Resumen

El presente artculo se presenta una breve clasificacin de los sensores industriales comnmente utilizados en la automatizacin industrial, esto segn sus caractersticas. Adems se presentan algunas de sus aplicaciones de cada uno de los sensores mostrados as como sus ventajas y desventajas de cada uno de estos al ser utilizados.

Esto se da con el propsito de conocer el medio por el cual los Sistemas Lgicos Programables, consiguen las seales necesarias para realizar los procesos de control, y para conocer la forma de seleccionar el tipo de sensor segn el proceso que se desee controlar.

Palabras clave Sensor, Automatizacin Industrial, Sistemas Lgicos Programables, Proceso a controlar.

Abstract

This article is a brief classification of industrial sensors commonly used in industrial automation, this according to their characteristics. In addition are some of their applications for each of the sensors shown and their advantages and disadvantages of each of these to be used.

This occurs with the purpose to know the means by which the Programmable Logic Systems, get the necessary processes for control signals and to know how to select the type of sensor according to the process to be controlled.

I Introduccin

La constante demanda industria en la disminucin de tiempo de produccin y calidad de los productos hace necesaria la automatizacin de tales procesos.

Tales procesos deben ser monitorizados de alguna manera, y es donde entra el uso de los sensores ya que el objetivo de estos es la vigilancia o seguimiento de procesos, como es la medicin de temperatura o humedad en el ambiente, con la finalidad de conocer las variables que se encuentran afectando al sistema. Por ello es que los sistemas sensores son bien conocidos por ser la retroalimentacin para el lazo cerrado de los sistemas de control.

En general se denomina transductor a todo dispositivo que convierte una seal de forma fsica en una seal correspondiente pero de otra forma fsica distinta. Es, por tanto, un dispositivo que convierte un tipo de energa a otro.

Sensores industriales en la Automatizacion de Procesos

Bentez Garca Sal Enrique

Instituto Politcnico Nacional Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica

Unidad Culhuacan

Dada la existencia de seis tipos de seales: mecnicas, trmicas, magnticas, elctricas, pticas y moleculares, cualquier dispositivo que convierta una seal de un tipo en una seal de otro tipo debera considerarse un transductor, y la seal de salida podra ser de cualquier forma fsica til, anqu en la prctica, se consideran transductores a aquellos dispositivos que transforman una magnitud fsica a una seal elctrica para su posterior tratamiento de esta.

Los sensores son definidos como aquellos dispositivos que, a partir de la energa del medio donde se mide, da una seal de salida transducible que es funcin de la variable medida.

Aunque comnmente el termino sensor y transductor se emplean como sinnimos, el termino sensor sugiere un significado a la ampliacin de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades fsicas que, por su naturaleza o tamao, no pueden ser percibidas directamente por los sentidos, En cambio transductor, sugiere que la seal de entrada y la de salida no deben ser homogneas.

II Clasificacin de los sensores Industriales

Debido a la cantidad numerosa de variables o magnitudes fsicas susceptibles de ser transformadas en seales elctricas, es posible clasificar a los sensores de diferentes formas segn un conjunto de caractersticas, lo cual depender segn el autor, por ello se utiliza la clasificacin mencionada en [2] mostrada en la tabla 2.1. En esta clasificacin solo se mencionaran los aspectos ms importantes de cada tipo de sensor.

Tabla 2.1 Clasificacin de los Sensores

Clasificacin segn el Principio de Funcionamiento Se pueden encontrar dos tipos de sensores en esta clasificacin Activos: Son aquellos que generan seales representativas de las magnitudes a medir en forma autnoma, sin requerir de fuente alguna de alimentacin, masque la de la variable a medir. Dentro de esta clasificacin podemos destacar los sensores piezoelctricos, los fotoelctricos, termoelctricos entre otros. Pasivos: Estos se limitan a modificar alguno de sus parmetros elctricos caractersticos mediante los cambios de la magnitud fsica a medir, como son potencimetros, termistores, capacitores o inductores variables entre otros. Caracterizndose por necesitar una fuente de alimentacin externa.

Clas

ifica

cion

de

los S

enso

res

Principio de Funcionamiento

Activos

Pasivos

Por Tipo de Seal electrica generada

Aanalogicos

Digitales

Temporales

Segun el rango de valores que proporcionan

De medida

Todo o Nada

Segun Nivel de Integracion

Discretos

Integrados

InteligentesSegun tipo de Variable Fisica Medida

Clasificacin segn el tipo de seal elctrica que generan Esta clasificacin se da debido al formato de la seal o seales elctricas que genera el sistema ya que estas pueden variar de forma distinta a lo largo del tiempo y dar lugar a diferentes interpretaciones de una seal. Por esto es posible clasificarlos de la siguiente manera Analgicos: Es aquel que en su salida emite una seal comprendida en un campo de valores instantneos que varan con el tiempo, siendo proporcionales a los efectos que se estn midiendo. Digitales: Son aquellos que pueden cambiar de estado ya sea de 0 a 1 o de 1 a 0, por lo que en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensin se encuentran en nicamente dos valore 5 y 0 volts. Temporales: Estos proporcionan a su salida seales elctricas donde la informacin est asociada al parmetro tiempo (pueden ser seales sinodales o cuadradas) y la magnitud de la variable fsica medida es proporcional a uno de los siguientes parmetros temporales, frecuencia, fase, duracin de un impulso o periodo de la seal. Clasificacin Segn el rango de valores De medida: Se caracterizan por proporcionar los valores correspondientes a cada valor de la variable dentro de un rango determinado.

Todo-Nada: estos sensores solo son capaces de detectar si la magnitud de la variable de entrada est por encima o por debajo de un valor predeterminado. La seal elctrica a la salida de estos sensores es de tipo binaria ya que solo toma dos valores, encendido o apagado (0 o 1).

Segn el nivel de integracin Discretos: En ellos se encuentran los circuitos que realizan el acondicionamiento de la seal de forma separada pero interconectados entre s, es decir, los dispositivos acondicionadores son visibles y no se encuentran dentro un nico empaquetado.

Integrados: Caracterizados por el elemento sensor y circuito acondicionador integrados en un solo circuito integrado monoltico o hibrido. Inteligentes: Son aquellos que al menos realiza alguna de las siguientes funciones: Clculos numricos, Comunicacin en red, Auto calibracin y autodiagnstico, Mltiples medidas con identificacin del sensor. Por ellos es necesaria la implementacin de un sistema sensor presentado en la fig. 2.1

Fig. 2.1 Sistema Sensor Inteligente

Segn el tipo de variable fsica medida En este tipo solo se mencionara las variables tpicas medibles en la tabla 2.2 ya que dependiendo de la magnitud fsica a medir ser seleccionado el sensor por el principio de funcionamiento, mostrndose en la tabla 2.3 ejemplos de lo mencionado anteriormente.

Tabla 2.2 Clasificacin segn el tipo de

variable fsica medida

Tabla 2.3 Ejemplos de seleccin de sensor

segn la variable fsica a medir

IV Caractersticas Generales de los Sensores Industriales

Para una seleccin adecuada del sensor para la medicin de una determinada variable o magnitud fsica, es necesario conocer las caractersticas de estos, por lo que se presentan a continuacin las mas representativas.

Caractersticas de entrada

Campo o rango de Medida: Es definida como el conjunto de valores de la magnitud a medir que estn comprendidos dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida del sensor.

Forma de variacin de la magnitud de entrada: De acuerdo con la forma en como vare la seal en funcin del tiempo, los datos que se apliquen al sensor pueden clasificarse como muestra la Tabla. 3.1

Tabla 3.1 Caractersticas segn la variacin de magnitud de entrada

Caractersticas Elctricas

De Seal de Salida: Su importancia recae en la dependencia de compativilidad entre el sensor industrial y el sistema al cual se acopla por lo que serean mencionadas en este apartado.

Analogica: Proporciona seales electricas continuas en el tiempo, las

Clas

ifica

cion

seg

un e

l tip

o de

va

riabl

e fis

ica

med

ida

Presion

Temperatura

Humedad

Fuerza

Aceleracion

Velocidad

Caudal

Presencia

Nivel de Solido o Liquido

Desplazamiento de objetos

Quimicos

Mag

nidu

td d

e en

trad

a

Dinamicos

Transitorios

Estaticos

Aleatorios

cuales son proporcionales a la variable de estudio, por lo que se deben tomar las consideracion de impedancia de entrada, distancia del sensor al sistema y los rangos en los cuales se encontrala limitada la seal.

Digital: Este tipo posee un formato tipo digital (0 o 1) por lo que los niveles de tencion correspondientes a los estados digitales dependeran de la tecnolgia utilizada en el sistema (TTL, CMOS, etc.).

Todo-Nada: Este tipo de sensores aun cuando se asemejan a los digitales este no se encuentra limitado a encontrarse en rangos de voltaje y corriente pequeos por lo que es necesario tomar en cuenta los parametros de: 1) Corriente de carga maxima. 2) La tension de alimentacion y 3) La configuracion de salida. Algunos ejemplos de este tipo de sensores son lo relevadores o los de fin de carrera.

Temporal: Este de igual forma depende de los parametros antes mencionados de los sesores de salida todo-nada.

De alimentacion: Esta es la caracteristicaa que indica el margen de tensiones dentro del cual el sensor funciona de manera adecuada, esta es denomiada tension de funcionamiento o de alimentacion, las cuales pueden ser de CA o CD, aunque por lo general son de la ultima mencionada.

De Aislamiento: Esta caracteristica es hacerca sobre las protecciones que se encuentran en el sensor, para soportar ciertos niveles te tension y corriente. Los parametros que proporcionan esta informacion son comumente son resistencia de aislamiento y tension de ruptura.

Caractersticas Mecnicas

Este habla sobre las caractersticas fsicas que tiene el sensor para su manejo e instalacin, en donde por lo general las especificaciones ms comunes son:

Configuracin constructiva y dimensiones externas

Las instrucciones de montaje El tipo, tamao y localizacin de

conexiones La forma de realizar ajuste externos El material de la carcasa El grado de proteccin de la carcasa

ante agentes externos

Caractersticas de Funcionamiento

Las caractersticas de los sensores segn su funcionamiento se pueden colocar en tres grandes grupos:

Caractersticas estticas: Que son aquellas que describen la actuacin del sensor en rgimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir. Mostrndose en la tabla 3.2 las caractersticas que componen a este grupo.

Tabla 3.2 Caractersticas Estticas Caractersticas Dinmicas: Siendo las que describen el comportamiento del sensor en rgimen transitorio. Siendo en la tabla 3.3

Cara

cter

istic

as E

stat

icas

Exactitud

Precision, repetibilidad y reproducibilidad

Calibracion

Histeresis

Linealidad

Sensibilidad

Resolucion

Umbral

donde se muestran las caractersticas de este tipo.

Tabla 3.3 Caractersticas Dinmicas

Caractersticas ambientales: Estas caractersticas se concentran hacia el comportamiento que tiene el sensor hacia una perturbacin ambiental diferente a las que se utilizan para determinar las dos caractersticas anteriores. Por ello se pueden rescatar las que ms comnmente llegan a afectar a los sensores en la medicin mostradas en la tabla 4.4.

Tabla 3.4 Efectos ambientales mas comunes en los sensores

Caractersticas de fiabilidad

Para hacer referencia a este tipo de caracterstica es necesario tomar condiciones de presin y temperatura normales ya que

con estas se realizan las pruebas de vida til del dispositivo sensor, es decir, el tiempo mnimo durante el cual funcionara de manera adecuada, esto sin sufrir modificaciones en sus caractersticas.

Otro aspecto importante que toma en cuenta son los errores consecuentes por envejecimiento del dispositivo sensor ya que en este se produce una perdida progresiva de las caractersticas indicadas por el fabricante, lo que hace necesarias re-calibraciones peridicas.

IV Sensores industriales de Aplicacin General en procesos de

Fabricacin

Siendo este apartado el ms importante de todos en cuanto a ingeniera se habla ya que todo proceso ya sea industrial o de implementacin de sistemas embebidos

Sensores detectores de Objetos

Denominados de esta forma porque dependen de si detecta o no la presencia de algn objeto a un cierto rango de cercana, adems de depender la velocidad y el tipo de material del cual est hecho el objeto. Por tal razn existe una variedad de principios fsicos para la deteccin, lo que da lugar a la variedad de tipos de sensores.

Dada el paso del tiempo en [2] proponen una clasificacin de los sensores de deteccin de objetos colocndolos en dos grandes grupos, segn la distancia y segn el tipo de material del objeto, esta clasificacin se presente en la tabla 4.1

Cara

cter

istic

as D

inam

icas

Velocidad de Respuesta

Tiempo de respuesta

Respuesta en Frecuencia

Estabilidad

Constante de tiempo

Amortiguamiento

Efec

tos

Ambi

enta

les

Efectos Termicos

Efectos de aceleracion y las vibraciones

Efectos de la presion ambiental

Efectos de las perturbaciones electricas

Tabla 4.1 Sensores de deteccin de objetos

Como es posible observa en la tabla 5.1 en general los sensores ms utilizados en la deteccin de objetos, cual quiera que sea su aplicacin en la deteccin de objetos, se encuentran los sensores inductivos, capacitivos, optoelectrnicos, magnticos, ultrasnicos, microinterruptores y de finales de carrera. Por ello se darn las caractersticas ms importantes de estos sensores y algunas aplicaciones de estos en el uso industrial

Sensor de final de carrera

Los sensores de final de carrera (Fig. 4.1) son dispositivos elctricos, neumticos o mecnicos situados al final del recorrido o de un elemento mvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar seales que puedan modificar el estado de un circuito.

Fig. 4.1 Interruptores de final de carrera

Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operacin que cumplan al ser accionados, de ah la gran variedad de finales de carrera que existen en mercado.

Entre las ventajas encontramos la facilidad en la instalacin, la robustez del sistema, es insensible a estados transitorios, trabaja a tensiones altas, debido a la inexistencia de imanes es inmune a la electricidad esttica.

Los inconvenientes de este dispositivo son la velocidad de deteccin y la posibilidad de rebotes en el contacto, adems depende de la fuerza de actuacin.

Sensores inductivos

Los sensores inductivos (fig. 4.2) son una clase especial de sensores que sirve para detectar materiales metlicos ferrosos. Lo hace a travs de la creacin de un campo electromagntico.

Sens

ores

det

ecto

res d

e ob

jeto

s

Segun la distancia

De contacto

Final de Carrera

Microinterruptores

Sin contacto

Pequeas Distancias

Optoelectronicos

Magneticos

Ultrasonicos

Inductivos

Capacitivos

Grandes Distancias

Optoelectronicos

Ultrasonicos

Segun el tipo de material

Metalico Inductivos

Cualquier material

Ultrasonicos

Optoelectronicos

Capacitivos

Fig. 4.2 Sensores inductivos

Con la capacidad de detectar de cerca, los sensores de proximidad inductivos son tiles para aplicaciones de inspeccin y medicin precisa aunque de igual forma tiene sus limitantes, por lo que se muestra en la tabla 4.2 se realiza una comparacin entre las ventajas y desventajas de estos sensores

Ventajas Desventajas Inmunes a condiciones ambientales adversas Alta velocidad de interrupcin para aplicaciones de respuesta rpida Pueden detectar blancos metlicos a travs de barreras no metlicas Larga vida operacional con ciclos de operacin virtualmente ilimitados Estado slido para proporcionar una seal de entrada sin rebote

Rango de Deteccin limitado (4" o 100 mm, mximo) Detecta solamente objetos metlicos Puede ser afectado por rebabas metlicas que se acumulan en la carga del sensor

Tabla 4.2 Ventajas y desventajas de los sensores inductivos

Aplicaciones: Los sensores de proximidad pueden ser utilizados para detectar el final del recorrido en una tabla de posicionamiento, para determinar la velocidad contando los

dientes de un engranaje, o bien pueden utilizarse para revisar si una vlvula est totalmente abierta o cerrada.

Los sensores de proximidad pueden ser utilizados para detectar la presencia o ausencia de una pieza metlica o tarimas metlicas en lneas de transporte.

Cuando un brazo de robot se desplaza para una operacin de toma y colocacin, un sensor de proximidad asegura que el brazo tiene realmente una parte en sus pinzas.

En el maquinado de metales, los sensores de proximidad pueden asegurar que la pieza est montada en el dispositivo, y que la broca no est rota.

Sensores Capacitivos

Los sensores capacitivos (fig. 4.3) reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexin respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto ms elevada sea su constante dielctrica.

Fig. 4.3 Sensores capacitivos

La deteccin de materiales metlicos o no metlicos, se encuentra en el rango de distancia de 1 mm a 30 mm. Pero la sensibilidad del sensor se ve afectada por el tipo de material y por el grado de humedad ambiental.

Estos sensores se emplean para la identificacin de objetos, para funciones contadoras y para toda clase de control de nivel de carga de materiales slidos o lquidos (fig. 4.4). Tambin son utilizados para muchos dispositivos con pantalla tctil, como telfonos mviles o computadoras ya que el sensor percibe la pequea diferencia de potencial entre membranas de los dedos elctricamente polarizados de una persona adulta.

Fig. 4.4 Deteccion de nivel de agua mediante un sensor capacitivo

Sensores Optoelectrnicos

Estos sensores estn basados en las propiedades de diversos dispositivos electrnicos cuyo comportamiento depende de la luz que se les aplica (fig 5.5). Comnmente estn compuestos por un emisor y un receptor. El emisor genera un rayo de luz dentro del espectro visible, infrarrojo o cercano al lser. El receptor recebe o no el rayo emitido por el emisor, o lo recibe con algn cambio especifico en sus caractersticas, dependiendo de si encontr o no un objeto.

Fig. 4.5 Sensor optoelectrnico

Fotoclulas de barrera de luz: En ellas el emisor y el receptor estn fsicamente separados y el objeto interrumpe el haz.

Fotoclulas de reflexin: En ellas el emisor y el receptor estn colocados en la misma carcasa, y el rayo de luz sale del emisor, se refleja y vuelve al receptor. La luz se puede reflejar en un espejo, o en el propio objeto. En este ltimo caso, y segn la constitucin fsica de la fotoclula, la reflexin sobre el objeto puede ser difusa o definida.

Ventajas: Los sensores pticos, presentan importantes ventaja cuando lo que se desea es determinar propiedades fsicas o qumicas:

Es un mtodo no destructivo y no invasivo.

Ofrece posibilidades de integracin en sistemas ms complejos.

Bajo coste y tecnologa bien establecida.

Posibilidades de control a distancia de lugares poco accesibles fsicamente.

Capacidad de conformar redes espaciales de sensores para el control de parmetros en grandes superficies.

Algunos de los usos ms comunes de este tipo de sensores incluyen:

Manejo de Material. Un sensor puede asegurar que los productos se desplacen a lo largo de una lnea transportadora de manera ordenada. El sensor detendr la operacin si ocurre un atascamiento. Y se pueden contar los artculos conforme pasan por la lnea.

Empaque. Los sensores pueden verificar que los recipientes estn apropiadamente llenados, correctamente etiquetados y que tengan sellos de seguridad.

Operacin de Mquinas. Los sensores pueden verificar si una mquina est operando correctamente, si el material est presente y si el herramental no est roto.

Industria del Papel. Los sensores pueden detectar defectos en los rollos, empalmes, y presencia de papel mientras mantienen velocidades de enrollado elevadas.

Sensores Magnticos

Los sensores de proximidad magnticos (fig. 4.6) son caracterizados por la posibilidad de distancias grandes de la conmutacin, disponible de los sensores con dimensiones pequeas. Detectan los objetos magnticos (imanes generalmente permanentes) que se utilizan para accionar el proceso de la conmutacin. Los campos magnticos pueden pasar a travs de muchos materiales no magnticos, el proceso de la conmutacin se puede tambin accionar sin la necesidad de la exposicin directa al objeto. Usando los conductores magnticos, como lo es el hierro, el campo magntico se puede transmitir sobre mayores distancias para, por ejemplo, poder llevarse la seal de reas de alta temperatura.

Fig. 4.6 Sensor Magntico

Los sensores magnticos estn destinados a monitorizar la posicin de puertas deslizantes, pivotantes, y desmontables de seguridad. La utilizacin de sensores magnticos de seguridad ofrece ventajas particulares en casos de condiciones extremas de suciedad, o bien en los casos en que normas de muy elevada higiene deben ser respetadas obligatoriamente.

Sensor Ultrasnico

Los sensores ultrasnicos (fig. 4.7) de proximidad basan en el principio de funcionamiento en las caractersticas de las seales sonoras de frecuencia superior al rango audible por el ser humano (f > 20khz). Constan de un elemento que emite la seal de ultrasonidos o ultrasnica y otra que la capta.

Fig. 4.7 Sensores Ultrasnicos

Estn diseados para detectar objetivos slidos o lquidos. Estos compactos sensores proporcionan una mejor flexibilidad para las reas con espacio limitado y son excelentes

para el empaque estndar y las aplicaciones de ensamblaje. Son ideales para detectar objetivos que representan un desafo en el momento de detectarlos con sensores fotoelctricos, incluso objetos trasparentes, brillantes o no reflectantes.

Una de las aplicaciones estndares de estos sensores es la medicin de nivel, ya que no solo son capaces de reconocer si el objeto est prximo a ellos, sino que tambin pueden obtener la distancia a la cual un objeto se encuentra de ellos.

Independientemente del tipo de sustancia, los sensores ultrasnicos detectan prcticamente todos los materiales (fig. 4.8), ya sean lquidos, como son el agua o el aceite, o slidos, como son rocas o metales de cualquier material. Aunque cabe mencionar que los nicos materiales exentos para la medicin con este tipo de sensores son aquellos materiales absorbentes de las ondas mecnicas, ya que estos materias no rebotan este tipo de seales.

Fig. 4.8 Aplicaciones de los sensores ultrasnicos

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