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Sensores en la técnica de fabricación

Sensores en la técnica de fabricación

Blue Digeston Automation

ManufacturingSensorics

Stefan Hesse

Blue Digest on Automation

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Todos los textos, gráficos, imágenes y dibujos contenidos en este publicaciónson propiedad de Festo AG & Co. y, en consecuencia, están sujetos a derechosde autor. Queda prohibida su reproducción, tratamiento, traducción, micro-filmación, memorización y procesamiento mediante sistemas electrónicos sin previa autorización explícita de Festo AG & Co.

La técnica de los sensores se ha convertido en una tecnología clave, primero en la microelectrónica y la genética y, posteriormente, también en muchos otrossectores industriales. Las innovaciones tecnológicas están relacionadas cada vez más con la utilización de sensores. En la actualidad, los sensores se utilizanpara obtener casi cualquier tipo de datos, por lo que tienen una importanciaespecial en numerosas aplicaciones de automatización industrial. Los sensorespermiten que los sistemas de control sean capaces de “sentir”, informandosobre estados y posiciones de componentes de máquinas para que puedanreaccionar, en cierto sentido, de modo “inteligente”. En ese sentido, toman decisiones y se ocupan de funciones de vigilancia en sustitución del ser huma-no. Incluso se puede constatar que hay procesos que hoy en día no podrían ejecutarse sin la ayuda de los sensores. Cabe suponer que su presencia seguiráaumentando en el futuro y que habrá una mayor cantidad de componentes quelos lleven integrados. Esta aseveración también se aplica a la neumática. Anteesta perspectiva, es recomendable que los usuarios estén debidamente prepara-dos. Este manual pretende contribuir a ese fin.

Este manual ha sido concebido para quienes trabajan en la práctica y, por lotanto, se trata de una guía concisa e ilustrada que aborda los temas más impor-tantes relacionados con la captación de datos mediante sistemas con y sincontacto. El contenido está distribuido según campos de aplicación típicos,mostrando muchos ejemplos que se comentan de modo resumido, incluyendobreves explicaciones teóricas sobre los contextos físicos. Agradezco a la señoraUte Forstmann y al ingeniero Armin Seitz (FESTO) su ayuda en la elaboración y corrección del manuscrito.

Stefan Hesse

Prólogo

Índice

Prólogo

1 Sensores, los órganos sensoriales técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1 ¿Por qué utilizar sensores? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2 Clasificación y definición de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Los sensores en la producción industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1 Funciones y efectos aprovechables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2 Análisis de aplicaciones y criterios de selección . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3 Detección de posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1 Detección electromecánica de posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 Detección neumática de posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3 Detección inductiva de posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.4 Detección capacitiva de posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.5 Detección magnetoinductiva de posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.5.1 Sensores Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.5.2 Detectores magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.5.3 Resistencias regulables magnéticamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.5.3.1 Detectores de célula fotorresistiva

controlada por campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.5.3.2 Sensores magnetorresistentes de placas metálicas finas . . . . . . . . . 393.6 Detección acústica de posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.7 Detección optoelectrónica de posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.7.1 Utilización de detectores ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.7.2 Utilización de detectores de fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.7.3 Detección de posiciones mediante elementos fotosensibles . . . . . . 543.7.4 Barreras de luz de compensación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.7.5 Diferenciación cromática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.7.6 Utilización de cortinas fotoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.7.7 Utilización de sensores de rayos láser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.8 Detección de posiciones con microondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.9 Detección de posiciones con radiación nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4 Detección de magnitudes mecánicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.1 Medición de fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.2 Medición de momentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.3 Medición de aceleración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.4 Determinación de masas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5 Detección de magnitudes de fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.1 Medición de la presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.2. Medición del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.2.1 Medición volumétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.2.2 Método de presión diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.2.3 Medición inductiva del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5.2.4 Medición del caudal según el principio de Coriolis . . . . . . . . . . . . . . 905.2.5 Medición del caudal con ultrasonidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.2.6 Medición calorimétrica del caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.2.7 Medición de caudales con remolinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6 Detección de magnitudes térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6.1 Termometría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966.2 Pirometría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

7 Captación de posiciones, recorridos y ángulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

7.1 Sistemas de medición de distancias absolutas . . . . . . . . . . . . . . . . 1007.2 Sistemas de medición de distancias incrementales . . . . . . . . . . . . 1047.3 Sistemas de medición de distancias cíclicas-absolutas . . . . . . . . . 106

8 Representación de escenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

8.1 Captación de imágenes mediante sistemas ópticos . . . . . . . . . . . . 1078.2 Captación de imágenes mediante sistemas no ópticos . . . . . . . . . . 114

9 Redes de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

9.1 Técnica de conexiones de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1159.2 Sistemas de bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Datos bibliográficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Índice de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

1 Sensores, los órganos sensoriales técnicos

Un ser viviente sólo puede subsistir si es capaz de reaccionar a lo que sucede en su entorno. Incluso los seres unicelulares disponen de esta facultad. Parapercibir determinadas excitaciones desde dentro o fuera del cuerpo a través del sistema nervioso central, existen estructuras biológicas que se denominanreceptores.

Mediante la utilización de las modernas tecnologías es posible obtener recepto-res artificiales que se denominan sensores o detectores y que, montados envehículos, aparatos electrodomésticos y en otros equipos técnicos, permitenque estas máquinas reaccionen de modo controlado y por sí mismas a determi-nados estados. Los sensores imitan la capacidad de percepción de los sereshumanos. Por ello, pueden clasificarse de acuerdo con los correspondientessentidos del hombre:• Sentido de la vista ➔ Sensores ópticos• Sentido del oído ➔ Sensores acústicos• Sentidos del gusto y del olfato ➔ Sensores químicos• Sentido del tacto ➔ Sensores táctiles

Además existen numerosas magnitudes químicas, físicas e, incluso, biológicas,que el ser humano no es capaz de percibir. Sin embargo, los sensores sí soncapaces de ello. La técnica de los sensores ha experimentado una evolución vertiginosa en los últimos tiempos. Aunque en muchos casos no se aprecian a simple vista, especialmente si se trata de chips, están presentes por doquier.

Hace tan sólo algunos años, R. Malone, presidente del patronato encargado deuna exposición de robots, se expresó al respecto en los siguientes términos:

“... hoy todo resulta que es inteligente. Algún día no muy lejano tendrán unaseria discusión con sus muebles de jardín. Ustedes les dirán: ¿Por qué estáisfuera si está lloviendo? ¿Por qué no habéis entrado en casa, tal como osordené?”

Esta escena futurista indica que muy posiblemente todas las máquinas y losobjetos de uso diario dispondrán de sensores, que los convertirán en algo cotidiano. Esta es una evolución inevitable en la que los microsistemas adqui-rirán una importancia cada vez mayor. Muchas funciones que hasta hace pocoparecían utópicas, son ya una realidad gracias al uso de sensores de ínfimotamaño. Máquinas que ejecutan movimientos y que antes podían equiparse, en el mejor de los casos, con detectores para cilindros, dispondrán de muchasotras funciones sensoriales. El sensor y la operación de procesamiento de lasseñales estarán unidos en un sólo bloque. Pensándolo bien, a los especialistasen automatización industrial les espera un futuro fascinante. Ello significa quelos usuarios deberán dedicarse intensamente al estudio de esta materia. El presente manual pretende contribuir a ese estudio.

9

1

Sensores, los órganos

sensoriales técnicos

La subsistencia de las sociedades industriales modernas depende de la automa-tización. El ser humano primero se libró del esfuerzo físico en las fábricas uti-lizando máquinas y actuadores de diversa índole. Este proceso duró varios siglos y puede calificarse como la era de la mecanización. A esta era le siguió la era de la paulatina automatización que, a su vez, supone la existencia de téc-nicas de control de alto nivel. Ya en el año 1923, por ejemplo, la empresa inglesa“Morris Motors” instaló en su planta una línea de fabricación paso a paso para la producción de bloques de cilindros, consiguiendo fabricar 15 unidadespor hora. Sin embargo, el método no se impuso porque el sistema de controlmecánico disponible en la época no cumplía los requisitos necesarios. La ingen-te cantidad de componentes utilizados actualmente con ese fin ha creado unasituación casi paradisíaca en ese sentido. Los sistemas de procesamiento deseñales han experimentado una evolución aún más rápida, gracias a los micro-procesadores, la lógica difusa (fuzzy-logic), los algoritmos genéticos y a los primeros intentos de crear una forma de inteligencia artificial.

Sin embargo, todas las informaciones, los datos y valores de medición que seprocesan, tienen que captarse primero. Esta operación puede asumirla el serhumano utilizando aparatos de medición, o bien puede realizarse mediante sensores sin que intervenga el hombre. Sin sensores, los sistemas automáticosno pueden reaccionar. Las máquinas sin sensores son ciegas, sordas y carecende relación con su entorno. Si un motor eléctrico no dispone de un circuito de protección para evitar su calentamiento, una persona tendría que estarobservando constantemente el instrumento de indicación de la temperaturapara poder desconectar la máquina en caso de emergencia. La automatizaciónmoderna permite la fabricación de series cada vez más pequeñas, con lo que las máquinas tienen que ser suficientemente versátiles para adaptarse a las condiciones que cambian con frecuencia. Esta necesidad explica el auge que latécnica de los sensores experimentó en el transcurso de los últimos 20 años y el éxito que seguirá teniendo en el futuro.

Pronosticando la evolución futura, es posible que las próximas generaciones de sensores se rijan por las siguientes tendencias:• Mayor integración; es decir, mayor grado de “inteligencia” del sensor

y menor consumo de energía• Miniaturización mediante microelectrónica y microsistemas (microestructuras)• Disminución de los costos gracias a la fabricación en grandes series

(capas delgadas y gruesas, ASIC)• Desarrollo de estándares de transmisión de datos para sistemas de sensores

(sistemas de bus, comunicación entre el nivel de campo y de control, diagnóstico, localización de fallos)

• Reducción considerable del trabajo de instalación y cableado; inclusión sencilla de sensores y actuadores en la red de bus

• Combinación más sencilla de aparatos de diversas marcas• Sistemas de medición más fiables, para instalarlos y olvidarse de ellos.

1 Sensores, los órganos sensoriales técnicos10

1.1 ¿Por qué utilizar sensores?


Los sensores se utilizan para medir magnitudes físicas o electroquímicas y transformarlas en señales eléctricas inconfundibles. El concepto “sensor” proviene del latín “sensus” que significa sentir o percibir. Este concepto empezóa utilizarse en las publicaciones especializadas en el transcurso de la década delos años setenta. Antes se utilizaban conceptos como receptor, emisor, impulsor,medidor, transductor o transmisor.

En la fig. 1-1 se muestra un esquema que explica el funcionamiento general deun sensor. Se puede apreciar que, por regla general, es necesario procesar dealguna manera las señales (procesamiento previo) antes de que la informaciónllegue a un sistema ejecutor constituido por actuadores. La función del sensorse aprovecha para la primera conversión de señales recurriendo a diversos principios físicos.

Si el procesamiento de las señales es más complejo, el sensor se conecta a unmicroprocesador. En ese caso (y más bien por razones de marketing) se utiliza eltérmino de sensor “inteligente” (del término en inglés “smart sensor”). Ademásde los conceptos “sensor” y “detector” también se utilizan los siguientes:

Elemento de detección o sensor elemental

Esta es la denominación del elemento de conversión propiamente dicho, que seencarga de convertir la magnitud no eléctrica, obtenida por un efecto físico, enuna magnitud eléctrica. En determinados casos es necesario interponer unamagnitud adicional para realizar la conversión.

Sistema de sensores

Denominación aplicada a un sistema que consta de varios componentes demedición y evaluación y en el que la medición se lleva a cabo en el mismomomento de producirse la transmisión que causa un efecto. En los sistemas desensores están incluidos el objeto que se mide, el sensor como tal y el entorno.Estos sistemas incluyen las funciones esenciales de la transmisión de los datos.

11

xe

xa

Transformación(mecánica)

Sensorelemental

Elemento de detección

Convertidor

Procesamiento de las señales

Adaptador

1.2 Clasificación y definición de conceptos

Fig. 1-1

Principio de funcionamiento

de un sensor

xe Magnitud medida

xa Señal de salida

Sistemas de sensores múltiples

Denominación aplicada a un sistema compuesto por varios sensores individua-les que se encargan de medir simultáneamente varias magnitudes. Suelen sersensores con semiconductores, por lo que sus dimensiones son muy pequeñas.Los sistemas de sensores múltiples pueden ser de tres tipos:• Combinación de sensores con diversos principios de medición (por ejemplo,

medición táctil, óptica, acústica). En este caso se trata de una combinaciónheterogénea

• Combinación de sensores con el mismo principio de medición, montados en diversos lugares del sistema. En este caso se trata de una combinaciónhomogénea

• Sensor individual para la detección de diversas operaciones relacionadasentre sí (por ejemplo, objetos en movimiento)

Los sensores también pueden clasificarse en binarios, digitales y analógicos. Lossensores binarios (denominados comúnmente detectores) son conmutadoresbivalentes que sólo funcionan con las señales eléctricas ON y OFF, tal comosucede, por ejemplo, en el caso de detectores de proximidad, presostatos o termostatos.

Los sensores analógicos, por lo contrario, emiten constantemente un valor demedición físico, por lo general en forma de tensión o corriente eléctrica. Estetipo de sensores incluye aquellos utilizados para medir distancias, ángulos,fuerzas o caudales. Calibrándolos, es posible utilizarlos como comparadores devalores medidos. Por calibración se entiende la definición entre la magnitudmedida (valor real) y el valor indicado (valor de medición) según la norma DIN 1319.

Ejemplo: Valor medido = 10,00; valor indicado = 10,86; Calibración: corregir la indicación a 10,00

Cualquier detección de las propiedades de un objeto mediante sensores se rige por el principio siguiente: el objeto modifica o modula de alguna manera la energía y el sensor analiza la información correspondiente. En ese sentidopuede diferenciarse entre sensores activos (que incluyen la energía para el emisor y el receptor) y sensores pasivos (que utilizan una fuente energéticaexterna). Ello significa que los tipos de sensores pueden clasificarse en funciónde la forma de energía, tal como se muestra en la fig. 1-2. Las característicasesenciales y las posibles aplicaciones de los sensores dependen de las leyesfísicas válidas en cada caso.

1 Sensores, los órganos sensoriales técnicos12


Energía Tipo de sensor

mecánica táctil, acústico, fluídico

electromagnética eléctrico, magnético, inductivo,capacitivo, dieléctrico, de arco voltaico

térmica térmico, de imagen de radiación térmica

óptica geométrico-óptico, de generación de imágenes

radiactiva de absorción de radiación, de difusión de radiación

Los sensores tienen que entenderse y configurarse como partes que se integranen un conjunto compuesto por otros componentes y grupos de componentes.Por ello es necesario que sean lo más fiables posible. Además, tienen que serinsensibles a posibles interferencias (sensibilidades colaterales) y tienen queser capaces de regularse a sí mismos.

13

Fig. 1-2

Clasificación de los sensores

en función de la energía

En el transcurso de la industrialización, los procesos de fabricación fueron raciona-lizándose paulatinamente. De esta manera también surgió la necesidad de dotar alas máquinas de las facultades sensoriales del ser humano. Por ejemplo, durantela década de los años treinta se utilizaron por primera vez células fotoeléctricaspara clasificar granos de arroz o cigarros según su color. Posteriormente, dichascélulas se utilizaron para etiquetar latas de conservas; en una sección de controlde árboles de levas de una fábrica estadounidense incluso fue posible sustituir 14 operarios utilizando células fotoeléctricas. En la actualidad existe una ingentevariedad de sensores y las posibles aplicaciones aumentan constantemente. Casino hay máquina moderna que no funcione con la ayuda de sensores.

Lo que fue cierto en la época de James Watt, sigue siendo válido en la actuali-dad: es imposible controlar o regular algo si no se ha medido antes. James Wattsólo disponía de medios mecánicos para hacerlo. Hoy en día, la microelectrónicamoderna y otras avanzadas tecnologías permiten utilizar soluciones mucho mássofisticadas.

En la actualidad se aprovechan unos 150 fenómenos físicos y químicos paraobtener las informaciones que necesitan los sistemas automáticos para sustituiry proteger al ser humano, para aprovechar las máquinas de modo óptimo y parafabricar productos de alta calidad.

Existen aproximadamente 5000 fenómenos físicos que puede aprovecharse parael funcionamiento de sensores. Los efectos más usuales se explican en estemanual, aunque también se incluyen explicaciones de sensores que funcionande acuerdo con principios no aprovechados hasta la actualidad.

¿Cómo detectar la magnitud que se medirá?• Mediante un contacto mecánico directo o utilizando un sistema

mecánico acoplado (sensor táctil)• Mediante un sensor que reacciona sin establecer contacto

(sensor de aproximación)• Mediante un sistema que genera imágenes, en el que la evaluación de la

magnitud no depende directamente de la distancia del objeto medido (cámara con sistema de procesamiento de imágenes)

¿Qué magnitudes hay que detectar en la práctica de la fabricación industrial y qué efectos pueden aprovecharse?

Detección de magnitudes mecánicas

• Inducción• Efecto piezoeléctrico y efecto piezoeléctrico recíproco• Resistencia eléctrica y su dependencia de las dimensiones geométricas• Modificación de la resistencia específica aplicando tensión mecánica• Acoplamiento de dos bobinas a un núcleo ferromagnético• Dependencia de la inductancia de una bobina de la resistencia magnética• Dependencia de la capacidad de un condensador de las dimensione

geométricas

2 Los sensores en la producción industrial14

2

Los sensores

en la producción

industrial

2.1 Funciones y efectosaprovechables

2 Los sensores en la producción industrial

• Modificación del coeficiente de permeabilidad relativa aplicando tensiónmecánica

• Dependencia de la frecuencia propia de una cuerda o una vara de tensiones mecánicas

• Método de medición de la presión efectiva• Obtención de un impulso (medidor de caudal según Coriolis)• Turbulencias obtenidas detrás de un cuerpo interpuesto• Medición del caudal mediante la transmisión de temperatura• Dependencia de la velocidad del sonido de la velocidad del medio

Detección de magnitudes térmicas

• Efecto termoeléctrico• Efecto piroeléctrico• Dependencia de la resistencia eléctrica de la temperatura• Dependencia de la conductividad de la temperatura • Ferroelectricidad• Dependencia de la frecuencia de resonancia del cuarzo de la temperatura

Detección de radiaciones

• Efecto fotoeléctrico exterior• Efecto fotoeléctrico interior, efecto de barrera fotoeléctrica• Efecto fotoeléctrico, efecto de Compton y generación de cargas eléctricas

mediante fotones• Excitación luminiscente, radiación radiactiva

Detección de magnitudes químicas

• Formación de potenciales electroquímicos en capas delimitantes• Modificación de la intercambiabilidad en límites de fases• Dependencia del paramagnetismo del oxígeno de la temperatura• Análisis de gases mediante determinación de la conductividad

o coloración por calor• Conducción de iones de hidrógeno en electrolitos de cuerpos sólidos• Principio del sensor de iones por combustión• Propiedades higroscópicas de LiCl• Dependencia de la capacidad del dieléctrico

Los sensores se utilizan en las más diversas ramas industriales. Ello significaque los sensores utilizados, por ejemplo, en la técnica médica tienen que cumplir otros requisitos que los que se emplean en las máquinas de las fábricas.¿Qué funciones tienen que cumplir los sensores utilizados en las plantas industriales?

Comprobación de la presencia de objetos

• Presencia de objetos individuales, por ejemplo arandelas• Control de la cantidad completa de piezas, por ejemplo en una sección de

montaje• Detección de líquidos u cantidades que fluyen• Recuento de piezas

15

Captación de la identidad de los objetos

• Detección de piezas no admitidas (falsas, defectuosas, inservibles) en un proceso

• Clasificación de objetos admitidos, por ejemplo según tolerancias o tipos• Control y detección de signos ópticos (por ejemplo, escritura corriente,

código de barras, códigos matriciales)

Detección de la posición y/o orientación de objetos

• Detección de objetos individuales en función de su entorno (por ejemplo, piezas que se recogerán de una cinta transportadora)

• Detección de objetos en función de la utilización de herramientas (por ejemplo, punto de unión en relación con el soplete)

• Detección de la orientación de objetos en relación con la superficie limitadasobre la que se encuentran (por ejemplo, en operaciones de optimización de cortes (“nesting”)

• Medición de la longitud y de los ángulos de objetos (por ejemplo, para contro-lar tolerancias, desviaciones, deformaciones, holguras, inclinaciones, saltos,excentricidades, grosores)

Detección de las formas de objetos

• Control de perfiles (por ejemplo, para comprobar la calidad de las roscas)• Control de zonas de objetos (por ejemplo, para comprobar la presencia

de cantos)• Control de la cantidad completa de determinadas formas (por ejemplo,

para comprobar la forma completa de una pieza de plástico inyectado)• Medición de deformaciones (para determinar fuerzas y momentos)

Detección de características de la superficie de objetos

• Control de la microgeometría de objetos (por ejemplo, grado de rugosidad)• Control de tonalidades (por ejemplo, para clasificar astillas de vidrios)• Control de la homogeneidad de objetos (por ejemplo, textura,

daños o tonalidades indebidas)

Comprobación de las cualidades del material de objetos

• Medición de la transparencia o del brillo de objetos• Diferenciación entre diversos materiales (por ejemplo, al clasificar objetos

de plástico reciclado para controlar la homogeneidad del material)

Si para automatizar un proceso se necesitan sensores, primero deberá • saberse qué funciones deberán ejecutar los sensores y• elaborarse un pliego de condiciones para cada sensor.

Al analizar la situación, deberá responderse a las siguientes preguntas:• ¿Qué irregularidades pueden surgir en el proceso?• ¿Qué irregularidades son inaceptables, por lo cual será necesario utilizar

un sensor capaz de ejecutar la función en cuestión de modo fiable?• ¿Qué condiciones generales (polvo, humedad, temperatura, etc.)

deberán tenerse en cuenta?


2.2 Análisis de aplicaciones y criterios de selección


• ¿Qué magnitudes son importantes y cuáles son los valores conocidos? • ¿De qué modo deberán transmitirse las informaciones?• ¿Qué principio físico promete conseguir el mejor resultado?• ¿De qué energía auxiliar deberá disponerse?

Antes de decidir, es necesario tener en cuenta numerosos aspectos; algunos de ellos se mencionan a continuación.

Aspectos a tener en cuenta al decidir si los sensores son apropiados

para una aplicación determinada:

• Tiempos de respuesta, tiempos • Distancia de detecciónde reacción, velocidad de conmutación • Variación del punto de detección,

• Sistema de conexiones (sistema de histéresis del punto de detección2, 3 ó 4 hilos, conexión serie o paralela, etc.) • Clase de protección

• Seguridad del funcionamiento, • Alimentación de tensión (tensión de funcio-frecuencia de fallos, fiabilidad namiento, fluctuación de la tensión,

• Posibilidad de control automático) picos de tensión, • Margen de la temperatura de funcionamiento • Supresión de interferencias (insensibilidad • Posibilidad de ajustar los puntos de detección, frente a interferencias externas, tales como

la sensibilidad y el umbral de respuesta vibraciones, golpes, luz externa, etc.) • Resolución, precisión de la medición • Disponibilidad• Resistencia a la corrosión • Resistencia a temperaturas• Duración, vida útil • Protección ante sobrecargas • Límites del rendimiento, (anticortocircuitaje, polos inconfundibles,

margen de rendimiento resistencia a sobrecargas)• Propiedades del objeto (material, grado • Economía (relación entre costo y

de remisión, estructura de la superficie, etc.) rendimiento, incluyendo los costos • Montaje (dimensiones, masa, condiciones de montaje y puesta en funcionamiento)

para el montaje, adaptación al lugar • Homologación para aplicaciones especiales de la detección) (sala limpia, resistencia a explosiones,

• Redundancia de la unidad de evaluación protección de operarios, etc.)de datos • Precisión de repetición del punto

• Ausencia de reacciones secundarias de detección

Para saber si un sensor es apropiado, estos criterios tienen que ponderarsesegún prioridades, ya que no existe un sensor capaz ofrecer de modo completotodas las cualidades exigidas.

¿Cómo proceder al seleccionar los sensores más apropiados?

1 Elegir el principio físico más apropiado2 Determinar el margen de medición necesario3 Comprobar el posible cambio de las magnitudes medidas4 Definir el grado de resolución de la señal medida5 Determinar el valor mínimo que deberá medirse6 Definir el margen de error admisible, causado por el comportamiento

estático y dinámico7 Determinar las medidas de apantallamiento (compatibilidad

electromagnética)8 Determinar los medios necesarios para la amplificación

y evaluación de la señal de medición9 Evaluar la seguridad del funcionamiento, la fiabilidad, la duración

y el costo de mantenimiento10 Considerar el coste del sensor

17

Existen numerosas recomendaciones específicas que deberían tenerse en cuen-ta al seleccionar los sensores que se utilizarán en una aplicación determinada.Por ejemplo, si puede elegirse, es recomendable utilizar barreras de luz sin reflexión en caso de ser necesario utilizar un sistema de detección óptica. Lasiguiente alternativa es una barrera de luz de reflexión. Ésta tiene un alcance deaproximadamente la mitad de una barrera sin reflexión, y es capaz de detectarde modo fiable la mayoría de los materiales. Sin embargo, si las piezas tienensuperficies brillantes, es posible que las barreras de luz no funcionen correcta-mente. En ese caso deberá optarse por aparatos capaces de polarizar la luz.Considerando que en el caso de las barreras de luz el receptor recibe luz en ausencia de piezas y, en su presencia, se interrumpe la señal, puede afirmarseque se trata de un sistema de detección que se controla a sí mismo, ya que laseñal desaparece también si el emisor ya no envía el haz de luz.

Las barreras de luz de reflexión se utilizan si los objetos únicamente puedendetectarse desde un lado. Estos sensores también son capaces de comprobar la presencia de objetos transparentes, mientras que no son apropiados si laspiezas tienen superficies de color negro mate. Si los objetos son muy pequeños,pueden utilizarse sistemas optoelectrónicos con fibra óptica. Si es necesariodetectar los cantos de una pieza y si las distancias son mayores, es preferibleutilizar barreras de reflexión de rayos láser.

En el caso de sensores o detectores capacitivos no es necesario que la zonaactiva contenga metales y materiales que tengan una constante dieléctrica rela-tivamente alta. Al utilizar varios sensores que puedan influirse recíprocamente,deberán respetarse unas distancias mínimas determinadas. Los depósitos depolvo pueden provocar fallos. En esos casos es preferible utilizar sensores capacitivos con electrodo de compensación adicional.

Los rayos X intensos y los campos magnéticos fuertes pueden afectar el funcio-namiento de sensores o detectores inductivos y capacitivos. En zonas de soldadura por resistencia, por ejemplo, existen tales campos magnéticos. En consecuencia, deberán elegirse detectores insensibles a las elevadas intensi-dades de la soldadura. Al montar detectores inductivos es recomendable teneren cuenta las condiciones imperantes en cada caso. Si el detector tiene quemontarse a ras con una superficie de la máquina, es posible que sea necesarioprever un entallamiento de los cantos de la máquina. Dicho sea de paso, siempre es aconsejable utilizar detectores con indicación mediante LED con el fin de poder controlar su estado de funcionamiento.

Aunque los contactos Reed utilizados como emisores de señales en cilindrosneumáticos resisten golpes equivalentes a varias veces la aceleración terrestre,aún así es recomendable protegerlos contra golpes. Además, también estosdetectores pueden fallar si están expuestos a un campo magnético intenso.Asimismo, es necesario respetar una distancia mínima con relación al siguientecilindro neumático. En vez de contactos Reed también pueden utilizarse detecto-res de proximidad magnético-inductivos sin contacto. Si bien es cierto que estosdetectores tienen un costo de adquisición algo más elevado, son más insensi-bles a las interferencias y funcionan de modo más preciso.



Cabe también destacar que muchos detectores no son apropiados para el control directo de las bobinas de electroválvulas. Tratándose de un control no electrónico, debería recurrirse a relés auxiliares o preverse un circuito de protección adecuado.

Los detectores de presión binarios (todo-nada) están provistos de un muelle(que ocasiona una resistencia de rozamiento), por lo que tienen una histéresisen el punto de detección. Al aumentar la presión y alcanzarse el punto ajustadopreviamente, emiten una señal eléctrica. Al descender la presión, el interruptorno conmuta exactamente en el mismo punto. Ello significa que el punto de cone-xión no es igual al punto de desconexión. Esta característica (histéresis) deberátenerse en cuenta al efectuar el ajuste del presostato si éste ha de conmutar alaumentar la presión.

Si dos detectores de ultrasonidos están montados cerca uno del otro, el detector“B” puede detectar un eco ocasionado por el detector “A”. En ese caso se pro-duciría un error de medición. Sincronizando todos los detectores es posibleexcluir esa interferencia recíproca, ya que todos emiten la señal a la vez. En esascircunstancias no surgen problemas si la distancia que tiene que recorrer elsonido del detector “A” hacia el detector “B” es mayor que la distancia de detec-ción. La transmisión multiplex sería una alternativa viable. En ese caso, losdetectores se activan consecutivamente, con lo que tampoco se producen interferencias entre ellos.

¿Qué sensores se utilizan con mayor frecuencia?

Analizando el mercado mundial, el ranking de los tipos de sensores es elsiguiente (datos de Intechno Consulting, actualizados en el año 1998):• Sensores termosensibles• Sensores de presión• Sensores de caudal• Sensores binarios de posición (o detectores)• Sensores de posición• Sensores de magnitudes químicas en líquidos• Sensores de nivel• Sensores de velocidad• Sensores de magnitudes químicas en gases

Se estima que en el año 2000, el mercado mundial de sensores para fines civilesascendió a más de 30 mil millones euros. Cabe suponer que esta cantidad seduplicará en el plazo de los próximos diez años.

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¿Para qué se necesitan qué tipos de sensores? – Cuadro resumido

Función Tipo de sensor

Control de presencia Sensores de proximidad, de radiación, de presión dinámica, de vacío, barreras de luz de reflexión, sensores de haz anular, de ultrasonidos, de efecto de campo

Medición de distancias Cámara de líneas, sensor de microondas, elementos PSD, sensores táctiles, sensores de haz anular, detectores inductivos y capacitivos, escáneres de rayos láser, sensores por triangulación, sensores de efecto de campo

Control del avance Cortinas fotoeléctricas, cámaras de líneas, barreras de luz, y de la combadura detectores inductivos, detectores de ultrasonidos, detectores de chorro de airede cintas de transporte

Control de trayectoria, Sensores de fuerzas y momentos, sensores táctiles, cámaras de líneas, cámaras matriciales, seguimiento de cantos detectores inductivos, detectores de chorro de aire

Medición de revoluciones Sensores Hall, sensores tipo Wiegand, sensores de célula fotorresistiva controlada por campo magnético, cabezales de medición de alta frecuencia, contactos Reed, barreras de luz, transmisores incrementales

Medición de la presión Sensores piezoeléctricos, detectores capacitivos, sensores con banda de medición expansible, sensores magnetoelásticos

Medición de caudal Medidor de álabes, sensores de presión efectiva, detectores magnéticos-inductivos, caudalímetros tipo Coriolis, detectores de ultrasonidos, anemómetros de hilo caliente, sensores de película fina, manómetros de película caliente

Medición de niveles Detectores capacitivos, sensores de microondas, detectores de ultrasonidos, detectores ópticos con fibra óptica, detectores de vibraciones

Inspección, identificación, Sensores CCD, conjuntos de detectores de ultrasonidos, control de cantidades escáneres de rayos láser, retransmisorescompletas

Protección Detectores de ultrasonidos, radares de microondas, sensores de luz infrarroja, contra colisiones escáneres de rayos láser

Medición de fuerzas Cintas extensométricas, medidores de dosis de fuerza, detectores inductivos, y momentos detectores neumáticos, detectores de fibra óptica, sensores piezoeléctricos

Control de superficies Sensores de imágenes, escáneres de rayos láser, sensores de brillo

Detección de posiciones Contactos Reed, detectores de reflexión de luz, barreras de luz, microdetectores, sensores de célula fotorresistiva controlada por campo magnético, sensores AMR, sensores GMR, detectores de ultrasonidos, elementos PSD

Control de procesos Detectores termosensibles, caudalímetros, sensores de presión, detectores de proximidad, sensores de efecto parcial

Clasificación Sensores de imágenes, conjuntos de detectores de ultrasonidos, sensores de coloración

Detección de piezas, Edómetros, giróstatos, sensores CCD, escáneres de rayos láser, detección de la posición matrices palpadoras, detectores de corte de haz de luz, giroscopiosde piezas

Medición de objetos Cortinas fotoeléctricas, cámaras de líneas, escáneres de rayos láser

Medición de distancias Transmisores incrementales, resolutores, Inductosyn, reglas de códigos, y ángulos potenciómetros, sensores magnetoestrictivos, sensores tipo Hall,

sensores AMR, sensores GMR

Recuento de objetos Cortina fotoeléctrica, barrera de luz bifurcada, detector de ultrasonidos, sensores de célula fotorresistiva controlada por campo magnético, detector de barrera de aire, detector de fibra óptica, sensor de láminas de PVDF


3 Detección de posiciones

Durante los procesos de fabricación es necesario controlar constantementediversos movimientos ejecutados por las máquinas y ocasionados por el transporte de piezas. Ello implica la necesidad de conocer la posición de las herramientas y de las piezas. Para ello puede recurrirse a diversos componentesque emiten las señales correspondientes. En muchos casos es suficiente contro-lar la presencia o ausencia de una pieza.

Los sensores táctiles se utilizan para determinar posiciones, formas, temperatu-ras, fuerzas, momentos y presiones. Entre los sensores táctiles están los senso-res de posición (detectores de posiciones finales, detectores de final de carrera,microdetectores, detectores de precisión) que informan sobre la conclusión dedeterminados movimientos ejecutados por una máquina. Dado que únicamenteson capaces de detectar dos estados, se denominan generalmente detectores(en lugar de sensores) binarios. Si bien es cierto que funcionan de modo bastante preciso y automático, están sujetos a desgaste y en los contactos seproducen vibraciones ocasionadas por el impacto del propio cierre. Por ello nopueden conmutar tan rápidamente como los detectores sin contacto. En la fig. 3-1 se aprecia el funcionamiento de los detectores electromecánicos.

El movimiento del órgano detector se transmite a los contactos que abren o cierran un circuito eléctrico. Para obtener una conmutación precisa, este tipo dedetectores suele estar dotado de un muelle elástico para efectuar una conmuta-ción brusca. La transmisión del movimiento de la máquina al conmutador está a cargo de diversos tipos de cabezales de accionamiento (rodillo, palanca conrodillo, palanca con rodillo abatible, cabezal de antena, argolla de tracción, etc.).La precisión de repetición del punto de conmutación es excelente (± 0,01 mm),incluso tratándose de detectores de bajo costo.

21

3

Detección

de posiciones

3.1.Detección electromecánica de la posición

Fig. 3-1

Detector electromecánico

1 Leva de mando

2 Parte móvil de la máquina

3 Lengüeta de contacto

4 Contacto

1

2

3

4

Los detectores de precisión superan la precisión de los detectores electromecá-nicos en una potencia de diez. La vida útil de los microinterruptores se limita a10 millones de maniobras debido al desgaste mecánico. Sin embargo, los cam-pos electromagnéticos no afectan su funcionamiento. Además, estos detectoresson relativamente económicos. No obstante, hay que ser saber que la causa másfrecuente de la paralización de sistemas automáticos es el desgaste de detecto-res de posiciones finales. El detector de posiciones más antiguo posiblementesea el microinterruptor con lengüeta elástica que la empresa Honeywell desa-rrolló en el año 1932.

Un detector electromecánico puede tener formas muy diversas. Por ejemplo,para soldar automáticamente, es necesario detectar primero la trayectoria de laranura entre las dos piezas que se soldarán. Para soldar dos chapas en ángulorecto, puede preverse un primer ciclo de medición para controlar durante el seg-undo ciclo los movimientos del soplete. Con ese fin puede utilizarse la tobera degas del soplete que puede hacer las veces de detector táctil (fig. 3-2). El sopletese acerca a ambas superficies y en las chapas que se soldarán fluye corrienteeléctrica si se aplica una tensión de medición en la tobera. El sistema memorizael valor correspondiente. La medición se lleva a cabo antes de proceder a soldar.Las distancias “a” y “b” indican la posición exacta del vértice, con lo que esposible calcular el recorrido de la costura. Una vez concluida la operación demedición, puede procederse a soldar.

Los detectores neumáticos se utilizan principalmente como detectores de proximidad. También se utilizan para el envío de señales directas a unidades de control neumáticas. Los detectores neumáticos se clasifican en detectores depresión dinámica, detectores de tobera de reflexión y barreras de aire. Su con-strucción es sencilla y por sus propias características se limpian a sí mismos.

Los detectores de presión dinámica funcionan según el principio de tobera-placadeflectora (fig. 3-3a). Siendo constante la presión de alimentación (p1), la pre-sión “p2” es proporcional a la distancia “a” entre la tobera y la pieza que sedetectará. La distancia de detección de los detectores de presión dinámica varíaentre 0,1 y 3 mm utilizando toberas cónicas. La señal puede procesarse demodo analógico o digital.

3 Detección de posiciones22

a

b

1

2

Fig. 3-2

Tobera de gas utilizada

como detector táctil

1 Pieza a soldar

2 Tobera de gas

a, b Distancias

3.2Detección neumáticade posiciones


El detector de tobera de reflexión (fig. 3-3b) funciona según el principio de refle-xión de aire. Un chorro anular de aire se proyecta sobre un objeto. Una parte del chorro se desvía hacia el interior, con lo que en el canal central del emisoraumenta la presión. Se mide la diferencia de presión. La señal puede procesarsede modo digital. La distancia de detección es inferior a 10 mm. Dado que la líneacaracterística de los detectores de tobera de reflexión no transcurre de modolineal, estos detectores se utilizan principalmente para detectar la presencia depiezas.

Las barreras de aire también funcionan según el principio de reflexión de aire(fig. 3-3c). El aire comprimido sale por las dos toberas. En el lado receptor (arri-ba) se obtiene la señal de medición. El funcionamiento de este tipo de detectorequivale al funcionamiento de los detectores de tobera de reflexión.

Los detectores de proximidad neumáticos son fiables, incluso en presencia depolvo o si las temperaturas son altas. Pueden utilizarse en zonas con peligro de explosión. Son insensibles a campos magnéticos. La distancia de detecciónpuede ser de hasta aproximadamente 30 mm.

23

13

p p p

p p p

p

1 1

1 1

2

2

2

s1

2

a) b) c)

Fig. 3-3

Detectores neumáticos

a) Detector

de presión dinámica

b) Detector

de tobera de reflexión

c) Barrera de aire

1 Objeto a medir

2 Lengüeta de conmutación,

objeto

3 Chorro libre

p1 Presión de alimentación

p2 Presión de medición

s Distancia de la tobera

Fig. 3-4

Los detectores neumáticos

pueden utilizarse para

detectar la posición precisa

de la unión

1 Pinza

2 Conexión

de aire comprimido

3 Pieza básica

4 Pieza de montaje

F Fuerza de unión

1

2

3

4

0,3

F

Los detectores neumáticos pueden utilizarse, por ejemplo, para tareas de posi-cionamiento. En la fig. 3-4 se muestra un cabezal para el montaje de piezas cilíndricas. Este método es apropiado para el montaje de piezas cilíndricas con osin biselado. Los detectores están montados en los dedos móviles de la pinza yestablecen contacto con la superficie de la pieza de base antes que el actuador.El sistema mide la presión diferencial que se obtiene por el desfase del actuadoren relación con el taladro, con lo que se obtiene el valor necesario para ajustarla pieza básica o el robot. De esta manera es posible obtener una precisión deaproximadamente 10 micras en tan sólo 0,1 segundos.

Los detectores de presión dinámica se utilizan, por ejemplo, para controlar el posicionamiento correcto de piezas insertadas. Tal como se aprecia en la fig. 3-5, se controla si la pieza establece un contacto completo con el soporte, lo que no sería el caso en presencia de suciedad o virutas. Para comprobarlo, se mide la presión dinámica en todas las toberas. Si la distancia es inferior a,por ejemplo, 0,05 mm, el valor se encuentra dentro de las tolerancias admisi-bles, con lo que se conecta el presostato. A continuación, se fija la pieza para su posterior mecanizado. En este ejemplo es necesario recibir 4 señales queconfirmen la posición correcta de la pieza. El eyector y el presostato en el canalde aspiración compensan las oscilaciones de la presión de alimentación.

En la fig. 3-6 se muestra otra aplicación interesante de detectores neumáticos.En este caso, el detector es binario y su función es detectar la posición final. Eltornillo de regulación contacta un tope que, a la vez, es un detector de presióndinámica. Al establecerse el contacto, se cierra la tobera. El cambio de la presiónse aprovecha para emitir la señal de conmutación. En este caso la ventaja consiste en que el detector puede montarse muy fácilmente en la máquina.


1

2

3

4

5

PE

10 Ì

m

Fig. 3-5


de un sistema para el control

neumático del posicionamien-

to de una pieza (Festo)

1 Base

2 Soporte con tobera

3 Eyector

4 Presostato

5 Pieza


En muchos casos es necesario recurrir a detectores debidamente adaptados auna aplicación concreta. En la fig. 3-7a se muestra una sonda neumática que seintroduce en el taladro roscado con el fin de determinar si el taladro efectiva-mente dispone de una rosca. Al introducir y retirar el detector, varía la señal demedición en función de las espiras de la rosca. La solución como tal es suma-mente sencilla, aunque es necesario convertir la señal de la presión en unaseñal eléctrica. Tratándose de taladros roscados de mayor diámetro, también esposible utilizar un detector de reflexión directa provisto en el extremo de unafibra óptica acodada (fig. 3-7b).

La mayoría de los detectores inductivos están formados por un oscilador, unaunidad de evaluación y una unidad de salida. Estos detectores funcionan sincontacto, no están expuestos a desgaste, su respuesta es rápida, son insensi-bles a los golpes y, por lo tanto, son de larga duración. Si se aplica tensión a unoscilador, éste empieza a oscilar consumiendo una cantidad determinada de co-rriente. El campo alterno de alta frecuencia sobresale por el lado de la superficieactiva. Si en este campo se introduce un objeto metálico (que no necesariamen-te tiene que ser ferromagnético) a una distancia “s”, se induce una corrienteparásita en el objeto metálico que se opone al campo de alta frecuencia. De estamanera se modera la frecuencia del oscilador y, por lo tanto, disminuye el con-sumo de corriente. La unidad de evaluación detecta este cambio y activa corres-pondientemente la unidad de salida emitiendo una señal eléctrica. En la fig. 3-8se muestra la estructura básica del sistema.

25

1

2

3

4

Fig. 3-6

Detector neumático de tope

1 Señal de aire comprimido

2 Presión de alimentación

3 Carro de la máquina

4 Tornillo regulador

Fig. 3-7

Medición del diámetro de un

taladro; comprobación de la

rosca y de la presencia de

partículas de suciedad

a) Solución neumática

b) Solución óptica

1 Pieza

2 Tobera de medición

3 Fibra óptica

p1 Presión de alimentación

p2 Presión de medición

3.3 Detección inductiva de la posición

a)

3

1

b)

p1

p212

Al retirar nuevamente el objeto conductor, vuelve a aumentar la frecuencia deloscilador, con lo que se restituye la situación original del detector de proximi-dad. Ello significa que estos detectores se utilizan como interruptores de cone-xión y desconexión sin contacto. La bobina también puede ser anular para intro-ducir en ella una varilla. También existen detectores de este tipo ranurados. Losdetectores inductivos son insensibles a las influencias del entorno; por ejemplo,funcionan soportando una presión de hasta 500 bar en sistemas hidráulicos y en zonas con temperaturas de hasta 120 °C. Sustituyendo la salida por unasalida analógica de tensión y de corriente, se obtiene un detector inductivo de recorrido sin contacto que es igualmente insensible a las influencias del en-torno. En la fig. 3-9 se muestran ejemplos simplificados de algunas aplicaciones.

Estos ejemplos demuestran la versatilidad de este tipo de detectores, por lo quesu utilización es muy apropiada en sistemas de fabricación automáticos.

Los detectores inductivos se utilizan para medir, vigilar, controlar y regular posi-ciones, recorridos y ángulos de giro y, además, también para determinar magni-tudes derivadas, tales como velocidad, revoluciones y aceleración. Los converti-dores magnético-eléctricos con autorregulación pueden utilizarse como detecto-res del número de revoluciones. Estas unidades son compactas, por lo que pue-den montarse posteriormente en espacios reducidos de alguna máquina. Eneste caso, un disco segmentado, un eje con ranuras o una rueda dentada dematerial ferromagnético giran a poca distancia del detector. Éste detecta la fre-cuencia de los segmentos, de las ranuras o de los dientes para emitir una señaldigital.


1

2

34 5

s

Fig. 3-8


de un detector inductivo

1 Campo magnético alterno

2 Objeto metálico

3 Bobina autoinductora

4 Oscilador

5 Amplificador

s Aprox. 1

hasta 75 milímetros


En la fig. 3-10 se aprecia la configuración elegida para realizar una medición.Dado que el sistema se basa en la inducción de tensión, es necesario disponerde una velocidad mínima determinada para obtener una tensión lo suficiente-mente grande para evaluarla. Ello significa que no es posible detectar revolucio-nes de giro a partir de “cero”. En consecuencia, esta solución es útil para medirel límite superior de la frecuencia (por ejemplo, 20 kHz o más). La pretensiónmagnética, obtenida mediante un imán permanente, garantiza la respuesta rápida necesaria.

En sistemas de engranajes pueden aprovecharse las ruedas dentadas o los dis-cos con taladros longitudinales para efectuar la medición utilizando un detectorde proximidad inductivo. En esos casos ya se dispone de un emisor de revolucio-

27

1

2

3

4

5

6

SN

Fig. 3-9

Ejemplos de aplicaciones

provistas de detectores

inductivos

a) Medición de grosor

b) Control

de la concentricidad

c) Control del grosor

de la película de aceite

en cojinetes deslizantes

d) Detección de errores

de posición

e) Medición del grosor

de capas

f) Control de frecuencia

1 Detector

2 Objeto del control

(por ejemplo,

un recubrimiento)

3 Pieza de base

4 Caballete

Fig. 3-10

Medición de revoluciones

con un detector magnético-

inductivo

1 Bloque del cuerpo

2 Cuerpo del detector

3 Imán permanente

4 Bobina

5 Núcleo de hierro dulce

6 Disco dentado

con marca de referencia

d)

3

c)

e) f )

2

4

b)a)

1

nes económico y fiable a la vez. Este método de medición corresponde a lo esta-blecido en la norma EN 60947-5-2. Sin embargo, en esos casos la resolución y la frecuencia no son óptimas. En la fig. 3-11 se aprecia la configuración reco-mendada. La relación mecánica entre dientes y rebajes debería ser de 1:2 y ladistancia nominal de conmutación “sn” debería corresponder a la mitad delespacio entre dientes y rebajes, para lo que deberá efectuarse el ajuste corres-pondiente modificando la distancia de conmutación “s”. De esta manera se obtienen las relaciones óptimas en lo que a la resolución y a la frecuencia serefiere (cantidad máxima de cambios de estado de desconexión a estado deconexión en un segundo). La geometría de una rueda dentada convencional se asemeja mucho a la forma ideal necesaria para una detección óptima. Si la relación entre el impulso y la pausa es diferente, disminuye la frecuencia máxima posible.

Las indicaciones que se refieren a las distancias de conmutación de detectoresinductivos siempre están relacionadas con elementos de accionamiento deacero (St37) de dimensiones definidas. Si se utilizan elementos de otros materiales y/o de otras dimensiones, deberán tenerse en cuenta los factores de corrección relacionados con la distancia de conmutación (por ejemplo, 0,35 hasta 0,5 en el caso de aluminio o latón). (Ver fig. 3-16).

Pueden medirse hasta 50 000 r.p.m. . El límite para medir distancias es de aproximadamente 40 mm.

Existen numerosas formas de detectores inductivos que pueden montarse demodos diversos. En la fig. 3-12 se muestran las formas más difundidas. Enmuchos casos, los detectores están provistos de una rosca para su montaje.

Si tienen que utilizarse detectores inductivos en equipos con intensos camposmagnéticos continuos o alternos (tal como sucede, por ejemplo, en el caso demáquinas para soldar), deberán elegirse detectores insensibles a dichos camposmagnéticos. Estos detectores tienen un núcleo de material especial, están provis-tos de varias bobinas y el oscilador también tiene parámetros especiales. En laindustria alimentaria y farmacéutica se utilizan también detectores encapsuladoscompletamente en acero fino para evitar la penetración de material biológico yde detergentes y para excluir cualquier contaminación microbiológica.


1

2

3

4

2m

m

2s n

Fig. 3-11

Configuración para medir

la frecuencia de detectores

de proximidad inductivos

(IEC 947.5.2/ENGO 947.5.2)

1 Detector de proximidad

2 Placa de medición

de acero St37

3 Material no conductor

y no magnético

4 Disco

sn Distancia nominal

de conmutación

m Ancho del diente


El principio de la inducción también puede aprovecharse para leer o escribirdatos en recipientes portapiezas o para identificar herramientas de máquinasutilizadas en sistemas CNC. Para ello se utilizan chips de memoria montados en los soportes de las herramientas (fig. 3-13). El chip contiene, como mínimo,el número de la herramienta y, además, puede contener otros datos de identifi-cación. El cabezal lector lee los datos por medios inductivos a poca distancia(hasta 5 mm) mediante el acoplamiento de dos bobinas. El soporte que contieneel código de los datos recibe su energía del cabezal lector.

29

A

A

A

A

A

A

2

3

4

5

6 7 8

1

Fig. 3-12

Formas de diversos

detectores de proximidad

1 Forma cilíndrica

2 Forma cilíndrica

3 Forma de barra

4 Forma rectangular plana

5 Paralelepípedo

6 Paralelepípedo aplanado

7 Forma semirredonda

8 Forma de horquilla

A Superficie activa

Fig. 3-13

Identificación

de herramientas

1 Cabezal de lectura

y escritura

2 Cabezal de la herramienta

con placa de corte

3 Soporte de datos

4 Soporte con fresa de punta

Unidadde evaluación

1

2

3

3

4

1

24 V

RS-232

Bucle de corriente

Fig. 3-14

Reenvío de los datos

modificando el campo

magnético alterno

3.4 Detección capacitiva de posiciones

En este detector (cabezal de lectura) se aprovecha el efecto de retroacción queen el circuito oscilante produce cualquier influencia externa en el campo electro-magnético alterno. Esta influencia incide en el comportamiento de la bobinaemisora y, por lo tanto, produce un cambio en el circuito oscilante que genera el campo alterno. De esta manera se obtiene un flujo de datos contrario al flujode energía. Así llegan las informaciones correspondientes a la unidad de lecturaprovenientes del soporte de datos (fig. 3-14).

Para la captación de datos sin contacto y de forma automática se utilizan cada vez más los transpondedores. Otra denominación para estos detectores es la de sistemas RF/ID (RF = radio frequency). El concepto de “transpondedor”está compuesto por los términos transmitir (transmisión) y responder (retrans-misión). Los transpondedores pasivos no necesitan pila propia porque se activanmediante la energía del aparato lector. La lectura y escritura es factible a unadistancia de hasta 15 centímetros. Los transpondedores modernos son extrema-damente planos y pueden utilizarse como etiquetas adhesivas que, por ejemplo,pueden tener un tamaño de 13 x 14 x 0,7 milímetros. Estos transpondedorescubren una lámina incorporada en la etiqueta. De este modo, el operario seahorra la operación de agregar un soporte de datos adicional si, de todosmodos, aplica etiquetas o placas en un producto.

Los detectores de proximidad capacitivos sin contacto funcionan como un condensador. Pueden utilizarse para la detección de objetos conductores odieléctricos. En la fig. 3-15 se muestra su principio de funcionamiento. En estecaso, se mide la distancia “s”. La distancia de conmutación puede ser de máximo 60 mm aproximadamente. Los detectores capacitivos se utilizan espe-cialmente para la medición precisa de recorridos. En el caso de construccionestubulares, los recorridos pueden llegar a ser de hasta 2 metros.

Funcionamiento: un oscilador de alta frecuencia se excita si aumenta la capaci-dad “Cs” del detector por influencias externas. En estado de desconexión, secrea un campo de ruidos delante del electrodo básico. Este campo constituye la zona activa. Para el funcionamiento se aprovechan dos fenómenos:


Energía

Datos

1

2


• Los materiales conductores que se encuentran en el campo de dispersión de la superficie activa del detector forman un contraelectrodo.

• Los materiales no conductores (es decir, aisladores) aumentan la capacidaddel condensador en función del tipo de material (coeficiente dieléctrico).

Utilizando objetos conductores, las distancias de conmutación pueden sermayores que con materiales no conductores. El principio capacitivo tiene comodesventaja la detección adicional de depósitos de suciedad y humedad en lasuperficie misma del detector. El polvo, aceite y agua constituyen fuentes deposibles errores, ya que tienen un efecto aislante. En esos casos, el error consi-ste en que la distancia total medida es menor que la distancia real. Para solucio-nar este problema se utilizan detectores capacitivos provistos de un electrodode compensación, con lo que en la mayoría de los casos se evita una conmuta-ción indebida. El funcionamiento también depende en buena medida del mate-rial. El siguiente cuadro muestra cómo cambia la distancia de conmutación enfunción del material al utilizar detectores capacitivos o inductivos (fig. 3-16).

31

1

2

3

2

4

s s

C CU UC

Cs

s

a) b)

Fig. 3-15


de un detector capacitivo

a) Con objetos conductores

b) Con objetos

no conductores

1 Objeto metálico

2 Electrodo básico libre

3 Convertidor capacidad-

tensión

4 Objeto no metálico

s Distancia de conmutación

Fig. 3-16

Distancias de conmutación

con diversos materiales

Círculo en blanco:

Capacitivo, metal, húmedo

Circulo sombreado:

Inductivo

Semicírculo:

Capacitivo, metales no férri-

cos, seco

Cartón (grosor: 2 mm)

PVC (grosor: 3 mm)

Vidrio (grosor: 3 mm)

Agua, sin conexión a tierra, 100 cm2

Madera (grosor: 10 mm)

Agua, con conex. a tierra, 100 cm2

Cobre (grosor: 1 mm)

Latón (grosor: 1 mm)

Aluminio (grosor: 1 mm)

Cromo-níquel (grosor: 1 mm)

Acero St37 (grosor: 1 mm)

100 80 60 40 20 10Distancia de conmutación en tanto por ciento de la distancia

nominal indicada en los catálogos

En determinados casos es necesario comprobar si están llenas las botellas, losbidones, los bricks de cartón recubierto u otros recipientes similares mientrasavanzan y pasan por delante de un detector. Si los recipientes llenos se encuen-tran bajo presión o vacío, la referencia puede ser, por ejemplo, la curvatura de la tapa que puede detectarse ópticamente. De esta manera es posible detectarrecipientes rotos o vacíos. Para este tipo de aplicaciones también pueden uti-lizarse detectores capacitivos, una solución sencilla y eficiente. En la fig. 3-17 semuestra un ejemplo. El detector comprueba a través de los recipientes de mate-rial opaco si están llenos. Este tipo de detectores puede montarse fácilmente enembotelladoras ya existentes. Cabe anotar, no obstante, que sólo funcionan fiablemente si la temperatura no es superior a 100 °C. Sin embargo, también hay detectores de materiales especiales que soportan temperaturas más altas.

Los detectores capacitivos se utilizan para medir distancias, para detectar diferencias de distancias, para medir la presión diferencial; además, pueden fun-cionar como detectores de proximidad, como detectores de llenado de líquidoso productos a granel y también pueden emplearse para contar, incluyendo medi-ciones de número de revoluciones. Sin embargo, no siempre son insensibles a posibles fallos. La existencia de altas frecuencias en la red puede provocarerrores de conmutación. Por ello, actualmente se prefieren soluciones que prescinden del principio de oscilación, frecuente en los detectores de proximi-dad convencionales.

La categoría de los detectores de campo magnético incluye una serie de convertidores que se distinguen por aprovechar las leyes físicas válidas en campos electromagnéticos o magnéticos. En el cuadro 3-18 se muestran los correspondientes efectos físicos.


Fig. 3-17

Control de llenado

de recipientes opacos

con un detector capacitivo

3.5 Detección magnetoin-ductiva de posiciones

Detectores de campo magnético

Efectos Efecto Efecto de Efecto de Efectos de rápida Efectomagneto- galvano- inducción magneto- inversión del del punto elásticos magnético resistencia campo magnético de Curie

El inglés W. Sturgeon (1783 – 1850) construyó el primer electroimán en el año1825. Posteriormente, en el año 1838, C. Wheatstone (1802 – 1875) inventó el relé para sistemas telegráficos. Ello significa que este conmutador electro-magnético ya existe desde hace más de 160 años. Entre los detectores más antiguos están los detectores inductivos, ya explicados antes. A continuación se explicarán otros detectores de uso frecuente, que funcionan aprovechandodiversos efectos electromagnéticos.

El efecto de Hall se conoce desde el año 1879. Significado del efecto: cuandoentre dos puntos de un conductor existe la misma tensión “I”, al colocarlo en uncampo magnético “B” aparece una diferencia de tensión (tensión UH, tensión deHall) (fig. 3-19). Esta tensión es proporcional a la inducción del campo magnéti-co exterior “B”. El efecto de Hall crea un potencial regulable magnéticamente.

Numerosos detectores aprovechan el efecto Hall, por ejemplo aquellos utilizados para la detección de ángulos de giro incrementales. En la fig. 3-20 se muestran dos ejemplos.

3 Detección de posiciones 33

I

B

UH

Fig. 3-18

Algunos efectos físicos

de detectores magnéticos

3.5.1 Sensor Hall

Fig. 3-19


de un detector con efecto Hall

En el primer ejemplo, un imán anular con “n” cantidad de pares de polos gira apoca distancia (entrehierro) alrededor del detector. De esta manera se produceun campo magnético oscilante que actúa sobre el sensor Hall; la tensión Hallresultante corresponde a estas oscilaciones y es la que se puede evaluar. En elsegundo ejemplo se muestra la detección de ángulos de giro. La señal de salidapuede ser analógica o digital.

Los sensores Hall pueden ser muy pequeños utilizando semiconductores.Además, no se desgastan, por lo que su duración es prácticamente ilimitada.

En la fig. 3-21 se aprecia una barrera magnética con sensor Hall para la detec-ción de posiciones finales. Se trata de un interruptor de final de carrera magnético que está dotado de un sensor Hall, inmerso en el campo generadopor el imán permanente.

En el espacio abierto de la horquilla entra y sale una placa de hierro dulce. De esta manera cambia el flujo magnético, con lo que es posible detectar laposición de dicha placa mediante el sensor Hall. La tensión Hall se mide median-te un circuito electrónico que entrega dos valores discretos del nivel de tensión(“low” y “high”, es decir, bajo y alto). La placa de hierro dulce puede sustituirse


a) b)

1

2

2

3

4

N

S

1 Par de polos0+

–

SN

0,3

B

0+

–

= 360°n

Fig. 3-20

Medición de ángulos

con sensores Hall

a) Medición de giro sin fin

b) Medición del ángulo

de giro

1 Imán anular

2 Generador Hall con

regulador de tensión

y amplificador integrados

3 Segmento giratorio

4 Barra magnética

B Intensidad

del flujo magnético

S Polo sur del imán

N Polo norte del imán

n Cantidad de pares de polos

Fig. 3-21

Barrera de horquilla

magnética con sensor Hall

1 Chapas conductoras

2 Placa de hierro dulce

3 Sensor Hall

4 Imán permanente

S

N

1

1

2

3

4


por una placa giratoria para hacer las veces de un interruptor sin contacto en un automóvil o para servir de detector del giro de las ruedas de un coche en unsistema ABS.

En la técnica de manipulación, por lo general no es suficiente comprobar si una determinada acción efectivamente se lleva a cabo. Más bien es necesariopermitir la continuación de una operación (por ejemplo, el montaje de una piezao un grupo de piezas) si la acción anterior se llevó a cabo correctamente. En lafig. 3-22 se explica este caso.

En el caso “a” del control según la función, simplemente se controla si los dedosde la pinza se cierran, lo que significa que sólo se comprueba el funcionamientode la pinza como tal. La señal correspondiente es suficiente para, por ejemplo,continuar con las operaciones de montaje.

En el caso “b” de la activación en función de la ejecución correcta del paso ante-rior, es indispensable que esté presente la pieza para continuar con las opera-ciones de montaje. Es decir, en este caso se controla la operación de sujeción yno sólo el funcionamiento de la pinza. Para evitar desgastes de las piezas, estasoperaciones de detección suelen hoy realizarse mediante detectores sin contac-to. En el caso de una pinza neumática, por ejemplo, es posible detectar el movi-miento del émbolo utilizando un sensor Hall, tal como muestra la fig. 3-23.

35

a) b)

Fig. 3-22

Control de una operación de

sujeción mediante una pinza

a) Activación según función

b) Activación después

de la comprobación

de la corrección del paso

anterior

Fig. 3-23

Principio del control de la

posición de sujeción mediante

un sensor Hall (Festo)

1 Émbolo neumático

(para el accionamiento

de las mordazas

de una pinza)

2 Sensor Hall

3 Imán permanente

UH Tensión Hall

x Carrera del émbolo

x0

UH

Reco

rrid

o

0

1

2 3

UH

x

Con este sistema no solamente se detecta la posición final; la tensión Hall permite también detectar posiciones intermedias. Por ejemplo, puede tratarsede señales correspondientes a 3 posiciones: sujeción de la pieza 1, sujeción dela pieza 2 (si su diámetro es diferente al de la pieza 1) y pinza abierta o cerrada.La tensión en el sensor disminuye proporcionalmente a la carrera por efecto delimán permanente. El verificador está incluido en una caja en la que se procesa la señal analógica. El error de medición es de ± 0,2 mm.

El detector Reed es un detector de proximidad clásico (reed significa lengüeta en inglés). Este detector reacciona a los campos magnéticos. En la fig. 3-24 seexplica su funcionamiento. El detector tiene 2 lengüetas de contacto elásticas y ferromagnéticas (de aleación Fe-Ni) que se encuentran en un tubo de vidriohermético lleno de un gas inerte. Si se acerca un campo magnético al tubo, laslengüetas se tocan, con lo que se cierra un circuito eléctrico. La reacción es deapenas una milésima de segundo. Los detectores Reed no se desgastan.

Estos interruptores, utilizados como detectores de posición, ofrecen una precisión de conmutación de ± 0,1 mm. Claro está que hay que evitar que seencuentre otro campo magnético en las cercanías. De ser así, es necesario apantallar de modo apropiado al detector. Los detectores de proximidad tipoReed suelen utilizarse como detectores para cilindros (su construcción y funcio-namiento se explican en la fig. 3-25). La conmutación está a cargo de un imánanular incorporado en el émbolo. Los detectores Reed pueden crear una zona de conmutación secundaria además de la zona de conmutación primaria, lo queconstituye un efecto no deseado. La existencia de una zona secundaria resultaconflictiva siempre que la fuerza de las lengüetas de contacto del detector Reed no esté ajustada con precisión en función de la fuerza de la inducciónmagnética.


1

23

45

6

N

N

S

S

3.5.2 Detectores magnéticos

Fig. 3-24

Detector de proximidad

magnético

1 Campo magnético

2 Imán

3 Sentido del movimiento

4 Tubo cilíndrico de vidrio

lleno de gas inerte

5 Imán de precarga

6 Contactos




La formación de las zonas de conmutación se muestra en las figs. 3-26a y b.Estas zonas dependen de la disposición de los polos del imán. Además, en elesquema se aprecian diversas posiciones posibles del imán. Con una placa dehierro, por ejemplo, también es posible obtener un efecto de conmutación (fig. 3-26f ). En ese caso, el imán y el detector Reed permanecen inmóviles.

37

1

12

2

3

3

4

4

4

5

66

7

Fig. 3-25


de un detector para cilindros

magnético

1 Camisa del cilindro,

no magnetizable

2 Imán anular

3 Vástago

4 Detector, contacto Reed,

embebido en bloque

de material plástico

5 Zona de conmutación

primaria


secundaria

7 Histéresis

Fig. 3-26

Posibles disposiciones

del imán para el accionamien-

to de un detector Reed.

Indicación de las

correspondientes zonas

de conmutación.

a) Imán móvil

en dos sentidos

b) Barra magnética

desplazable

c) Imán anular desplazable

d) Barra magnética giratoria

e) Sistema con imán

para magnetización previa

f ) Placa ferromagnética

introducible

1 Cilindro del contacto Reed

2 Imán permanente

3 Placa ferromagnética


primaria


secundaria

B Ancho detectable



T Profundidad detectable

D D

W W

44

5

On On

OnOn On

Off

Off

OffOffOff Off

Off

Off

Off

On

On

OnOn

OnOffOff

N

N

N N

N

NS

S

S

S

S

S

S

S

N

N

Off

1

2

3

a) b)

c) d)

e) f )

Utilizando este tipo de interruptor como detector para cilindros neumáticos,deberá tenerse en cuenta la velocidad máxima admisible del émbolo. Si el tiempo es demasiado corto para que reaccione la unidad de control, es posibleque el sistema no funcione correctamente. La velocidad admisible “v” se obtienemediante la siguiente fórmula:

vmáx =

Ejemplo: si el cilindro neumático tiene un émbolo con diámetro de 32 mm, el recorrido de reacción del detector Reed es de 10 mm. Para el accionamientode una electroválvula es necesario un impulso de 30 ms (= 0,03 segundos). Ello significa que la velocidad máxima del émbolo tiene que ser:

vmáx = = 333 mm/s

Hay que tener en cuenta que es inevitable la existencia de una histéresis entre los puntos de conexión y desconexión cuando el émbolo retrocede. Estahistéresis es de aproximadamente 2 mm en el caso de los detectores Reed. Los detectores sin contacto tienen una histéresis de más o menos 1 mm.

Si se desea utilizar un detector magnético como detector para cilindro, puedeelegirse un generador de señales de accionamiento magnético de pequeñasdimensiones. Éste puede montarse en la ranura perfilada de un actuadorneumático (fig. 3-27) para emitir las señales correspondientes en las posicionesfinales. Estos detectores aprovechan el efecto inductivo-magnético, el efectoHall o el efecto Wiegand. Si se acerca un imán, cambia el campo electromagnéti-co del detector. Este cambio se transforma en una señal de salida mediante unamplificador.


FESTO

Fig. 3-27

Ejemplo de montaje

de detectores magnéticos

en actuadores lineales

neumáticos (Festo)

Zona de conmutación del emisor de la señal

Tiempo de reacción de la unidad de control, de la válvula, etc.

10

0,03


Los receptores de magnetorresistencia pertenecen a la categoría de los registra-dores galvanométricos de valores medidos. Existen dos efectos que tienen quedifereciarse: • Efecto magnetorresistente transversal (efecto de Gauß; sensor de célula

fotorresistiva controlada por campo magnético)• Efecto magnetorresistente longitudinal (sensores de capa metálica fina;

estos detectores aumentan su resistencia si un campo magnético homogéneoactúa de modo paralelo a la circulación de la corriente).

Un sensor de célula fotorresistiva controlada por campo magnético es un semiconductor en forma de meandro cuya resistencia aumenta al aumentar lafuerza del campo magnético al que está expuesto. Mientras no actúe un campomagnético sobre la placa, la corriente circula de modo recto a lo largo de la víade resistencia. Si la placa está expuesta verticalmente a un campo magnéticocon densidad “B”, la fuerza de Lorentz provoca una desviación de los portadoreselectrizados del semiconductor, con lo que aumenta la resistencia eléctrica. Ellosignifica que un sensor de esta índole es una resistencia regulable magnética-mente. Estos sensores tienen parejas de células fotorresistivas para compensarlas temperaturas. Por lo general están conectadas a un puente de Wheatstonepara medir la resistencia.

Este tipo de sensor se fabrica desde el año 1965. Con él es posible medir magnitudes magnéticas y, también, magnitudes mecánicas (indirectamente). Enel ejemplo que se muestra en la fig. 3-28 se detecta el número de revolucionesy/o el ángulo de giro. Una de las aplicaciones más importantes de estos senso-res consiste en la detección sin contacto de procesos de conmutación, por ejemplo, en operaciones de posicionamiento.

Estos sensores de NiFe o NiCo son una alternativa económica frente a los decélula fotorresistiva. Además, pueden utilizarse a temperaturas más altas (hasta 200 °C). El campo magnético regulador actúa sobre una placa metalizadaal vacío muy delgada. Estos sensores aprovechan los siguientes efectos:

Efecto AMR (anisotropy magnetoresistance effect)Este efecto fue comprobado por W. Thomson (1824 – 1907) hace más de unsiglo. La resistencia eléctrica de una banda magnetorresistiva cambia en funcióndel ángulo formado por el sentido de flujo de la corriente y el sentido de la

39

a) b)

1

2

3

4

5

6

3.5.3 Resistencias regulablesmagnéticamente

3.5.3.1 Sensores de célula fotorresistiva controlada por campo magnético

Fig. 3-28

Sensor de célula

fotorresistiva controlada

por campo magnético

a) Célula fotorresistiva

b) Utilización como detector

de revoluciones

y del sentido del giro

1 Placa de soporte

2 Lengüeta de conexión

3 Rueda dentada de poca

energía magnética

4 Célula fotorresistiva

5 Ferrita

6 Imán permanente

3.5.3.2 Sensores magnetorresi-stentes de placasmetálicas finas

Fig. 3-29

Sensores GMR

a) En caso de una magnetiza-

ción en sentido paralelo

de las capas, la difusión

de los electrones (caracte-

rizados por su estado de

rotación) es menor que en

el caso de una magnetiza-

ción en sentido contrario

(imagen “a” de la derecha)

de las capas. Esta diferen-

cia provoca un cambio

de la resistencia eléctrica

b) Detector de ángulo

1 Sensor

2 Imán

E Electrones

3.6 Detección acústica de posiciones

magnetización. Los sensores que aprovechan este efecto se fabrican mediantemétodos de aplicación de capas finas. Con estos sensores es posible detectar,por ejemplo, campos externos de un imán giratorio o comprobar el cambio queexperimenta un imán fijo si pasan cerca de él piezas ferromagnéticas.

Efecto GMR (giant magnetoresistance effect). Este efecto se descubrió en 1989 en el centro de investigación Jülich de la uni-versidad técnica de Aquisgrán. Se trata de un fenómeno físico que puede obser-varse en placas ultrafinas tipo sandwich (por ejemplo, de Co-Cu-Co). Una corri-ente que fluye a través de este sistema compuesto de capas ultrafinas (capamagnética S1, capa no magnética NS y capa magnética S2) se enfrenta a unaresistencia que cambia al cambiar un campo magnético externo, en función delsentido relativo de la magnetización de las capas magnéticas (fig. 3-29a). Lascapas apenas tienen un grosor de algunos pocos nanómetros. Estos sensores seutilizan, por ejemplo, para medir el número de revoluciones en los contadoresde agua; además se usan en aparatos para medir ángulos (fig. 3-29b) o comodetectores magnéticos del giro de ruedas dentadas en sistemas antibloqueo defrenos ABS. Los discos duros de los PC están dotados de cabezales de lecturamagnetorresistivos.

Los sensores acústicos funcionan con ultrasonidos (entre 16 kHz y 1 GHz). Unconvertidor genera ondas ultrasónicas que, en términos generales, se compor-tan según las leyes de la óptica geométrica. Las ondas reflejadas se vuelven arecibir para evaluarlas. Con un filtro digital o mediante autocorrelación se con-


E

S1

S2

NS

< 10

nm

a)

b)

1

2 U

N

S


trola si la señal acústica recibida efectivamente es el eco de las ondas de ultra-sonidos emitidas. El principio de funcionamiento se muestra en la fig. 3-30.

Este sensor permite comprobar la presencia de un objeto. Pero también es posible determinar la distancia hasta una pieza, sin establecer contacto con ella. Para ello se mide el tiempo que transcurre hasta recibir el eco del impulsoacústico emitido; a continuación se calcula la distancia sabiendo que la veloci-dad del sonido en la atmósfera es de 330 mm/ms. Tanto el emisor como elreceptor pueden ser un elemento piezoelectrónico. El convertidor conmuta de modo alterno de emisor a receptor. Para obtener resultados fiables en dimensiones milimétricas es necesario tener en cuenta la variación que sufre la propagación de las ondas sonoras según sea la temperatura ambiente (aproximadamente 0,18 %K).

El cambio de la frecuencia doble (efecto de Doppler) puede utilizarse para detectar movimientos. Además del método de reflexión de las ondas tambiénpuede aplicarse el método del paso de ondas acústicas. En ese caso se mide la intensidad del sonido o la llegada del impulso acústico una vez que las ondasaparecen al otro lado del objeto (consultar capítulo 5.2.5).

La ventaja fundamental del ultrasonidos consiste en que el objeto puede serprácticamente de cualquier material y su superficie puede tener característicasdiversas. Los objetos pueden ser sólidos, líquidos, transparentes, granulados o polvos. Tampoco tiene importancia su forma o color. No obstante, si las super-ficies están inclinadas respecto al detector, puede suceder que la onda sonorase desvíe, con lo que el eco no vuelve a la unidad emisora. Si el objeto es muypequeño, las ondas sonoras lo circundan, con lo que se producen ecos de fondo.El tamaño mínimo que debe tener el objeto depende del ángulo de la propaga-ción acústica, tal como se muestra en la fig. 3-31 recurriendo al ejemplo de unsensor de aproximación por ultrasonidos. Los sensores de ultrasonidos no pueden utilizarse habiendo presión o vacío o si los objetos están muy calientes(debido a la desviación de las ondas sonoras en las capas de aire) y tampoco en espacios con peligro de explosión.

41

1

2 3 4

5

Fig. 3-30


de un sensor de ultrasonidos

1 Objeto

2 Convertidor ultrasónico

3 Unidad de evaluación

4 Módulo de salida

5 Resistencia de ajuste

El principio de detección por ultrasonidos también es apropiado para obtenerimágenes de objetos expuestos a las ondas sonoras. Para obtener esas imáge-nes tienen que utilizarse convertidores especiales. La técnica de generar imáge-nes por ultrasonidos puede utilizarse, por ejemplo, para inspeccionar tubos de desagüe. En ese caso se emplean robots teledirigidos. Con este sistema esposible inspeccionar daños en las paredes interiores o exteriores de tuberías.Los sensores ópticos sólo son capaces de controlar las superficies interiores de los tubos.

En la industria de bebidas se utilizan diversos detectores para controlar las cajas que contienen las botellas vacías. Éstas están mojadas porque se lavancon agua, lo que significa que el uso de barreras de luz no ofrecería resultadosfiables. Los detectores de ultrasonidos controlan la altura nominal de las botel-las y de los bordes de las cajas. La operación de medición se inicia mediante unemisor giratorio. Además, un sistema de procesamiento de imágenes controla eltipo de cajas y comprueba la presencia de botellas sucias, defectuosas o rotas.

Los detectores de ultrasonidos también pueden utilizarse para controlar espaci-os en estanterías de almacenes o en aparcamientos, operaciones de abrir y cer-rar puertas y niveles de llenado de productos a granel en función de límites pre-viamente determinados. Existen numerosos ejemplos para el uso de detectoresde ultrasonidos: control de altura de pilas, regulación de máquinas de bobinado,de operaciones de selección y sistemas de alarma.

La detección de la posición de objetos puede realizarse con detectores optoelec-trónicos que funcionan con luz del espectro luminoso visible o con luz infrarroja.Estos sensores se utilizan especialmente para la detección de objetos no metáli-cos, ya que son capaces de detectar vidrio, de comprobar el nivel de llenado, de controlar la presencia de piezas, además de muchas otras aplicaciones nuevas que van surgiendo constantemente. Sin embargo, debe tenerse en cuen-ta que los sistemas ópticos son sensibles a la suciedad y a la humedad. Por ello, los modernos detectores de este tipo disponen de un sistema de indicaciónde reserva operativa para informar sobre su capacidad de recepción. Si en elambiente hay mucha suciedad, es posible limpiar las lentes de los detectorescon chorros de aire comprimido.

Los sistemas más conocidos son las barreras de luz y los detectores de reflexióndirecta. En el cuadro 3-32 se incluye una lista no exhaustiva de este tipo de sen-sores. Además existen muchos otros sistemas derivados, por ejemplo detectores


1 23

·

Fig. 3-31

Propagación de las ondas

sonoras de un sensor

de ultrasonidos

1 Detector

2 Objeto

3 Propagación acústica

α Ángulo de la propagación

acústica

3.7 Detección optoelectró-nica de posiciones


de reflexión con haz de luz difusa, con haz enfocado o con ajuste de unadistancia de medición fija. Adicionalmente es posible desviar la luz utilizandoconductores de fibra óptica.

Los materiales sensibles a la luz, tales como células fotoeléctricas, fototransisto-res o fotorresistencias son receptores de fotones. Su material básico suele ser silicio, el material utilizado en los semiconductores. En estos materialesaumenta considerablemente la conductividad según la intensidad de la luz. En las gráficas de la fig. 3-33 se muestra el efecto en términos cuantitativos. La sensibilidad depende de la longitud de las ondas luminosas.

43

Fig. 3-32

Los detectores ópticos

más importantes, con o sin

conductor de fibra óptica

1 Reflector

2 Objeto

3 Conductor de fibra óptica

S Emisor

E Receptor

S EDetectorde transmisión

Emisor y receptor separados y opuestos.Ambos están enfocados en el puntode paso de los objetos. Utilización parala detección de objetos transparenteso de superficies claras.

2

Barrerasde hacesmúltiples

Barreras de corta distancia, con un emisory varios receptores. Por ello, la disposiciónde los emisores “S” y de los receptores“E” tiene que ser alterna.

S

S

E

E

S1 E1

S2E2

SE

Denominación Esquema Explicación

Barrera de luzsin reflexión

Emisor y receptor separados y opuestos.Para efectuar la medición se aprovecha la interrupción del haz de luz.Utilización en distancias de hasta 30 metros.

Barrera de luzcon reflexión

Emisor y receptor en un solo cuerpo.Adicionalmente se necesita un reflector en ellado opuesto. Se mide la interrupción del haz.Utilización en distancias de hasta 4 metros.

Detector dereflexión directa

Emisor y receptor en un solo cuerpo. La luz serefleja y vuelve al receptor. En este caso,el propio objeto hace de reflector. Utilizaciónen distancias desde 0,1 hasta 0,4 metros.

Detector dereflexión directacon conductorde fibra óptica

SE

Funcionamiento equivalente al de los detectoresde reflexión directa simples. El haz de luz puedeguiarse indistintamente en el espacio a travésde conductores flexibles de fibra óptica.

Barrera de luzsin reflexión,con conductorde fibra óptica

Emisor y receptor en un solo cuerpo compacto.El haz se guía a través de conductoresde fibra óptica flexible para quevuelva al receptor.

3

S+E

2

S+E

S+E1

Fig. 3-33

Fotosemiconductores

y su reacción a diversas

intensidades de la luz

Fig. 3-34

Esquema de una fotocélula

1 Electrodo metálico

2 Capa de selenio

3 Capa de barrera

4 Electrodo protector,

transparente

5 Luz

6 Resistencia de carga

La estructura básica de una fotocélula se muestra en la fig. 3-34 (véase también la fig. 3-48).

La fotocélula funciona de la siguiente manera: los fotones (quantum de energíaluminosa) penetran en la capa de selenio. De esta manera se producen portado-res electrizados que, debido a la capa de barrera, sólo pueden fluir en un deter-minado sentido. Así se produce una corriente fotoeléctrica a través de la resi-stencia de carga que está conectada a la fotocélula. Una fotocélula de esta índole fue descrita por primera vez en el año 1930, aunque hoy en día ha sido ya sustituida por los fotodetectores. Sin embargo, sigue utilizándose una formaespecial de las fotocélulas: las células solares. Sin embargo, en términos físicosno se diferencian de los fotodiodos. Únicamente se distinguen por su funcio-namiento.

Las posibles fuentes de radiación son las siguientes:• Lámpara de filamento incandescente; rendimiento superior a 5 W. Costo

relativamente bajo• Lámpara espectral; radiación infrarroja y ultravioleta visible. Costo elevado• Diodo electroluminiscente (LED). Costo muy bajo y gran duración• Láser de diodo; emisión de luz roja lejana o infrarroja. Bajo costo,

gran densidad de la radiación• Láser He-Ne; capacidad de radiación superior a 10 mW. Costo elevado

El haz de luz se produce de modo continuo o intermitente. En el primer caso, lasdistancias de medición no pueden ser grandes debido a la capacidad, aunque larespuesta es más rápida que en el caso del haz intermitente. Éste se produceespecialmente por LED y láser semiconductorizados. En este caso, el haz es másfuerte y es menos sensible a interferencias provocadas por luz externa. Además,la distancia de medición puede ser más grande.


12

3

4

5

6

mA

Intensidad de la luz (en lux)

Corr

ient

e en

est

ado

de “

no-c

ondu

cció

n” e

n µA Fotodiodo

0

50

100

150

200

100 100010

U=10V

I

Tens

ión

U e

n vo

ltio

s

Fotocélula

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

10 100Intensidad de la luz (en lux)

1000

Silicio

Germanio

0

Resi

sten

cia

en m

Ohm

ios

Fotorresistencia

0

1

2

3

4

5

6

10 100Intensidad de la luz (en lux)

1000


La forma más convencional de una barrera de luz es la barrera unidireccionalcon emisor y receptor opuestos. Pero también hay versiones en las que el emisor y el receptor están montados en un cuerpo en forma de horquilla o demarco. Además hay soluciones mediante conductores de fibra óptica para guiarel haz de luz desde el emisor hacia el receptor. En la fig. 3-35 se muestran estasvariantes; algunas de ellas son barreras de luz de haces múltiples. En ellas seactivan brevemente varios emisores de modo consecutivo.

Los receptores reciben el haz de luz en el mismo orden. Ello significa que enestas barreras siempre están activos un emisor y un receptor. Estas barreras se utilizan para detectar los perfiles aproximados de objetos que las atraviesan(consultar capítulo 3.7.6.). La versión de haces cruzados se utiliza, por ejemplo,para controlar la expulsión de piezas o para contar piezas muy planas.

Para detectar y registrar la cantidad de piezas (por ejemplo, paquetes) quepasan por una barrera, es necesario que las correspondientes operaciones derecuento se realicen durante el proceso de producción. No siempre es sencilloconseguirlo, especialmente si los objetos están muy cerca unos de otros, ya quees posible que el detector no pueda diferenciar entre el principio de una pieza y su final. En la fig. 3-36 se muestran tres variantes. Si las piezas están muy cer-canas entre sí, únicamente podrá utilizarse la variante “B”, en la que se detectael canto redondeado de las piezas.

45

a)

b)

c)

12

3

4

5

6

3.7.1 Utilización de detectores ópticos

Fig. 3-35

Variantes de barreras de luz

a) Barrera de luz en marco

b) Barrera de luz de horquilla

c) Barrera de luz con haces

de luz cruzados

1 Cuerpo

2 Conector

3 Hileras de haces de luz

4 Haz de luz

5 Haces de luz cruzados

6 Marco

Fig. 3-36

Barrera de luz de horquilla

para la detección de piezas

cercanas entre sí

1 Detector de reflexión

directa

2 Cinta de transporte

3 Objeto

4 Barrera de luz

5 Emisor

6 Receptor

A Solución con detector

de reflexión directa

B Solución con barrera

de luz angular

C Solución con barrera

de luz convencional

A

BC

Variante B

1

2

3

4 5

6

56 3

Otro ejemplo consiste en el control del movimiento de una cinta de transportevigilando su paralelismo respecto a los rodillos. Para conseguirlo, suele detec-tarse el canto de la cinta. Si ésta se desplaza, se recupera la posición correctamediante el correspondiente ajuste automático de la combinación de rodillostensores y de ajuste (ver fig. 3-37). Esta solución se obtiene, por ejemplo, uti-lizando dos barreras de luz. El canto de la cinta sólo puede desplazarse dentrode tolerancias muy pequeñas. Los dos puntos que delimitan la tolerancia estánmarcados por dos haces de luz. Se sobreentiende que el canto de la cinta tam-bién puede controlarse mediante otro tipo de detectores, tales como barreras de aire, sistemas de regulación óptico-analógica de los cantos, detectores deproximidad capacitivos, electroimanes (suponiendo que la cinta sea metálica).En todos los casos, el sistema de regulación tiene que estar en estado activoconstantemente.

Los detectores de reflexión directa son compactos y tienen un único emplaza-miento, ya que la operación de conmutación se produce mediante el haz reflejado. Sin embargo, es posible que surjan errores si el fondo detrás delobjeto que se pretende detectar refleja la luz de modo más intenso que el pro-pio objeto. En ese caso, el receptor del detector ya no es capaz de diferenciar de dónde proviene el haz de luz. Para evitar este problema, se limita el funcio-namiento de estos detectores a una distancia determinada, con lo que ignorantodo lo que hay delante o detrás de la zona definida. Ello significa que es posi-ble ajustar la distancia de detección, estableciéndose unos límites muy precisospara excluir interferencias. En la fig. 3-38a se muestra un detector de reflexióndirecta con el sistema óptico dispuesto en V. Sin embargo, este sistema tieneuna distancia de detección muy limitada, con lo que no es posible ampliar indistintamente la distancia básica del cuerpo del detector, a menos que seaposible ajustar el ángulo del haz de luz.

Otra solución consiste en la utilización de dos receptores (fig. 3-38b) o de un receptor segmentado (elemento PSD, del inglés “position photosensitivedevice”; ver fig. 3-48). En este caso, los objetos que se encuentran a mayor


1

2

3

4

5

6

+

–

Fig. 3-37

Regulación del avance

de cintas de transporte


2 Combinación de rodillos

3 Ajuste del avance paralelo

4 Barrera

de luz unidireccional

5 Margen de tolerancia

6 Ángulo de desviación


distancia ya no se reflejan en la superficie activa del receptor. También en este caso existen límites muy nítidos entre la detección y la no-detección. Al acercarse un objeto, el punto luminoso pasa del receptor “lejano” al receptor“cercano”. La señal proveniente del objeto cercano es más potente. Un compara-dor contrasta las señales de los dos receptores y emite una señal de salidacuando se alcanza un determinado valor límite. De esta manera es posible, porejemplo, detectar un objeto reflector que pasa por delante de un fondo brillante.

Para detectar piezas muy brillantes utilizando un detector de reflexión directahay que recurrir a otra solución, ya que, en estas condiciones, es muy probableque el detector no funcione de modo fiable. La solución consiste en la utilizaciónde luz polarizada, es decir, luz “filtrada” en función del sentido de sus ondas.Las ondas luminosas normalmente se propagan en todas las direcciones.Utilizando un filtro polarizador, la propagación se produce en un sólo plano. Siun haz de esta índole cae sobre un retrorreflector (lámina de reflexión, reflectortriple), el plano de polarización gira en 90°. De esta manera se excluye la luz dereflexión “falsa” que no ha cambiado su polarización (fig. 3-39).

47

8

N

F

A

1

2

3

4

5

5

6

7

a) b)

Fig. 3-38

Eliminación del primer plano

y del fondo

a) Detector de foco fijo

b) Eliminación del fondo

1 Foco fijo

2 Objeto

3 Diodo diferencial

con detección cercana “N”

y lejana “F”

4 Óptica

5 Emisor

6 Objeto cercano

7 Objeto lejano

8 Ajuste mecánico

del ángulo

A Zona activa

Fig. 3-39


de detectores ópticos de luz

polarizada

1 Receptor

2 Emisor

3 Óptica

4 Filtro polarizante

5 Retrorreflector


7 Objeto

8 Sentido de propagación

9 Plano polarizado,

con giro en 90°

1

2

3 4 59

6

7

8

Los filtros polarizantes están constituidos de láminas de polarización lineal o circular. El filtro montado inmediatamente delante del receptor hace las veces de analizador.

Otro ejemplo para la utilización de detectores de reflexión directa consiste en la detección de objetos que avanzan sobre rodillos de transporte por acumu-lación (fig. 3-40). En muchas aplicaciones industriales es necesario disponer detramos de acumulación de piezas. En estos tramos de acumulación de piezas esnecesario que la presión dinámica provocada por las piezas que van llegandosea lo más pequeña posible, para lo cual es necesario desconectar temporal-mente y volver a conectar el sistema de transporte sobre rodillos. Una soluciónmuy difundida consiste en elevar o descender neumáticamente determinadostramos del sistema de transporte. Los objetos que avanzan sobre los rodillospueden hacerlo en grupos o individualmente. El avance individual de las piezasfunciona de modo más fiable si los objetos se encuentran dentro de portapiezasy si, además, se utilizan cilindros de tope (provistos de rodillos).

Si la aplicación es sencilla, es suficiente frenar los objetos mediante el avancede cilindros de tope. Un detector óptico se encarga de comprobar la acumula-ción de las piezas. Este detector forma una unidad compacta en combinación


2

3

5

b)

6

5

4

4

7

a)

1 2 3

Fig. 3-40

Sistema de transporte

por acumulación controlado

por detectores (Festo)

a) Tramo de acumulación

de piezas

b) Esquema tridimensional

de montaje

1 Cilindro de tope

de simple efecto

2 Sistema

de transporte por rodillos

3 Válvula con sensor

4 Conducto

de aire comprimido

5 Válvula neumática de vías

6 Pieza transportada

7 Conexión del cilindro


con una válvula neumática de vías. Se trata de un detector de reflexión directa(PNP, activación con oscuridad) con eliminación electrónica del fondo. Un poten-ciómetro incorporado permite ajustar la distancia de detección desde 270 hasta550 mm. Gracias a la eliminación del fondo, este detector es insensible a lasvibraciones. La forma estrecha (8 mm) y compacta de la parte superior deldetector permite su utilización en sistemas de transporte de rodillos, incluso si el espacio entre los rodillos es escaso.

Este tipo de detectores se utiliza con frecuencia para contar piezas, ya que cualquier interrupción de la reflexión del haz de luz pueden utilizarse comoimpulso de recuento. Además de contar cantidades de piezas, también hay apli-caciones en las que es necesario detectar los elementos montados en unidadescompuestas o en productos acabados para controlar su calidad. En la fig. 3-41se muestra un ejemplo en el que se detecta la profundidad de las conexiones de piezas electrónicas mientras están en movimiento.

Un conductor convencional de fibra óptica generaría un ángulo de radiacióndemasiado grande (60°), con lo que los objetos muy delgados se sobreirradia-rían. En estas circunstancias, la operación de recuento puede resultar poco fia-ble. Esta situación se resuelve montando una lente de enfoque en el extremo delconductor. Así, el diámetro del foco puede ser, por ejemplo, de tan sólo 0,4 mma una distancia de 7 mm. El uso de un conductor de fibra óptica para guiar la luzofrece la ventaja de necesitar poco espacio para el montaje del sistema.

A continuación se ofrecen algunos ejemplos de detección de la orientación de piezas. En muchos casos es necesario evitar que las piezas estén mal orientadas para proteger las herramientas, máquinas u otras instalaciones. Las piezas mal orientadas pueden provocar averías considerables. Por lo generales suficiente controlar sólo determinados puntos de una pieza para comprobarsi está orientada o posicionada correctamente. En ese caso es suficiente utilizar un detector puntual. En el ejemplo de la fig. 3-42 se utilizan dos detectores

49

1

2

3

4

5

a

Fig. 3-41

Recuento de patillas

de conectores (Keyence)

1 Detector


2 Pieza detectada

3 Sistema para el avance

de las piezas

4 Lente de enfoque


a Distancia de detección

de reflexión directa. Si reaccionan simultáneamente los dos detectores “A” y “B”, significa que la pieza está mal orientada, por lo que hay que girarla o descartarla.

Posición correcta Posición falsa Pieza falsa Ausencia de pieza

Detector A 0 1 1 0

Detector B 1 1 0 0

En la fig. 3-43 se muestra otro ejemplo para la detección en dos dimensiones. Setrata de la detección de una chapa cortada y punzonada que puede encontrarseen 4 posiciones diferentes (posiciones A, B, C o D) al llegar a una posición finalestable al término de una rampa.

Orientación A B C D Piezas falsas Ausencia de pieza

P1 1 0 1 1 P1 1 0 0 P1 0

P2 1 1 0 0 P2 1 1 0 P2 0

P3 0 0 1 0 P3 1 1 1 P3 0


B

1

2

3

A

Fig. 3-42

Control óptico

de la orientación

1 Detector



3 Pieza correctamente

orientada

Fig. 3-43

Detección de la orientación

de chapas cortadas

y punzonadas

1 Detector puntual

2 Pieza

3 Canto de tope

P Detector puntual

1

2

3P1 P1 P1 P1

P2P2 P2

P2P3 P3 P3 P3

A B C D


La dificultad consiste en definir los puntos de montaje de los detectores para poder diferenciar las orientaciones A hasta D. En esta aplicación puedenutilizarse detectores de reflexión con conductores de fibra óptica. Estos detecto-res deberían poder desplazarse a lo largo de dos ejes para poder ajustar mejorsu posición y, además, para modificar su posición al cambiar el tipo de piezasque deberán detectarse.

El método de reflexión de luz también es apropiado, por ejemplo, para medir el grosor de cintas, flejes o capas en general, para lo cual deberán utilizarse doscabezales de medición. En la fig. 3-44 se muestra la disposición de un sistemautilizado para ese fin. Al efectuar la medición, la cinta no está apoyada sobreuna base, con lo que sus posibles pequeñas deformaciones no inciden en elresultado de la medición. Para medir el grosor con la máxima precisión, es recomendable utilizar cabezales dotados de detectores semiconductores dereflexión de rayos láser. El grosor “D” de la cinta se obtiene mediante la siguien-te fórmula:

D = M – (h1 + h2)

Los detectores de fibra óptica son sensores fotoeléctricos dotados de conducto-res de fibra para guiar las ondas de luz. Se trata de conductores de plástico o defibra de vidrio capaces de transportar la luz gracias a la reflexión total obtenidaen su interior mediante un núcleo de alto índice de refracción. Con estos con-ductores es posible guiar las ondas en cualquier dirección. En la fig. 3-45a seexplica el funcionamiento de estos detectores que, además, pueden utilizarse a altas temperaturas. Las fibras pueden configurarse de tal modo que tanto las del emisor como las del receptor del detector de reflexión estén agrupadas enun solo conductor (fig. 3-45b).

51

M

h 1h 2

D

Fig. 3-44

Disposición de los cabezales

de medición para medir el

grosor de cintas

h Altura

D Grosor de la cinta

M Distancia para el montaje

de los cabezales

3.7.2 Utilización de detecto-res de fibra óptica

Al utilizar detectores de proximidad optoelectrónicos deben respetarse lassiguientes leyes de la geometría óptica:• En el límite de dos medios con índice de refracción diferente,

se produce una refracción del rayo de luz.• En el paso de medios ópticamente más densos a menos densos se produce

una reflexión total si se sobrepasa el ángulo límite.• El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales.

Estas leyes pueden aprovecharse en los detectores optoelectrónicos. En la fig. 3-46 se muestra un ejemplo de detección del nivel de llenado de un líquido.


1

2

3

a)A

prox

. 60°

4 445 5 5

6

6b)

Fig. 3-45

Funcionamiento de un conduc-

tor de fibra óptica

a) Funcionamiento

b) Variantes

(corte transversal)

1 LED

2 Funda

(bajo índice de refracción)

3 Núcleo

4 Conductor emisor

5 Conductor receptor

6 Mazo de cables de fibra

Fig. 3-46

Detector optoelectrónico

de nivel de llenado

a) Prisma sin sumergir

b) Prisma al aumentar

el nivel del líquido

1 Conductor emisor

de fibra óptica

2 Conductor receptor

de fibra óptica

3 Cuerpo del prisma

4 Lente de proyección

paralela

5 Prisma

6 Nivel del líquido

7 Fuente de luz

8 Fotodiodo

1 2

3

4

56

7 8

a) b)


Funcionamiento: la luz que llega al prisma se desvía de tal manera que el 40%de la luz llega al fotodiodo. De esta manera se comprueba que el nivel del líqui-do todavía no ha alcanzado el límite máximo. Si se sumerge el prisma en el líqui-do, cambia la refracción, con lo que la luz ya no llega al fotodiodo porque se pro-duce un cortocircuito óptico. Ello significa que el haz de luz se interrumpe cuan-do el líquido alcanza el nivel correspondiente.

Advertencia: los conductores de fibra óptica no pueden tenderse simplementecomo si fueran cables eléctricos. Si el radio de flexión es demasiado pequeño, el conductor pierde elasticidad y puede romperse.

La detección de niveles de llenado y de niveles en general es muy frecuente en la industria alimentaria y química. Los detectores fotoeléctricos modernospermiten obtener buenos resultados y, además, son económicos. En la fig. 3-47pueden apreciarse dos soluciones.

El detector puede montarse en el tubo transparente utilizando una simple abrazadera (fig. 3-47a). El nivel del líquido se detecta aprovechando el principiode reflexión y la luz se guía hacia el detector utilizando un conductor de fibraóptica. Al subir el nivel del líquido se produce un cambio de la refracción de laluz en el lugar de la medición, con lo que se obtiene una señal de conmutación.La segunda solución es similar: se trata de la detección de varios niveles, por lo que se utilizan varios detectores con conductores de fibra óptica. En ausenciadel líquido, la luz se refleja en el prisma cónico que se encuentra en el extremodel conductor (el funcionamiento se explica en la fig. 3-46). Si dicho prismaqueda sumergido en el líquido, la luz se refracta hacia el líquido, obteniéndoseasí una señal de conmutación.

53

a) b)

1

23

4

5

6

H

1 5

7 8

8

Fig. 3-47

Detección optoelectrónica

del nivel

a) Conductor

del detector de reflexión

b) Detector de dos puntos

1 Conductor del emisor

2 Cuerpo

3 Tubo transparente

4 Cinta adhesiva

o abrazadera

5 Conductor del receptor

6 Nivel del líquido

7 Prisma en el extremo

del conductor

8 Conjunto de conductores

de fibra óptica

H Diferencia de nivel

Los elementos fotosensibles o elementos PSD (del inglés position photosensiti-ve device) son diodos sensibles a las posiciones y que tienen electrodos en losextremos la fotocélula fotovoltaica. Si un punto de luz incide sobre la superficie,la capa “p” de alta resistencia genera una corriente que es proporcionalmenteinversa a la distancia entre el punto de luz y los extremos. En la fig. 3-48a semuestra el funcionamiento de un fotodiodo de efecto lateral.

Las corrientes de salida “I1” e “I2” son proporcionalmente inversas a la distancia“ai” medida desde el punto de luz. De esta manera es posible determinar lalocalización precisa del punto de luz. Para ello se emplea la fórmula siguiente:

I1 = Ø I y I2 = Ø I o =

I Corriente totalR Resistencia total del electrodo

Con este tipo de elementos es posible construir, por ejemplo, un detector dedistancias de tres haces. Si sólo se utilizan dos haces, es posible que se produz-can errores si los objetos se mueven. Estos errores se evitan con detectores detres haces. Estos detectores (con un haz emisor y dos haces receptores) estándotados de dos elementos PSD, tal como se aprecia en la fig. 3-49. El objeto esirradiado mediante un diodo de luz intermitente.


Luz

100 µm

A1 M A2 A3 A4a) b)

65

2

3

4

1

a

a1 a2I1 I2

1

3.7.3 Detección de posiciones mediante elementosfotosensibles

Fig. 3-48

Elementos PSD

a) Fotodiodo de efecto lateral

b) Fotodiodo

de cuatro cuadrantes

1 Electrodo

2 Capa “p”

3 Capa intrínseca

4 Capa “n”

5 Intensidad de la luz

6 Máscara perforada

ai Distancia

Ai Corriente fotoeléctrica

del cuadrante

Ii Corriente

a2

Ra1

RI1

I2

a1

a2


El objeto avanza de “A” hacia “B”, pasando por delante de la fuente de luz. Laluz se refleja, generando puntos de luz sobre los elementos PSD. Así se obtienendos señales correspondientes a las distancias (xi y x’i). De estas distancias secalcula el promedio para recibir la distancia hasta el receptor, eliminando así un error provocado por el movimiento del objeto. En este caso se trata de dosunidades de triangulación.

Existen otras variantes de elementos PSD, como, por ejemplo, el fotodiodo decuadrantes de la fig. 3-48b. Si todos los campos se iluminan homogéneamentepor un punto luminoso, se alcanzó la posición intermedia. Si el punto luminosoestá desplazado, las corrientes fotoeléctricas “Ai” permiten determinar el senti-do y la cuantía de dicho desplazamiento.

En muchos casos se emplea el método de medición mediante topes. El métodode compensación es, por lo contrario, un método de valor cero, ya que se com-para directamente la señal medida con otra de referencia (bajo las mismas con-diciones generales). Las barreras de luz de compensación sólo se distinguen delas demás barreras de luz por tener un canal de referencia adicional y por el yamencionado circuito de comparación (indicador de valor cero ajustable). En la fig. 3-50 se explica una posible disposición de los componentes necesariospara este tipo de medición.

55

X’1

X1

1

2

3

PSD 2

PSD 1

LED

A

B

Fig. 3-49

Método de medición de

distancias con tres haces

de luz (Matsushita)

1 Óptica emisora

2 Óptica receptora

3 Objeto

3.7.4 Barreras de luz de compensación

Ejemplo de aplicación:

Detección de marcas negras impresas en una cinta adhesiva marrón. La modifi-cación de las señales es ínfima. Por ello es necesario comparar constantementela señal medida con una señal de referencia. La salida sólo se activa si la señalanalógica del canal de medición supera el nivel de la señal de referencia (MSeñal = MMed – MRef). Si el material no es lo suficientemente transparente,también pueden utilizarse detectores de reflexión directa (con o sin conexión de conductores de fibra óptica).

Para diferenciar los colores también se utilizan detectores optoelectrónicos, yasea aplicando el método de tres zonas que se basa en la teoría de tres coloresde Yount-Helmoholtz, o el método espectral. En este caso se descompone elespectro visible de la luz utilizando, por ejemplo, prismas o rejillas de difracciónóptica. A continuación, la luz se mide mediante un espectógrafo.

En el caso del método de tres zonas, el objeto se ilumina con luz blanca (equiva-lente a la luz natural en su espectro visible). Un filtro óptico se encarga de des-componer la luz para obtener tres luces parciales (de color rojo, verde y azul respectivamente). Éstas llegan a los fotorreceptores que indican los valorescromáticos y las intensidades. Los valores digitalizados de los colores parcialesse comparan con los valores de referencia antes memorizados para activar corre-spondientemente las salidas del detector. Los valores de los colores espectralesde referencia se obtienen mediante el método “teach-in” utilizando muestras depiezas correctas. Para evitar los efectos producidos por las superficies brillantes,es necesario que el ángulo de iluminación se halle aproximadamente entre 20° y 40°. Además, es recomendable que en las cercanías no existan fuentes deluz intensa (luz solar, arcos voltaicos, etc.). Si las piezas que se detectarán estánhúmedas y tienen gotas líquidas en la superficie, es posible que no se detectencorrectamente los colores, con lo que la clasificación de las piezas ya no seríafiable. En la fig. 3-51 se explica el funcionamiento de este tipo de detectorescromáticos, muy difundidos en varios sectores industriales.


5

a)

b)

c)

t

t

U1

2 3

4

Referencia

Señalde medición

Fig. 3-50

Funcionamiento de barreras

de luz de compensación

(eltrotec)

a) Disposición

de los componentes

b) Salida analógica

c) Salida digital

1 Barrera de luz

de referencia

2 Barrera de luz de medición

3 Cinta adhesiva marrón

(ejemplo)


5 Marca impresa

U Tensión analógica

3.7.5 Diferenciación cromática


Los detectores cromáticos se utilizan, por ejemplo, para clasificar productos de vidrio de diferentes colores, detectar juntas o tapas, comprobar el orden correcto de mazos de cables, controlar el grado de maduración de fruta, parainterrumpir el proceso de cocción de galletas o para detectar objetos con códigocromático (módulos electrónicos, embalajes, productos farmacéuticos, lápicesde color, etc.). Estos detectores también pueden utilizarse para detectar recubri-mientos (por ejemplo, juntas líquidas) o para comprobar su aplicación completa,suponiendo que estas capas se distingan cromáticamente del fondo en el que seaplican. La detección cromática también puede aprovecharse para comprobar la presencia o ausencia de etiquetas de color en botellas o paquetes. La lista deejemplos posibles sería casi interminable. En la fig. 3-52 se muestra un sistemacon detector ortocromático para controlar etiquetas mientras los envases estánen movimiento.

57

Colorreconocido

Intensidaden orden

Enlace digital

Intensidad

rojo

verd

e

azul

1

2

3

4

5

6

·

Fig. 3-51

Funcionamiento de

un detector cromático según

el método de tres zonas

(eltrotec)

1 Unidad “teach-in”

2 Fuente de luz

3 Ajuste de la tolerancia

4 Receptor

5 Filtro

6 Objeto

Evaluando los tres colores básicos se obtiene un resultado fiable. Si el color delas etiquetas no se distingue mucho del color de las cajas, es indispensableobtener resultados fiables. Una barrera de luz emite un impulso para activar laoperación de control. Estos impulsos se aprovechan adicionalmente para la operación de recuento.

Las cortinas fotoeléctricas utilizadas para efectuar mediciones están compue-stas por una serie de barreras de luz unidireccionales y sus estados de conmuta-ción se aprovechan para determinar el perfil de objetos opacos. Cada cortinafotoeléctrica está compuesta por un emisor, un receptor y un módulo controladopor microprocesador. Ejemplo: supongamos que la distancia de los rayos de luzes de 9,5 mm y que en total existen 32 rayos. La resolución de una cortina foto-eléctrica depende de la distancia existente entre cada uno de los rayos de luz. El tamaño mínimo de un objeto detectable corresponde a la resolución multipli-cada por dos. El tiempo necesario para la operación de escaneado dependedirectamente de la cantidad de rayos de luz, porque las fuentes luminosas estánconectadas en serie (secuencialmente), lo que es necesario debido a la pocadistancia que hay entre cada rayo de luz. Los rayos se emiten aproximadamentecada 50 milésimas de segundo.

En la aplicación que se muestra como ejemplo en la fig. 3-53 se clasificanpaquetes en movimiento según su tamaño para dirigirlos a otra máquina seleccionadora o para apilarlos. Dos cortinas fotoeléctricas se encargan demedir la altura y el ancho respectivamente. La longitud se calcula en función dela velocidad “v” y de la duración de la interrupción de los rayos de luz. Además,así también puede calcularse el volumen aproximado de los paquetes.


1

2 3

4

Fig. 3-52

Control de etiquetas en cajas

1 Detector


2 Caja

3 Tramo de transporte

4 Barrera de luz (detector

de sincronización)

3.7.6 Utilización de cortinasfotoeléctricas


Las cortinas fotoeléctricas (que también se llaman detectores planimétricos)pueden utilizarse, por ejemplo, para medir piezas de madera (incluso sucias),determinar el paso lateral de una cinta de transporte o su desviación, contar ymedir taladros en piezas, detectar piezas en función de sus cantos o su centro,detectar fisuras en cintas o para comprobar una acumulación de piezas en cintasde transporte. Se sobreentiende que también sirven para controlar madera api-lada, tal como se muestra en la fig. 3-54. Tratándose de aplicaciones sencillas,suelen ser suficientes las cortinas fotoeléctricas desde 8 hasta 16 rayos.

59

2

3

3

4

V

1

2

Fig. 3-53

Cortina fotoeléctrica

para operaciones de medición


2 Cortina fotoeléctrica hori-

zontal (emisor y receptor)

3 Cortina fotoeléctrica

vertical (emisor y receptor

4 Paquete

v Velocidad del transporte

de los paquetes

Fig. 3-54

Control de la altura

de piezas apiladas

1 Emisor

2 Receptor

3 Madera apilada

4 Sistema de transporte

1

2

3

4

Considerando que cada barrera de luz se evalúa individualmente, es posibleobtener una información fiable sobre la altura de la pila. Si la atmósfera del entorno contiene una gran cantidad de serrín en suspensión, deberá utilizarseuna versión a prueba de explosiones.

Otra aplicación posible es el control del bucle de compensación de cintas que se alimentan a una máquina. Si la cinta se procesa de forma intermitente, aunque se desenrolle de modo continuo, es necesario prever un sistema decompensación. Esta aplicación suele resolverse mediante un bucle en la cinta.La magnitud del bucle tiene que detectarse para que la velocidad “v” puedacontrolarse en función del diámetro de la cinta enrollada sobre un rodillo. Claroestá que esta función también puede realizarse utilizando otros tipos de detec-tores, tal como se indica en la fig. 3-55.

Para controlar el acceso a zonas peligrosas pueden utilizarse rejillas o cortinasfotoeléctricas especiales. Se trata de detectores de reflexión con varios haces deluz emisores y receptores separados. Con ello se obtiene una zona vigilada cuyotraspaso implica necesariamente la interrupción de, al menos, un rayo de luz. Si estos detectores se utilizan con fines de seguridad, es importante que seancapaces de controlar ellos mismos su buen funcionamiento.

Cortinas fotoeléctricas Producen varios haces de luz individuales.Rejillas fotoeléctricas Producen un campo de mallas estrechas

con resolución definida (superior a 40 mm)

Para proteger una zona de peligro pueden utilizarse cortinas fotoeléctricas verti-cales, montadas a una distancia apropiada, aunque también es posible dispo-nerlas en ángulo u horizontalmente para cubrir una superficie mayor (fig. 3-56).


1

2

3

v v

7

4

v

5 6

v

Fig. 3-55

Detector del bucle

de compensación

1 Sensor analógico


2 Emisor de luz

(lámpara fluorescente

de alta frecuencia)

3 Cámara CCD

4 Sensor analógico inductivo

o detector de ultrasonidos

5 Emisor de la cortina

fotoeléctrica

6 Receptor de la cortina

fotoeléctrica

7 Rodillo de desviación


Estos detectores tienen que responder con la rapidez suficiente para evitar queuna persona que se acerque a una zona de peligro a una velocidad de v = 2 m/spueda llegar hasta ella. Esto significa que antes tiene que desconectarse lamáquina o, al menos, pasar a una posición segura. La zona de detección puedetener hasta 2 metros de altura y hasta 30 metros de ancho.

Las máquinas no deben desconectarse únicamente mediante los controles lógi-cos programables (PLC) que las controlan; la desconexión tiene que producirsedirectamente en los componentes que constituyen el peligro, a menos que seutilicen sistemas que lo permitan explícitamente y que dispongan de la corre-spondiente homologación. Se sobreentiende que las señales que confirman ladesconexión sí pueden transmitirse al PLC. Las barreras ópticas de seguridadtienen que contar con la aprobación oficial de las autoridades pertinentes.

Las rejillas o cortinas fotoeléctricas para la prevención de accidentes puedenincluir las siguientes funciones complementarias:

Blanking: se trata de una función programable que admite la interrupción reite-rada de uno o varios rayos de luz sin que se desconecte la máquina. Estas inter-rupciones repetidas pueden ocasionarse, por ejemplo, por un carro de alimenta-ción que se mueve constantemente. Ello significa que determinadas zonas limi-tadas quedan temporalmente excluidas de la función de seguridad.

Muting: se trata de la desconexión selectiva de cortinas fotoeléctricas, por ejem-plo para llevar material a la zona de peligro. Sin embargo, en ese caso tiene queevitarse que junto con el material entren personas en la zona de peligro. Paraconseguirlo se utilizan varios detectores tipo “muting” (detectores selectivos),capaces de distinguir entre el material y las personas y que envían las señalescorrespondientes a unidades de evaluación “inteligentes”.

61

1

2

3

4

5

Fig. 3-56

Robot con sistema

de seguridad óptico para

medir el acceso a la zona

de peligro

1 Reja de protección

2 Cortina fotoeléctrica

de seguridad

3 Mesa giratoria

4 Robot para soldar

5 Controles

En la fig. 3-57 se aprecia en un ejemplo la disposición de detectores selectivos.La zona de trabajo está protegida mediante una rejilla óptica. El material avanzasin que por ello se detenga la máquina. Las señales emitidas por los detectoresselectivos están sujetas a diversos controles en función del tiempo.

El término “laser” es la sigla en inglés de light amplification by stimulated emis-sion of radiation, es decir, amplificación de luz mediante emisión estimulada deradiación. Los sensores de rayos láser son apropiados para medir con gran pre-cisión distancias considerables (> 2 metros). Para efectuar la medición se calcu-la el tiempo que necesita el rayo para recorrer la distancia entre el diodo láser y el objeto y volver. Dado que la velocidad de la luz es una constante natural, esposible obtener resultados muy precisos. El diodo láser emite los impulsos deluz en el plazo de milmillonésimas de segundo. Esa luz es reflejada por el objetode la medición. El sensor calcula el tiempo que, a continuación, se convierte enuna tensión de salida en función de dicho tiempo.

Ejemplo de aplicación: en una imprenta, la banda de papel proviene de un rollo que pesa varias toneladas. La máquina desenrolladora tiene que ofrecer un momento propulsor que cambia constantemente. Para ello se determina conprecisión milimétrica y desde lejos el diámetro del rollo. A continuación, se cal-cula la masa para obtener los parámetros necesarios para el accionamiento dela máquina.

Los escáneres ópticos también son muy apropiados para efectuar medicionesmuy precisas de objetos diversos. Con la ayuda de una rueda de espejos poligo-nales (que puede tener, por ejemplo, 7 superficies) se proyecta un rayo lásersobre un objeto (fig. 3-58a). Con una lente colimadora se consigue un haz derayos paralelos (método de silueta). Si un objeto se encuentra en el haz de rayosparalelos, se obtiene un oscurecimiento del fotodiodo en función de la forma delobjeto. La duración de dicho oscurecimiento permite determinar, por ejemplo, eldiámetro de dicho objeto. Ello significa que se mide el tiempo para determinarun diámetro. Esta aplicación puede tener diversas variantes (figs. 3-58c hasta i).


a) b)

1

2

3

4

1AlarmaStop

Fig. 3-57

Disposición de detectores

“muting” o selectivos

a) Acercamiento indebido

de una persona

b) Admisión del transporte

de material

1 Rejilla óptica para

prevención de accidentes

2 Objeto transportado

3 Detector selectivo


de placas articuladas

3.7.7 Utilización de sensoresde rayos láser


Considerando que pueden realizarse hasta 1200 mediciones por segundo, tam-bién es posible medir con precisión objetos en movimiento. Así, un robot indus-trial puede introducir un objeto en la zona de medición sin que sea necesarioque la posición de la pinza que sujeta el objeto siempre sea exactamente lamisma (fig. 3-58b). Por su gran precisión, estos aparatos de medición tambiénse llaman micrómetros de láser. Con ellos es posible obtener una precisión derepetición de 0,5 µm cubriendo una zona de medición desde 0,08 hasta 12 mm.

Ejemplo de otra aplicación: después de cada operación de montaje hay que con-trolar si la operación se llevó a cabo correctamente, ya que de lo contrario no esposible continuar con las operaciones subsecuentes (ya sea porque el productoresultaría defectuoso o porque la siguiente operación sólo puede realizarse si laanterior concluyó debidamente). En ese sentido, también las operaciones dellenado y embalaje pueden considerarse operaciones de “montaje”. Por ejem-plo, en el caso de sellar tabletas entre dos láminas, es posible controlar si todoslos espacios del blíster están ocupados o si contienen tabletas rotas o partículasde otro material, incluso si son muy pequeñas.

En la fig. 3-59 se muestra el control de un grupo de montaje (por ejemplo, de pla-cas de circuitos impresos) utilizando un escáner de láser libremente programa-ble. Este sensor tiene una estructura fija y funciona con un láser He-Ne. Con él se posiciona el rayo láser de modo consecutivo en cada una de las posiciones demontaje. A continuación se evalúa la reflexión del haz de luz difusa para compar-arlo con los valores luminosos de referencia que se memorizaron anteriormente.El robot se encarga de detener el grupo de montaje en una posición claramentedefinida. La distancia entre el sensor y el objeto no debe superar los 3 metros.

63

00.498

a)

b)

c) d)

e) f )

g) h) i)

1

2

43

10

56

78

9

1112

13

14

5

5

Fig. 3-58

Funcionamiento de un escáner

láser con rueda poligonal

a) Esquema del método

de medición

b) Ejemplo de aplicación

c) Determinación

del diámetro

d) Medición de distancia

e) Medición simultánea

de varios diámetros

f) Medición de la distancia

entre rodillos

g) Medición de una elipse

h) Medición de excentricidad

i) Medición de un objeto

mediante 2 cabezales

1 Láser semiconductorizado

2 Espejo plano

3 Rueda con polígono

de espejos

4 Lente colimadora

5 Objeto medido

6 Lente receptora

7 Fotoelemento

8 Receptor para evaluación

electrónica

9 Visualizador

10 Elemento óptico

sincronizador

11 Brazo del robot

12 Emisor

13 Receptor

14 Pinza

Otro ejemplo muestra cómo puede controlarse si una pieza cilíndrica se encuen-tra en su posición correcta. Para conseguirlo, se detecta el canto achaflanado enel interior (fig. 3-60).

Si el canto achaflanado se encuentra arriba, se refleja brevemente el rayo láser,confirmándose así que la pieza se encuentra en la posición correcta. Si el rayono detecta el chaflán (porque la pieza no lo tiene o porque se encuentra en suparte inferior), se desvía el rayo. A continuación se descartan las piezas malas o


1

2 3

45

6

Fig. 3-59

Control de un grupo

de montaje mediante

un escáner de láser

1 Escáner de láser

2 Verificador

3 Robot industrial

4 Pinza

5 Grupo de montaje

6 Espacio vacío

(error de montaje)

Fig. 3-60

Detección de un chaflán

mediante sensor de láser

1 Rayo láser

2 Rayo de reflexión

proyectado hacia el sensor

3 Rayo láser desviado

4 Pieza,

5 Canal para descartar

piezas mal posicionadas

6 Cilindro de expulsión

7 Detector de reflexión para

la comprobación de la

presencia de una pieza

max

. 100

0 m

m

6

1

2

3

4

5

7


mal posicionadas. El sistema tiene, además, un detector de reflexión para comprobar la presencia de las piezas y para contarlas.

Los detectores ópticos y, en especial, los sensores de láser, suelen emitir unrayo de luz de foco muy preciso. Sin embargo, sólo son fiables si están monta-dos correctamente. Un montaje seguro implica lo siguiente:• Uniones de montaje seguras, capaces de evitar un desajuste• Sujeciones y soportes insensibles a las vibraciones • Elementos de ajuste fino para el ajuste en el plano horizontal y vertical,

así como elementos auxiliares para efectuar el ajuste (indicación por LED)

En algunos casos incluso puede ser necesario recurrir a placas de montaje amor-tiguadas para evitar que golpes, vibraciones u oscilaciones de alta frecuenciaafecten el funcionamiento del sensor.

En la actualidad, una aplicación importante consiste en la detección óptica de códigos. En la fig. 3-61 se muestra la lectura de códigos de barras medianterayos láser. El rayo láser, proveniente de un diodo, se desvía mediante un espejopoligonal giratorio. La luz reflejada de modo difuso llega a un fotodiodo pasan-do antes por un sistema óptico.

De esta manera se obtiene una señal analógica que contiene la información del código de barras. Esta señal se transforma en una señal digital mediante un convertidor analógico/digital para obtener una imagen más nítida de las barrasy los espacios entre ellas. Al final se procede a descodificar las barras estrechasy anchas y los espacios entre ellas para finalmente obtener los datos correspon-dientes.

65

1

2

3

4

5

Fig. 3-61

Detección de un código

de barras con rayos láser

1 Fotodiodo

2 Láser

3 Espejo polígono

4 Etiqueta con código

de barras

5 Espejo plano

Para obtener buenos resultados aunque la calidad de la impresión del código debarras sea mediocre, es posible leer el código a diversas alturas para cubrir unazona más amplia de la etiqueta. En ese caso se trata de una exploración de tramas.

Los sensores láser ofrecen nuevas perspectivas para aplicaciones de seguridad.Por ejemplo, pueden utilizarse sensores de cobertura semicircular para cubrircon rayos láser una zona comprendida en un radio de 15 metros (ver ejemplo en la fig. 3-62). Esta zona está permanentemente vigilada gracias a la emisiónde rayos láser dispersos mediante un sistema de espejos giratorios. Este siste-ma ha sido aprobado oficialmente para la prevención de accidentes en zonas dehasta 6 metros.

Los equipos más modernos de este tipo incluso permiten programar el perfil dela zona de protección en función de las circunstancias imperantes en cada casoconcreto (arquitectónicas o relacionadas con los equipos y máquinas). Estosequipos únicamente son homologados si son redundantes y, además, si tienenun sistema para controlar su propio funcionamiento.

Funcionamiento: el rayo láser se emite (por ejemplo) 10 veces por segundo paracubrir la zona de protección. El ángulo y el tiempo del impulso luminoso refleja-do permiten determinar las coordenadas del objeto que se detecta, para com-pararlas con las del perfil normal de la zona. Si se acerca una persona, se des-conectan las máquinas que pueden resultar peligrosas y, además, se emite unaseñal acústica de alarma.

En primer término: ¿qué son microondas? Se trata de ondas electromagnéticascon longitudes correspondientes a frecuencias entre 300 kHz (frecuencia utiliza-da para la transmisión televisiva) y 300 GHz (luz infrarroja). Una frecuencia de10 GHz corresponde a una longitud de onda de aproximadamente 30 mm. Lasmicroondas se propagan de modo rectilíneo a la velocidad de la luz y se debili-tan al atravesar una materia. Las microondas son capaces de atravesar mediosque constituyen una barrera insalvable para los detectores ópticos. Atraviesanrecubrimientos de plástico y materiales cerámicos casi sin pérdidas. Sin embar-go, es difícil enfocarlas. Se reflejan en superficies metálicas y se difractan en losbordes de rejillas. La característica direccional de las microondas depende de laantena. Con una potencia de microondas de tan sólo 1 mW, el emisor tiene unalcance de hasta 6 metros.


b) -15 -10 -5 0 5 10 15 m

1

2

a)

Fig. 3-62

Zona de trabajo de un robot

con protección mediante

sensores de cobertura

semicircular

a) Zona del robot

b) Ejemplo de un perfil

de protección

1 Zona detectada

2 Zona de protección

3.8. Detección de posicio-nes con microondas


Principio de funcionamiento: la antena de una sonda de radar emite brevesimpulsos (equivalentes a frecuencias de GHz) que se reflejan en el entorno de la sonda y en el objeto de medición, con lo que la antena los vuelve a captarcomo eco de radar. En la imagen 3-63 se muestra el principio de la medición deltiempo de la transmisión del eco. El tiempo de la transmisión de los impulsos esproporcional a la distancia “d”.

Además del radar de impulsos también se utiliza el método FMCW (del inglésfrequency modulation continuous wave). La señal emitida tiene forma de dientede sierra. La señal reflejada (frecuencia del eco) está desfasada en el tiempo,por lo que se distingue de la frecuencia de la emisión. Las frecuencias de emi-sión y de eco producen una conversión de frecuencias que produce una diferen-cia de frecuencias. Esta diferencia se mide y el resultado corresponde a ladistancia frente al objeto.

Muchas aplicaciones de medición de niveles de llenado pueden resolverse recu-rriendo a las microondas. En el ejemplo de la fig. 3-64 se muestra un recipientede doble pared de material reforzado con fibra de vidrio. La tarea consiste enmedir el nivel de llenado con el fin de conocer en todo momento el volumen delproducto. Utilizando sensores de microondas, las mediciones pueden llevarse acabo incluso en presencia de mucho polvo o de fuertes turbulencias. Además, elsistema de radar no precisa mantenimiento alguno. Los cambios de temperaturao la presencia de alta presión en el entorno apenas afectan la precisión de lamedición. Cuanto más precisa es la medición del tiempo de propagación, tantomás precisa es la determinación del nivel de llenado.

Para conseguir una precisión con tolerancias de unos pocos centímetros, esnecesario que la medición se realice en billonésimas de segundo (picosegun-dos). Una potencia de tan sólo 1 mW de las microondas emitidas no constituyeningún peligro para el ser humano. Por ello, los sensores que las usan puedenutilizarse para observar personas.

67

d

6

1 2

3PS

PE

4

5

Fig. 3-63

Radar de microondas

1 Antena

2 Atenuación de la

propagación en el medio

3 Objeto

4 Emisor

5 Receptor

6 Impulso de radar

PS Potencia de emisión

PE Potencia de recepción

d Distancia

En la fig. 3-65 se muestra el uso de un sensor de microondas para controlar lazona cercana a una prensa. Si una persona entra en la zona de peligro mientrasla prensa está en funcionamiento, el sensor se encarga de desconectarla si lapersona está a una distancia menor que “s”.

Utilizando estos sensores, aunque recurriendo a otros métodos, es posiblemedir, por ejemplo, caudales, superficies o láminas delgadas. Estos sensorestambién son una buena solución para detectar colisiones ocasionadas por vehí-culos automáticos que funcionan sin conductor o para guiar robots móviles.


1

3

2

4

a) b)

Fig. 3-64

Medición del nivel de llenado

con un radar de microondas

a) Medición en recipientes

cerrados

b) Medición en un silo

con fuertes turbulencias

de polvo

1 Radar de impulsos

2 Antena combinada

(emisor y receptor)

3 Depósito de doble

pared de plástico

4 Material de llenado

Fig. 3-65

Control de una prensa

con sensor de microondas

1 Mando de la prensa

2 Sensor de microondas

3 Prensa

s Distancia de seguridad

1

23

s


En el futuro se utilizarán sensores de radar de alto rendimiento en automóvilescon el fin de aumentar su seguridad detectando obstáculos en su entorno. Se trata, por ejemplo, de radares para circular en retenciones de tráfico, siste-mas de detección de obstáculos al aparcar y sistemas para medir las velocida-des relativas. En todas estas aplicaciones es ventajoso que estos sensores seaninsensibles a la nieve, a la suciedad o al hielo. Además, no necesitan luz paraefectuar la medición, a pesar de que el funcionamiento de estos sistemas essimilar al de los sistemas ópticos.

Para detectar la posición de objetos también pueden utilizarse sensores deradiación. Para ello se aprovecha el fenómeno físico de la absorción o reflexiónparcial de rayos radiactivos al atravesar una materia. Ello significa que puedeutilizarse el método de la penetración de la radiación o de la reflexión para efectuar mediciones.

Si para ello se utilizan rayos beta, es perfectamente factible cumplir las normasde protección de los operarios frente a radiaciones nucleares. La radiación betaes una radiación “blanda”. En la fig. 3-66 se muestra el funcionamiento de undetector de rayos beta. La radiación proveniente de la fuente se detecta median-te un tubo contador. Si se interpone un objeto a la radiación, ésta se atenúa; elcambio puede detectarse. El alcance de estos detectores es relativamente gran-de. Con una radiación directa de rayos beta es posible alcanzar entre 4 y 5metros, mientras que en la variante de radiación de reflexión de dichos rayos, ladistancia útil oscila entre 2 y 3 metros. El detector es completamente insensiblea la suciedad y humedad. El sistema permite detectar piezas de cualquier mate-rial, es decir, también piezas que se encuentran incorporadas en otras piezas(caso típico en el control de llenado de recipientes). También es posible compro-bar cambios de grosor o de altura, lo que es útil para controlar, por ejemplo,productos a granel que avanzan sobre una cinta de transporte (determinaciónradiométrica de la masa) o para medir el grosor de una lámina en operacionesde extrusión.

El isótopo radiactivo utilizado debería tener un período de semidesintegraciónlargo (superior a un año) para dilatar lo más posible los períodos de manteni-miento del detector.

69

1 2 3

4

5

6

7

Relé

de ra

diac

ión

8

3.9 Detección de posiciones con radiación nuclear

Fig. 3-66

Comprobación de la presencia

de una pieza con un relé de

radiación

1 Cuerpo

2 Fuente

3 Colimador

4 Rayos beta

5 Tubo contador

6 Cuerpo protector

7 Señal digital de salida

8 Objeto

Las magnitudes mecánicas principales son las siguientes: longitud, ángulo, fuerza, momento de giro, aceleración y masa (peso). En este capítulo no seincluyen las magnitudes longitud y ángulo.

La medición eléctrica de fuerzas y momentos de giro ha adquirido una impor-tancia cada vez mayor en el transcurso de los últimos años (por ejemplo en el sector de la automatización de operaciones de montaje). Los sensores corres-pondientes pueden ser bastante sofisticados, ya que funcionan según efectosfísicos relativamente complicados porque a menudo no es posible medir fuerzasde modo directo. Ello significa que tienen que medirse los efectos provocadospor las fuerzas. Para hacerlo, se obliga a que una fuerza produzca la deforma-ción de un cuerpo (una barra, por ejemplo) en el que se montan los detectores.Los principios de funcionamiento más difundidos se muestran en la fig. 4-1. Lafuerza tiene que aplicarse axialmente y con la máxima precisión. Si se producenfuerzas transversales puede dañarse el sensor o se obtienen resultados falsos.

Existen numerosos efectos físicos que pueden aprovecharse para medir la fuerza. En la fig. 4-2a se muestra un ejemplo de sensor que mide la flexión oca-sionada por la fuerza. Este sensor funciona según el principio de tobera-placadeflectora y actúa como un “medidor de distancias”. La fuerza es representadacomo una distancia. La “suavidad” del medidor por flexión tiene que ajustarseen función de la zona de medición prevista.

En la fig. 4-2b puede apreciarse otra variante. En este caso, un cuerpo elásticometálico (acero, bronce) está dotado de cintas extensométricas metálicas.Mediante métodos fotolitográficos se obtiene un puente de Wheatstone, en elque están integrados los contactos del calibre.

Con el sensor de microflexión (fig. 4-2c) también es posible medir fuerzas expresadas en distancias. En las zonas de gran flexión del conductor de fibraóptica (es decir, en las zonas de radios pequeños) se suprime una parte de la luz introducida en la fibra de vidrio debido a su reflexión del núcleo hacia la

4 Detección de magnitudes mecánicas70

F, M

F FM M

a) b)

1 2 3 4

Cuerpoactivo

F, M U Cuerpode deformación

D Órganode conversión

U

4

Detección de magnitu-

des mecánicas

4.1 Medición de fuerzas

Fig. 4-1

Los sensores más difundidos

para medir fuerzas

y momentos de giro

a) Medición directa

de la fuerza

b) Medición indirecta

de la fuerza

1 Sensor de cuarzo

para medir fuerzas

2 Sensor magnetoelástico

para medir momentos

3 Sensor inductivo

para medir fuerzas

4 Sensor con cinta

extensométrica

para medir momentos

F Fuerza

M Momento de giro

U Tensión

D Dilatación

en diversos sentidos

4 Detección de magnitudes mecánicas

capa exterior del conductor. Al aumentar la fuerza, aumenta la nitidez de laestructura de las ondas y disminuye la intensidad de la luz. Aprovechando estefenómeno es posible llevar a cabo mediciones muy sensibles de la fuerza y de lapresión, ya que la respuesta y el valor de medición pueden ser, por ejemplo, de0,05 N y de 2 N respectivamente.

Al elegir un sensor para medir la fuerza es importante saber qué fuerzas semedirán, ya que el principio físico, la precisión y la fuerza nominal “FN” estánrelacionadas entre sí. El cuadro 4-3 ofrece una información general al respecto.

En el margen constituido por las fuerzas medianas y altas (el margen de mayorimportancia para la mayoría de las aplicaciones) existen numerosos sensores. La clase de precisión está definida en función del mayor error individual que, a su vez, tiene que ser inferior al límite definido como precisión.

Para detectar la deformación de un cuerpo sometido a una carga pueden apro-vecharse diversos fenómenos físicos, entre ellos el efecto piezoeléctrico. El con-cepto “piezo” proviene del griego y es un prefijo utilizado en palabras con el sig-nificado de “comprimir”. Existen determinados cristales (no regulares y con un

71

F

12

pSa)

F6

7

c)

IE IA

F

F

20 m

m

3

4

5

b)p

Fig. 4-2

Medición de fuerzas

a) Sensor neumático

de fuerzas

b) Sensor con cinta

extensométrica

c) Medición de fuerzas

con fibra óptica

1 Sensor de fuerzas

2 Tobera

3 Cinta extensométrica

4 Zona de sujeción

5 Punto de aplicación

de la fuerza

6 Placa de aplicación

de la presión


IE Intensidad de entrada

IA Intensidad de salida

ps Presión de alimentación

p Presión de medición

F Fuerza

Fig. 4-3

Sistemas de medición

de la fuerza y sus campos

de aplicación

1 Sensor de contacto

2 Sensor potenciométrico

3 Sensor inductivo

4 Sensor capacitivo

5 Sensor de cuerda

oscilante

6 Sensor con cinta

extensométrica

7 Sensor semiconductor

con cinta extensométrica

8 Sensor de cuarzo

9 Sensor magnetoelástico

10 Sensor de compensación

de fuerzas 10

4

3

1

2 9

6

5 7

8

1 mN 10 mN 100 mN 1 N 10 N 100 N 1 kN 10 kN 100 kN 1 MN 10 MN

Fuerza

10

1

0,1

0,01

Clas

e de

pre

cisi

ón e

n ta

nto

por c

ient

o

eje polar, como por ejemplo el cuarzo) que sometidos a una carga generan unacarga eléctrica en sus superficies. Esta carga eléctrica es aproximadamente proporcional a la carga mecánica. Este fenómeno se descubrió en el año 1880.Aprovechándolo, pueden confeccionarse láminas o pequeñas placas dispuestasen serie de cristales piezoeléctricos para utilizarlas como cuerpos activos de unsensor de fuerzas. En la fig. 4-4 se muestra cómo se forman las cargas eléctricassuperficiales que pueden aprovecharse como tensiones medibles.

Cabe anotar que este sensor no puede utilizarse para mediciones (casi) estáticas. La fuerza tiene que actuar de modo dinámico porque la carga eléctricase “sustrae” por la medición. Los piezodetectores comercializados tienen formassumamente compactas. En la fig. 4-5 puede verse un ejemplo. Claro está queexisten numerosas variantes que pueden tener, por ejemplo, la forma de unaarandela y que se colocan debajo de la cabeza de un tornillo para medir la fuerza de apriete.

En determinadas aplicaciones (por ejemplo, de recuento) se miden fuerzas aplicadas intermitentemente. En la fig. 4-6 se muestra un contador que funcionasegún el principio mecánico-eléctrico. Al chocar una pieza con la placa, se dilataligeramente la lámina de PVDF, con lo que se genera una tensión eléctrica “U”. Lasseñales correspondientes se aprovechan para la operación de recuento. El difluorode polivinildeno (PVDF) es una sustancia laminada de alto peso molecular.

En términos piezoeléctricos y piroeléctricos, las propiedades de la lámina polí-mera son, como mínimo, equivalentes a las de los monocristales. Sin embargo,estas propiedades no son naturales, ya que son el resultado de un tratamientomacroscópico. Estas láminas solamente son apropiadas para la detección demagnitudes que cambian en función del tiempo (magnitudes dinámicas).


a) b) c)

F

U

F

U

F

U

Fig. 4-4

Funcionamiento

de un piezodetector

a) Efecto longitudinal

b) Efecto transversal

c) Esquema técnico

F Carga

U Tensión

Fig. 4-5

Sensor de cuarzo (ejemplo)

1 Disco de cuarzo

2 Placa de compresión

3 Conexión de cable

4 Electrodo

F Fuerza aplicada

1

1

4

F32


Los sensores con cinta extensométrica están muy difundidos. Estos sensorespermiten una medición indirecta de la fuerza. La fuerza actúa sobre un cuerpodeformable y se mide la deformación (dilatación, compresión, deformacióntransversal). Los cintas extensométricas (que actúan como elemento de conver-sión) se utilizan para operaciones de medición de gran precisión. Existen nume-rosas variantes; algunas de ellas se muestran en la fig. 4-7.

Funcionamiento: una cinta muy fina de material metálico resistivo se encuentrasobre un soporte que cede si se aplica una fuerza. Al extenderse la cinta (pordeformación del soporte), aumenta la resistencia óhmica. Considerando que ladilatación aprovechable es ínfima, estas cintas se utilizan preferentemente como puente acoplador. De esta manera es posible compensar las interferenciasque inciden en todas los cintas extensométricas. Para medir la deformaciónmecánica, las 4 cintas extensométricas están dispuestas de tal manera que enuna pareja de calibres opuestos aumenta su resistencia (dilatación), mientrasque en la otra pareja disminuye la resistencia (compresión). La tensión escalona-da en el puente diagonal es la señal de medición (ver fig. 4-19). También puedenutilizarse cintas extensométricas adicionales, por ejemplo para corrección delinealidad o para compensar la posible existencia de un gradiente de temperatu-

73

1

2

3

4

5

U

Fig. 4-6

Contador realizado

con una lámina de PVDF

1 Pieza

2 Placa de choque (yunque)

3 Cilindro

4 Lámina de PVDF

5 Chapa de contacto

U Tensión

Fig. 4-7

Cinta extensométrica

a) Cinta extensométrica

de cable

b) Cinta extensométrica

de bobina (anticuado)

c) Cinta extensométrica

de lámina

d) Cinta extensométrica

de semiconductor

1 Cuerpo de plástico

2 Meandro

3 Rejilla

4 Punto de conexión

5 Silicio P

6 Silicio N

5

6

d)

1

2

3

4

a) b) c)

ra. Sin embargo, el uso de 4 cintas extensométricas suele ser suficiente paraobtener una buena compensación de las temperaturas.

La tecnología moderna permite obtener estructuras conductoras de este tipo en muchas variantes (metalización al vacío de capas extremadamente delgadassobre un cuerpo de deformación o material de base). No obstante, en todos los casos sigue siendo válido el principio físico del cinta extensométrica conven-cional.

A continuación se analiza la forma de los cuerpos deformables que están provistos de este tipo de sensores. Estos cuerpos pueden adaptarse a las exi-gencias que plantea cada aplicación concreta. No obstante, es posible distinguirdeterminados grupos básicos, tal como constan en la fig. 4-8.

También es factible utilizar, por ejemplo, una placa de flexión y dotarla deparejas de cintas extensométricas, tal como puede apreciarse en la fig. 4-9. Se sobreentiende que las cintas extensométricas también pueden adherirse a ejes con el fin de medir la torsión que sufren bajo carga. Esta torsión permitecomprobar el momento de giro aplicado, con lo que se dispondría de un sensorde momentos de giro.


a) b) c)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Fig. 4-8

Tipos básicos

de cuerpos deformables

a) Cuerpo de deformación

por compresión

b) Cuerpo de deformación

por flexión

c) Cuerpo de deformación

transversal

1 Columna

2 Tubo

3 Placa de compresión

4 Columna múltiple

5 Deformación simple

6 Deformación doble

7 Anillo

8 Placa

9 Cuerpo de base

de deformación

por tensión transversal

10 Muñón de tensión

transversal

11 Cuerpo perfilado

Fig. 4-9

Sensor de fuerza

(placa de flexión)


2 Cuerpo deformable

F Carga

1

2

F


Finalmente se explicará el principio de funcionamiento de un sensor magneto-elástico utilizado para medir fuerzas. En estos sensores, el campo mecánicointerior (proporcional a la magnitud de medición) provoca un cambio en la per-meabilidad magnética del cuerpo activo. Este cambio puede medirse eléctrica-mente aprovechando la ley de inducción de bobinas. El efecto de reciprocidadque se produce de esta manera también se llama efecto magnetoelástico. En la fig. 4-10 puede verse un sensor convencional de este tipo.

Las aleaciones de hierro y níquel con elevado contenido de níquel o las aleacio-nes de hierro y silicio son, por ejemplo, materiales magnetoelásticos. La bobinaestá incluida en un circuito magnético cerrado. Si el cuerpo activo se expone auna fuerza, cambia la inductancia y ese cambio puede medirse eléctricamente.La construcción es sumamente sencilla, aunque extremadamente precisa, ya que la dificultad consiste en el montaje de la bobina. Ello significa que es inevitable obtener una separación en el cuerpo activo, lo que redunda en la existencia de un espacio libre que se preferiría evitar.

En muchos casos resulta necesario medir la carga en polipastos, robots o equi-pos de manipulación con el fin de evitar sobrecargas y, además, para registrarlas cargas. En la fig. 4-11 se muestra una solución posible para estas tareas.Como se ve, el sensor puede montarse de diversos modos. El eje de la fig. 4-11cestá expuesto a una fuerza transversal que es el objeto de la medición. Dichafuerza corresponde a la fuerza de tracción que se produce en el eje.

En el caso que se muestra en la fig. 4-11a, no es necesario cortar la cuerda para medir la fuerza. La fuerza tensora que actúa sobre la cuerda provoca unaaplanamiento de la brida arqueada, por lo que también se produce una fuerzade tracción en la base de la brida (en la que se encuentra el sensor). En la ejecu-ción con brida de tracción (4-11b), la placa de base se dilata directamente y esadilatación puede medirse.

75

F

1

2

U

Fig. 4-10

Estructura ideal de

un sensor magnetoelástico

1 Cuerpo activo

2 Bobina

F Fuerza

U Tensión

Midiendo de modo continuo la fuerza aplicada en diversos tipos de máquinas(por ejemplo, prensas), es posible controlar la máquina y, al mismo tiempo,obtener informaciones sobre la calidad del proceso de producción. Tratándosede equipos de alto rendimiento, es imprescindible llevar a cabo ese control. Enla fig. 4-12 se incluye un diagrama de la fuerza en función del tiempo correspondiente a una prensa. Si la fuerza de trabajo es superior o inferior a los lími-tes definidos con anterioridad, se emite una señal que puede aprovecharse, porejemplo, para desconectar la máquina. A modo de detectores para medir la fuer-za podrían utilizarse, por ejemplo, sensores piezoeléctricos en forma de clavijas.El diámetro de estos sensores (por ejemplo, de 8 mm) permite su montaje en lapieza de la máquina que está expuesta al esfuerzo. También existen sensores enforma de disco que pueden montarse fácilmente.

La técnica de protección y seguridad también exige la detección de fuerzas. Asísucede, por ejemplo, con los sistemas de prevención de colisiones de vehículosautomáticos sin conductor. Estos sistemas funcionan con contactos mecánicos,con reflexión de luz o con ultrasonidos o utilizan un sistema de cámaras paraescanear el suelo o están equipados con un escáner de rayos láser bidimensio-nal. Tratándose de aparatos móviles, es necesario que dispongan de un sistemade parada de emergencia cuando topan con un obstáculo o cuando se acercan a él. Una solución puede consistir, por ejemplo, en el montaje de un contactoReed detrás de un perfil de goma. Este contacto se activa mediante un imán


F/2

F/2

FF

G G

G

1 1

1

2 3

a) b) c)

Fig. 4-11

Aplicaciones

de sensores de fuerzas

a) Medición de la fuerza

aplicada en una cuerda

b) Ejecución con brida

de tracción

c) Eje sometido

a fuerzas transversales

1 Sensor

2 Cuerda

3 Brida de tracción

G Peso

F Fuerza de elevación

Fig. 4-12

Control de la fuerza

máxima en una prensa

Fuer

za

Límite superior

Límite demovimientoen vacío

Secuencia de ciclos de máquina, tiempo

Límite inferior

Crash

Error

Pieza correcta Pieza correcta

Movimientoen vacío


que se encuentra en el interior del listón de goma. En la fig. 4-13 se muestra un esquema para el montaje de este sistema. En caso de una colisión, se cierra el contacto, emitiéndose así una señal de desconexión. En el paragol-pes (en Inglés, bumper) de un vehículo automático sin conductor también puedeinstalarse un conductor de fibra óptica que cambia sus propiedades de transmi-sión al comprimirse a causa de un impacto. Cualquier compresión del conductorprovoca un cambio del haz de luz y ese cambio puede transformarse en unaseñal de conmutación. En el caso de listones perfilados cerrados también esposible medir la presión interior que aumenta bruscamente en caso de abollarseel perfil a causa de un choque.

También en el sector de construcción de máquinas se utilizan listones de contac-tos de seguridad de funcionamiento táctil. Con este tipo de detector es posiblecrear un sistema de seguridad para evitar magulladuras o cortes. El listón tieneun contacto a lo largo de todo su interior. Si se unen los dos contactos, se emiteun impulso de conmutación. El material de estos listones tiene la fuerza de recuperación necesaria para volver a su posición normal al retirarse la fuerza.Este sistema reacciona a una presión de 6,5 N/cm2 .

77

N S

F

1

2 3

Fig. 4-13

Detector de impactos

1 Perfil de goma

2 Imán permanente

(bumper)

3 Contacto Reed

F Fuerza del impacto

Fig. 4-14

Listón de contacto

de seguridad

1 Parte móvil de la máquina

2 Listón de contacto

3 Cámara

4 Contactor

5 Recubrimiento exterior

6 Cordón reforzado de cobre,

embebido en material

plástico conductor

F Fuerza del impacto

18 mm

F

F

1

2

3

4

5

6

Un momento de giro es el producto que resulta de multiplicar la fuerza aplicadaen un punto de un cuerpo por la distancia que media entre éste y el eje de rota-ción. Al medir el momento de giro puede aprovecharse el efecto que producecualquier cambio de la geometría a raíz de la torsión que experimenta el cuerpo.El ángulo de giro “a” es, en consecuencia, la magnitud utilizada para expresar el momento de giro que actúa en un determinado momento en el cuerpo. En lafig. 4-15 se ve cómo puede aprovecharse esta medición para, además, medir las revoluciones. Sin embargo, para ello es necesario disponer del tiempo de losimpulsos a modo de referencia (contador de referencia).

El impulso emitido por el detector “A” activa el contador de períodos y fases queregistra los impulsos de alta frecuencia. El impulso de “B” desactiva el contadordiferencial, mientras que el contador de período se desactiva al recibir nueva-mente un impulso de “A”. La cantidad que indica el contador diferencial expresael desfase que en el tiempo tienen los impulsos emitidos por los detectores “A”y “B”. Después de efectuar varios cálculos se obtiene el momento de giro. Dadoque es posible descomponer la tensión de torsión en una tensión de compresióny en otra de tracción, pueden aprovecharse muchos otros efectos físicos paramedir el momento de giro. Por ejemplo, pueden adherirse a un eje cintas exten-sométricas o pueden aprovecharse los efectos magnetoelásticos, para lo cual seaplica en el eje una capa metálica amorfa, magnetoestrictiva y de poca energíamagnética. El cabezal del detector (compuesto por una bobina de alimentación y de varias bobinas receptoras) funciona según el principio de un transformador.Los metales amorfos (llamados también vidrios metálicos) son determinadasaleaciones de Fe, Ni, Co, Si, B y P que se distinguen por sus excelentes propie-dades magnéticas (magnetismo bajo), eléctricas y mecánicas (dureza, límite dedilatación). La medición de momentos de giro es necesaria en bancos de prue-bas, en aparatos de atornillar para controlar la fuerza de apriete y, además, ensistemas de control de momentos de impulsión.


Procesamiento de la señal

Captación de período y fase

Cálculo de las revolucionesy del momento de torsión

Obtención de datos

A

B

1 2

ML

MA

3

4.2 Medición de momentos

Fig. 4-15

Ejemplo de medición del

momento de giro sin contacto

1 Eje de torsión

2 Disco incremental

3 Detector óptico

· Ángulo de giro

MA Momento de impulsión

ML Momento de la carga


La mayoría de las personas se encuentra con frecuencia muy cerca de un detec-tor de aceleración sin ser conscientes de ello. El airbag de un automóvil funcionacon un detector de este tipo, aunque, para ser exactos, se trata de un detectorque mide la deceleración (aceleración negativa por frenado). La deceleraciónpuede detectarse de las siguientes maneras:• Medición de la fuerza (fuerza “F”), para lo que es necesario conocer

la masa “m”. Fórmula: a = F/m.• Medición del recorrido en función del tiempo. Fórmula: a = 2s/t2

En la fig. 4-16 se incluyen algunas variantes de detectores de aceleración. Todosellos tienen una masa móvil que a raíz de la aceleración (o la deceleración) aplica una fuerza sobre un elemento de medición que puede ser, por ejemplo,un resorte (fig. 4-16a). Este principio también es apropiado para realizar medi-ciones estáticas. La frecuencia propia puede ser de hasta 10 kHz, aumentándoseel margen de la frecuencia útil mediante aceite amortiguador de silicona. La ace-leración máxima que puede medirse es de 104 m/s2. En el caso del detectorque muestra la fig. 4-16b, se aprovecha el principio de inducción. También esfactible conseguir tensiones de medición proporcionales a la aceleración si lamasa móvil actúa sobre piezoelementos (fig. 4-16c). Sin embargo, estos detec-tores exigen un ajuste muy preciso en su eje longitudinal. De lo contrario, lamedición ofrecería resultados falsos debido a la sensibilidad a fuerzas transver-sales. Para compensar tales efectos es posible montar varios detectores en losejes X, Y y Z o, a modo de alternativa, también es posible elegir un detector que es sensible en todos los ejes (fig. 4-16d). Con los detectores de este tipo es posible comprobar la presencia de aceleraciones transversales para com-pensarlas. La masa móvil también puede tener forma anular.

La micromecánica moderna permite la construcción de detectores de aceleraciónmuy pequeños. Un buen ejemplo de ello es el detector que se muestra en la fig. 4-17. Este detector está embebido en vidrio y sus dimensiones son de tansólo 2 x 3 x 0,6 mm.

79

d)

8

4

9

10

11

a) b)

1 2 3 4

4

5

6

c)

4

7

8

4.3 Medición de aceleración

Fig. 4-16

Versiones de detectores

de aceleración

a) Detector de resorte

b) Detector diferencial

inductivo

c) Detector piezoeléctrico

d) Detector delta

1 Resorte trapezoidal

2 Aceite de silicona


4 Masa móvil

5 Detector diferencial

inductivo

6 Resorte

7 Muelle de compresión

8 Piezoelemento

9 Cuerpo básico

10 Cubierta de protección

11 Base del detector

Para confeccionar un detector de esta índole se corta el substrato de silicio para obtener una lengüeta de oscilación libre y se conectan dos resistencias quecambian su valor al deformarse. El margen de medición de estos detectores esdesde 10 –1 hasta 103 ms –2.

Las mediciones de la aceleración son necesarias, por ejemplo, al efectuar diagnósticos de una máquina o al controlar máquinas para que no superen undeterminado límite máximo de aceleración. Tratándose de máquinas para meca-nizado micrónico, puede resultar necesario desconectarlas si las vibraciones queexperimenta el edificio en las que se encuentran superan un determinado valorlímite. En este caso, se utilizan detectores de vibraciones. Otra aplicación típicaconsiste en la detección de vibraciones para comprobar el equilibrio o la excen-tricidad de piezas giratorias (ejes, ruedas, cojinetes de rodillos, etc.). Los resul-tados de la medición pueden utilizarse para vigilar el funcionamiento o paracompensar momentos de inercia de las masas.

Con frecuencia tienen que pesarse productos a granel, pudiendo también sernecesario llevar a cabo la operación de pesaje cuando los productos están enmovimiento. Ello significa que la medición puede realizarse en máquinas talescomo grúas, balanzas o camiones, pero también en cintas que transportan losproductos a granel o que transportan recipientes que los contienen. Los méto-dos que se aplican en este caso son el de inclinación y el de compensación. Enel primer caso, el valor medido se representa a través de un valor proporcional a la magnitud medida. En el segundo (pesada dinámica), la magnitud medida se contrasta con una magnitud de referencia. Mediante un indicador de cero secomprueba si ambas magnitudes tienen el mismo valor. El valor medido es aquélque se obtiene si la diferencia obtenida substrayendo la magnitud de referenciade la magnitud medida es suficientemente pequeña. La balanza de cruz es unejemplo sencillo de ello. En la fig. 4-18 se muestran algunos tipos de balanzas.


a)

b)

1

2

3 4 56

Fig. 4-17

Detector

de aceleración de silicio

a) Corte lateral

b) Plano superior

1 Alma con resistencia

codificada

2 Cuerpo de vidrio

3 Marco de silicio

4 Masa de silicio

5 Espacio abierto

6 Resistencia

4.4 Determinación de masas


En el primer ejemplo, los productos a granel pasan de un silo a un recipientedosificador. Éste se apoya en una célula anular para medir cargas. Al procedersea la dosificación del producto, se detecta la reducción del peso en función deltiempo. El tiempo que transcurre tiene que corresponder al flujo esperado de la masa. Sin embargo, este sistema no permite determinar el caudal durante laoperación de llenado del recipiente. Ello significa que debe poder bloquearse la salida del producto a granel proveniente del silo.

En el ejemplo de la fig. 4-18b, la plataforma está conectada a la célula de pesajemediante una conexión tipo hongo y una capa elástica. De este modo se consi-gue que únicamente se transmitan las fuerzas ocasionadas por el peso.

En la fig. 4-18c se muestra un sistema de pesaje intercalado entre la pinza y elsistema de elevación. El sistema dispone de un bloque paralelepípedo que tieneun taladro cilíndrico provisto de cintas extensométricas (ver también fig. 4-19).

En la fig. 4-18d se aprecia una balanza con cintas extensométricas calibrables degran resolución y precisión, con taladros roscados para el montaje (por ejemplo)entre un eje elevador y el soporte de la carga. Este sistema es muy resistente afuerzas laterales y contiene un amplificador miniaturizado para amplificar sin

81

a) b)

c) d)

7

7

7

8

8

9

10

11

12

1

2

3

3

4

5

5

6

3

Fig. 4-18

Diversos tipos de balanzas

a) Balanza de dosificación

diferencial

b) Célula para medir

cargas por compresión

c) Balanza para medir

cargas colgantes

d) Balanza de carga

por tracción

1 Salida de productos

a granel

2 Recipiente de dosificación

3 Célula para medición

de cargas

4 Pinza

5 Objeto a pesar

6 Apoyo elastómero

intermedio


8 Escuadra

9 Cuerpo deformable

10 Sujeción de la carga

11 Soporte giratorio

12 Amplificador de medición

variaciones la señal de salida en el puente del detector de cintas extensométri-cas (puente completo). Las conexiones pueden ser trifilares o tetrafilares.

En la fig. 4-19 se aprecia el principio de funcionamiento de un sistema de pesajecon puente de Wheatstone completo. Ello significa que aplicando una carga, sedilatan dos cintas extensométricas, mientras que otras dos se comprimen. Lasseñales correspondientes pueden transmitirse por el bus, utilizarse para poneren funcionamiento una máquina o evaluarse para calcular el peso. El tipo de cir-cuito eléctrico permite una buena compensación de las temperaturas, lo que esimportante porque si cambia la resistencia eléctrica de las cintas extensométri-cas debido a la temperatura (y no porque se dilaten), se obtienen resultados falsos. En la fig. 4-20 se muestra el esquema de una plataforma de pesaje. Unaestructura mecánica acoge la carga y desvía la fuerza a través de una palancahacia un detector de fuerzas (que ya se describió en la fig. 4-18). La articulaciónmecánica ha sido concebida de tal manera que el detector sólo percibe la fuerzaocasionada por la carga, ya que cualquier fuerza transversal tendría comoconsecuencia un error de medición.


a) b)

Alimentación de tensión

Electrónica deacoplamiento al bus µP D

A

V

1

2

3

4

2

F

F

Fig. 4-19

Funcionamiento

de sistemas de pesada

a) Cuerpo deformable

b) Conexión de puente

1 Cuerpo deformable


3 Detector

4 Bus de campo

µP Microprocesador

A Analógico

D Digital

F Fuerza o peso

V Amplificador

Fig. 4-20

Estructura mecánica

de una plataforma de pesaje

1 Detector de fuerzas

2 Bastidor de incidencia

de la carga

3 Transmisión mediante

palanca

1

2

3

5 Detección de magnitudes de fluidos

En últimos tiempos ha aumentado el interés hacia los sistemas de medicióncapaces de detectar magnitudes de fluidos (presión, volumen y masa). Alaumentar el grado de automatización, es indispensable tener en cuenta estasmagnitudes en los procesos de vigilancia y control. En la técnica de procesos,por ejemplo, entre un 30 y un 40 % de todas las mediciones son mediciones de presiones. La presión que se acumula hasta que empiece el flujo y la presiónde retención son magnitudes importantes en la neumática. Las unidades demantenimiento utilizadas en sistemas neumáticos tienen que estar equipadascon un manómetro y una unidad de ajuste de la presión. Además de los cojine-tes deslizantes y rodamientos utilizados en el sector de la construcción demáquinas y equipos, también existen cojinetes neumáticos en los que una película de aire consigue que los movimientos se ejecuten sin fricción y desgas-te. El cuerpo de estos cojinetes neumáticos tiene una gran cantidad de taladrosobtenidos mediante rayos láser y por los que sale el aire comprimido. A modode alternativa también se recurre a cuerpos de metales porosos. Estos cojinetesfuncionan con aire comprimido, por lo que es necesario controlar ininterrumpi-damente la presión y el flujo del aire. Si los parámetros de funcionamiento noson correctos, es posible que se dañen los cojinetes.

Para medir la presión se utilizan sensores que están dotados de un elementosensible a la presión y que emiten una señal eléctrica al variar la presión o queprovocan operaciones de conmutación si ésta supera un determinado valor límite. Es importante tener en cuenta la presión que se mide, ya que puedendistinguirse los siguientes tipos:

Presión absoluta: presión comparada con el valor cero del vacío absoluto (pabs = 0). Una medición directa es posible, por ejemplo, con un presostato.

Presión diferencial: presión que representa la diferencia entre dos presionesabsolutas (p1 – p2)

Sobrepresión: presión en función de la presión atmosférica, considerándoseésta como valor cero. Los detectores que miden esta presión se llaman sensoresde presión relativa.

En la gráfica de la fig. 5-1 se indican los márgenes de presión correspondientes.La presión atmosférica depende de la altura geográfica. La presión normal esaquella que se mide a nivel del mar (= 0 metros) y es de 1013 mbar (DIN 1343).Por cada 100 metros de altura disminuye la presión en aproximadamente 12,5 mbar.

83

5

Detección

de magnitudes

de fluidos

5.1 Medición de la presión

Los sensores de presión se clasifican según dos grupos:• Sensores mecánicos. Por ejemplo, equipos de medición con tubo elástico de

Bourdon. La presión que actúa sobre la pared interior del tubo elástico tienecomo consecuencia el abombamiento (contracción) de todo el tubo elástico.Este cambio se visualiza mediante una aguja.

• Sensores electrónicos. Por ejemplo, equipos con membranas de silicio, de acero fino o con materiales dilatables de otras formas.

En el caso de los sensores electrónicos, la presión actúa sobre una membranaelástica, midiéndose la flexión. Para detectarla pueden aprovecharse diversosprincipios físicos, tales como inductivos, capacitivos, piezorresistivos, ópticos,monolíticos (con módulos electrónicos extremadamente pequeños, unidos demodo inseparable) u óhmicos (mediante cintas extensométricas). En la fig. 5-2se muestran algunos esquemas correspondientes.

En los sensores de presión con elemento Hall, un imán permanente pequeño(que está unido a una membrana) provoca un cambio de la tensión Hall. El sensor de presión piezorresistivo tiene un elemento de medición en forma deplaca con resistencias obtenidas por difusión o implantación de iones. Si estasplacas se someten a una carga, cambia su resistencia eléctrica. Lo mismo seaplica en el caso de los sensores de presión monolíticos, obtenidos mediante la cauterización gradual de silicio. En la fig. 5-2d se muestra un ejemplo de estetipo de sensor (en este caso, un sensor de presión absoluta).

5 Detección de magnitudes de fluidos 84

Presiónatmosférica

Pres

ión

abso

luta

Sobr

epre

sión

1

Vací

o

Sobr

epre

sión

2 Pres

ión

dife

renc

ial

Vacío 100%

Fig. 5-1

Diagrama de márgenes

de presión


En la variante capacitiva, se evalúa el cambio capacitivo de una membrana decerámica, ocasionado por la flexión en relación con un contraelectrodo paralelo.Ello significa que la membrana hace las veces de placa de condensador. El elemento de detección no debe estar cubierto por el fluido.

En los sensores de presión capacitivos con membrana cerámica y procesamientode señales se utilizan las siguientes microtecnologías:• Técnica de películas delgadas para los electrodos• Técnica de películas gruesas para el híbrido de procesamiento de señales • Técnica de micromontaje para la membrana de cerámica • ASIC para el procesamiento de señales

Las tecnologías modernas permiten una fabricación económica de los sensoresde presión con cinta extensométrica. Disponiendo de una membrana circular(membrana de medición, por lo general de acero fino) que hace las veces decuerpo deformable, es posible utilizar una cinta extensométrica en forma derosetón (fig. 5-3).

85

1 2

3p

4

13 11

p

10

a)

c) d)

p14

15

16

1710

b)

6 7 8

910

11

12 3

5NS

Fig. 5-2


de algunos sensores

de presión

a) Sensor Hall

b) Sensor de presión

piezorresistivo

c) Sensor de presión

capacitivo

d) Sensor de presión

monolítico

1 Generador Hall

2 Imán permanente

3 Cuerpo del sensor

4 Membrana

5 Capa de unión

6 Contacto de Al

7 Pasivación

8 Piezorresistencia

9 Capa epitaxiada

10 Substrato de silicio

11 Soporte de vidrio

12 Capa de unión metálica

13 Placa

14 Resistencias incorporadas

mediante difusión

15 Carril de silicio

16 Vacío

17 Capa de soldadura

p Presión

Fig. 5-3

Cinta extensométrica

en ejecución de membrana

y rosetón (HBM)

Estos sensores son pequeños (diámetro de, por ejemplo, 7 mm) y disponen de una rejilla de medición circular con 4 segmentos. Las conexiones forman un puente de medición de Wheatstone. Al definir las dimensiones del cuerpodeformable, se supone una dilatación de 100 µm/m = 1 % aplicando una carganominal.

Los sensores de presión de silicio se utilizan para presiones entre 0 hasta 10 bar.Los sensores de presión con técnica de películas delgadas y gruesas son apro-piados para cualquier presión. Además, combinándolos con elementos electróni-cos es posible conseguir sensores capaces de memorizar valores de medición.Asimismo, también es posible incluir resistencias térmicas en la estructura, detal modo que los sensores también registran la temperatura del medio con el finde compensar posibles errores.

En la fig. 5-4 se muestran las conexiones de un sensor de película gruesa. Lascintas extensométricas forman un puente de medición de la presión. Además, seconecta un circuito sencillo de compensación de temperatura (R1, R2).

No obstante, en la mayoría de los casos es suficiente contar con un presostato o vacuostato o con un convertidor neumático-eléctrico (NE). Éste se encarga deconvertir una señal neumática en una señal eléctrica y por lo general se trata de un contacto conmutador. Mediante la utilización de una membrana de mayorsuperficie puede aumentarse la fuerza de accionamiento por presión. Si el con-vertidor permite ajustar la presión de conmutación, se trata de un presostato(fig. 5-5).


1 2 2 31

R1 R2

R=f(p)

Fig. 5-4

Esquema de conexiones

internas de un sensor

de presión

1 Tensión de salida

del puente

2 Tensión de alimentación

del puente

3 Compensación

de temperatura


Los sensores de presión pueden ajustarse de diversos modos. Las versionesmás económicas tienen un punto de conmutación fijo, que no puede modificar-se. Los sensores de ajuste estático permiten un ajuste individual de los puntosde conmutación. Si el ajuste es dinámico, es posible modificar los puntos deconmutación durante el proceso para adaptarlos a las circunstancias imperantesen cada momento o para que el sensor los memorice mediante el método“teach-in”.

El caudal es la cantidad de un medio que fluye durante un tiempo “t”. Esta canti-dad se expresa en unidades de volumen (QV = V/t) o en unidades de masa (QM = m/t). Para efectuar la medición puede recurrirse a diversas magnitudes.Los medidores de caudal (caudalímetros) tienen gran importancia en la indus-tria. Las aplicaciones más difundidas son las siguientes:• Control de circuitos de refrigeración o lubricación. Por ejemplo, las pinzas de

soldadura por puntos, refrigeradas por agua, tienen que someterse a un con-trol continuo. Si falla el sistema de refrigeración, las uniones soldadas no sonperfectas y, en casos extremos, incluso pueden dañarse las pinzas. Por ello se controla el flujo del agua utilizando un presostato y un caudalímetro en losconductos de avance y de retorno del circuito refrigerante respectivamente.

• Control y medición del caudal en sistemas de tuberías. Funciones (ejemplos):protección contra marcha en seco de bombas en sistemas de distribución deagua, control del caudal de desagües, detección de fugas, control del sistemahidráulico de prensas, control de sistemas de aspiración (por ejemplo, en laindustria maderera).

• Control de sistemas de ventilación, filtros y ventiladores en sistemas de aireacondicionado.

• Medición de cantidades de llenado y control de caudales en la técnica de procesos y en sectores industriales que trabajan con líquidos y gases.

87

1

2

3

4

5

5

6

x x

x

a) b)

2 4

1

Fig. 5-5

Elementos de conmutación

neumáticos

a) Convertidor NE

b) Presostato

1 Contacto

2 Tornillo de ajuste

3 Leva

4 Muelle de compresión

5 Membrana

6 Micropulsador de la leva

x Conexión de presión

5.2 Medición del caudal

Existen más de 30 métodos diferentes para determinar un caudal. Entre ellos,sistemas de ultrasonidos y sistemas que utilizan efectos magnético-inductivos,térmicos o el efecto de Coriolis. Además existen numerosas soluciones con tur-binas o álabes intercalados en el flujo de la substancia a medir. A continuaciónse explican algunos de estos métodos.

Este método se distingue por medir “porciones” del medio para luego multipli-car el resultado. Para ello pueden utilizarse, por ejemplo, cámaras de medicióngiratorias o émbolos giratorios para efectuar mediciones directas (fig. 5-6a). Por otro lado existen medidores de volumen indirectos, en los que una rueda deálabes gira al sumergirse en el caudal. La cantidad de giros (revoluciones) con-stituye el parámetro utilizado para calcular el caudal. En la fig. 5-6b se muestraun ejemplo. En este caso, las revoluciones se detectan magnéticamente. Paraobtener el caudal volumétrico, también en este caso hay que multiplicar el resul-tado por el volumen de la cámara.

El método de medición de la presión diferencial utiliza los cambios de las condi-ciones mecánicas del flujo que se producen en un estrechamiento de la seccióndel conducto (aumento de la velocidad). Para producir dicho estrechamiento seutilizan equipos de medición de diversa índole (fig. 5-7). El valor correspondien-te al caudal se obtiene evaluando las presiones p1 y p2 delante y detrás del estrechamiento respectivamente. Este método es apropiado especialmente en el caso de caudales grandes de líquidos y gases, también si las presiones o temperaturas son altas y si los medios son agresivos. Tratándose de caudalespequeños, es preferible utilizar métodos de medición calorimétricos. Los siste-mas de estrechamiento siguen utilizándose en casi un 60% de las aplicacionesindustriales.


6

5

7a)

2

3 4b)

1

5.2.1 Medición volumétrica

Fig. 5-6

Medidores volumétricos

del caudal

a) Rueda oval (Flux)

b) Rueda de álabes axial

1 Bobina

2 Imán permanente

3 Rueda de turbina

4 Tubo de medición

5 Rueda oval

(acero fino o plástico)

6 Cuerpo

7 Conexión

5.2.2 Método de la presióndiferencial


Para medir el caudal se aprovecha la fuerza que actúa sobre cargas eléctricas en movimiento “Q” en un campo magnético. La densidad del flujo magnético“B”depende del imán montado exteriormente. Las cargas “Q” constan de iones acausa de la disociación (desintegración de moléculas) en líquidos. Esta disocia-ción genera una tensión eléctrica. Ésta se mide mediante dos electrodos diame-tralmente opuestos (fig. 5-8). El medio por medir fluye a través de un tubo conrecubrimiento aislante. El convertidor de valores medidos separa la señal útil delas señales que interfieren.

La tensión es proporcional a la velocidad media del flujo. Para reducir los erroresa un mínimo, es recomendable prever una zona de atenuación de turbulenciasentre 3 y 5 veces más larga que el diámetro del tubo. Esta recomendación tam-bién es válida si delante de la zona de medición existen elementos que provocanun fuerte cambio de la sección de los tubos o si los tubos están acodados. El tamaño recomendado de la zona de eliminación de turbulencias es válidopara la mayoría de los caudalímetros, ya que únicamente se obtiene un valor de medición válido en caudales no turbulentos (laminares).

89

v1 v2

a) b)

3

v1 v2

1

2

p2

p1p2p1

Fig. 5-7

Medidor

de presión diferencial

a) Estrechamiento

normalizado

b) Tobera Venturi,

p1:p2 = v1:v2

1 Estrechamiento

normalizado

2 Tubo

3 Tobera Venturi

5.2.3 Medición inductiva del caudal

Fig. 5-8

Caudalímetro

magneto-inductivo

1 Electrodo

2 Tubo con recubrimiento

aislante

3 Flujo del medio por medir

4 Electroimán

B Inducción magnética

v Velocidad del flujo

1

2

3

4

B

v

Aunque su utilización práctica es reciente, el caudalímetro de Coriolis ya seconocía desde la década de los años cincuenta. Este medidor aprovecha la fuer-za de Coriolis que aplica una masa al pasar por un tubo en forma de U. Un convertidor (por ejemplo, electromagnético) se encarga de hacer vibrar el tubo.Si no fluye masa alguna a través de él, las frecuencias permanecen inalteradas.Si fluye un medio, surgen las fuerzas de Coriolis, con lo que se producen oscila-ciones giratorias en el tubo en U. Este cambio se mide utilizando convertidoresextremadamente sensibles (fig. 5-9). El ángulo a se utiliza directamente paradeterminar el caudal. Así no es necesario convertir el volumen en masa, ya queel resultado se obtiene de modo directo y expresado en kg/h. Este método esespecialmente apropiado para la dosificación de cantidades muy pequeñashasta medianas; la medición es sumamente precisa, ya que el error llega a tansólo un 0,5% aproximadamente.

Este tipo de aparatos de medición es relativamente caro, aunque tienen la ven-taja de poder utilizarse si las cantidades son muy pequeñas, la dosificación escorta, el caudal es pulsante, las temperaturas son altas o bajas, los tubos noestán completamente llenos y si las presiones son altas.

Con ultrasonidos es posible “entrar” en el líquido, pudiéndose así medir el cau-dal volumétrico. Para ello se aprovecha el siguiente efecto: la velocidad de pro-pagación de ondas sonoras en líquidos en movimiento cambia en función de lavelocidad del avance del líquido. En la fig. 5-10 se explica el funcionamiento de un caudalímetro de ultrasonidos.

El caudalímetro de ultrasonidos se monta en el exterior del tubo. Aplicando elmétodo de medición de Doppler, las ondas sonoras se reflejan en las burbujasde aire o en partículas sólidas (fig. 5-10b). Sin embargo, estas partículas quehacen las veces de reflectores deben tener un determinado tamaño mínimo. El movimiento relativo de las partículas reflejantes provoca la compresión de lasondas sonoras, con lo que aumenta su frecuencia. La diferencia de la frecuenciaes directamente proporcional a la velocidad de flujo. Conociendo el diámetro del tubo y la velocidad, es posible calcular el caudal volumétrico.


a)1

1

2

3

b)

F

F

α

5.2.4 Medición del caudalsegún el principio de Coriolis

Fig. 5-9


del caudalímetro de Coriolis

a) Condición sin flujo

del medio

b) Condición con flujo

del medio

1 Convertidor para

comprobar la “torsión”

2 Convertidor excitador

3 Tubo

F Fuerza

5.2.5 Medición del caudalcon ultrasonidos


Para aplicar el método de medición del tiempo de propagación (método ultrasó-nico sin reflexión) es necesario que el líquido este “limpio”. Dos sondas se en-cuentran opuestas en un ángulo de 45° en relación con el tubo y ambas emitenalternamente ondas ultrasónicas. La señal que transcurre en contra del sentidodel flujo es negativa, mientras que es positiva la que lo hace en el sentido delflujo. La velocidad del flujo tiene como consecuencia que la duración de la pro-pagación sea diferente en uno y otro caso (diferencia de frecuencia). La diferen-cia no depende del material y tampoco de la temperatura.

En el caso del método de desviación (fig. 5-10c), el haz sonoro se desvía a raíz del flujo del material. En consecuencia se produce una diferencia entre lasamplitudes que pueden medirse. Para entender el funcionamiento de los diver-sos métodos también pueden sumarse los vectores longitudinales y transversa-les de las velocidades.

Dicho sea de paso que la localización por ultrasonidos empezó a utilizarsedurante la primera guerra mundial. Después del hundimiento del Titanic, seintentó la detección de icebergs mediante ecómetros (aunque sin éxito, almenos en aquella época).

Para utilizar la técnica de ultrasonidos en detectores de pequeño tamaño yeconómicos, se recurrirá pronto a conjuntos de membranas ultrasónicas que se están desarrollando con ese propósito, que podrán fabricarse con técnicas de microsistemas y que incluirán en un solo chip la unidad de detección y laelectrónica correspondiente.

91

a)

b)

c)

d)

1

22 3

3

3 3

4 4

44

55

1

45°

2

Fig. 5-10

Caudalímetro de ultrasonidos

a) Método sin reflexión

b) Método Doppler

c) Método de desviación

d) Método con reflexión

1 Sonda

2 Emisor

3 Receptor

4 Flujo

5 Tubo

La medición calorimétrica del caudal utiliza la temperatura, la diferencia de temperaturas o una magnitud que se deduce de ambas. Ello significa que paraefectuar la medición es necesario cuantificar el transporte térmico. Existen diversos métodos para hacerlo:

Método de cable incandescente

Con este método se mide el transporte del calor. Un cable eléctrico incandescen-te con resistencia eléctrica dependiente de la temperatura se introduce en unflujo de gas, con lo que se enfría. Utilizando la temperatura y la resistenciaóhmica del cable se obtiene una información sobre la velocidad del flujo; si,además, se tiene en cuenta la sección del tubo, se obtiene un valor volumétrico(suponiendo que el fluido aproveche completamente la sección del tubo).

Medición mediante sondas térmicas

En el flujo de un material se introducen termistores que, a continuación, se calientan. De esta manera se obtiene un estado de equilibrio en función delenfriamiento que produce el flujo. La temperatura resultante de la sonda tienecomo consecuencia una resistencia eléctrica determinada que se utiliza paraobtener una señal de medición.

Medición con posistores

También en este caso se utiliza una fuente de calor definida que se enfría por el flujo. Sin embargo, en este método se utiliza un posistor (elemento cuya con-ductividad disminuye al aumentar la temperatura).

Medición según el método electrocalórico

Este método consiste en la derivación de un valor correspondiente al caudal en función de un balance térmico. Para ello se utilizan un elemento calentador y dos sondas térmicas, tal como se muestra en la fig. 5-11. En la gráfica, el siste-ma de medición tiene una estructura de rejilla (resistencias de película fina enun chip). La sonda de temperatura “S1” mide la temperatura inicial del líquido. A continuación, se calienta el líquido mediante un microcalentador y la sonda“S2” mide entonces la temperatura correspondiente. Conociendo la diferenciade temperatura se obtiene el caudal, siempre y cuando se mantenga constanteel rendimiento de calentamiento. Si el medio está en reposo, la diferencia detemperaturas disminuye hasta llegar a cero.


5.2.6 Medición calorimétricadel caudal


El medidor de caudal puede ser una unidad sumergible, tal como puede verseen la fig. 5-12. Para evitar errores de medición, es necesario respetar unadistancia “L” delante del codo del tubo o del cambio de sección del tubo. La zona exenta de turbulencias tiene que cumplir las siguientes condiciones: L ≥ 10 x D delante del lugar de la medición y ≥ 6 x D detrás de él. De esta mane-ra, el flujo no tiene turbulencias y es laminar.

93

S1

S2

H

1

2

3

Fig. 5-11

Esquema de un caudalímetro

electrocalórico con tecnología

de silicio

1 Chip

2 Tubería

3 Sentido del flujo

H Microcalentador

S1 Sensor de temperatura

S2 Sensor de la temperatura

inicial

Fig. 5-12

Medidor calorimétrico

sumergible

L Zona sin turbulencias

L L

D

Medición con anemómetro térmico

En la fig. 5-13 se aprecia un caudalímetro térmico para medir gases (por ejem-plo, aire comprimido). En el tubo se encuentran láminas de platino dispuestasparalelamente al sentido del flujo. La resistencia caliente (4) se enfría al quedarcircundada por el fluido. Un regulador (5) se ocupa de mantener constante latemperatura de la resistencia (4). Por lo tanto, si aumenta la velocidad del flujo,también aumenta la corriente eléctrica (3), obteniéndose así un valor para medirel caudal. La resistencia (2) se utiliza como referencia de la temperatura del fluido con el fin de poder mantener constante la diferencia de temperatura entre la resistencia (4) y el fluido.

Si se interpone un cuerpo de choque flexible en el flujo de una substancia, seproducen turbulencias en forma de remolinos. La cantidad de remolinos se mantiene constante en una distancia relativamente grande y es proporcional a lavelocidad del flujo. Por lo tanto, hay que medir la disminución de los remolinos.Con ese fin pueden aplicarse diversos métodos, tales como la medición de lapresión modificada por las turbulencias. En la fig. 5-14 se muestra un detectoren el que una placa provista de cintas extensométricas se interpone transversal-mente al flujo laminar. De esta manera se forman remolinos que se alternanperiódicamente (frecuencia de remolinos). La alternancia provoca diferencias de presión locales, con lo que el cuerpo interpuesto en el flujo empieza a oscilar.Estas oscilaciones se miden con la cinta extensométrica. La cantidad de impul-sos es proporcional al caudal.


12

3

4 5

6

Fig. 5-13

Esquema

de un anemómetro térmico

1 Tubo

2 Resistencia

de película fina

3 Corriente de calefacción

4 Resistencia

de película fina

5 Regulador

6 Flujo del gas

5.2.7 Medición de caudalescon remolinos


Invirtiendo el principio de funcionamiento, un biólogo incluso tuvo la idea demontar un medidor de esta índole en un pingüino para medir la frecuencia deuna cerda de perlón de 1 mm de diámetro y así obtener una información sobre lavelocidad de los movimientos del animal con fines de investigación científica.

95

1

2

3 4

Fig. 5-14

Medidor de caudal

mediante remolinos

(principio de vórtice)

1 Flujo laminar


3 Barra de choque flexible

4 Remolino

La temperatura es una magnitud de gran importancia en los procesos técnicos.Muchas propiedades de los materiales dependen de la temperatura. El estadotérmico de una substancia puede determinarse básicamente de acuerdo con dos principios físicos:• Termometría de contacto• Pirometría

El concepto de “sensor de temperatura” incluye todo tipo de detectores utiliza-dos para medir la temperatura. Pueden medirse los siguientes fenómenos:• Dilatación de cuerpos sólidos, líquidos o gaseosos en función

de la temperatura (termómetro de dilatación)• Cambio de la resistencia o de la conductividad

(pirómetro de resistencia eléctrica) • Cambio de la diferencia de potencial expresado en tensión eléctrica

(elementos termoeléctricos)• Cambio de la frecuencia propia del cuarzo en función de la temperatura• Emisión y adsorción de rayos infrarrojos

En la termometría se consigue un equilibrio termodinámico entre el sensor detemperaturas y el objeto (o su superficie). A continuación se mide la temperatu-ra del sensor recurriendo a un efecto térmico.

De la gran cantidad de sensores de temperatura, se explicarán aquí solamenteaquellos que funcionan mediante la modificación de la resistencia eléctrica de su material. Debe diferenciarse entre materiales NTC (del inglés negativetemperature coefficient) y PTC (del inglés positive temperature coefficient). Untermistor NTC está constituido por un cuerpo sinterizado policristalino de óxidode los metales manganosos, níquel, hierro, cobalto, cobre, entre otros. Estos termistores son sumamente sensibles y son capaces de registrar cambios detemperatura muy pequeños. En el diagrama de la fig. 6-1 se contrastan laslíneas características de diversos termistores y termómetros.

Los termómetros más difundidos entre los termómetros eléctricos de contactoson los pirómetros de platino Pt 100, Pt 500 y Pt 1000. Según la norma IEC 751,el valor nominal de un sensor de temperatura Pt 100 es de 100 ohmios a 0 °C.

Los termistores PTC se utilizan para controlar la temperatura de las bobinas de motores eléctricos (protección completa del motor). Si la temperatura de la bobina alcanza valores demasiado altos, se desconecta el motor de la red.

6 Detección de magnitudes térmicas 96

6

Detección de

magnitudes térmicas

6.1 Termometría

6 Detección de magnitudes térmicas

Con un pirómetro de resistencia siempre se mide una determinada superficiemínima. Los termoelementos, por su parte, permiten efectuar la medición en un punto determinado. Los termoelementos funcionan según el efecto Seebeck:dos metales diferentes soldados entre sí (también pueden ser semiconductores)generan una tensión térmica que es directamente proporcional a la diferencia dela temperatura medida, suponiendo que la junta soldada está expuesta a la tem-peratura del objeto de medición.

Según la ley de radiación de Planck, todo cuerpo (gaseoso, líquido o sólido) irradia temperatura. La pirometría utiliza esa radiación térmica para provocar elcalentamiento de un sensor de temperatura. La temperatura que éste adquierepermite conocer la temperatura de la fuente de calor. Los pirómetros suelen uti-lizarse para medir temperaturas superiores a los 800 °C. Funcionan sin contactopor vía optoelectrónica (fig. 6-2). Un sistema óptico desvía la radiación haciauna cadena térmica o hacia un fotodetector. La radiación térmica también puedeguiarse a través de un conductor de fibra óptica. Sin embargo, es difícil medir latemperatura de superficies metálicas porque su grado de emisión es muy bajo.

97

Fig. 6-1

Resistencias de diversos

termistores y pirómetros

ϑ Temperatura

R Resistencia eléctrica

Si Silicio

Pt Platino

6.2Pirometría

Termistor NTC

Termistor PTC

Termistor SI

Pirómetro de resistencia Pt

También es posible medir la temperatura mediante rayos infrarrojos reflejadospor un cuerpo. Para ello se aprovecha la zona espectral comprendida entre 0,6 µm y 14 µm. Los detectores de luz infrarroja suelen utilizarse para medirtemperaturas entre 0 y 300 °C (800 °C) con corrientes de salida desde 4 hasta20 mA. También hay detectores con una salida de conmutación. Estos reac-cionan a una temperatura de, por ejemplo, 300 °C. La radiación también puedeguiarse hacia el amplificador a través de un conductor de fibra óptica.

6 Detección de magnitudes térmicas 98

U

1 2 3 4

Fig. 6-2

Esquema de un pirómetro

optoelectrónico

1 Diafragma

2 Columna térmica

3 Resistencia de compensa-

ción de temperaturas

4 Cuerpo

U Tensión

7 Detección de posiciones, recorridos y ángulos

La aplicación más sencilla es la detección de posiciones definidas (por ejemplo,la posición final de un carro). En este caso únicamente se obtiene una señal alalcanzarse una posición determinada. Los sistemas de medición de recorridos y de ángulos, por lo contrario, permiten obtener informaciones sobre cualquierposición momentánea. Para detectar recorridos, posiciones y ángulos puedenutilizarse diversos tipos de detectores, tal como puede apreciarse en el siguien-te cuadro.

Tipo- Ángulo · r.p.m. Distancia Característicasde detector en mm Señal de salida

Electro-- hasta hasta hasta económico, punto de conmutación preciso, mecánico 360° 300 106 duración limitada, digital

Inductivo hasta hasta hasta económico, gran duración, robusto, 360° 504 40 detección sólo de metales, analógico o digital

Electro- – 50 – económico, sin desgaste, gran margen magnético hasta de temperatura, no apropiado para pequeñas

104 r.p.m., analógico o digital

Efecto Hall hasta hasta hasta muy económico, gran precisión, sin desgaste, 360° 105 300 puntos de conmutación relativamente dependien-

tes de la temperatura, analógico o digital

Magneto- hasta hasta hasta gran distancia de detección, económico, resistivo 360° 105 30 margen de temperatura limitado, duración

ilimitada, digital o analógico

Opto- hasta hasta hasta económico, sin retroacción, sensible al polvo electrónico 360° 105 7,65 y a la humedad, analógico o digital

Acústico, – – hasta Resolución limitada, sensible a la humedad, ultra- 2000 detecta todo tipo de material, analógico sonidos o digital, no apropiado para uso en vacío,

presión o en zonas con peligro de explosión

Acoplado- – – hasta Medición extremadamente precisa, utilización por carga, 2000 universal, analógico o digitalCCD

Potenció- hasta – hasta económico, muy preciso, gran duración metro- 360° 750 en ejecución sin contacto, analógicoóhmico

Trans- ± 45° – ± 100 gran margen de temperatura, gran duración, formador pequeño margen de medición, diferencial salida analógica

Para determinar recorridos o ángulos siempre es necesario detectar varias posiciones consecutivamente. La detección de recorridos o ángulos es una de las funciones más importantes en elementos móviles, robots industriales y máquinas de CN. En el transcurso del tiempo han ido surgiendo sistemas demedición que también se llaman “sensores internos” porque son parte integran-te de los correspondientes ejes de accionamiento y porque se encuentran mon-tados en las estructuras de las máquinas.

99

7

Detección

de posiciones,

recorridos y ángulos

En la fig. 7-1 se muestran de modo esquematizado los sistemas más usuales. Se sobreentiende que existen muchos otros sistemas más. Básicamente puedeaplicarse la siguiente clasificación:• Sistemas analógicos absolutos: potenciómetros• Sistemas digitales absolutos: discos y reglas codificados• Sistemas incrementales: discos y reglas con barras (transmisor incremental)• Sistemas cíclicos absolutos: resolvedores e Inductosynes

Medir en términos absolutos significa medir a partir de un punto fijo (puntocero, punto de referencia). Si se mide de modo absoluto y analógico, siempre se dispone de un valor de medición. Si se mide de modo absoluto y digital, también es así, aunque la señal no es continua debido al escalonamiento delsistema de medición (fig. 7-2).

Los sistemas de medición más importantes son el potenciómetro, el disco codificado (ver fig. 7-1), el detector de posiciones magnetoestrictivo y el trans-formador diferencial. Los potenciómetros consisten en una resistencia sobre laque se desplaza un cursor, con o sin contacto con la resistencia (potenciómetrode plástico conductor). El punto de toma representa un recorrido determinado

a)

b)

c)

e)

1

f )

2

3

d)

7 Detección de posiciones, recorridos y ángulos100

Fig. 7-1

Detectores típicos para medir

ángulos y recorridos

a) Disco codificado

b) Regla codificada

c) Resolver

d) Regla de barras

e) Potenciómetro

f ) Potenciómetro lineal

sin contacto

1 Cursor

2 Resistencia

3 Sonda de medición

7.1 Sistemas de mediciónde distancias absolutas


que es proporcional a la tensión medida. En el caso del potenciómetro sincontacto, el cursor de medición se desplaza sobre una resistencia linealizada yun colector de baja resistencia. A partir de allí se desacopla capacitivamente laseñal de medición. También hay potenciómetros circulares que cubren un ángulode medición de 360°.

En el caso de los discos o las reglas codificados, el ángulo de giro o el recorridoestán subdivididos en pequeños segmentos digitalizados. La posición de cadauno de ellos está identificada claramente con respecto a un punto cero fijo(absoluto) mediante un determinado código. La secuencia ascendente o descen-dente de la codificación permite reconocer, además, el sentido del movimiento.Al conectar una máquina equipada con un detector absoluto, se dispone ense-guida de todos los valores correspondientes a cualquier posición. Tratándose de un sistema de medición incremental, primero hay que ejecutar un ciclo detrabajo para obtener el punto de referencia.

Los detectores de recorrido magnetoestrictivos no solamente son interesantespor su funcionamiento, sino que también son robustos y no están sujetos a desgaste por funcionar sin contacto. Estos detectores están dotados de una guíade ondas. Ésta consiste de un tubo pequeño de material magnetoestrictivo queen su interior contiene un cable de cobre en el que se aplica un breve impulsode corriente (fig. 7-3). De este modo se produce un campo magnético que sesobrepone al campo magnético del imán de posición. El efecto magnetorresisti-vo tiene como consecuencia que en el punto de encuentro de los dos campos se produzca una deformación. Esta deformación se desplaza en calidad de ondamecánica sobre la guía de ondas a una velocidad de 2850 m/s. En el extremo dela guía de ondas hay una bobina que permite detectar la duración del recorrido.Así puede calcularse la posición con precisión micrométrica. Las señales de salida suelen transformarse de tal manera que se disponga del valor de formaanalógica, digital o en otros formatos especiales. También existen sistemas demedición de recorridos magnetoestrictivos que pueden montarse en cilindros de trabajo. El imán de posición se encuentra en el émbolo. La guía de ondassonoras entra en el vástago hueco. La magnetoestricción sólo se da en materia-les ferromagnéticos, tales como hierro, níquel, cobalto y sus respectivas aleacio-nes.

101

Fig. 7-2

Recorrido de la señal

de sistemas de medición

de distancias absolutas

a) Medición analógica

absoluta

b) Medición digital absoluta

s Recorrido

ϕ Ángulo

s,s,

Seña

l

Seña

l

a) b)

Combinando un actuador lineal (por ejemplo, un cilindro sin vástago) con undetector de recorrido magnetoestrictivo, es posible configurar un sistema demanipulación con cinemática lineal. Sin embargo, no es sencillo controlar estruc-turas de este tipo, ya que todos los ejes están en movimiento constantemente.En el ejemplo se demuestra que también es posible utilizar robots paralelos servoneumáticos (fig. 7-4).


Fig. 7-3

Detector de recorridos

magnetoestrictivo

1 Tubo

2 Guía de ondas sonoras

3 Detector de posición

4 Imán permanente

5 Sentido del desplazamien-

to al posicionar

6 Convertidor

de impulso torsional

7 Impulso de corriente

de excitación

Fig. 7-4

Robot paralelo con actuadores

servoneumáticos y sistema

magnetoestrictivo de medi-

ción de recorrido

(Festo, según R. Neumann,

J. Leiber, P. Post)

1 Cilindro neumático

sin vástago

2 Brazo

3 Articulación de bola

4 Pinza

5 Zona de trabajo

1

7

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5


El detector PLCD (del inglés permanent magnetic linear contactless displacementsensor). Está compuesto de un núcleo especial de poca energía magnética queestá envuelto en una bobina secundaria en toda su longitud y que en sus extremos tiene bobinas primarias cortas (fig. 7-5) . Al acercarse un imán permanente, en el lugar correspondiente se produce una saturación magnéticaen el núcleo. La posición de ese lugar se determina de modo diferencial median-te el sistema de bobinas. Tanto la generación de la frecuencia de trabajo (porejemplo, 4 kHz) como el procesamiento de las señales mediante rectificaciónsensible a la fase, están a cargo de un módulo electrónico externo. En la salidase dispone de una corriente eléctrica que depende de la posición del imán externo. Este imán puede cambiar su posición indistintamente. Con este sistemaes posible recurrir a diversas formas para el accionamiento magnético; por ejem-plo, puede tratarse de un imán anular para medir niveles de llenado.

El transformador de variación lineal diferencial LVDT (del inglés linear variabledifferential transformator) es un detector que funciona de modo inductivo. En lafig. 7-6 se explica su funcionamiento. El núcleo de baja intensidad magnética se desplaza dentro de un anillo magnético. Si el núcleo se encuentra en el centro, la tensión diferencial es igual a cero. Al cambiar la inductancia se obtieneuna magnitud para expresar el recorrido del movimiento del núcleo. Para detec-tar el desplazamiento mediante el sistema diferencial, es necesario recurrir almétodo de frecuencias portadoras con rectificación en función de fases. Estedetector puede utilizarse para medir recorridos desde ± 3 µm hasta ± 200 mm yes sumamente preciso. Al efectuar la conversión, además de obtener resultadoscorrespondientes al recorrido, también es posible calcular ángulos, presiones,aceleraciones y momentos de giro. No obstante, estos detectores tienen un precio relativamente alto en comparación con los potenciómetros de plásticoconductor. La variación ocasionada por la temperatura puede ser, por ejemplo,de 0,03 %/K.

103

Recorrido

Corr

ient

e m

A

4

4

2

3

5

S

N

1

Fig. 7-5

Funcionamiento

de un detector PLCD

1 Bobina primaria

2 Imán

3 Zona de saturación

magnética en el núcleo

4 Bobina secundaria

5 Núcleo de poca

energía magnética

Medir incrementalmente significa medir “relativamente”, es decir, en estos casosla medición no se efectúa en función de un punto cero fijo. Las magnitudes pue-den leerse en un calibre de barras o rayas sobre una regla o disco. Esos calibrescontienen rayas o barras individuales sin identificación concreta. Para poder,además, detectar el sentido del movimiento, el detector se desplaza sobre unaregla o disco que está dotado de ranuras desfasadas. De esta manera se obtieneuna señal desfasada. El desfase en cuartos de ciclo permite detectar el sentidodel movimiento. Existen también detectores incrementales para recorridos lar-gos (de hasta 250 m), que tienen una cinta de chapa perforada que se exploraópticamente. En este caso, la resolución puede ser de ± 1 mm o de ± 0,1 mm.

En la fig. 7-7 se muestra el esquema de este tipo de sistema de medición. Talcomo puede apreciarse, es posible aumentar la resolución de los impulsos electrónicamente. En principio, no existe una señal de posición constante. Elloimplica un riesgo, por lo que por razones de seguridad no se permite el montajede este tipo de detectores en automóviles. Para la detección de las barras orayas se utilizan también sistemas magnéticos, además de los ópticos.

Los sistemas magnéticos para la medición de distancias lineales son robustos,económicos y precisos. Un sistema de funcionamiento incremental se muestraen la fig. 7-8. Las pequeñas dimensiones de estos detectores permiten su montaje en espacios reducidos.


5

U

-s +s

Us = U2 – U1

–s +s

Us

1 2 3 4

U2

U1

U2

Up

UsU1

Fig. 7-6

Esquema de un detector

transformador de variación

lineal diferencial LVDT

1 Bobina secundaria 1

2 Bobina primaria

3 Núcleo de hierro

desplazable

4 Bobina secundaria 2

5 Sensor de presión

de membrana (ejemplo

de acoplamiento mecánico)

U Tensión

7.2 Sistemas de mediciónde distancias incrementales

1

2

3

4

5

67

Período de división

Funcionamiento: un cabezal de lectura con propiedades magnetorresistivas sedesplaza a corta distancia (aproximadamente 0,1 mm) sobre los campos del calibre magnético. Éste está compuesto de una serie de pequeños imanes(polos norte y sur magnéticos alternos) dispuestos a una distancia de, por ejem-plo, 250 µm. Un módulo electrónico montado en el cabezal de lectura se encargade amplificar las señales analógicas multiplicándolas, por ejemplo, por 50, ofre-ciendo señales de salida en calidad de impulsos TTL para efectuar el recuento.La resolución del recorrido puede ser de 2,5 µm o menor.

La detección magnética de dientes de ruedas, tal como se aprecia en las figs. 3-20 y 3-28, también corresponde a los sistemas de medición incremental.

Evaluación simple

Evaluación doble

Evaluación cuádruple

Recorrido, ángulo de giro

HL

Impulsosen la salidadel sistemade medición

Z1

Z2Z1

Z2

RR

7 Detección de posiciones, recorridos y ángulos 105

Fig. 7-7

Funcionamiento

de la detección óptica con

calibres de barras o rayas.

a) Configuración

de los componentes

b) Secuencias de los

impulsos y evaluación

con un detector incremen-

tal de varios canales

1 Regla calibrada de vidrio

2 Calibre de barras

3 Marcas de referencia

4 Óptica

5 Fuente de luz

6 Fotoelemento

7 Placa de detección

H Alto

L Bajo

R Impulso cero

R Negación de impulso

Z Impulso

Z Negación de impulso

Fig. 7-8

Sistema digital-magnético

de medición de recorridos

con señal de salida TTL

(Märzhäuser)

1 Conector

2 Cabezal de lectura

con interpolador ASIC

3 Línea de campo magnético

4 Calibre magnético

5 Soporte del calibre

A

A

B

B

RS 422

ASIC

1

2

3

4 5

2.5 µm

N S SN N S N S N

a) b)

Los sistemas de medición cíclicos-absolutos son absoluto-analógicos en untramo pequeño. En la fig. 7-9 se muestra la forma de la señal (b) en comparacióncon un sistema incremental (a).

La variante anular se llama resolvedor (figs. 7-1 y 7-3), mientras que la variante“abierta” lleva el nombre Inductosyn (funcionamiento lineal). En el caso delresolvedor, una bobina se desplaza en relación con dos estatores dispuestos enángulo de 90°. En las correspondientes bobinas se aplican dos corrientes eléctri-cas desfasadas en 90°, aunque de la misma amplitud. En la bobina del inducidose obtiene una tensión que es objeto de medición. De esta manera se obtiene elángulo de giro expresado mediante una magnitud analógica. Sin embargo, esteproceso se repite continuamente, con lo que debe agregarse la cantidad de ci-clos para obtener el recorrido total. Por ello, estos sistemas de medición tam-bién se llaman cíclico-absolutos.

Al evaluar la calidad de un sistema de medición de recorrido hay que tener encuenta tanto la precisión y como la resolución. La diferencia entre estos dos factores se entiende fácilmente haciendo una comparación con un reloj: un relojpuede ser muy poco preciso si se atrasa mucho, pero si tiene una manecilla que señala los segundos, su resolución es alta.


s, s,

Seña

l

Seña

l

a) b)

7.3 Sistemas de mediciónde recorrido cíclicos-absolutos

Fig. 7-9

Señal de sistemas de medi-

ción de recorrido no absolutos

a) Incremental

b) Cíclico-absoluto

s Recorrido

ϕ Ángulo

8 Representación de escenas

Los sensores capaces de representar escenas utilizan una forma diferente derecibir informaciones y se distinguen de los detectores de proximidad o táctiles.Éstos ofrecen informaciones relacionadas con determinadas zonas selecciona-das, por lo que tienen que adaptarse específicamente a cada caso individual. Su configuración es más sencilla, pero son poco versátiles.

Los sensores que pueden representar escenas cubren una escena completa,pudiéndose recurrir a los parámetros representativos para efectuar la medicióndeseada. Su utilización implica el uso de aparatos y programas más complica-dos, pero se adaptan más fácilmente a tareas específicas. El hardware es universal y el software se adapta a cada tarea específica. Para captar escenas (de técnica de fabricación) se utilizan los siguientes sensores:• Sensores de imágenes, que ofrecen una imagen momentánea de una escena• Sensores de radar, que escanean una escena mediante líneas

y a alta velocidad

Entre los sensores de imágenes hay que distinguir entre sensores de líneas y de superficies. Los sensores de líneas también pueden ofrecer una imagen de la superficie de un objeto si pueden ajustarse los movimientos relativos entre eldetector y el objeto. En la fig. 8-1 se muestra la detección de objetos medianteuna unidad CCD (del inglés charge-coupled device). La pieza a detectar se en-cuentra sobre una cinta de transporte. Mediante el escaneado se obtienen señales que permiten reconocer el perfil de la pieza (mediante comparación con piezas de referencia previamente memorizadas). Para obtener resultadossatisfactorios, es necesario que el contraste entre la cinta de transporte y lapieza sea suficientemente grande.

Otra solución consiste en la aplicación del método de corte mediante haz de luzplano. En este caso se proyecta un “plano de luz” sobre un objeto. Este plano de luz “corta” el objeto a lo largo de una línea perfilada (de allí el nombre delmétodo).

107

8

Representación

de escenas

8.1 Captación de imágenes mediantesistemas ópticos

Fig. 8-1

Detección de piezas

mediante memoria CCD

a) Configuración

del equipo de medición

b) Forma de la señal

1 Unidad CCD

2 Sistema óptico


4 Pieza

5 Iluminación

6 Línea de detección

1

25

3

4

a) b)

0 0

00

1 1

1 1

6

La luz marca ópticamente los puntos de la línea perfilada. Si se detecta estalínea lateralmente con una cámara, se obtiene una línea que representa el perfil.De esta manera se aprecian las partes altas y bajas de la pieza. Dado que seconocen los lugares en los que se encuentran la cámara y la fuente de luz y,además, conociendo la perspectiva de la cámara, es fácil determinar mediantetriangulación la posición de cada uno de los puntos de la línea. El funcio-namiento de este sistema se muestra en la fig. 8-2. Para reconocer el tipo depieza o cualquier daño, se efectúa una comparación con una muestra de referen-cia memorizada en el sistema. El sistema memoriza los perfiles de algunas pie-zas correctas mediante el método “teach-in”.

El método codificado es una variante que se basa en el método de corte median-te haz de luz plano. El método consiste en la proyección secuencial de un códigoGray. Los diversos niveles de luz permiten determinar el perfil de un objetomediante triangulación. En comparación con el sistema de corte por haz de luzplano se necesitan menos mediciones, con lo que es mayor la velocidad de ladetección bidimensional o tridimensional de un objeto.

Otra aplicación importante del escaneado de líneas es la lectura de códigos de barras, no solamente en los comercios, sino también en las fábricas. Con laautomatización de los procesos de fabricación también se produjo una conjuga-ción del flujo de materiales (productos) y de informaciones. En consecuencia,resulta necesario disponer en todo momento de datos actualizados sobre elflujo de los materiales. Sólo así es posible controlar el paso de piezas a granvelocidad, lo que explica el vertiginoso desarrollo que en los últimos años hanexperimentado las técnicas de identificación. Estas técnicas son actualmenteindispensables en los sistemas de fabricación automatizada.

Sin entrar en detalles de la ingente cantidad de códigos (por lo general ópticos),en la fig. 8-3 se muestra un esquema simplificado de un código de barras.

8 Representación de escenas108

a) b)

1 2

3

4

5

67

Fig. 8-2

Funcionamiento

del método por corte de luz

a) Corte de una superficie

plana mediante haz

de luz plano

b) Corte de una pieza

mediante haz de luz plano

1 Proyector

2 Cámara

3 Plano de proyección

4 Plano de luz

5 Pantalla

6 Pieza

7 Sentido

del desplazamiento


El detector que lee los códigos de barras tiene que captar todo el ancho, inclu-yendo la zona en blanco. Los códigos de barras pueden leerse de dos maneras:• Detección de toda la imagen, es decir, con un detector CCD • Detección a lo largo de una línea con un rayo láser (ver fig. 3-61)

En el primer caso (fig. 8-4), se detecta el código de barras completo en una solaimagen. El código de barras se ilumina mediante de un diodo luminoso y eldetector CCD recibe los rayos difusos reflejados.

A continuación, se evalúa y descodifica la imagen. Ello significa que el código de barras se lee mediante datos contenidos en imágenes.

109

Fig. 8-3

Esquema

de un código de barras

Fig. 8-4

Lector de código de barras

según el método CCD

(Keyence)

1 Detector de imágenes CCD

2 Sistema óptico

3 Espejo

4 Diodo de luz roja

5 Barcodelabel

1

2

3

4

Procesamientodel código

5

Barra de final

Barras de inicio

Barras de datos

Línea de escaneado

Ancho de barra

Longitud de barra

Zona en blancoZona en blanco

Otra posible aplicación consiste en la utilización de detectores de triangulaciónequipados con una unidad CCD que miden ópticamente las distancias para, a continuación, efectuar los cálculos correspondientes mediante triangulación.El funcionamiento se explica en la fig. 8-5. Un detector de triangulación proyectaun punto luminoso mediante diodo de láser sobre un objeto. La luz reflejadaatraviesa un sistema óptico y llega al detector (por ejemplo, detector CCD). La ubicación de la reflexión del punto luminoso en la unidad CCD permite determinar la distancia. Si el objeto se mueve de “A” hacia “B”, reaccionan loselementos de la imagen (pixel) correspondientes, lo que puede representarse en el diagrama del detector. Dado que se conocen un lado y dos ángulos deltriángulo, es posible determinar el tamaño de los dos lados restantes. Por ello,el emisor, el detector y el objeto forman un triángulo. Este método ya se utiliza-ba desde la Antigüedad en la navegación marítima y en la agrimensura.

Existen detectores de triangulación que a una distancia de referencia de 500 mmcubren una zona de medición de ± 250 mm. De esta manera es posible medir,por ejemplo, la altura de una pila de piezas planas y delgadas. Este método tam-bién permite medir la altura de los puntos de soldadura en placas de circuitosimpresos, con lo que es posible recibir una información sobre la calidad de laoperación de soldar. Es posible medir desde algunos pocos milímetros hastavarios metros.

La captación de datos de medición mediante imágenes (es decir, la detección tridimensional) ofrece ventajas evidentes en comparación con otras técnicas de medición:• La medición se lleva a cabo sin contacto y sin la utilización de medios

mecánicos auxiliares (por ejemplo, detectores mecánicos), por lo que no producen efectos secundarios.

• Utilizando un detector de superficies (chip CCD), es posible obtener simultáneamente una gran cantidad de datos. Aplicando diversos algoritmospueden conseguirse varios valores de medición.


6

5

1

2

3

4

A

B

1024 3072

Pos A Pos BV

Pixel

Fig. 8-5

Detector de triangulación

1 Detector

2 Óptica de imagen

3 Óptica de proyección

4 Diodo de rayo láser

5 Pieza

6 Diagrama de detección


Los detectores ópticos de superficies modernos suelen tener un chip CCD. Este chip contiene una superficie sensible constituida por fotoelementos muypequeños (por ejemplo 752 x 562 pixel). La imagen queda reflejada en los pixelmediante componentes ópticos (fig. 8-6).

La luz electriza los fotodiodos proporcionalmente a su intensidad. El estadoeléctrico de los fotodiodos se lee en períodos muy cortos y la información sobre la imagen se transmite en calidad de series de señales. Para la lecturapueden utilizarse varios métodos (principio de transferencia de imagen completa, principio de transferencia de líneas).

Con la detección de imágenes es posible configurar diversos sistemas de control. Una tarea puede consistir, por ejemplo, en controlar si las etiquetasefectivamente fueron adheridas en el lugar previsto para ello. La comprobaciónpuede realizarse, por ejemplo, utilizando barreras de luz con salida analógica. La señal analógica se compara con determinados valores límite. Así se sabe silas etiquetas fueron adheridas respetando una tolerancia de ± 2 mm. Si, por elcontrario, se utilizan cámaras CCD, es posible controlar varias magnitudes de un solo “vistazo”. En ese caso, por lo general, es suficiente procesar los datoscorrespondientes a determinadas partes de la imagen, en vez de analizar la imagen completa. Un ejemplo se muestra en la fig. 8-7. La imagen de esteejemplo se utiliza para obtener las siguientes informaciones:• Imagen parcial (ventana) 1: ¿Está presente la tapa roscada? ¿Está roscada

o suelta la tapa?• Imagen parcial (ventana) 2: ¿Se ha llenado el líquido y el nivel de llenado

es correcto?• Imagen parcial (ventana) 3: ¿Está presente la etiqueta? ¿Está adherida

en el lugar previsto para ello?

Esta solución también es apropiada para equipos de producción de alto rendimiento, ya que permite alcanzar frecuencias de control de hasta 60 ciclos por minuto.

111

Generación ycontrol de ciclos

Procesamientode las señalesPreparaciónde la información

Datosde la imagen

12

3

4

5

6

7

13 x 13 micras

3

Fig. 8-6

Funcionamiento

de la detección CCD

1 Objeto por detectar

2 Objetivo

3 Chip CCD

4 Cámara

5 Fuente de luz

6 Campo visual

7 Pixel

Otro ejemplo se refiere al control del perfil de botellas de plástico. Al fabricareste tipo de botellas, puede suceder que en el cuello de la botella haya restosde rebabas, lo que es un resultado inaceptable. Manualmente sólo pueden realizarse pruebas aleatorias, porque las botellas pasan a una velocidad de 0,3 m/s, con lo que tendrían que examinarse dos botellas cada segundo si quisiera hacerse un control completo, cosa que ningún operario sería capaz de hacer de modo fiable. En esos casos puede utilizarse un sistema de proce-samiento de imágenes, que sí es capaz de hacer un control al cien por cien.Para ello, la botella tiene que pasar entre una cámara y una superficie luminosade tal manera que se ilumine a trasluz. De este modo se recibe una imagen contrastada del perfil de la botella. En la fig. 8-8 se muestra el esquema de este sistema.


Número de piezas

Ventana 2

Ventana 3

Ventana 1

tion plus

Fig. 8-7

Control de frascos

en la industria farmacéutica

Fig. 8-8

Control de perfiles mediante

un sistema de procesamiento

de imágenes

a) Esquema

del sistema completo

b) Perfil de pieza correcta

c) Perfil de pieza defectuosa

1 Campo iluminado

2 Objeto a controlar


4 Barrera de luz

con disparador

5 Cámara

6 Chorro de aire

para expulsión de piezas

7 Perfil de control utilizado

por el ordenador

a)

b)

c)

1

2

3

45

6

7

Ordenadorprocesadorde imágines

SPS

Válvulaneumática


Es suficiente recurrir únicamente al área de interés AOI (del inglés area of inte-rest). Las piezas defectuosas se expulsan inmediatamente detrás de la cámara.Una barrera de luz con disparador emite la señal necesaria para que algunasmilésimas de segundo después se haga la toma de la imagen. El control lógicoprogramable acumula, además, datos del proceso, tales como cantidad de pie-zas controladas o porcentaje de errores; las estadísticas correspondientes apa-recen en pantalla. Al cambiar el tipo de pieza, el sistema puede “aprender” aejecutar la nueva tarea memorizando el estado correcto de las nuevas piezas.

También al soldar con arco voltaico es necesario solucionar complicadas tareasde detección. Las más importantes son las siguientes: localización de la uniónpor soldar, detección del principio de la costura, control de la operación desoldar como tal y detección del final de la unión. Para ello es posible utilizardiversos tipos de detectores, pudiéndose controlar tanto el proceso como lageometría.

El sistema de detección de la costura de soldadura que se muestra en la fig. 8-9es un ejemplo entre muchos otros sistemas de funcionamiento óptico. Unacámara controla ininterrumpidamente el proceso de soldadura y el recorrido de la línea de unión. Ello implica el control de la distancia entre el soplete y launión, el desfase lateral entre el electrodo y el centro de la unión y, además, lascaracterísticas geométricas del cordón de soldadura. Estos datos sirven paraconseguir las informaciones necesarias para controlar el sistema, por ejemplo,para definir la velocidad de avance del arco en el centro de la unión. Asimismo,es posible tener en cuenta las tolerancias de las piezas y la dilatación ocasiona-da por el calor. La alta intensidad de luz se reduce mediante una abertura y unfiltro de interferencias consigue reducir el espectro.

113

1

2

3

45

45°

Fig. 8-9

Detector de costuras

de soldadura

1 Soplete

2 Cámara matricial CCD

3 Filtro

4 Óptica

5 Cristal protector

Los detectores de soldadura tienen que ser sumamente resistentes. Por un ladotienen que estar lo más cerca posible de la costura y, por otro, tienen que sopor-tar las difíciles condiciones que imperan en esa zona. Si el detector se encuentrademasiado adelantado (por razones de montaje), es difícil detectar correctamentela línea de unión porque es posible que el campo activo del detector no coincidacon la trayectoria debida de la costura (por ejemplo, si ésta transcurre en ángulo).

La calidad del cordón de soldadura por arco voltaico depende principalmente dela intensidad de la corriente, de la velocidad del avance de la varilla soldadora, dela tensión del arco, de la velocidad de la operación de soldadura y, fundamental-mente, del correcto posicionamiento de la pistola y del arco en función de launión entre las dos piezas a soldar. Lo que el operario corrige al soldar confiandoen sus sentidos, tiene que realizarse de modo automático al utilizar un sistemarobotizado. En ese caso, los sensores sustituyen los sentidos del ser humano.

La detección sin medios óptico-electrónicos se lleva a cabo con equipos queofrecen, como mínimo, informaciones bidimensionales. Estos equipos son lossiguientes:• Matrices de detección, capaces de detectar electromecánicamente contornos

o estructuras de superficies mediante contacto (detector de punta), láminassensibles a la presión, sondas Hall en disposición de campo, etc.

• Detección de escenas completas mediante ultrasonidos migratorios o conjuntos de convertidores de ultrasonidos. Con ellos es posible obtener unaimagen de puntos de luz (pixel). En la fig. 8-10 puede apreciarse un ejemplosimplificado. Este tipo de detectores tiende a tener una resolución cada vezmayor.

• Detección de escenas completas con detectores de microondas. Estos detec-tores también ofrecen una imagen completa del entorno, con lo que se uti-lizan, por ejemplo, en robots móviles o en vehículos que funcionan sin con-ductor. En este caso, es indispensable detectar posibles obstáculos para evi-tar colisiones.


SeñalImpulso

1

2

z

x

y

8.2 Captación de imágenesmediante sistemas no ópticos

Fig. 8-10

Detector de ultrasonidos

1 Objeto

2 Emisor/Receptor

de ultrasonidos

9 Redes de sensores

En máquinas, equipos y procesos se utiliza una cantidad cada vez mayor de sensores. Utilizando sistemas de cableado convencional para conectarlos a lasunidades de control se obtendría una maraña de cables. Por ello es necesariodisponer de una técnica de transmisión de señales para conectar de modo mássencillo los sensores, los actuadores y las unidades de control. Un sistema deesa índole tiene que ser fiable, universal y abierto. Los sensores únicamente soneficientes si, en cierto sentido, son “inteligentes” y están conectados a sistemasde bus. Para ello es necesario que ellos mismos sean compatibles con sistemasde bus.

En principio puede diferenciarse entre dos tipos de sensores según su función:sensores que ofrecen valores de medición y detectores binarios. Ambos tiposconvierten magnitudes físicas en señales eléctricas, aunque su optimización selleva a cabo de acuerdo con criterios diferentes. Según su ejecución, los detecto-res pueden conectarse de las siguientes maneras:

Técnica bifilar

En este caso, el detector se conecta en serie, al igual que un conmutador mecánico. En consecuencia, el detector sólo tiene dos líneas de conexión. Éstasse conectan en serie (ver fig. 9-1a) con la carga y pueden tener el contacto cerra-do o abierto en reposo. En la fig. 9-1a se muestra un contacto abierto en reposo.No es necesario disponer de una fuente energética adicional, ya que la energíaauxiliar, necesaria para el amplificador del convertidor, se deriva de la corrienteprincipal. La técnica bifilar sólo puede utilizarse en detectores inductivos y capa-citivos, mientras que no es apropiada en el caso de detectores que consumenmás corriente.

Técnica trifilar

En el caso de un sistema trifilar, se utilizan dos líneas para la alimentación de la tensión y la tercera se utiliza para la salida de señales (fig. 9-1b). La carga “L”puede estar conectada a masa (salida PNP) o al polo positivo (salida NPN).

Técnica tetrafilar

Los detectores con técnica tetrafilar (conectores de cuatro contactos, cable tetrafilar) por lo general tienen una función conmutadora antivalente, es decirque tienen un contacto cerrado y otro abierto en reposo (conmutador). En la fig. 9-1c se muestra el esquema correspondiente. Dos de las líneas se utilizanpara la alimentación de corriente y dos para conectar tensión al transmisor. De esta manera, el cableado es relativamente complicado. También es posibleutilizar el cuarto hilo para la programación de la función de abrir o cerrar.

115

9

Redes de sensores

9.1 Técnica de conexión de sensores

Técnica pentafilar

Esta técnica incluye por lo general una separación galvánica entre el circuito de tensión de control y la tensión de alimentación (salida por relé).

Analizando el esquema de conexiones desde la perspectiva de la medición de la resistencia con un detector Pt 100, la técnica bifilar indicaría una temperaturademasiado elevada, ya que se suman la resistencia medida y la resistencia delas líneas de alimentación. Ello significa que en esos casos es necesario corregirel error. Mediante la técnica tetrafilar pueden realizarse las conexiones de talmodo que se elimina completamente la influencia que en el detector tienen laslíneas de alimentación.

Conectando detectores también es posible realizar funciones lógicas sin quepara ello sea necesario, por ejemplo, un PLC (control lógico programable), siendo válido lo siguiente:

Conexión en serie Conexión en paralelo

según fig. 9-1e según fig. 9-1d

Abierto en reposo AND OR

Cerrado en reposo NOR NAND

Los detectores NAMUR fueron desarrollados para el uso en zonas con peligro de explosión (DIN 19234). Se trata de un detector bifilar polarizado. Al activarse,cambia el flujo de la corriente en el circuito. La señal analógica se transformamediante un comparador en una señal digital de ON/OFF. Estos detectores responden (margen dentro del que cambia el estado de conmutación) con 1,2 y2,1 mA. En la fig. 9-2 se muestra una unidad de procesamiento de señales provenientes de detectores NAMUR y una línea característica de recorrido en función de la corriente de un detector inductivo.

9 Redes de sensores116

1

L

+

–

U

a) b) c)

d) e)

+24 V DC

0 V

UL

+24 V

0 V

L

+24 V

0 V

+24 V DC

U

0 V

U

U

L

Fig. 9-1

Conexión de detectores

de proximidad

a) Contacto abierto

en reposo, conmutación

positiva

b) Contacto PNP,

abierto en reposo

c) Contacto PNP, abierto

o cerrado en reposo

d) Conexión en paralelo

en técnica bifilar

e) Conexión en serie

en técnica bifilar

1 Detector sensible

a la aproximación

L Carga

DC Corriente continua

(símbolo según DIN 40900)

9 Redes de sensores

Los detectores NAMUR utilizados en zonas con peligro de explosión tienen que disponer de seccionadores y circuitos oficialmente previstos para dichaszonas.

En la fig. 9-3 pueden apreciarse las conexiones de un contacto Reed. En estecaso suelen utilizarse diodos luminosos para indicar el estado de conmutación.Los diodos luminosos y la resistencia asumen juntos adicionalmente la funciónde circuito de protección para cargas inductivas.

117

I en

mA

s en mm

ON

OFF DetectorNAMUR

Zona con peligrode explosión

Zona sin peligro

+8,2 V DC

0 V

1

2

R = 1 KOhm

2,1 mA

1,2 mA1

2

3

a) b)

Fig. 9-2

Ejemplo de conexión NAMUR

(siglas en alemán por Grupo

de Normalización de Técnicas

de Medición y Regulación

de la Industria Química

“Normenarbeitsgemeinschaft

Mess-und Regeltechnik der

chemischen Industrie”)

a) Recorrido de la señal

de un detector NAMUR

b) Conexión del comparador

1 Objeto

2 Conmutador bifilar

de corriente continua

Fig. 9-3

Esquema de un contacto

Reed con diodos luminosos

L Resistencia de carga

R Resistencia de protección

L1 Diodo luminoso

L2 Diodo luminoso

BK Negro

BN Marrón

BU Azul

BN (1)

BK (4)

BU (3)

LR

L1

L2

+24 V DC

0 V

Desde principios de la década de los años noventa se utilizan cada vez más los sistemas de bus de campo para conectar los sensores a una red. Estas redesofrecen ventajas económicas en comparación con las técnicas convencionales.Un bus es una línea de transmisión de datos a la que pueden conectarse dos omás unidades que pueden comunicarse entre sí. Además, estas redes están orga-nizadas técnicamente de tal modo que no se confunden la emisión y la recepciónde datos u órdenes. En el caso de una interface de actuador y detector (productodel trabajo de desarrollo de varias empresas), por ejemplo, es suficiente tenderun cable bifilar estándar que con su estructura ramificada lleva hacia los detecto-res y actuadores. Los datos y la energía se transmiten a través de las dos líneas.Estos sistemas se utilizan principalmente para activar detectores que ejecutanuna simple función de conmutación, tal como sucede en el caso de los detectoresde proximidad. También es posible establecer una conexión con sistemas de busde nivel superior. La utilización de sensores conectados en red con la ayuda deun bus de campo tiene su origen en la industria petroquímica.

En dicha industria, el cableado individual de sensores repartidos en todas lasinstalaciones había adquirido dimensiones inaceptables. La solución fue el busde campo. Entretanto, la tecnología de bus se ha impuesto también en la técnicade fabricación. Exceptuando los aparatos sencillos de medición manual, lamayoría de los sistemas de medición utilizados en las fábricas están conectadosde algún modo a un ordenador o a un sistema de control. En la fig. 9-4 se muestran diversas técnicas de conexión.


Detectoranalógico

Convertidor A/Ddigital

Ordenador

Detectordigital

Ordenador

Detector 1

Detector 2digital

Ordenador

Detector n

Detector 1digital

Detector 2digital

Ordenador

Detector ndigital

Cajade interface

digital

digital

digital

Bus-Interface

Bus-Interface

Bus-Interface

a)

d)

c)

b)

9.2 Sistemas de bus

Fig. 9-4

Técnicas de conexión entre

sensores y ordenadores

a) Interface analógica/digital

b) Interface

de señales digitales

c) Caja de interface

d) Bus de campo

9 Redes de sensores

En el caso más sencillo, la señal analógica se filtra electrónicamente, se amplifi-ca y se transmite de modo digital. Las señales digitales son menos sensiblesfrente a posibles interferencias. Las cajas de interface pueden administrar para-lelamente, por ejemplo, 128 canales. Esta solución es apropiada si hay queconectar muchos sensores. Si los puntos de medición están muy distantes entresí y si el coeficiente de emisión de datos es bajo, pueden utilizarse sistemas debus de campo en serie.

Los sistemas de bus de campo son importantes para la comunicación en siste-mas automáticos de todos los sectores industriales. Los buses de campo trans-portan las informaciones digitales (por ejemplo, datos relacionados con presión,corriente a masa, temperatura, posiciones, señales de conmutación, etc.)necesarias para intervenir concretamente en un proceso o para que el procesocomo tal sea más transparente para el usuario.

Los sensores modernos pueden procesar parte de las señales, con lo queadquieren cierto grado de “inteligencia”. Además, son compatibles con losbuses de campo. También es posible efectuar ampliaciones posteriores. En la fig. 9-5 se muestra una estructura de esta índole. En ella también se aprecian algunas ventajas que no pueden ofrecer los sistemas de conexionesconvencionales, tales como el ajuste y la parametrización de sensores adistancia, la detección de funciones deficientes y la localización de fallos.

119

Nivel de diseñode proyectosy desarrollo

Nivel de direccióny control

Nivel de busa distancia

Nivel decontrol

Nivel de busde campo(Gateway, PLC)

Nivelde actuadoresy detectoresconectadosa bus de campo

Fig. 9-5

Red descentralizada mediante

interface actuador-detector

El intento de ofrecer “grandes sistemas de bus” para satisfacer la mayor cantidad de exigencias posible redunda en “soluciones intermedias” que no llegan a satisfacer del todo determinadas exigencias específicas. Entre ellas cabe recalcar las siguientes: bajo costo de conexión, salvaguarda delos parámetros al cambiar sensores defectuosos, elevada cuota de transmisiónde datos, transmisión de datos en zonas con peligro de explosión, puesta enfuncionamiento sencilla, utilización de cables bifilares sin apantallamiento yconexión sencilla a las redes. La técnica de los buses de campo está en plenaevolución, por lo que cabe esperar la aparición de soluciones sumamente inte-resantes.


Glosario

Glosario 121

Absorción

Atenuación (reducción de la potencia) de radiación al pasar por un medio.

Adaptador

Unidad de adaptación utilizado en sistemas de medición eléctricos. Equivalentea amplificador, convertidor y procesador de resultados de medición, montadoentre el sensor y la unidad de salida de resultados de la medición.

ASIC

Siglas en inglés por “application specific integrated circuit” (circuito integrado confeccionado para aplicaciones específicas.

Autocorrelación

Interpretación matemática del grado de coincidencia entre dos mediciones de señales, utilizada para distinguir entre las partes periódicas y estocásticas de una señal de medición.

Calibrable

Recuperación del estándar primario de un aparato de medición.

Calibrar

Control de detectores o aparatos de medición para comprobar la indicación correcta de magnitudes definidas oficialmente, recurriendo a patrones.Aplicación de las marcas de calibración correspondientes. Determinación de la relación existente entre la indicación (magnitud de salida) de un sensor (o de un equipo de medición completo) y el valor definido de la magnitud(magnitud de entrada).

Comparador

Módulo utilizado en aparatos de medición y sistemas de control para comparartensiones eléctricas y señales en caso de coincidencia.

Comprobación de la identidad

Comprobación de la igualdad completa de objetos, incluyendo la lectura deotras informaciones, tales como recuento o datos relacionados con la calidad.

Conmutación con luz

En el caso de detectores optoelectrónicos, la propiedad de quedar activa la salida de conmutación si el detector recibe luz. El amplificador acopladodetrás del detector está abierto y el relé de salida excitado. Si el detector norecibe luz, el relé se desconecta. Caso contrario: conmutación con oscuridad.

Conmutación con oscuridad

En el caso de detectores optoelectrónicos, la propiedad de quedar activa la salida de conmutación si el detector no recibe luz. El amplificador acopladodetrás del detector está abierto y el relé de salida excitado. Si el detector recibeluz, el relé se desconecta. Caso contrario: conmutación con luz.

Glosario122

Consumo interno

Consumo de corriente de un sensor en reposo.

Corte mediante haz de luz plano

Método para la detección óptica de objetos en el que se iluminan los objetos a través de un intersticio de luz. Los puntos de intersección del plano de luz y del objeto permiten obtener informaciones sobre la forma del objeto.

Detector de líneas

Detector que no actúa en un solo punto. Contiene detectores elementales dispuestos en líneas (por ejemplo, cámara CCD).

Detectores para cilindros

Detector sin contacto, montado en un cilindro para indicar la posición del émbolo. El accionamiento es magnético mediante un imán anular incorporado en el émbolo.

Detector planimétrico

Detector que no actúa en solo un punto, sino que dispone de detectores elementales distribuidos en una superficie (por ejemplo, cámara CCD).

Detector V. 24

Detector con señal de salida disponible en una interface serie V.24/RS232C.

Difuso

Refracción o difracción irregular de una radiación en varias direcciones.

Distancia de conmutación

Distancia entre el objeto y el detector, a partir de la que se produce la conmutación.

Drift

Modificación de la señal medida en la salida del detector en función del tiempo,manteniéndose constante la magnitud de entrada.

Efecto de Wiegand

Cambio repentino de la polarización magnética de un cable cristalino de aleaciones de FeCoV, sometido a un tratamiento previo especial.

Efecto Doppler

Cambio de frecuencia de una onda que se produce si el observador (detector) y la fuente de las ondas (objeto que se mueve) ejecutan movimientos relativosentre sí.

Glosario

Efecto galvanométrico

Efecto físico que se manifiesta en un conductor eléctrico al fluir corriente mientras se encuentra en un campo magnético homogéneo.

Efecto Gauß

Si el campo magnético de un conductor o semiconductor en forma de placaactúa en ángulo recto sobre un flujo, éste se desvía. Este fenómeno puedemedirse a través del aumento de la resistencia eléctrica.

Ejecución NPN

Componente transistorizado que contiene en la salida un transistor NPN y que conecta la carga oponiéndola a la alimentación negativa.

Ejecución PNP

Componente transistorizado que contiene en la salida un transistor PNP(transistor bipolar con zonas pnp) y que conecta la carga oponiéndola a la alimentación positiva.

Emisión

Térmico genérico que se refiere a la producción de partículas u ondas electromagnéticas (por ejemplo, luz, calor, radiación).

Exclusión de fondo

En detectores optoelectrónicos de proximidad, la supresión de cualquier fuenteque se encuentre fuera de la zona de detección activa.

Extinción

Atenuación de una radiación (por ejemplo, en barreras de luz) provocada por la atmósfera.

Fail-safe

Principio de fallo limitado que no provoca consecuencias secundarias graves.Ejemplo: emisión de señal “cero” si falla un detector (por ejemplo, por rotura de un cable).

Fibra de gradiente

Fibra óptica, cuyo índice de refracción disminuye de modo constante (según una función cuadrática) desde el centro hacia la periferia.

Fuerza de Coriolis

Fuerza que experimenta un cuerpo que se encuentra en un sistema rotativo yque lo acelera en sentido radial (hacia el interior) o tangencial (hacia el exterior).

Fuerza de Lorentz

Efecto galvanométrico en conductores y semiconductores. Fuerza aplicada mediante campo magnético.

123

Grado de emisión

Relación entre la intensidad de la radiación térmica y la radiación máxima posible de un cuerpo (negro) de igual temperatura.

Histéresis

Diferencia máxima entre valores de salida (por ejemplo, entre puntos de conexión y desconexión) si los valores de medición comprendidos dentro de un margen determinado primero aumentan y posteriormente disminuyen.

Impedancia

Resistencia aparente (impedancia propia) de la corriente alterna, expresada como cociente de tensión y corriente.

Índice de refracción

En óptica, magnitud que expresa el cambio de sentido que experimenta un rayo de luz al pasar de un medio determinado a otro.

Inteligencia de máquina

Capacidad que tiene una máquina de adaptar sus acciones a las condicionescambiantes en su entorno.

Luz alterna

Luz con cambio periódico de la potencia de radiación (frecuencia, impulsos).

Luz constante

Luz de radiación constante en función del tiempo, por lo general un diodo luminoso o una bombilla conectada a una fuente de corriente continua.

Método de compensación

Método fundamental de la técnica de medición, aplicado para determinar el valor de la magnitud de medición de tal modo que su efecto se registra por un detector de señal cero, obteniéndose un ajuste a cero mediante un efectocontrario.

Modulación

Modificación de una (alta) frecuencia portadora en función de otra frecuencia(baja). En el caso de tensiones pulsantes es posible modular la amplitud, la fase y la duración del impulso.

Odometría

Método para determinar la posición (por ejemplo de un robot móvil) medianteprocesamiento constante de los datos correspondientes a la medición de reco-rridos. Se miden la rotación de las ruedas motrices y el sentido del movimiento.Desventaja: los errores de posición se suman en el transcurso de la medición.

Glosario124

Glosario

Offset

Denominación para la magnitud de la señal de salida existente sin presencia de un valor medido.

Ondulación residual

Parte de corriente alterna superpuesta a una tensión de funcionamiento de corriente continua.

Optoelectrónica

Denominación de la técnica de conjunción de elementos ópticos y electrónicospara aprovechar las influencias recíprocas de radiación óptica y procesos electrónicos (por ejemplo, con el fin de recibir informaciones).

Polos inconfundibles

Protección en un detector para evitar confundir las conexiones de alimentaciónde tensión.

Redundancia

Presencia de dispositivos técnicos adicionales que no son indispensables para ejecutar una función determinada. La redundancia ofrece mayor seguridadcontra fallos totales.

Reflector triple

Medio auxiliar óptico para la retrorreflexión mediante reflexión múltiple en las superficies interiores de un cuerpo piramidal transparente.

Reflexión

Cambio de dirección que experimentan los cuerpos, partículas ondas o rayoscuando chocan con un cuerpo o con una superficie reflectora. La reflexión especular es la reflexión controlada en determinado sentido.

Reflexión total

Fenómeno de refracción óptica. Al pasar de un medio más denso a otro menosdenso, se produce un desvío del rayo en función de la normal. Si el ángulo deincidencia supera un determinado límite, la reflexión es total, lo que significaque la luz no penetra en el segundo medio.

Remisión

Reflexión difusa de radiación al chocar con superficies opacas, no reflectantes.

Reserva funcional

En el caso de detectores optoelectrónicos, magnitud correspondiente a la radiación excedente detectada por el receptor de luz.

125

Resolución

En el caso de aparatos de medición con indicación del resultado, el cambio mínimo de la magnitud medida aún detectable por dichos aparatos.

Retrorreflexión

Reflexión de radiación hacia la fuente, es decir reflexión en sí misma (mientras que la luz incida aproximadamente de modo vertical).

Seguridad propia

Clase de protección en aparatos eléctricos para evitar que sean capaces de generar temperaturas o chispas suficientes para provocar el encendido de mezclas explosivas, incluso en caso de cortocircuitos.

Señal dead-zero

Propiedad de las señales que atribuye a la zona de señales el valor cero, a diferencia de “live-zero”.

Señal Live-Zero

Propiedad de las señales que no atribuye a la zona de señales el valor cero.Ejemplo: a la magnitud medida de 0 °C se le atribuye una señal de 4 mA. De esta manera es posible distinguir de modo sencillo entre un fallo (por ejemplo, corte de energía) y el valor cero.

Señal normalizada

Señal de medición con definición normalizada de los valores máximo y mínimo.

Sensibilidad transversal

Propiedad de un sensor de reaccionar ante fenómenos secundarios que no sedesean captar mediante la medición. Esta sensibilidad es fuente de errores.Equivalente al término “sensible a interferencias”.

Sensor o Detector

Elemento utilizado en sistemas técnicos controlados para captar magnitudes de medición y que, por lo general, se encarga de convertirlas.

Sub-Pixeling

En el procesamiento de imágenes, método utilizado para conseguir una mayorresolución de los pixel (por ejemplo, 1 pixel en campos de 10x10, cada uno deltamaño de 0,1 pixel). Permite realizar mediciones más precisas.

Termistor

Resistencia dependiente de la temperatura y con curva característica no lineal,ya que al aumentar la temperatura baja la resistencia. Por ello, los termistoresse utilizan para detectar cambios de temperatura.

Glosario126

Glosario

Transmisión

Paso de radiación a través de un medio. La radiación puede controlarse (transmisión difusa).

Transmisión multiplex

Transmisión de varias señales desfasadas en el tiempo (mediante un conmutador de señales) utilizando la misma línea eléctrica.

Transpondedor

Unidad para la transmisión de datos. Palabra compuesta de los términos transmisor y respondedor. El transponder está compuesto por un chip y unaantena. El chip memoriza, modifica, amplía o cancela los datos. El intercambiode datos con el aparato lector se efectúa sin contacto a través de campos electromagnéticos.

TTL

Siglas en ingles por “Transistor-Transistor-Logic”. Técnica para la conexión de una serie de circuitos integrados estándar.

127

Datos bibliográficos 128

Datos bibliográficos

Adam, W. (ed.): Sensoren für die Produktionstechnik, editorial Springer, Berlín/Heidelberg 1997

Baumann, E.: Sensortechnik für Kraft und Drehmoment, editorial Technik, Berlín 1983

Fetzer, H.; Hippenmeyer, H.: Optoelektrische Sensoren, editorial moderne Industrie, Landsberg 1988

Hesse, S.: Lexikon Sensoren in Fertigung und Betrieb, editorial expert, Renningen 1996

Juckenack, D.: Handbuch der Sensortechnik, editorial moderne Industrie, Landsberg 1989

Kleger, R.: Sensorik für Praktiker, editorial AZ y editorial VDE-Verlag, Aarau und Berlín 1998

Profos, P.; Domeisen, H.: Lexikon und Wörterbuch der industriellen Messtechnik,editorial Oldenbourg, Munich, Viena 1993

Rascher, M.; Klemmt, H.: Lichtschranken - Anwendungen in der industriellen Automation, editorial Hüthig, Heidelberg 1987

Schiesle, E.: Sensortechnik und Messwertaufnahme, editorial Vogel Buchverlag, Würzburg 1992

Schnell, G. (ed.): Sensoren in der Automatisierungstechnik, editorial Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden 1993

Schoppnies, E. (ed.): Lexikon der Sensortechnik, editorial VDE, Berlín 1992

Schrüfer, E. (ed.): Lexikon der Mess- und Automatisierungstechnik, editorial VDI, Dusseldorf 1992

Tränkler, H.-R.; Obermeier, E.: Sensortechnik, editorial Springer, Berlín, Heidelberg 1998

Weisshaupt, B.; Gubler, G.: Identifikations- und Kommunikationssysteme, editorial moderne Industrie, Landsberg 1992

Índice de conceptos 129

A Anemómetro térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Automatización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

B Barrera de horquilla magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Barrera de luz con reflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Barrera de luz de horquilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Barrera de luz en marco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Barrera de luz sin reflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Barrera de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Barrera de luz de compensación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Barrera de luz de haces múltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Barrera de luz de reflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Blanking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Bumper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

C Calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Calibre de barras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Caudalímetro de ultrasonidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Caudalímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Cinta extensométrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Código de barras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65, 108, 109Comparador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Conductor de fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Conmutación con oscuridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121Contacto Reed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Control de la altura de piezas apiladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Control de la posición de sujeción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Control de perfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112Control neumático del posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Control óptico de la orientación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Controlar etiquetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Convertidor neumático-eléctrico (NE). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Cortina fotoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Criterios de selección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Cuerpos deformables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

D De cintas que se alimentan a una máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Detección de piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107Detector capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Detector con efecto Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Detector cromático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Detector de costuras de soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113Detector de distancias de tres haces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Detector de impactos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Detector de proximidad magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Detector de reflexión directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Detector de tobera de reflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Índice de conceptos

Detector de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Detector de triangulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Detector de ultrasonidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Detector del bucle de compensación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Detector delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Detector diferencial inductivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Detector incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Detector neumático de tope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Detector optoelectrónico de nivel de llenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Detector para cilindro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Detector PLCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103Detector puntual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Detector transformador de variación lineal diferencial LVDT . . . . . . . . . 104Detector de aceleración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Detector de campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Detector de fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Detector de llenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Detector de precisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Detector de presión binarios (todo-nada) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Detector de presión dinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22, 24Detector de recorrido magnetoestrictivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Detector de ultrasonidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Detector inductivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Detector NAMUR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Detector neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Detector óptico de superficies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111Diagrama de la fuerza en función del tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Disco codificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Distancia de conmutación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

E Efecto AMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Efecto de Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Eje sometido a fuerzas transversales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Ejecución NPN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Ejecución PNP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Elemento de detección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Elemento PSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Eliminación del fondo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Escáner láser con rueda poligonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Ecáner óptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Estrechamiento normalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

F Filtro polarizante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Flexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Fotocélula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Fotodiodo de cuadrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Fotodiodo de cuatro cuadrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Índice de conceptos130


Fotodiodo de efecto lateral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Fotones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Fuentes de radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Funciones lógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

H Herramientas de máquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

I Identificación de herramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Impulso de recuento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Interface de actuador y detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

L Lámina de PVDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Lámina polímera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Lector de código de barras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109Listones de contactos de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

M Magnetoestricción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Medición de ángulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Medición de la fuerza aplicada en una cuerda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Medición de la presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Medición de la presión diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Medición de revoluciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Medición del momento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Medición del nivel de llenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Medición del tiempo de la transmisión del eco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Medidor de caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Medidor de caudal mediante remolinos (principio de vórtice) . . . . . . . . . 95Medidores de volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Medir el grosor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Membrana de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Método de cable incandescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Método de compensación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Método de desviación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Método de medición del tiempo de propagación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Método de silueta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Método de tres zonas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Método electrocalórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Método FMCW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Método por corte de luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Microondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Muting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

O Optoelectrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98Oscilador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

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P Piezodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Pirómetro de resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Placa de flexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Plataforma de pesaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Posistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Potenciómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Presión absoluta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Presión diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Presión normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Presostato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Prevención de accidentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Prevención de colisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Principio de funcionamiento de un sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Puente de medición de Wheatstone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Puente de Wheatstone completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

R Radar de impulsos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Receptores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Receptores de magnetorresistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Regulación del avance de cintas de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Regulación óptico-analógica de los cantos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Rejillas o cortinas fotoeléctricas para la prevención de accidentes . . . . . 61Robot paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102Rodillos de transporte por acumulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Rueda de álabes axial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Rueda oval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

S Sensor con cinta extensométrica para medir momentos . . . . . . . . . . . . . 70Sensor de cuarzo para medir fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Sensor de microflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Sensor de película gruesa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86Sensor de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Sensor de temperatura Pt 100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Sensor de ultrasonidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Sensor elemental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Sensor inductivo para medir fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Sensores binarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Sensor de célula fotorresistiva controlada por campo magnético . . . . . . 39Sensor de cobertura semicircular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Sensor de imágenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107Sensor de posición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Sensor de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Sensor de radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Sensor de rayos láser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Sensor GMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Sistema de detección de la costura de soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113Sistema de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Índice de conceptos132


Sistema de transporte por acumulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Sistema de bus de campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118Sistema de medición de distancias absolutas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Sistema de sensores múltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Sobrepresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Sonda de radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

T Técnica bifilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Técnica pentafilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Técnica trifilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Técnicas de conexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118Termistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Termistor NTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Termistores PTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Termoelemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Termometría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Termometría de contacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Tobera Venturi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Tobera-placa deflectora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Transpondedores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30TTL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Z Zona de conmutación primaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Zona de conmutación secundaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

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