Velocidad del sonido

La velocidad del sonido es la velocidad de propagación de las ondas sonoras. En la atmósfera terrestre es de 343 m/s (a 20 °C de temperatura). La velocidad del sonido varía en función del medio en el que se trasmite.

La velocidad de propagación de la onda sonora depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda o de la fuerza que la genera. Su propagación en un medio puede servir para estudiar algunas propiedades de dicho medio de transmisión.

Medios de propagación

La velocidad del sonido varía dependiendo del medio a través del cual viajen las ondas sonoras.

La definición termodinámica de la velocidad del sonido, para cualquier medio, es a²=(dp/dρ)s es decir la derivada parcial de la presión con respecto de la densidad a entropía constante.

La velocidad del sonido varía también ante los cambios de temperatura del medio. Esto se debe a que un aumento de la temperatura se traduce en un aumento de la frecuencia con que se producen las interacciones entre las partículas que transportan la vibración, y este aumento de actividad hace aumentar la velocidad.

Por ejemplo, sobre una superficie nevada el sonido es capaz de desplazarse atravesando grandes distancias. Esto es posible gracias a las refracciones producidas bajo la nieve, que no es un medio uniforme. Cada capa de nieve tiene una temperatura diferente. Las más profundas, donde no llega el sol, están más frías que las superficiales. En estas capas más frías próximas al suelo, el sonido se propaga con menor velocidad.

En general, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos es mayor que en los gases. Esto se debe al mayor grado de cohesión que tienen los enlaces atómicos o moleculares conforme más sólida es la materia.

La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20 °C) es de 343 m/s. Si deseamos obtener la equivalencia en kilómetros por hora podemos determinarla mediante la siguiente conversión física:

Velocidad del sonido en el aire en km/h = (343 m / 1 s) · (3600 s / 1 h) · (1 km / 1000 m) = 1.234,8 km/h.

En el aire, a 0 °C, el sonido viaja a una velocidad de 331,5 m/s y si sube en 1 °C la temperatura, la velocidad del sonido aumenta en 0,6 m/s.

En el agua (a 25 °C) es de 1.493 m/s.

En la madera es de 3.900 m/s.

En el hormigón es de 4.000 m/s.

En el acero es de 5.100 m/s.

En el aluminio es de 6.400 m/s.

Velocidad del sonido en los gases

En los gases la ecuación de la velocidad del sonido es la siguiente:

Siendo γ el coeficiente de dilatación adiabática, R la constante universal de los gases, T la temperatura en kelvin aguas arriba de la perturbación y M la masa molar del gas. Los valores típicos para la atmósfera estándar a nivel del mar son los siguientes:

γ = 1,4R = 8,314 J/mol·K = 8,314 kg·m2/mol·K.s2

T = 293,15 K (20 °C)M = 29 g/mol para el aire

Velocidad del sonido en los sólidos

En sólidos la velocidad del sonido está dada por:

donde E es el módulo de Young y ρ es la densidad. De esta manera se puede calcular la velocidad del sonido para el acero, que es aproximadamente de 5.148 m/s.

Velocidad del sonido en los líquidos

La velocidad del sonido en el agua es de interés para realizar mapas del fondo del océano. En agua salada, el sonido viaja a aproximadamente 1.500 m/s y en agua dulce a 1.435 m/s. Estas velocidades varían principalmente según la presión, temperatura y salinidad.

La velocidad del sonido (v) es igual a la raíz cuadrada del Módulo de compresibilidad (K) entre densidad (ρ).

Sensores ultrasónicos.

En todos los sectores de la industria en los que los factores medioambientales como el polvo, el humo o el vapor tengan influencia sobre los sensores, los sensores ultrasónicos representan la solución ideal para la medición sin contacto de posición y distancia. Los objetos de los más diversos materiales pueden ser detectados independientemente de su forma y color con una presición de milímetros. Especialmente en los sectores industriales de los muebles y la madera, los materiales de construcción, pero también en maquinaria agrícola, de construcción o en aplicaciones de detección del nivel de llenado, los sensores ultrasónicos han demostrado una y otra vez su fiabilidad y presición. Pero la tecnología de ultrasonidos no sólo es la primera elección en aplicaciones meramente industriales. Los sensores ultrasónicos muestran también tienen su importancia en la técnica de envase y embalaje, donde hay que reconocer los más diversos objetos, desde pequeños hasta grandes, desde transparentes a diferentes colores.

¿Como funciona un sensor de distancia ultrasónico?

Un sensor ultrasónico de distancia mide empleando un transductor que emite “paquetes” de ultrasonido que contienen una serie de ondas sonoras intermitentes. El paquete se emite en forma cónica, se rebota o refleja en la superficie objetivo y se recibe e regreso en un transductor. El tiempo requerido por el sonido para ir y volver se mide y se convierte a unidades de distancia. Varios factores afectan la medición con ultrasonido: la naturaleza de la superficie, el ángulo del cono y la distancia el sensor objetivo. La condiciones ambientales como son temperatura, humedad relativa, gases, vapores y la presión también afectan.

Los sensores están diseñados con ajustes ya sean manuales o automáticos para compensar la mayoría de estas condiciones cambiantes. Las siguientes consideraciones aseguran la correcta selección de condiciones de operación:.SuperficieLa superficie-objetivo ideal es dura y lisa. Esta reflejará una mayorcantidad de señal que una superficie suave y rugosa. Un eco débil,resultante de un objetivo pequeño o suave reduce la distancia deoperación del sensor y disminuye su exactitud.

DistanciaMientras más corta sea la distancia al objetivo, será más fuerte el eco.De modo que si la distancia aumenta requerimos mejores característicasreflejantes en la superficie objetivo.

TamañoUn objetivo grande tendrá mayor superficie para rebotar la señal queun objetivo pequeño. La porción de superficie reconocida como“objetivo” es normalmente la más cercana al sensor.

ÁnguloLa inclinación de la superficie objetivo afecta la reflectividad. La parte que sea perpendicular (90°) al sensor es la rebota el eco. Si la superficie total está inclinada fuertemente la señal será rebotada alejándola del sensor y no detectará eco.

¿Como se proyecta el paquete ultrasónico?

El patrón del haz producido por el sensor se expresa en número de grados que el haz se separa de la línea central del sensor. El haz se desparrama con un patrón cónico a partir del transductor y aunque el haz ultrasónico continúa desparramándose, el área de detección del sensor empieza a acortarse

respecto al rango de operación publicado. El área de censado se ve afectada por el número de pulsos enviado por el sensor y por el nivel de sensibilidad. A nivel alto de pulsos y sensibilidad, mayor superficie que a niveles bajos.

Los dibujos ilustran estos principios.

Calcular el área en que se desparrama el haz ultrasónicoempleando una simple fórmula de trigonometría:a = b * tanADonde a = b desviación del eje del sensorb = distanciaA = ángulo de separación del haz ultrasónicoTangentes de ángulos popularesentre los sensores ultrasónicos:7° = 0.122788° = 0.140549° = 0.15838Idealmente el área del objetivo debe exceder el diámetro dehaz desparramado a la distancia del rango de censadorequerido.

Los sensores ultrasónicos en los sistemas de seguridad

Los sensores ultrasónicos suelen utilizarse principalmente parta los sistemas de seguridad que se encargan de la detección de intrusos en la distancia, de esta manera estos sensores trabajan enviando una onda de sonido hacia el lugar en el cual se encuentra el supuesto intruso y en el caso de que la misma rebote y que los sensores ultrasónicos reciban el eco de vuelta, entornes las alarmas se dispararan enseguida, dándonos el tiempo suficiente para que llamemos a la policía. Los sensores ultrasónicos son exactamente lo mismo que los sensores de ultrasonido, es decir que funcionan con el mismo mecanismo del oído de murciélago.

Quizás la diferencia que podemos encontrar entre ambos sistemas es que los sensores ultrasónicos son mucho más avanzados que los otros, ya que tienen una precisión muy buena y una de las ventajas es que saben diferenciar entre los ecos falsos y los verdaderos, de esta manera el sistema no comete ningún tipo de error.

La función principal de los sensores ultrasónicos es que los mismos deben detectar un intruso al menos a 7 metros de la puerta de entrada, cuando el sistema está activado.

Y también debemos decir que la mayoría de las veces este tipo de sensores ultrasónicos suele también tener una función infrarrojas, es decir que detecta a los intrusos aunque la noche sea muy oscura. Al mismo tiempo desebemos decir que muchos modelos de sensores ultrasónicos nos dan la posibilidad de utilizar las diferentes funciones que los mismos tienen, ya que muchos de ellos también poseen una funcione láser que hace que las alarmas se disparen en el momento que alguien cruza la línea de luz, la cual es invisible, lo que seria la trampa perfecta para cualquier ladrón.

Lo que debemos saber sobre los sensores ultrasónicos.

Sin lugar a dudas cuando hablamos de sensores ultrasónicos estamos hablando de una tecnología de avanzada la cual muchas veces parece salida de una película, pero lo cierto es que teniendo en cuenta que a medida que va pasando el tiempo, los sensores ultrasónicos van avanzando cada vez más, brindándonos un servicio cada vez mejor. No obstante es importante que mencionemos que la instalación de los sensores ultrasónicos no es para nada sencilla ya que estamos hablando de un dispositivo muy avanzado y muy sensible y cualquier manipulación brusca que hagamos puede llegar a interferir con el sistema del mismo, por eso lo más indicado es que dejemos que quienes saben del tema realicen toda la instalación para evitar tener inconvenientes con los sensores recién adquiridos.

Al mismo tiempo debemos tener en cuenta el hecho de que los sensores funcionan con todo un sistema que ira conectado a las alarmas, por eso decimos que aquí es precisamente la parte en la cual se complica más, ya que se debe ser muy preciso en la instalación para lograr que el sistema en si funcione como debe de los contrario, si se llega a cometer algún tipo de error debemos decir que el sistema no funcionará y a menos de que realcen toda la instalación nuevamente, será una inversión en vano.

Sensores en el automóvil.

Sensores de posición (recorrido/posición angular)

Sensores ultrasónicos

AplicaciónLos sensores ultrasónicos se utilizan para averiguar las distancias a que se encuentran posibles obstáculos y para vigilar un espacio;

están integrados en los parachoques de vehículos p. ej. para facilitarentrada y salida de aparcamientos y las maniobras de estacionamiento. El gran ángulo de abertura que se obtiene con el empleo de varios sensores (cuatro en la parte trasera y de cuatro a seis en la parte delantera) permite determinar con ayuda de la "triangulación" la distancia y el ángulo en relación con un obstáculo. El alcance de detección de un sistema de tal clase cubre una distancia de aprox. 0,25 a 1,5 m.

EstructuraUn sensor se compone de una caja de plástico con conexión por enchufe integrada, un convertidor de ultrasonidos (membrana de aluminio en cuyo lado interior hay pegada una pastilla piezoceramica) y una placa de circuitos impresos con electrónica de emisión y evaluación (figura inferior). Dos de las tres líneas eléctricas de conexión a la unidad de control sirven para la alimentación de tensión. Por la tercera línea, bidireccional, se conecta la función emisora y se transmite la señal de recepción evaluada de vuelta a la unidad de control (conexión de colector abierto de alto potencial de reposo).

FuncionamientoEl sensor ultrasónico funciona según el principio "impulso-eco" en combinación con la "triangulación". Cuando recibe de la unidad de control un impulso digital de emisión, el circuito electrónico excita la membrana de aluminio mediante impulsos rectangulares dentro de la frecuencia de resonancia para generar vibraciones típicas de aprox. 300 µs, emitiéndose entonces ondas ultrasónicas: la onda sonora reflejada por el obstáculo hace vibrar a su vez la membrana, que entretanto se había estabilizado (durante el período de extinción de aprox. 900 µs no es posible ninguna recepción). La piezocerámica convierte estas vibraciones en una señal eléctrica analógica, que la electrónica del sensor amplifica y transforma en una señal digital (figura inferior). El sensor tiene prioridad frente a la unidad de control y, al detectar una señal de eco, conmuta la conexión de la señal a "bajo potencial" (<0,5 V). Si se encuentra una señal de eco en la línea, no se puede procesar la señal de emisión. Cuando la tensión se vuelve inferior al umbral de conmutación de 1,5 V en la línea de señales, la unidad de control incita al sensor a que realice la emisión.A fin de poder cubrir una zona lo más extensa posible, el ángulo de detección es grande en el plano horizontal. En el plano vertical, por el contrario, es necesario que el ángulo sea pequeño, para evitar reflexiones perturbadoras procedentes del suelo.

La distancia "a" que hay hasta el primer obstáculo más cercano se calcula a partir del tiempo de propagación del primer impulso de eco llegado y de la velocidad del sonido.

Un ejemplo: actual de utilización son los sensores de aparcamientode, Estos son unos sensores de ultrasonidos de un diámetro de 19mm.. Los sensores de tercera generación utilizan la más avanzada tecnología de sensibilidad asimétrica.. El micro sensor tiene una capacidad de detección muy amplia, abarcando un ángulo de 160ª horizontalmente y 60º verticalmente. Esta avanzada tecnología aumenta la capacidad de detección en un 100%

comparado con otros sistemas convencionales. El minúsculo tamaño de los sensores, permite la instalación en todos los coches, ya que pueden ser pintados con spray para conservar la imagen original del vehículo. Este dispositivo consta, de dos o cuatro sensores de ultrasonidos, a elección del cliente, que son instalados en el parachoques trasero. El sistema únicamente se activará cuando este activada la marcha atrás, indicado por un suave sonido. La frecuencia del tono indicara al conductor de la cercanía de algún objeto, y la distancia hasta el vehículo.

 

Sensores electromagnéticos (radar)

El radar lo consideramos como un sensor, pues mide la distancia, la velocidad relativa y la posición lateral de los vehículos que marchan delante. Para ello el radar (Radiation Detecting and Ranging) emite paquetes de ondas milimétricas.

Para su empleo en la circulación por las principales marcas de automóviles se ha autorizado la banda de frecuencias de 76...77 GHz (longitud de onda = 4 mm). Los paquetes de ondas emitidos son reflejados por las superficies de metal o material de alta dielectricidad y son detectados de nuevo por el módulo receptor del radar. La duración y/o frecuencia de las señales recibidas es comparada con la de las señales emitidas. A fin de que la comparación pueda ser utilizada para las interpretaciones deseadas, el paquete de ondas que ha de ser emitido es conformado en función del transcurso frecuencia-tiempo (modulación). Los modos más conocidos son la modulación de impulsos, en la que se forman impulsos de una dimensión de 10...30 ns (lo que corresponde a una longitud de 3...10 m), y la modulación de frecuencia, que en el momento de la emisión varía la frecuencia (momentánea) de las ondas en función del tiempo.

La señal recibida ha de ser demodulada para que pueda suministrar la información deseada. Si se trata de una señal de modulación de impulsos, se mide el tiempo transcurrido y entre la emisión y la recepción puede ser determinada a partir de esta diferencia de tiempo y en relación con la velocidad de la luz "c" (aproximadamente 300.000 km/s):

d = t . c/2

El divisor 2 tiene en cuenta el recorrido de ida y vuelta de la señal (ejemplo: t = 1 µs corresponde a una distancia de d = 150 m}.

Si se trata de la modulación de frecuencia, la variación de la frecuencia tiene lugar durante la emisión. En caso de variación lineal, la señal de impacto retardada en función del tiempo de recorrido presenta, en comparación con la señal actual emitida, una diferencia de frecuencia que es proporcional a la distancia (para 100 MHz/ms y una distancia d = 150 m, la deferencia de frecuencia obtenida es de 100 kHz). Si bien la velocidad relativa del objeto de medición se puede determinar a partir de mediciones sucesivas de la distancia, este parámetro se puede medir con una fiabilidad y precisión considerablemente mayores utilizando el efecto Doppler.

En caso de un acercamiento aumenta la frecuencia de las ondas recibidas en 510 Hz por m/s de velocidad relativa (a 76 GHz).

La posición lateral del objeto del radar constituye la tercera dimensión de base buscada. Esta sólo puede ser determinada si el haz del radar es dirigido en diferentes direcciones; partiendo de la intensidad de la señal, se determina la dirección que ofrece la reflexión más fuerte. Para ello es necesario un rápido barrido ("scanear") mediante un haz o una configuración multihaz. Con varias antenas.

EstructuraLa frecuencia de trabajo de 76 GHz (longitud de onda de aprox. 3,8 mm) hace posible una construcción compacta, requerida para el empleo en vehículos. Un oscilador Gunn (diodo Gunn dentro de una caja ecoica) alimenta en paralelo tres antenas patch dispuestas en yuxtaposición, que sirven al mismo tiempo para la recepción de las señales reflejadas (figura inferior). Una lente de plástico colocada delante (lente de Fresnel) concentra el haz de rayos de emisión dentro de una ventana angular de ±5° en el plano horizontal y de ±1,5° en el vertical, referida al eje del vehículo. Por el desplazamiento lateral de las antenas, la característica de recepción de éstas (ancho de 6-dB : 4°) señala en diferentes direcciones. Además de la distancia de los vehículos que marchan delante y de su velocidad relativa, se puede averiguar de ese modo también la dirección en la que son detectados. Unos acopladores direccionales separan las señales emitidas de las señales recibidas. Tres mezcladores posconectados transponen la frecuencia de recepción en bajas frecuencias casi hasta el cero (0...300 kHz), mediante su mezcla con la frecuencia de emisión. Las señales de baja frecuencia son digitalizadas para su ulterior evaluación y sometidas a un rápido análisis de Fourier para determinar la frecuencia.

La frecuencia del oscilador Gunn se compara continuamente con la de un oscilador estable de referencia DRO (Dielectric Resonance Oscillator), siendo regulada a un valor teórico prefijado. A la vez se varía la tensión de alimentación del diodo Gunn, hasta que corresponde de nuevo al valor teórico. Para la medición, a través de este bucle de regulación se aumenta y reduce brevemente la frecuencia del oscilador Gunn cada 100 ms alrededor de 300 MHz en forma de dientes de sierra (FMCW Frequency Modulated Continuous Wave). La señal reflejada en un vehículo que marcha delante sufre un retardo relacionado con el tiempo de propagación de la onda (que se traduce en una disminución de la frecuencia en el flanco ascendente y un aumento igual de la frecuencia en el flanco descendente).La diferencia de frecuencia es directamente proporcional a la distancia (p. ej. 2 kHz/m). Si los dos vehículos señalados no marchan a la misma velocidad, la frecuencia de recepción aumenta entonces por razón del efecto Doppler, tanto en el flanco ascendente como en el descendente.

 

Regulador inteligente de velocidad de marcha ACC (Adaptive Cruise Control)Claro que este radar regulador de la distancia es mucho más que sólo un sensor. Pues además de determinar la distancia, la velocidad relativa y la posición lateral de vehículos que marchan delante, este aparato que los ingenieros constructores SCU (Sensor & Control Unit), o sea, unidad sensible y de control, realiza un procesamiento subsiguiente muy complejo que termina con instrucciones de regulación para el motor y los frenos (figura inferior). Las funciones de este aparato exceden a una simple regulación de la distancia y se extienden a una regulación inteligente de la velocidad de marcha ACC (Adaptive Cruise Control),

Una de las funciones de base es en primer lugar la regulación convencional de la velocidad de marcha, con la que se mantiene constante, una vez ajustada, la velocidad de marcha deseada. Esta función permanece activa mientras no se detecte ningún vehículo precedente cuya velocidad sea inferior a la velocidad deseada ajustada por el conductor. Pero cuando en la zona de detección del radar (aprox. 100 a 150 m) se descubre un vehículo que impide seguir la marcha con la velocidad deseada, ésta adapta entonces a la velocidad del vehículo que precede. Si las diferencias de velocidad son ligeras, ello se puede realizar simplemente reduciendo la admisión de gas; si las diferencias son de mayor importancia, se hace necesaria una intervención en los frenos.Una vez se ha compensado la velocidad, el vehículo equipado con ACC sigue al vehículo precedente con un intervalo de tiempo ampliamente constante, es decir, con una distancia que aumenta también la velocidad.La dificultad técnica mayor para el procesamiento de las señales dentro de la ACC-SCU la depara la elección del vehículo objetivo "correcto". Se trata en primer lugar de reconocer, entre las muchas reflexiones del radar, aquéllas que proceden de los vehículos precedentes ya detectados. Luego hay que apreciar si esos vehículos marchan realmente en el mismo carril (lo que particularmente antes de las curvas y durante ellas no es fácil de evaluar, si bien los sensores del sistema de control electrónico de la estabilidad ESP para la regulación de la dinámica de marcha suministran importantes magnitudes comparativas).

Sensores capacitivos.

¿Qué es la capacitancia?

Un condensador es un dispositivo formado por dos conductores eléctricos separados por un medio no conductivo (o de muy alta resistencia). Supongamos que disponemos dos placas metálicas de area A separadas por una distancia D.

 

Si se rellena el espacio entre las placas con un medio conductor (agua, ácido, etc...) y cerramos el interruptor S se establecerá una corriente cuya intensidad nos viene dada por la ley de Ohm.

I = V / R

Siendo V la tensión aplicada y R la resistencia eléctrica entre las placas. Si el espacio es un no-conductor, no se producirá corriente pero si existirá una tensión entre las placas, y una presencia de cargas que provocarán un campo eléctrico en el espacio mencionado. Evidentemente, cuando mayor superficie tengan las placas más cargas eléctricas existirán y cuando menor sea la distancia D más fuerte será la atracción eléctrica entre las placas.

Si ahora revertimos la polaridad de la batería, la placa positiva pasará a ser la negativa y viceversa. Para que se produzca este cambio de polaridad, los electrones tienen que fluir, es decir, se produce una corriente eléctrica. 

Si sustituyéramos la batería por una fuente de corriente alterna, la polaridad cambiará cada medio ciclo y por tanto habrá flujo de electrones (intensidad eléctrica) permanente.  Por consiguiente, un condensador no permitirá el paso de corriente continua (CC) pero si el de corriente alterna (CA). El valor de la intensidad dependerá de la tensión aplicada, de la capacidad de las placas para almacenar cargas y de la distancia D (que determinan el campo eléctrico) y del material situado entre las placas.

La intensidad a través de un condensador con una tensión alterna aplicada es directamente proporcional a la superficie A y a la frecuencia F de la tensión aplicada, e inversamente proporcional a la distancia D.

Las placas, no hace falta decirlo, pueden ser de cualquier forma y tamaño. Una de las placas puede estar a tierra, y de hecho lo está en muchas de las aplicaciones industriales. Mientras que las propiedades de un condensador pueden tener muchas utilidades, el fenómeno de la capacitancia puede ser un engorro en muchos casos también. Se da capacitancia entre las líneas de transmisión de alto voltaje y la tierra de modo que se produce cierta corriente de fuga y por tanto perdida de potencia en las líneas.

Los sensores capacitivos reaccionan frente a materiales metálicos y no metálicos que excedan una determinada capacitancia, cuando estos se aproximan a la superficie activa. La distancia de detección (distancia máxima a la cual el material es detectado) es tanto mayor cuando mayor es la constante dieléctrica del material.

Esto sensores se usan para detectar niveles de líquidos (agua, aceites, acidos, pegamentos) y sólidos (polvos, granulados, terrones) pero también pueden usarse para detectar objetos en procesos de conteo, por ejemplo.

Como ejemplo, se incluyen a continuación dos configuraciones típicas para medición continua del nivel de un tanque, o para detección de niveles mínimo y máximo (alarma por mínimo y por máximo).

Medición continúa del nivel con un sensor capacitivo

Detección de niveles mínimo y máximo con sensores capacitivos (switch).

Cómo podemos usar el fenómeno físico de la capacitancia para fabricar sensores 

En los instrumentos basados en la capacitancia, como los sensores que nos ocupan, obtenemos un uso útil de la misma. Si mantenemos V (tensión) y F (frecuencia) constantes, obteniéndolos de una fuente regulada, tendremos una situación dependiente sólo de KA/D.

Un paso más: si mantenemos dos de estos  parámetros constantes, podremos medir el tercero. De este modo los instrumentos basados en capacitancia podrán medir superficie, distancia o constante dieléctrica.

En la mayoría de las aplicaciones A y D son constantes de modo que detectaremos cualquier cambio en K. En muchos casos, la sonda está en un tanque de acero como el mostrado en la siguiente figura. A es la superficie de la sonda y D es la distancia entre la sonda y la pared del tanque u otra tierra.

 

 

Si el tanque se llena de agua (K=80), desalojará el aire (K=1) de modo que tendremos un drástico cambio de capacitancia que se utilizará, electrónicamente, para activar un Relé o transmitir una señal proporcional a la cantidad de agua en el tanque.

Este tipo de circuitos suele permitir la calibración de modo que se puede disparar el relé a cualquier altura que se desee o medir cualquier intervalo de niveles.

Los sensores capacitivos modernos permiten detectar cambios muy pequeños de modo que productos no conductores con constantes K próximas a 1 (por ejemplo, derivados del petróleo cuyo K está en torno a 1,5) pueden ser medidos. Como decíamos la mayoría de estos circuitos usan la tierra como una de las placas, o lado del condensador, de modo que el lado lineal (la sonda) se "dirige" a la tierra. Cualquier cambio en el medio que modifique la constante K afectará al instrumento (por ejemplo, una persona caminando cerca del tanque). Entonces, si la sonda no se dirige a una tierra fija y estable (por ejemplo, un tanque de acero) sino a un tanque de fibra de vidrio no conectado a tierra entonces es conveniente situar una barra conectada a tierra.

Sensor capacitivo de proximidad en detalle

Los sensores de proximidad capacitivos han sido diseñados para trabajar generando un campo electrostático y detectando cambios en dicho campo a causa de un objeto que se aproxima a la superficie de detección. Los elementos de trabajo del sensor son, a saber, una sonda capacitiva de detección, un oscilador, un rectificador de señal, un circuito de filtraje y el correspondiente circuito de salida. 

En ausencia de objetos, el oscilador se encuentra inactivo. Cuando sea próxima un objeto, éste aumenta lacapacitancia de la sonda de detección. Al superar la capacitancia un umbral predeterminado se activa el oscilador, el cual dispara el circuito de salida para que cambie entre “on” (encendido) y“off” (apagado).

La capacitancia de la sonda de detección viene condicionada por el tamaño del objeto a detectar, por la constante dieléctrica y por la distancia de éste al sensor. A mayor tamaño y mayor constante dieléctrica de un objeto, mayor incremento de capacitancia. A menor distancia entre objeto y sensor, mayor incremento de capacitancia de la sonda por parte del objeto.

Tipos de sensores capacitivos: blindados y no blindados. Características de cada uno.

Los sensores capacitivos tienen diseño blindado o no blindado.

Los sensores blindados tienen una banda metálica alrededor de la sonda. Esto ayuda a dirigir el campo electrostático al frente del sensor y resulta en un campo más concentrado.

La construcción blindada permite la posibilidad de montaje del sensor al ras en piezas de material que los rodean sin que se produzcan falsas detecciones.

Los sensores capacitivos blindados son más adecuados para detectar materiales de baja constante dieléctrica(difíciles de detectar) debido a la alta concentración de campos electrostáticos. Esto les permite detectar objetos que con sensores no blindados sería imposible.

Los sensores no blindados no tienen una banda metálica alrededor de la sonda y por lo tanto tienen menos concentración de campo electrostático. Muchos modelos no blindados están equipados con sondas de compensación, las cuales proporcionan mayor estabilidad al sensor. Las sondas de compensación se describen posteriormente en esta sección.

 Los sensores capacitivos no blindados son también más adecuados que los de tipo blindado para utilizarlos con anclajes de plástico, accesorios diseñados para aplicaciones en la medida del nivel de líquidos. El anclaje se monta por medio de un barrero en el depósito y el sensor se introduce en el receptáculo del anclaje. Este detecta el nivel de líquido en el interior del tanque a través de la pared del anclaje del sensor.

El campo electrostático de un sensor no blindado es de más baja concentración que el correspondiente a losmodelos con blindaje. Esto los hace adecuados para la detección de materiales de alta constante dieléctrica(fáciles de detectar) o también para discriminar entre materiales de alta y baja constante dieléctrica.

Para ciertos materiales, los sensores capacitivos de proximidad no blindados poseen distancias de detección mayores que los blindados. Los modelos no blindados equipados con una sonda de compensaciónpueden ignorar nebulizaciones, polvo, un poco de suciedad y gotas finas de

aceite o vapor de agua condensado en el sensor. La sonda de compensación también aumenta la resistencia del sensor a las variaciones de humedad ambiental.

Ventajas y aplicaciones comunes de los sensores capacitivos

Los sensores capacitivos se encuentran entre los más utilizados en el mundo industrial y en otros sectores, entre otras cosas por sus ventajas:

funcionamiento sin contacto libres, por tanto, de desgaste su tecnología permite una construcción muy robusta permiten la detección de casi cualquier tipo de material insensibles a anomalías

Las aplicaciones típicas son:

vigilancia de nivel de llenado, tanto en líquidos como en sustancias pulverulentas o granulares.

detección y conteo de piezas de metales, plásticos o vidrio comparación de materiales en dieléctricos sólidos

Otra aplicación típica está en la protección de bombas frente a ausencia de fluido impulsado (funcionamiento en vacio, embalamiento) donde una sonda en forma de anillo diseñada para acoplarse en unos rebordes en la entrada de la bomba, detecta presencia o ausencia de líquido. La sonda y la tierra están dentro de este anillo.

Las aplicaciones de la capacitancia a nivel industrial crecen continuamente, limitadas sólo por la imaginación de los técnicos. Son particularmente frecuentes las aplicaciones de detección de proximidad (variable D) así como localización del interfaz que separa dos líquidos diferentes e inmiscibles en todo tipo de recipientes y canalizaciones.

Instalación de serrado de tablones de madera. Se usa un sensor capactivo para detectar la presencia del tablón de madera, y un sensor inductivo para detectar la hoja de sierra (al ser metálico).

Los sensores capacitivos reconocen junto con los objetos metálicos también una gran variedad de otros

materiales. Se utilizan p. ej. Para la supervisión directa del estado del nivel y el control de flujo.

Es importante destacar que las ventajas de estos sensores tienen que ver con el hecho de que los mismos detectan todo tipo de elementos metálicos, a de más de que pueden “ver” a través de algunos materiales y disponen de muchas configuraciones de instalación además de tener una vida útil bastante larga. No obstante es importante también destacar que los sensores capacitivos tienen una distancia de detección corta que varía según el material que deba detectar, y al mismo tiempo son extremadamente sensibles a los factores ambientales.

También es importante que los tengamos bajo un cierto control ya que los sensores capacitivos no son selectivos en cuando a los objetos que deben detectar. Generalmente los sensores capacitivos suelen utilizarse mucho en la construcción y desarrollo de los detectores de metales ya que precisamente tienden a ser mucho más precisos con este tipo de materiales y como bien hemos dicho, el hecho de poder tener la posibilidad de detectar a través de ciertos materiales es una gran ventaja en este caso.

Es decir que si por ejemplo, una persona entrara en una empresa con un arma, los sensores capacitivos inmediatamente la detectaría aunque ésta se encuentre oculta entre la ropa y las pertenencias de la persona en cuestión, por eso es que es muy común ver como en los aeropuertos o en los bancos y las joyerías utilizan este tipo de artefactos que se poseen en su sistema sensores capacitivos. Por último queremos agregar que a medida que va pasando el tiempo las empresas que desarrollan este tipo de tecnología van actualizando y adaptando los sensores para que los mismos puedan ser utilizados en más campos de la seguridad, por eso es que es muy común que si estamos interesados en adquirir un sistema de seguridad que posea sensores capacitivos en su funcionamiento, nos ofrezcan de diferentes tipos y capacidades.

Bibliografía:

http://infoindustrial.es/biblioteca/44-sensores-de-nivel/48-sensores-capacitivos?start=5