INTRODUCCIÓN A LOS SENSORES Y ELEMENTOS DE GOBIERNO DE AUTOMATAS.

Por Enric Serra, Ingeniero técnico industrial especialidad electrónica, técnico especialista en electricidad, profesor de la Escola Professional'Salesians Joan XXIII' en las especialidades de Electromecánica y Equipos electrónicos de consumo.

Email : eserra@telepolis.com Revisión 1.02

I - SENSORES Y ELEMENTOS DE GOBIERNO

I Introducción.

II Clasificación de sensores.

1.1 Microrruptores

1.2 Finales de Carrera

2.1 Fotocélulas y barreras

2.2 Interruptores proximidad capacitivos e inductivos

2.3 Detectores de movimiento

2.4 Sensores de temperatura y presión

i Bibliografía.

ii Recursos

II - INTRODUCCION

Actualmente seria impensable realizar maniobras mas o menos complicadas, dentro del mundo industrial, sin dos elementos ampliamente extendidos en nuestros días, por una parte los autómatas programables y por otra los sensores, que permiten controlar las variables que afectarán al proceso industrial.

Los autómatas por precio, versatilidad y facilidad de programación se han convertido en los sustitutos de las maniobras en los entornos industriales, y debido a las crecientes necesidades de los procesos industriales modernos, cada vez hay que controlar mas variables que afectan a estos procesos, por lo que los sensores han entrado de lleno en estas maniobras.

Hoy por hoy, seria difícil encontrar procesos automáticos que no estén gobernados por elementos de gobierno, sensores y autómatas.

Procesos como contadores, detectores de presencia, detectores de objetos, control de niveles, medidas de seguridad, chequeo de contenidos,inspecciones de calidad automáticos, posicionamiento

y verificación y un largo etcétera serian impensables sin esta combinación de elementos.

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III - CLASIFICACIÓN DE SENSORES Y ELEMENTOS DE GOBIERNO

Elementos de gobierno: Son elementos mecánicos cuya función es la de actuar como interruptores o pulsadores para arrancar, parar y determinar posiciones en procesos industriales

Clasificación: Atendiendo a la forma y su función podemos clasificarlos como microrruptores, interruptores y finales de carrera. Otra forma de clasificación seria atendiendo a las características eléctricas de cada elemento, es decir, tensión máxima, intensidad máxima de ruptura etc.

Sensores: Se denomina sensor a todo elemento que es capaz de transformar señales físicas como temperatura, posición, longitud etc. en señales eléctricas.

Clasificación:Podemos clasificar los sensores según el parámetro físico que miden: temperatura,presión,posición,longitud,nivel etc. También podemos clasificarlos atendiendo a el tipo de salida:Salida analógica (V ó I) y salida digital (I / 0)

ELEMENTOS CARACTERISTICASMicroruptores De palanca,rodillo,émbolo Finales de carrera De desplazamiento en 2 sentidos,de presión etcInterruptores y pulsadores Normalmente cerrados (NC) abiertos (NO)

MAGNITUD TRANSDUCTOR CARACTERÍSTICAPosición lineal o angular Potenciómetro Analógica= Encoders DigitalDesplazamientos y deformación

Transformador diferencial Analógica

= Galga extensiométrica AnalógicaVelocidades lineales y angulares

Dinamo tacométrica Analógica

= Encoder Digital= Detector inductivo DigitalAceleración Acelerómetro Analógico= Sensor de velocidad DigitalFuerza y par Galgas AnalógicoPresión Membranas Analógica= Piezoeléctricos AnalógicaCaudal Turbina Analógica= Magnético AnalógicaTemperatura Termopar Analógica= PT100 Analógica= NTC Analógica= PTC I/0= Bimetal I/0Sensores de presencia Inductivos I/0

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1 ELEMENTOS DE GOBIERNO

1.1 MICRORRUPTORES

Definición

Son elementos que funcionan como un pulsador, cuya función consiste en determinar la posición o el estado de un proceso automático. Los tipos de contacto pueden ser NC (Normalmente cerrado) y NO (Normalmente abierto)

Generalmente son muy precisos, con una excelente respuesta de actuación y con diversos tipos de actuadores (émbolos de aguja, de palanca, compactos, flexibles, rígidos etc.)

Algunos tipos de actuadores. (NAIS)

= Capacitivos I/0= Ópticos I/0 AnalógicaSensores táctiles Matriz de contactos I/0= Piel artificial AnalógicaVisión artificial Cámaras de video Procesamiento digital= Cámaras CCD Procesamiento digital

Fig 1

Fig 3

Fig 2

Características

Las características más importantes de estos dispositivos son:

Aplicaciones

En cualquier proceso automáticos en el que debamos detectar posiciones o estados de este proceso y donde la presión sobre el actuador sea mínima.

- Contadores de piezas, Detectores de inicio y finalización del proceso, Cortes de hilos, posicionamiento etc.

Comprobación

Mediante un multímetro o tester en Ohmios determinaremos la resistencia del dispositivo en reposo y al realizar la actuación.

Ejemplos

-Realizar el conexionado de varios microruptores para que accionen una lámpara de salida.

-Realizar un estudio de un subproceso para detectar la rotura o finalización de un hilo en un proceso de arrollamiento.

Fig4

Fuerza de operación del actuador grPoder de corte En V y ATipo de contacto Au ,AgHomologaciones Los procesos de control de calidad ha que han

sido sometidos

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-Diseñar un sistema de seguridad para una taladradora industrial.

-Se necesita detectar la posición inicial, a la mitad del proceso, y la posición final de un producto en una cinta transportadora.

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1.2 FINALES DE CARRERA

Definición

Son elementos actuadores de conmutación, generalmente provistos de muelles y utilizados en procesos automáticos donde la detección debe ser mas robusta.

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Tipos de contactos de finales de carrera. (OMROM)

Características

Las características más importantes de estos dispositivos son:

Aplicaciones

Fig 1

Fig 3

Fig 2

Fig 4

Tensión de corte nominal V AC/DC (Voltios)Carga AmperiosTipo contacto 1,2... contactos conmutadosTipo protección Terminales de tornillo, sellados etcActuador Gramos (150-600)Tipo Palanca,rodillo,varilla etc

En cualquier proceso automáticos en el que debamos detectar posiciones o estados de este proceso y donde la presión sobre el actuador sea bastante grande (gr)

Comprobación

La comprobación se realiza de la misma forma que en los microrruptores, es decir midiendo la continuidad en un tester en cada una de las posiciones del final de carrera.

Ejemplos

-Conectar un final de carrera a un relé de forma que cuando este actúe, de tensión a un relé y ponga en marcha un motor

-Realizar la detección de posición máxima y mínima en una taladradora industrial.

-Realizar un proceso para abrir una puerta y detecte el final de carrera de la misma.

-Diseñar un sistema de montacargas mediante dos pulsadores uno para subir y otro para bajar y dos finales de carrera para detectar los límites de subida y bajada.

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Esquema Diagrama de flujo Subprograma

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2 SENSORES

2.1 FOTOCÉLULAS Y BARRERAS

Definición

Son elementos sensores formados por un emisor de luz y una fotocélula de detección, actuando por reflexión de este haz sobre los objetos a detectar, tambien pueden actuar en forma de barrera y pueden detectar objetos a mayores distancias, con fuentes luminosas independientes del cabezal que sólo es receptor.

Suelen estar protegidos contra perturbaciones electromagnéticas externas (EMI), las distancias de detección pueden ser hasta de 500 m en modo barrera, la velocidad de respuesta de estos detectores es alta en modos de conmutación y pueden servir para detectar colores.

Para ambientes muy luminosos pueden estar polarizados los haces de luz, tambien existen de fibra óptica de forma que la detección puede llevarse a puntos inaccesibles por el propio sensor o bien detectar objetos muy pequeños (micras) Pueden trabajar en light ON y dark ON (modo luz,modo oscuridad)

Características

Caracteristicas de fotocélulas y barreras:

Fig 1 Fotocélulas On/Off

Fig 2 Fotocélula y accesorio reflector

Fig 3 Fotocélula analógica

Fig 4 Barreras fotoeléctricas

Tipo sensor barrera,espejo,espejo con filtro polarizado,reflexióndirectaDistancia de detección cm,m

Aplicaciones

Detección en puertas automáticas,en ascensores, funciones de seguridad para puertas en autobuses,mediciones de tubos,medición de alturas en piezas,sensores de nivel de llenado,detección de destensamientos en cintas transportadoras,detección de posicionamiento etc

Comprobación

Montar el circuito sensor, alimentarlo y determinar la tensión de salida cuando actúa y cuando no está actuando.

Ejemplos

-Montar una célula fotoeléctrica y determinar la tensión de salida en los dos estados, abierta y cerrada.

- Diseñar un sistema de seguridad para una taladradora industrial mediante una barrera de fotocélulas.

Objeto detectable estándar metal,plástico,papelTipo de objeto detectable opaco,transparente,semitransparenteDiodo emisor LED rojo, infrarojoTiempo de respuesta ms, s max ej(2 ms max)Tipo de salida Tiristor, transistor, rel é ...Consumo máximo sin carga VAConsumo nominal ma max ej (45 ma max)Material de la carcasa Plástico,metal ...Tamaño 0 x L (diámetro por longitud)Conexión longitud cable (2 m máx)Tensión de funcionamiento VDC VAC ej(24-240 V CA /10-30 V DC)Temperatura de trabajo en grados cent ígrados ej (-25 a +60 oC)Peso gr (100gr)

Ejemplo de aplicación en entornos iluminados

Ejemplo de aplicación de barrera de seguridad

- Diseñar un sistema para detectar la altura de objetos que estan en una cinta transportadora mediante células fotoeléctricas.

-Diseñar un sistema de seguridad mediante barreras fotoélectricas para un sistema robot que trabaja en una habitación, si alguien o algún objeto interfiere en el espacio de actuación del robot, este parará automáticamente.

- Realizar un estudio para un sistema automático de posicionamiento mediante un sistema de láminas perforadas.

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2.2 INTERRUPTORES DE PROXIMIDAD

Definición

Son sensores para detectar presencia o ausencia de objetos metálicos, estan basados en distintos tipos de actuadores siendo los más comunes:

Sensores inductivos (Detectan materiales férricos basandose en variaciones de campo magnético)

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Sensores capacitivos (En determinados entornos no se pueden utilizar las variaciones de campo magnético y se utilizan otros dispositivos cuya característica de variación es la capacidad eléctrica)

Algunos sensores e interruptores de proximidad inductivos (OMROM)

Para otro tipo de materiales no férricos se utilizan los siguientes sensores

Sensores ópticos (fotocélulas y barreras)

Detectores ultrasónicos (Barreras por ultrasonidos)

Características

Sensores inductivos Tipo de sensor rosca M12, M18, M30 ...Distáncia de detección nominal mm +- x% (3mm+-10%)Rango de detección mm (0-2mm)Frecuencia de detección Hz (500Hz)Objeto detectable estándar Acero (12x12x1mm)Histéresis <x% del rango de medida (<20% del rango)Tipo de salida ma (50,100,200 ma)Consumo nominal ma (0.8ma)Material de la carcasa Acero, latón níquel etcProtección IPDimensiones diámetro x longitud (M12x30mm)Conexión Cable 2m , 3m ...Tensión de operación V (10-30V DC)Temperatura de trabajo º centígrados (-25 + 55 ºC)Peso gr (55 g. 90g 200g)

Distancia de detección contra anchura del objeto detectable en un sensor inductivo típico.

Sensores capacitivos

Aplicaciones

Control de desplazamiento de piezas, detección de materiales metálicos en procesos de alimentación, posicionamiento de piezas metálicas, posicionamiento de máquinas, detección de planchas en movimiento, etc.

Comprobación

Conectaremos el sensor según las especificaciones del fabricante y determinaremos la tensión de salida del sensor al trabajar en vacio y al detectar una pieza metálica.

Ejemplos

- Conectar un sensor inductivo y determinar la señal de salida al detectar una pieza metálica y al trabajar en vacio, determinar la lóngitud máxima de detección del sensor.

- En una cinta transportadora detectar piezas metálicas.

Tipo de sensor .Rosca M6, M8 ...Distáncia de detección nominal .mm , mRango de detección .Frecuencia de detección .Hz (500Hz)Objeto detectable estándar .Acero (12x12x1mm)Tipo de salida Transistor, ReléConsumo nominal ma (12ma)Material de la carcasa Plástico, PVC, etcProtección IPDimensiones diámetro x longitud (M12x30mm)Conexión Cable 2m , 3m ...Tensión de operación V (10-30V DC) (20-300 AC)Temperatura de trabajo º centígrados (-25 + 55 ºC)Peso gr

- Detectar los l ímites de posicionamiento del cabezal de un torno

- Realizar el control de un automatismo para detectar la alienación de disquetes de ordenador antes de proceder a su etiquetado.

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2.3 DETECTORES MOVIMIENTO

Definición Son elementos sensores para detectar pequeños o grandes movimentos (por ejemplo el movimiento de una mano) generalmente suelen ser detectores por infrarojos o por reflexión directa, muchas veces estan protegidos contra la contaminación lumínica y se pueden usar varios sin que interfieran entre si. Debido a su utilización como detectores para alarmas o como elementos de seguridad, pueden estar alimentados a pilas (debido a su ubicación en determinadas aplicaciones)

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Características

Aplicaciones

Alarmas, grifos de agua automáticos, aseos automatizados, detección de personas en cajeros automáticos, control de luz y ventilación etc.

Comprobación

Conectaremos el sensor según las especificaciones del fabricante y determinaremos la tensión de salida del sensor al trabajar en vacio y al detectar movimiento en el rango de detección del sensor.

Ejemplos

- Realizar un sistema de protección por movimiento de forma que cuando se active, suene una alarma y se conecten unas luces de aviso.

Distancia de detección metros (2,5... m minimo)Rango detección horizontal en grados (95º)Rango detección vertical en grados (50º)Tensión de alimentación en cc, caSalida V máx (30 V)Tiempo de decisión ms (23 ms)Tiempo de salida ms (60ms)Temperatura de funcionamiento -20ºc a + 55ºC

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-Desarrollar un automatismo para la salida de agua en una pila para lavado de manos automática.

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2.4 SENSORES PRESIÓN Y TEMPERATURA

Definición Sensores de presión

Suelen estar basados en la deformación de un elemento elástico cuyo movimiento es detectado por un transductor que convierte pequeños desplazamientos en señales eléctricas analógicas, mas tarde se pueden obtener salidas digitales acondicionando la señal. Pueden efectuar medidas de presión absoluta (respecto a una referencia) y de presión relativa o diferencial (midiendo diferencia de presión entre dos puntos) Generalmente vienen con visualizadores e indicadores de funcionamiento.

Caracteristicas

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Tipo de sensor presión relativa, absolutaRango nominal de presiones en bar (0-10 bar)Presión de ruptura bar (4,9 bar ... 15 bar)Tensión de alimentación en cc, caFluido aplicable Gases no corrosivos

Aplicaciones Control de sujección,Succión de elementos, succión de tornillos en atornilladores automáticos, apretado de tuercas automáticas, control de fuerza en pinzas prensoras , confirmación de presión a la soldadura ...

Sensores de Temperatura Transductores capaces de detectar temperaturas en amplios rangos. Podemos englobar los diferentes tipos de sensores en:

l Termostatos que conmutan a cierto valor de temperatura, generalmente basados en interruptores bimetales o mediante sondas NTC (Coeficiente térmico negativo) ó PTC (Coeficiente térmico positivo) y un comparador de salida.

l Termoresistencias cuya salida es analógica y su funcionamiento está basado en el cambio de resistenci del sensor dependiendo de la temperatura. Termopares de unión (Tipos J,K R,E de 0ºC a +1000ºC) Termoresistencias PT100 (-250º ... +850º). Termoresistencias NTC y PTC (Semiconductores que varian su valor resistivo con la temperatura )

l Pirómetros. Estos sensores actuan por radiación, al tener que medir temperaturas que son superiores al punto de fusión de los propios sensores, en este caso se mide la radiación térmica emitida por el cuerpo a determinar su temperatura.(400ºC hasta 2000ºC)

Aplicaciones Controles de temperatura en procesos industriales.

Ejemplos Diseñar un sistema para que controle la temperatura de un hinvernadero, de forma que cuando la temperatura ambiente supere los 35ºC ponga en marcha un ventilador y si la temperatura es inferior a 20ºC ponga en marcha un calefactor.

Tiempo de respuesta ms (10ms max)Salida V máx (30 V)Temperatura de funcionamiento 0ºC a +50ºC

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Necesitamos controlar la temperatura de una caldera de forma que cuando esta llegue a los 150ºC paran automáticamente los calentadores.

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i BIBLIOGRAFIA

- Manual de automatización y control Matsushita NAIS (1999) - Catálogo general OMROM (2000) - Autómatas programables MARCOMBO Josep Balcells,José Luis Romeral - Catálogo general RS

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ii RECURSOS

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Entran Sensors and ElectronicsIrvineIEEE SENSORSSensor UnlimitedAllen BradleySENSING-ESPHONEYWELLNAIS-ESOMROM