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Sensores capacitivos e inductivos.
Alumnos: E. Culasso, F. Aguilar y N. Luchini.
Módulo: Introducción a control.
Profesores: Oscar Vegetti.
Año: 2015
Principio de funcionamiento:
Capacitivos:
Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una
placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático que
reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto.
Cuando el objeto se encuentra fuera del campo electrostático, el oscilador permanece
inactivo, pero cuando el objeto se aproxima, se desarrolla un acoplamiento capacitivo
entre éste y la sonda capacitiva. Cuando la capacitancia alcanza un límite especificado, el
oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de encendido y apagado. Los sensores
capacitivos funcionan de manera opuesta a los inductivos, a medida que el objetivo se
acerca al sensor capacitivo las oscilaciones aumentan hasta llegar a un nivel limite lo que
activa el circuito disparador que a su vez cambia el estado del switch.
Inductivos:
Un detector inductivo consta esencialmente de un oscilador cuyo bobinado constituye la
cara sensible. Frente a ésta se crea un campo magnético alterno. Cuando se coloca una
pantalla metálica en ese campo, las corrientes inducidas generan una carga adicional que
provoca la parada de las oscilaciones.
Después de la configuración según el modelo, se libera una señal de salida
correspondiente a un contacto de cierra NA, de apertura NC (2 hilos) o complementaria
NA+NC(3 hilos).
La función principal de este circuito es generar una señal senoidal, aunque también
funciona como un filtro de alta selectividad.
Cuando un objeto metálico entra al campo, las corrientes de Foucault circulan dentro de la
placa y estas generan a la vez un campo magnético opuesto al generado por el oscilador.
La disminución del campo magnético tiene el efecto de reducir la inductancia de la bobina,
cambiando levemente la frecuencia de las oscilaciones.
Clasificación, tipos y subtipos.
Modelos comunes de sensores inductivos.
Los sensores inductivos pueden dividirse según su construcción:
Blindaje:
Los sensores de proximidad contienen bobinas que se enrollan en núcleos de ferrita.
Estos pueden ser blindados o no blindados.
Los sensores no blindados usualmente tienen una mayor distancia de sensado que los
sensores blindados.
Los detectores empotrables en el metal (dibujo izquierdo) disponen de un blindaje que
evita la extensión lateral del campo. Su alcance nominal es inferior al de los detectores sin
blindaje, no empotrables en el metal (dibujo derecho).
- Sensores inductivos blindados:
El núcleo de ferrita concentra el campo de radiación en la dirección de uso. Un aro de
metal es puesto alrededor del núcleo para restringir la radiación lateral del campo. Los
sensores blindados pueden ser montados al ras en una superficie metálica, pero se
recomienda un espacio libre de metales por encima y alrededor de la superficie de
sensado.
-
Sensores inductivos no blindados:
Los sensores de proximidad no blindados no tienen un aro de metal alrededor del núcleo
de ferrita que restrinja la radiación lateral del campo. Los sensores no blindados no
pueden ser montados al ras en superficie de sensado.
También pueden dividirse según su alimentación:
-
Sensores inductivos de corriente alterna:
-Sensores Inductivos de corriente continúa:
Que a su vez se dividen según sus hilos o líneas (2 hilos, 3 hilos, 4 hilos).
Los modelos de sensores de CC son típicamente de 3 líneas o 4 líneas, aunque también
están disponibles muchos modelos de 2 líneas. Los modelos de CC utilizan transistores
NPN o transistores PNP para conmutar la señal de salida.
Rangos y alcances:
Inductivos:
Muchas veces estos sensores varían su alcance según su diámetro y el material a
sensar.
Los alcances van entre 1mm y 10mm para los sensores inductivos.
La distancia de operación nominal es un valor teórico que no toma en cuenta muchos
factores como tolerancias de fabricación, temperatura de operación y voltaje de
alimentación. En muchas aplicaciones el sensor puede reconocer un objeto que está fuera
de la distancia de sensado. En otras aplicaciones el sensor no podría no reconocer el
objeto hasta que esté más cerca de la distancia de sensado.
Diámetro del sensor
Alcance nominal
8 mm
1 mm
12 mm
2 mm
18 mm
5 mm
30 mm
10 mm
Cuando el material a ser sensado es diferente al hierro dulce, se deben aplicar los
siguientes factores de corrección.
Capacitivos:
Los sensores capacitivos dependiendo del diámetro del sensor, puede alcanzar hasta los
60mm.
Tensiones y corrientes de entrada y salida.
Corrientes y tensiones de entrada y salida
Retardo a la
Corriente de fuga
Tensión residual disponibilidad
La tensión
residual (Ud)
La corriente de
corresponde a la Tiempo necesario
fuga (lr)
tensión en las
para garantizar la
corresponde a la
bornas del
utilización de la
corriente que
detector en
señal de salida de
atraviesa al
estado pasante. un detector en el
detector en estado Este valor es
momento de su
bloqueado.
medido para la
puesta en tensión.
Característica
corriente nominal
propia de los
del detector.
Depende de la
detectores, tipo 2
Característica
velocidad del sensor.
hilos.
propia de los
Oscila entre ≤0,5 ms
Ej.: ≤ 0,8mA / 24V detectores, tipo 2 y 30 ms.
o ≤ 1,5 mA / 120V hilos.
Oscila entre ≤2V
y ≤7V.
Corrientes y tensiones de entrada y salida
Señal de salida
De cierre NA
De apertura NC
Complementaria
NA+ NC
Corresponde a un
Corresponde a un
Corresponde a un
detector cuya salida
detector cuya salida detector que posee 2
(transistor o tiristor)
(transistor o tiristor) salidas
pasa a ser pasante en pasa al estado
complementarias,
presencia de una
bloqueado en
una pasante y la otra
pantalla.
presencia de una
bloqueada en
pantalla.
presencia de una
pantalla.
Grados de protección IP:
Indica mediante el código IP los grados de protección proporcionados por el envolvente
del material eléctrico contra el acceso a partes peligrosas y contra la penetración de
cuerpos sólidos extraños o agua.
El código IP está formado por 2 cifras características (ejemplo: IP 55) y puede ser
ampliado por de una letra adicional cuando la protección real de las personas contra el
acceso a las partes peligrosas sea superior a la indicada por la primer cifra (ejemplo: IP
20C).
Toda cifra característica no especificada es sustituida por una X (ejemplo: IP XXB).
1ª cifra característica.
Protección del material
contra la penetración de
cuerpos sólidos extraños.
0
1
2
3
4
(No protegido)
De diámetro ≥ 50mm
De diámetro ≥ 12,5mm
De diámetro ≥ 2,5mm
De diámetro ≥ 1,0mm
Protegido contra el
5
polvo
6 Estanco al polvo
Protección de las
personas contra el
acceso a las partes
peligrosas con
(No protegido)
Dorso de la mano
Dedo
Herramienta r=2,5mm
Hilo r=1mm
Hilo r=1mm
Hilo r=1mm
2ª cifra característica
Letra adicional
Protección del material contra la
penetración de agua con efectos
nocivos
0
1
2
3
4
(No protegido)
Gotas de agua verticales
Gotas de agua (15º de inclinación)
Lluvia
Proyección de agua
5
6
7
8
Proyección con lanza de agua
Proyección potente con lanza
Inmersión temporal
Inmersión prolongada
A
B
C
D
Protección de las
personas contras el
acceso a las partes
peligrosas
Dorso de la mano
Dedo
Herramienta r=2,5mm
Hilo r=1mm
Aplicaciones:
Capacitivos:
Estos sensores se emplean para la identificación de objetos, para funciones contadoras y
para toda clase de control de nivel de carga de materiales sólidos o líquidos. También son
utilizados para muchos dispositivos con pantalla táctil, como teléfonos móviles o
computadoras ya que el sensor percibe la pequeña diferencia de potencial entre
membranas de los dedos eléctricamente polarizados de una persona adulta.
Detección de nivel:
En esta aplicación, cuando un objeto (líquidos, granulados, metales, aislantes, etc.)
penetra en el campo eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico,
variando consecuentemente el valor de capacidad.
Sensor de humedad:
El principio de funcionamiento de esta aplicación es similar a la anterior. En esta ocasión
el dieléctrico, por ejemplo el aire, cambia su permisividad con respecto a la humedad del
ambiente.
Detección de posición:
Esta aplicación es básicamente un condensador variable, en el cual una de las placas es
móvil, pudiendo de esta manera tener mayor o menor superficie efectiva entre las dos
placas, variando también el valor de la capacidad, y también puede ser usado en
industrias químicas. Uno de los usos más comunes es para sensores de aparcamiento en
automóviles.
Inductivos:
Detección y conteo de engranajes en movimiento
Calculo de velocidad.
Discriminación de objetos, ya que sensan solo metales.
Detección de la forma de los objetos.
Conexionado:
Los sensores capacitivos e inductivos se conectan de la misma manera, dependiendo si
son NPN o PNP:
Sensores de 2 hilos:
Sensores de 3 hilos:
Sensores de 4 hilos:
Sensores de 5 hilos:
Los sensores de 5 hilos tienen en su estructura interna algo similar a un relay. Por esa
razon la conexión de la carga dependera completamente del circuito a utilizar.