INVESTIGACION  TERMINADA Y MEJORADA ACERCA DEL TEMA PRINCIPAL DEL PROYECTO AULA QUE ES SENSORES.

SENSORES

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar),unacorriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.

El sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.

 

Estos dispositivos se pueden llamar elementos primarios, ya que se encargan de censar el valor de una variable dependiendo de lo que se esté controlando.

Un sensor tiene las siguientes características:

1. Convierte una variable física (por ejemplo, temperatura, distancia, presión) en otra variable diferente, generalmente en una señal eléctrica.

2. Son codificadores (Encoders), efectores, convertidores, detectores, transductores e iniciadores.

3. No siempre generan una señal eléctrica. Ejemplo. Los finales de carrera neumáticos, generan cambios de presión.

4. Funcionan con contacto físico y sin contacto físico. Ejemplos, finales de carrera, sensores de fuerza(contacto físico), barreras fotoeléctricas, barreras de aire, detectores de infrarrojos, sensores de reflexión ultrasónicos, sensores magnéticos(sin contacto físico).

5. En procesos controlados, son “preceptores” que supervisan un proceso, indicando los errores, recogiendo los estados y transmitiendo esta información a los demás componentes del proceso.

Tipos de Sensores

Existen diferentes tipos de sensores, en función del tipo de variable que tengan que medir o detectar:

• De contacto.
• Ópticos.
• Térmicos.
• De humedad.
• Magnéticos.
• De infrarrojos.

Sensores de Contacto

Se emplean para detectar el final del recorrido o la posición límite de componentes mecánicos. Por ejemplo: saber cuando una puerta o una ventana que se abren automáticamente están ya completamente abiertas y por lo tanto el motor que las acciona debe pararse.

Dichos sensores se pueden dividir en 2 tipos:

Sensores binarios.

Los sensores binarios son dispositivos de contacto tales como micro interruptores. En la disposición más simple, un conmutador esta situado en la superficie interior de cada dedo de una mano de manipulación. Este tipo de detección es de utilidad para determinar si una pieza esta presente entre los dedos. Desplazando la mano sobre un objeto y estableciendo secuencialmente contacto con la superficie, también es posible centrar la mano sobre el objeto para su agarre y manipulación.

Sensores de contacto binarios múltiples pueden emplearse, en la superficie interior de cada dedo, para proporcionar información táctil. Además, suelen estar montados en las superficies exteriores de una mano de manipulación para proporcionar señales de control de utilidad para guiar la mano a través de todo el espacio de trabajo. Este último empleo de detección por contacto es análogo al que los seres humanos sienten cuando se desplazan a través de un recinto completamente oscuro.

Sensores Analógicos.

Un sensor de contacto analógico es un dispositivo manejable cuya salida es proporcional a una fuerza local. El más simple de estos dispositivos esta constituido por una varilla accionada por resorte que esta mecánicamente enlazada con un eje giratorio, de tal manera que el desplazamiento de la varilla debido a una fuerza lateral da lugar a una rotación proporcional del eje.
La rotación se mide luego, de manera continua, utilizando un potenciómetro o de forma digital con el empleo de una rueda de código. El crecimiento de la constante del resorte proporciona la fuerza que corresponde a un desplazamiento dado.

Los principales son los llamados fines de carrera (o finales de carrera). Se trata de un interruptor que consta de una pequeña pieza móvil y de una pieza fija que se llama NA, normalmente abierto, o NC, normalmente cerrado.

La pieza NA está separada de la móvil y sólo hace contacto cuando el componente mecánico llega al final de su recorrido y acciona la pieza móvil haciendo que pase la corriente por el circuito de control.

La pieza NC hace contacto con la móvil y sólo se separa cuando el componente mecánico llega al final de su recorrido y acciona la pieza móvil impidiendo el paso de la corriente por el circuito de control. Según el tipo de fin de carrera, puede haber una pieza NA, una NC o ambas.

Usos: se usan para detectar obstáculos mediante contacto directo. Sin embargo, no son sensores
de contacto adecuados para robots de alta velocidad, ya que cuando se detecta el obstáculo gracias al jumper, el robot no tiene tiempo de frenar.

Sensores ópticos
Detectan la presencia de una persona o de un objeto que interrumpen el haz de luz que le llega al sensor.

Los sensores ópticos se componen de dos elementos principales, un sensor y un emisor de luz, pudiendo estar este ultimo integrado dentro del sensor o estar situado fuera.

 La fuente de luz genera luz de una cierta frecuencia para que el sensor pueda detectarla más fácilmente y diferenciarla de otras fuentes cercanas.

Los sensores basados en la reflexión y los que trabajan en modo barrera.

Los primeros tienen el emisor de luz y el detector muy próximos y deducen la distancia a la que está un objeto dependiendo del ángulo que forma la luz al rebotar sobre este. Esto hace que su rango sea bastante limitado.

Los segundos trabajan en modo barrera tienen la fuente a cierta distancia enfrente del sensor y solo pueden saber si el rayo se obstruye o no, aunque también se pueden configurar para detectar una pérdida de cantidad de luz, utilizable esto para algún proceso de control de nivel de liquido en algún recipiente como en una cinta transportadora de botellas.

 

Los principales sensores ópticos son las fotorresistencias, las LDR.

SENSOR LDR

Recordemos que se trataba de resistencias cuyo valor disminuía con la luz, de forma que cuando reciben un haz de luz permiten el paso de la corriente eléctrica por el circuito de control. Cuando una persona o un obstáculo interrumpen el paso de la luz, la LDR aumenta su resistencia e interrumpe el paso de corriente por el circuito de control.

Las LDR son muy útiles en robótica para regular el movimiento de los robots y detener su movimiento cuando van a tropezar con un obstáculo o bien disparar alguna alarma. También sirven para regular la iluminación artificial en función de la luz natural.

El circuito que aparece en la imagen superior derecha nos permitiría controlar la puesta en marcha de una alarma al disminuir la intensidad luminosa que incide sobre un LDR.

Usos:

En el Mouse de computadora, los cuales mueven el cursor según el movimiento que le indicamos a realizar. No obstante es importante tener en cuenta que los sensores ópticos también pueden utilizarse para leer y detectar información, tal como al velocidad de un auto que viene por la carretera y si un billete grande esta marcado o bien, es falso. Las cámaras digitales y de video utilizan sensores ópticos (lentes) para poder captar las imágenes que van a capturar 

Sensores de Temperatura

Características:

• Alto grado de protección contra la humedad.
• Medición de temperaturas entre – 50°C y 800 °C.
• Punta de medición fija o intercambiable.
• Elemento de resistencia Pt 100 / Pt 1000, NTC / PTC y termopares.
• Disponible con transmisor incorporado.
• Disponible con homologaciones marinas.

Se trata de resistencias cuyo valor asciende con la temperatura (termistor PTC) o bien disminuye con la temperatura (termistor NTC).

Por lo tanto, depende de la temperatura que el termistor permita o no el paso de la corriente por el circuito de control del sistema.

Tres tecnologías de sensor:  

RTD (Detector de la Temperatura de Resistencia): Pt 100 o Pt 1000 (precisos, estables y que abarcan un amplio intervalo de temperatura). Nuestros RTD se basan en un elemento de película fina que garantiza la durabilidad y un tiempo de respuesta reducido.

NTC / PTC (característica de temperatura negativa / positiva): señal de salida personalizada y elementos a precios competitivos utilizados generalmente en las aplicaciones de fabricantes de equipos originales.

Termopares: adaptados a temperaturas muy elevadas y mecánicamente muy estables.

El símbolo y la apariencia de un termistor son:

Los termistores son los principales sensores de temperatura.

Usos: El sensor de temperatura puede usarse para compensar un dispositivo de medida sensible a la temperatura ambiente, refrigerar partes delicadas del robot o bien para lograr temperaturas en el transcurso de un trayecto de exploración.

Sensores de Humedad

Se basan en que el agua no es un material aislante como el aire sino que tiene una conductividad eléctrica; por esa razón el Reglamento de Baja Tensión prohíbe la presencia de tomas de corriente próxima a la bañera, como veíamos en el tema anterior.

Por lo tanto un par de cables eléctricos desnudos (sin cinta aislante recubriéndolos) van a conducir una pequeña cantidad de corriente si el ambiente es húmedo; si colocamos un transistor en zona activa que amplifique esta corriente tenemos un detector de humedad. 

Se representan con este símbolo:

Tipos de sensores

·         Sensores mecánicos (por deformaciones):

La idea de este tipo de sensores, es aprovechar los cambios en las dimensiones que sufren ciertos tipos de materiales en presencia de la humedad. Los más afectados son algunas fibras orgánicas y sintéticas, como por ejemplo el cabello humano. Al aumentar la humedad relativa, las fibras aumentan de tamaño, es decir, se alargan. Luego esta deformación debe ser amplificada de alguna manera (por palancas mecánicas, o circuitos electrónicos), y debe ser graduada de acuerdo a la proporcionalidad con la humedad relativa.

·         Bulbos húmedo y seco:

Este psicrómetro se basa fundamentalmente en la medición de temperatura, para a partir de ella deducir la cantidad de agua evaporada presente en una mezcla gaseosa. La idea consiste en disponer de 2 termómetros lo más idéntico posibles, con uno de ellos se debe medir la temperatura de la mezcla (temperatura de bulbo seco), y con el otro, la temperatura en la superficie de una película de agua que se evapora en forma adiabática (temperatura de bulbo húmedo).

·         Sensores electrolíticos:

Se sabe que una molécula de agua puede descomponerse por electrólisis, cuando esto ocurre se liberan dos electrones por molécula, la idea entonces es producir la electrólisis de las moléculas de agua presentes en el gas, y medir la corriente que se genera cuando aquello ocurre.

·         Sensores por conductividad:

Si se tiene una superficie cualquiera en presencia de una mezcla gaseosa con vapor de agua, siempre habrá cierta cantidad de moléculas de agua presentes en dicha superficie.

La presencia de agua permite que a través de la superficie circule una corriente, en ello se basan los sensores por conductividad.

·         Sensores capacitivos:

Son quizás los más difundidos en la industria y meteorología, pues son de fácil producción, bajos costos, y alta fidelidad. El principio en el cual se basa este tipo de sensores, es en el cambio que sufre la capacidad (C en [Farad]) de un condensador al variar la constante dieléctrica del mismo. Si se utiliza en la mezcla gaseosa como dieléctrico entre las placas del condensador.

·         Sensores de humedad en el suelo:

Se aplica un principio similar al visto en el punto vi), se trata de utilizar la conductividad de la muestra (tierra), la cual va a ser mayor mientras más sea la cantidad de agua presente en ella. Se introducen dos electrodos separados por cierta distancia, para luego ser sometidos a una diferencia de potencial constante. La corriente circulante será entonces proporcional a la cantidad de agua presente en la muestra.

Usos: Los sensores de humedad se aplican para detectar el nivel de líquido en un depósito, o en sistemas de riego de jardines para detectar cuándo las plantas necesitan riego y cuándo no.

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        Sensores Magnéticos

Detecta los campos magnéticos que provocan los imanes o las corrientes eléctricas. El principal es el llamado interruptor Reed; consiste en un par de láminas metálicas de materiales ferromagnéticos metidas en el interior de una cápsula que se atraen en presencia de un campo magnético, cerrando el circuito.

Su símbolo recuerda vagamente al del interruptor convencional:

 

Se podrán encontrar sensores magnéticos en la medición de movimientos, como el uso de detectores de "cero movimiento" y tacómetros basados en sensores por efecto Hall o pickups magnéticos.

·         Pickups magnéticos (sensores inductivos)

Entre los sensores de proximidad industriales de uso frecuente se encuentran los sensores basados en un cambio de inductancia debido a la cercanía de un objeto metálico.

Consiste en una bobina devanada sobre un imán permanente, ambos insertos en un receptáculo o cápsula de soporte.

  

Si se coloca el núcleo del sensor en proximidad de un material ferro-magnético, se produce un cambio en la posición de las líneas de flujo del imán permanente. En condiciones estáticas, no hay movimiento en las líneas de flujo y, por consiguiente, no se induce
corriente en la bobina. Sin embargo, cuando un objeto ferro-magnético ingresa en el campo del imán y/o lo abandona, el cambio que resulta en las líneas de flujo induce un impulso de corriente, cuya amplitud y forma son proporcionales a la velocidad de cambio del flujo.

La tensión que se mide sobre la bobina varía como función de la velocidad a la que se introduce el material ferro magnético en el campo del imán. La polaridad de la tensión depende de que el objeto esté ingresando en el campo o abandonándolo.

También existe una relación entre la amplitud de la tensión y la distancia sensor-objeto. La sensibilidad cae rápidamente al aumentar la distancia. El sensor es eficaz a un milímetro o menos.

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     Sensores por "Efecto Hall"

En el mercado existe gran cantidad de sensores industriales para diversos usos, basados en el efecto que descubrió el científico Edwin Herbert Hall. El nombre de Hall, físico norteamericano, ha pasado a la posteridad debido a una singularidad electromagnética que descubrió por causalidad en el curso de un montaje eléctrico: el "Efecto Hall".

Cuando por una placa metálica circula una corriente eléctrica y ésta se halla situada en un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente, se desarrolla en la placa un campo eléctrico transversal, es decir, perpendicular al sentido de la corriente. Este campo, denominado Campo de Hall, es la resultante de fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre las partículas de la corriente eléctrica, sean positivas o negativas.

Este fenómeno tiene dos consecuencias principales. La primera es que la acumulación de cargas en un lado de la placa, en el campo así creado, implica que el otro lado tiene una carga opuesta, creándose entonces una diferencia de potencial; la segunda es que la carga positiva posee un potencial superior al de la carga negativa. La medida del potencial permite, por tanto, determinar si se trata de un campo positivo o negativo.

En la mayor parte de los metales, la carga es negativa, pero en algunos metales como el hierro, el zinc, el berilio y el cadmio son positiva, y en los semiconductores es positiva y negativa al mismo tiempo. Hay una desigualdad entre los intercambios negativos y los positivos; también en este caso, la medida del potencial permite saber cuál domina, el positivo o el negativo.

Los sensores basados en efecto Hall suelen constar de un elemento conductor o semiconductor y un imán. Cuando un objeto ferro-magnético se aproxima al sensor, el campo que provoca el imán en el elemento se debilita. Así se puede determinar la proximidad de un objeto, siempre que sea ferro-magnético.

Usos: El interruptor Reed puede sustituir a los finales de carrera para detectar la posición de un elemento móvil, con la ventaja de que no necesita ser empujado físicamente por dicho elemento sino que puede detectar la proximidad sin contacto directo. Esto es muy útil cuando interesa evitar el contacto físico, por ejemplo para detectar el nivel de agua de un depósito sin riesgo de cortocircuitos. 

Sensores Infrarrojos

Existe una franja de ondas electromagnéticas cuya frecuencia es muy baja para que nuestros ojos la detecten; son los infrarrojos.

Existen diodos capaces de emitir luz infrarroja y transistores sensibles a este tipo de ondas y que por lo tanto detectan las emisiones de los diodos. Esta es la base del funcionamiento de los mandos a distancia; el mando contiene diodos que emiten infrarrojos que son recibidos por los fototransistores del aparato.

Los sensores infrarrojos detectan la radiación emitida por los materiales calientes y la transforman en una señal eléctrica.

Opciones y Accesorios

Función chequeo:

Un auto chequeo manual o automático es efectuado por control remoto.

Cubierta refrigerada:

Doble pared de acero inoxidable y agua de enfriamiento cubren la óptica.

Conexión de aire:

Por medio de aire comprimido la óptica se mantiene limpia de polvo, vapor de agua y radiación de calor.

Tubo:

Protegen contra otros factores limitando la superficie de detección.

Soporte giratorio:

Accesorio de montaje simple y ajustable.

Dispositivo electrónico:

En caso de radiación de fondo una cadena de LED hace posible una medición exacta.

Salida analógica:

Para detección de objetos de entre 400 – 950° C de temperatura existen salidas de 0 – 10 V o 0 – 20 máx.

OKD / OSD:

PIROS pintados en aluminio con carcasa rectangular con abrazadera para aplicaciones fuera del área de laminación en caliente.

LSA / LRA:

Barreras ópticas con carcasa de acero inoxidable para acería y laminación.

Ej. Para detección del material en un horno de recocido.

Teach-in:

Un algoritmo procesado y optimizado permite condiciones variables.

Los diodos de infrarrojos son a simple vista idénticos a los LED, como se puede apreciar en la imagen, y se representan de la misma manera, mientras que el símbolo de los fototransistores es semejante al de los transistores normales pero añadiendo las flechas que representan la luz que reciben. Recordemos que las flechas salen del elemento cuando éste emite luz o radiación infrarroja y entran en él cuando el elemento recibe dicha radiación.

 Usos: Monitoreo del nivel patrón, control de llama de corte automático de palanquilla, control de mesa de rodillo, detección de borde de planchón, medición de separación de rodillos en tren de laminación, control de vueltas y enrollamiento de carretel, medición de longitudes, control de ruptura de alambres, monitoreo de remoción de piezas.