Automatas Programables y Sistemas de Automatización. Parte 2

ENTORNO DE

LOS AUTMATAS

PROGRAMABLES

En esta cuarta parte se estudia el entorno de los autmatas programables en sus

distintos aspectos.

El captulo 7 est dedicado a los sensores industriales que suministran informacin del

entorno a los sistemas electrnicos de control. En l se estudian los parmetros

comunes a los diferentes tipos de sensores y se hace especial nfasis en los sensores

detectores de objetos y de medida de distancias, que se utilizan en los procesos de

fabricacin (Manufacturing processes ) .

El captulo 8 se dedica a los interfaces de entrada y salida, tanto de conexin de los

sistemas electrnicos de control con los procesos como con los usuarios. Especial

nfasis se hace en los equipos de interfaz usuario-mquina conocidos actualmente por

las siglas inglesas HMI (Human Machine Interface ) y los sistemas de

supervisin y adquisicin de datos conocidos por las siglas SCADA (Supervisory

Control And Data Acquisition ) .

En el captulo 9 se describen primero los diferentes conceptos asociados con la

automatizacin de los procesos productivos tanto continuos (Processes) como de

fabricacin ( M a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s ) y el papel que juega el computador en ellos. A

partir de dichos conceptos se describe la pirmide de la fabricacin integrada por

computador (pirmide CIM) y se establecen sus necesidades de comunicacin que han

dado lugar al rea de la tecnologa conocida como Comunicaciones Industriales. Se

analizan finalmente las Comunicaciones Industriales y, para facilitar su asimilacin

por parte del lector, en los apndices 1, 2, 3 y 4 se describen respectivamente las

Comunicaciones Digitales, el bus de campo AS-i, la familia de redes de campo

PROFIBUS y la red industrial universal Profinet.

4

CAPTULO 7

Sensores Industriales 7.1 Introduccin

Tal como se indica en los captulos 1 y 4, para que un sistema electrnico pueda contro lar un proceso o un producto industrial es necesario que reciba informacin de la evolucin de determinadas variables fsicas del mismo, que en su mayora no son elctricas (como por ejemplo la temperatura, la presin, el nivel de un lquido o de un slido, la fuerza, la radiacin luminosa y la posicin, velocidad, aceleracin o desplazamiento de un objeto, etc.). Por ello, el acoplamiento entre el sistema electrnico y el proceso productivo se debe realizar a travs de dispositivos que convierten las variables no elctricas en elctricas. Dichos dispositivos reciben diversos nombres, como captador (Receiver), detector (Detector), transductor (Transducer), transmisor (Transmitter), sonda y sensor (Sensor), aunque es este ltimo el ms utilizado por los fabricantes de sistemas electrnicos de control en general y por los fabricantes de autmatas programables en particular.

No existe una nica definicin de sensor aceptada de manera universal. Se considera que, en general, un sensor es todo dispositivo que, situado en un cierto medio, genera una seal (funcin de alguna caracterstica de dicho medio) de una determinada forma fsica (presin, nivel, temperatura, etc.), convertible en otra seal de una forma fsica diferente. El elemento que realiza dicha conversin se suele denominar transductor (Transducer). Cada vez es ms usual denominar sensor o elemento sensor al conjunto formado por el dispositivo sensor, anteriormente descrito, y el transductor acoplado a l. Por otro lado, la existencia de sistemas que memorizan, amplifican, y en general procesan seales elctricas, hace que la mayora de los transductores conviertan variables no elctricas en elctricas. Por todo lo expuesto, cada vez se utiliza ms la palabra sensor (Sensor) para definir al dispositivo o elemento que convierte una variable fsica no elctrica en otra elctrica, que en alguno de sus parmetros (nivel de tensin, nivel de corriente, frecuencia, etc.), contiene informacin correspondiente a la primera. Por otra parte, el tipo de seal elctrica portadora de informacin y sus parmetros vara de un dispositivo sensor a otro y por ello es necesario acoplar la salida de ste a un circuito que, de acuerdo con las caractersticas de aqulla, realice al menos una de las siguientes operaciones:

Amplificacin de la seal (Sgnal amplificaton).

Filtrado (Filtering).

Correccin (Correction).

Conversin (Conversion) en otra diferente.

429

Autmatas programables y sistemas de automatizacin

Dicho circuito recibe el nombre de circuito acondicionador o de acondicionamiento (Sig- nal conditioner) y su utilizacin conjunta con el elemento sensor da lugar a un sistema como el representado en la figura 7.1 que puede ser denominado Sistema Sensor, aunque normalmente se le denomina simplemente sensor. Dicho sistema genera una seal normalizada, ya sea por el fabricante o siguiendo pautas establecidas por organismos de normalizacin, como por ejemplo la IEC (acrnimo de International Electrotechnical Commission), el IEEE (acrnimo de Institute of Electrical and Electronic Engineers), etc.

De todo lo expuesto se concluye que el anlisis de los sensores es una tarea compleja y la seleccin del ms adecuado para una aplicacin determinada obliga a tener en cuenta mltiples factores (tipo de magnitud a medir y sus caractersticas, principio de funcionamiento del sensor, etc.), que se estudian en sucesivos apartados.

A los sistemas sensores adecuadamente construidos para trabajar en las condiciones existentes en un entorno industrial (temperatura elevada, presencia de polvo, humedad relativa alta, etc.) se les denomina en este libro Sensores Industriales (industrial Sensors). Los sensores industriales son, en la gran mayora de los casos, sistemas sensores como el representado en la figura 7.1 o sensores inteligentes (Smart sensors) como los descritos en el apartado 7.2.7 (Figura 7.15), adecuadamente encapsulados. Los sensores inteligentes forman parte de los dispositivos electrnicos inteligentes conocidos como IED (acrnimo de Intelligent Electronic Devices).

Seal elctrica

normalizada

Figura 7.1 Componentes bsicos de un sensor.

En este captulo se trata de proporcionar al lector la formacin adecuada para aplicar los sensores

industriales comercializados por diferentes fabricantes. Por ello, en general, no se entra en los detalles del

circuito de acondicionamiento. Al lector interesado se le remite a la bibliografa [FRAD 96] [PALL 98]

[PALL 01] [PERE 03] [WILS 05].

7.2 Caractersticas de los sensores industriales

7.2.1 Introduccin

Tal como se indica en el apartado anterior, son muy numerosas las variables o magnitudes f sicas

susceptibles de ser transformadas en seales elctricas. Pero, adems, las seales elctri cas pueden contener la

informacin en un nmero elevado de parmetros diferentes (la amplitud de la tensin, la frecuencia, etc.) y

430

Sensores industriales

ello, los sensores se pueden clasificar de acuerdo con un conjunto de caractersticas diferentes y no

excluyentes que se indican en la tabla 7.1 y se analizan en sucesivos apartados.

Clasificacin

de los

sensores

Segn el principio de funcionamiento

Segn el tipo de seal elctrica que generan

Segn el rango de valores que proporcionan

Segn el nivel de integracin

Activos (Active or self generating)

Pasivos (Passive or modulating)

Analgicos (Analog)

Digitales (Digital)

Temporales (Timing)

De medida (Measurement)

Todo-Nada (On-Off)

Discretos (Discrete)

Integrados (Integrated)

Inteligentes (Smart)

Segn el tipo de variable fsica medida

Tabla 7.1 Clasificacin de los sensores.

7.2.2 Clasificacin de los sensores industriales segn el principio de

funcionamiento del elemento sensor

La existencia de numerosas variables o magnitudes fsicas susceptibles de ser convertidas en seales

elctricas da lugar a que tambin sean muy variadas las tecnologas o principios de conversin (inductivo,

piezoelctrico, extensiomtrico, capacitivo, etc.) que se emplean actualmente.

La naturaleza del principio de funcionamiento del elemento sensor empleado determina la clasificacin

de los sensores en:

Sensores activos

Se consideran activos o generadores (Active or self generating) los sensores en los que la

magnitud fsica a medir proporciona la energa necesaria para la generacin de la seal elctrica de

salida. Son un ejemplo de sensores activos los basados en los efectos piezoelctrico y termoelctrico.

Sensores pasivos

Son pasivos o moduladores (Passive or modulating) los sensores en los que la magnitud fsica

a medir se limita a modificar alguno de sus parmetros elctricos caractersticos como por ejemplo la

resistencia, la capacidad, etc. Los sensores de este tipo se caracterizan por necesitar una tensin de

alimentacin externa. Son ejemplo de sensores pasivos los basados en las resistencias cuyo valor depende de la temperatura (termorresistivos) o de la luz (fotorresistivos).

431


En la tabla 7.2 se indican los principales sensores pasivos y activos. Es conveniente resaltar que la

mayora de las variables fsicas se pueden convertir mediante varios sensores que utilizan principios de

funcionamiento distintos.

Clasificacin

de los

sensores

segn el

principio de

funcionamiento

Activos

Pasivos

Piezoelctricos

Fotoelctricos u optoelctricos

- Fotoemisivos

- Fotovolticos

Termoelctricos (Termopares)

Magnetoelctricos

- Electromecnicos

- Semiconductores

Otros

Resistivos (Resistencia variable)

- Potenciomtricos

- Termorresistivos

- Fotorresistivos

- Extensiomtricos

- Magnetorresistivos

- Electroqumicos

Capacitivos (Capacidad variable)

Inductivos (inductancia variable)

- Reluctancia variable

- Magnetoestricitivos

- Transformador variable

Otros

Tabla 7.2 Clasificacin de los sensores segn el principio de funcionamiento.

7.2.3 Clasificacin de los sensores segn el tipo de seal elctrica que

generan

Tal como se indica en el apartado 7.1, los sistemas sensores proporcionan a su salida seales elctricas. Una seal elctrica puede estar constituida por una tensin o voltaje entre dos puntos, la corriente a travs de un componente electrnico o la energa representada por la tensin en bornes de un componente, multiplicada por la corriente que pasa a travs de l. Pero tanto una tensin como una corriente elctrica pueden variar de distinta forma a lo largo del tiempo y dar lugar a diferentes maneras, denominadas formatos o dominios de datos (Data domains) , de representar informacin mediante algn parmetro de una seal elctrica. Por ello, segn el formato de la seal o seales elctricas que genera, un sistema sensor puede ser analgico, digital o temporal, tal como se indica en la tabla 7.1. A continuacin se estudia cada uno de ellos.

432

Sensores Industriales

7.2.3.1 Sensores analgicos Los sensores analgicos (Analog sensors ) generan seales elctricas denominadas analgicas

(Analog signals ) que pueden tomar cualquier valor dentro de unos determinados mrgenes y que

llevan la informacin en su amplitud. Su diagrama de bloques es el representado en la figura 7.2. Las seales

elctricas analgicas se pueden clasificar a su vez en variables o continuas.

Figura 7.2 Diagrama de bloques de un sensor analgico.

Las seales analgicas variables son aqullas que equivalen a la suma de un conjunto de senoides de

frecuencia mnima mayor que cero. Un caso tpico es la seal senoidal de frecuencia constante que

representa la informacin mediante su amplitud (Figura 7.3a) y las seales de audiofrecuencia.

Las seales analgicas continuas son aquellas que se pueden descomponer en una suma de senoides cuya

frecuencia mnima es cero. Se trata de seales que pueden tener un cierto nivel fijo durante un tiempo

indefinido (Figura 7.3b), y que representan tambin la informacin mediante su amplitud.

b)

Figura 7.3 Seales analgicas: a) Senoidal de frecuencia constante; b) Continua.

433

a)


Las seales analgicas pueden ser tambin unipolares o bipolares. Las unipolares slo pue den ser

positivas o negativas con respecto a un terminal de referencia, mientras que las bipolares pueden ser tanto

positivas como negativas (Figura 7.4).

Figura 7.4 Seales analgicas: a) Unipolar; b) Bipolar.

Figura 7.5 Sensor optoelectrnico lser de proximidad 3RG70-1CM00 de Siemens.

434

a)

b)


El mundo fsico es en general analgico y por ello la mayora de los elementos sensores proporcionan

seales analgicas. Sin embargo, las seales elctricas generadas por los elementos de los sensores analgicos

adolecen de problemas relacionados con la presencia de ruido, interferencias y distorsin, sobre todo si se han

de transmitir a distancias relativamente grandes, y por ello es imprescindible el circuito electrnico de

acondicionamiento de la seal indicado en la figura 7.1 La figura 7.5 muestra un sensor que genera una

variable analgica en el rango de 0 a 10 V.

7.2.3.2 Sensores digitales

Los sensores digitales (Digital sensors) generan seales elctricas que slo toman un nmero

finito de niveles o estados entre un mximo y un mnimo, y por ello reciben el nombre de digitales. Las ms

utilizadas son las binarias, que slo pueden tener dos niveles de tensin, que se asignan a los nmeros bina rios

0 y 1. Una variable binaria recibe el nombre de bit. El criterio de asignacin de los estados es totalmente

arbitrario. Si se asigna el valor 1 a la tensin ms alta y el valor 0 a la tensin ms baja, la lgica utilizada se

llama positiva y si, por el contrario, se asigna el valor 0 a la tensin ms alta y el valor 1 a la tensin ms

baja, la lgica recibe el nombre de negativa. Para representar una informacin se necesita un cierto nmero

n de variables binarias cuyo valor depende de la precisin que se desee. Las n variables binarias se pueden

representar de dos formas diferentes:

Figura 7.6 Seal digital binaria en formato paralelo.

435


Mediante seales binarias independientes Se tiene as, por ejemplo, el nmero 10011 en un nico instante t1 (Figura 7.6). En instantes sucesivos se

pueden tener nmeros diferentes (por ejemplo, 01010 en t2, en la figura 7.6). Este formato recibe el

nombre de paralelo (Parallel output ) .

Mediante una secuencia de niveles cero y uno de una seal digital En la figura 7.7 se indica una seal digital binaria que representa el nmero 10011 en el sis tema de

numeracin binario. Este formato recibe el nombre de serie ( s e r i a l o u t p u t ) .

El formato serie se utiliza para transmitir a distancia una informacin digital, mientras que el paralelo es

el utilizado por los procesadores digitales [MAND 07] [MAND 08] y el que proporcionan algunos tipos

de sensores, como por ejemplo, los codificadores absolutos angulares de posicin, descritos en el

apartado 7.7.2.4.2.1 En general, el formato serie se genera a partir del paralelo, mediante un procesador

de comunicaciones, que constituye un circuito de interfaz de un procesador digital [MAND 07]. Se tiene

as un sensor con capacidad de comunicacin (vase el apartado 7.2.7).

Figura 7.7 Seal digital binaria en formato serie.

En la figura 7.8 se representa el diagrama de bloques de un sensor digital de salida en paralelo. Cuando

el elemento sensor proporciona una seal analgica el esquema de bloques tpico es el representado en la

figura 7.9. El circuito convertidor analgico-digital (Analog to Digital converter ) transforma la

seal analgica en una combinacin de variables digitales. El circuito de acondicionamiento adapta las

caractersticas de la seal de salida del elemento sensor a las que necesita el convertidor en su entrada. En la

mayora de los casos el convertidor analgico-digital forma parte del circuito de interfaz de un sensor

analgico con un procesador digital, tal como se indica en el apartado 8.2.2.5 del captulo 8. Si al sensor

digital de la figura 7.9 se le aade un procesador de comunicaciones, se convierte en un sensor con salida

serie. Son sensores de este tipo los inteligentes que se describen en el apartado 7.2.7.

Figura 7.8 Diagrama de bloques de un sensor digital de salida en paralelo.

436


El formato digital presenta la caracterstica de que la precisin de la medida slo depende del

nmero de variables binarias. Su utilizacin se ha generalizado gracias al progreso de la

Microelectrnica [MAND 07] [MAND 08], que ha permitido realizar procesadores electrnicos digitales

de coste reducido y capacidad adaptada a las especificaciones de cada aplicacin concreta.

Figura 7.9 Esquema de bloques tpico de un sensor digital cuyo elemento sensor proporciona una seal

analgica.

7.2.3. 3 Sensores temporales

Los sensores temporales proporcionan a su salida seales elctricas en las que la informacin est

asociada al parmetro tiempo (Timing signals). Las seales elctricas temporales pueden ser

senoidales o cuadradas. Segn la forma de la seal y el tipo de parmetro, se clasifican tal y como se

indica en la tabla 7.3.

Las seales temporales senoidales suelen recibir el nombre de seales moduladas porque se obtienen

modificando un parmetro temporal de una seal senoidal generada por un circuito oscilador o una onda

Clasificacin de

los sensores

segn el

formato de las

seales que

generan

Analgicos

Digitales

Temporales

Segn el tipo

de seal

Segn la

polaridad

Seales senoidales

Seales variables

Seales continuas

Unipolares

Bipolares

Frecuencia

Fase

Frecuencia

Peridicas

No peridicas

Relacin alto/bajo

Duracin de un impulso

Nmero total de impulsos

Tabla 7.3 Clasificacin de los sensores segn el tipo de seales elctricas que generan.

437


cuadrada generada por un generador de impulsos, mediante un circuito electrnico denominado modulador.

Las seales temporales cuadradas tienen una amplitud fija y un parmetro temporal variable que puede ser

(Tabla 7.3):

La frecuencia o su inverso, el periodo. La informacin est representada por el valor de

cualquiera de ellos. Un ejemplo de sensor temporal es el sensor de ultrasonidos BERO 3RG62

32 (Figura 7.10). Tiene una salida que es una onda cuadrada cuya frecuencia vara entre 250 Hz

y 1500 Hz cuando la distancia de un objeto situado frente a l lo hace entre 50 y 300 mm.

La relacin uno/cero o alto/bajo. La seal utilizada posee un periodo de duracin fija y la

informacin est contenida en el valor del tiempo durante el cual la informacin se encuentra en

nivel uno con relacin a aqul durante el cual est en nivel cero (Figura 7.11). Se suele decir

que la seal est modulada en anchura de impulsos y se la conoce como PWM (acrnimo de

Pulse Width Modulation ) .

La duracin de un impulso (Pulse duration ) que se genera en el instante en que se desea

conocer el valor de una variable (Figura 7.12).

Figura 7.10 Sensor de ultrasonidos BERO 3RG62 32 (cortesa de Siemens).

Figura 7.11 Seal temporal que contiene la informacin en la relacin entre la duracin de los niveles uno

cero (alto/bajo).

438


El nmero total de impulsos que se generan en su salida a partir de un determinado instante. Un ejemplo tpico es el codificador incremental de posicin (incremental position encoder) que se describe en el apartado 7.7.2.4.2.2.

Una informacin codificada mediante alguno de estos parmetros se ve mucho menos afec tada por el ruido elctrico y por la atenuacin inherente a cualquier tipo de transmisin, debido a su menor dependencia del valor absoluto de la amplitud de la seal. Algunos ejemplos de esta forma de codificar la informacin son, entre otros, la radiodifiisin en frecuencia modulada conocida como FM (acrnimo de Frequency Modulation ) , la modulacin de anchura de impulsos conocida como PWM (acrnimo de Pulse Width Modulation ) , utilizada en sistemas de radio control, y los teclados multifrecuencia empleados en telefona.

Pocos elementos sensores dan a su salida la informacin en formato temporal, pero ste se obtiene fcilmente a travs de un circuito convertidor de formato. Por ejemplo, la seal analgica proporcionada por un elemento sensor se puede convertir en una seal temporal que lleva la informacin en la frecuencia mediante un oscilador controlado en tensin conocido como VCO (acrnimo de Voltage Controlled Oscilator), tal como se indica en la figura 7.13.

Figura 7.12 Seal temporal que contiene la informacin en la duracin de un impulso.

Figura 7.13 Sensor temporal realizado con un oscilador controlado en tensin.

7.2.4 Clasificacin de los sensores segn el rango de valores

Segn el rango de los valores de la seal de salida que proporcionan, los sensores pueden ser de medida

(Measurement sensors) o todo-nada (On-off sensors ) .

Sensores de medida

Los sensores de medida se caracterizan por proporcionar a la salida todos los valores posibles

correspondientes a cada valor de la variable de entrada dentro de un determinado rango.

439


Pueden ser analgicos, digitales o temporales. Ejemplos de sensores de medida son un sensor analgico resistivo de temperatura y un sensor temporal incremental de posicin (incremental position encoder), descrito en el apartado 7.7.2.4.2.

Sensores todo-nada

Los sensores todo-nada se caracterizan por detectar solamente si la magnitud de la variable de entrada est por encima o por debajo de un determinado valor. Proporcionan a la salida una seal elctrica que slo puede tomar dos valores y por ello a veces se les denomina, con un exceso de simplificacin, sensores digitales.

Figura 7.14 Esquema de bloques de un sensor todo-nada cuyo elemento sensor proporciona una seal

analgica.

En la figura 7.14 se representa el diagrama de bloques tpico de un sensor todo-nada que indica si el valor

de una magnitud fsica est por encima o por debajo de un determinado nivel. La salida del elemento sensor es

una seal analgica cuyo nivel es proporcional al valor de la magnitud fsica a medir y el circuito

acondicionador es fundamentalmente un circuito electrnico detector de nivel cuya salida toma un valor u

otro, segn que el nivel de la seal aplicada a su entrada est por encima o por debajo de un cierto nivel. Son

ejemplos de sensores de este tipo los presostatos, los termostatos, los interruptores de caudal, etc.

Son tambin sensores todo-nada los que indican si se ha producido o no una determinada circunstancia,

como por ejemplo la presencia o ausencia de un objeto en las proximidades del sensor (Proximity

sensors ) , que se describen en el apartado 7.7.2.1.

7.2.5 Clasificacin de los sensores industriales segn el modo de

operacin

De acuerdo con el modo de operacin, los sensores de medida pueden ser de deflexin o de comparacin.

En los sensores de deflexin (Deflection sensors ) , la variable medida produce otra similar en el

sensor pero opuesta y relacionada directamente con ella. Tambin se denominan sensores de medida directa

(Direct measurement ) .

En los sensores de comparacin (Null-type sensors ) , la seal a medir se resta de la de un patrn.

Las medidas por comparacin (Comparison measurement method ) son ms precisas porque se

pueden calibrar con un patrn de calidad. El detector de desequilibrio debe medir alrededor del cero y en

ocasiones ha de ser muy sensible. Tienen, en general, menor respuesta dinmica que los de deflexin.

440


7.2.6 Clasificacin de los sistemas sensores segn la funcin de

transferencia

La funcin de transferencia es la relacin matemtica que existe entre la magnitud de entrada del sensor y

la seal elctrica de salida. De acuerdo con ella los sensores pueden ser lineales o no lineales.

Un sensor es lineal cuando la funcin de transferencia es una ecuacin diferencial lineal de coeficientes

constantes. Segn el orden de la ecuacin diferencial los sensores lineales pueden ser de orden cero, uno o dos

[PALL 01].

La funcin de transferencia de los sensores lineales de orden cero es una lnea recta que pasa por el

origen, es decir, su ecuacin es:

y = k x

y se caracterizan por tener un elemento que disipa energa.

Los sensores lineales de orden uno poseen un elemento capaz de almacenar energa, como por ejemplo un

sensor de temperatura que posee una masa M y un coeficiente de transmisin del calor CT, que genera un

retardo a la deteccin de los cambios de la temperatura del entorno del sensor. Su funcin de transferencia es:

1

+ 0 =

y se caracterizan por introducir un retardo (constante de tiempo) en la respuesta a una variacin en escaln de

la magnitud de entrada.

Los sensores lineales de orden dos poseen un elemento que consume energa y dos que la almacenan

como por ejemplo un sensor de temperatura que adems de poseer una masa M est protegido por una cubierta

que aade una resistencia trmica a las caractersticas del sensor. Su funcin de transferencia es de la forma:

2 2

+ 1

0 =

y en su respuesta a un escaln pueden generar una sobreoscilacin.

Un sensor no es lineal cuando la funcin de transferencia no es una ecuacin diferencial lineal de

coeficientes constantes. Un ejemplo tpico de sensores no lineales son los termistores o resistencias de

coeficiente de temperatura negativo, conocidas por el acrnimo NTC (Negativa Temperature

Coefficient ) que tienen una funcin de transferencia exponencial. Este tipo de sensor exige una linealizacin que es realizada por el procesador analgico o digital incluido en el

circuito de acondicionamiento.

441


7.2.7 Clasificacin de los sistemas sensores segn el nivel

de integracin

Segn el nivel de integracin los sistemas sensores pueden ser discretos, integrados e inteligentes.

Sensores discretos Reciben la denominacin de sensores discretos (Discreta sensors ) los sistemas sensores en los

que el circuito de acondicionamiento se realiza mediante componentes elec trnicos separados e

interconectados entre s.

Sensores integrados Los sensores integrados (Integrated sensors ) se caracterizan porque el elemento sensor y el

circuito acondicionador, o al menos este ltimo, estn construidos en un nico circuito integrado

monoltico o hbrido. Son ejemplos tpicos muchos sensores que estn basados en las caractersticas de

los semiconductores y miden temperatura, humedad, presin, etc. [SZE 94],

Sensores inteligentes No existe un consenso generalizado en relacin con la definicin de sensor inteligente ( Intelligent

or Smart Sensor). En numerosas ocasiones, la salida del circuito acondicionador debe ser

modificada para llevar a cabo una o ms de las siguientes tareas:

Corregir no linealidades.

Verificar el correcto funcionamiento del elemento sensor y el circuito acondicionador asociado.

Transmitir la informacin a distancia.

Para ello es de gran utilidad aadir al sistema sensor de la figura 7.1 un procesador electrnico que

realice un algoritmo de correccin, y/o diagnstico, y/o verificacin del funcionamiento, y/o comunicacin

con otros procesadores. Cuando dicho conjunto se realiza en un solo circuito integrado monoltico o hbrido

se tiene un sensor con capacidad de proceso de informacin al que se suele denominar sensor intel igente

cuyo diagrama de bloques se representa en la figura 7.15.

Figura 7.15 Esquema de bloques de un sensor inteligente.

442


Por ello, aunque no existe un consenso general en la definicin de sensor inteligente, se admite que un

sensor inteligente tiene capacidad para realizar la mayora de las funciones siguientes:

Clculos numricos.

Comunicacin en red (no una simple conexin punto a punto).

Autocalibracin y autodiagnstico.

Mltiples medidas con identificacin del sensor.

Existen sensores industriales de los tres tipos. Inicialmente los sensores industriales eran discretos y

tenan sus componentes encapsulados en un bloque nico, pero el progreso de la Microelectrnica ha hecho

que tanto el elemento sensor como el circuito acondicionador se realicen en un nico circuito integrado

monoltico o hbrido.

Por otra parte, los sensores discretos e integrados deben conectarse a un procesador digital, como por

ejemplo un autmata programable, a travs de conexiones independientes, tal como se indica en la figura 7.16.

Ello hace que se complique excesivamente el cableado cuando el nmero de sensores y/o su distancia al

autmata programable son elevados. Por ello, los fabricantes de equipos de automatizacin comercializan

sensores industriales inteligentes, que poseen un procesador electrnico digital con capacidad de

comunicacin con otros procesadores a travs de una lnea nica de comunicaciones, que suele recibir el

nombre genrico de bus de campo (Field Bus ) (Figura 7.17). Existen numerosos buses de campo

diferentes creados por distintos fabricantes, algunos de los cuales han sido normalizados [AFNO 90] [GARC

97] [MARS 97] [SIEM 96] [WOOD 95]. Los buses de campo forman parte de la estrategia de Automatizacin

Integrada Total (Totally Integrated Automation) , que ha sido posible gracias al progreso de las

comunicaciones digitales industriales descritas en el apartado 9.3 del captulo 9.

Figura 7.16 Conexin de sensores discretos y/o integrados a un autmata programable (cortesa de Siemens).

443


Figura 7.17 Conexin de un conjunto de sensores inteligentes a un autmata programable mediante un bus de

campo (cortesa de Siemens).

Los sensores industriales con capacidad de conexin a un bus de campo suelen especificarse mediante la

funcin que realizan (sensor de proximidad, clula fotoelctrica, etc.) seguida en su caso de un nombre de

marca propio (por ejemplo BERO de Siemens) y el apelativo del bus al que se pueden conectar, como por

ejemplo el bus AS-i (acrnimo de Actuator-Sensor - Interface ) , que algunos fabricantes

denominan " 'AS-Interface " (descrito en el apndice 2) o el bus HART. Son ejemplos de sensores con

capacidad de conexin a un bus de campo el sensor optoelectrnico de proximidad BERO 3RG673 01 -1RM00

que tiene incorporado un interfaz con el bus de campo AS-i (Figura 7.18) y el sensor de caudal MG711/A de

la familia SITRANS FM conectable al bus Hart (Figura 7.19).

Figura 7.18 Sensor optoelectrnico de proximidad BERO 3RG673 01-1RM00 conectable al bus de campo AS-

Interface (cortesa de Siemens).

444


Figura 7.19 Sensor de caudal MG711/A conectable al bus de campo Hart (cortesa de Siemens).

7.2.8 Clasificacin de los sensores segn la variable fsica medida

Otra clasificacin til de los sensores es la realizada en funcin del tipo de variable fsica que convierten

en elctrica. En la tabla 7.4 se representa dicha clasificacin, en la que se incluyen las variables fsicas ms

importantes que es necesario medir en los procesos y productos industriales. Al lector interesado en ampliar

esta clasificacin se le remite a la bibliografa [FRAD 96] [PALL98] [WILS 05].

Presin

Temperatura

Humedad

Clasificacin

de los

sensores

segn el tipo

de variable

fsica medida

Fuerza

Aceleracin

Velocidad

Caudal

Presencia y/o posicin de objetos

Nivel de slidos o lquidos

Desplazamiento de objetos

Qumicos

Tabla 7.4 Clasificacin de los sensores segn el tipo de variable fsica medida.

445


Mediante la combinacin de la tabla 7.2 y la tabla 7.4 se obtiene la tabla 7.5 que constituye una gua

general para seleccionar el sensor utilizable en diferentes aplicaciones.

Tabla 7.5 Tabla que indica las variables fsicas que se pueden medir con sensores basados en distintos

principios de funcionamiento.

7.3 Caractersticas de entrada de los sensores

industriales

Como se indica en el apartado anterior, la tabla 7.5 proporciona una visin general de los sensores

industriales. Pero al elegir el sensor industrial ms adecuado para medir una determinada variable o magnitud

fsica, es necesario conocer las caractersticas de sta. Por ello, a continuacin se analizan las ms

importantes.

7.3.1 Campo o rango de medida

Generalmente, un sensor se disea para responder solamente a una magnitud de entrada determinada

(temperatura, presin, etc.) y por ello se especifica por la magnitud que mide y por el rango de las medidas

que efecta.

446


El campo o rango de medida (Measurement range or span) de un sensor se define como el

conjunto de valores de la magnitud a medir que estn comprendidos dentro de los lmites superior e

inferior de la capacidad de medida del sensor. Se indica mediante la especificacin de los valores

extremos. El rango puede ser unidireccional (por ejemplo, 0 a 5 cm), bidireccional simtrico (por

ejemplo, 45C), bidireccional asimtrico (por ejemplo, -20 a +80C) o desplazado (por ejemplo,

50 a 100 Kg/cm2).

El valor mximo que se puede medir con el sensor suele recibir el nombre de salida a fondo de escala

[Full scale output (FSO)].

El mximo valor de la magnitud a medir que se puede aplicar al sensor sin ocasionarle un cambio de

sus caractersticas que rebase una tolerancia determinada se denomina sobrerrango (Overrange) o, a

veces, sobrecarga.

7.3.2 Forma de variacin de la magnitud de entrada

Otra caracterstica a tener en cuenta en la eleccin de un sensor es la forma de variacin en el tiempo

de la magnitud que se desea medir. La importancia de esta caracterstica reside en que pueden producirse

grandes errores si la velocidad de los cambios de la variable a medir se sale del margen aceptado por el

sensor.

Los sensores se comportan de forma similar a los ojos y el odo humano, que slo son sensibles a las

luces y a los sonidos de un determinado rango de frecuencias. En funcin del principio de medida en que

se basan, hay sensores que slo detectan magnitudes de variacin lenta y en cambio hay otros que

responden a variaciones rpidas.

De acuerdo con el modo de variacin en funcin del tiempo, las variables (datos) que se aplican a un

sensor se pueden clasificar (Figura 7.20) en estticos (a), dinmicos (b), transitorios (c) y aleatorios (d),

que se analizan seguidamente.

a)

c)

Figura 7.20 Formas de variacin a lo largo del tiempo de la magnitud fsica que debe medir un sensor.

447

b)

d)


Datos estticos

Se caracterizan por no presentar variaciones rpidas o discontinuidades y, en general, van asociados a

magnitudes cuya evolucin en el tiempo implica un contenido en armnicos de baja frecuencia (no superior a

una decena de ciclos por segundo). En la figura 7.20a se representa una forma de onda que corresponde a este

tipo de datos. Cuando en un sistema se miden varias magnitudes de este tipo no es necesario tratar

individualmente cada una de ellas y se pueden utilizar tcnicas de muestreo cuya frecuencia est determinada,

en la prctica, por la precisin necesaria al tratar de reconstruir las seales elctricas representativas de cada

una de ellas. Estas circunstancias permiten la utilizacin de un nico canal de tratamiento de las seales pro -

cedentes de varios sensores cuya salida se mide de forma peridica, lo cual simplifica, y como consecuencia

abarata, el sistema de adquisicin de datos, descritos en el apartado 8.2.2.5 del captulo 8.

Datos dinmicos

Son de naturaleza casi siempre peridica y se generan durante el funcionamiento estable y continuo de los

sistemas como manifestacin de su propio funcionamiento peridico (por ejemplo, rganos giratorios de

mquinas, elementos mecnicos en movimiento alternativo, etc.). La medida de este tipo de datos se debe

realizar en algunas aplicaciones importantes como, por ejemplo, en el estudio de vibraciones, variaciones de

presin en la cmara de combustin de un motor, impactos de prensas, etc. Un ejemplo de forma de onda que

corresponde a datos de esta naturaleza es la representada en la figura 7.20b.

Datos transitorios

Se producen en algunos sistemas fsicos como consecuencia de alguna perturbacin que apa rece en un

determinado punto de los mismos. Estn caracterizados por presentar cambios bruscos que contienen la

informacin principal del comportamiento del sistema. La forma de onda mostrada en la figura 7.20c

constituye un ejemplo representativo de una magnitud de este tipo .

Datos aleatorios

Se caracterizan por presentar variaciones no previsibles en sus parmetros fundamentales ( amplitud y

frecuencia), por lo que su anlisis precisa de criterios estadsticos y del estudio de funciones de probabilidad.

En la figura 7.20d se representa una forma de onda asociada a datos de esta naturaleza.

Los fabricantes de sensores suelen proporcionar informacin tanto del rango de medida como de la

respuesta a las variaciones de la variable de entrada.

7.4 Caractersticas elctricas

7.4.1 Caractersticas elctricas de salida

Las caractersticas elctricas de salida estn ligadas al tipo de formato utilizado y tienen una gran

importancia porque de ellas depende la compatibilidad entre un sensor industrial y el sistema acoplado a l. A

continuacin se analizan para cada uno de los formatos.

448

Sensores industriales

7.4.1.1 Sensores de salida analgica

El parmetro de la seal de salida de un sensor analgico (Analog sensor ) al que est asociada la

informacin puede ser la tensin o la corriente. En el primer caso la impedancia de salida del sensor, que se

define como la impedancia a travs de sus terminales de salida, debe ser mucho menor que la impedancia de

entrada (Zi) de la carga conectada a l, que puede ser un aparato de medida o un procesador electrnico

(Vase el apartado 8.2.2.1.2 del captulo 8). Se logra as que resulte despreciable la cada de tens in en los

cables que unen el sensor con la carga pero surge el inconveniente de que se tiene una baja inmunidad al mido

y adems se puede producir la destruccin de la carga debido a la presencia de seales espreas de elevada

tensin en los cables, en especial si su longitud es elevada.

Los mrgenes de tensin de salida ms comunes de los sensores analgicos son, de 0 a 10 V, de 1 a 5V,

de -5 a +5 V, y de -10 a + 10 V. En ocasiones, el circuito de acondicionamiento forma parte del circuito de

interfaz entre el sensor y el procesador digital. En este caso, el sensor (por ejemplo un termopar) est formado

solamente por el elemento sensor propiamente dicho que proporciona una seal analgica de un nivel de

tensin del orden de milivoltios.

En general, la salida en tensin es adecuada para transmitir la informacin cuando la distancia que separa

al sensor del equipo electrnico conectado a l es reducida. Los inconvenientes de a transmisin en tensin

hacen, ms adecuado tcnicamente que la salida del sensor constituya una fuente de corriente que transmita a

los cables una corriente proporcional a la magnitud a medir. Para ello la impedancia de salida del sensor ha de

ser mucho ms elevada que la de entrada de la carga (Vase el apartado 8.2.2.1.2 del captulo 8). La ventaja de

este mtodo consiste en que, por ser la corriente constante para cada valor de dicha magnitud, la transmisin

no est influenciada por la variacin de la impedancia de los cables porque la cada de tensin en ellos no

tiene ningn efecto, ya que la corriente en todos los puntos de un circuito serie es la misma. Por otra parte, el

hecho de que la impedancia de entrada de la carga sea mucho menor que la de salida del sensor hace que las

seales parsitas (ruido) que aparecen en ella, debido a la presencia de interferencias (ruido) sobre los cables,

sean de muy pequea amplitud. Los sensores analgicos con salida por corriente estn construidos de tal

manera que admiten un cortocircuito permanente en su salida.

Figura 7.21 Esquema de bloques tpico de un sensor analgico de salida por corriente.

El inters de la transmisin por corriente propici la realizacin de convertidores tensin-corriente y su

desarrollo en circuito integrado, as como su incorporacin en el propio sensor, formando parte del circuito

electrnico acondicionador (Figura 7.21). Se han normalizado los niveles de corriente -20 a +20mA, 4 a 20mA

y 0 a 20mA. En la figura 7.22 se representa el sensor ultrasnico de proximidad de tipo eco (descrito en el

apartado 7.7.2.3.7.4) 3RG61 13-3BF01 de salida analgica de corriente de 4 a 20mA.

449


Figura 7.22 Sensor ultrasnico de proximidad del tipo 3RG61 13-3BF01, que posee una salida analgica por

corriente de 4 a 20ma (cortesa de Siemens).

7.4.1.2 Sensores de salida digital

El parmetro ms importante de los sensores cuya seal de salida posee el formato digital (Digital

sensors ) es la corriente de carga mxima que se define como la mxima corriente que puede circular, en

uno u otro sentido, a travs del terminal de salida. Dicha corriente depende, en general, de la tensin de

alimentacin y suele recibir la denominacin de cargabilidad de salida. Los niveles de tensin

correspondientes a los estados diferenciados que puede adoptar la salida constituyen otra caracterstica de gran

importancia cuando la seal de salida del sensor se aplica a la entrada de otros circuitos e lectrnicos digitales

(TTL, CMOS, etc.), en los que los niveles del 0 y del 1 slo pueden tomar valores comprendidos dentro de un

determinado margen de tensin. Para asegurar la compatibilidad entre los niveles de tensin y corriente de la

salida del sensor y la entrada del circuito electrnico conectado a l es necesario conocer tambin la

configuracin de su etapa de salida que puede presentar diversas variantes, de las que las ms utilizadas son:

Salida con transistor NPN y resistencia de carga La configuracin de cada terminal de salida es la representada en la figura 7.23a. Se carac teriza por

proporcionar niveles de tensin y de corriente compatibles con las dos familias lgicas de uso ms

extendido que son la TTL y la CMOS.

Salida con transistor NPN y colector abierto Corresponde al esquema de la figura 7.23b que se diferencia de la anterior en que no tiene incorporada

la resistencia R, debido a lo cual recibe la denominacin de colector abierto (Open colector ) .

Mediante la colocacin de una resistencia R externa de valor adecuado, la salida se puede conectar a

circuitos lgicos de diferentes tecnologas (TTL, CMOS, etc.).

450


a)

b)

Figura 7.23 Etapas de salida de sensores digitales: a) Con transistor NPN y resistencia de carga; b) Con

transistor NPN en montaje de colector abierto.

7.4.1.3 Sensores de salida todo-nada Los sensores de salida todo-nada (On-off sensors) proporcionan solamente, tal como se

indica en el apartado 7.2.4, dos niveles de tensin a su salida y por ello la configuracin de esta

ltima guarda cierta similitud con la de los sensores digitales. Los parmetros elctricos ms

importantes de este tipo de sensores son:

La corriente de carga mxima (Mximum, load current)

Se define como la mxima corriente que puede circular, en uno u otro sentido, a travs del terminal de

salida.

La tensin de alimentacin (Supply voltage) Puede ser continua o alterna. Los alimentados en alterna llevan incorporado un rectificador y un circuito

estabilizador que genera la tensin de alimentacin del sensor y del circuito asociado con l. Los

alimentados en continua pueden ser polarizados o no polarizados. A los polarizados se les debe aplicar

la tensin de alimentacin en un sentido determinado y, en el caso de los no polarizados, dicho sentido

es indiferente.

451


La configuracin de salida Adems de conectarse a un procesador digital, los sensores todo-nada deben poder hacerlo a otros tipos

de cargas (por ejemplo un rel, una electrovlvula, etc.). Por ello existen sensores todo-nada con salida

de tipo rel o con salida electrnica que se estudian a continuacin.

Por otra parte, la forma de conectar los sensores todo-nada a un autmata programable se estudia en los

apartados 8.2.2.2 y 8.2.2.3 del captulo 8.

Sensores todo-nada de salida de tipo rel

Las salidas de estos sensores son contactos libres de potencial que se representan grfica mente en la

figura 7.24. Pueden poseer un solo contacto no conmutado que recibe la denominacin de SPST (Single

Pole Single Through) normalmente abierto o normalmente cerrado. El contacto SPST normalmente

abierto denominado NO (Normally Open ) est abierto cuando no pasa corriente por la bobina del rel y

est cerrado en el caso contrario. El contacto SPST normalmente cerrado denominado NC (Normally

Close ) est cerrado cuando no pasa corriente por la bobina del rel y abierto en el caso contrario. Tambin

pueden poseer un contacto que conmuta entre dos terminales (doble va) y recibe la denominacin de SPDT

(Single Pole Double Through). Tanto los contactos no conmutados como los conmutados

pueden ser dobles o incluso triples. Los dobles no conmutados se denominan DPST (Double Pole

Single Through) y los conmutados DPDT (Double Pole Double Through). La figura 7.24

resulta autoexplicativa.

SP: Single Pole

DP: Double Pole

ST: Single Through

DT: Double Through

NO: Normally Open

NC: Normally Clase

Figura 7.24 Diferentes tipos de contactos de un rel.

452


El circuito tpico de un sensor de este tipo se indica en la figura 7.25. El circuito del sensor activa o

desactiva al rel y en consecuencia ste conmuta sus contactos. Los sensores cuya sali da es de este tipo se

caracterizan porque el tiempo de activacin o desactivacin es mayor (del orden de 30 ms) que el de los que

tienen una salida del tipo transistor. Si la salida de este sensor se conecta a un sistema electrnico es necesario

eliminar los rebotes que se producen al conmutar el contacto. Dicha eliminacin se puede realizar mediante el

circuito adecuado [MAND 95]. Un sensor de salida del tipo rel es el sensor optoelectrnico de proximidad

BERO 3RG72 11-6MC00 de Siemens (Figura 7.26).

Figura 7.25 Sensores todo-nada con salida mediante rel.

Figura 7.26 Sensor optoelectrnico de proximidad BERO 3RG72 11-6MC00 (cortesa de Siemens).

453


Otra caracterstica importante de este tipo de sensores es que permiten la conexin de cargas tanto en

alterna como en continua. Si la carga es inductiva es necesario proteger el contacto me diante un circuito RC o

un diodo de libre circulacin, tal como se indica en el apartado 8.2.2.4.2 del captulo 8. Si la carga es una

lmpara de filamento se debe tener en cuenta la mxima corriente que la atraviesa cuando el filamento est

fro en el instante en que se aplica la tensin.

Sensores todo-nada de salida electrnica

Los sensores todo-nada de salida electrnica utilizan, como su nombre indica, dispositivos electrnicos

en su salida en lugar de un rel. Existen diversas variantes que se distinguen por:

El tipo de dispositivo electrnico utilizado Puede ser un transistor NPN o PNP en los sensores alimentados en continua y un tiristor o un triac en los

alimentados en alterna.

La asignacin de los niveles de la salida a los valores de la variable que acta sobre el sensor

Se suelen utilizar las denominaciones de normalmente abierto (NO) y normalmente cerrado (NC) por

similitud con los sensores con salida de tipo rel. La citada asignacin depen de del tipo de sensor y en el

apartado 1.1.23.2 se describe para los sensores de proximidad sin contacto.

El nmero de terminales de salida del sensor

Pueden ser dos, tres o cuatro. Los sensores correspondientes reciben los nombres de sen sores de dos

hilos, de tres hilos y de cuatro hilos, respectivamente.

Sensores todo-nada de dos hilos

Se caracterizan por tener dos terminales a travs de uno de los cuales no slo se alimenta el sensor sino

que adems se conecta la carga (Figura 7.27). En este tipo de sensores la corriente que circula por la carga es

en todo momento igual a la corriente IS que circula por el sensor. Cuando la carga no debe activarse (porque el

nivel de la magnitud de entrada del sensor es el adecuado para ello) la corriente de alimentacin del sensor

sigue pasando por ella. Si en este ltimo caso la carga conectada al sensor es un rel la corriente de

alimentacin del sensor es insuficiente para activarlo. Pero, si por el contrario, la carga es la entrada de un

autmata programable, puede ocurrir que la corriente de alimentacin del sensor sea suficiente para que el

autmata considere que la salida del sensor est activada cuando en realidad no es as. Los fabricantes de

autmatas programables suelen indicar, para sus diferentes modelos de tarjetas o placas de entrada, cual es el

valor mximo de la citada corriente. Por ejemplo Siemens establece que la corriente del sensor debe ser menor

de 1,5mA para que no llegue a activar la entrada de un autmata programable cuando la salida del sensor est

desactivada.

Los sensores de dos hilos se pueden disear para funcionar igual que un contacto normalmente abierto

NO (Normally Open ) o que un contacto normalmente cerrado NC (Normally Close ) . En el

primer caso la corriente no circula por la carga cuando la variable fsica que mide el sensor tiene el nivel

correspondiente a nada (es decir, est desactivada) y por el contrario circula por la carga cuando tiene el

nivel correspondiente a todo (es decir, est activada). En el segundo se produce la situacin contraria. Por

ejemplo, en un sensor inductivo de proximidad NO no pasa corriente por la carga cuando no detecta la

presencia de un objeto y lo hace en el caso contrario.

454


Figura 7.27 Sensor todo-nada de dos hilos.

a)

b)

Figura 7.28 Sensores todo-nada de dos hilos: a) Alimentado en continua; b) Alimentado en alterna.

455


Los sensores de dos hilos pueden ser realizados para ser alimentados en continua o en alterna. En la

figura 7.28a se representa el circuito tpico de salida de un sensor de dos hilos alimentado en continua en el

que el transistor T no alcanza la saturacin cuando se activa. De esta forma la tensin entre su colector y su

emisor mantiene alimentado el sensor. En la figura 7.28b se representa el circuito de salida de un sensor de

dos hilos que se alimenta en alterna a travs de un puente rectificador. El tiristor constituye el elemento

conmutador accionado por el sensor, mientras que el diodo zener mantiene la tensin de alimentacin del

sensor en el nivel adecuado para su funcionamiento cuando conduce el tiristor. Un ejemplo de sensor de dos

hilos con alimentacin en continua (CC) y salida normalmente abierta (cuando el sen sor se activa deja pasar

ms corriente) es el sensor inductivo de proximidad 3RG40 11-7JB00 (Figura 7.29). Un ejemplo de sensor de

dos hilos con alimentacin en corriente alterna (CA) o continua (CC) y salida normalmente cerrada es el

sensor inductivo de proximidad 3RG40 12-0KA00 (Figura 7.30). Los sensores inductivos de proximidad se

estudian en el apartado 7.7.2.3.5.

Figura 7.29 Sensor inductivo de proximidad BERO 3RG40 11-7JB00 con alimentacin en continua y salida

normalmente abierta (cortesa de Siemens).

Figura 7.30 Sensor inductivo de proximidad BERO 3RG40 12-0KA00 con alimentacin en alterna o en

continua y salida normalmente cerrada (cortesa de Siemens).

Sensores todo-nada de tres hilos

Se caracterizan por tener tres terminales de salida (Figura 7.31), a travs de dos de los cuales se

proporciona la tensin de alimentacin al sensor y la carga se conecta entre el tercero y uno de los otros dos.

La corriente que circula a travs de la carga es prcticamente nula o tiene un valor apreciable segn que el

sensor est o no activado respectivamente. Segn el tipo de dispositivo situado a la salida del sensor, tal como

se indica ms adelante, la carga se conecta entre la salida y el positivo de la fuente de alimentacin (Figura 7.3

la) o entre ella y el negativo de la fuente de alimentacin (Figura 7.31b). El primer caso se puede realizar con

un transistor bipolar NPN, tal como se indica en las figuras 7.32a y 7.32b, y el segundo con un transistor

bipolar PNP (Figuras 7.33a y 7.33b). La figura 7.32a y la 7.33a se diferencian de la 7.32b y la 7.33b,

respectivamente, en que poseen una resistencia R, que garantiza una corriente mnima a travs del transistor

de salida. Los cuatro circuitos de salida de las figuras 7.32 y 7.33 tienen sendos diodos de proteccin D y D Z.

El diodo D protege al sensor contra la inversin de la polaridad de la tensin de alimentacin y el diodo zener

impide que la tensin de salida se eleve por encima del valor de la tensin de zener del mismo.

456


Figura 7.31 Sensores todo-nada de tres hilos: a) Carga conectada al positivo de la fuente de alimentacin;

b) Carga conectada al negativo de la fuente de alimentacin.

a)

b)

Figura 7.32 Sensores todo-nada de tres hilos cuya salida est realizada con transistores NPN:

a) Con resistencia de carga; b) Sin resistencia de carga (colector abierto).

457


Tanto los sensores implementados con transistores NPN como PNP se pueden disear para funcionar igual que un

contacto normalmente abierto NO (Normally Open ) o que un contacto normalmente cerrado NC

(Normally Close ) .

En el primer caso, el transistor est cortado (la corriente no circula por la carga), cuando el sensor no est

activado. Por ejemplo, si es un sensor inductivo de proximidad, no detecta el objeto. Por el contrario, el

transistor est saturado (la corriente circula por la carga) cuando el sensor detecta el objeto. En el segundo

caso se produce la situacin contraria. Por ejemplo, en un sensor inductivo de proximidad NO no pasa

corriente por la carga cuando no detecta la presencia de un objeto y lo hace en el caso contrario.

La figura 7.34 muestra un sensor de proximidad inductivo de tres hilos BERO 3RG46 10- 76G00 cuya

salida utiliza un transistor NPN, y la figura 7.35 muestra un sensor de proximidad inductivo de tres hilos

BERO 3RG46 00-7AB00 cuya salida utiliza un transistor PNP.

Los sensores de tres hilos se caracterizan porque su corriente de alimentacin no circula por la carga

(Figura 7.31). Por ello se pueden conectar directamente a la entrada de un sistema electrnico digital de

control, como por ejemplo a un autmata programable, tal como se indica en el captulo 8 dedicad o a los

circuitos de interfaz de los autmatas programables. En ambos casos la corriente que suministra la fuente de

alimentacin es la suma de la corriente que consume el sensor y la IL que pasa por la carga.

a)

Figura 7.33 Sensores todo-nada de tres hilos cuya salida est realizada con transistores PNP: a) Con

resistencia de carga; b) Sin resistencia de carga (colector abierto).

458

b)


Figura 7.34 Sensor de proximidad inductivo de tres hilos 3RG46 10-7GB00 realizado con un transistor

NPN (cortesa de Siemens).

Figura 7.35 Sensor de proximidad inductivo de tres hilos 3RG46 00-7AB00 realizado con un transistor

PNP (cortesa de Siemens).

Figura 7.36 Sensor todo-nada con salida de tres hilos y alimentacin en alterna.

Los sensores de tres hilos tambin pueden ser alimentados en alterna. Un circuito tpico es el indicado en

la figura 7.36. En este caso el circuito electrnico asociado al sensor incluye un rectificador junto con el

circuito de filtraje y estabilizacin. Adems la carga se alimenta a travs de un rectificador. Un ejemplo de

sensor de tres hilos alimentado en alterna es el sensor capacitivo de proximidad 3RG16 14-0LB00 de la

familia BERO (Figura 7.37). Los sensores capacitivos de proximidad se estudian en el apartado 7.7.2.3.6.

459


Figura 7.37 Sensor capacitivo de proximidad BERO 3RG16 14-0LB00 de tres hilos alimentado en alterna

(cortesa de Siemens).

Sensores todo-nada de cuatro hilos

Se caracterizan por disponer de dos terminales de salida. Su configuracin es similar a la de los de tres hilos, con la particularidad de que en este caso tienen dos salidas, que pueden estar realizadas ambas con transistores bipolares del tipo PNP (Figura 7.38a) o del tipo NPN (Figura 7.38b), una de las cuales es normalmente cerrada (NC) y la otra normalmente abierta (NO). Un ejemplo de sensor de este tipo es el sensor capacitivo de proximidad 3RG16 30-6AC00 de Siemens (Figura 7.39), que posee dos salidas de tipo PNP. Otra opcin en este tipo de sensores es que dispongan de una salida PNP y otra NPN (Figura 7.40). Un ejemplo de este tipo lo cons tituye el sensor de proximidad optoelectrnico 3RG76 00-3RH00 (Figura 7.41).

Otras caractersticas de inters, relacionadas con la salida de los sensores todo-nada, son las siguientes:

Corriente residual

La corriente residual (Off-state leakage current ) se define como la corriente que circula a travs de la carga cuando el sensor est desactivado (el transistor de salida no conduce).

Tensin residual

La tensin residual (voltage drop ) es el valor mximo de la tensin que puede haber en la salida del sensor cuando se encuentra activado (el transistor de salida conduce).

Corriente de carga mnima

En algunos sensores es necesario, para que funcionen correctamente, que circule a travs de ellos una corriente de carga mnima. Si no se alcanza dicho valor el fabricante no ga rantiza su correcto funcionamiento. Un ejemplo de ello es una salida en alterna realizada con un tiristor que necesita una corriente mnima de cebado.

460


Figura 7.38 Sensores todo-nada de cuatro hilos: a) Realizado con transistores PNP; b) Realizado con

transistores NPN.

Figura 7.39 Sensor capacitivo de proximidad BERO 3RG1630-6LC00 con dos salidas de tipo

PNP (cortesa de Siemens).

461

a)

b)


Consumo del sensor

Los fabricantes suelen especificar el consumo del sensor (Power or current con- sumption) mediante la corriente de alimentacin [asociada a un rango reducido de tensin de alimentacin (por ejemplo entre 20 y 30 voltios)] o mediante la potencia en watios o voltamperios, segn el sensor se alimente en continua o en alterna respectivamente.

Figura 7.40 Sensor todo-nada de cuatro hilos que posee una salida realizada con un transistor PNP y otra

con un transistor NPN.

Figura 7.41 Sensor optoelectrnico de proximidad BERO 3RG76 00-3RH00 con dos salidas, una del tipo

PNP y otra del tipo NPN (cortesa de Siemens).

7.4.1.4 Sensores de salida temporal

Al igual que en los sensores de salida de formato digital, el parmetro ms importante es la cargabilidad de salida y la compatibilidad entre los niveles de tensin y corriente de la salida del sensor y de la entrada del sistema electrnico conectado a l.

462


7.4.2 Caractersticas de alimentacin

La gran mayora de los sensores industriales, a excepcin de los autogeneradores o activos, necesitan para su funcionamiento una fuente de alimentacin que les proporcione la tensin o la corriente elctrica adecuadas. La caracterstica que indica el margen de tensiones dentro del cual el sensor funciona adecuadamente, de acuerdo con las especificaciones del fabricante, se denomina tensin de funcionamiento (Operating voltage ) o tensin de alimentacin (Supply voltage) . La tensin de alimentacin puede ser continua o alterna, aunque generalmente es continua. Cuando la alimentacin se realiza mediante una tensin continua es necesario conocer tambin el mximo rizado u ondulacin admisible en ella.

Se define la ondulacin residual (Ripple) como la mxima tensin alterna, pico a pico, superpuesta a la tensin continua de alimentacin, admisible para que el sensor industrial funcione correctamente. Se indica en forma porcentual y en muchos casos es admisible una ondulacin residual del 10%.

Los fabricantes suelen especificar tambin el consumo de corriente en vaco, que, como su nombre indica, representa el mximo valor de corriente que el sensor puede demandar de la fuente de alimentacin cuando no se conecta una carga a la salida.

Algunos sensores industriales que se alimentan en continua, como por ejemplo los todo- nada, incorporan una proteccin contra inversin de polaridad (Figuras 7.32 y 7.33). Dicha proteccin tiene como objetivo evitar que una conexin incorrecta de la tensin de alimentacin produzca la destruccin del sensor.

La impedancia presentada al sensor por la fuente de alimentacin se denomina impedancia de la fuente (Z), y en ella se considera incluida generalmente la propia de los cables de conexin. La impedancia presentada a la fuente por el sensor se denomina impedancia de entrada (2).

FUENTE DE

ALIMENTACIN

CARGA

Figura 7.42 Esquema genrico de conexin entre un sensor analgico pasivo, la fuente de alimentacin y la carga.

En la figura 7.42 se representa la conexin de un sensor analgico pasivo a su fuente de alimentacin y a la carga. Las lneas de retorno de la alimentacin y de la salida pueden estar aisladas o conectadas entre s, lo cual se indica mediante una conexin con lnea discontinua. Tambin es corriente que las lneas de retomo estn aisladas elctricamente del encapsulado del sensor. Ambas lneas pueden estar conectadas a una masa cercana a la fuente y a la carga, o pueden quedar sin conectar (masa flotante).

463


Los cables de salida (y, a veces, tambin los de alimentacin) pueden estar blindados para evitar que en ellos se induzcan interferencias de tipo electromagntico o electrosttico, lo cual es probable si tienen una longitud considerable o cuando los niveles de tensin de salida son relativamente bajos.

7.4.3 Caractersticas de aislamiento

Cuando dos o ms partes de un sensor industrial estn aisladas elctricamente es importante, a veces, conocer el grado de aislamiento entre ellas. Los parmetros que proporcionan dicha informacin suelen ser la resistencia de aislamiento y la tensin de ruptura o rigidez dielctrica que, aunque expresan conceptos distintos, estn ntimamente relacionadas.

La resistencia de aislamiento es la resistencia entre las partes, medida mediante la aplicacin de una tensin continua de un determinado valor. La tensin de ruptura o rigidez dielctrica se suele definir como la mxima tensin que se puede aplicar entre las partes aisladas sin que se produzca arco elctrico o sin que la corriente que circule entre ambas supere un valor determinado.

7.5 Caractersticas mecnicas

7.5.1 Conceptos generales

Como su nombre indica, las caractersticas mecnicas hacen referencia a los aspectos de tipo mecnico relacionados con el sensor industrial y sus condiciones de manejo e instalacin.

Generalmente los fabricantes especifican siempre:

La configuracin constructiva y sus dimensiones externas.

Las instrucciones de montaje.

El tipo, tamao y localizacin de las conexiones elctricas y mecnicas.

La forma de realizar los ajustes externos (en caso de ser necesarios).

El material de la carcasa.

El grado de proteccin de la carcasa ante agentes externos. Salvo raras excepciones, los sensores industriales incluyen tambin un conjunto de informa-

ciones inscritas en la carcasa o en una placa unida a ella. La informacin incluida hace referen cia generalmente a la nomenclatura del propio sensor (marca, modelo, nmero de serie, etc.), nombre y direccin del fabricante, y otras caractersticas, como por ejemplo el rango, la tensin de alimentacin, la identificacin de las conexiones elctricas, el grado de proteccin ambiental, etc. Este ltimo es un parmetro caracterstico comn a todos los sensores industr iales y por su importancia se analiza en el apartado siguiente.

La especificacin de las caractersticas mecnicas de un sensor industrial es de gran impor -tancia, porque facilita su manejo e instalacin, previene utilizaciones inadecuadas y permite la interaccin correcta entre la magnitud a medir, el sensor y el sistema de medida.

464


7.5.2 Grado de proteccin ambiental de los sensores industriales

El grado de proteccin ambiental (Ingress Protection ) , tambin denominado grado de sellado, de los sensores industriales es una caracterstica mecnica de especial importancia en todas aquellas aplicaciones, que constituyen los casos ms frecuentes, en las que el sensor forma parte de un sistema hermtico o est sometido a determinadas condiciones ambientales de humedad, polvo, etc.

La existencia de diferentes situaciones prcticas y el distinto coste de la construccin me cnica de los sensores para adaptarse a ellas ha hecho que diversas organizaciones de normalizacin hayan desarrollado y establecido normas aplicables a los sensores cuando deben operar en condiciones como las descritas en el prrafo anterior. Entre ellas destaca la Comisin Elec trotcnica Internacional (IEC), perteneciente a ISO (Organizacin Internacional de Normalizacin), que tiene la responsabilidad principal para establecer normas electrotcnicas, debido a lo cual muchas de las normas desarrolladas por ella tienen su equivalente en otras organizaciones, como por ejemplo DIN y CENELEC.

Una de las normas desarrolladas por la IEC, aplicable a los sensores industriales, es la IEC 144, que especifica el grado de proteccin a la entrada de agentes externos slidos o lquidos. Es conveniente resaltar que, aunque esta norma tiene cierta relacin con las tcnicas de proteccin en zonas con peligro de explosin, no es directamente aplicable a las mismas.

El grado de proteccin ambiental o grado de sellado se indica mediante las siglas IP (acrnimo de Ingress Protection ) seguidas de dos cifras decimales. La primera cifra indica el grado de proteccin frente al contacto y entrada de cuerpos slidos externos y la segunda cifra el grado de proteccin frente a la entrada de lquidos. Cuanto ms alto es el nmero de la primera y segunda cifras, mayor es el grado de proteccin de la carcasa. Por ejemplo, un grado de proteccin IP55 engloba a todos los grados inferiores, tales como IP22, IP23, IP34 e IP54, por citar algunos de los ms utilizados.

En la tabla 7.6 se indica el tipo de proteccin que corresponde a los distintos valores de cada

una de las cifras.

7.6 Caractersticas de funcionamiento

7.6.1 Introduccin

Las caractersticas de funcionamiento de un sensor industrial hacen referencia a su respues ta en unas condiciones determinadas. De acuerdo con la naturaleza de dichas condiciones, las caractersticas de funcionamiento se pueden clasificar en estticas (Static characteristics) , dinmicas (Dynamic characteristics) , ambientales (Environmental characteristics) y de fiabilidad (Reliability characteristics ) .

En sucesivos apartados se analiza cada una de ellas, pero antes es conveniente definir y aclarar un concepto comn a todas como es el de error. El error es la diferencia entre el valor obtenido y el valor real de la magnitud objeto de medida. Toda medida lleva asociada inevitablemente un error y el conocimiento del mismo es de la mayor importancia para la interpretacin y evaluacin de los resultados de la misma.

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Tabla 7.6 Significado de las cifras del grado de proteccin de acuerdo con la norma IEC 144.

Por otra parte, aunque la definicin de error parece no dejar lugar a dudas, el trmino error es muy amplio y hasta, en cierto modo, un poco ambiguo. Ello es debido a que el valor final del error o error total no es consecuencia nicamente de una sola fuente de error, sino que, aparte de las inexactitudes propias de la respuesta del sensor (linealidad, histresis, etc.), existen otras que son captadas en el entorno fsico en el que tiene lugar el proceso (por ejemplo, ruido elc trico, interferencias, etc.) o que se deben a una utilizacin inadecuada del sensor (por ejemplo, montaje incorrecto, alimentacin inestable, etc.). En definitiva, todas las componentes de la seal de salida no relacionadas con la medida de la magnitud de entrada se consideran errores. Cada tipo de error se analiza al estudiar en sucesivos apartados las diferentes caractersticas de funcionamiento.

7.6.2 Caractersticas estticas

Las caractersticas estticas describen el comportamiento del sensor en unas condiciones ambientales determinadas, con cambios muy lentos de la magnitud a medir y en ausencia de con

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1 Grado de proteccin

2 Grado de proteccin

0 El equipo no est protegido contra la entrada de cuerpos slidos externos.

0 Sin proteccin.

1 Proteccin contra la entrada de cuerpos slidos externos grandes (mayores de 50 mm de

dimetro).

1 Proteccin contra la condensacin de gotas de agua.

2 Proteccin contra la entrada de cuerpos slidos externos de tamao medio (mayores de 12 mm

de dimetro).

2 Proteccin contra gotas de lquido; la cada de gotas de lquido no tiene efectos perjudiciales si

la carcasa tiene una Inclinacin de hasta 15

desde la vertical. 3 Proteccin contra la entrada de cuerpos slidos

externos mayores de 2,5 mm de dimetro.

3 Proteccin contra lluvia o agua en forma de lluvia, para un ngulo menor o igual a 60 con respecto

a la vertical.

4 Proteccin contra la entrada de cuerpos slidos externos pequeos (mayores de 1 mm de

dimetro).

4 Proteccin contra salpicaduras de lquido en cualquier direccin.

5 Proteccin contra depsitos perjudiciales de polvo. La entrada de polvo no se evita

totalmente, pero ste no puede entrar en

cantidades suficientes como para Interferir en el

adecuado funcionamiento del equipo.

5 Proteccin contra chorros de agua. El agua no produce efectos perjudiciales cuando la proyecta

un inyector en cualquier direccin bajo

condiciones especificadas.

6 Proteccin contra la entrada de polvo. Proteccin total frente ai contacto con partes mviles situadas

dentro de la carcasa.

6 Proteccin contra condiciones del tipo de las de cubierta de barco (equipos hermticos de

cubierta). El agua procedente de un fuerte oleaje

no entra en la carcasa bajo condiciones

especificadas.

7 7 Proteccin contra la inmersin en agua bajo condiciones especificadas de presin y tiempo.

8 8 Proteccin contra la inmersin indefinida en agua bajo condiciones especificadas de presin.


diciones externas duras, tales como golpes, vibraciones, aceleraciones (a no ser que sta sea la magnitud a medir), etc. A continuacin se indican las caractersticas estticas ms importantes.

7.6.2.1 Exactitud

La exactitud (Accuracy) es la cualidad de un sensor, que establece su capacidad para pro-porcionar a su salida una seal que coincida con la que corresponde exactamente al valor ver-dadero (true,exact or ideal) de la variable que se mide, cuando se realiza una secuencia de medidas del mismo valor de la variable de entrada en las mismas condiciones ambientales (temperatura, humedad, etc.). Se determina mediante calibracin esttica que se describe en el apartado 7.6.2.3. Cualquier diferencia entre el valor de la salida correspondiente al valor verda -dero o exacto de la variable que se mide y el proporcionado por el sensor constituye un error . La diferencia entre el resultado de la medida y el valor verdadero se denomina error absoluto y, en ocasiones, se expresa mediante un porcentaje del mximo valor que se puede medir con el sensor, o con respecto a la diferencia entre los valores mximo y mnimo que establecen el rango de medida (Span):

Error Absoluto = Resultado de la medida - Valor verdadero

Es usual en la prctica, indicar el error relativo que es el cociente entre el error absoluto y el valor verdadero:

La exactitud es una de las caractersticas estticas bsicas a tener en cuenta al seleccionar un sensor industrial porque define su categora o clase. Todos los sensores que pertenecen a la mis-ma clase tienen el mismo valor del error relativo cuando se aplica el mismo valor de la variable de entrada dentro del rango de medida y depende en general del principio de transduccin uti lizado y del tipo de magnitud a medir. Por ejemplo, un sensor de medida de distancias de clase 0,4 cuyo fondo de escala es 10 cm proporciona la medida, en unas determinadas condiciones, con un error inferior 0,4 mm.

7.6.2.2 Precisin, repetibilidad y reproducibilidad

La precisin (Precisin) es la caracterstica de un sensor que indica su capacidad para proporcionar el mismo valor de la salida cuando se realiza una secuencia de medidas del mismo valor de la variable de entrada, en las mismas condiciones ambientales (temperatura, humedad, etc.) independientemente de la exactitud de la medida. Por lo tanto una precisin elevada impli ca una diferencia mnima entre varias medidas y es una condicin necesaria pero no suficiente para tener una elevada exactitud. La precisin se puede expresar de distintas maneras, entre las que cabe citar, el % del valor a fondo escala, la mxima desviacin entre salidas o el valor cuadr tico medio de dicha desviacin.

La precisin est ligada con la repetibilidad (Repeatability) y la reproducibilidad (Re- producibility). La repetibilidad es el valor mximo que, con una determinada probabilidad, tiene la diferencia entre varias medidas llevadas a cabo en las condiciones indicadas anterior-mente, en un intervalo corto de tiempo. La figura 7.43 representa una curva de calibracin en la que se determina el error de repetibilidad.

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Error absoluto Error relativo = -----------------------------

Valor verdadero


Figura 7.46 Determinacin de la no linealidad de la respuesta de un sensor

7.6.2.6 Mnimo valor medible o umbral

El mnimo valor medible o umbral (Threshold ) es el cambio ms pequeo de la magnitud de entrada que produce un cambio medible en la salida. Se define en trminos de la magnitud a medir y puede tener diferentes valores en las distintas zonas del rango. Depende del principio de funcionamiento del elemento sensor.

7.6.2.7 Resolucin

La salida de algunos sensores no vara de forma continua cuando lo hace la magnitud de entrada, sino que cambia en forma de pequeos incrementos o escalones (por ejemplo, en un potencimetro bobinado o un codificador de posicin de tipo absoluto). Se define la resolucin (Resolution ) de un sensor como el cambio o escaln ms pequeo de la salida cuando la magnitud a medir vara continuamente dentro del rango y se expresa en % del valor a fondo de escala. La resolucin de un sensor de salida digital se expresa mediante el nmero de bits de la misma. La resolucin de un sensor de salida temporal, que proporciona un nmero de impulsos proporcional al valor de la variacin de la magnitud fsica de entrada, se mide mediante el n mero de impulsos por unidad de la citada variacin. Por ejemplo, en un sensor de desplazamiento de tipo incremental la resolucin se expresa mediante el nmero de impulsos que es capaz de proporcionar por unidad de longitud, ngulo o revolucin.

Cuando el valor del cambio de la salida no es medible se acostumbra a decir que el sensor tiene resolucin infinita, aunque lo ms apropiado es resolucin infinitesimal. En este caso los lmites los impone el aparato de medida o el equipo electrnico encargado de procesar la informacin procedente del sensor. Por ejemplo, si se utiliza un visualizador digital de 3 dgitos (0 a 999), es decir, 1000 puntos, la resolucin es 1/1000.

El mnimo valor medible y la resolucin son caractersticas diferentes que describen el com-portamiento del sensor ante variaciones pequeas de la seal que se mide.

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7.6.2.8 Sensibilidad

La sensibilidad (Sensitivity ) representa la variacin de la seal de salida del sensor cuando se produce un cambio del valor de la magnitud a medir. Establece la pendiente de la curva de calibracin en cada punto de la misma. Puede verse afectada por diferentes factores, por ejemplo, la tensin y la frecuencia de la alimentacin, la temperatura, la frecuencia de las variaciones de la magnitud a medir, etc. La sensibilidad se expresa de diferente fo rma para los sensores activos que para los pasivos.

En los sensores activos, que no necesitan alimentacin, se expresa mediante la relacin magnitud elctrica (salida)/magnitud fsica (entrada), por ejemplo, mV/g, uV/C, etc. En los sensores pasivos se expresa mediante la relacin entre la tensin de salida afondo de escala y la tensin de alimentacin. Por ejemplo, un sensor extensomtrico o clula de carga (strain gage ) , con un rango de 0 a 50 Kg y una sensibilidad de 2 mV/V, proporciona una salida de 20 mV para 50 Kg si se alimenta a 10 V.

7.6.3 Caractersticas dinmicas

7.6.3.1 Introduccin

Especifican la respuesta del sensor al variar la magnitud a medir. Los sensores, como dispo -sitivos reales que son, presentan una cierta incapacidad para seguir las variaciones de la magnitud de entrada que superan determinada pendiente de cambio, lo que da lugar a la aparicin de errores cuando dichas variaciones son rpidas. Segn esto, es necesario conocer las caractersti cas dinmicas del sensor en aquellos casos en los que trabaja con una magnitud de entrada que vara de forma rpida o en los que se pueden producir incrementos bruscos de la misma.

Con objeto de definir cuantitativamente las caractersticas de respuesta dinmica de un sensor industrial, se analiza la forma de onda de la seal de salida cuando la magnitud de entrada vara de acuerdo con unas determinadas formas de onda (variaciones senoidales o cambios en forma de escaln).

Los parmetros que definen la respuesta dinmica de un sensor industrial se analizan a continuacin.

7.6.3.2 Respuesta en frecuencia

La respuesta en frecuencia (Frequency response ) , representa la variacin de la relacin entre las amplitudes de las seales de salida y de entrada, en funcin de la frecuencia, dentro de un rango definido de frecuencias y variaciones senoidales de la magnitud a medir. La figura 7.47 muestra dos posibles curvas de respuesta en frecuencia.

7.6.3.3 Tiempo de respuesta

El tiempo de respuesta (Response time ) se define como el tiempo transcurrido desde que se aplica un cambio en escaln de la magnitud a medir hasta que la salida alcanza un porcentaje determinado de su valor final, que suele ser el 10% (Figura 7.48). Se denomina t r, y en los sensores todo-nada se suele especificar como el valor medio del tiempo que tarda la salida en pasar de todo a nada y viceversa.

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Figura 7.47 Curvas de respuesta en frecuencia de dos sensores industriales diferentes.

Figura 7.48 Respuesta transitoria de un sensor

7.6.3.4 Tiempo de subida

El tiempo de subida (Rise time) determina el intervalo comprendido entre el instante en el que la seal de salida alcanza el 10% de su valor final y aqul en el que alcanza el 90%, como resultado de un cambio en escaln de la magnitud de entrada y se denomina tS (Figura 7.48). Si el escaln es de variacin negativa (descendente) este tiempo es de bajada.

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7.6.3.5 Constante de tiempo

La constante de tiempo (Time constant ) , simbolizada por x, representa un caso particular del tiempo de respuesta y se define como el tiempo necesario para que la salida alcance el 63% (concretamente, el 63,2%) de su valor final cuando se le aplica una seal en escaln,

7.6.3.6 Amortiguamiento o sobreoscilacin (V)

Es la diferencia entre el valor de pico de la seal de salida y su amplitud final, y suele expresarse en % de esta amplitud. Si, en respuesta a un cambio en escaln de la magnitud de entrada, la seal de salida de un sensor oscila alrededor del valor final antes de permanecer en el mismo, se dice que se trata de un sensor subamortiguado (Underdamped ) . Por el contrario, si la salida alcanza el valor final sin superarlo en ningn momento, se dice que es sobreamorti- guado (Overdamped ) . El amortiguamiento es un factor determinante del lmite superior de la respuesta en frecuencia.

El conjunto de caractersticas que se acaba de analizar establece la respuesta de un sensor a un cambio en escaln de la magnitud de entrada y constituye lo que se denomina respuesta transitoria. Se representan en la figura 7.48.

7.6.4 Caractersticas ambientales Las caractersticas estticas y dinmicas estudiadas anteriormente se especifican en unas

condiciones ambientales (Environmental conditions ) determinadas y en ausencia de fac-tores externos que afecten al funcionamiento del sensor.

Puede suceder, sin embargo, que en determinadas ocasiones el sensor industrial opere bajo condiciones externas (temperatura, humedad, golpes, vibraciones, etc.) distintas de aquellas para las que fue calibrado. Por ello, es necesario conocer las desviaciones de las caractersticas estticas que se producen por efecto de las variaciones de las condiciones ambientales. A continuacin se analizan las ms importantes.

7.6.4.1 Efectos trmicos

Los efectos trmicos constituyen una caracterstica ambiental que se debe especificar en todos los tipos de sensores industriales. Existen diferentes formas de hacerlo. Se pueden especifi car mediante el rango de temperatura (Ambient operating temperature) , que representa el intervalo de temperatura ambiental en el que el sensor opera de acuerdo con las especificaciones establecidas por el fabricante. Otro valor importante es el de la temperatura mxima a la que el sensor puede estar expuesto sin sufrir dao.

Una forma usual de especificar los efectos trmicos viene dada por el error de temperatura (Thermal error ) , que define la variacin mxima de la salida cuando la temperatura vara desde la temperatura ambiente hasta una temperatura extrema especificada.

En algunos sensores los efectos de la temperatura se especifican solamente como deriva trmica del cero y deriva trmica de la sensibilidad, que ocasionan un desplazamiento paralelo y un cambio en la pendiente de la curva de calibracin, respectivamente. El concepto de deriva trmica del cero se entiende fcilmente. Tericamente, un sensor sin carga y en condiciones normales de temperatura, al que se aplica una magnitud de entrada

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nula, proporciona salida cero o el valor que se le haya hecho corresponder (por ejemplo, 4mA en los sensores analgicos con salida de corriente normalizada de 4 a 20mA). Si se mantiene sin carga, la salida no debe variar en todo el rango de temperaturas de funcionamiento. Por ello, se define la deriva trmica del cero (Zero thermal drift) como la mxima variacin de la salida obtenida al variar la temperatura dentro del rango de temperaturas de funcionamiento, con magnitud de entrada nula y sin carga (Figura 7.49). La deriva trmica de la sensibilidad (Senstivity thermal drift) representa la mxima variacin de la pendiente de la curva de calibracin observada a la salida cuando vara la temperatura de operacin, dentro del rango de temperaturas de funcionamiento.

Salida elctrica (% fondo de escala)

Magnitud de entrada (% de rango)

Figura 7.49 Determinacin de las derivas trmicas del cero y del fondo de escala de un sensor

7.6.4.2 Efectos de la aceleracin y las vibraciones

Cuando un sensor industrial se utiliza en aplicaciones en las que est sometido a aceleraciones frecuentes, se debe considerar la posibilidad de que existan errores. Los efectos de la aceleracin se especifican mediante el error de aceleracin, que se define como la diferencia mxima (para un valor de la magnitud a medir, dentro del rango) entre los valores de la salida obtenidos con la aplicacin de una aceleracin constante a lo largo de un eje determinado, y en ausencia de ella.

Las vibraciones afectan a los sensores industriales de forma similar a las aceleraciones pero con efectos mayores, porque dentro de un rango de frecuencias de vibracin determinado mues tran determinados factores de amplificacin (resonancias) debido a los propios componentes del sensor. Se especifican mediante el error de vibracin, que define la variacin mxima de la salida para unos determinados niveles de amplitud y frecuencia de vibracin, bajo unos determinados ejes y en unas condiciones ambientales concretas.

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7.6.4.3 Efectos de la presin ambiental

Los efectos de la presin ambiental se observan en algunos sensores cuando estn calibrados a una presin baromtrica normal y se utilizan, por ejemplo, en altitudes elevadas, lugares de presin cercana al vaco, etc., que pueden ocasionar deformaciones o degradaciones importantes. El parmetro que especifica dichos efectos es el error de presin ambiental, que se define como la mxima variacin de la seal de salida cuando la presin ambiental cambia dentro de unos va lores

Automatas Programables y Sistemas de Automatización. Parte 2

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