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FESTO

Sensores sin contacto D. Arce

Sensores sin contacto SC 2

1. ÍNDICE

1. Índice 2 2. Prólogo 3 3. Sensores de proximidad electrónicos

4

3.1. Características técnicas de los sensores de proximidad

4 3.2. Sensor magnético 7 3.3. Sensor de proximidad

inductivo 10

3.4. Sensor de proximidad de presión

15 3.5. Sensor opto electrónico 18 3.5.1. Principios ópticos de

funcionamiento 19

4. Conclusión 27


2. Prólogo “La noche había llegado y no se podía ver más allá de los corredores que eran iluminados por unas pequeñas lámparas, sin embargo, se podía escuchar cómo las máquinas se encontraban trabajando a su máxima capacidad; pero ¿cómo era posible esto? ¿acaso los operadores no necesitaban de la iluminación para ver lo que hacían?. La respuesta era sencilla, se trataban de máquinas totalmente automatizadas que no requerían de luz ambiental, ahorrando grandes cantidades de dinero en costos por energía eléctrica, gracias a sus sensores.” Uno de los grandes avances tecnológicos de este siglo ha sido el desarrollo de los sensores que han permitido mejorar substancialmente los procesos de producción. Sería inútil cualquier intento de controlar alguna variable, dentro de un proceso de producción, si no se conociese su condición antes de realizar cualquier control sobre esta. La variable a controlar podría ser: posición, nivel, velocidad, presión, temperatura, etcétera; un mal reconocimiento sobre el valor de la variable de proceso podría desembocar en una orden contraria a lo que se desea. El advenimiento de la electrónica en la sensórica ha sido el principal impulsor de su gran desarrollo, ya que con la miniaturización y confiabilidad de sus componentes es posible llegar a los lugares más recónditos e inaccesibles para el ser humano, por su seguridad o por su tamaño. Aplicando los diferentes medios como rayo láser, ultra sonido, rayos infrarrojos, campos magnéticos, campos eléctricos, etcétera; se consigue detectar prácticamente cualquier estado de una variable específica. En el presente documento daremos una visión general del campo industrial, dónde los sensores de proximidad se convertirán en nuestros sentidos y nos mostrarán su capacidad de detección.


3. Sensores de proximidad electrónicos 3.1. Características técnicas de los sensores de proximidad Ondulación residual Uw Se entiende como tal a la tensión alterna máxima permisible (pico-pico) de la tensión de funcionamiento, en volts. La tensión continua de alimentación para que funcionen los detectores puede ser entre + 10 V hasta + 30 V. El valor de voltaje no debe ser mayor ni menor a estos límites, ya que de otra manera no quedaría garantizada la seguridad de funcionamiento. La ondulación residual permitida a la tensión de alimentación es una tensión alterna, y esta debe tener un valor menor de 2.4 V en todo el margen de la tensión de funcionamiento.

Valor mín.

Valor máx.

Rango de valores de funcionamiento

Valor en voltaje


Intensidad de carga Ig : Es la intensidad máxima de corriente de salida que puede suministrar continuamente un sensor cuando tiene aplicada una carga eléctrica. La intensidad de carga del sensor determina que tipo de carga eléctrica es posible conectar directamente a la salida del sensor sin que sufra daño alguno.

Histéresis La Histéresis es un parámetro importante para la correcta selección de un sensor, ya que determina el rango de conmutación del sensor. Una vez que la pieza a detectar ha atravesado la distancia de detección, el sensor cambia su estado a activado. Al retirar la pieza a detectar de esta área, el sensor se mantiene activado hasta que la pieza se aleja lo suficiente, el sensor conmuta nuevamente a desactivado. Esta diferencia de distancias entre la activación del sensor y la distancia de desactivación es a lo que se conoce como Histéresis.

Corriente de carga máxima Ig

I

Sensor Carga

eléctrica


Histéresis:

Distancia de conmutación La distancia de conmutación (Sn) es aquella distancia a la cual una pieza a detectar se aproxime a la superficie del detector provocando un cambio de señal (DIN EN 50010). La distancia de trabajo es aquélla a la que funciona cualquier detector dentro del marco de las condiciones de funcionamiento permisibles (Máx. 0.81 x Sn).

Histéresis

Punto de desconexión

Punto de conexión

Dirección el movimiento

Sensor

Sensor

Distancia de conmutación

m

d

Superficie activa

Placa de metal

Dirección del movimiento


3.2. Sensor magnético En ocasiones el montaje de los sensores para detectar el final de carrera de los cilindros no es tan sencillo, se necesita ahorrar el esfuerzo de hacer las placas y bridas de montaje. Un concepto que permite con suma facilidad detectar los finales de carrera de los cilindros neumáticos, es el uso de sensores magnéticos que pueden detectar la posición del émbolo magnético de los actuadores, sin complicaciones de montaje mecánico. El sensor magnético es un interruptor de proximidad que se activa con un campo magnético externo. A diferencia del inductivo que genera su propio campo magnético. Ver capítulo de Sensores Inductivos. El sensor magnético se monta directamente sobre la camisa del actuador neumático, a través de cinchos y sujeciones especialmente diseñadas para tal uso. Es importante señalar, que este sensor operar sobre actuadores con émbolo magnético.


Tipo SME - 8 … Con cable integrado o conector Salida a 24 V PNP o NPN Montaje directo en los perfiles de los actuadores neumáticos FESTO

Tipo SME - 10 … Con cable integrado o conector Salida a 24 V PNP o NPN Montaje directo en los perfiles de los actuadores neumáticos FESTO

Tipo SME0 - 1B Con cable integrado Salida a 220 V c.a. Montaje sobre el actuador mediante accesorio

Sensores magnéticos


Tipo CRSMEO - 4 Con cable integrado Salida a 12 - 30 V c.a. o c.c. Montaje sobre el actuador mediante accesorio Operación en medio campo magnético o ruido eléctrico Cuerpo de polímero y cable TPE-O

Sensores magnéticos

Tipo SME-8C-KQ-24-S6 Con cable integrado o con conector Tensión de conexión 0 - 30 V c.c, o a.c. Montaje directo en las ranuras del actuador Operación en medio campo magnético o ruido eléctrico Temperaturas de -20 hasta +120°C


3.3. Sensor de proximidad inductivo. Principio físico de funcionamiento: En todo conductor en el que circula una corriente eléctrica se genera un campo magnético alrededor de éste. Al colocar un material ferromagnético cerca del campo magnético, las líneas de flujo se intensifican y provocan un aumento en el consumo de corriente. Esta variación de corriente puede ser detectada por un circuito de disparo, dando como resultado la emisión de la señal en valor de voltaje.

Observe en la siguiente figura la secuencia a bloques de detección de un sensor inductivo de proximidad:


Campo inductivo Variación de corriente Circuito amplificador Circuito de disparo

Funcionamiento

Si en el campo de la distancia de conmutación se acerca cualquier objeto metálico a la superficie activa del detector, entonces se produce una señal eléctrica. El funcionamiento es satisfactorio si quedan cubiertos de la superficie activa. Se muestran algunos valores orientativos para diferentes materiales:


Factores de reducción Distancia de conmutación nominal Acero St 37 1.0 x Sn Cromo - níquel aprox. 0.9 x Sn Latón aprox. 0.5 x Sn Aluminio aprox. 0.5 x Sn Cobre aprox. 0.4 x Sn Observación sobre el montaje de los sensores:

Estos sensores pueden influenciarse mutuamente al montarse muy próximos, según sean las condiciones de utilización. Para reducir esta influencia a un mínimo debería mantenerse entre ellos una distancia mínima equivalente al diámetro del detector. A continuación se muestran algunos tipos de sensor de proximidad inductivos, con sus características técnicas.

Superficie activa

Montaje

d >=d d Zona libre >= 3Sn

Cuerpo detectado


Tipo SIEN - Diámetros de 5, 8, 12, 18 y 30 mm Con cable o conector Salidas tipo NPN o PNP a 24 V Funciones N.A. Distancia de detección de 0.7 a 11 mm

Sensores inductivos

Tipo SIEN -4B Con cable o conector Salidas tipo NPN o PNP Funciones N.A. o N.C. Distancia de detección de 0.7 mm

Tipo SIEN - Diámetros de 12 y 18 mm Con cable o conector Salidas tipo NPN o PNP a 24 V Funciones N.A.o N.C. Distancia de detección de 3.2 a 8.6 mm


Tipo SIES-Q40B Montaje a ras Salidas N,A. tipo NPN o PNP Distancias de detección de 13.5 a 16.5 mm

Tipo SIEW- Alimentación a 20 hasta 265 V c.a. Corriente de salida de 300 mA Diámetros e 12, 18 y 30 mm Montaje a ras o saliente

Sensores inductivos


3.4. Sensor de proximidad de presión Principio de funcionamiento Este sensor usa material piezo-resistivo inmerso en una capa de silicona. La presión manométrica deforma este material, provocando una variación en su valor de resistencia, aumentando o disminuyendo la corriente que fluye a través de él. El sensor de presión es alimentado en voltaje por una fuente externa. La variación en la corriente es proporcional a la fuerza deformadora y posteriormente es amplificada en un valor de voltaje o de corriente.


Tipo SDE... Material pizorresistivo Presión de trabajo de 0 a 10 Bar Salida de 0 a 20 mmA o de 0 a 10 V

Sensores de presión


Tipo PENV -A Elemento pizoeléctrico Presión de funcionamiento de 0 a 12 bar 2 salidas analógicas de 0 a 10 V, o de 4 a 20 mA 2 salidas digitales por relé 150 mA Ajuste de histéresis y conmutación digitalmente

Tipo PENV - A-W Elemento pizoeléctrico Presión de funcionamiento de 0 a 12 bar 2 salidas analógicas de 0 a 10 V, o de 4 a 20 mA 2 salidas digitales por relé 70 Vc.c./60 W / 2 A, N.A. o N.C. Ajuste de histéresis y conmutación digitalmente

Sensores de presión


3.5. Sensor opto-electrónico Los sensores opto-electrónicos usan material semiconductor sensible a diferentes tipos de ases luminosos. La incidencia de los rayos luminosos (haz de luz infrarroja, por ejemplo) provoca que cambie la conductividad del material semiconductor, pasando de un estado de alta impedancia a uno de baja impedancia. De esta manera es posible abrir o cerrar circuitos diversos con la estimulación por haz de luz.

Los sensores opto-electrónicos funcionan aprovechando lhaz propiedades de los hazes luminosos, tales como: reflexión, difracción, barrera de luz y fibra óptica.


3.5.1. Principios ópticos de funcionamiento Reflexión óptica Un haz de luz incidente es reflejado con un ángulo igual al de incidencia, y en una proporción que depende de las características de textura del cuerpo, tales como rugosidad, porosidad, color y brillo, así como de su forma geométrica. Es posible usar este principio óptico para la detección de diferentes cuerpos en el campo industrial. Su fácil montaje permite ahorrar costos de instalación, además de ser un sensor del tipo no invasor por lo que evita la contaminación del proceso. Sin embargo, sus limitantes como ya se menciono arriba dependen del cuerpo. Uno de ellos es la desviación del ángulo de reflexión, para reducir este se emplea este principio en longitudes máximas de detección del orden de los 360 mm. Otra limitante que se tiene con este principio es la imposibilidad de detectar cuerpos opacos, es decir, aquellos que no reflejan el haz luminoso. Considerando estas limitantes para la selección del método de detección, el principio por reflexión puede ser un sistema eficaz y económico para el sensado de piezas en una línea de producción.

ER

Cuerpo en

Sensor por reflexión

ER

Sensor por reflexión

Cuerpo


Barrera de luz por reflexión (barrera réflex) Este método parte del principio óptico de reflexión, pero en esta ocasión usa un disco reflejante (con alto índice de reflexión), que mantiene constantemente reflejado el haz, formando una barrera de luz. El cuerpo a detectar cruza esta barrera cortándola e interrumpiendo la señal. Para poder hacer efectivo este principio, se emite un haz de luz con un tren de pulsos que sufrirá un defasamiento, o una variación en la intensidad de luz recibida, si la distancia de detección es cambiada por un cuerpo que cruce la barrera de luz. Con este principio se obtienen grandes ventajas sobre el principio de reflexión directa, ya que es posible detectar cuerpos opacos inclusive, y la distancia de detección se ve aumentada hasta los 3.6 m


Barrera de luz En los dos casos anteriores el emisor y receptor de luz se encontraban montados conjuntamente en el mismo cuerpo. En el principio de barrera de luz, el emisor y receptor se encuentran separados, uno al extremo del otro. De esta manera cualquier cuerpo que cruce el haz de luz cortará o desviará la barrera de su destino, permitiendo detectar el objeto. Una limitante aparente de este principio es en los cuerpos transparentes, en el cual el haz de luz podría cruzar sin ningún problema, sin embargo, para solucionar este problema, tanto el emisor como el receptor se colocan con una cierta inclinación, de tal manera que el haz incidente en la pieza transparente no sea totalmente perpendicular, de esta manera se produce el efecto de difracción luminosa, es decir, el haz de luz sufre una desviación de su ruta original. Otra gran ventaja del uso de la barrera de luz es su distancia de detección, que aumenta considerablemente, hasta los 10 m . Se deberá observar cuidadosamente la alienación del emisor con el receptor, a demás de la frecuencia de conmutación de estado del sensor.


Fibra óptica En algunas aplicaciones industriales es necesario detectar piezas de trabajo sumamente delgadas o pequeñas, un sensor óptico rutinario emite un haz demasiado ancho, por lo que la pieza podría introducirse dentro del haz sin interrumpir en forma considerable su camino hacia el receptor. En otras aplicaciones el espacio es muy reducido, así que las dimensiones del sensor imposibilitarían su montaje. Una fibra óptica es un conductor de luz, que puede ser de vidrio o de algún polímero. El haz de luz que se introduce por uno de los extremos del conductor viaja a través de este, sin importar las curvaturas del mismo. No existen pérdidas por longitud de transmisión, a demás de no sufrir variaciones por radicaciones electromagnéticas externas. Es posible adaptar la fibra óptica a los sensores ópticos convencionales a través de acopladores ópticos, permitiendo la detección de pequeñas piezas o a través de ranuras muy reducidas, con distancias de detección de hasta los 15 cm. La aplicación de la fibra óptica es posible tanto con el principio de barrera de luz como el de reflexión. Para la aplicación con el principio de barrera de luz deberá de tenerse especial cuidado en la alineación del emisor - receptor.


Sensores opto-electrónicos

Reflexión Directa Tipo SOEG-RT-M Con cable o conector Salida NPN o PNP Tensión de 10 a 30 V c.c. Con potenciómetro para regular la distancia de detección de 20 a 430 mm Frecuencia de conmutación < 250 Hz

Reflexión Directa Tipo SOEG-RT-Q Con cable o conector Salida NPN o PNP Tensión de 10 a 30 V c.c. Con potenciómetro para regular la distancia de detección de 0 a 600 mm Frecuencia de conmutación < 1000 Hz



Barrera de luz Tipo SOEG-S-Q SOEG-E-Q Salida NPN o PNP Tensión de 10 a 30 V c.c. Con potenciómetro para regular la distancia de detección de 100 a 6000 mm Frecuencia de conmutación < 1000 Hz

Fibra Óptica Tipo SOEG-L-Q Salida NPN o PNP Tensión de 10 a 30 V c.c. Frecuencia de conmutación < 1000 Hz



Tipo SOEZ - Fibra óptica de PMMA o de fibra de vidrio Para barrera simple o de reflexión

Tipo SOE -LKS Cortador de fibra óptica de polímero


4. Conclusión “Algunos ven las cosas como son, y se preguntan : ¿Porqué son así?; yo las veo como podrían ser y me pregunto ¿Porqué no?”.

J. F. Kenedy Sin duda, la realidad suele tener el matiz que nosotros queremos; la visión de algunos cuantos ha traído el futuro al presente, y con él: los robots, la tecnología de rayo láser, sistemas de inteligencia artificial, etcétera. Hoy en día, por ejemplo, existen sistemas de cámara con circuito cerrado, que muestran al control de una máquina la imagen bidimensional del producto, sin embargo, su aplicación solo es eficiente en algunos procesos específicos. O también máquinas que “huelen” identificando el aroma (claro, dentro de una gama reducida de olores), u otras máquinas que pueden “sentir” la temperatura, el peso, la fuerza e inclusive pueden “ver” objetos en movimiento, determinando su velocidad y aceleración. Las máquinas han ampliado su campo de visión con la sensórica, pero : ¿ y nosotros ?, ¿ estamos listos para soportar el mantenimiento y desarrollo de estas máquinas?, ¿ hemos tenido la visión fugitiva de ver hacía el futuro inmediato? En Festo si lo hemos hecho y lo continuamos haciendo, por lo que lo invitamos a continuar con nuestro ciclo de conferencias técnicas.

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