FUNDAMENTOS FÍSICOS Y CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE SENSORES
Un sensor es un dispositivo para detectar y señalar una condición de cambio. Con frecuencia, una condición de cambio, se trata de la presencia o ausencia de un objeto o material (detección discreta). También puede ser una cantidad capaz de medirse, como un cambio de distancia, tamaño o color (detección analógica). Los sensores posibilitan la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de medición y/o de control, tanto eléctricos como electrónicos, utilizándose extensivamente en todo tipo de procesos industriales y no industriales para propósitos de monitoreo, medición, control y procesamiento.
Al utilizar un sensor para una aplicación, se debe calcular una distancia de detección nominal y una distancia de detección efectiva. [Fundamentos de la detección de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley]
Distancia nominal de detección
La distancia de detección nominal corresponde a la distancia de operación para la que se ha diseñado un sensor, la cual se obtiene mediante criterios estandarizados en condiciones normales.[Fundamentos de la detección de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley]
Distancia efectiva de detección
La distancia de detección efectiva corresponde a la distancia de detección inicial (o de fábrica) del sensor que se logra en una aplicación instalada. Esta distancia se encuentra más o menos entre la distancia de detección nominal, que es la ideal, y la peor distancia de detección posible.[Fundamentos de la detección de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley]
Existen otros términos asociados al cálculo de la distancia nominal en los sensores los cuales son: Histéresis, Repetibilidad, Frecuencia de conmutación y Tiempo de respuesta.
Histéresis
La histéresis, o desplazamiento
diferencial, es la diferencia entre los puntos de operación (conectado)
y liberación (desconectado) cuando el objeto se aleja de la cara
del sensor y se expresa como un porcentaje de la distancia de detección.
Sin una histéresis suficiente, el sensor de proximidad se conecta
y desconecta continuamente al aplicar una vibración excesiva al
objeto o al sensor, aunque se puede ajustar mediante circuitos adicionales.[Fundamentos
de la detección de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley]
Fig. Histéresis
Repetibilidad
La repetibilidad es la capacidad de un sensor de detectar el mismo objeto a la misma distancia de detección nominal y se basa en una temperatura ambiental y voltaje eléctrico constantes.[Fundamentos de la detección de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley]
Fig. Repetibilidad
Frecuencia de conmutación
La frecuencia de conmutación corresponde a la cantidad
de conmutaciones por segundo que se pueden alcanzar en condiciones normales.
En términos más generales, es la velocidad relativa del
sensor.[Fundamentos de la detección de presencia,
Rockwell Automation/Allen-Bradley]
Fig. Frecuencia de conmutación
Tiempo de respuesta
El tiempo de respuesta de un sensor corresponde al tiempo que transcurre entre la detección de un objeto y el cambio de estado del dispositivo de salida (de encendido a apagado o de apagado a encendido). También es el tiempo que el dispositivo de salida tarda en cambiar de estado cuando el sensor ya no detecta el objeto. El tiempo de respuesta necesario para una aplicación específica se establece en función del tamaño del objeto y la velocidad a la que éste pasa ante el sensor.[Fundamentos de la detección de presencia, Rockwell Automation/Allen-Bradley]
Sensores Inductivos
Los sensores inductivos tienen una distancia máxima de accionamiento, que depende en gran medida del área de la cabeza sensora (bobina o electrodo), por ello a mayor diámetro, mayor distancia máxima; en relación a la distancia real de accionamiento Sn dependerá de la temperatura ambiente y de la tensión nominal y se sitúa dentro del +/- 10% de la distancia nominal Sn.
Los sensores inductivos poseen una zona activa próxima a la sección extrema del inductor, que está estandarizada por normas para distintos metales. Esta zona activa define la distancia máxima de captación o conmutación Sn. La distancia útil de trabajo suele tomarse como de un 90% de la de captación: Su =0.9 x Sn.
La técnica actual permite tener un alcance de hasta unos 100 mm en acero. El alcance real debe tomarse en cuenta, cuando se emplea el mismo sensor en otros materiales. Ejemplo: Para el Acero Inoxidable debe considerarse un 80% de factor de corrección, para el Aluminio un 30 % y para el cobre un 25%.
La distancia de operación también depende si el sensor es blindado o no. Los sensores blindados están construidos con un anillo de protección alrededor del núcleo. Este tipo de sensor concentra el campo electromagnético en la parte delantera de la cara frontal del del sensor. En los sensores inductivos no blindados no existe el anillo metálico alrededor, por lo tanto, el campo no está concentrado sobre la parte delantera del sensor, estas configuraciones permiten un 50% más de rango de sensado que en un sensor blindado del mismo tamaño.
Sensores Capacitivos
Los sensores capacitivos al igual que los inductivos tienen una distancia máxima de accionamiento, que depende en gran medida del área de la cabeza sensora (bobina o electrodo), por ello a mayor diámetro, mayor distancia máxima.
Zona activa
Poseen una zona activa próxima a la sección extrema similar a los inductivos, que define la distancia máxima de captación o conmutación Sm. La distancia útil de trabajo suele tomarse como de un 90% de la de captación:
Objeto Patrón
Las distancias sensoras de los sensores capacitivos son especificadas
por el accionador metálico, con lado igual a 3 veces la distancia
sensora para los modelos embutidos (en la gran mayoría), y en algunos
pocos casos de sensores capacitivos embutidos se utiliza el lado cuadrado
igual al diámetro del sensor.
Sensores Fotoeléctricos
En los sensores fotoeléctricos la distancia nominal de detección varía de acuerdo al sensor:
a) Sensores de Barrera. Cuando existe un receptor y un emisor apuntados uno al otro. Tiene este método el más alto rango de detección (hasta unos 60 m).
b) Sensores Reflex. Cuando la luz es reflejada por un reflector especial cuya particularidad es que devuelve la luz en el mismo ángulo que la recibe (9 m de alcance).
c) Sensores Auto Reflex. Cuando el emisor tiene un lente que polariza la luz en un sentido y el receptor otro que la recibe mediante un lente con polarización a 90 ° del primero. Con esto, el control no responde a objetos muy brillosos que pueden reflejar la señal emitida (5m de alcance).
d) Sensores de Foco Fijo. Cuando la luz es reflejada difusamente por el objeto y es detectado por el hecho de que el transmisor y el receptor están estereoscópicamente acoplados, evitando con ello interferencia del fondo (3.5 m de alcance).
e) Sensores de detección difusa. Iguales a los anteriores pero los lentes son divergentes, y se usan para detectar objetos muy próximos (1.5 m de alcance).
f) Sensores de Fibra Óptica. En este
tipo, el emisor y receptor están interconstruídos en una
caja que puede estar a varios metros del objeto a sensar. Para la detección
emplean los cables de fibra óptica por donde circulan los haces
de luz emitido y recibido. La mayor ventaja de estos sensores es el pequeño
volumen o espacio ocupado en el área de detección.
Alcance Nominal (Sn)
Es la distancia máxima aconsejada que debe haber entre el emisor y el receptor, emisor y reflector o emisor y objeto para garantizar la detección. El alcance nominal es el indicado en los catálogos del producto y sirve de base de comparación entre los distintos dispositivos.
Alcance de trabajo (Sa)
Es la distancia hasta la cual la detección está asegurada y toma en cuenta los factores ambientales (polvo, humo, etc.) y un margen de seguridad. Este alcance es siempre menor que el alcance nominal.
Sensores Ultrasónicos
Zona Ciega
Los sensores ultrasónicos tienen una zona ciega inherente ubicada en la cara de detección. El tamaño de la zona ciega depende de la frecuencia del transductor. Los objetos ubicados dentro de la zona ciega no se pueden detectar de manera confiable.
La técnica actual permite la fabricación de estos sensores con un rango de detección desde 100 mm hasta unos 6000 mm con una exactitud de 0.05%.
Consideraciones sobre el objeto
Se deben tener en cuenta ciertas características de los objetos cuando se usan sensores ultrasónicos. Estas incluyen la forma, el material, la temperatura, el tamaño y la posición del objeto, ya que de ellas dependen que éste devuelva el eco más fuerte posible.
La forma ideal del objeto es una superficie lisa y plana. También pueden detectarse objetos redondos o disparejos pero se reducirán las distancias de detección y/o los voltajes de salida analógica. Los materiales suaves tales como telas o caucho esponjoso son difíciles de detectar por la tecnología ultrasónica difusa porque no refleja el sonido adecuadamente.