4 Sensores optoelectrónicos 4.1 Elementos fotoeléctricos
5 Sensores de campo magnético
5.1.3 Propiedades magnéticas utilizadas en sensores Ejercicio
¿Qué propiedades presenta un „conductor de impulsos“?
El „conductor de impulsos“ es una aleación de cobalto , acero y vanadio. Presenta dos zonas magnéticas diferentes: un núcleo y una envoltura. El núcleo está formado por una material ferromagnético blando (histéresis reducida) y la envoltura de un material ferromagnético duro (histéresis mayor). Su diámetro comprende aproximádamente 0.3mm.
¿Cómo reaccionan las zonas de un „conductor de impulsos“ ante el cambio de dirección del campo magnético externo?
Cada zona reacciona de manera diferente ante los cambios de dirección del campo magnético. La dirección de imantación del núcleo magnético blando varía más rápido que la de la envoltura magnética dura.
¿Cúando aparece un impulso eléctrico en la bobina de un „conductor de impulsos“?
Cuando el campo magnético genera un cambio en la dirección de imanta- ción del núcleo sin cambiar la dirección de imantación de la envoltura, se produce un pequeño impulso eléctrico (10 – 20 µs) en la bobina. La amplitud del impulso es casi independiente de la velocidad de cambio de dirección del campo magnético.
¿Qué ventajas presentan los sensores de campo magnético?
Los sensores magnéticos se emplean a menudo en la industria de la automatización ya que estos tienen una zona de acción muy amplia y sus carcasas herméticas de reducido tamaño pueden tener diferentes formas. Las formas básicas de los sensores magnéticos no requieren de un suministro de corriente, pudiendo ser conectados directamente a una unidad de control. Estos también pueden controlar de manera independiente la operación de máquinas. Una ventaja adicional de los sensores magnéticos es el amplio rango de tensiones y corrientes de conexión (más de 1000 V y algunos A).
¿Qué objetos pueden ser detectados por los sensores magnéticos? Los sensores magnéticos responden a un campo magnético que se genera normalmente por imanes permanentes adheridos y fluye desde y hacia los objetos a detectar .
Los objetos pueden ser de diferentes materiales, aunque se prefieren los objetos no ferromagnéticos que aseguran una zona de acción mayor. ¿A qué objetos responde un campo magnético?
Un elemento situado en el campo magnético que reacciona ante este puede ser un contacto eléctrico hermético (contacto reed), un elemento semiconductor (sensor Hall), una resistencia magnética o un material con propiedades magnéticas especiales.
¿Puede un objeto que se encuentra en una tubería de plástico ser de- tectado por sensores magnéticos?
Si. Los campos magnéticos atraviesan la mayoría de los materiales no magnéticos incluso cuando un diamagnético se encuentra entre el objeto y el sensor (por ejemplo una tubería de plástico o un recipiente de plástico).
¿Cómo funciona un sensor de campo magnético con contacto Reed? La operación de este tipo de sensores se basa en la función de un contacto reed, que reacciona ante los imanes que se aproximan a él. Cuando las láminas del contacto reed se encuentran en un campo ma- gnético generado por un imán, sus campos magnéticos propios serán inducidos. Si la fuerza de atracción experimentada por las láminas es mayor que su fuerza elástica, el estado del contacto reed cambia y el circuito se cierra conectando una resistencia
5.2 Tipos de sensores magnéticos
¿Qué estado presentan los contactos de un contacto Reed cuando este no se encuentra en un campo magnético?
Cuando el contacto reed no se encuentra en ningún campo magnético, sus contactos (independientemente de su tipo) pueden permanecer cerrados (señal NC) o separados(señal NO).
¿De qué depende el alcance máximo de un sensor magnético?
La intensidad del campo magnético depende de las características del material y de las dimensiones del imán. Esta determina el alcance má- ximo del sensor Smax .
¿Qué formas puede presentar la carcasa de sensores magnéticos con contacto Reed y que determinan estas?
La carcasa de sensores de campo magnético con un contacto reed pue- den presentar diferentes formas (cilíndrica, cúbica o muy compleja), lo que depende de las condiciones de instalación. La forma de un sensor determina donde puede moverse un imán.
Para algunos sensores el imán debe moverse sólo enfrente de la su- perficie frontal del sensor. En el caso de otros sensores el imán puede moverse también respecto a otras superficies laterales.
¿Cuántos conductores presentan los sensores con un contacto Reed? Los sensores con un contacto reed presentan tres conductores o sola- mente dos cuando estos no cuentan con un diodo señalizador luminoso. ¿Cómo funcionan los sensores Hall?
Los sensores Hall necesitan un suministro de corriente continua. Cuando un imán se encuentra fuera de la zona de acción del sensor, la corriente fluye sin dificultad alguna a través de la lámina semiconductora, siendo nula la diferencia de potencial entre los extremos de las láminas. Cu- ando un imán se encuentra en la zona de acción del sensor, su campo eléctrico genera la tensión de Hall en los extremos de las láminas. Esta tensión controla la salida del transistor del sensor.
¿Reaccionan los sensores Hall solamente ante una polarización deter- minada del campo magnético?
Los sensores Hall pueden ser omnipolar (reaccionan ante cualquier polarización del campo magnético), unipolar (reaccionan ante una po- larización determinada del campo magnético) o bipolar (son activados por un polo y desactivados por el otro).
¿Cómo funcionan los sensores Wiegand?
El funcionamiento de los sensores Wiegand se basa en el registro de los cambios en la dirección de imantación (polarización) del núcleo de un conductor de impulsos. Cuando la dirección del campo magnético cambia la polarización del núcleo puede también variar.
¿Cómo son detectados los imanes móviles por un sensor Wiegand? El conductor de impulsos es expuesto primero a un campo magnético con polarización N/S y a continuación es expuesto al campo de un imán de polaridad inversa S/N. Debido a este cambio del campo magnético, se genera un impulso eléctrico
en la bobina que rodea el conductor de impulsos. El impulso pasa a ser directamente o tras cierto procesamiento la señal de salida.
¿Cómo son detectados los „conductores de impulsos“ móviles por un sensor Wiegand?
En este caso el conductor de impulsos es desplazado primero por un campo magnético con polarización N/S y a continuación por el campo de un imán de polaridad inversa S/N para modificar la dirección de imanta- ción del núcleo. En este proceso los imanes y la bobina se encuentran en el sensor, siendo el conductor de impulsos el elemento móvil. ¿Qué tipo de corriente de alimentación requieren los sensores Wiegand? Los sensores Wiegand no requieren corriente de alimentación.
¿Qué partes comprende el sensor magnético más simple?
El sensor magnético más simple está compuesto por una bobina enrol- lada en torno a un imán permanente.
¿Qué clase de objetos pueden ser detectados por un sensor con imán? Estos sensores no detectan objetos fijos debido a que la tensión de salida depende de la velocidad del objeto. Cuanto más lento se mueve un objeto, menor es la tensión de salida. Cuando el objeto no se mueve, la tensión es de 0 V.
¿Necesita un sensor con imán una fuente de corriente de alimentación? Estos sensores no requieren de una corriente de alimentación. Un objeto ferromagnético que se mueve en la zona próxima al sensor, cambia el campo magnético que fluye a través de la bobina y genera una tensión.
5.3 Sensores magnéticos especiales
5.4 Montaje y aplicaciones
Ejercicio 6 ¿Qué condiciones deben cumplirse para la instalación de un sensor magnético en un elemento compuesto por un material ferromagnético? En el caso de que un sensor magnético deba ser instalado en un ele- mento compuesto por un material ferromagnético, la distancia entre la superficie frontales y la superficie del elemento debe ser tan grande como sea posible. Además una capa adicional aislante de un dieléctrico debe ser colocada entre el sensor y el elemento.
¿Qué sucede si aparece un objeto compuesto por material no ferroma- gnético entre el sensor y el imán?
Cuando un objeto no ferromagnético aparece entre el sensor y el imán, la función del sensor no se verá perturbada. Cuando un objeto ferro- magnético aparece entre el sensor y el imán, la función del sensor se verá perturbada y la señal de salida puede ser modificada de manera involuntaria.
¿Cuándo se utilizan los sensores de campo magnético? Los sensores magnéticos se utilizan para:
- detectar objetos que se encuentran en una tubería o recipiente de plástico
- detectar objetos que se encuentran en un medio agresivo y están pro- tegidos por capas protectoras
- detectar objetos bajo elevadas temperaturas (un elemento ferromagnético puede ser situado próximo al objeto)
Mecatrónica
Módulo 6: Sistemas y funciones
de la mecatrónica
Solución
(Concepto)
Jerzy Jędrzejewski
Wojciech Kwaśny
Zbigniew Rodziewicz
Andrzej Błażejewski
Universidad Técnica de Wroclaw,
Polonia
Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la
calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la
producción industrial globalizada
Proyecto EU Nr. 2005-146319 „MINOS“, Plazo: 2005 hasta 2007
Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS**“,
Plazo: 2008 hasta 2010
El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación
(comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida.
1.1
Construcción básica
1
Sensores inductivos
Tarea 1 ¿Qué constituye la parte activa de un sensor inductivo?
La parte activa de un sensor inductivo es una espiral bobinada en el núcleo de la copa ferrita y genera un campo magnético variable. El propó- sito del núcleo de la taza con un circuito magnético abierto es ampliar el campo magnético de la bobina e indicar hacia la zona de medición del sensor.
¿Cómo evalúa un sensor inductivo la distancia del objeto detectado hasta la espiral?
El circuito eléctrico del sensor determina la distancia desde un objeto hasta el sensor basado sobre la amplitud del índice de humedad y genera una señal de salida. Es casi una señal de dos estados: el objeto dentro del tramo del sensor o fuera del tramo del sensor. La señal puede ser analógica. En ese caso, la proporción es inversa a la de la distancia del objeto al sensor.
¿Qué es histéresis?
La histéresis es una diferencia en la distancia a la cual un sensor responde cuando un objeto metálico se aproxima y recrea su rostro. El estado del sensor cambia, entonces, del APAGADO al ENCENDIDO o viceversa. El valor de la histéresis depende sobre el tipo y el tamaño del sensor y es normalmente más pequeño que el 20% de la medición del ámbito. ¿Por qué es recomendado que el sensor inductivo tenga una cierta cantidad de histéresis?
A parte de la sección de detección, el sistema electrónico del sensor está compuesto de un comparador con histéresis y un sistema de salida. Como resultado de histéresis, los eventos de interferencia que podían aparecer en la salida del sensor son eludidos. Es más probable que la interferencia aparezca en el momento de encendido, en los casos de posición inestable o vibración del objeto detectado, fluctuaciones del suministro de voltaje y/o temperatura ambiente.
¿Qué son las frecuencias de operación de un sensor inductivo?
Los generadores LC que generan un campo magnético variable en sen- sores inductivos son generadores AF (alta frecuencia) con el típico ámbito de 100 KHz a 1 MHz. Con el incremento del diámetro de la bobina, la frecuencia máxima del sensor disminuye.
y prismáticas (plástico). Esto hace posible la instalación óptima de un sensor en su lugar de operación.
¿Cómo se define el ritmo del ámbito de operación del sensor?
La zona de operación Sn de un sensor es definida como la distancia desde su caja hasta un objeto en el que el circuito de salida es sujeto a encender. Este valor está dado en el catálogo de datos.
¿Para qué objeto es dado el ámbito de operación de un sensor en el catálogo?
El rango de operación de un sensor es determinado de acuerdo al estándar EN 60947-5-2 de la lámina de acero (St37) de un mm de grosor y con lados iguales al diámetro del sensor.
¿Cuál es el actual rango de operación del sensor?
La actual zona de operación Sr es determinada en el curso de la fabri- cación de un sensor y puede ser diferenciarse de Sn. Normalmente se queda en el rango 0,9Sn ≤ Sr ≤1,1 Sn.
¿Cuál el rango de trabajo de un sensor?
El rango de trabajo define una segura distancia desde un objeto metáli- co hasta el sensor asegurando una irrespectiva operación impecable del ámbito de operación actual asegurado por el fabricante. El ámbito recomendado para trabajar es Sa ≤ 0,8 Sn.
¿Qué factores influencian el rango operacional de un sensor inductivo? El rango operacional de un sensor inductivo depende del diámetro de caja, más específicamente, sobre las propiedades del diámetro de la bobina y del núcleo ferromagnético. Los sensores con cajas pequeñas tienen un rango operacional más pequeño que aquellos con cajas gran- des. También hay ejecuciones especiales de sensores con un elevado rango operacional.
¿Cuál es la conducta de los factores correccionales si se miden con un sensor inductivo?
Materiales como el oro, el cobre o el aluminio, los cuales ofrecen una mayor conductividad de electricidad que el acero St37 aíslan la oscilación de un circuito de resonancia a menos grados. Disminuyendo la distancia entre el objeto y el sensor estas diferencias serán compensadas. Esto causará una cierta reducción de la zona, en la cual es posible detectar el objeto. Por consiguiente, si el metal detectado es latón, el ámbito operacional Sn determinado para un objeto hecho de acero St37 deberá ser modificado multiplicándolo usando un coeficiente correccional para
¿Qué influencia tiene el diseño de un sensor su sensibilidad? Hay dos formas básicas de sensores con carcasas cilíndricas: - Protegidos: la bobina está insertada en una carátula y
- No protegidos: la bobina sobresale de la carátula y está situada en una tapa de plástico. El sensor no protegido muestra mayor sensibilidad para otros objetos metálicos en su alrededor que los protegidos.
¿Qué requerimientos deben ser encontrados al instalar sensores prote- gidos cerca los unos de los otros?
Un sensor de cilindro protegido no es sensible a los objetos metálicos de parada alrededor. Por consiguiente, estos sensores deben ser instalados completamente con elementos metálicos. La zona libre de la carcasa del sensor está colocada a una distancia de 3Sn. Para evitar una interferen- cia mutua de dos sensores situados cerca el uno del otro, la distancia mínima entre ellos deberá ser mayor que dos diámetros de un sensor. ¿Qué requerimientos se necesitan cuando se instalan sensores no pro- tegidos cerca los unos de los otros?
Un sensor de cilindro no protegido es sensible a elementos metálicos rodeándolo por tres lados. El sensor, debe, por lo tanto, sobresalir de tal manera que la zona libre incluya también la superficie. Para evitar interferencias en este caso, la distancia entre los sensores debe ser mayor a 3xD.
¿Cuál es el significado de la frecuencia máxima de cambio de la salida del sensor?
La frecuencia máxima de cambio dada en las especificaciones técnicas de cada sensor provee información en la frecuencia máxima de cambio del sensor cada segundo. Está determinado cuando un objeto hecho de acero St37 entre de forma cíclica y sale de la zona de operación del sensor. Cuando se determina esta frecuencia, son válidos los requeri- mientos dados en el estándar EN 50 010/IEC 60947-5-2.
¿Qué máximos de la frecuencia de cambio deben ser esperados usando diferentes objetos a la placa estándar?
El resultado de la medición dependerá siempre sobre el tamaño del objeto que humedece la bobina, la distancia desde la carátula y la velo- cidad del objeto. Usando un objeto más pequeño que la placa estándar para un sensor ya dado o usando un espacio más pequeño entre las protrusiones, una reducción en la frecuencia máxima de cambio de la salida puede ser esperada.
Tarea 2 ¿Cuál es la regla de operación de un sensor de anillo inductivo?
La regla de operación subyacente de un sensor de anillo inductivo está basada en un oscilador de alta frecuencia que genera un área magnética dentro del agujero del sensor. El núcleo de polvo toroidal con un valor de factor de calidad mayor que aquel de núcleos de ferrita es usado en estos sensores. La presencia de un objeto metálico activa el sensor causando una reducción en la amplitud de oscilaciones. Esto es reconocido por un comparador y después de que un valor umbral haya sido excedido, el estado de salida es conmutado.
¿Hay limitaciones con respecto al tamaño de los objetos detectados por un sensor de anillo inductivo?
Para provocar un sensor, se necesita un determinado nivel de humedad en el área magnética. Si los elementos son demasiado pequeños, el nivel de humedad quizás sea insuficiente. Por consiguiente, para cada tamaño de sensor hay una longitud mínima o diámetro de los objetos detectados que garantizan la operación adecuada del sensor.
¿Hay limitaciones con respecto a la forma de trayectoria en el que el objeto detectado viaje dentro del sensor de anillo inductivo?
Una ventaja del sensor de anillo es que los objetos detectados no ne- cesitan moverse en la misma trayectoria. La superficie del sensor con forma de anillo hace posible detectar objetos independientemente de su orientación espacial, por ejemplo esos sujetos de la fuerza de gravedad en un tubo de plástico.
¿Cuáles pueden ser los impactos negativos de una fuerte área magnética en un sensor inductivo?
La instalación de un sensor inductivo en una zona de fuertes áreas ma- gnéticas (por ejemplo en las inmediaciones de material de soldadura) es asociada con un peligro de un incontrolable cambio del estado de salida. Esto puede pasar debido a una saturación en el núcleo o debido a la inducción de un voltaje adicional en la bobina. Este voltaje adicio- nal interfiere con la operación de la oscilación y puede causar cambios accidentales de la salida del sensor.
¿Cómo es posible proteger el sensor inductivo contra impactos negativos de fuertes campos magnéticos?
Los sensores resistentes a fuertes campos magnéticos deberían ser proporcionados con diseños especiales de circuitos electrónicos y un núcleo con pequeña permeabilidad magnética que se satura en el fluido magnético varias veces más densamente, es el caso del típico núcleo
Especificar tipos de sensores ejemplares diseñados para operar en condiciones difíciles.
Estos serían sensores resistentes a alta presión, temperatura, entorno químicamente agresivo, aceite, humedad y sensores en miniatura para operar en sitios de difícil acceso.
¿Qué rasgo debe tener un sensor inductivo para operar bajo condiciones de alta presión?
Los sensores que operan bajo condiciones de alta presión deben estar provistos de una robusta y ajustada carcasa para prevenir cualquier tipo de daño en los componentes electrónicos internos. El núcleo y la bobina de un sensor deben ser protegidos con un disco duro por ejemplo un disco de cerámica resistente. También se necesitan algunas modificaciones en