Detectores industriales

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6cAcquisitincd~cPrsentn : ction Tableau de choix6captuloAdquisicin dedatos: deteccinPresentacin: Funciones y tecnologas en deteccin Tabla de seleccin

6 - Adquisicin dedatos: deteccin

El campo de la adquisicin de datos se divide en dos familias. La primera, conocida comodeteccin, comprendre los productos que pueden detectar un umbral o lmite, o estimar unamagnitud fsica.La segunda medicin o instrumentacin mide una magnitud fsica conun determinado nivel de precisin.

En esta seccin, slo describiremos los sensores y dispositivos de deteccin para mquinas ysus sistemas de automatizacin.

Los sensores diseados para la seguridad en mquinas se tratarn en otro captulo.

Si usted est interesado, existe una densa bibliografia sobre seguridad en mquinas quedescribe todos los dispositivos disponibles en el mercado.

Estos productos tienen tres funciones fundamentales como se ve en la figura 1.

La diversidad de estas funciones obliga a los fabricantes a producir un gran nmero devariantes de producto para cubrir todas las necesidades. Recientes avances en la modulacindel producto permiten a Schneider Electric ofrecer rangos ms reducidos con aplicaciones msverstiles.

6.1 Introduccin

b La deteccin: una funcin esencialLa funcin de "deteccin" es esencial dado que es el primer eslabn de la cadenade transmisin de datos (C Fig. 2) de un proceso industrial.

En un sistema de automatizacin, los detectores aseguran la captura de datos:- en todas las etapas necesarias para el funcionamiento que se utilizan por parte

de los sistemas de control de acuerdo con un programa preestablecido;- en el desarrollo del proceso cuando el programa est ejecutndose.

b Funciones de la deteccinHay un amplio rango de necesidades de deteccin.

Las bsicas son:- controlar la presencia, ausencia o posicin de un objeto,- chequear el movimiento, flujo u obstruccin de objetos,- contaje.

Para ello se utilizan dispositivos "todo o nada", es el caso de las aplicacionestpicas de deteccin de piezas en cadenas de montaje o en manutencin, as comode la deteccin de personas o vehculos.

Hay otras necesidades ms especficas como la deteccin de:- presencia (o nivel) de un gas o fludo,- formas,- posicin (angular, lineal, etc.),- etiquetas, con la lectura y escritura de datos codificados.

Hay otros requerimientos adicionales, especialmente en lo que refiere al ambientede trabajo, donde, dependiendo de la situacin, los detectores deben ser capacesde resistir:

- humedad o inmersin,- corrosin (es el caso de industrias qumicas e instalaciones de agricultura),- grandes variaciones de temperatura (como en regiones tropicales),- polvo (en el aire ambiente o en las mquinas),- e incluso vandalismo, etc.

Para cumplir estos requerimientos, los fabricantes han desarrollado todo tipo dedetectores usando diferentes tecnologas.

b Tecnologas de deteccin Los fabricantes de detectores utilizan diferentes magnitudes fsicas, siendo las msusuales:

- mecnicas (presin, fuerza) para interruptores electromecnicos de posicin,- electromagnticas (campo, fuerza) para sensores magnticos, detectores de

proximidad inductivos,

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A Fig. 1 Funciones de los sensores

A Fig. 2 Cadena de transmisin de datos


- de luz (potencia lumnica o desviacin) para clulas fotoelctricas,- de capacidad para detectores de proximidad capacitivos,- acsticas (tiempo de recorrido de una onda) para detectores por ultrasonidos,- de fludo (presin) para presostatos,- pticas (anlisis de imagen) para la visin.

Estos sistemas tienen ventajas y lmites para cada tipo de sensor: algunos sonrobustos pero necesitan estar en contacto con la pieza a detectar, mientras queotros trabajan en ambientes hostiles pero nicamente con piezas metlicas.

La descripcin de las tecnologas usadas, que se presenta a continuacin, estpensada para ayudar a comprender que se debe de hacer para instalar y utilizar lossensores disponibles en el mercado de los sistemas de automatizacin y delequipamiento industrial.

b Funciones auxiliares de la deteccin Existen algunas funciones desarrolladas para para facilitar el uso de los detectores,uno de los cuales es el autoaprendizaje.

Esta funcin de aprendizaje puede implicar un botn que se presiona para definirel dominio de deteccin del dispositivo, como es el caso de unos rangos mximosy mnimos (precisin de 6mm para detectores por ultrasonidos) y de factoresambientales para detectores fotoelctricos.

6.2 Interruptores electromecnicos de posicin

La deteccin se realiza a travs del contacto fsico (palpador u rgano decontrol) con un objeto mvil o inmvil. Los datos se envian al sistema deprocesado a travs de un contacto elctrico (todo o nada).

Estos dispositivos (rgano de control y contacto elctrico) son conocidos comointerruptores de posicin. Se encuentran en todas las instalaciones automatizadas yen diferentes aplicaciones debido a las numerosas ventajas de su tecnologa.

b Movimientos del detectorEl palpador puede tener diferentes tipos de movimiento (C Fig. 3), por lo que escapaz de detectar mltiples posiciones y adaptarse a los objetos a detectar de unamanera fcil:

- movimiento rectilneo,- movimiento angular,- movimiento multidireccional.

b Modos de funcionamiento de los contactos La oferta de los fabricantes se diferencia por la tecnologa de funcionamiento delcontacto usado.

v Contacto de ruptura bruscaSe caracteriza por un fenmeno de histresis, esto es, los puntos de accionamientoy de desaccionamiento son diferentes (C Fig. 4).

La velocidad de desplazamiento de loscontactos mviles es independiente a lavelocidad del elemento de mando. Estaparticularidad permite obtener rendimientoselctricos satisfactorios an en el caso debajas velocidades de desplazamiento.

Cada vez ms los interruptores de posicin con contacto de ruptura brusca tienenapertura positiva; esto envuelve la apertura del contacto y se define como sigue:

"Un dispositivo cumple este requerimiento cuando se pueden llevar con certezatodos los elementos de sus contactos de apertura a su posicin de apertura, estoes, sin ningn tipo de enlace elstico entre partes mviles y dispositivos de controlsujeto al esfuerzo del funcionamiento."

Todos los interruptores de posicin de Telemecanique, ya sean con contactos deruptura brusca o lenta, son de apertura positiva, de acuerdo con IEC 947-5-1.

El uso en aplicaciones de seguridad requiere dispositivos de apertura positiva.

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A Fig. 3 Movimientos posibles en los sensoresms utilizados

A Fig. 4 Contacto de ruptura brusca


v Contacto de ruptura lenta (C Fig.5)Este modo de funcionamiento se caracteriza por:

- puntos de accionamiento y de desaccionamiento no diferenciados,- velocidad de desplazamiento de loscontactos mviles igual o proporcional

ala velocidad del elemento de mando (que nodebe ser inferior a 0,001 m/s).Por debajo de este valor, los contactos se abren demasiado lentamente, cosaque no es buena dado que existir riesgo de arco elctrico de larga duracin,

- distancia de apertura dependientede la carrera del elemento de mando.

El diseo de estos contactos es por naturaleza en modo de apertura positiva: elpulsador acta directamente sobre los contactos mviles.

6.3 Detectores de proximidad inductivos

El principio fsico de estos detectores se basa en el hecho de que slo funcionanen sustancias metlicas.

b Principio de funcionamientoEl componente sensible es un circuito inductivo (inductancia L). Este circuito estconectado a una capacitancia C para formar un circuito de resonancia a unafrecuencia Fo usualmente comprendida entre 100kHz y 1MHz.

Un circuito electrnico mantiene las oscilaciones del sistema basndose en lasiguiente frmula:

Estas oscilaciones crean un campo magntico alternativo en frente de la bobina.

Una armadura metlica situada dentro del campo permite crear corrientes deFoucault que inducen una carga extra y alteran la oscilacin (C Fig.6).

La presencia de un objeto metlico en frente del detector disminuye el factor decalidad del circuito de resonancia.

Caso 1, sin armadura:

Recordatorio:

Caso 2, con armadura:

La deteccin se realiza a travs de la medida de la variacin del factor de calidad(del 3% al 20% del umbral de deteccin).

La aproximacin de la armadura metlica provoca que el factor de calidad sereduca y, de ese modo, se reduzca tambin la amplitud de oscilacin.

La distancia de deteccin depende del metal a detectar.

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A Fig. 5 Contacto de ruptura lenta

A Fig. 6 Principio de funcionamiento de undetector inductivo


b Descripcin de un detector inductivo (C Fig.7)Transductor: consta de una bobina de cobre de varios hilos (tipo Litz) dentro de unrecipiente ferrtico que dirige las lneas de campo hacia la parte frontal del detector.

Oscilador: existen varios tipos de osciladores, incluyendo el de "resistencia negativa"fija R, igual en valor absoluto a la resistencia paralelo Rp del circuito oscilandodentro del alcance:

- si el objeto a detectar est ms all del alcance nominal, lRpl > l-Rl, laoscilacin se mantiene,

- si el objeto a detectar est dentro del alcance nominal, lRpl < l-Rl, laoscilacin no se mantiene y el oscilador se bloquea.

Fase de dar forma: consiste en un detector de pico monitorizado por uncomparador con dos umbrales (trigger) para prevenir conmutaciones repentinascuando el objeto a detectar se acerca al rango de alcance. Crea lo que se conocecomo histresis del detector (C Fig.7bis).

Fases de entrada y salidia de potencia: alimenta el detector con un amplio rango detensiones (de 10V CC a 264 V CA). La tensin de salida controla cargas de 0,2A CC a0,5A CA, con o sin proteccin contra cortocircuitos.

b Factores que afectan a los dispositivos de deteccin inductivaLos dispositivos de deteccin inductiva pueden ser afectados por determinadosfactores, incluyendo:

- la distancia de deteccin (hay que tener en cuenta que esta distancia depende de la extensin de la superficie de deteccin),- el alcance nominal (en acero templado) varia de 0,8mm (detector 4)

a 60mm (detector 80 x 80); el alcance nominal se designa con Sn,- la histresis, que es la carrera diferencial (del 2% al 10% del valor de

Sn), para prevenir rebotes en la conmutacin,- la frecuencia con la que los objetos pasan por delante del detector, conocida

como conmutacin (lmite mximo de aproximadamente 5kHz).

b Funciones especiales Detectores protegidos contra los campos magnticos generados por mquinas

de soldadura.

Detectores con salida analgica.

Detectores con un factor de correccin de 1* donde la distancia de deteccin esindependiente del metal detectado (frrico o no-frrico).

Detectores para seleccionar metales frricos y no-frricos.

Detectores para controlar la rotacin: estos detectores son sensibles a lafrecuencia de paso de objetos metlicos.

Detectores para atmsferas explosivas (normas NAMUR).*Cuando el objeto a detectar no es de acero, la distancia de deteccin del detector (D) deberaser proporcional al factor de correccin del material de la que el objeto est hecho.

DMaterial X = DAcero x KMaterial XLos tpicos valores de los factores de correccin (KMaterial X) son:- Acero = 1 - Acero inoxidable = 0,7- Latn = 0,4 - Aluminio = 0,3- Cobre = 0,2Ejemplo: DAcero inoxidable = DAcero x 0,7

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A Fig. 7 Esquema de un detector inductivo

A Fig. 7bis Histresis del detector


6.4 Detectores de proximidad capacitivos

Esta tecnologa se emplea para detectar todo tipo de sustancias conductoras yaislantes como vidrio, aceite, madera, plstico, etc.

b Principio de funcionamientoEn este caso, la superficie sensible del detector constituye la armadura de uncondensador.

A esta superfcie se le aplica una tensin senoidal para crear un campo elctricoalternativo en frente del detector.

Dado que esta tensin se referencia con relacin a un potencial de referencia(como es el caso de la tierra), se constituye una segunda armadura con unelectrodo conectado al potencial de referencia.

Los electrodos, uno enfrente del otro, constituyen un condensador de capacidad:

Donde 0 = 8,854187.10-12 F/m persmisividad del vaco y r permisividad relativade la sustancia entre los dos electrodos.

Caso 1: Sin objeto entre electrodos (C Fig.8)

Caso 2: Presencia de un objeto aislante entre electrodos (C Fig.9)

=> (r = 4)En este caso, el electrodo de tierra puede ser, por ejemplo, la cinta metlica de unacinta transportadora.

Cuando r excede de 1 en presencia de un objeto, C se incrementa. La medida del incremento del valor de C se usa para detectar la presencia de unobjeto aislante.

Caso 3: Presencia de un objeto conductor entre electrodos (C Fig.10)

Con r =1 (air) => La presencia de un objeto metlico tambin provoca el aumento del valor de C.

b Tipos de detector capacitivov Detectores capacitivos sin conexin a tierraEstos detectores funcionan de acuerdo con el principio descrito antes.

Una conexin a tierra (potencial de referencia) se requiere para la deteccin.

Se utilizan para detectar sustancias conductoras (metal, agua) a grandesdistancias.

Aplicacin tpica: deteccin de sustancias conductoras a travs de una sustanciaaislante (C Fig.11).

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A Fig. 8 Sin objeto entre electrodos

A Fig. 9 Presencia de un objeto aislante entreelectrodos

A Fig. 10 Presencia de un objeto conductor entreelectrodos

A Fig. 11 Deteccin de agua en un recipiente devidrio o de plstico


v Detectores capacitivos con conexin a tierraNo siempre es posible encontrar una conexin a tierra. Esto es as cuando elrecipiente aislante descrito en la ltima figura tiene que ser detectado.

La solucin pasa por la incorporacin de una conexin a tierra en la superfcie dedeteccin.

Ello crea un campo elctrico independiente de la conexin a tierra (C Fig.12).

Aplicacin tpica: deteccin de todas las sustancias.

Estos dispositivos detectan sustancias aislantes o conductoras detrs de unabarrera aislante, como es el caso de cereales en una caja de cartn.

b Factores que afectan a los dispositivos de deteccin capacitivaLa sensibilidad de los detectores capacitivos, de acuerdo con la ecuacin antesdescrita, depende de la distancia del objeto al sensor y de la sustancia queconforma el objeto.

v Distancia de deteccinEsto est relacionado con la constante dielctrica o la permisividad relativa de lasustancia de la que est formado el objeto.

Para detectar una amplia variedad de sustancias, los sensores capacitivos suelentener un potencimetro para ajustar su sensibilidad.

v SustanciaEn la tabla (C Fig.13) se muestran los valores de las constantes dielctricasde diferentes sustancias.

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Sustancia rAcetona 19.5

Aire 1.000264

Amonaco 15-25

Etanol 24

Harina 2.5-3

Vidrio 3.7-10

Glicerina 47

Mica 5.7-6.7

Papel 1.6-2.6

Nylon 4-5

Petrleo 2-2.2

Barniz de silicona 2.8-3.3

Polipropileno 2-2.2

Porcelana 5-7

Leche en polvo 3.5-4

Sal 6

Azcar 3

Agua 80

Madera seca 2-6

Madera verde 10-30

A Fig. 13 Constantes dielctricas de diferentessustancias

A Fig. 12 Principio de un detector capacitivo con conexin a tierra


6.5 Detectores fotoelctricosLos detectores fotoelctricos funcionan bajo un principio que los hace aptos parala deteccin de cualquier tipo de objeto: opaco, transparente, reflectante, etc. Snadems utilizados para la deteccin de personas (apertura de puertas, etc.).

b Principio de funcionamiento (C Fig.14)Un diodo electroluminiscente (LED) emite pulsaciones luminosas, normalmente enel espectro infrarrojo (de 850 a 950nm).

La luz la recibe (o no) un fotodiodo o un fototransistor dependiendo de si el objeto adetectar est presente (o ausente).

La corriente fotoelctrica creada se amplifica y se compra con un umbral dereferencia para dar una informacin "todo o nada".

b Tipos de detector fotoelctricov De barrera (C Fig.14bis)El emisor y el receptor se sitan en dos aparatos separados.

El emisor, que consta de un LED y de una lente convergente, crea un haz de luzparalelo.

El receptor, que consta de un fotodiodo (o fototransmisor) y de una lenteconvergente, proporciona una corriente proporcional a la energa recibida.

El sistema envia una informacin "todo o nada" en funcin de la presencia oausencia de un objeto en el haz de luz.

Ventaja: la distancia de deteccin puede ser considerable (hasta 50m o ms); ellodepende de las lentes y, por lo tanto, de las dimensiones del detector.

Inconveniente: se requieren dos aparatos separados, lo que implica tambin dosalimentaciones diferenciadas.

La alineacin para distancias superiores a 10m puede ser problemtica.

v RflexExisten dos sistemas Rflex: estndar y polarizado.

Rflex estndar (C Fig.15)El haz de luz normalmente se encuentra en el espectro infrarrojo (de 850 a 950nm).

Ventajas: el emisor y el receptor se encuentran en el mismo aparato (una nicaalimentacin). La distancia de deteccin es considerable, si bien menor que en elcaso anterior (hasta 20m).

Inconveniente: un objeto reflectante (ventana, carrocera de un automvil, etc.)puede ser interpretado como un reflector y no ser detectado.

Rflex polarizado (C Fig.16)El haz de luz normalmente se encuentra en el espectro rojo (660 nm).

La radiacin emitida se polariza verticalmente por un filtro de polarizacin lineal. Elreflector cambia el estado de la polarizacin de la luz, por lo que parte de laradiacin devuelta tiene una componente horizontal. El filtro de polarizacin linealdel receptor deja pasar esta componente y la luz alcanza el receptor.

A diferencia del reflector, un objeto reflectante (espejo, placa metlica, etc.) noaltera el estado de polarizacin por lo que la lutz que refleja no puede puedealcanzar el polarizador del receptor (C Fig.17).

Ventaja: este tipo de detector supera el problema que presenta un detectorfotoelctricto rflex estndar.

Inconvenientes: este detector es ms caro y sus distancias de deteccin son msreducidas que en el caso de un rflex estndar: Rflex estndar -->20mRflex polarizado ---> 8m

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A Fig. 14 Esquema de un detector fotoelctrico

A Fig. 15 Detector fotoelctrico rflexestndar

A Fig. 16 Detector fotoelctrico rflexpolarizado

A Fig. 17 Detector fotoelctrico rflex polarizado:principio de no-deteccin de objetos reflectantes

A Fig. 14bis Detector fotoelctrico de barrera


v De proximidad De proximidad estndar (C Fig.18)Este sistema se basa en la reflexin del objeto a detectar.

Ventaja: no se requiere un reflector.

Inconvenientes: la distancia de deteccin es muy corta (hasta 2m). Adems variacon el color del objeto a detectar y el plano posterior que ste presenta (paraunas condiciones dadas, la distancia es mayor para un objeto blanco y menor paraun objeto gris o negro); un plano posterior ms claro que el objeto a detectarpuede hacer que la deteccin resulte imposible.

De proximidad con borrado del plano posterior (C Fig.19)Este sistema de deteccin utiliza la triangularizacin.

La distancia de deteccin (hasta 2m) no depende de la reflectividad del objeto sinde su posicin, por lo que un objeto claro se detecta a la misma distancia que unobjeto oscuro y un plano posterior ms all de la distancia de deteccin serignorado.

v De fibra ptica Principio de funcionamientoEl principio de propagacin de una onda de luz en la fibra ptica se basa en lareflexin interna total.

La reflexin interna es total cuando un haz de luz pasa de un medio a otro con unndice de refraccin menor. La luz se refleja en su totalidad, como se puede ver en la (C Fig. 20), sin prdidas cuando el ngulo de incidencia del haz esmayor que el ngulo crtico c.La reflexin interna total est determinada, pues, por dos factores: el ndicede refraccin de cada medio y el ngulo crtico.

Estos factores estn relacionados segn la siguiente ecuacin:

Si se conocen los ndices de refraccin de los dos medios, el ngulo crticoresulta, pues, fcil de calcular.

La fsica define el ndice de refraccin de un medio como la relacin entre lavelocidad de la luz en el vaco (c) y su velocidad en el medio en cuestin (v).

El ndice correspondiente al aire se considera igual al del vaco 1, dado que lavelocidad de la luz en el aire es casi igual a la del vaco.

Es una aproximacin que se puede considerar en cualquier caso.

Hay dos tipos de fibra ptica: multimodo y monomodo (C Fig.21)

- Multimodo

Estas fibras tienen un dimetro del corazn (parte que conduce la luz) grande si secompara con la longitud de onda usada ( de 9 a 125 m, Lo = de 0,5 a 1 mm). Dostipos de propagacin son usados en estas fibras: de salto de ndice o de gradientede ndice.

- Monomodo

Por contraste, estas fibras tienen un dimetro muy pequeo si se compara con lalongitud de onda usada (

6 - Adquisicin de

datos: deteccin

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Tecnologa de los detectoresLas fibras pticas se posicionan delante del LED emisor y delante del fotodiodo ofototransistor receptor (C Fig.22).

Esta disposicin es utilizada para:- alejar los componentes electrnicos del punto de control,- alcanzar lugares exiguos o a elevadas temperaturas,- detectar objetos muy pequeos (de alrededor de 1mm),- dependiendo de la configuracin del final de las fibras, funcionar en modo

barrera o proximidad.

Ntese que se debe tener extremo cuidado con las conexiones entre LED emisor ofototransistor receptor y fibra ptica para minimizar las prdidas en la transmisinde seal.

b Factores que afectan a los dispositivos de deteccin fotoelctrica Existen una serie de factores que pueden influir en las prestaciones de estossistemas de deteccin.

Algunos de ellos ya han sido mencionados:- distancia (detector-objeto),- tipo de objeto a detectar (sustancia difusa, reflectante o transparente, color y

dimensones),- ambiente (iluminacin, fondo, etc.).

6.6 Detectores por ultrasonidos

b Principio de funcionamientoLos ultrasonidos se producen elctricamente con un transductor electroacstico(efecto piezoelctrico) alimentado con energa elctrica que es convertida envibraciones mecnicas mediante la piezoelectricidad o mediante el fenmeno quese conoce como magnetostriccin (CFig.23).

Este principio consiste en medir el tiempo que necesita la onda acstica parapropagarse entre el sensor y el objeto a detectar.

La velocidad de propagacin es de 340m/s en el aire a 20C, esto es, para 1m eltiempo medido ronda los 3ms.

El tiempo lo mide un contador integrado en un microcontrolador.

La ventaja de los detectores por ultrasonidos radica en el hecho que pueden trabajara grandes distancias (hasta 10m) y, por encima de todo, detectar cualquier objeto querefleje el sonido, sin importar su forma o color.

b Aplicacin (C Fig.24)Excitado por el generador de alta tensin, el transductor (emisor-receptor), generauna onda ultrasnica pulsante (de 100 a 500kHz, dependiendo del producto) queviaja a travs del aire ambiente a la velocidad del sonido. Tan pronto como la ondachoca contra un objeto, una onda reflejada (eco) vuelve al transductor. Unmicroprocesador analiza la seal de entrada y mide el intrvalo de tiempo entre laseal emitida y el eco. Comparando este intrvalo con tiempos predefinidos, sedetermina y controla el estado de las salidas. Si se conoce la velocidad a la que sepropaga el sonido, se puede calcular la distancia existente utilizando la siguientefrmula:D = T.Vs/2 donde D: distancia entre detector y objeto,T: tiempo transcurrido entre la emisin y la recepcin de la onda,Ss: velocidad del sonido (300m/s).

La fase de salida controla un interruptor esttico (transistor PNP o NPN)correspondiente a un contacto de apertura o de cierre, o proporciona una sealanalgica (corriente o tensin) directamente o inversamente proporcional a ladistancia al objeto.

A Fig. 22 Detector fotoelctrico de fibra ptica

A Fig. 23 Principio de un transductorelectroacstico

A Fig. 24 Principio de un detector por ultrasonidos


b Particularidades de los detectores por ultrasonidosv Definiciones (C Fig.25)Zona ciega: zona entre la cara sensible del detector y la distancia mnima a la cualun objeto no puede ser detectado de forma fiable. Es imposible detectar objetoscorrectamente en esta zona.

Los objetos no deberan ser situados en la zona ciega durante el funcionamiento del detector ya que stos pueden hacer que las salidas sean inestables.

Zona de deteccin: rea en la que el detector es sensible. Dependiendo delmodelo de detector, esta zona se puede ajustar o fijar con un pulsador de tipoordinario.

Factores de influencia: los detectores por ultrasonidos son especialmenteadecuados para detectar objetos duros con una superficie plana perpendicular aleje de deteccin.

Sin embargo, existen una serie de factores que pueden alterar el funcionamientodel detector:

- Las corrientes de aire bruscas pueden acelerar o desviar la onda acsticaemitida.

- Gradientes de temperatura importantes en la zona de deteccin. Cuando unobjeto emite mucha calor, ste crea zonas de temperaturas diferentes quealteran el tiempo de propagacin de la onda y provocan una deteccin no fiable.

- Materiales aislantes del sonido. Materiales como el algodn o el cauchoabsorben el sonido; se aconseja el modo de deteccin "rflex" paraaquellos productos hechos con estos materiales.

- ngulo entre la parte frontal del objeto a detectar y el eje de referencia.Si este ngulo es diferente a 90, la onda no se refleja en el eje deldetector y la zona de funcionamiento se reduce.Cuanto ms grande sea la distancia entre el objeto y el detector, ms seacenta este efecto. Ms all de 10, la deteccin resulta impossible.

- Forma del objeto a detectar. Teniendo en cuenta el factor anterior, los objetosangulosos son ms difciles de detectar.

v Modos de funcionamiento (C Fig.26) Modo de proximidad: un nico detector emite la onda de sonido y la recibedespus de ser reflejada por un objeto.

En este caso, es el objeto el que refleja la onda.

Modo rflex: un nico detector emite la onda de sonido y la recibe despus dereflejarse en un reflector, por tanto el detector est permanentemente activo. Eneste caso, el reflector es una pieza plana y rgida. El objeto es detectado cuando laonda se "interrumpe". Este modo est especialmente indicado para detectarobjetos que absorben el sonido o con formas angulosas.

Modo de barrera: el sistema de barrera consiste en dos productos separados, unemisor por ultrasonidos y un receptor, situados de forma opuesta.

b Ventajas de la deteccin por ultrasonidos- No existe contacto fsico con el objeto, por tanto no hay juego mecnico y se

pueden detectar objetos frgiles o recin pintados.

- Cualquier material, independientemente de su color, puede ser detectada en elmismo rango range sin factores de ajuste o de correccin.

- Dispositivos estticos: no hay partes mviles en el detector, por lo que su vidatil no queda afectada por el nmero de ciclos de funcionamiento.

- Buena resistencia en ambientes industriales: vibraciones, impactos, humedad,polvo, etc.

- Funcin de aprendizaje presionando un botn para definir la zona de deteccin.Se memorizan los rangos mnimo y mximo (eliminacin muy precisa del fondoy del primer plano hasta 6mm).

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A Fig. 25 Lmites de funcionamiento

A Fig. 26 Modos de funcionamiento de un detectorpor ultrasonidos a/ En modo de proximidad b/ En modo rflex


6.9 Encoder ptico

b Presentacin de un encoder pticov ConstitucinUn encoder ptico rotativo es un sensor angular de posicin que consta de un diodoelectroluminiscente (LED), un receptor fotosensible, y un disco con una serie de zonasopacas y transparentes fsicamente conectado por su eje al rgano de la mquina acontrolar.

La luz emitida por los LEDs llega a los fotodiodos cuando sta cruza las zonastransparentes del disco; en tal caso, los fotodiodos generan una seal elctrica, quese amplifica y convierte en una seal de onda cuadrada antes de ser enviada a unsistema de procesamiento. Cuando el disco rota, la seal de salida del encoder cogeuna forma de seales de onda cuadrada sucesivas; esto se puede observar en la(C Fig.44).

v Principio de funcionamientoLa rotacin de un disco graduado genera impulsos idnticos en la salida del sensorptico, dependiendo del movimiento del objeto a controlar. La resolucin, esto es,el nmero de impulsos por vuelta, corresponde al nmero de graduaciones en eldisco o un mltiplo de este nmero. Cuanto ms grande es este nmero, mayor esel nmero de medidas por vuelta, lo que permite conocer de forma ms precisael desplazamiento o la velocidad de la parte mvil de la mquina conectada alencoder.Aplicacin tpica: mquina de corte longitudinal.La resolucin se expresa segn

distancia recorrida en 1 vueltanmero de puntos

Por ejemplo, si la mquina de corte consta de un disco de 200mm de longitud decircunferencia, para obtener una precisin de 1 mm la resolucin del encoder debe serde 200 puntos. Para una precisin de 0,5mm la resolucin debe ser de 400 puntos.

v Implementacin tcnica (C Fig.45)La parte emisora consta de una triple fuente de luz con tres fotodiodos y tres LEDs(por temas de redundancia), con una vida til de entre 10 y 12 aos.

Un ASIC asociado al conjunto sensor ptico permite obtener seales de ondacuadrada despus de la amplificacin.

El disco est fabricado en polyfass (mylarmica) for resolutions up to:- 2048 puntos para un dimetro de 40mm,- 5000 puntos para un dimetro de 58mm,- 10000 puntos para un dimetro de 90mm,

o vidrio para mayores resoluciones y frecuencias de lectura elevadas (hasta 300kHz).

b Familias de encoders pticosLos fabricantes ofrecen una amplia oferta de productos para cubrir todas lasaplicaciones industriales. Se dividen en dos grandes familias:

- encoders incrementales que detectan la posicin de una parte mvil y controlansu desplazamiento incrementando o reduciendo los impulsos que stosgeneran,

- encoders absolutos de posicin que dan la posicin exacta sobre una o variasvueltas.

Estas familias incluyen variantes como por ejemplo:- encoders absolutos multivueltas,- tacoencoders que proporcionan informacin sobre velocidad,- tacmetros, donde se procesan datos para dar informacin sobre la velocidad.

Todos estos dispositivos utilizan tcnicas similares. Difieren los unos de los otros enlas "ventanas" del disco y en la manera de codificar o procesar la seal ptica.

v Encoders incrementales (C Fig.46)Los encoders incrementales estn diseados para aplicaciones de posicionamientode partes mviles y controlar su desplazamiento incrementando/reduciendo losimpulsos que genera.

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A Fig. 44 Ejemplo de un sensor ptico(de Telemecanique)

A Fig. 45 Principio de un encoder incremental

A Fig. 46 Vista de un disco graduado en unencoder incremental


El disco de un encoder incremental tiene dos tipos de pista:- una pista exterior (canales A y B) dividida en "n" intervalos de igual ngulo y

alternativamente opacos y transparentes, siendo "n" la resolucin o nmero deperiodos. Dos fotodiodos desfasados detrs de esta pista generan seales deonda cuadrada A y B cada vez que el haz de luz cruza una zona transparente.El desfase elctrico a 90 (1/4 de periodo) de las seales A y B definde elsentido de rotacin (C Fig.47). Cuando se rota en un sentido, B es igual a 1;cuando A cambia de 0 a 1 se rota en sentido contrario y en este caso B es iguala 0,

- una pista interior (Z) con una nica ventana transparente. La seal Z, conocidacomo "seal cero", con un periodo de 90 grados elctricos, est sincronizadacon las seales A y B. Define una posicin de referencia y permite lareinicializacin en cada vuelta.

Funcionamiento de los canales A y BLos encoders incrementales permiten tres niveles de precisin de funcionamiento:

- utilizacin de los frentes ascendentes slo del canal A: funcionamiento sencillo,correspondiente a la resolucin del encoder,

- utilizacin de los frentes ascendentes y descendentes slo del canal A:la precisin de funcionamiento se dobla,

- utilizacin de los frentes ascendentes y descendentes de los canales A y B:la precisin de funcionamiento se cuadruplica (C Fig.48).

Eliminacin de interferenciasCualquier sistema de contaje puede ser perturbado por la aparicin deinterferencias en la lnea que se pueden interpretar como impulsos del encoder.

Para prevenir este riesgo, la mayora de encoders incrementales generan sealescomplementarias de A, B y Z adems de las seales regulares. Si el sistema deprocesado se disea de tal manera que sea compatible (por ejemplo, en controlnumrico NUM), estas seales complementarias se pueden usar para diferenciar entreimpulsos del encoder e interferencias (C Fig.49), para evitar que stos ltimos secontabilicen, o bien para reconstruir la seal emitida (C Fig.50).

v Encoders absolutos Principio de diseoLos encoders incrementales estn diseados para aplicaciones de control deldesplazamiento y de posicionamiento de un mvil, como ya se ha comentado.

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A Fig. 47 Principio de deteccin del sentido derotacin y de la "seal cero"

A Fig. 48 Incremento de la precisin

A Fig. 50 Reconstruccin de una seal perturbadaA Fig. 49 Eliminacin de impulsos de interferencia


Estos encoders rotativos trabajan de forma similar a los sensores incrementales,pero difieren en su disco, que tiene varias pistas concntricas divididas ensegmentos iguales alternativamente opacos y transparentes (C Fig.51). Un encoderabsoluto genera continuamente un cdigo que es la imagen real de la posicin de laparte mvil a controlar.

La primera pista interior es mitad opaca y mitad transparente. La lectura de esta pistapermite determinar la localizacin de un objeto a la media vuelta ms prxima(MSB: Most Significant Bit).

La siguiente pista, desde el interior hasta el exterior del disco, se divide en cuatrocuartos alternativamente opacos y transparentes. La lectura de la segunda pistacombinada con la de la que la precede (la primera) determina en qu cuarto devuelta se situa el objeto. Las siguientes pistas sirven para determinar de formasucesiva en qu octavo, dieciseisavo, treintaidosavo, etc. de vuelta se situa elobjeto.

La pista exterior corresponde al bit menos significativo o de menor peso (LSB:Least Significant Bit).

El nmero de salidas paralelas es el mismo que el nmero de bits o de pistas deldisco. La imagen del desplazamiento requiere tantos pares diodo/fototransistorcomo bits emitidos o pistas en el disco. La combinacin de todas las seales en unmomento dado permite conocer la posicin de la parte mvil.

Los encoders absolutos emiten un cdigo digital, imagen de la posicin fsica deldisco, donde un nico cdigo corresponde a una nica posicin. El cdigo producidopor los encoders rotativos absolutos o bien es binario natural (binario puro), o bien es binario reflejado, tambin conocido como cdigo Gray (C Fig.52).

Ventajas de los encoders absolutosLos encoders absolutos tienen dos grandes ventajas respecto de losencoders incrementales:

- son insensibles a los fallos de alimentacin, dado que al arrancar despus detal fallo el encoder suministra informacin sobre la posicin angular real de laparte mvil que la puede utilizar el sistema de procesamiento de formainmediata. Un encoder incremental debe reinicializarse antes de utilizar lasseales,

- son insensibles a las interferencias en la lnea. Las interferencias pueden alterarel cdigo generado por un encoder absoluto pero automticamente vuelve a lanormalidad tan pronto como stas desaparecen. En cambio, un encoderincremental las interferencias se consideran seales, salvo que se utilicenseales complementarias.

Utilizacin de las sealesPara cada posicin angular del eje, el disco proporciona un cdigo, que puede serbinario o Gray:

- cdigo binario puro. Se usa para efectuar las 4 operaciones aritmticas connmeros expreados en este cdigo, por lo que los sistemas de procesado(autmatas) lo pueden usar de forma directa para efectuar clculos.Sin embargo, presenta un inconveniente, y es que el hecho de tener varios bitsque cambian su estado entre dos posiciones que puede dar lugar a una lecturaambigua.Para evitar esto, los encoders absolutos generan una seal de inhibicin quebloquea las salidas a cada cambio de estado.

- el cdigo Gray, en el que slo un bit cambia su estadio cada vez, evita estaambigedad. Pero para ser usado con un autmata, este cdigo debe serconvertido antes a binario (C Fig.53).

Utilizacin de un encoder absolutoEn la mayora de aplicaciones, la bsqueda de una mayor productividad requierede movimientos rpidos, a gran velocidad, seguidos de deceleraciones paraobtener un posicionamiento preciso.

Para conseguir este objetivo con tarjetas de E/S estndar, los MSBs deben sercontrolados cuando la velocidad es elevada, de tal manera que la deceleracin se realice en la media vuelta ms cercana. (C Fig.54).

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A Fig. 51 Discos grabados de un encoder absoluto

A Fig. 52 Seal producida en cdigo Gray por unencoder rotativo absoluto

A Fig. 53 Principio de conversin de Gray en binario

A Fig. 54 Posicin de una parte mvil en un eje


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v Diferentes variantes de encoderExisten diferentes variantes de encoder diseadas para satisfacer todo tipo derequerimientos, como por ejemplo:

- encoders absolutos multivueltas,- tacoencoders y tacmetros,- encoders de eje slido,- encoders de eje hueco,- encoders de eje pasante.

v Encoders con unidades de procesamientoLos circuitos de entrada de las unidades de procesamiento o tratamiento debenser compatibles con el flujo de informacin procedente de los encoders (C Fig.55).

b Sensores de velocidadLos encoders descritos anteriormente son capaces de dar informacin sobre la velocidad mediante un tratamiento adecuado de la seal de salida.

Esta descripcin no seria completa si no se mencionaran los sensores de velocidadanalgicos. stos se utilizan mayoritariamente para el control de la velocidad y enparticular en variadores de velocidad para motores de CC. Para funcionar conconvertidores de frecuencia en bucle cerrado, los variadores de velocidadmodernos usan un sensor de velocidad virtual, que usa las medidas elctricas delvariador para recalcular la velocidad real de la mquina.

v Alternador tacomtricoEste sensor de velocidad (C Fig.56) consta de un estator bobinado y de un rotorcon imanes permanentes.

Esta configuracin es similar a la de un alternador.

La rotacin induce tensiones alternas en los devanados del esttor.

La amplitud y la frecuencia de la seal generada est directamente relacionada conla velocidad de rotacin.

El usuario puede usar tanto la tensin (valor eficaz o rectificado) como la frecuenciapara controlar o establecer la velocidad.

El sentido de rotacin se puede detectar fcilmente utilizando el desplazamientode fase existente entre devanados.

v Dinamo tacomtricaEste sensor de velocidad consta de un estator con un devanado fijo y de un rotorcon imanes permanentes. El rotor est equipado con un colector y unas escobillas(C Fig.57).

A Fig. 57 Esquema de una dinamo tacomtrica

Unidad de tratamiento Encoder

Incremental Absoluto

Frecuencia de la seal (kHz) Conexin paralelo

=< 0,2 =< 40 > 40

Aut. programable Discrete inputs X X

Contaje rpido X X Tarjetas de eje

ControlX X X

digital

Microordenador Entradas paralelo X

Tarjetas especiales X X X X

A Fig. 55 Principales tipos de unidades de tratamiento utilizadas en la industria

A Fig. 56 Esquema de un alternador tacomtrico

N

N

S

S

a

-c

b-a

c

-b

a'

-c'

b'-a'

c'

-b'


Esta configuracin es similiar a la de un generador de CC.

El colector y el tipo de escobillas usadas se escogen para limitar los picos detensin y la discontinuidad de sta con el paso de las escobillas. Puedefuncionar en un amplio rango de velocidades.

La rotacin induce una CC donde la polaridad depende del sentido de rotacin, y laamplitud es proporcional a la velocidad.

La amplitud y la polaridad se usan para controlar o establecer la velocidad.

La tensin producida por este tipo de sensor va desde 10V hasta 60V por cada1000rpm y puede, en algunas dinamos, ser programada por el usuario.

v Sensores de reluctancia variableUn esquema de este tipo de sensor se puede ver en la figura 58.

El ncleo magntico de la bobina detectora est sujeta al flujo de induccin de unimn permanente; se situa de cara un disco (rueda polar) o de una pieza rotativaferromagntica.

La sucesin de discontinuidades magnticas (dientes, pistas, agujeros) que llevael disco o la pieza rotativa provoca una variacin peridica de la reluctancia delcircuito magntico de la bobina, que induce en l una tensin de frecuencia y amplitud proporcionales a la velocidad de rotacin.

La amplitud de la tensin depende de:- la distancia entre la bobina y la pieza,- la velocidad de rotacin: en principio, es proporcional a esta velocidad; a bajas

velocidades la amplitud puede ser muy baja como para ser detectada:por debajo de un lmite de velocidad, el sensor no funcionar.

El rango de medida depende del nmero de discontinuidades magnticasque tiene la parte rotativa. La velocidad mnima que puede ser medida caea medida que el nmero de discontinuidades aumenta. Anlogamente, lavelocidad mxima que puede ser medida aumenta a medida que el nmero dediscontinuidades disminuye, debido a la dificultad de procesar seales de altafrecuencia. En un rango de velocidades de entre 50rpm y 500rpm se necesitar unarueda de 60 dientes, mientras que entre 500rpm y 10.000rpm ser una de 15.

El tacmetro de corrientes de Foucault es muy similar y se puede usar con unapieza mvil de metal no-ferromagntico.

El conjunto bobina-imn permanente se sustituye por un circuito oscilante. Labobina, que es la cabeza de medicin, forma la inductancia L del circuito de ajustedel oscilador de onda sinusoidal. Las caractersticas L y R de la bobina varian amedida que un conductor metlico se aproxima.

Cuando una rueda dentada situada delante de la bobina est rotando, cada dienteque pasa interrumpe el oscilador cosa que es detectada, por ejemplo, debido a laalteracin en su corriente de alimentacin.

Dado que la seal correspondiente a la frecuencia proporcional a la velocidad y suamplitud no est determinada en este caso por la velocidad de rotacin, esindependiente de ella. Ello significa que este tipo de sensor se puede usar a bajasvelocidades.

Adems, se puede usar para medir valores de velocidad por encima de un rangodeterminado -y por debajo-, como un "detector de aplicaciones inductivas para elcontrol de la rotacin" de Telemecanique XSAV, XS9, etc.

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6A Fig. 58 Esquema de un sensor reluctancia variable

6-Adquisicin de datos deteccin.pdf6-Adquisicin de datos deteccin PART 1 FET6-Adquisicin de datos deteccin PART 2 FET6-Adquisicin de datos deteccin PART 3 -1 FET6-Adquisicin de datos deteccin PART 3 -2 FET6-Adquisicin de datos deteccin PART 4 FET6-Adquisicin de datos deteccin PART 5 FET6-Adquisicin de datos deteccin PART 6 FET6-Adquisicin de datos deteccin PART 7 FET6-Adquisicin de datos deteccin PART 8 EN PROCS

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