Universidad De Oriente

Núcleo Monagas

Departamento de Ingeniería de Sistemas

Cursos Especiales de Grado

Área: Automatización y Control de Procesos Industriales

Instrumentación y Control Industrial

Maturín/Monagas/Venezuela

Profesor:

Ing. Edgar Goncalves

Bachiller (es):

Mónica Rodríguez CI: 24125020 Gustavo Velásquez CI: 20903870

Equipo GATEWAY

Maturín, Octubre de 2014

INDICE

INTRODUCCION ........................................................................................................... 3

MARCO TEORICO ........................................................................................................ 4

SENSORES INDUCTIVOS ....................................................................................... 4

Principios de Operación......................................................................................... 4

Características ........................................................................................................ 5

Factores a tomar en cuenta .................................................................................. 5

Ventajas y Desventajas de los sensores inductivos ......................................... 5

Sensores inductivos blindados y no blindados .................................................. 6

Histéresis.................................................................................................................. 6

Consideraciones generales................................................................................... 6

SENSORES CAPACITIVOS..................................................................................... 7

Principios de Operación......................................................................................... 7

Objetivo estándar y constante dieléctrica ........................................................... 8

Ventajas e inconvenientes .................................................................................... 8

DISCUSION .................................................................................................................... 9

CONCLUSION ............................................................................................................. 11

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 12

INTRODUCCION

Los sensores son los elementos que cierran el lazo de control de un sistema de

control automático y su función es capturar, del proceso o maquina involucrada,

la información de cómo se comporta o como este realiza su trabajo. Esta

información se utiliza para luego ser transmitida al controlador para que este

tome la acción de control adecuada.

En la industria moderna, donde la automatización está presente en casi todos

los procesos, una cantidad importante de sistemas están encargados de

cerciorar que la cantidad de accidentes se mantenga al mínimo. Para esto se

utilizan los sensores de proximidad. Un sensor de proximidad es aquel

dispositivo capaza de detectar objetos sin necesidad de tener algún contacto

físico con estos. El sensor genera una señal u onda electrostática o

electromagnética, según sea el caso, y la detección se logra registrando los

cambios en ese campo.

En general se tienen dos tipos de sensores: analógicos y digitales. Los

sensores analógicos, se requieren cuando el fenómeno a captar es variable en

el tiempo. En estos casos el sensor es un transductor y se conectara a una

entrada especial con un dispositivo convertidor análogo/digital. Los sensores

digitales transmiten información solo sobre presencia o ausencia, abierto o

cerrado, cercano o lejano, prendido o apagado, o cualquier otra información

que se pueda representar en forma binaria. Estos generalmente son conocidos

como detectores o interruptores.

En esta investigación se mostraran los sensores inductivos y capacitivos con

sus características respectivas y aplicabilidades.

MARCO TEORICO

SENSORES INDUCTIVOS

Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para

detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetos metálicos en un determinado contexto: detección de paso,

de atasco, de codificación y de conteo. (Sensores Inductivos. www.ecured.cu)

Fernández, G (2005) explica que los sensores de proximidad inductivos utilizan

detección sin contactos y circuitos de estado sólido para asegurar la durabilidad en los ambientes más agresivos. No existe energía mecánica que haga que el sensor cambie de estado, el sensor de proximidad depende de la energía

eléctrica para cambiar de estado.

El autor también indica que los sensores inductivos detectan objetos metálicos

en áreas de exploración generalmente muy pequeñas. El diámetro del sensor es el factor decisivo para la distancia de conmutación, que con frecuencia es de solo unos cuantos milímetros. Por otra parte, los sensores inductivos son

rápidos, precisos y extremadamente resistentes.

Principios de Operación

Según el Departamento de Electrónica, Automática e Informática Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid, los sensores de proximidad inductivos generalmente están construidas en 4 elementos principales:

Una bobina de núcleo de ferrita Un oscilador de radio frecuencia

Una unidad de evaluación o de disparo Una etapa de salida o conmutador

Figura 1. Composición de sensor inductivo

Fuente: http://www.elai.upm.es/moodle/pluginfile.php/2062/mod_resource/content/1/CAPITUL8.PDF

El oscilador crea un campo electromagnético de radio frecuencia que es formado y definido por la bobina de núcleo de ferrita, concentrando el campo

sensorial hacia la dirección axial del sensor de proximidad, a esta zona se le conoce con el nombre de superficie activa del sensor.

Cuando un objeto metálico es colocado dentro de este campo, este absorbe

parte de la energía generada por el oscilador en forma de corriente de Eddy que aparece en la superficie del objeto. Del tal forma que el objeto metálico se

comporta como el embobinado secundario del transformador.

Por lo tanto, el oscilador que es un dispositivo de potencia limitada, ira bajando

la amplitud de su oscilación conforme el objeto metálico se acerca más a la superficie activa del sensor, ya que la pérdida de energía cada vez es más

grande, hasta el punto que el oscilado ya no puede mantenerse oscilando.

El circuito de evaluación rectifica la oscilación sinodal que recibe del oscilador para producir un voltaje de CD, compara su nivel con una referencia

preestablecida y al detectar que la oscilación ha cesado, cambia el estado del dispositivo de conmutación en la etapa de salida.

Características

Fernández, G (2005) resalta las siguientes características de los sensores de proximidad inductivos:

Detección de objetos metálicos Medidas todo o nada

Muy utilizados a nivel industrial Desde algunos milímetros a varios de cm Pueden manejar una carga tipo relé

Los detectores de proximidad son dispositivos que detectan una distancia crítica y la señalizan mediante una salida del tipo todo-nada

Factores a tomar en cuenta

Fernández, G (2005) acota que el uso de estos sensores es realmente sencillo

pero, para optimizar su aplicación será conveniente tener en cuenta:

a. La presencia de una bobina apantallada o no apantallada modifica la

distribución del campo, ocasionando un cambio en la distancia de detección.

b. El tamaño del objeto. El fabricante proporciona el alcance de sus

sensores para un tamaño estándar de objeto. Si el objeto es más grande que el estándar se detectara a una distancia más grande, si es más

pequeño aplicaremos los coeficientes de la tabla del fabricante c. El material del objeto. En la tabla del fabricante se indican una serie de

factores de corrección de la distancia de alcance en función del material Ventajas y Desventajas de los sensores inductivos

Ventajas Desventajas

No entran en contacto directo con

el objeto a detectar No se desgastan Tienen un tiempo de reacción muy

reducido Tiempo de vida largo e

independiente del número de detección

Son insensibles al polvo y a la

humedad Incluyen indicadores LED de

Pueden verse afectados por

campos electromagnéticos intensos

El margen de operación es más

corto en comparación con otros sensores

estado y tienen estructura modular Tabla 1. Ventajas y desventajas de los sensores inductivos. Fuente: Fernández, G (2005)

Sensores inductivos blindados y no blindados

Pérez, E.; Acevedo, J. y Fernández, C. (2009) los definen como sensores

enrasables y no enrasables. Los sensores enrasables o apantallados (shielded) son sensores inductivos de proximidad en los que el cuerpo metálico que rodea a los distinto bloques que constituyen el sensor, se prolonga hasta la bobina

sensora. Esto evita la dispersión del flujo electromagnético y lo concentra en la parte frontal del sensor. De esta forma se anula prácticamente el efecto de los

metales circundantes y las interferencias mutuas cuando se instalan varios sensores contiguos. Los sensores no enrasables son sensores cuyo recubrimiento metálico externo no llega hasta el borde de la cabeza sensora,

es decir no están apantallados (unshielded), lo que hace que el flujo se disperse por los laterales de la misma. Debido a ello el sensor no se puede

enrasar con el soporte metálico que lo sustenta porque lo detecta y estaría siempre activado.

Los autores acotan que se debe tener en cuenta que, en un sensor enrasable

el flujo magnético es bastante restringido, lo que provoca una disminución de la distancia de detección. Para detectar el objeto a la misma distancia con un

sensor enrasables que con uno no enrasable, la superficie de detección del primero debe ser aproximadamente el doble que la del segundo.

Histéresis

Pérez, E.; Acevedo, J. y Fernández, C. (2009) exponen lo siguiente sobre la histéresis:

Se denomina histéresis a la diferencia entre la distancia de activación y desactivación. Cuando un objeto metálico se acerca al sensor inductivo, éste lo detecta a la "distancia de detección" o "distancia de sensado". Cuando el

mismo objeto es alejado, el sensor no lo deja de detectar inmediatamente, sino cuando alcanza la "distancia de reset" o "distancia de restablecimiento", que es

igual a la "distancia de detección" más la histéresis propia del sensor.

Consideraciones generales

La página web www.ecured.cu presenta las siguientes consideraciones

generales sobre el uso de sensores de proximidad inductivos:

La superficie del objeto a detectar no debe ser menor que el diámetro del

sensor de proximidad (preferentemente 2 veces más grande que el tamaño o diámetro del sensor). Si fuera menor que el 50% del diámetro del sensor, la distancia de detección disminuye sustancialmente.

Debido a las limitaciones de los campos magnéticos, los sensores inductivos tienen una distancia de detección pequeña comparados con

otros tipos de sensores. Esta distancia puede variar, en función del tipo de sensor inductivo, desde fracciones de milímetros hasta 40 mm en promedio.

Para compensar el limitado rango de detección, existe una extensa

variedad de formatos de sensores inductivos: cilíndricos, chatos, rectangulares, etc.

Los sensores inductivos cilíndricos son los más usuales en las aplicaciones presentes en la industria.

Posibilidad de montar los sensores tanto enrasados como no enrasados.

Gracias a no poseer partes móviles los sensores de proximidad no sufren en exceso el desgaste.

Gracias a las especiales consideraciones en el diseño, y al grado de protección IP67, muchos sensores inductivos pueden trabajar en ambientes adversos, con fluidos corrosivos, aceites, etc., sin perder operatividad.

SENSORES CAPACITIVOS

Es un tipo de sensor eléctrico. Los sensores capacitivos (KAS) reaccionan ante

metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica.

(Sensores Capacitivos. www.ecured.cu)

Según el Departamento de Electrónica, Automática e Informática Industrial de

la Universidad Politécnica de Madrid los sensores de proximidad capacitivos son similares a los inductivos. La principal diferencia entre los dos tipos es que los sensores capacitivos producen un campo electrostático en lugar de un

campo electromagnético.

Los interruptores de proximidad capacitivos censan objetos metálicos como los

inductivos, pero además tiene la capacidad de detectar materiales no metálicos tal como papel, vidrio, líquidos y tela.

Principios de Operación

El Departamento de Electrónica, Automática e Informática Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid explica la teoría de operación de un sensor

capacitivo de la siguiente forma:

La superficie de sensado del sensor capacitivo está formada por dos electrodos concéntricos de metal de un capacitor. Cuando un objeto se aproxima a la

superficie de sensado y este entra al campo electrostático de los electrodos, cambia la capacitancia en un circuito oscilador. Esto hace que el oscilado

empiece a oscilar.

El circuito disparador lee la amplitud del oscilador y cuando alcanza un nivel específico la etapa de salida del sensor cambia. Conforme el objetivo se aleja

del sensor, la amplitud del oscilador disminuye, conmutando al sensor a su estado original.

Desde el punto de vista puramente teórico, se dice que el sensor está formado por un oscilador cuya capacidad la forman un electrodo interno (parte del propio sensor) y otro externo (constituido por una pieza conectada a masa).

Objetivo estándar y constante dieléctrica

Los objetivos estándar son especificados para cada sensor capacitivo. El objetivo estándar se define normalmente como un metal o agua. Los sensores capacitivos dependen de la constante dieléctrica del objetivo. Mientras más

grande es la constante dieléctrica de un material es más fácil de detectar.

La grafica siguiente muestra la relación de las constantes dieléctricas de un

objetivo y la habilidad del sensor de detectar el material basado en la distancia nominal de sensado (Sr)

Figura 2. Relación de la constante dieléctrica del objetivo y la distancia nominal de sensado.

Fuente: http://www.elai.upm.es/moodle/pluginfile.php/2062/mod_resource/content/1/CAPITUL8.PDF

Por ejemplo si un sensor capacitivo tiene una distancia de sensado nominal de

10mm y el objetivo es alcohol, la distancia efectiva de sensado es aproximadamente el 85% de la distancia nominal, o sea 8.5 mm

Ventajas e inconvenientes

Según la página web www.ecured.cu, las ventajas de este dispositivo son algunas más que en el caso de los sensores inductivos. La primera ventaja es

común para ambos, detectan sin necesidad de contacto físico, pero además esto sensor lo realiza de cualquier objeto. Además, debido a su funcionamiento

tiene muy buena adaptación a los entornos industriales, adecuado para la detección de materiales polvorientos o granulados. La duración de este sensor es independiente del número de maniobras que realice y soporta bien las

cadencias de funcionamiento elevados.

Entre los inconvenientes se encuentra el alcance, dependiendo del diámetro

del sensor, puede alcanzar hasta los 60mm, igual que la modalidad inductiva. Otro inconveniente es que depende de la masa a detectar, si quiero realizar una detección de cualquier tipo de objeto este sensor no nos sirve, puesto que

depende de la constante eléctrica. Esta desventaja viene encadenada con la puesta en servicio, antes de colocar el sensor lo tenemos que instalar; los

detectores cuentan con un potenciómetro de ajuste que permite ajustar la sensibilidad. Según la aplicación será necesario adaptar el ajuste, por ejemplo para materiales de constante dieléctrica (Sr) débil como el papel, cartón o

vidrio, en caso de tener una Sr fuerte tenemos que reducir la sensibilidad, con objetos del tipo metales o líquidos.

DISCUSION

Existe diversos tipos de sensores, entre los que podemos mencionar tenemos, sensores capacitivos y sensores inductivos. Los sensores inductivos se

caracterizan por detectar materiales metálicos ferrosos lo cual es de gran importancia para las grandes industrias, tanto para detectar o no la presencia de los mismos. Una de las cualidades del sensor inductivo es que no cualquier

energía puede cambiar su estado, la única energía capaz de hacerlo es la eléctrica, además de detectar metales su capacidad de buscada dependerá del

diámetro del mismo sensor.

Los sensores inductivos por lo general tienen una estructura de cuatro elementos primordiales los cuales fortalecen su precisión exactitud y calidad,

estos elementos van desde una bobina de núcleo de ferrita, una etapa de salida o conmutador, un oscilador de radio frecuencia y una unidad de

evaluación o de disparo, las funciones que realiza cada uno de estos elementos permiten al sensor inductivo ser uno de los eficientes en la industrias, gracias a calidad de respuesta emitida por el mismo.

Es de resaltar las diversas funciones y actividades que realiza un sensor inductivo, el simple hecho de detectar objetos metálicos no es tan fácil, las

medidas generadas por este inductor son de (todo o nada), pueden manejar una carga tipo relé, esto permite que sean muy utilizados a nivel industrial.

Su manipulación es completamente sencilla, pero existen modalidades

esenciales para mejorar su rendimiento, para obtener un mayor alcance es necesario la implantación de una bobina apantallada, al igual que el tamaño del

sensor que también ayuda en el alcance. Existen diversos sensores inductivos, uno de ellos es el sensor enrasable o apantallados, el cual tiene la particularidad de que el cuerpo metálico alrededor del los bloques que

constituyen el sensor, llegan hasta la bobina sensora con el fin de evitar la dispersión del flujo electromagnético y concentrarlo en la parte frontal del

sensor.

Al usar este tipo de sensores se deben tomar en cuenta algunas consideraciones para su buen funcionamiento, uno de ellos es su tamaño,

cuando el sensor inductivo va a detectar algún objeto este debe tener por lo menos el doble del tamaño del sensor, se deben considerar las limitaciones de

los campos magnéticos, estas limitaciones son compensadas por los distintos tipos de sensores que van desde rectangulares hasta chatos.

Además de los sensores inductivos, están los sensores capacitivos, los cuales

a diferencia de los sensores inductivos, los capacitivos reaccionan a metales y no metales, estos son de tipo eléctrico, es de resaltar que su conexión con

respecto a un material es tanto mayor cuanto más sea su elevación de constante dieléctrica. Otra diferencia de los sensores capacitivos e inductivos es que el capacitivo genera un campo electrostático en vez de uno

electromagnético y su principal sello de diferenciación es que puede detectar tipos no metálicos que van desde papel, tela entre otros.

La operatividad de los sensores capacitivos está constituida por diversos elementos, primero la superficie de sensor como tal está compuesta por dos

electrodos concéntricos de metal, es importante mencionar que al acercarse un

objeto a la superficie del sensor y además entra al campo electrostático cambia la capacitancia en un circuito oscilador. Esto genera una lectura de la amplitud

del oscilador y cuando llega al nivel especificado la etapa de salida del sensor es modificada.

En los sensores capacitivos hay dos elementos importantes estos son el

objetivo estándar y la constante dieléctrica, primero los objetivos están especificados para cada sensor este puede ser un metal o agua y la relación se

basa en que entre más grande sea la constante dieléctrica de un material este será más fácil de detectar.

En la industria estos sensores al igual que otros son de vital importancia en

todos y cada uno de los procesos y actividades diarias de la misma, las funciones que realizan son parte de las tareas que complementan a las

actividades industriales. Cuando se trata de la detención de metales y no metales, estos sensores garantizan su detección inmediata, no basta con utilizarlo y esperar la respuesta deseada, se deben utilizar de la manera

correcta y seguir sus especificaciones de uso para poder obtener la respuesta deseada.

CONCLUSION

La aplicabilidad de los sensores de proximidad, tanto inductivos como

capacitivos, son muy útiles en la industria moderna, se podría llegar a decir que

estos son casi indispensables en la mayoría de los procesos de una industria.

Su durabilidad, resistencia, rapidez y efectividad hacen que estos dispositivos

sean los más rentables y óptimos para los procesos automatizados en las

industria. Su utilidad va desde detectar la presencia de un líquido hasta la

detección de la posición de una válvula o de un ascensor.

Cada tipo de sensor presenta características que deben adecuar al proceso en

cuestión. Aunque los sensores de proximidad capacitivos son capaces de

detectar objetos metálicos y no metálicos, si se va a trabajar con objetos

metálicos, lo más óptimo es utilizar un sensor inductivo ya que estos son más

eficientes en estas circunstancia, para eso están hechos.

BIBLIOGRAFIA

Sensor Capacitivo. [Página Web] Consultado el 8 de octubre de 2014 en:

http://www.ecured.cu/index.php/Sensor_capacitivo

Sensor Inductivo. [Página Web] Consultado el 8 de octubre de 2014 en:

http://www.ecured.cu/index.php/Sensor_inductivo

Fernández, G.(2005) Sensores Magnéticos e Inductivos. [Monografía en Línea] Consultado el 8 de octubre de 2014 en:

http://www.uaeh.edu.mx/docencia/Tesis/icbi/licenciatura/documentos/Sensores%20magneticos.pdf

Departamento de Electrónica, Automática e Informática Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid. Capitulo 8. Sensores y Actuadores [Documento en Linea] Consultado el 8 de octubre de 2014 en:

http://www.elai.upm.es/moodle/pluginfile.php/2062/mod_resource/content/1/CAPITUL8.PDF

Pérez, E.; Acevedo, J. y Fernández, C. (2009) Autómatas programables y

sistemas de automatización. Editorial Marcombo.