laboratorio 1 sensores y actuadores

LABORATORIO TALLER # 1

INFORME DE RESULTADOS PRACTICA DE PROXIMIDAD DE SENSORES INDUCTIVO , CAPACITIVO Y PTICO.

Sensores y Actuadores 11205

Grupo 383 -244 Andrs Benavides 20101073022 Harold Rojas 20101073034

Grupo 383 -245

Carlos Martnez 2014138362 Toms Roncancio 20141383003 Andrs Vega 20141383014

Presentado a: Cesar Augusto Quintero Obando

Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas Facultad Tecnolgica Ingeniera en Control

Sensores y Actuadores 27 de Marzo de 2015

Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas

Ingeniera en Control

INTRODUCCIN

La automatizacin y el control industrial, es un tema amplio y de suma trascendencia en el desarrollo e innovacin de la industria en el pas. En las ltimas dcadas se ha seguido la tendencia de automatizar de manera progresiva procesos productivos de todo tipo. Esto con el fin de mejorar la productividad de la empresa, las condiciones de trabajo del personal, la disponibilidad de los productos y simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulacin del proceso productivo, entre otros. El presente trabajo consiste en una compilacin de datos tomados en una practica de laboratorio de la sala de automatizacin de la Facultad Tecnologica de la Universidad Francisco Jos de Caldas. En la actualidad es impensable realizar y controlar procesos industriales, sin elementos autmatas programables, elementos de gobierno y sensores. stos permiten controlar las variables que afectan cualquier proceso industrial. Procesos como contadores, detectores de presencia, detectores de objetos, control de niveles, medidas de seguridad, chequeo de contenidos, inspecciones de calidad automticos, posicionamiento y verificacin y un largo etctera serian impensables sin esta combinacin de elementos. Para analizar la importancia de los sensores en el campo del control industrial, debemos hacer un anlisis de lo que significa automatizacin: automatizar significa que en un proceso productivo no se cuenta con la participacin del ser humano, y solo lo hace para fijar instrucciones bien modificarlas. En los procesos industriales los sensores equivalen a los ojos, la boca, la nariz, la lengua del ser humano y estos sirven para proporcionar informacin al dispositivo de control que puede ser un microprocesador el cual va a hacer las funciones del cerebro. Adems, la importancia de identificar el concepto de sensor de manera correcta en un sistema de medida es ineludible, ya que el grado de confiabilidad de una medicin aumenta cuando todos los factores que influyen en la medicin se encuentran completamente definidos.



OBJETIVOS El objetivo del presente informe es conocer la definicin, caractersticas, funcionamiento y aplicaciones de los sensores de proximidad capacitivos, inductivos y pticos. Esto con base en la observacin y experimentacin del comportamiento de los sensores a los cambios de materiales y distancias segn el planteamiento del profesor y el monitor encargado del laboratorio especializado.



MARCO TEORICO Transductores: un transductor, no es ms que un dispositivo el cual tiene la capacidad de convertir un tipo de energa en otro y se clasifican en : Transductores de Entrada: de tipo elctrico, cuya caracterstica es la de convertir cualquier tipo de energa en energa elctrica (Corriente y Voltaje), como ejemplo podemos citar un micrfono que convierte la energa acstica en impulsos elctricos. Transductores de Salida: convierten la energa elctrica en cualquier tipo de energa como ejemplo: una bocina Sensores: Se denomina sensor a todo elemento que es capaz de transformar seales fsicas como temperatura, posicin, longitud etc. en seales elctricas. Sensores, son los dispositivos que son usados para detectar y en algunos procesos para medir la magnitud de algo, asocia la palabra sensar a detectar. En la realidad, un sensor es un transductor el cual se utiliza para convertir variaciones del tipo mecnico, magntico, trmico, ptico qumico en seales del tipo elctrico. Las variaciones de tipo mecnico corresponden a un movimiento que se detecta mediante un sensor y se enva una informacin elctrica, o bien cuando se genera un campo de origen magntico y este se ve afectado por la presencia de un elemento metlico, tambin cuando se detectan cambios de temperatura , o cambios en la intensidad luminosa (cambios pticos), inclusive en campos experimentales agrcolas donde se detectan: la acides, la salinidad y en los laboratorios el pH de sustancias. Todos estos elementos no podemos utilizarlos de manera directa en un controlador sino que tenemos que convertir esas variaciones a seales del tipo elctrico. Los sensores en la industria son categorizados de acuerdo a la magnitud que miden, pero tambin al rol que juegan en el moderno proceso de control de manufactura. Clasificacin: Podemos clasificar los sensores segn el parmetro fsico que miden: temperatura, presin, posicin, longitud, nivel etc. Tambin podemos clasificarlos atendiendo a el tipo de salida: Salida analgica (Voltaje Corriente) y salida digital (1 / 0) (Tabla1.) MAGNITUD TRANSDUCTOR CARACTERSTICA Posicin lineal o angular Potencimetro Analgica Encoders Digital Desplazamientos y deformacin Transformador diferencial Analgica Galga extensiomtrica Analgica Velocidades lineales y angulares Dinamo tacomtrica Analgica Encoders Digital Detector inductivo Digital



Aceleracin Acelermetro Analgico Sensor de velocidad Digital Fuerza y par Galgas Analgico Presin Membranas Analgica Piezoelctricos Analgica Caudal Turbina Analgica Magntico Analgica Temperatura Termopar Analgica PT100 Analgica NTC Analgica PTC I/0 Bimetal I/0 Sensores de presencia Inductivos I/0 Capacitivos I/0 pticos I/0 Analgica Sensores tctiles Matriz de contactos I/0 Piel artificial Analgica Visin artificial Cmaras de video Procesamiento digital Cmaras CCD Procesamiento digital

Tabla1. Magnitud, Transductor y clasificacin segn su salida. Sensores Inductivos (Figura 1): Se encuentra clasificado dentro de los sensores de proximidad. Es usado en deteccin de materiales metlicos debido a la composicin del mismo. Es simplemente una bobina electromagntica que al detectar un campo elctrico, producto de un metal, puede accionarse. Segn sus dimensiones, este sensor puede funcionar a diferentes distancias y en el momento que el metal entre a su campo electromagntico.

Figura 1. Sensor Inductivo.



Existe otra forma de clasificacin e identificacin y corresponde al blindaje expuesto por la forma del sensor como lo indica la figura 2.

Figura 2. Blindaje Sensores Inductivos.

Los sensores NO blindados, tiene por lo general, una mayor distancia de accionamiento de sensado que los dispositivos blindados. Los sensores blindados pueden ser montados a ras del metal, pero siempre se recomienda, dejar un espacio prudente de la superficie de sensado para evitar desgaste fsico debido a la irregularidad de los materiales sensados. Sin embargo, esto es ajustable segn el tipo de aplicacin. Segn esta definicin podemos indicar que estos sensores, dentro de un proceso de reciclaje, pueden ser usados para detectar y aislar materiales de tipo ferroso, como el hierro y el acero. Por ejemplo tornillera, tubos metlicos, piezas metlicas de diferentes tamaos, motores, herramientas, cables etc. . Es importante aclarar que los materiales provenientes de desperdicios de productos como latas de leche en polvo, de conservas, de refrescos, etc. pueden ser detectadas por este tipo de sensores pero la distancia no ser la misma que con los materiales propiamente ferrosos. Estos sensores viene calibrados con un objeto estndar de 1 x 1 cm de hierro dulce (Ideal). Sensores Capacitivos (Figura 3): Se encuentra clasificado dentro de los sensores de proximidad al igual que le sensor inductivo. El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, est basado en la medicin de los cambios de capacitancia elctrica de un condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximacin de cualquier material.



Figura 3 Sensor Capacitivo

Los sensores de proximidad inductivos y capacitivos estn basados en el uso de osciladores, en los que la amplitud de oscilacin vara al aproximar un objeto. Si un objeto o un medio (metal, plstico, vidrio, madera, agua) irrumpe en la zona activa de conmutacin, la capacitancia del circuito resonante se altera. Al aumentar la capacidad, la corriente en el circuito oscilador tambin aumenta (que es el que suministra la alta frecuencia). La distancia de conmutacin es una funcin resultante del tipo, longitud lateral y grosor del material utilizado. Muchos metales producen aproximadamente el mismo valor. Los sensores capacitivos son siempre muy prcticos. Sus distancias de deteccin, de entre 1 y 25 mm, proporcionan margen suficiente en casi cualquier situacin de instalacin y los hacen extremadamente adaptables para una amplia gama de aplicaciones. Las impurezas y la contaminacin, el polvo y las partculas en suspensin no les afectan, como tampoco las interferencias electromagnticas. No es de extraar que se utilicen en los sectores industriales ms diversos: en la industria de alimentacin o del automvil o en equipos de almacenamiento y cintas transportadoras. Segn esta definicin podemos indicar que estos sensores, dentro de un proceso de reciclaje, pueden ser usados para detectar y aislar materiales de tipo plstico, papel, madera, e incluso los mismo metales. Por ejemplo cartn, papel, equipos electrnicos, vidrio (sobre todo botellas y frascos) revistas, peridicos, papel, bolsas de plstico, botellas de plstico etc Sensores pticos (Figura 4): Los sensores pticos pueden ser usados para clasificar los materiales segn su tamao o segn su color. Los sensores pticos funcionan de manera totalmente automtica y separan la contaminacin que no cumple el criterio de color (por ejemplo botellas con color de incoloras no transparentes) de un flujo de material reciclable. La inspeccin ptica se realiza mediante cmaras de alta velocidad. Se evala la informacin relevante pticamente y las fracciones de color deseadas o no deseadas son separadas de acuerdo a la necesidad. Son ideales en reciclaje PET.



Figura 4. Sensores pticos.

Histresis: La histresis de un sensor fotoelctrico es la diferencia entre la distancia en la que se puede detectar un objeto a medida que se mueve hacia el sensor y la distancia que se tiene que mover en direccin opuesta al sensor para que deje de ser detectado, tal como se observa en la Figura 5.

Figura 5. Histresis.

MATERIALES

Sensor Inductivo 152902 (Figura 6)1 Sensor ptico 152904 (Figura 6)2 Sensor capacitivo 152903(Figura 6)3 Fuente de alimentacin FESTO +24 v (Figura 7) Placa de distribucin D ER. VERT FESTO (Figura 8) Superficie de Trabajo (Banco de trabajo # 2) Corredera de ajuste de posicin (Figura 9). Maletn de materiales de prueba.(Figura 10)4

1 Anexo A 2 Anexo B 3 Anexo C 4 Anexo D



Figura 6. Sensor Inductivo (1), Sensor ptico(2) Sensor Capacitivo (3)

Figura 7. Fuente de alimentacin +24DC

Figura 8. Placa de Distribucin.



Figura 8. Corredera de ajuste de Posicin.

Figura 10. Maletn Materiales de Prueba.



PROCEDIMIENTO

Montar la placa de distribucin (D. ER VERT SENSOR), la corredera de ajuste (D.ER. VS FP1110) y el sensor inductivo (D.ER- SIE-M18) en el tablero de ensamble. De ser posible y para economizar tiempo, podemos alinear los tres sensores para la evaluacin como se evidenciar mas adelante.

Figura 11. Disposicin.

Los sensores se colocan centrados al frente de la corredera de ajuste de posicin (Figura 11 ).Conecte la energa elctrica de 24 V+ y los sensores a la placa de distribucin (Figura 12 )

Figura 12. Conexiones Elctricas.

Recordemos que la norma de colores para los sensores de proximidad corresponde a



(figura 13): Rojo =Alimentacin positiva. Azul = Tierra /referencia/ 0 v Negro= Salida o respuesta del sensor

Figura 13. Conexin panel sensores.

En seguida medimos la distancia de conmutacin del sensor para cada uno de los diferentes materiales de prueba que ofrece el maletn. Con los valores medidos referenciamos el punto donde ocurre la activacin y desactivacin, cuando la placa se aproxima al sensor, as como tambin, el punto de activacin y desactivacin al alejarse de dicha placa del sensor.

Figura 14. Medicin activacin.

A continuacin tomamos cada uno de los materiales que ofrece el maletn de los objetos de prueba y lo ponemos en el soporte de la corredera de ajuste posicin. La gua original indica que las mediciones de ON y OFF deben ser tomadas con un calibrador (pie de rey/ vernier) para lograr un grado de exactitud mayor debido al comportamiento de los sensores evaluados. Para la practica realizada no se contaba con el instrumento y slo se pudo tomar las mediciones con ayuda de un flexmetro. Sin embargo el grupo de trabajo se esforz por ser lo mas preciso posible en las mediciones. Este inconveniente suma



incertidumbre a la medicin y por ende el error se encuentra en un intervalo mayor al esperado. Luego, tomamos las diferentes placas de metal y dems materiales (Acero inoxidable. Aluminio, latn, cobre, plstico etc.)5 y lleve acabo las mediciones correspondientes con cada uno de ellos llenando la Tabla 1. El circuito de activacin de cada sensor se evidencia al ser encendido una lmpara piloto del panel de distribucin. Es en ese momento donde se debe medir la distancia de activacin y ser registrado en la tabla (Figura 15).

Figura 15. Circuito de activacin.

Para efectos de simplicidad, cada uno de los materiales del maletn de muestras ser expuestos ante los tres sensores al mismo tiempo. Siendo el primero el sensor inductivo , el segundo el sensor capacitivo ya que son los sensores que se activan a menor distancia y su comportamiento en similar a excepcin de los materiales con los que esperamos reaccionen. Por ultimo obtendremos el dato del sensor ptico quien es el que mas histresis presenta. Es importante registrar los puntos de activacin y desactivacin en la tabla. Calculamos la histresis (diferencia entre los puntos de activacin y desactivacin) y anotamos en la tabla.

5 Anexo E



Figura 16. Activacin materiales.

RESULTADOS

D. S ES SIE-PS-LED.MIL/ 152902 /INDUCTIVO (Anexo A)

#Material6 Punto de Conexin

Punto de desconexin Histresis

3 3mm 4 4mm 5 1,5mm 6 2mm 7 1mm 8 --------- --------- ---------

9A --------- --------- --------- 9B --------- --------- --------- 10 --------- --------- --------- 17 --------- --------- --------- 18 --------- --------- --------- 19 --------- --------- --------- 20 --------- --------- --------- 21 --------- --------- --------- 22 --------- --------- ---------

Tabla 1.Recoleccin de datos Sensor Inductivo.

6 Ver Anexo E



D. S ES SOE-RT-PS/ 152904 /PTICO(Anexo B) #Material7 Punto de

Conexin Punto de desconexin Histresis

3 18,5mm 22,5mm 4mm 4 --------- --------- --------- 5 28,3 mm 34,0 mm 5,7 mm 6 33,3 mm 39,5 mm 6,2 mm 7 30,7 mm 37,3 mm 6,6 mm 8 21,0mm 26,1mm 6,1 mm

9A 14,5 mm 17,8 mm 3,3 mm 9B 15,8 mm 19,3 mm 3,5 mm 10 23,3 mm 27,9 mm 4,6 mm 17 19,4 mm 23,1 mm 3,7 mm 18 22,9 mm 28,0mm 5,1 mm 19 22,9 mm 27,7 mm 4,8 mm 20 20,6 mm 25,5 mm 4,9 mm 21 16,2 mm 19,6 mm 3,4 mm 22 26,1 mm 32,6 mm 6,4 mm

Tabla 2. Recoleccin de datos Sensor Capacitivo.

D. S ES SIE-PS-LED.MIL/ 152902 /CAPACITIVO(Anexo C) #Material7 Punto de

Conexin Punto de desconexin Histresis

3 3 mm 4 4 mm 5 3 mm 6 3 mm 7 4 mm 8 1,5 mm

9A 1 mm 9B 2 mm 10 --------- --------- --------- 17 2 mm 18 --------- --------- --------- 19 --------- --------- --------- 20 --------- --------- --------- 21 --------- --------- --------- 22 1 mm

Tabla 1. Recoleccin de datos Sensor ptico.

7 Ver Anexo E



Nota: El material 9A corresponde al hule puesto por el sector corrugado. El material 9B corresponde al hule por su rea lisa. NOTA 2: El material 22 corresponde a cartn de dimensin 100 mm x 100 mm.

ANLISIS DE RESULTADOS Evaluaremos cada uno de los sensores por aparte: Sensor Inductivo: A simple vista podemos observar que el sensor inductivo no tiene reaccin con los materiales que no son metal. Entre los materiales que no son detectados se encuentran papel, hule plstico. En efecto, esto corresponde a lo estudiado en el marco terico. Observamos tambin que la mxima distancia registrada de sensado en los materiales se presenta en el acero inoxidable y al comparar con la ficha tcnica, evidenciamos que la mxima distancia de sensado corresponde a los 4 mm. Los campos elctricos de cada material hacen que el comportamiento de sensado sea diferente. As el acero ofrece la mejor deteccin. Si el material es ferromagntico, aluminio, cobre, cobalto, nquel y sus aleaciones, la distancia de activamiento disminuye notablemente. Para hacer el anlisis de histresis del sensor inductivo necesitamos la ayuda de un calibrador. NO fue posible obtener esta herramienta dentro del laboratorio y los valores de hicieron con una cinta mtrica. Debido a al resolucin de este instrumento los valores de activacin y desactivacin son iguales En teora sabemos que esto no es as, Por lo cual nos dimos a la tarea de encontrar un estudio similar y obtuvimos una tabla de resultados experimentales que nos puede servir para evaluar la histresis.

Tabla 4. Resultados Experimentales Juan Carlos Mata Cancho.8

Al observar la tabla , evidenciamos que los valores de diferencia de conexin y desconexin del sensor inductivo, es del orden de las micras. Por lo cual observamos los resultados de histresis de 0,23 mm. Este valor es imposible de detectar con una cinta mtrica.

8 LABORATORIO No 01, SENSORES CAPACITIVOS, INDUCTIVOS Y OPTICOS. SENSORICA INDUSTRIAL CENTRO DE AUTOMATIZACION INDUSTRIAL FIIS UNI . JUAN CARLOS MATA CANCHO



El plstico el cartn y el hule no pudieron ser detectados, ya que se est utilizando un sensor inductivo, en el que es necesario para su atenuacin otro campo magntico proveniente del material a sensar. Sensor Capacitivo: A simple vista podemos observar que el sensor capacitivo reaccin con todos materiales a excepcin de los plasticos. Incluyendo los materiales de tipo metal. En efecto, esto corresponde a lo estudiado en el marco terico. Observamos tambin que la mxima distancia registrada en los materiales se presenta nuevamente en el acero inoxidable y al comparar con la ficha tcnica, evidenciamos que la mxima distancia de sensado corresponde a los 4 mm. Los sensores capacitivos reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa, sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexin respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto ms elevada sea su constante dielctrica. El punto que ms llama la atencin de los datos recolectados, consiste en que el sensor no es capaz de sensar el papel delgado (hojas de cuaderno) as como tampoco detecta el platico de ningn color. Esto se puede presentar debido a que los sensores capacitivos poseen un ajuste de sensibilidad y si los materiales a sensar son de constante dielctrica dbil, el sensor debe ajustar su sensibilidad para que funcione con dichos materiales. Para hacer el anlisis de histresis del sensor capacitivo necesitamos la ayuda de un calibrador. NO fue posible obtener esta herramienta dentro del laboratorio y los valores de hicieron con una cinta mtrica. Debido a al resolucin de este instrumento los valores de activacin y desactivacin son iguales En teora sabemos que esto no es as, Por lo cual nos dimos a la tarea de encontrar un estudio similar y obtuvimos una tabla de resultados experimentales que nos puede servir para evaluar la histresis.

Tabla 5. Resultados Experimentales Juan Carlos Mata Cancho.9

Al observar la tabla , evidenciamos que los valores de diferencia de conexin y desconexin del sensor inductivo, es del orden de las micras. Por lo cual observamos los resultados de histresis mximo de 1,35 mm. Este valor es muy difcil de detectar con una cinta mtrica.

9 LABORATORIO No 01, SENSORES CAPACITIVOS, INDUCTIVOS Y OPTICOS. SENSORICA INDUSTRIAL CENTRO DE AUTOMATIZACION INDUSTRIAL FIIS UNI . JUAN CARLOS MATA CANCHO



Sensor ptico: Los sensores de proximidad pticos son similares a los sensores ultrasnicos en el sentido de que detectan la proximidad de un objeto por su influencia sobre una onda propagadora que se desplaza desde un transmisor hasta un receptor. Partiendo de este principio todos los materiales referidos en el maletn son sensados por poseer las caractersticas de reflejar ondas electromagnticas sin distincin. Por el comportamiento de este tipo de sensor es fcil reconocer el periodo de histresis. Como se evidencia en la Tabla 2. El funcionamiento que observamos que el funcionamiento es indistinto al material. Tiene un mucho mejor alcance comparado con los sensores inductivos y capacitivos. Los materiales reflectantes tambin fueron sensados por el sensor , tal cual lo indica la ficha tcnica.

CONCLUSIONES

Como primera conclusin afirmamos que el estudio de histresis arrija valores del orden de los micrmetros. Por esta razn , es indispensable usar un calibrador pie de rey. Sin esta herramienta es muy difcil indicar la diferencia entre el encendido y el apagado del sensor inductivo y capacitivo. Por esta razn recurrimos a un estudio citado en las notas al pie, para evaluar y comprobar los valores que arrojan sensores inductivos y capacitivos idnticos a los usados en nuestra practica.

La gua original 1110 de Festo indica que las mediciones deben ser hechas a travs

de un pie de rey calibrado y se debe hacer un estudio de factor de reduccin.

Comprobamos el funcionamiento de cada uno de lo s sensores tal cual se especifican en las fichas tcnica. Su reaccin frente a los distintos materiales es correspondiente al marco terico y su mxima distancia de sensado es coherente con lo expuesto en las fichas tcnicas.

La teora de sensores en amplia. Existen muchas fuentes confiables y estudios online

pero nos centramos especficamente en los sensores manipulados en el laboratorio/practica. Que corresponden a la lnea de sensores deteccin sin contacto fsico.

A pesar de NO contar con instrumentos para medir adecuados (pie de rey), nuestro

grupo de trabajo se esforz por ser lo mas preciso posible en las mediciones. A estos valores medidos (indicaciones) se les debe sumar la incertidumbre propia del mtodo de medicin la magnitud medida (longitud), el factor de correccin del instrumento que se mide y si queremos ser mas veraces (exactitud, precisin correccin de error) debemos hacer correcciones por temperatura debido al comportamiento de los metales a ciertas temperaturas.



El tamao de las muestras no influye en las distancias de sensado de ninguno de los sensores analizados. A futuro podramos establecer si el ngulo de incidencia afecta la deteccin como lo hace el laboratorio citado.

Lo ms importante en toda deteccin por medio de sensores ya sea inductivos y/o

capacitivos es el cuan cercano este el objeto para el cual ser detectado por el sensor. Debido a las limitaciones de los campos magnticos, los sensores inductivos tienen una distancia de deteccin pequea comparados con otros tipos de sensores como el sensor ptico.. Esta distancia puede variar, en funcin del tipo de sensor inductivo, desde fracciones de milmetros hasta 40 mm en promedio.

Se puede usar sensores inductivos o capacitivos para detectar objetos similares pero

con sus respectivas limitaciones para cada caso, es importante el tamao del sensor el cual es influyente en la distancia de sensado.

La superficie del objeto a detectar no debe ser menor que el dimetro del sensor de

proximidad (preferentemente 2 veces ms grande que el tamao o dimetro del sensor). Aunque esto no pudo ser evidenciado en la propia practica.

Los sensores inductivos cilndricos son los ms usuales en las aplicaciones

presentes en la industria.

Las ventajas del sensor capacitivo son algunas ms que en el caso de los sensores inductivos como por ejemplo: La primera ventaja es comn para ambos, detectan sin necesidad de contacto fsico, pero adems esto sensor lo realiza de cualquier objeto.

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

La chicharrara o sirena como mtodo de deteccin es muy moleta dentro del laboratorio. Sin duda es mejor usar los pilotos indicadores del panel de distribucin.

laboratorio 1 sensores y actuadores

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