en la conductividad de un semiconductor)

En los fotodiodos PIN, la zona P y la zona N estan separadas por una capa relativamente ancha de material semiconductor intrfnsecamente conductor (I = intri'nseco). Esto crea una capa de baja capacidad de aislamiento y un rapido tiempo de conmutacion del fotodiodo PIN.

Los fotodiodos de silicio PN y PIN son los tipos de fotodiodos mas ampliamen-te utilizados.

Los fotodiodos Schottky, reciben su nombre del efecto Schottky y destacan por su excelente sensibilidad en la zona ultravioleta del espectro.

Los diodos de avalancha estan basados en el efecto de avalancha en la capa de barrera de los semiconductores. Funcionan a una elevada tension inversa y son adecuados para la deteccion de salidas de luz muy pequenas con reduci-dos tiempos de reaccion.

230


En la Fig. 1.28 se muestra una curva caracteri'stica de la sensibilidad espectral en un fotodiodo de silicio. Una propiedad importante es el valor maximo de la sensibilidad espectral, que en el caso de los diodos de silicio se halla en la zona entre 600 nm y 1000 nm, dependiendo del tipo.

B 1.4

y- - v / A

— V / / 1

- / r

r 400 500 600 700 800 nm 1000

Fig. 1.28: Sensibilidad espectral relativa R/Rmax de un fotodiodo de silicio

La sensibilidad de los fotodiodos de silicio en el espectro maximo es tipica-mente de 0,5 A/W, es decir, con una reception de luz emitida de, por ejemplo, 1 mW, se genera una fotocorriente de 0,5 mA.

La capacidad de respuesta R de un fotodiodo, es el cociente de la fotocorrien-te I, y de la potencia optica radiante P, que choca con el fotodiodo:

231

B 1.4


Cables de fibra optica Los cables de fibra optica (cables de fibra de vidrio o de plastico) se utilizan en la tecnologia de los sensores para transportar la luz a zonas inaccesibles o particularmente expuestas, en las que no hay espacio para un emisor y/o re-ceptor o donde existen unas condiciones ambientales difi'ciles.

El funcionamiento de un cable de fibra optica esta basado en la total reflexion dentro de una fibra de la luz irradiada en ella.

Para conseguir una total reflexion, el nucleo altamente refractivo es envuelto por un recubrimiento de baja refraccion.

Los cables de fibra optica consisten en un unico cable o en un mazo de fibras. La fibra optica esta recubierta por una funda de material plastico protector o un tubo metalico flexible.

Fig. 1.29: Total reflexion de los rayos de luz en el nucleo de una fibra optica

Fig. 1.30: Principio de un cable de fibra optica

232

Si ,


Hay tres diferentes tipos de fibra:

• Indice escalonado, Multimodo

• Indice escalonado, Monomodo

• Indice gradual, Multimodo

Los "Modos" se refieren a las formas particulars de propagation del rayo de luz dentro del cable de fibra optica, las cuales difieren segun su direction individual de propagation.

B 1.4

Seccion de indice escalonado (Multimodo)

4 n c | = const

Pulso entrada

Seccion de indice escalonado (Monomodo)

^ r iQ|= const

Pulso entrada Pulso salida

Seccion de indice gradual

Pulso entrada Pulso salida

Fig. 1.31: Tipos de fibras opticas

Una fibra con indice escalonado, tiene un fino Ifmite entre el indice de refrac- Fibra con indice escalonado cion del nucleo y el de la funda, los rayos de luz pueden pasar a traves de la fibra de varias maneras (Multimodo). Un pequeno pulso de entrada se amplfa al pasar a traves de esta fibra, puesto que los diferentes angulos de acepta-cion producen distancias diferentes. En el caso de la fibra con fndice escalona-do monomodo, solo hay una ruta para el rayo de luz. El pulso mantiene mucho su forma.

233

B 1.4


Indice gradual Con la fibra de indice gradual, se alcanza una continua transicion del indice de refraccion. La amplitud del pulso no es particularmente muy ampliada.

Cables de fibra optica de polfmero y de vidrio

Los cables de fibra optica de polfmero se utilizan preferentemente en la zona roja (660 nm) y los de fibra de vidrio predominan en la zona de infrarrojos.. Los cables de fibra de vidrio absorben considerablemente menos luz en esta zona de longitud de onda que los cables de fibra optica de polfmero. En con-tra, los cables de polfmero son especialmente flexibles y pueden cortarse a las longitudes deseadas.

Los siguientes materiales son adecuados para fibras:

»

L = 1m

L = 2m

L = 3m L = 4m

900

POLIMERO

500 600 700

Longitud de onda

VIDRIO

400 600 800 1000 1400 nm 2200

Longitud de onda

L = 500mm

L = 1000mm

Fig. 1.32: Transmision optica de las fibras opticas de vidrio y polfmero en funcion de la longitud de onda

234


• Vidrio multicomponente con contenido de dioxido de silicio de aprox. 70%

• Vidrio con un contenido muy elevado de dioxido de silicio, de aprox. 100%

• Plasticos

• Fluidos r

Basicamente, en los sensores de proximidad se utilizan dos cables. Uno trans-mite la luz emitida, mientras que el otro conduce la luz al receptor del sensor de proximidad. Utilizando fibras opticas, pueden realizarse sensores de barrera asi como sensores de reflexion directa. Para incrementar la relativamente corta distancia de deteccion de los sensores de reflexion directa con fibras opticas, pueden utilizarse tambien con reflectores para formar sensores de retrorrefle-xion.

Para aplicaciones en sensores, los cables de fibra optica pueden ser de fibra individual o en mazos de fibras. La disposition de la fibra optica en el cable emisor y el receptor puede hacerse de muchas maneras. La disposition elegi-da depende de cada caso individual de aplicacion.

Fig. 1.33 Diseho esquematico de las formas de las fibras opticas (Fuente: Schott)

235

B 1.5

Fundamentos ffsicos Festo Didactic

1.5 Curvas caracteri'sticas de Las figuras siguientes muestran las curvas caracteri'sticas relacionadas a las sensores de proximidad especificaciones de los sensores de proximidad neumaticos, utilizando los pro-neumaticos ductos Festo como ejemplo. Los datos indicados se refieren a los sensores

por obturacion de fuga, sensores reflex y barreras de aire.

Sensores por obturacion de fuga

c

a? Q.

J Presion al imentation en bar

0.02 0.04 0.1 0.2 0.4 mm 1

Distancia s a la tobera •

0 .28

bar 0.24

0 . 2 0

0 .16

0 . 1 2

0 .8

0.4

0

-0.4

Presion de alimentation en bar 6

0.02 0.04 0.1 0.2 0.4 mm 1

Distancia s a la tobera •

Fig. 1.34 Presion de la serial en funcion de la distancia a la tobera y de la presion de alimentation, con un sensor Festo SD-3 por obturation de fuga

236

15 l/min

1 13 12 11 10 9

5 8

15 l/min

1 13 12 11 10 9

5 8

15 l/min

1 13 12 11 10 9

5 8

15 l/min

1 13 12 11 10 9

5 8

15 l/min

1 13 12 11 10 9

5 8

15 l/min

1 13 12 11 10 9

5 8

15 l/min

1 13 12 11 10 9

5 8

15 l/min

1 13 12 11 10 9

5 8

15 l/min

1 13 12 11 10 9

5 8

« 6

e 4 3 4 g 3 <3 2

« 6

e 4 3 4 g 3 <3 2

« 6

e 4 3 4 g 3 <3 2

« 6

e 4 3 4 g 3 <3 2

« 6

e 4 3 4 g 3 <3 2

« 6

e 4 3 4 g 3 <3 2

0 C

0 C 1 2 3 4 5 6

Presion de alimentacion p Presion de alimentacion p


Fig. 1.35 Consumo de aire en funcion de la presion de alimentation con un sensor Festo SD-3 por obturation de fuga

237

B 1.5


Sensores reflex

TO 'C Q)

0) "O

10

mbar 8 7 6 5 4 3 2 1 0

- 1

- 2

ML H ML -b

2 E mm 7 \

Distancia axial s desde el sensor

to 'C 0)

c •o cb a.

10 mbar

8 7 6 5 4 3 2 1 0

- 1

- 2

-3 -4

- 1

RML-5

2 3 mm 5

aprox .1 mm

Distancia lateral

k i t

Borde de referencia

s = 1,5mm

Fig. 1.36 Presion de la serial en funcion de la distancia a la tobera y de la presion de alimentation con un sensor Festo RML-5 reflex.

238


Fig. 1.37 Consumo de aire en funcion de la presion de alimentation, con la salida libre, en un sensor reflex Festo RML-5

239

B 1.5


Barreras de aire

1 0 , 0

mbar -

5,0

>C

1 , 0

0,5

pe 1 pe 2

pt =0 .1 bar = Const, pe j =0 .1 bar

= 0.2 bar

~~I I I 1 1 1 1 ! 1 ! 1 1 ! ! 1 T 20 40 60 80 100 120 mm 160

Distancia s-

Fig. 1.38 Presion de la serial, en funcion de la presion de alimentation y de la distancia, en una barrera de aire Festo SFL-100

240

Si'mbologi'a para sensores de proximidad Festo Didactic

Capftulo 2

Simbologfa para sensores de proximidad

B 2

241

B 2

Simbologia para sensores de proximidad Festo Didactic

Si'mbolo Descripcion


Dispositivo sensible a la aproximacion, simbolo en bloque Nota: Debe especificarse el modo de funcionamiento

Ejemplo: Dispositivo sensible a la aproximacion, reacciona ante un objeto solido

Sensor de contacto

Fig. 2.1: Sfmbolos de sensores para circuitos segun DIN40900, Parte 7

242

Simbologfa para sensores de proximidad Festo Didactic

Sfmbolo Descripcion

Sensor por contacto (normalmente abierto)

Sensor de proximidad (normalmente cerrado)

Sensor de proximidad (normalmente abierto), accionado por la aproximacion de un iman

F e < J > — T

Sensor de proximidad (normalmente cerrado), accionado por la aproximacion de un objeto ferrico

B 2

Fig. 2.2: Simbolos de sensores para circuitos segun DIN 40900, Parte 7

243

B Simbologia para sensores de proximidad Festo Didactic

BN(1)

< 0

BU(3) o

BN(1)

WH(2) -O

+ 1 BN(1)

<0 WH(2)

J T °

BK(4)

- T7° — BU(3)

Sensor de proximidad magnetico Sensor de proximidad inductivo Sensor de proximidad capacitivo Sensor de proximidad ultrasonico Sensor optico de barrera, Emisor y receptor en cuerpos separados, Receptor con salida antivalente

Sensor de proximidad optico, Emisor y receptor en un cuerpo, Salida antivalente Sensor de proximidad optico, Emisor y receptor en un cuerpo, 1 salida normalmente abierta

Fig. 2.3: Ejemplos de sfmbolos para sensores de proximidad

244

Terminologia de los sensores de proximidad Festo Didactic B

Capftulo 3

Terminos tecnicos relacionados con los sensores de proximidad

245

B 3.1

Terminologia de los sensores de proximidad Festo Didactic

3.1 Terminos generales

Cables de fibra optica Material a traves del cual puede conducirse la luz de diferente forma que en Ifnea recta, con un mi'nimo de perdidas.

Difusion Reflexion difusa de la luz desde la superficie de un objeto.

Eje de referencia El eje perpendicular al centra de la superficie activa de un sensor de proximi-dad.

Factor de reserva de funcionamiento

Con sensores de proximidad opticos, el factor de reserva B se deriva del co-ciente de la potencia de la serial optica realmente recibida PE, en relacion a la potencia de la serial optica necesaria Pg en el nivel de conmutacion:

B = PE /PS

Fotorreceptor La parte que recibe la luz en una barrera de luz o en un sensor de reflexion di recta.

Fototransmisor La parte que emite la luz en una barrera de luz o en un sensor de reflexion directa.

Funcionamiento a luz constante

Forma de funcionamiento en la cual el rayo de luz no se modula y solamente se evalua con respecto a la intensidad de la luz constante.

Funcionamiento con luz modulada

Es la utilizacion de un rayo de luz modulada.

Luz IR La luz infrarroja es una luz invisible que posee una longitud de onda mas elevada que la luz visible (desde 780 nm hasta approx. 100|im)

Luz UV Luz ultravioleta en la longitud de onda de 380 nm hasta 10 nm.

Luz visible Luz que va desde el rojo al violeta (longitud de onda desde 780 nm hasta 380 nm aproximadamente)

246

Terminologia de los sensores de proximidad Festo Didactic

Cualquier material que no afecte significativamente los valores caracteri'sticos Material no-atenuador de un sensor de proximidad inductivo.

B 3.1

Placa de verificacion de acero dulce, de forma cuadrada y 1 mm de grueso, Placa de test estandar utilizada para realizar mediciones comparativas de la distancia de conmutacion de sensores de proximidad inductivos. La longitud lateral es igual al:

- diametro del cfrculo inscrito de la superficie activa. o bien

- tres veces el valor de la distancia nominal de conmutacion. Se utilizara el mayor de ambos valores.

Ayuda para la reflexion de emisiones opticas, frecuentemente en forma de Reflector reflectores triples (catadioptricos).

Deteccion y reflexion de emisiones de luz en los h'mites superficiales de varios Reflexion medios.

Reflexion dirigida de la emision de luz por medio de superficies reflectantes. Reflexion dirigida

Reflexion dirigida de la emision de luz hacia la fuente de la emision. Retrorreflexion

Disposition de un sensor optico con emisor y receptor separados, que reaccio- Sensor de barrera na ante la interruption del rayo de luz dirigida desde el emisor al receptor.

Dispositivo que crea un campo electromagnetico de alta frecuencia por medio Sensor de proximidad de un circuito resonante LC y que emite una serial de salida en el caso de que inductivo se cumplan ciertas condiciones de atenuacion.

Un sensor de proximidad optico cuya luz es emitida por la superficie de un Sensor de reflexion directa objeto (difusion).

Sensor en el cual la luz de un emisor optico es reflejada por medio de un Sensor de retrorreflexion reflector (retrorreflexion)

Termino generalmente utilizado para todos los dispositivos que detectan obje- Sensor fotoelectrico, tos a traves de una fuente de luz, es decir, que abarca desde las emisiones sensor optoelectronico infrarrojas y la emision visible (longitud de onda desde 380 nm hasta 780 nm) hasta la emision ultravioleta (UV).

247

r B 3.1

Terminologfa de los sensores de proximidad Festo Didactic

Sensores de proximidad de montaje enrasado

Caracteri'stica de un sensor de proximidad, segun la cual puede estar rodeado de metal u otros materiales hasta el borde de su superficie activa, sin que se vean afectados sus valores caracterfsticos.

Sensores de proximidad no-enrasados

Sensores que requieren una zona libre cuando se montan sobre metal u otros materiales para poder mantener los valores caracterfsticos de los sensores de proximidad.

Superficie activa En un sensor de proximidad sin contacto, la superficie que emite el campo electrico y en la cual el sensor reacciona a la aproximacion de un objeto.

Triple reflector Ayuda optica, en la cual la retrorreflexion es creada por medio de la relfexion multiple de su superficie interior en forma prismatica.

Zona libre Area que rodea al sensor de proximidad, que debe quedar libre de materiales que afecten a los valores caracterfsticos del sensor de proximidad.

248

r B Terminologfa de los sensores de proximidad Festo Didactic

3.2

3.2 Terminos para los valores de las caracteristicas dimensionales

Distancia maxima entre el emisor y el receptor en un sensor de barrera o entre Alcance el dispositivo emisor-receptor en un sensor de retrorreflexion.

Distancia entre un sensor de reflexion directa y una superficie de referencia de Alcance de deteccion dimensiones especificadas (papel bianco mate), cuando se produce un cambio en la senal aproximando la superficie al sensor en direction al eje.

Alcance estandar especificado de las barreras de luz. Este alcance esta esta- Alcance nominal blecido en un entorno limpio y seco e incluye una reserva para cubrir varias tolerancias. En el caso de los sensores de retrorreflexion este alcance se refie-re al reflector especificado para el sensor.

Punto de conexion

Punto de desconexion

Histeresis


Fig. 3.1: Respuesta caracteristica de un sensor de proximidad inductivo

249

r B 3.2


Alcance nominal de deteccion

Alcance estandar de deteccion especificado para un sensor de proximidad op-tico de reflexion directa.

Aproximacion axial Aproximacion de la placa de calibracion de un sensor, en forma centrada al eje de referenda.

Aproximacion radial Aproximacion de la placa de calibracion en angulo recto, con relacion al eje de referencia de la superficie activa, en un sensor de proximidad.

250


3.2

Distancia en la cual una pieza estandar que se aproxime hacia la superficie activa del sensor de proximidad, genera un cambio de senal. La distancia real de conmutacion se especifica por 0,9 sn < sr < 1,1 sn. La distancia util de conmutacion se especifica generalmente por 0,9 sr < su <

< su < 1,21 sn, lo cual viene a

Distancia de conmutacion

1,1 sr, o parcialmente como arriba por 0,81 sn

ser lo mismo.

15mm10 10mm15

400 mm off 350

15mm10 10mm15

Fig. 3.2: Caracteristicas de la respuesta de los sensores de reflexion directa (Ejemplos) On = Sensor de proximidad activo Off = Sensor de proximidad inactivo

251

r B 3.2


Distancia de conmutacion de trabajo

Distancia de conmutacion de un sensor de proximidad inductivo dentro de la cual se garantiza la fiabilidad del funcionamiento, independientemente de las tolerancias de fabricacion o de las condiciones ambientales. Los valores estan entre 0 y el menor valor de la distancia de conmutacion util.

Elemento actuador

1.21s,

Margen total de tolerancia

0.81s

1.1sn Tolerancia de

0.9s n fabricacion

Margen de funcionamiento fiable

Superficie activa


Fig. 3.3: Distancias de conmutacion:

Sn

Sr

SU

Distancia nominal de conmutacion, Distancia real se conmutacion Distancia de conmutacion util Distancia de trabajo

252


La distancia de conmutacion de un sensor de proximidad inductivo dentro de Distancia los margenes de tension de alimentation y temperatura. La desviacion maxima de conmutacion util de la distancia real de conmutacion es ± 10%.

B 3.2

La distancia de conmutacion de un sensor de proximidad a la tension de ali- Distancia nominal mentation y temperatura nominales, sin compensation para las tolerancias de de conmutacion fabrication.

La distancia de conmutacion de un sensor de proximidad inductivo, medida a Distancia real la tension y temperatura nominales, teniendo en cuenta las tolerancias de fa- de conmutacion bricacion. La desviacion maxima de la distancia nominal de conmutacion es d e ± 10%.

Es la distancia entre el punto de activation y el de desactivacion, durante la Histeresis de conmutacion aproximacion axial o radial de la placa de calibration, en la superficie activa de un sensor de proximidad.

Diferencias en el punto de conmutacion que se producen durante 8 horas a Repetibilidad una temperatura de 15°-30°C y con una desviacion de la tension nominal de ± 5%.

253

B 3.3

Terminologi'a de los sensores de proximidad Festo Didactic

I 3.3 Terminos para los < valores de las

caracteri'sticas electricas

Cai'da de tension Vd Cai'da de tension medida entre la salida del sensor y la tension de alimenta-cion (tipo PNP), o entre la salida del sensor y la masa (tipo NPN) en la maxi-ma intensidad de carga, cuando el sensor de proximidad esta activado.

Intensidad de corto tiempo Ik Intensidad de corto tiempo que fluye por un determinado periodo y frecuencia.

Intensidad permanente la Corriente que fluye durante el funcionamiento continuo.

Intensidad residual lr Corriente que circula cuando la salida esta inactiva

Rizado residual Corriente alterna superpuesta a la continua. El rizado residual de pico a pico no debe exceder de los limites de la tension de funcionamiento.

Tension de funcionamiento Vs

Margen de la tension de alimentacion que no debe sobrepasarse ni por exceso ni por defecto

Tension nominal Vn Valor al cual se refieren los datos tecnicos, dentro del margen de la tension de funcionamiento.

Tension residual Vr Tension medida en la carga, cuando el sensor de proximidad no esta activado.

254

r B Terminologfa de los sensores de proximidad Festo Didactic B 3.4

3.4 Terminos para las caracteristicas de tiempos y funcionamiento

Operation de convertir la salida del dispositivo de normalmente abierta a nor- Conmutacion ajustable malmente cerrada. (NA - NC)

La salida se conecta cuando el fotorreceptor se ilumina. Conmutacion por iluminacion

La salida se conecta cuando el fotorreceptor deja de iluminarse. Conmutacion por oscuridad

Duration de la senal de salida con actuation dinamica. Esta debe ser superior Duracion de la senal al retraso de entrada de la carga conectada.

Segun el estandar Europeo EN 50 010, la frecuencia maxima de conmutacion Frecuencia de conmutacion de un sensor de proximidad inductivo, se mide como indica la Fig. 3.4

Cuando se dispone de una salida NA y NC simultaneamente. Funcion conmutadora (salida antivalente)

La salida se cierra si se detecta un objeto y se abre cuando el objeto no es Funcion detectado. normalmente abierta (NA)

La salida se abre si se detecta un objeto y se cierra cuando el objeto no es Funcion detectado. normalmente cerrada (NC)

Tiempo desde que conecta la tension de alimentation al dispositivo, hasta que Retraso a la conexion este se halla listo para funcionar.

Cuando el cambio continuo en la cantidad fisica detectada, produce un cambio Salida analogica continuo en la senal de salida.

Se produce una salida digital, si un cambio progresivo en la cantidad fisica Salida digital detectada produce, en un determinado momento, un escalon de respuesta en la serial de salida.

255

B 3.4


Tiempo de inicializacion (reset)

Retraso de tiempo entre que el elemento actuador abandona la zona activa del sensor, y se produce el cambio de serial en la salida. La distancia minima requerida entre dos elementos se determina por este tiempo, teniendo en cuenta el tiempo de recorrido.

Sensor de proximidad m = d

Placa de lest

Fig. 3.4: Medicion de la frecuencia de conmutacion

Tiempo de respuesta Retraso de tiempo entre que el elemento actuador entra en la zona activa del sensor de proximidad y se produce el cambio de serial en la salida. La veloci-dad a la cual el elemento actuador puede pasar por la zona activa, esta limita-da en relacion su anchura.

256

Terminologi'a de los sensores de proximidad Festo Didactic B 3.3

3.5 Caracteristicas de actuacion de los interruptores de posicion electromecanicos

Desplazamiento del actuador entre el punto de conmutacion y el de reposo. Desplazamiento de conmutacion

E recorrido de la leva o del actuador desde su posicion de origen al punto de Desplazamiento conmutacion hacia adelante

Es el desplazamiento mas alia del punto de conmutacion, hasta la posicion Desplazamiento f nal. El desplazamiento de sobrecarrera maximo, esta especificado para cada de sobrecarrera :po de interruptor. Sobrepasar este valor reduce la vida util especificada para el interruptor.

Es el recorrido del actuador desde su posicion de reposo a una posicion en la Desplazamiento que se efectua la fuerza mecanica de apertura de los contactos. de apertura positivo

Desplazamiento del actuador desde su posicion de reposo hasta la posicion Desplazamiento total final

La etapa final de la fuerza de actuacion que dispara la conmutacion de los Fuerza de actuacion contactos.

Es la fuerza del muelle que permanece en el actuador, y que produce la repo- Fuerza de reposicion sicion automaica del muelle del contacto.

Fuerza a aplicar al actuador para alcanzar la posicion final, partiendo de la Fuerza total posicion de reposo.

257

B 3.5


Posicion de reposo Posicion del actuador en la cual el muelle liberado del contacto lo devuelve a su posicion normal.

Posicion final La posicion que alcanza el actuador cuando llega a su posicion final.

Posicion libre Posicion en que se halla el actuador cuando no se halla presionado por el elemento movil.

Punto de ruptura Posicion del actuador en la cual se produce la conmutacion del contacto car-gado con el muelle

258

Terminologia de los sensores de proximidad Festo Didactic B 3.6

3.6 Terminos relativos a las condiciones ambientales

Proteccion contra contacto y penetracion de cuerpos extranos (suciedad) asf Clase de proteccion IP como agua, bajo unas condiciones especificadas segun IEC 529 (DIN 40 050).

Comportamiento bajo las condiciones especificadas por IEC 68-2-6. Resistencia a choques

Comportamiento bajo las condiciones especificadas por IEC 68-2-27. Resistencia a vibraciones

Comportamiento en unas condiciones climaticas especificadas. Resistencia climatica

Comportamiento en un ambiente agresivo. Resistencia quimica

Temperatura ambiente de funcionamiento a la que se refieren los datos tecnicos. Temperatura ambiente nominal

Margen de temperatura cuando el dispositivo no esta en uso. Temperatura de almacenamiento

Margen de temperatura en la cual el dispositivo funciona de forma fiable. Temperatura de funcionamiento (ambiental)

259

Estandares y clases de proteccion Festo Didactic

4

Capftulo 4

Estandares y clases de proteccion

B 4.4

4.1 Estandares


EN 50 008 "Sensores de proximidad inductivos Forma A para corriente continua, de 3 o 4 terminates" (Estandar Europeo para sensores de proximidad de tres y cuatro hilos en cuer-pos cilindricos para corriente continua.)

EN 50 010 "Sensores de proximidad inductivos. Metodos para la medicion de la distancia de funcionamiento (distancia de conmutacion) y de la frecuencfa de funciona-miento (frecuencia de conmutacion)" (Estandar Europeo para tecnicas de medicion, para establecer la distancia y la frecuencia de conmutacion para sensores de proximidad en ejecucion CC o AC)

EN 50 025 "Sensores de proximidad inductivos Forma C, para corriente continua, 3 6 4 terminales" (Estandar Europeo para sensores de proximidad de tres y cuatro hilos para corriente continua, en cuerpos de forma rectangular.

EN 50 026 "Sensores de proximidad inductivos Forma D, para corriente continua, 3 6 4 terminales" (Estandar Europeo para sensores de proximidad de tres y cuatro hilos para corriente continua, en cuerpos de forma rectangular.

EN 50 032 "Sensores de proximidad inductivos. Definiciones, clasificacion, designacion." (Estandar Europeo para terminos y designaciones normalizadas en Europa para sensores de proximidad)

262

B Estandares y clases de proteccion Festo Didactic

"Sensores de proximidad inductivos Forma A, para corriente alterna, 2 terminales" EN 50 036 (Estandar Europeo para sensores de proximidad de dos hilos en cuerpos cili'n-dricos para corriente alterna.)

"Sensores de proximidad inductivos Forma C, para corriente alterna, 2 terminales" EN 50 037 Estandar Europeo para sensores de proximidad de dos hilos, en cuerpos de

forma rectangular.)

"Sensores de proximidad inductivos Forma D, para corriente alterna, 2 terminales" EN 50 038 i Estandar Europeo para sensores de proximidad de dos hilos, en cuerpos de forma rectangular.)

"Sensores de proximidad inductivos Forma A, para corriente continua, 2 terminales" EN 50 040 •Estandar Europeo para sensores de proximidad de dos hilos en cuerpos cilfn-nricos para corriente continua.)

"Sensores de proximidad inductivos. Identification de los terminales" EN 50 044 Estandar Europeo para la designation de terminales para sensores de proxi-

-lidad con cable de conexion, conector o posibilidad de embornado a regleta.)

"Clase de proteccion IP" DIN 40 050 Estandar para la definition de la clase de proteccion contra contacto, penetra-

cion de cuerpos extranos y agua, en equipos electricos.)

"Gasification de los grados de proteccion proporcionados por los receptaculos" IEC 529 equivalente a DIN 40 050)

"Codigo para la designation de colores" DIN IEC 757 (Definition de un codigo de colores para la identification de colores especifi-:os en ingenierfa electrica.)

"Barreras de luz y sensores" DIN 44 030 (Definition de terminos.)

263

B 4.2


4.2 Clases de proteccion La clase de proteccion se indica por un si'mbolo, el cual esta compuesto por el codigo de dos letras IP (Proteccion Internacional) y dos codigos para el grado de proteccion.

Por ejemplo: IP 67

El primer codigo (0-6) especifica el grado de proteccion contra contacto y pe-netracion de cuerpos extranos, mientras que el segundo codigo (0-8) el grado de proteccion contra la penetracion de agua. La clase de proteccion se indica en la caja o en la placa de caracteri'sticas.

Primer codigo

Grado de proteccion (contacto y proteccion contra cuerpos extranos) »

0 Proteccion no especificada

1 Proteccion contra la penetracion de cuerpos extranos solidos con un diametro mayor de 50 mm (grandes cuerpos extranos)1' Sin proteccion contra acceso intencionado, p. ej. una mano, pero proteccion contra grandes zonas de contacto

2 Proteccion contra penetracion de cuerpos extranos solidos con un diametro mayor de 12 mm (cuerpos extranos de tamano medio)1' Proteccion contra contacto con los dedos o similares

3 Proteccion contra penetracion de cuerpos solidos extranos con un diametro mayor de 2,5 mm (pequenos cuerpos extranos)1'2' Proteccion contra herramientas, hilos, hasta un diametro mayor de 2,5 mm

4 Proteccion contra penetracion de cuerpos extranos con un diametro mayor de 1 mm (material granulado)1'2' Proteccion contra herramientas, hilos, hasta un diametro mayor de 1 mm

5 Proteccion contra depositos nocivos de polvo. La penetracion de polvo no esta totalmente protegida, pero el polvo no puede penetrar en cantidades suficientes para impedir el funcionamiento (proteccibn contra polvo)3' Completa proteccion contra contacto

6 Proteccion contra penetracidn de polvo (a prueba de polvo) Completa proteccion contra contacto

1 ' En equipos con clase de proteccion 1 a 4, se evila la penetracion de cuerpos extranos de forma regular o irregular dispuestos verticalmente, de dimensiones mayores de las corres-pondientes al valor numerico del diametro.

2 ' Para las clases de proteccion 3 y 4, la utilizacion de esta tabla en lo que respecta a equipos con agujeros de drenaje o aperturas de aire de ventilacion, cae dentro de la responsabilidad de cada comite tecnico responsable.

3) Para la clase de proteccion 5, la utilizacion de esta tabla en lo que respecta a equipos con agujeros de drenaje o aperturas de aire de ventilacion, cae dentro de la responsabilidad de cada comite tecnico responsable.

Tabla 4.1: Clases de proteccion contra contacto y penetracion de cuerpos extranos

264


Segundo codigo

Clase de proteccion (proteccion contra agua)

0 Proteccion no especificada

1 Proteccion contra goteo de agua cayendo verticalmente Las gotas de agua no deben tener ningun efecto perjudicial.

2 Proteccion contra goteo de agua cayendo verticalmente Las gotas de agua cayendo en cualquier angulo hasta 15Q respecto a la posicion normal de montaje del equipo (caja) no deben ocasionar ningun efecto perjudicial (gotas de agua cayendo en diagonal)

3 Proteccion contra goteo de agua cayendo en cualquier angulo hasta 60s de la vertical La pulverization de agua no debe tener ningun efecto perjudicial.

4 Proteccion contra salpicaduras de agua dirigidas al equipo (caja) desde todas las direcciones Las salpicaduras de agua no deben tener ningun efecto perjudicial

5 Protection contra chorros de agua desde una tobera dirigida contra el equipo (caja) desde todas direcciones Los chorros de agua no deben tener ningun efecto perjudicial.

6 Proteccion contra ambiente marino (mar gruesa) o fuertes chorros de agua El agua no debe penetrar en el equipo (caja) en cantidades perjudiciales (inundation)

7 Proteccion contra agua cuando el equipo (caja) se sumerge en agua, bajo las condiciones de presion y tiempo especificadas. El agua no debe penetrar en cantidades perjudiciales (inmersion)

8 El equipo (caja) es adecuado para inmersion permanente bajo las condiciones descritas por el fabricante (sumersion)1'

Esta clase de proteccion, normalmente se refiere a equipos hermeticamente cerrados. No obstante, con ciertos equipos, es posible la penetracion de agua siempre y cuando esto no tenga efectos perjudiciales.

Tabla 4.2: Clases de proteccion contra el agua

265


4.3 Codificacion por colores

Si'mbolos de colores Este estandar define el codigo de colores normalizado en ingenieri'a electrica. segun DIN IEC 757

Color Abreviacion

black (negro) BK

brown (marron) BN

red (rojo) RD

orange (naranja) OG

yellow (amarillo) YE

green (verde) GN

blue (azul) BU

violet (viloeta) VT

grey (gris) GY

white (bianco) WH

pink (rosa) PK

gold (dorado) GD

turquoise (turquesa) TQ

silver (plateado) SR

green/yellow (verde/amarillo) GNYE

Tabla 4.3: Abreviaciones de los colores

266


Es:a norma cubre todos los sensores de proximidad inductivos para los estan- Codigo de colores za-es EN 50 008, EN 50 025, EN 50 026, EN 50 036, EN 50 037, EN 50 038 y para EN 50 044 E \ 50 040.

E estandar distingue entre sensores de proximidad polarizados y no polariza-dos. En el caso de sensores de proximidad no polarizados con dos hilos de ccnexion para funcionamiento en CC o CA, los hilos pueden ser de cualquier cc or excepto verde/amarillo.

En el caso de sensores de proximidad polarizados para CC y dos hilos de oonexion, el hilo para el terminal positivo debe ser marron y para el terminal -egativo, azul.

- donde los sensores de proximidad tengan tres o cuatro hilos, estos deben centificarse como sigue:

Alimentation: Terminal positivo Marron Terminal negativo -> Azul

Salida (carga): para tres hilos Negro independiente de la funcion

para cuatro hilos: normalmente abierto -> Negro normalmente cerrado Blanco

E;:a designation distingue entre sensores de proximidad polarizados y no po- Designation numerica aizados. para EN 50 044 =ara sensores de proximidad no polarizados, los terminales 3 y 4 tienen la "jncion de contacto normalmente abierto y los terminales 1 y 2 la de normal-—ente cerrado. Para sensores de proximidad polarizados para corriente conti-_ua con dos terminales, el terminal positivo debe identificarse con el 1. El -umero 4 es para el contacto normalmente abierto y el numero 2 para el contacto normalmente cerrado.

267

B 4.4


4.4 Formas de los Las formas para sensores de proximidad estan basadas en el estandares Eu-sensores de proximidad ropeos. Muchos fabricantes ofrecen todas estas ejecuciones asi como las su-

yas propias que difieren de estos estandares. El estandar EN 50 008 especifi-ca las dimensiones para los sensores de proximidad cilindricos (Forma A). Abajo se indican los valores mi'nimos para las distancias de conmutacion nomi-nales y las frecuencias de conmutacion que pueden alcanzarse.

Superficie actlva Llave SW

Placa de calibration

Forma Dimensiones

A1 • montaje

enrasado

Tamano

A2# montaje

no enrasado

Cuerpo

Tamano di sw h12

Tuercas

m 0,15

d3

max 1)

• • 1 M 8 x 1 40 60 13 15

• • 2 • • 2 M12 x 1 40 80 17 20

• • 3 • • 3 M18 x 1 50 100 24 28

• • 4 • • 4 M30 x 1,5 50 100 36 42

1) d3 = 1,13 sw

Tabla 4.4: Dimensiones en mm de los sensores de proximidad inductivos (Forma A)

268


Forma A1 • montaje enrasado

Forma A2 • montaje no enrasado

Tamano Distancia

nominal de conmutacion

Sn

Tamano Distancia

nominal de conmutacion

sn

• • 1 1 -

• • 2 2 • • 2 4

• • 3 5 • • 3 8

Forma Frecuencia min. de conmutacion f

A11 1000 Hz

A12 800 Hz

A13 500 Hz

A14 300 Hz

A22 400 Hz

A23 200 Hz

A24 100 Hz

B 4.4

Tabla 4.5: Distancias nominales de conmutacion en milimetros y frecuencias mi'nimas de conmutacion

269

B 4.4


Los datos principales para los sensores de proximidad inductivos de Formas C y D (en forma de bloque, con seccion rectangular), se especifica en los estan-dares EN 50 025 y EN 50 026.

Superficie activa con ejecucion Forma C 21.1


Superficie activa con ejecucion Forma C 21.2

z ,

45 ±1.5 60 ±0.5

6 0 max.

Fig. 4.1: Dimensiones en mm de los sensores de proximidad inductivos (Forma C)

La distancia nominal de conmutacion es de 15 mm, mientras que la frecuencia de conmutacion debe ser por lo menos de 100 Hz.

270


En lo que se refiere a los sensores de proximidad inductivos de Forma D, no pueden montarse enrasados en metal. El estandar EN 50 026 especifica los datos con respecto a las dimensiones, distancias de conmutacion nominal y frecuencias de conmutacion.

Tabla 4.6: Dimensiones en mm de los sensores de proximidad inductivos (Forma D, rectangular)

271

B 4.4


Forma Distancia nominal de conmutacion Sn

D 21 25

D 22 40

Forma Frecuencia de conmutacion f mjn.

D 21 50 Hz

D 22 10 Hz

Tabla 4.7: Distancias nominates de conmutacion en mm y frecuencias minimas de conmutacion alcanzables (Forma D)

272

Capftulo 5

Ejecuciones especiales y variantes de los sensores de proximidad

273

B 5.1

Ejecuciones especiales Festo Didactic

5.1 Variantes de los sensores de proximidad inductivos

• Ejecucion universal de dos hilos

• Ejecuciones para ambientes de soldadura

• Ejecuciones para elevadas temperaturas

• Ejecuciones para altas presiones

• Ejecuciones con grandes alcances de deteccion

• Ejecuciones con elevadas frecuencias de conmutacion

• Ejecuciones con discriminacion de sentido (retorno en vacio)

• Ejecuciones con tecnicas de seguridad

- Interruptores de seguridad autocontrolados

- Interruptores NAMUR para utilizacion en ambientes con riesgo de explosion

• Ejecuciones con accion selectiva segun el material

• Ejecuciones con distancia de conmutacion independiente del material

• Ejecuciones en forma de anillo y de horquilla

• Ejecuciones especiales para comprobacion de rotura de brocas.

274

B Ejecuciones especiales Festo Didactic

Ejemplo de una ejecucion universal en dos hilos: Quadronorm de IFM

Con el sensor de proximidad de dos hilos en CC QUADRONORM, pueden ronseguirse 4 funciones de salida con un solo sensor de proximidad:

Contacto normalmente abierto conmutacion a positivo

Contacto normalmente abierto conmutacion a negativo

o WH o BK

I L

I

L

o I WH

I o BK

—

1 P 0

-o +

Contacto normalmente cerrado conmutacion a positivo

O BK

WH

-o +

Contacto normalmente cerrado conmutacion a negativo

<0 BK

WH

-o +

Fig. 5.1: Sensor de proximidad de dos hilos

275

B 5.1


Sensores de proximidad para utilizacion en instalaciones con riesgo de explosion

Se dispone de sensores de proximidad especiales para utilizacion en areas con riesgo de explosion, que cumplen con los estandares DIN 19 234. Este tipo de sensor de proximidad tambien es conocido como NAMUR (NAMUR es una abreviacion del grupo de trabajo para controles sin contacto, del comite de estandarizacion aleman, para tecnologi'a de medicion y control en la industria qufmica)

Zona con riesgo de explosion

Zona sin riesgo de explosion

Tension de alimentation

Serial de salida binaria

O

Objeto Sensor de proximidad (Sensor CC de dos hilos consistente esencialmente en un circuito oscilador)

Circuito amplificador

Fig. 5.2: Circuito esquematico de un sensor de proximidad NAMUR

276


5.1

Son caracterfsticos de los interruptores NAMUR los siguientes requerimientos (en terminos simplificados):

• La curva caracteristica tension-corriente V(l) debe estar dentro del rango especificado por DIN 19 234. Esto garantiza que no habra chispas que pue-dan iniciar una explosion. La curva caracteristica es producida durante la transition entre los estados de conmutacion "inhibition" y "conduction".

Margen permisible de la curva caracteristica V(l)

0.15 0.6

Fig. 5.3: Curva caracteristica tension-intensidad

277


• El margen de respuesta para el cambio de estado de conmutacion esta entre 1,2 mA y 2,1 mA

• El estado de conmutacion de seguridad "inhibicion" esta entre 0,4 mA y 1,0 mA

• El estado de conmutacion de seguridad "conduccion" esta por encima de 2,2 mA

• La indicacion y los margenes de respuesta estan definidos por la interrup-cion del circuito (supervision de la rotura de la li'nea)

• La respuesta al cortocircuito esta definida dentro del propio circuito (indica-cion de cortocircuito)

• Deben adjuntarse determinadas condiciones de verificacion y especificacio-nes de datos tecnicos.

Nota: Para el tipo de proteccion "seguridad intrinseca" se aplican los siguientes estandares adicionales (en el caso de Alemania):

• DIN VDE 0165 • DIN 50014-1977 / VDE 0170 / 0171 Parte 1 / 5.78 • DIN 50020-1977 / VDE 0170 / 0171 Parte 7 / 5.78.

Ademas, el estandar DIN 57 165 define tres zonas con riesgo de explosion para gases inflamables, humos y vapores (zona 0, zona 1 y zona 2) asi como dos zonas (zona 10, zona 11) para polvo inflamable. Se han definido ciertos requerimientos para las instalaciones electricas de cada una de estas zonas, alii donde los requerimientos de la "seguridad intrinseca" representen solo uno de los distintos requerimientos. Tambien es posible, por ejemplo, alcanzar pro-teccion contra explosion por medio del encapsulado.

Los detalles indicados arriba sirven meramente como gui'a orientativa; la infor-macion definitiva esta disponible a traves de los correspondientes estandares. Son muchos los fabricantes que pueden suministrar sensores de proximidad y circuitos amplificadores NAMUR (inductivos, capacitivos y magneticos).

278


Sensores de proximidad inductivos a prueba de campos magneticos pt-antas de soldadura)

_rs sensores de proximidad inductivos resistentes a campos magneticos se _t izan en las zonas cercanas a los equipos de soldadura. Sus propiedades eectricas y mecanicas exceden con mucho a las de los sensores de proximi-aad corrientes. Toda la superficie del sensor de proximidad debe ser resistente = ias proyecciones y salpicaduras de la soldadura.

exigen requerimientos especialmente elevados a la electronica, debido al -•echo que en las zonas vecinas a los equipos de soldadura las intensidades aicanzan la zona del los kA. Estas intensidades causan campos magneticos -njy elevados que interferirian en el funcionamiento de los sensores de proxi-- dad normales, ya que la bobina del sensor de proximidad representa una cuena antena para los campos magneticos tan elevados.

Utilizando un nucleo de material especial para la bobina del oscilador, y un r rcuito electronico que reconozca la presencia de campos de soldadura y blo-quee la salida durante los breves pulsos de soldadura, es posible utilizar estos sensores en Ifneas de soldadura como las existentes en la industria del auto-•novil. Segun lo grande que sea el campo magnetico, puede ser detectado, por ejemplo, por un testigo a una distancia de unos 30 cm del conductor que ".ransporta la corriente.

Ejemplos

• Tamanos de M 1 2 x 1 , M 1 8 x 1 y M 30 x 1,5 con distancias de conmuta-cion de 2, 5 y 10 mm. Estos sensores de proximidad inductivos son a prueba de campos magneticos y campos con intensidades de hasta 25 kA. Se dispone de una cubierta protectora roscada de Teflon, para proteger la superficie activa del sensor contra la proyeccion de soldaduras

• Sensores de proximidad a prueba de campos magneticos en ejecucion de acero inoxidable, con superficie frontal ceramica. Se dispone de una ver-sion con el cuerpo en PBTP para corrientes de soldadura de hasta 100 kA.

Valores de referencia para induction magnetica

I [kA] Distancia [mm] 12.5 25 50 100

5 80 mT 40 mT 20 mT 10 mT 10 160 mT 80 mT 40 mT 20 mT 20 320 mT 160 mT 80 mT 40 mT 50 800 mT 400 mT 200 mT 100 mT

100 1600 mT 800 mT 400 mT 200 mT

El calculo relativo a la proximidad de la induction magnetica B en mT, puede hacerse utilizando la siguiente formula:

B p '/a I: Intensidad en amperios mT ' tymm a : Distancia en mm

279


Sensores de proximidad inductivos para elevadas temperaturas

Mientras que los sensores de proximidad inductivos normales cubren marge-nes de temperatura de 25°C a 70°C, hay sensores para cubrir exigencias de elevadas temperaturas desde 100°C hasta 2509C

Sensores de proximidad inductivos para elevadas presiones

Hay sensores de proximidad para presiones de hasta 800 bar (7 000 psi). Los tipos estandar de sensores se utilizan para una gama de presiones de aproxi-madamente 5 - 1 0 bar.

Sensores de proximidad inductivos para grandes alcances de deteccion

La distancia de deteccion potencial viene determinada en primer lugar por el tamano de la bobina del circuito resonante. Por lo tanto, la deteccion de gran-des distancias requiere grandes bobinas.

Los sensores de proximidad con grandes alcances de deteccion son ventajo-sos en los casos donde se producen variaciones en la distancia entre el objeto a detectar y el sensor, por ejemplo, como resultado de tolerancias de posicion o de diferentes tamanos de objetos.

Ejemplo: Sensores de proximidad inductivos en cuerpos de plastico de 80 o 100 mm de diametro, con distancias de deteccion de 50, 70 o 100 mm. Pueden alcanzarse distancias de conmutacion de 45 y 90 mm con cuerpos metalicos de 100 y 200 mm para montaje enrasado.

Nota: Segun el estandar EN 50 010, las grandes distancias de deteccion requieren que las placas de calibracion o las superficies de los objetos sean correspon-dientemente grandes.

280


Sensores de proximidad inductivos con elevada frecuencia de conmutacion

Los sensores de proximidad inductivos, generalmente tienen una frecuencia maxima de conmutacion que se halla entre 500 Hz y 5 kHz, y en donde las ejecuciones mas pequenas funcionan a las frecuencias mas elevadas. Las eje-cuciones grandes con alcances por encima de 20 mm pueden tener frecuen-cias de menos de 50 Hz. Las frecuencias de conmutacion elevadas se requie-ren, por ejemplo, para la deteccion de piezas que giran muy rapidamente. Se dispone de modelos con frecuencias de conmutacion de hasta 20 kHz.

B 5.1

Ejecuciones sensibles al sentido (sensores de proximidad inductivos con funcion de retorno en vaci'o)

Los sensores de proximidad inductivos sensibles al sentido poseen dos zonas activas adyacentes. Cuando un objeto atraviesa lateralmente ambas zonas, el sensor se activara o no, dependiendo del sentido en que las haya atravesado.

1, 2 Zonas activas 3 Sentido de deteccion 4 Sentido de retorno en vacio

Fig 5.4: Sensor de proximidad inductivo de retorno en vaci'o (Ejempio Festo SIEL-Q-PS-K-LED)

281


5.1

Sensores de proximidad autocontrolados

Los sensores de proximidad autocontrolados (interruptores de seguridad) se utilizan en todas las ocasiones donde se requiera un elevado grado de fiabili-dad. Si se produce un fallo en el sensor, es detectado y se activan las corres-pondientes acciones. Generalmente, toda la instalacion es puesta en un esta-do de seguridad.

En algunos sistemas de seguridad, no solo se supervisan continuamente los sensores, sino tambien las li'neas de alimentacion, la fuente de alimentacion, etc.

Proceso de produccion # Proceso de produccion

Mensaje de error

Control F400

Serial de error

Intervention en el proceso de produccion Ktnrtjn auto-supervision

Fig. 5.5: Ejemplo: Sistema de autocontrol de sensores inductivos (fuente: IFM)

282

Ejecuciones especiales Festo Didactic B 5.1

Fig. 5.6: Diagrams de bloques de un circuito de supervision (fuente: IFM) ("Efector" es el termino que utiliza IFM para un sensor de proximidad)

o

Verificacion Alimentation externa 24 V D.C. =

0 1 0 2 0 3 0 4 E © © m m m •• c m m

11 © c I 2 I 3 c © I 4

9 | 10 | 11 12 13 | | 14 | | 15 | I 16

azul

negro

marron

azul

negro

<0>

Fig. 5.7: Conexion de una funcion de supervision, Ejemplo con 2 sensores (fuente: IFM)

283


La funcion de supervision genera pulsos de deteccion para verificar los senso-res conectados a ella. Los pulsos llegan a la conexion de los sensores senali-zada en negro, a traves de un circuito comun temporizador. Se utilizan ejecu-ciones especiales de sensores, donde la conexion de color negro no es la salida, como es el caso de los sensores normales, sino una conexion para recibir los pulsos de verificacion. Los sensores se alimentan de tension por medio de la funcion de supervision, a traves de la conexion marron. La cone-xion azul sirve como salida del sensor hacia la funcion de supervision.

Los sensores se reprograman continuamente desde la funcion normalmente abierta hasta la normalmente cerrada al ritmo de la frecuencia de los pulsos de supervision (clock). Las senales de la linea pulsante (negro) y de la linea de serial (azul), se conectan en la funcion de supervision de forma tal que los pulsos de clock sean logicamente filtrados, y pueda disponerse en la salida del sensor de la serial adecuada al estado de conmutacion del sensor.

El estado libre de errores, se indica a traves de una serial de salida positiva en una salida comun de mensajes de error. En el caso de un fallo, por ejemplo, la rotura de la linea, cortocircuito o dano del sensor, se cierra la salida del men-saje de error y la de la senal de salida del sensor. Por medio de un pulsador de verificacion puede localizarse el error.

284


Sensores de proximidad inductivos para deteccion de materiales especificos

En algunas aplicaciones, es necesario que un sensor de proximidad inductivo solo reaccione ante determinados materiales. Los sensores de proximidad in-ductivos responden a todos los objetos metalicos. La mayor distancia de con-mutacion se obtiene con el acero.

Por otro lado, hay sensores de proximidad que responden a determinados ~iateriales alcanzando la mayor distancia de conmutacion utilizando materiales sin hierro ("sensores de proximidad para metales no-ferricos"). Los metales ferricos tienen un efecto reducido en estos sensores y por lo tanto es posible la instalacion enrasada en acero.

Ejemplos:

• Sensores de proximidad selectivos de forma rectangular o cilindrica M 30, con distancias nominales de deteccion de 10 y 20 mm en relacion al alumi-nio. Estos sensores de proximidad son adecuados para objetos de cobre, aluminio, estano, laton, bronce, cinc, plata, oro, manganeso y plomo.

• Sensores de proximidad selectivos con distancias de conmutacion de 8 mm, 10 mm y 20 mm de tipos M 30 x 1.5, rectangulares 34 mm x 50 mm x 65 mm y 40 mm x 40 mm x 114 mm.

285


Sensores de proximidad inductivos con alcance independiente del material

Los sensores de proximidad con distancia de deteccion independiente del ma-terial, tienen la ventaja de no precisar reajustes en el caso de un cambio en el material a detectar, y que se mantiene una misma distancia de conmutacion, como en el caso de sensores de proximidad detectando una placa estandar de acero dulce.

Ejemplo:

Sensores de proximidad inductivos con distancias de conmutacion de 5, 10 y 15 mm, independientemente del tipo de metal.

1 0 0 - -% - -

8 0 - -

70 --6 0 - -

50 --

Sn 40 -30 --2 0 - -

1 0 - -

Acero dulce Acero inox Pb Laton Al Cu ST 37 V2A

Material

Sensor de proximidad independiente del material

Sensor estandar

Fig. 5.8: Comparacion de la distancia de conmutacion entre sensores de proximidad independientes del material y sensores estandar.

286


Sensores de proximidad en forma de anillo

_s bobina osciladora consiste en un nucleo de ferrita en forma de anillo con -its robina interna. El oscilador es atenuado en el momento en que se intro-3-ce en el anillo un objeto conductor de la electricidad.

sensores de proximidad tipo anillo son adecuados, por ejemplo, para la aereccion sin contacto de pequenas piezas metalicas que son conducidas por j - :.do transportador, el cual pasa a traves del anillo sensor.

- g. 5.9: Sensor de proximidad en forma de anillo

Ejemplo:

Sensores de proximidad con diametro interno de 10, 15, 21 y 43 mm.

287

B 5.1


Sensores de proximidad en forma de horquilla

Los sensores de proximidad tipo horquilla poseen una hendidura en la que se han dispuesto dos bobinas osciladoras opuestas. El sensor de proximidad res-ponde a objetos metalicos en el espacio entre la horquilla, de forma similar a un sensor de barrera de luz. Los sensores de proximidad de este tipo se utilizan en aplicaciones donde se requiere una repetibilidad de precision cons-tante del punto de conmutacion, incluso si la linea de desplazamiento del obje-to vari'a ligeramente.

Fig. 5.10: Sensores de proximidad en forma de horquilla

Ejemplo:

Sensores de proximidad en forma de horquilla de 2 a 30 mm

288


Sensores de proximidad inductivos para supervision de rotura de brocas

Tambien existen sensores de proximidad inductivos para detectar rotura de herramientas, allf donde deban supervisarse brocas, machos o escariadores durante el proceso de mecanizacion. El principio se basa en la union de la induction de las bobinas sensoras cuando se introduce una herramienta. Pue-den supervisarse diametros desde 1 hasta 25 mm. Se comprueba la presencia de las herramientas cuando la maquina se halla en el punto inferior, y la au-sencia de herramientas cuando la maquina se halla en el punto superior

Fig. 5.11: Sensores de proximidad para detectar rotura de brocas (fuente: Euchner)

289


5.2

5.2 Variantes de los sensores de proximidad opticos

A continuacion se indican brevemente unas cuantas variantes

• Sensores de barrera tipo horquilla

• Sensores de marco

• Sensores laser

• Sensores de retrorreflexion con filtro de polarizacion

• Sensores de marcas impresas

• Sensores de luminiscencia

• Sensores de barrera de luz en angulo

• Sensores para la prevencion de accidentes

• Sensores dinamicos.

Hay muchas variantes de las citadas, por ejemplo:

• Sensores cromaticos

• Sensores con sehalizacion de contaminacion integrada

• Sensores de reticula de luz (utilizando varios sensores de barrera)

• Sensores de cortina de luz con fibras opticas

• Sensores de reflexion directa de rayo ancho, para la deteccion de cintas transparentes o vidrio

• Sensores especiales para supervision de rotura de broca (empezando en un diametro de 1,5 mm)

• Sensores para la transmision de datos

• Sensores de reflexion directa para la lectura de codigos de barras

• Ejecuciones antideflagrantes, versiones NAMUR

• Ejecuciones para conectar hasta 2 6 3 adaptadores de fibra optica a un modulo sensor.

290


Sensores de barrera en horquilla

sensores de barrera en horquilla son sensores en los que el emisor y el fece-r:or se hallan montados frente a frente en un alojamiento en forma de Imkju la o 'U'. A menudo estan disponibles en versiones de bajo coste en «o£~ientos de material sintetico.

1 Emisor 2 Receptor

fig. 5.12: Sensor de barrera en horquilla

_a interruption del rayo de luz que atraviesa la horquilla es evaluada como senal de conmutacion.

_cs sensores de barrera en horquilla estan disponibles en un margen de an-•̂nos de horquilla entre 3 y 50 mm.

Es:os sensores se utilizan, por ejemplo, para la deteccion de movimientos ro-tativos o lineales en los que se detectan los taladros en un disco perforado o en una escala lineal. De esta forma es posible obtener information de la velo-: dad (evaluando la frecuencia) y/o la amplitud del recorrido (por contaje del - jmero de pulsos). Son posibles frecuencias relativamente altas, de hasta * MHz. Tambien se dispone de barreras de luz que pueden detectar el sentido 3e desplazamiento de un objeto.

291


Sensores de barrera en marco

Los sensores de barrera en marco funcionan segun el principio de una cortina de luz. En los dos lados opuestos de un marco, se dispone una determinada cantidad de receptores y emisores en estrecho alineamiento, que cubren com-pletamente la zona interior del marco con una cortina de luz.

Fig. 5.13: Marco de barreras de luz

Los sensores de marco se utilizan preferentemente para detectar piezas pe-quenas que lo atraviesan, por ejemplo en la deteccion de la expulsion de piezas punzonadas o estampadas en una prensa. Dada su aplicacion en pro-cesos dinamicos, los sensores de marco generalmente tienen un comporta-miento dinamico de conmutacion. Las piezas de presencia permanente, por ejemplo, tubos de transporte transparentes, no son detectadas a menos que se ensucien o se rayen notablemente. Con este tipo de sensores pueden al-canzarse tiempos de respuesta del orden de 150 (is y pueden reaccionar con piezas de hasta 2 mm de diametro.

292


Sensores de barrera laser

Los diodos emisores de luz (LED) son los mas utilizados como fuente de luz en los sensores de proximidad opticos. Sin embargo, utilizando diodos laser, es posible construir sensores laser, que tienen las siguientes ventajas:

• Alcance extremadamente amplio por medio de la concentration de rayos laser

• Margen de respuesta muy estrecho y preciso a grandes distancias

Con rayos laser de una seccion de 18 x 10 mm, es posible detectar objetos a distancias de mas de 200 m. En distancias mas cortas, por ejemplo, del orden de 2 m, es posible detectar un objeto de tan solo 1mm de diametro. Tales zonas de respuesta extremadamente precisas son particularmente utiles para la aproximacion y el ajuste de herramientas y piezas de precision.

293

B 5.2


Sensores de retrorreflexion polarizados

Cuando se utilizan sensores de retrorreflexion para detectar objetos altamente reflectantes, el sensor de proximidad es incapaz de distinguir si la reflexion es originada por el reflector o por el propio objeto, es decir, no reconoce con fiabilidad los objetos reflectantes. Una solucion a este problema es la utiliza-cion de filtros de polarizacion.

Fig. 5.14: Sin objeto en el rayo de luz (fuente: Sick)

294


Desde el

B 5.2

Fig. 5.15: El objeto no refleja el rayo de luz con la misma polarization que el reflector, por que no puede atravesar el analizador (fuente: Sick)

Los dos filtros de polarizacion, uno para el emisor y otro para el receptor, Principio de funcionamiento estan incorporados a las lentes del sensor de proximidad, y un cristal adicional cubre la parte frontal del sensor. Una caracteristica del filtro de polarizacion es que solo permite el paso de ondas de luz que oscilen a un determinado nivel. La luz generada por el sensor optico (por ejemplo, la luz roja de un LED) oscila en varios niveles de polarizacion. El filtro de polarizacion del emisor deja pasar tan solo aquellas partes de la luz de un especffico nivel de polarizacion. De esta forma, tan solo el rayo de luz polarizada alcanza el reflector (no es necesario tener en cuenta la luz ambiental, puesto que de todas formas sera suprimida en el receptor). El reflector gira el nivel de polarizacion en 90°. Para que la luz reflejada pueda ser recibida por receptor, el filtro de polarizacion (analizador) del receptor es girado 90° respecto al filtro de polarizacion del emisor. Si hay un objeto reflectante en el rayo de luz, entonces se mantiene la polari-zacion. De esta forma, la luz reflejada por el objeto, que llega al filtro de polarizacion del receptor, no puede atravesarlo y este evalua la situation como "objeto presente".

295


Sensores de marcas impresas

Los sensores de marcas impresas se utilizan para la deteccion de contrastes en la impresion, por ejemplo, marcas de impresion en bianco y negro o en color sobre productos de empaquetado, identificacion de codigos en contene-dores de almacenaje, etc. Otros ejemplos incluyen el posicionado para la im-presion, la aplicacion de adhesivos, el corte de longitudes de material segun un patron, corte de etiquetas o de bolsas, etc.

Los sensores de marcas de impresion tambien se conocen como lectores o escaneres de marcas.

Los sensores de marcas impresas funcionan se forma similar a los sensores de reflexion directa, excepto en que el rayo de luz emitido, esta enfocado a una distancia de deteccion especffica. Los sensores de marcas impresas son capaces de detectar diferencias de contraste muy pequenas, allf donde las diferencias en color tambien pueden ser interpretadas como diferencias de contraste.

El objeto debe estar dentro de ciertas tolerancias respecto a la distancia de conmutacion del sensor de proximidad. La fuerza de la radiacion reflejada por el objeto es comparada en el receptor con un valor de ajuste critico. El umbral corresponde a un valor especffico en una escala de grises. Si el valor del umbral en la escala de grises queda por debajo o por encima del ajustado, el sensor de marcas impresas cambia su estado de activacion.

Dependiendo de los diferentes tipos de aplicacion (variaciones de reflexion con diferentes contrastes de colores), estos sensores estan a menudo equipados con sensores opticos cuyas longitudes de onda pueden cambiarse utilizando diferentes diodos emisores de luz. Se utilizan incluso lamparas juntamente con filtros de color seleccionables.

Los sensores de marcas impresas pueden utilizarse con adaptadores de fibra optica. Sin embargo, en tales casos, la radiacion luminosa no esta enfocada y la amplitud del sensor puede variar; por otro lado la sensibilidad disminuye rapidamente a medida que crece la distancia.

Los sensores de marcas impresas tambien son capaces de detectar marcas muy pequenas. Por ejemplo, las ejecuciones que incorporan un diodo LED como fuente, son capaces de detectar marcas de un tamano de 0,5 mm a distancias de hasta 20 mm. Por otro lado, las ejecuciones que utilizan fuentes de radiacion laser, son capaces de detectar marcas muchfsimo mas pequenas.

296


Sensores luminiscentes

Hay marcas que ya no pueden detectarse con fiabilidad por medio de senso--es de marcas impresas si estas se hallan entre otras texturas similares, por ejemplo, etiquetas impresas. Tambien, en muchos casos, la marca impresa esta especialmente hecha para no ser vista. En tales casos, son adecuados los sensores que responden a las marcas invisibles y luminiscentes.

El emisor de un sensor luminiscente, emite, por ejemplo, un rayo ultravioleta a una longitud de onda de 365 nm. El rayo ultravioleta excita una marca de sustancia fluorescente, la cual emite en una zona mas elevada de longitud de onda (es decir, entre el azul y el rojo)

La radiation luminiscente excitada es detectada por el emisor, el cual genera una senal de salida. El emisor y el receptor estan modulados de forma tal que el receptor solo responde a la luz modulada del emisor. Ademas, se utilizan filtros opticos para evitar la influencia y los efectos de la luz externa.

Los sensores luminiscentes tambien trabajan perfectamente con superficies re-flectantes. Se dispone de dispositivos con margenes de deteccion de hasta 500 mm. Los sensores luminiscentes tambien pueden utilizarse juntamente con cables de fibras opticas.

297

B 5.2


Sensores de barrera en angulo

Un sensor de barrera en angulo es un sensor de barrera en el que el emisor y el receptor no estan en linea recta (ver Fig. 5.16). El emisor y el receptor estan opticamente enfocados en un punto comun. Si se situa un objeto en este punto focal, el receptor detecta la luz reflejada por el objeto y el sensor genera una senal.

Los sensores de barrera en angulo se utilizan para la deteccion precisa de objetos a distancias cortas, en donde, en contraste con los sensores de refle-xion directa, la distancia de conmutacion es independiente del grado de refle-xion.

2

1 Emisor 2 Receptor 3 Objeto

Fig. 5.16: Sensor de barrera en angulo


Sensores para la prevencion de accidentes

Los sensores para la prevencion de accidentes se utilizan para proteger el acceso a zonas peligrosas en las que se utilizan elementos de elevada poten-cia, tales como prensas, cizallas de corte y deformation de metales, guilloti--as, maquinas bobinadoras, fundiciones, robots, rodillos, agitadores, etc. Los sensores que se utilicen para fines de prevencion de accidentes, deben cum-clir con las normas de seguridad nacionales, emitidas por los correspondientes estamentos reguladores.

Dependiendo de estas normas, los sensores para la prevencion de accidentes quedan dentro de la categorfa de dispositivos de proteccion sin contacto, los cuales pueden ser sensores de barrera o sistemas conectados a ellos, tales como cortinas o rejillas de luz. Los dispositivos de proteccion deben emitir una senal de mando si alguna parte del cuerpo irrumpe en la zona protegida. El objetivo de la serial es el de prevenir o interrumpir cualquier movimiento poten-cialmente peligroso.

299


Deben cumplirse los siguientes requerimientos (no pretendemos ofrecer una lista completa, ya que tienen preferencia las normas locales de cada pais)

• Especificacion del tiempo de respuesta y tamano del obstaculo en la placa de caracteristicas

• Por lo menos, indicacion de dos estados de funcionamiento

• Prevention de cualquier riesgo en caso de interrupcion del funcionamiento del dispositivo de proteccion

• Proteccion suficiente contra influencias externas tales como vibraciones, su-ciedad, campos perturbadores, interferencias de la red, cortocircuito, rotura de la linea

• Autotest, verificacion al arranque, autocontrol. Los defectos de funciona-miento del dispositivo de proteccion, deben detectar y senalizar al equipo potencialmente peligroso en forma de senales de interrupcion

• Inhibition del re-arranque despues de una interrupcion por un movimiento no intencionado

• Observation e identificacion de una distancia de seguridad especificada en-tre la zona de proteccion y la zona peligrosa, asf como identificacion del tiempo de sobrecarrera

• Proteccion contra la irruption o entrada dentro de la zona de proteccion desde abajo o desde arriba asi como contra la zona restante entre la de proteccion y la zona peligrosa

• Verificacion (antes de la primera puesta en marcha y rutina regular de veri-ficacion, incluso durante los cambios de herramientas y reparaciones).

300


Las ejecuciones industrials de sensores para la proteccion de accidentes tie-nen, entre otras, las siguientes caracterfsticas en comparacion con los senso-res normales:

• Varios pilotos indicadores del estado de funcionamiento, por ejemplo, para "emisor conectado", "trayecto de luz libre", "trayecto de luz interrumpido", "reception de luz", "suficiente reception de luz" e "insuficiente reception de luz"

• Para sensores con rele de salida, se dispone de dos contactos de action positiva para su conexion al control de la maquina

• Calefactor frontal de la lente, indicador de contamination de la lente

• Auto-supervision permanente

• Elevada inmunidad a ruidos electricos y opticos.

Los sensores de rejilla para la proteccion de accidentes consisten en un siste-ma de sensores actuando en paralelo, los cuales crean una densa zona reticu-lar de emisiones infrarrojas. Cada uno de los sensores de la retfcula actua en rapida sucesion segun la modalidad de multiplexado. A efectos de sincroniza-cion se utiliza un rayo desde el emisor al receptor. La resolution es, por ejem-plo, de 35 mm entre rayos paralelos (tamano mfnimo del objeto). Se dispone de diferentes ejecuciones para alcanzar diferentes niveles de altura, por ejem-plo desde 400 a 1 000 mm.

Fig. 5.17: Pantalla de seguridad con sensores de barrera

301


Sensores dinamicos

Los sensores estandar reaccionan a una formation progresiva estatica en el rayo de luz. La senal de conmutacion se produce mientras permanezca el objeto.

Los sensores dinamicos, en contra, reaccionan a cambios rapidos en la inten-sidad de la emision recibida. Los cambios lentos, por ejemplo, como los produ-cidos como resultado de una contamination progresiva o el acercamiento muy lento de objetos, no son registrados puesto que el umbral de conmutacion en el receptor es continuamente ajustado.

Los sensores dinamicos se utilizan a menudo como supervisores de la rotura de hilos en la industria textil. El hilo pasa a traves de un sensor. La rotura del hilo crea un ligero y breve cambio en la luz que lo atraviesa, lo cual es detec-tado. Pueden detectarse roturas en los hilos mas finos (por ejemplo, hasta 0,05 mm). Pueden ajustarse las mas pequenas variaciones de brillo.

302

® IT Soluciones a los ejercicios Festo Didactic

Soluciones a los ejercicios del Capftulo 2

Ejercicio 2.3.1 Circuitos de proteccion para los finales de carrera electromecanicos

Debe distinguirse entre cargas ohmicas, inductivas y capacitivas. Dependiendo del tipo de carga, debe disenarse un circuito protector adecuado para alcanzar una elevada vida util para los contactos.

Carga ohmica: Si la carga es puramente ohmica, no se necesita tomar mas medidas de pro-teccion adicionales que las de observar los valores h'mite de las respectivas hojas de datos tecnicos.

Carga capacitiva: Cuando se conecta una carga capacitiva, fluye brevemente un gran flujo de corriente. Si esta corriente excede del valor especificado en las hojas de da-tos, deben tomarse medidas externas para limitarla. Debe conectarse una re-sistencia en serie con el interruptor. El calculo de la resistencia del circuito de proteccion debe hacerse segun la formula:

/max

donde V es la tension de funcionamiento e lm a x la maxima intensidad de interrupcion. La resistencia debe elegirse de forma que pueda aceptar la po-tencia electrica requerida.

304


Carga inductiva: Si hay una bobina en el circuito, esta almacena energia cuando se cierra el circuito. Cuando se desconecta, esta energia se descarga bruscamente produ-ciendo un arco entre los contactos de interruptor, que progresivamente los deteriora. Se requieren diferentes medidas de proteccion dependiendo del tipo de tension.

Fig. 2.1: Circuito de proteccion para CC

Fig. 2.2: Circuitos de proteccion para CC y CA

c 100 1 nF A

Q ~ Resistencia ohmica de la bobina

305


Fig. 2.3: Circuito de proteccion de CA utiiizando un varistor

Ejercicio 2.3.2 Conexion de potencias electricas muy bajas

La fiabilidad de la conmutacion de un final de carrera puede mejorarse consi-derablemente instalando una resistencia en paralelo con la carga.

Fig. 2.4: Circuito para baja potencia electrica

306


Soluciones a los ejercicios del Capi'tulo 3

Ejercicio 3.4.1 Velocidad maxima de paso del embolo de un cilindro frente a un sensor de proximidad reed

La velocidad maxima de paso del embolo, se calcula utilizando la formula:

' 'max • TS

Smin es el margen de respuesta mas pequeno posible del sensor de proximi-dad cuando pasa por delante el embolo del cilindro. Ts es el tiempo de con-mutacion del sensor de proximidad o de otra pieza afectada, por ejemplo, una valvula. En este caso, el resultado obtenido de la hoja de datos tecnicos del sensor de proximidad reed (SME), es el valor T s = 2 ms para el tiempo de respuesta de este componente.

Se obtiene un valor de recorrido de 10 mm de la tabla 3.4, en relacion con el cilindro Festo DNNZ con un diametro de 80 mm.

t

307

® IT t

Soluciones a los ejercicios Festo Didactic

0 del embolo

mm

Tipo Histeresis Hmax.mm

Recorrido de respuesta Srnin.mm

SME* ** SMP SME SMP*

8 ESN,DSN 2 1,5 7 9

10 ESN,DSN 2 1,5 5 9

12 ESN,DSN 2 2 8 11

16 ESN,DSN 2 2 6 9

20 ESN,DSN 2 2,5 7 9 20

DGS

25 ESN,DSN 1,5 2 6 17 25

DGS 2 1,5 7 10

32 ESW.DSW 2 1,5 10 12 32

DN.DNZ 2,5 4 7 15

32

DNNZ 2,5 4 7 15

40 ESW.DSW 2 2 9,5 12 40

DN.DNZ 2,5 4,5 8 15

40

DNNZ 2,5 4,5 8 15

50 ESW.DSW 2 2 10,5 12 50

DN,DNZ 3 5 8 17

50

DNNZ 3 5 8 17

63 ESW.DSW 2 2 11 13 63

DN.DNZ 3 5 9 18

63

DNNZ 3 5 9 18

80 DN.DNZ 3 5 10 19 80

DNNZ 3 5 10 19

100 DN.DNZ 4 7 10 20 100

DNNZ 4 7 10 20

125 DN.DNZ 4 5 11 5

160 DN.DNZ 4 6 11 16

200 DN.DNZ 5 7 10 16

250 DN.DNZ 4 7 11 16

320 DN.DNZ 5 7,5 11 16

H = Histeresis S = Margen de respuesta 1 Iman permanente 2 Camisa del cilindro 3 Sensor activo 4 Sensor inactivo 5 Sensor en pos. media

Tabla 3.4: Histeresis y margen de respuesta de sensores magneticos con diferentes cilindros (ejemplo)

*SME = se refiere a los sensores de proximidad reed y magnetico-inductivos "SMP = se refiere a los sensores de proximidad magnetico-neumaticos

Para el cilindro Festo DNNZ con un diametro de 80 mm, se obtiene de nuevo un valor vm a x de 0,667 m/s para una valvula con un tiempo de respuesta de 15 ms.

308


Eiercicio 3.4.2 Conexion electrica de un sensor de proximidad reed

r BN(1)

O O +24VDC

BK(4) O-

1 R L

R O 0 V

R Resistencia en serie Rl Carga L-, Lg Diodos emisores de luz

Fig. 3.1: Circuito de un sensor de proximidad reed

En el caso de un sensor de proximidad con contactos reed, se incorpora un ; ircuito de proteccion contra los picos de tension producidos por la descone-«ion de cargas inductivas, el cual sirve al mismo tiempo como indicador bipolar eel estado de conmutacion.

_os diodos de proteccion se conectan en paralelo a la carga L a traves de la -esistencia en serie, de forma similar al circuito de proteccion mostrado en la -ig. 2.1. El circuito de proteccion tambien funciona con una alimentation de ension alterna.

Cuando se conecta una carga, debe tenerse cuidado que la resistencia de carga sea suficientemente grande para que no se sobrepase la maxima co-"ente permisible del sensor. Considerando que se cumple este requisito, la polaridad de la alimentation puede cambiarse sin que ello cause dano alguno al sensor.

Debe observarse, en especial durante las pruebas, que un sensor puede da--arse facilmente si la carga de salida BK (4) es accidentalmente cortocircuita-da al terminal BU (3).

309


Ejercicio 3.4.3 Resolucion de un sensor de proximidad reed

La minima carrera posible que puede detectarse en un cilindro equipado con dos sensores de proximidad reed se calcula por:

Hmin = 2 • Hm a x

Hmav es la maxima histeresis de la combination cilindro-sensor

Los valores pertinentes pueden tomarse de la tabla 3.4. El valor para un cilin-dro Festo del tipo DNNZ con un diametro de 80 mm, equipado con un sensor reed (SME) es Hm a x = 3 mm. ello da como resultado una carrera minima posible de 6 mm.

310



Ejercicio 4.5.1 Aplicacion de un sensor de proximidad inductivo

E numero de contenedores se establece por medio del conteo de los pulsos salida de sensores de proximidad.

S asumimos que la velocidad de transporte es constante, la diferencia de tempo entre dos pulsos consecutivos puede convertirse en la distancia entre los contenedores.

Se requiere un segundo sensor de proximidad para la deteccion del sentido. Es necesario establecer la secuencia en la que ambos sensores de proximidad emiten su serial para obtener information respecto al sentido del desplaza-miento.

Fig. 4.1: Montaje esquematico de un dispositivo de transporte

311


Con sensores de proximidad inductivos, la distancia de conmutacion depende del material a detectar. En este caso, la distancia nominal de conmutacion especificada en la hoja de datos tecnicos debe multiplicarse por el valor 0,5 (factor de reduction para el aluminio). Esto da como resultado un valor que es solo la mitad de la distancia de conmutacion especificada en la hoja de datos. Dado que la distancia entre el contenedor de aluminio y el sensor de proximi-dad puede variar, es importante seleccionar un sensor de proximidad con una distancia de deteccion que no sea demasiado pequena. Ademas, una distancia nominal de deteccion mayor facilita el ajuste del sensor de proximidad en el dispositivo de transporte

En el caso de que se especifiquen diametros de montaje, las mayores distan-cias de conmutacion se obtienen utilizando los tipos de sensor de proximidad no enrasados. Sin embargo, en este caso, debe tenerse cuidado de que la zona activa del sensor de proximidad este libre de piezas metalicas.


Montaje enrasado

Superficie activa Zona libre > 3 x Sn

Montaje adjacente

Montaje no-enrasado Zona libre 3 x d Zona libre

> 3 x Sn

> 2 x S n

Fig. 4.2: Especificaciones de instalacion de sensores de proximidad

La histeresis es el termino utilizado para describir la diferencia entre el punto de activation y el de desactivacion en un sensor de proximidad. Esto es esen-cial para garantizar la conmutacion segura de un sensor de proximidad. Si coincidieran ambos puntos de conmutacion, ello produciria una fluctuation de la senal de salida cuando el objeto pasara frente al sensor de proximidad, precisamente a la distancia justa de deteccion.

312


Ejercicio 4.5.2 Deteccion de rodillos de acero vibrantes

a) Los pulsos generados por el movimiento vibratorio de los rodillos de acero, pueden pasar inadvertidos si el tiempo de reaction del control es inferior al periodo activo de la vibracion (presencia muy breve) o bien pueden produ-cir multiples pulsos de conteo si no se han tornado medidas de filtraje por programa

b) 1% de 8 mm = 0.08 mm

313



Ejercicio 5.5.1 Nivel de llenado en un silo de grano

Para detectar el llenado de materiales a granel, deben tenerse en cuenta las caracterfsticas especfficas del material. Cuando se llena el silo, se crea un cono de material. El angulo del cono es una caracterfstica que depende del material utilizado. Cuando el silo se vacfa, se crea un cono inverso o depre-sion. Ambas caracterfsticas deben tenerse en cuenta cuando se elija el empla-zamiento del sensor. Si no se hace asf, ello puede acarrear errores de medi-cion.

Fig. 5.1: Deteccion de los niveles de llenado y vaciado en un silo de material a granel

Ademas, deberfa observarse que la distancia de conmutacion alcanzable con sensores de proximidad capacitivos depende en gran parte de la humedad contenida en los materiales a granel. Los materiales humedos a granel se detectan a mayor distancia que los materiales secos.

314


Ejercicio 5.5.2 Efectos ambientales en los sensores de proximidad capacitivos

Un sensor de proximidad capacitivo mide un cambio en la capacitancia de su zona activa y lo evalua. Si se produce humedad cerca de la caja del sensor (ratio, niebla), ello puede provocar una senal erronea. Dado que el agua tiene una constante dielectrica muy elevada (e = 81), pequenas gotas de humedad son suficientes para activar el sensor de proximidad. Existen sensores de pro-ximidad capacitivos que pueden compensar el efecto de la humedad por me-dio de un electrodo auxiliar,

«

Ejercicio 5.5.3 Deteccion de cajas de carton

Dado que los cambios en la capacitancia producidos por el fino carton de la caja son relativamente pequenos, puede suceder que el sensor capacitivo sea incapaz de detectar la caja. En este caso, debe verificarse que el sensor de proximidad responda ante todos los tipos de caja a detectar. Generalmente puede cambiarse la sensibilidad ajustando el potenciometro del sensor de pro-ximidad capacitivo. Por favor, considerar que el contenido de humedad en el carton puede influir en la distancia de conmutacion.

Ejercicio 5.5.4 Deteccion de una mirilla transparente

Sensor de proximidad capacitivo: Un sensor de proximidad capacitivo reacciona ante cambios de capacitancia. El cambio de capacitancia que produce un film de plastico de 0,1 mm de espesor es insuficiente para actuar el sensor. En materiales de plastico, se requieren gruesos de pared de mas de 1 mm para activar un sensor de proxi-midad capacitivo.

Sensor de proximidad optico: Un sensor de reflexion directa es adecuado como solution optica. La sensibili-dad puede ajustarse por medio del potenciometro de ajuste de forma que el sensor reaccione ante el film de plastico y no en las otras zonas de la caja. El sensor debe disponerse perpendicularmente a la mirilla.

315

r Soluciones a los ejercicios Festo Didactic

Sensor de proximidad ultrasonico Esta solution requiere una concentration de emision ultrasonica sobre el panel transparente. Se recomienda una comprobacion sin mirilla transparente para verificar que el sensor de proximidad ultrasonico no responde al propio paque-te. Esto puede suceder en el caso de distancias largas y sensores de proximi-dad con un cono ultrasonico de una apertura demasiado ancha. En ciertas circunstancias se requiere el uso de placas absorbentes de sonido, con deter-minadas aberturas. Tambien este sensor de proximidad debe dirigirse perpen-dicularmente a la mirilla transparente.

Fig. 5.2: Sensor de proximidad ultrasonico con una pantalla de limitacion y absorcion del cono de ultrasonido (p. ej. de fieltro))

316

c 9


3


Ejercicio 6.6.1 Efectos ambientales en los sensores de proximidad opticos

En un ambiente de elevada suciedad, es de esperar que las lentes de los sensores de proximidad opticos y reflectores puedan ser contaminadas.

Por medio del siguiente ejemplo, utilizando un sensor de retrorreflexion, descu-brira en que medida depende de la limpieza de las lentes y del reflector, el correcto funcionamiento de un sensor de proximidad optico. Asumamos que las lentes y el reflector estan oscurecidos por depositos de suciedad en un 10%. Este es un valor facilmente alcanzable. Este nivel de contamination apenas puede detectarse por simple observation visual. Dado que el rayo de luz de un sensor de retrorreflexion debe atravesar esta conta-mination cuatro veces, la luz emitida se debilita desde el 100% hasta aproxi-madamente el 66%. Casi un tercio de la capacidad efectiva de emision se pierde como resultado de esta ligera contamination.

Con sistemas opticos, siempre es importante asegurarse que las lentes y/o los reflectores estan limpios. Si es necesario, deben tomarse medidas adicionales para evitar la creation de contamination (por ejemplo, soplando con aire com-primido, instalando un retenedor de polvo). La maxima contamination permisi-ble depende del margen de capacidad del sensor de proximidad (ver capi'tulo 6.1 para mas detalles.)

Ejercicio 6.6.2 Seleccion de sensores de proximidad opticos

Los sensores de proximidad con cables de fibra optica, son especialmente adecuados si no se dispone de espacio suficiente de montaje en el punto donde debe utilizarse el sensor para la deteccion del objeto. Dadas las peque-nas dimensiones de la cabeza del sensor, los cables de fibra optica pueden utilizarse en los lugares mas inaccesibles.

La election del material del cable de fibra optica debe hacerse teniendo en cuenta las condiciones ambientales. Mientras que los cables de fibra optica de poh'mero generalmente solo pueden utilizarse en margenes de temperatura de -25°C a +70°C, con cables de fibra de vidrio la temperatura puede variar de -20°C hasta +200°C. Se dispone de ejecuciones especiales para diferentes margenes de temperatura. Cuando se elijan los cables de fibra optica, tambien debe tenerse en cuenta su resistencia qui'mica

Una ventaja importante de esta disposition, es que el sensor de proximidad con sus conexiones electricas, no tiene que ser necesariamente instalado cer-ca del punto de deteccion, sino que puede montarse alejado de posibles zonas peligrosas.

317

•

c Soluciones a los ejercicios Festo Didactic

Ejercicio 6.6.3 Fiabilidad de funcionamiento de los sensores de proximidad opticos

Por medio de la emision de luz modulada, es posible mejorar la proteccion de los sensores de proximidad opticos contra la influencia de la luz circundante. Esto significa que se reduce su sensibilidad a las interferencias producidas por la luz ambiental..

El emisor transmite la luz por pulsos a una determinada frecuencia, especifica-da por un generador de senales. El mismo generador transmite pulsos a un modulo logico en el receptor. El receptor evalua la senal recibida del genera-dor en sincronismo con la presencia o ausencia de luz (enlace logico en AND), y genera la senal de salida en consecuencia con el resultado.

Otra posibilidad es la de suprimir la luz ambiental por medio de un filtro pasa-banda, el cual solamente permite pasar la frecuencia de luz generada por el emisor.

En el caso de sensores de proximidad opticos funcionando en la zona de los infrarrojos, se instalan filtros de luz de di'a adicionales. Esto reduce aun mas los efectos de la luz circundante.

318


Ejercicio 6.6.4 Deteccion de acero pulido

La respuesta de este sensor optico viene determinada por el ambiente. El fondo o pared hacia la cual es dirigido, refleja luz suficiente para activar la respuesta. El aluminio anodizado, por ejemplo, refleja mucho. La razon por la cual el sensor se desconecta es porque el acero pulido tiene un elevado grado de reflexion.

«

Fig. 6.1: Influencia del fondo a = Distancia entre el sensor de proximidad y el objeto b = Distancia entre el sensor de proximidad y el fondo

Para empezar debe ajustarse el sensor por medio del potenciometro, de forma que responda a la pieza de acero pulido solo a una distancia "a" y no al fondo a una distancia "b". Si esto no es posible, entonces debe cubrirse el fondo con un material menos reflectante.

319

c 9 Soluciones a los ejercicios Festo Didactic

Ejercicio 6.6.5 Conexion electrica de sensores de proximidad

En el caso de fuentes de alimentacion sin regular y con filtro, es posible que se produzcan picos de tension durante la conexion. Estos pueden estar por encima de la tension de funcionamiento permisible en el sensor de proximidad y pueden producir fallos.

Una "conexion a masa" simultanea de las salidas normalmente abierta y nor-malmente cerrada, tambien puede conducir a un fallo. Para proporcionar una proteccion al cortocircuito, la salida del sensor de proximidad es pulsante. Con una "conexion a masa" simultanea de ambas salidas invertidas, el cortocircuito es constantemente cancelado en una salida y creado de nuevo en la otra. Esto produce una sobrecarga, y por lo tanto el fallo del sensor de proximidad.


Ejercicio 6.6.6 (.(edition del nivel de llenado por medio de sensores de proximidad opticos

= Sensores de barrera, sensores de retrorreflexion, sensores de barrera con fibra optica

bt si:

Fig. 6.1: Precision de la respuesta

El sensor de proximidad responde cuando el nivel de llenado esta dentro de cierto margen. La amplitud del margen de respuesta Ah depende del diametro de la superficie activa "a" del sensor de proximidad y del angulo a:

A h = a sin a sin 2a

Con a = 1 mm (utilizando cable de fibra optica de poh'mero) y un angulo a = 10°...45°:

Ah = 0,5...0,7 mm

321


c) Si el liquido del deposito se mueve, por ejemplo, o si hay espuma en el liquido, o si los sensores de proximidad se salpican durante el llenado.

d) La cera para velas es propensa a endurecerse en las paredes si el deposi-to se vaci'a rapidamente y se calienta solo desde la base. Por esta razon, la medicion del nivel de llenado no puede llevarse a cabo en la pared del deposito. Si se situa en el centra, la solucion sera aceptable si puede ga-rantizarse que no habra trozos sin fundir flotando en la superficie de la cera fundida.

e) Perpendicularmente a la superficie del liquido o a traves de la pared del deposito (por ejemplo, en una pared suficientemente delgada de un deposi-to de plastico) por medio de sensores de proximidad capacitivos. Por medio de interruptores de flotador, sensores potenciometricos, medi-cion de la presion hidrostatica en la base del deposito, apoyando el deposi-to sobre celulas de carga, sensores de nivel de llenado por microondas, sensores de nivel de llenado por vibracion.

Ejercicio 6.6.7 Deteccion de piezas

a) Si, sin embargo deben observarse los margenes maximos especificados en las hojas de datos tecnicos

b) Desde arriba por medio de sensores de retrorreflexion (utilizando cables de fibra optica si el espacio es restringido o si es diffcil ocultar el fondo)

Ejercicio 6.6.8 Utilizacion de sensores de proximidad en tuneles de lavado de automoviles

Sensor de barrera: La clase de proteccion IP 65 es suficiente (proteccion contra penetracion de polvo y salpicaduras de agua). Debe tenerse cuidado de que las lentes no se ensucien (soplando con aire comprimido, instalando un protector de polvo). Se requiere un mi'nimo de dos barreras de luz, las cuales estan desplazadas de forma que el portico no toque la carroceria del automovil cuando se desplaza verticalmente arriba y abajo.

322

Soluciones a los ejercicios Festo Didactic

Ejercicio 6.6.9 Utilizacion de sensores de proximidad con cables de fibra optica

Esta solution funciona. De esta forma, el margen de respuesta puede incre-mentarse desde 10 a 60 mm, si bien debe observarse que los objetos blancos o reflectantes no podran ser detectados con fiabilidad a pequenas distancias por medio de cables de fibra optica. Esta solution es adecuada para la detec-cion de objetos oscuros mate. Ademas, debe observarse que en comparacion con el funcionamiento con reflector, la salida (y el LED) del sensor de proximi-dad se invierte en comparacion con el funcionamiento sin reflector.

c

Ejercicio 6.6.10 Comprobacion de botellas

La distancia de conmutacion nominal de un sensor de proximidad inductivo es 8 mm (para acero dulce). Para aluminio, la distancia se reduce a 4 mm. debi-do a las variaciones de altura h, no puede considerarse una buena solution el sensor de proximidad inductivo. Los tapones pueden detectarse por medio de un sensor optico de reflexion directa, donde la sensibilidad del sensor puede ajustarse de tal forma que no reaccione a los cuellos de las botellas. Es un requerimiento esencial que la posicion de las botellas en la cinta transportado-ra permanezca siempre dentro del margen de deteccion del sensor de proximi-dad.

323



Ejercicio 7.5.1 Distancia mas pequena medible

Los sensores de proximidad ultrasonicos que tienen un solo transductor ultra-sonico, funcionan alternativamente como emisor y como receptor. El transduc-tor ultrasonico crea oscilaciones por medio de una tension alterna que emite ondas ultrasonicas. Si se desconecta la tension, la oscilacion del transductor desaparece exponencialmente. El transductor debe parar de oscilar antes de que pueda recibirse la senal reflejada. El tiempo final de oscilacion depende del tamano del transductor. Esto no sucede en ejecuciones que tienen el emi-sor y el receptor separados.

Sin embargo, ninguno de los dos tipos de sensor de proximidad deberia utili-zarse para detectar objetos a pequenas distancias por otra razon. Por su pro-pio diseno, la emision ultrasonica de estos sensores de proximidad produce lobulos secundarios en las zonas cercanas a la zona principal de emision. Si se aproxima lateralmente un objeto dentro del campo cercano, la deteccion se vuelve muy irregular, de forma que no es posible predecir la respuesta.

Zona cercana Zona lejana

Fig. 7.1: Caracterfsticas de la emision del sonido en un sensor de proximidad ultrasonico

324


Ejercicio 7.5.2 Deflexion de ondas de sonido ultrasonicas

Dado que se aplica el mismo principio para las ondas ultrasonicas que para 3s rayos de luz, es decir, el angulo de incidencia es igual al angulo de refle-« :n. es posible la deflexion de las ondas ultrasonicas en 90°.

E reflector debe ajustarse cuidadosamente. Ya que la deflexion causa disipa-: o r deberia evitarse la deflexion multiple.

Ejercicio 7.5.3 Detection de cajas en una cinta transportadora

El dispositivo utilizado (margen de 20 a 200 cm) se ajusta de tal forma que no zetecte el fondo de una caja vacia. De esta forma, se genera una senal cuan-do pasa una caja llena. La senal es independiente de la altura de la caja o del - .el de llenado. La presencia de la caja es senalizada por medio de otro sensor (p. ej. de retroreflexion) que emite una corta serial cuando el cono de sonido esta centrado sobre la caja.

325

® I T Soluciones a los ejercicios Festo Didactic

Soluciones a los ejercicios del Capitulo 8

Ejercicio 8.7.1 Margen de los sensores de barrera de aire

Los componentes a detectar tienen un ancho de 90 mm. De la curva caracte-rfstica de los sensores de barrera Festo SFL-100, puede verse que la senal de presion de 0,7 mbar se alcanza aplicando al emisor una presion de 0,2 bar a una distancia de 100 mm. Si la presion se incrementa a 0,5 bar se obtiene una presion de cerca de 3 mbar bajo identicas condiciones. Esta serial de salida puede amplificarse con ayuda de los correspondientes amplificadores. Una ba-rera de aire es adecuada para la deteccion de estas piezas.

pt = 0.1 bar = Const, pe 1 = 0.1 bar pe g = 0.2 bar

~~I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I— 20 40 60 80 100 120 mm 160

Distancia s

Fig. 8.1: Curvas caracterfsticas de la barrera de aire Festo SFL-100

326


Ejercicio 8.7.2 Verificacion de tapas por medio de un sensor reflex

curva caracteristica de un sensor reflex especifica valores que se refieren a . - a presion de alimentacion de 150 mbar. Un posible valor para la distancia entre el sensor y la tapa es de 2...4 mm. En esta distancia, se produce una senal de 3...4 mbar. Esta senal de salida puede amplificarse con ayuda de los zcrespondientes amplificadores.

10 mbar

8 7 6 5 4 3 2 1

0 - 1

-2

RML-

\ \ £ m m 7

Distancia axial s al sensor reflex

70 l/min

6 0

50

40

TO <U "o O E 3 w c o O

30

2 0

10

RM

pA

/ /

/ /

0,2 0,4 0,6 0,8bar1,0 Presion de alimentacion p

-~g. 8.2: Curvas caracteristicas del sensor reflex Festo RML-5

- jna presion de 150 mbar, el consumo de aire del sensor es aproximada-mente de unos 15 l/min.

327

hdice Festo Didactic

Indice

329

Indice Festo Didactic

A Actuadores 32 Alcances de los sensores de proximidad neumaticos 151 Alimentacion de corriente 186

B Barreras de aire 154 Barreras de luz, dinamicas 302

de rayo de luz 101 Laser 293 retrorreflexion 106

C Cables de fibra optica 232

de fibra de vidrio 124,234 de polfmero 124,234

Caracterfsticas de la respuesta, sensores de proximidad magnetico-inductivos 56 sensores de proximidad reed 47

Chorro deflector 155 Circuito resonante, LC- 53, 64, 190, 192 Circuito resonante, RC 80, 202 Circuitos de proteccion, finales de carrera electrico-mecanicos 35 Circuitos de proteccion, sensores de proximidad reed 49 Clases de proteccion 264 Codigo de colores (abreviado para ingenierfa electrica) 266 Conductividad 196 Conexion de controles, reles y elementos de indication 185 Conexion en paralelo de sensores de proximidad 179, 180 Conexion en serie de sensores de proximidad 179, 182 Contactos normalmente abiertos 170, 176, 178 Contactos normalmente cerrados 170, 176, 178 Corrientes parasitas 190 Criterios de election de un sensor 163 Curvas caracterfsticas de los sensores de proximidad neumaticos 236 Curvas de respuesta, sensores de reflexion directa 113

D Designation de las conexiones 170 Diodos emisores de luz (LEDs) 92, 228 Disipacion de potencia 197 Distancia de deteccion, sensores de proximidad inductivos 66, 196

sensores de proximidad capacitivos 81

E Efecto Hall 54, 228

periferico 198 magnetorresistivo 54, 209 Wiegand 54,210

Ejecuciones (de sensores de proximidad) 268 Elementos de un sensor 13 Elimination del fondo 116

330


Esquema de bloques para: sensores de proximidad inductivos 64 sensores de proximidad capacitivos 80 sensores de proximidad opticos 93 sensores de proximidad reed 46 sensores de proximidad ultrasonicos 138

Estandares 262 Etapa de disparo 195

F -actores de correccion, sensores de reflexion directa 115 Factores de reduction,

sensores de proximidad inductivos 66 sensores de proximidad capacitivos 82

Ferrosensores 209 Finales de carrera, electromecanicos 30 =inales de carrera, mecanico-neumaticos 39 Fotodiodos 230 Funcion de retorno en vaci'o 23, 281

H Hilo Wiegand 54

I Influencias electromagneticas 184 Interruptores de cilindros 51 Interruptores NAMUR 276

L Luz infrarroja 92

visible 223

M Magnetismo 203

Dia- 198 Electro- 203,205 Ferro- 198 Para- 198 permanente 203

Margen de conmutacion, sensores de proximidad reed 47, 206 Margen de respuesta,

sensores de barrera 103 sensores de retrorreflexion 108 sensores de barrera con cables de fibra optica 122 sensores de proximidad magnetico-inductivos 55

Materiales de los contactos 31 Metodo de deteccion

por luz 94 por oscuridad 94

331

Montaje de sensores de proximidad 70 enrasado 70 no-enrasado 7 1

O Oscilaciones electricas 191 Oscilador 53, 64, 190

P Polarization 294 Prevention de accidentes 105, 299 Profundidad de penetracion (campo magnetico) 199

R Rebote de los contactos 30, 205 Reflexion 225

total 227 Refraction 226 Reserva de funcionamiento 96

S Salida

NPN 175 PNP 177

Sensor 12 Sensor de reflexion directa 111 Sensores analogicos 16 Sensores binarios 16 Sensores de proximidad 17

autocontrolados 282 capacitivos 79,200 Hall 54 inductivos 63,190 inductivos, a prueba de campos magneticos 279 inductivos, variantes 274 magnetico-neumaticos 58 magneticos sin contacto 53 magnetorresistivos 54 neumaticos 149 neumaticos reflex 153 opticos 91 opticos, con cables de fibra optica 121 opticos, variantes 290 reed 44 ultrasonicos 137 Wiegan 54

Sensores magnetorresistivos 209 Sensores por obturation de fuga 152 Sensores ultrasonicos, caracterfsticas de la emision 222 Sensores,

de marcas impresas 296 luminiscentes 297 de barrera en angulo 298

Senales de salida 14

332


S nbolos para circuitos 242 Sistema multisensor 13 Ststema sensor 13

T ~ecnologi'a de tres hilos 172

de cuatro y cinco hilos 173 de dos hilos 170

Tensiones de funcionamiento 20

U Ultrasonido 139, 211

atenuacion 218 generacion 215

V Velocidad de la luz 224 Velocidad del sonido 212

Ejercicios

Ejercicio 2.3.1: Circuitos de proteccion para los finales de carrera

electromecanicos 42

Ejercicio 2.3.2: Conexion de potencias electricas muy bajas 42

Ejercicio 3.4.1: Velocidad maxima de paso del embolo de un cilindro

frente a un sensor de proximidad reed 60

Ejercicio 3.4.2: Conexion electrica de un sensor de proximidad reed 61

Ejercicio 3.4.3: Resolution de un sensor de proximidad reed 61

Ejercicio 4.5.1: Aplicacion de un sensor de proximidad inductivo 77

Ejercicio 4.5.2: Deteccion de rodillos de acero vibrantes 77

Ejercicio 5.5.1: Nivel de llenado en un silo de grano 90

Ejercicio 5.5.2: Efectos ambientales en los sensores de proximidad

capacitivos 90

Ejercicio 5.5.3: Deteccion de cajas de carton 90

Ejercicio 5.5.4: Deteccion de una mirilla transparente 90

333

Ejercicio 6.6.1: Efectos ambientales en los sensores de

proximidad opticos 131

Ejercicio 6.6.2: Selection de sensores de proximidad opticos 131

Ejercicio 6.6.3: Fiabilidad de funcionamiento de los sensores

de proximidad opticos 131

Ejercicio 6.6.4: Deteccion de acero pulido 131

Ejercicio 6.6.5: Conexion electrica de sensores de proximidad 131

Ejercicio 6.6.6: Medicion del nivel de llenado por medio

de sensores de proximidad opticos 132

Ejercicio 6.6.7: Deteccion de piezas 133

Ejercicio 6.6.8: Utilizacion de sensores de proximidad en tuneles de lavado de automoviles 134 Ejercicio 6.6.9: Utilizacion de sensores de proximidad con cables

de fibra optica 135

Ejercicio 6.6.10: Comprobacion de botellas 136

Ejercicio 7.5.1: Distancia mas pequena medible 148

Ejercicio 7.5.2: Deflexion de ondas de sonido ultrasonicas 148

Ejercicio 7.5.3: Deteccion de cajas en una cinta transportadora 148

Ejercicio 8.7.1: Margen de los sensores de barrera de aire 161

Ejercicio 8.7.2: Verificacion de tapas por medio de un sensor reflex 161

334

E1 vertig^oso desarrollo automatizacion, exigc cada vez mas la ilizac," 3 sensore - de proxlmidac' en los procesos industries.

Este de +exto oroporchna conocimientos sobre sensoies de proxim aad y sus campos de aplicacion. Se presentan con ootalle los tipos de sensores de proximidad mas frecuen+ernente utilizados Mediante eiemplos y ejercicios practico- se profundiza en lo -prend; Jo. Los t , . : c'cios y sus s c ' o n e s sc, o. si mismo, :_ na coleccion do

ojenpi- . practice

Adp~ :- -- . se presenter! sritenos oe aplicacion y se dan inoicjcicnes para conex,onadu.

£n el apartado "cundamentos v su posterior analisia" se ofrece ur conocimiento mss profundo sobre las bases teoricaade ios sensores.

IS Af, 27-3045-6 Nc de 'culo 093 047

Sensores para la técnica de procesos y manipulación

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