Sensores en la Industria de la Manufactura

Por Ing. José Luis Salinas
Vice Presidente Electo, Distrito 9, América Latina
Delegado ISA Sección Central México,
jose.salinas@isamex.org

RESUMEN

Desde hace ya muchas décadas, se han desarrollado instrumentos de detección para la industria de la manufactura, hoy en día los requerimientos de velocidad de detección, tamaño, particularidades especiales hacen necesario el desarrollo de nuevas soluciones a una industria que crece día a día. La reducción en tamaño y costos, crean nuevos retos y oportunidades para desarrollar productos innovadores que cumplan con el creciente requerimiento industrial. Los desarrollos de la electrónica hacen posible tener soluciones para todo tipo de requerimientos, como pudieran ser, altas velocidades de detección, que resistan altas temperaturas, que puedan detectar colores, que sean inmunes a campos magnéticos, etc., son algunos de los requerimientos a cubrir.

PALABRAS CLAVES: Sensor, sensor de proximidad, sensores inductivos, ópticos, ultrasónicos, cara sensora, rango de sensado.

INTRODUCCIÓN

Hoy en día no se concibe la automatización sin el uso de sensores, éstos fueron desarrollados en la década de los 50’s. De estos podemos encontrar de diferentes funciones y tipos, todo en relación de la aplicación y principio físico de operación. Como todo inicio, se comienza por las definiciones, para lo cual podemos encontrar las siguientes:

  1. Sensor de Medición: Instrumento para “sensar” o detectar el estado del proceso/posición, el cual convierte una variable física en una señal eléctrica
  2. Sensor de Proximidad: Instrumento para detectar objetos a distancia, sin contacto físico

De estas dos definiciones se parte, el primero es un instrumento que está en contacto con el proceso y como resultado entrega como función de salida, una señal que nos indica que el proceso está dentro de los parámetros establecidos o no.

SENSOR DE MEDICIÓN

Como ejemplo de este tipo de instrumentos, están los sensores de Flujo y Presión, por mencionar solo dos, estos en aplicaciones de la Industria de la Manufactura, son ampliamente usados en el monitoreo y control del aire, para acciones de manipulación y control.

No solo el hecho de controlar el suministro de aire es importante, ya que el “ahorro de energía” juega un papel de suma importancia, el cual se logra monitoreando estos dos parámetros. El cuidar el consumo de aire en una máquina tanto en “gasto” como en presión, nos lleva al uso eficiente de la energía y por tanto ahorro económico.

SENSOR DE PROXIMIDAD

Para el caso de los sensores de proximidad, estos se pueden encontrar por su principio de operación en los tipos más comúnmente usados:

  1. Sensores Inductivos; para detectar objetos metálicos
  2. Sensores Magnéticos; para detectar campos magnéticos (imanes)
  3. Sensores Ópticos; para detectar cualquier objeto que pueda reflejar u obstruir el paso de un haz de luz
  4. Ultrasónicos; para detectar cualquier objeto que sea capaz de reflejar el sonido y
  5. Capacitivos; los cuales detectan cualquier objeto, sea sólido o líquido

Los cinco tipos de sensores, tienen el mismo diagrama funcional a bloques, ver Figura 1.

Figura 1. Diagrama funcional a bloques del sensor de proximidad

CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN

Existen diferentes criterios para la selección de un sensor; sin embargo se recomienda usar la descripción de cada uno de los sensores por su principio de operación (detección), para su correcta selección, esto es, con un sensor tipo óptico se puede detectar un objeto metálico, sin embargo por definición de operación, los sensores inductivos fueron desarrollados para detectar objetos metálicos, por lo que se recomienda el uso de este tipo de sensores cuando se trata de detectar objetos metálicos.

Adicional a esto, se debe considerar lo siguiente como características de operación/uso para la correcta selección del sensor.

Los sensores ópticos son susceptible a interferencias como:

  1. el lente está sucio.
  2. el objeto a detectar es translucido/trasparente.
  3. el objeto a detectar es claro u oscuro.
  4. el objeto a detectar es opaco o brillante.
  5. se generan nubes de polvo o vapor en el medio.
  6. existe alguna interferencia por otro generador de haces luminosos.
  7. el ángulo de reflexión de la luz es muy grande.

Los sensores ultrasónicos son susceptible a interferencias como:

  1. la antena o receptor están sucios u obstruidos
  2. el objeto a detectar absorbe el sonido (efecto esponja).
  3. existe presión en el medio que evite generar el sonido.
  4. existen nubes de polvo o vapor.
  5. el ángulo de reflexión del sonido es muy grande.
  6. se genera espuma.

Los sensores capacitivos son susceptible a interferencias como:

  1. humedad en el ambiente.
  2. el objeto a detectar tiene una constante dieléctrica muy alta.
  3. no se calibra bien el sensor.
  4. existen problemas de interferencia tierra física.

SENSORES INDUCTIVOS

Para el caso de los sensores inductivos, ver Figura 2, este tipo de sensor, es el que soporta las condiciones del proceso más agresivas y extremas, pueden estar cubiertos de cualquier material excepto metal y continúan su operación, esto es, el sensor puede estar cubierto de aceite, lodo, polvo, espuma, estar sujeto a presión, puede operar sumergido en agua, no depende su operación si el objeto es claro u oscuro, si es opaco o brillante y continua su operación, la única condición es que no tenga enfrente de su cara “sensora” un objeto metálico adicional al que se pretende detectar para que no se “dispare”.

De aquí podemos hacer la primera conclusión, los sensores inductivos son los instrumentos con mejor inmunidad al medio ambiente. Operan en las condiciones más adversas del medio, inclusive en algunos casos con la debida protección mecánica soportan ambientes corrosivos.

Figura 2. Sensores Inductivos

Los sensores inductivos al igual que cualquier otro sensor, cuentan con un rango de detección (sensado) definido, para los sensores inductivos, el rango de sensado va en función directa a su tamaño, mientras mayor sea el tamaño (cara sensora-bobina interna) mayor será su rango de detección.

Sin embargo en el caso de los sensores inductivos los rangos de detección no son muy grandes, comprados con otros tipos de sensores, como los ultrasónicos u ópticos, donde se pueden alcanzar como rangos algunas decenas de metros como máximo rango. Para el caso de los inductivos los rangos van desde 0.7 mm hasta 100 mm como máximo.

En principio los sensores inductivos fueron creados para detectar objetos metálicos “ferroso”, esta característica hace necesario la incorporación de concepto “factor de reducción”, este es por definición, la disminución del rango de sensado por efectos del tipo de metal a detectar, mientras menos ferroso sea el objeto, el factor de reducción será mayor, como podemos ver esto:

Sa = Sn x fr

donde:

Sa = rango de sensado final “actual”
Sn = rango de sensado nominal
fr = factor de reducción

Como ejemplos de factor de reducción más representativos podemos encontrar, ver Figura 3.

Figura 3. Factor de reducción para sensor inductivo

TIPO DE SEÑAL DE SALIDA

Ahora, una vez definida la aplicación, lo que continua es determinar el tipo de señal de salida que vamos a usar, esto depende de hacia dónde vamos a llevar esta, por lo general este tipo de señales se envía a los sistemas de control (tradicionalmente PLC’s), aunque estas pueden enviarse directamente a Relevadores o Señales Luminosas, de aquí la importancia de determinar la salida, esto es, no es lo mismo enviar la salida a un PLC que consume su canal en promedio 7 mA que a un relevador que puede consumir su bobina 10 o 20 Watts.

No solo es importante observar la energía de salida del sensor (voltaje y corriente) sino también el tipo de conexión y esto va en función de la siguiente relación por tipo de señal, ver Figura 4.

Figura 4. Relación por tipo de señal

Las diferencias básicas son:

  • Señales de 2 hilos, no cuentan con alimentación externa y se conectan en serie con la carga, ya sea de Alterna o Directa, invariablemente deben llevar una carga, en caso contrario la probabilidad de daño se da por un hecho. El tipo de salida puede ser Normal Abierto (NO o NA) o Normal Cerrado (NC).
  • Señales de 3 hilos, 2 hilos para alimentación externa y 1 hilo para la señal de salida, la alimentación se considera de 24 VDC, aunque el rango tolerable de alimentación varía desde unos 13 V hasta 60 V en promedio, esto datos varían según el tipo y fabricante de sensor. En este caso la señal de salida puede ser del tipo Source (PNP) o Sink (NPN), esto es, cuando el sensor detecta en el caso del PNP la señal que proporciona como salida es “activa”, esto es, entrega 24 VDC, en el caso del NPN la señal que entrega es “pasiva”, esto es, entrega el COMUN de 24 VDC (ó 0 VDC). En este caso no es necesario tener una carga conectada a la salida, con los LED’s indicadores que trae el sensor se determina la operación del mismo. El tipo de salida Normal Abierta o Cerrada, lo determina el modelo del sensor, solo una salida e la vez.
  • Señales de 4 hilos, en este caso el sensor cuenta con la misma funcionalidad de un sensor de 3 hilos, solo que aquí cuenta con una señal de salida adicional, en este caso el sensor puede ser PNP o NPN y las salidas son, una Normal Abierta y una Normal Cerrada (se conoce en el mercado como Antivalente), Figura 5.
Figura 5. Señales de 4 hilos

FACTORES DE OPERACIÓN

Se deben considerar algunos factores en cuanto a la parte eléctrica para concluir una buena aplicación, estos son:

  1. Voltaje de operación: Voltaje requerido para la operación del sensor.
  2. Corriente de operación: Corriente consumida por el sensor para su operación.
  3. Corriente en estado OFF: Corriente que fluye a través de la carga cuando el sensor de proximidad está en estado OFF.
  4. Corriente sin carga: Corriente consumida por el sensor.
  5. Corriente de corto tiempo: La corriente que puede fluir en un tiempo corto en estado ON, sin dañar al sensor (pico de corriente).
  6. Voltaje de Drop ó caída de Voltaje: Caída de voltaje del sensor, en estado ON.

CARACTERÍSTICAS GENERALES

Los sensores estándar disponibles en el mercado, cubre aproximadamente el 80% de las aplicaciones convencionales en el sector de la Manufactura, las características generales que podemos encontrar son:

  • Inductivos: con factor de reducción 1 para todos los metales, inmunes a campos magnéticos para aplicaciones en áreas de soldadura, con cuerpo de “poliamida” para aplicaciones en la industria del alimento y bebida, con cuerpo 100% de Acero Inoxidable para la industria de alimentos y bebidas, así como para la industria Metal-Mecánica. Con protección IP 68 y sensores de rango incrementado, con salidas PNP, NPN y Antivalentes. Para aplicaciones especiales se pueden encontrar sensores inductivos con Salida Analógica ya sea en Voltaje o Corriente, ver Figura 6.
Figura 6. Sensores Inductivos
  • Ópticos: del tipo Difuso (detección directa), Reflex y Barrera, con salidas PNP o NPN y en la versión Antivalente también, se cuentan con sensores de Luz Polarizada para detección de objetos transparentes, del tipo Auto-Colimación para cuando se requiere alta precisión y que no tenga banda muerta el sensor óptico, así mismo se cuenta con sensores de “supresión de fondo”, de color para detectar hasta 3 colores diferentes con salidas independientes, detectores de marcas. Así mismo se cuenta con Amplificadores para Fibras Ópticas, en sus versiones Difusas y Barrera. La versión tipo horquilla o barrera fija está usándose en forma más frecuente. Las versiones de sensores ópticos con salida analógica para medición de distancias está disponible, en este caso, las distancias no son muy grandes, ver Figura 7.
Figura 7. Sensores Ópticos
  • Magnéticos: para la detección de imanes permanentes, un uso es la detección de la posición de los Cilindros o pistones, ver Figura 8.
Figura 8. Sensores Magnéticos
  • Ultrasónicos: en este caso se utiliza la reflexión del sonido generado por el sensor, se pueden encontrar del tipo barrera (juego de emisor-receptor) o del tipo detección directa, ver Figura 9.
Figura 9. Sensores ultrasónicos

SENSORES PARA MONITOREO DE AIRE

Para el caso de aplicaciones de control y monitoreo de aire, punto de suma importancia en la industria de la manufactura, por el tema de ahorro de energía, se disponen en el mercado sensores para detección y medición de:

  • Flujo: con salida tipo transistor PNP o NPN y analógica (en voltaje o corriente), ara rangos de flujo que van desde 0.005 l/min hasta 5,000 l/min, en las versiones unidireccionales o bidireccionales. Para indicación de flujo en display o ciegos, se cuenta con una versión de display remoto, configurables de fácil comprensión. Versiones con Display bicolor y giratorio. Para monitoreo y control del consumo de Aire o Flujo Instantáneo.
  • Presión: con rangos que van desde -1 a 0 bars hasta 100 bars, con salida tipo PNP o NPN y en algunos casos combinaciones de estas con salidas del tipo Analógico, ya sea en Voltaje o Corriente. Para monitoreo y control de Aire Comprimido o Nitrógeno. Se cuenta con un sensor de presión para todos los fluidos, con un rango de hasta 100 bars. De fácil configuración, en versiones ciegas o con display, este puede ser en un caso del tipo multicolor.

CONCLUSIONES

El desarrollo de los instrumentos de detección para la industria de la manufactura ha demandado requerimientos de velocidad de detección, tamaño, particularidades especiales que hacen necesario el desarrollo de nuevas soluciones a una industria que crece día a día. La reducción en tamaño y costos, han creado nuevos retos y oportunidades para desarrollar productos innovadores que cumplan con el creciente requerimiento industrial. Los desarrollos de la electrónica hacen posible tener soluciones para todo tipo de requerimientos, como pudieran ser, altas velocidades de detección, que resistan altas temperaturas, que puedan detectar colores, que sean inmunes a campos magnéticos, etc., siendo ciertos requerimientos a cubrir.

REFERENCIAS

[1] Guía de Sensores Sense, sensors & instruments
[2] Catalogo de Sensores Festo, 2009
[3] Catalogo de Sensores TURCK
[4] Internet – Imágenes varias

ACERCA DEL AUTOR

Ing. José Luis Salinas, Con más de 29 de años de experiencia en el área de Ingeniería, Servicio y Ventas, atendiendo a Pemex, CFE e iniciativa Privada, en el área de Instrumentación y Control, enfocado a la Seguridad Intrínseca, Fieldbus Foundation y comunicación Wireless para la automatización de procesos industriales. Acreditado por UL University en “Hazardous Locations” y Certificado por Lee College como Certified Foundation Fieldbus Specialist. Es miembro del comité mexicano revisor de estándares IEC, Instructor oficial y Delegado de ISA Sección Central México, así como Vice President Elect ISA Disctric 9 (America Latina) Cuenta con experiencia en las Áreas de Desarrollo de Ingeniería, Comisionamiento, Puesta en Servicio, Capacitación, Instrucción, Ventas y Marketing.

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