Módulo 2: Sensores Inductivos

CERTIFICACIÓN IO-LINK

01

Qué es un sensor Inductivo?

“La manera que tenemos de describir la Naturaleza es generalmente incomprensible para nosotros.”

—Richard P. Feynman, “QED. The Strange Theory of Light and Matter”

Debido a que un sensor es un convertidor de efectos generalmente no eléctricos en señales eléctricas, se requieren uno y, a menudo, varios pasos de transformación antes de que se pueda generar la señal de salida eléctrica.

Estos pasos involucran cambios de los tipos de energía, donde el paso final debe producir una señal eléctrica de un formato deseable.

Principios de Operación Un sensor de proximidad inductivo consta de cuatro elementos básicos: • • • •

Bobina del sensor y núcleo de ferrita Circuito oscilador Circuito detector Circuito de salida de estado sólido

CÓMO FUNCIONA UN SENSOR INDUCTIVO.

EL CIRCUITO DEL OSCILADOR GENERA UN CAMPO ELECTROMAGNÉTICO DE RADIOFRECUENCIA QUE SE IRRADIA DESDE EL NÚCLEO DE FERRITA Y EL CONJUNTO DE LA BOBINA. EL CAMPO SE CENTRA ALREDEDOR DEL EJE DEL NÚCLEO DE FERRITA, QUE DA FORMA AL CAMPO Y LO DIRIGE HACIA LA CARA DEL SENSOR.

CUANDO UN OBJETIVO DE METAL SE ACERCA Y ENTRA EN EL CAMPO, SE INDUCEN CORRIENTES DE FOUCAULT EN LAS SUPERFICIES DEL OBJETIVO. ESTO DA COMO RESULTADO UN EFECTO DE CARGA, O "AMORTIGUACIÓN", QUE PROVOCA UNA REDUCCIÓN EN LA AMPLITUD DE LA SEÑAL DEL OSCILADOR.

EL CIRCUITO DETECTOR DETECTA EL CAMBIO EN LA AMPLITUD DEL OSCILADOR. EL CIRCUITO DEL DETECTOR SE ENCENDERÁ A UNA AMPLITUD DE OPERACIÓN ESPECÍFICA. ESTA SEÑAL DE ENCENDIDO GENERA UNA SEÑAL PARA ENCENDER LA SALIDA DE ESTADO SÓLIDO. ESTO A MENUDO SE CONOCE COMO LA CONDICIÓN AMORTIGUADA. A MEDIDA QUE EL OBJETIVO ABANDONA EL CAMPO DE DETECCIÓN, EL OSCILADOR RESPONDE CON UN AUMENTO DE AMPLITUD. A MEDIDA QUE LA AMPLITUD AUMENTA POR ENCIMA DE UN VALOR ESPECÍFICO, EL CIRCUITO DETECTOR LO DETECTA Y SE APAGA, LO QUE HACE QUE LA SEÑAL DE SALIDA REGRESE AL ESTADO NORMAL O APAGADO (SIN AMORTIGUACIÓN).

LA DIFERENCIA ENTRE LA OPERACIÓN Y LA AMPLITUD DE LIBERACIÓN EN EL OSCILADOR Y EL DETECTOR CORRESPONDIENTE CIRCUITO SE CONOCE COMO LA HISTÉRESIS (H) DEL SENSOR. CORRESPONDE A UNA DIFERENCIA EN EL PUNTO DE DETECCIÓN DEL OBJETIVO Y LA DISTANCIA DE LIBERACIÓN ENTRE LA CARA DEL SENSOR Y LA SUPERFICIE DEL OBJETIVO.

02

Características de los sensores inductivos

EXISTEN DIVERSAS CARACTERÍSTICAS EN LOS SENSORES INDUCTIVOS QUE DEBEMOS TENER EN CUENTA PARA SU SELECCIÓN. RANGO DE DETECCIÓN DE PROXIMIDAD INDUCTIVA

El rango de detección de un sensor de proximidad inductivo se refiere a la distancia entre la cara del sensor y el objetivo. También incluye la forma del campo de detección generado a través de la bobina y el núcleo. Varios factores mecánicos y ambientales pueden afectar el rango de detección:

FACTORES MECÁNICOS TAMAÑO DEL NÚCLEO BLINDAJE DEL NÚCLEO MATERIAL OBJETIVO TAMAÑO DEL OBJETIVO FORMA DEL OBJETIVO

FACTORES AMBIENTALES TEMPERATURA AMBIENTE CONDICIONES ELÉCTRICAS CIRCUNDANTES CONDICIONES MECÁNICAS CIRCUNDANTES VARIACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS

LA GEOMETRÍA DEL CAMPO DE DETECCIÓN SE PUEDE DETERMINAR POR EL FACTOR DE CONSTRUCCIÓN DEL NÚCLEO Y LA BOBINA. UNA BOBINA ABIERTA SIN NÚCLEO PRODUCE UN CAMPO OMNIDIRECCIONAL. LA GEOMETRÍA DE UN NÚCLEO DE AIRE ES UN TOROIDE. DICHOS SENSORES PODRÍAN SER ACTIVADOS POR UN OBJETIVO QUE SE APROXIMA DESDE CUALQUIER DIRECCIÓN, LO QUE LOS HACE INDESEABLES PARA APLICACIONES INDUSTRIALES PRÁCTICAS. EL MATERIAL DE FERRITA EN FORMA DE NÚCLEO DE COPA SE UTILIZA PARA DAR FORMA AL CAMPO DE DETECCIÓN. LA FERRITA EL MATERIAL ABSORBE EL CAMPO MAGNÉTICO, PERO AUMENTA LA INTENSIDAD DEL CAMPO Y DIRIGE EL CAMPO HACIA AFUERA. DEL EXTREMO ABIERTO DEL NÚCLEO. UN CONJUNTO DE BOBINA Y NÚCLEO DE RANGO EXTENDIDO NO TIENE LA FERRITA ALREDEDOR DEL PERÍMETRO DE LA BOBINA. POR CONSIGUIENTE, ESTE DISPOSITIVO SIN BLINDAJE TIENE UN ALCANCE AMPLIADO.

Distancia de detección El campo electromagnético emana de la bobina y el núcleo en la cara del sensor y está centrado alrededor del eje del núcleo. El rango de detección nominal es una función del diámetro de la bobina y la potencia disponible para operar el campo electromagnético.

El rango de detección está sujeto a tolerancias de fabricación y variaciones del circuito. Por lo general, varía en un 10 por ciento. De manera similar, la deriva de temperatura puede afectar el rango de detección en un 10 por ciento.

Aplicadas a la distancia de detección nominal del sensor, estas variaciones significan que el rango de detección puede ser tanto como 120 por ciento o tan solo 81 por ciento del rango nominal establecido.

Material y tamaño del objetivo A medida que un objetivo se acerca al campo de detección, se inducen corrientes de Foucault en el objetivo.

Para garantizar que el objetivo tenga el efecto de amortiguación deseado en el sensor, el objetivo debe ser del tamaño y material adecuados. Los blancos metálicos se pueden definir como: • Ferroso. Que contengan hierro, níquel o cobalto.

• No ferrosos. Todos los demás materiales metálicos, como aluminio, cobre y latón.

LAS CORRIENTES EDDY O DE FOUCAULT INDUCIDAS EN OBJETIVOS FERROSOS SON MÁS FUERTES QUE EN OBJETIVOS NO FERROSOS. UN AUMENTO EN EL TAMAÑO DEL OBJETIVO NO PRODUCIRÁ UN AUMENTO EN EL RANGO DE DETECCIÓN. SIN EMBARGO, UNA DISMINUCIÓN EN EL TAMAÑO DEL OBJETIVO PRODUCIRÁ UNA DISMINUCIÓN EN EL RANGO DE DETECCIÓN Y TAMBIÉN PUEDE AUMENTAR EL TIEMPO DE RESPUESTA.

Tipo de Montaje Los sensores de estilo empotrado en realidad tienen un escudo que restringe el campo magnético para que solo se irradie desde la parte frontal del sensor.

Los sensores de estilo empotrado o blindados se pueden montar empotrados en un soporte de metal o incluso en su máquina sin que el metal provoque que el sensor se dispare en falso.

Al montar dos sensores de proximidad inductivos blindados uno al lado del otro, normalmente debe dejar un diámetro del sensor entre sensores adyacentes. El estilo de sensor blindado normalmente tendrá aproximadamente la mitad de la distancia de detección que tendrá una versión no blindada. Aunque los sensores de estilo blindado tienen un rango de detección más corto, se pueden empotrar en una máquina o en un soporte que ofrezca protección contra daños.

Los sensores no empotrados o sin blindaje no tienen el blindaje alrededor del extremo del sensor, por lo que el campo puede irradiarse desde la cara hacia los lados del sensor en un patrón más grande. Este estilo de sensor no se puede montar al ras en un soporte de metal, ya que el metal hará que el sensor se active. Al instalar un sensor no blindado en metal, debe tener un diámetro desde cada borde del sensor hasta la brida metálica más cercana. En otras palabras, debe tener unespacio en el metal que tenga tres veces el diámetro del sensor de ancho y al menos dos veces la distancia de detección del sensor de profundidad con el sensor montado en el medio.

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Factores Ambientales

Factores del entorno También se deben considerar varios factores ambientales para obtener información confiable de los sensores de proximidad inductivos. Estos factores circundantes son: Virutas de metal circundantes o escoria: Una viruta extraída del metal durante las operaciones de fresado y taladrado puede afectar el rendimiento del sensor según el tamaño de la viruta, su ubicación en la cara de detección y el tipo de material. En estas aplicaciones, la cara del sensor debe orientarse de modo que la gravedad evite que se acumulen virutas en la cara del sensor.

Si esto no es posible, el líquido refrigerante debe lavar la superficie del sensor para eliminar las virutas. Por lo general, un chip no tiene suficiente área de superficie para hacer que se encienda un sensor. Si un chip cae en el centro de la cara del sensor, tendrá un efecto insignificante, pero en cualquier otra parte de la cara del sensor ampliará el alcance del sensor.

Campos magnéticos: El cableado eléctrico en la vecindad de la cara del sensor puede afectar el funcionamiento del sensor. Si el campo magnético alrededor del cableado eléctrico alcanza una intensidad que saturaría la ferrita o la bobina del sensor, el sensor no funcionará correctamente. El uso de sensores inductivos en presencia de radiación de alta frecuencia también puede afectar inesperadamente su funcionamiento.

Interferencia de radiofrecuencia (RFI): Los transceptores de radio, a menudo llamados dispositivos walkie-talkie, pueden producir una señal que puede hacer que un sensor de proximidad inductivo funcione incorrectamente. El transceptor de radio produce una señal de radiofrecuencia similar a la señal producida por el circuito oscilador del sensor.

El efecto que tiene la RFI en un interruptor de proximidad inductivo puede variar. Los factores que determinan esta variación son los siguientes: -Distancia entre la fuente RFI y el sensor: Por lo general, los interruptores de proximidad inductivos no se ven afectados por RFI cuando un transceptor está 30cm de distancia del interruptor inductivo. Sin embargo, si está más cerca de 1 pie, el interruptor puede operar sin que haya un objetivo presente.

-Frecuencia de la señal: La frecuencia de la señal puede ser el factor determinante que hará que un dispositivo en particular funcione en falso.

-Intensidad de la señal: Los transceptores de radiofrecuencia suelen ser dispositivos portátiles con una potencia nominal de 5 W como máximo.

-Envolvente del sensor inductivo: La construcción del paquete del sensor puede determinar qué tan bien resiste el dispositivo la RFI. -Aproximación al sensor: Un transceptor que se acerque al cable de conexión de un interruptor puede afectarlo a una distancia mayor que si se acercara a la cara de detección. Como la protección RFI varía de un dispositivo a otro y de un fabricante a otro, la mayoría de los fabricantes han tomado medidas para proporcionar la máxima protección contra el funcionamiento falso debido a la RFI.

Arco Eléctrico. Arco eléctrico es el término que se aplica a los picos de tensión/corriente de línea inducida. El pico es producido por el arco eléctrico en un interruptor electromecánico o cierre de contactor. El pico de corriente se induce desde las líneas conectadas al interruptor electromecánico a las líneas conectadas al interruptor de proximidad inductivo si las líneas son adyacentes y paralelas entre sí. El resultado puede ser una operación falsa del interruptor de proximidad inductivo. La intensidad del pico está determinada por el nivel de voltaje inducido y la duración del pico.

Es necesario evitar tender cables para dispositivos de control en el mismo canal de cableado que los del contactor o conductores similares puede eliminar los picos. La mayoría de las especificaciones de los códigos eléctricos requieren la separación de los cables del dispositivo de control de los cables del interruptor electromecánico y del contactor.

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Circuitos de Salida NAMUR y grado IP

SENSORES NAMUR El término “NAMUR” es un acrónimo de: “Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der chemischen Industrie” “Grupo de trabajo estándar para tecnología de medición y control en la industria química” Los sensores de proximidad NAMUR se consideran intrínsecamente seguros.

El sensor de proximidad NAMUR funciona como un sensor de proximidad típico, pero no tiene una condición de salida abierta o cerrada. En cambio, un sensor de proximidad NAMUR producirá dos niveles de salida de corriente diferentes y distintos correspondientes a la posición objetivo.

Los sensores de proximidad NAMUR limitan la corriente para que la corriente no sea capaz de causar ignición en atmósferas peligrosas.

En pocas palabras, los sensores de proximidad NAMUR se desarrollaron para garantizar la seguridad en lugares peligrosos.

Los sensores de proximidad NAMUR se utilizan en áreas de ubicaciones clasificadas como peligrosas que tienen presencia de gas, polvo o fibras explosivos. .

Los sensores NAMUR se utilizan con una unidad amplificadora separada.

El amplificador NAMUR proporciona un voltaje especial (8,2 voltios) para operar el sensor. También proporciona el circuito de detección y el circuito de salida.

El amplificador suministra 8,2 voltios constantes al sensor. La corriente del sensor cambiará cuando el metal entre y salga del campo de detección El amplificador detecta el cambio en la corriente del sensor y activa el relé de salida (resaltado en rojo).

GRADOS DE PROTECCIÓN IP

Todos los sensores tienen una clasificación contra objetos extraños, polvo y líquidos.

Uno de los sistemas de clasificación más comunes que se utilizan para los sensores es el Código de Protección Internacional conocido como "Clasificación IP"..

EL SISTEMA IMPLICA VARIOS NIVELES DE PROTECCIÓN DE INGRESO IDENTIFICADOS POR LAS LETRAS "IP" SEGUIDAS DE TRES NÚMEROS. EL PRIMER NÚMERO REPRESENTA EL GRADO DE PROTECCIÓN PROPORCIONADO CONTRA OBJETOS SÓLIDOS, MIENTRAS QUE EL SEGUNDO NÚMERO INDICA EL GRADO DE PROTECCIÓN CONTRA LA ENTRADA DE AGUA. EL TERCER NUMERAL RARA VEZ SE ESPECIFICA EN LAS CALIFICACIONES DE UN OBJETO. REPRESENTA EL GRADO DE IMPACTO QUE UN OBJETO PUEDE SOPORTAR Y SEGUIR FUNCIONANDO NORMALMENTE. EN GENERAL, LOS NÚMEROS MÁS ALTOS IDENTIFICAN UNA PROTECCIÓN MÁS ESTRICTA DE UN ENTORNO PARTICULAR. LAS LETRAS DE SUFIJO ADICIONALES ADJUNTAS A LA CALIFICACIÓN ESPECIFICAN VARIACIONES DEL ESTÁNDAR, NUEVAMENTE TÍPICAMENTE A UN NIVEL MÁS ALTO. SIN EMBARGO, ESTAS CLASIFICACIONES NO DICEN NADA SOBRE QUÉ TAN BIEN REACCIONAN LOS DISPOSITIVOS A LA INTRODUCCIÓN DE VARIABLES EXTERNAS, COMO LAS FLUCTUACIONES DE TEMPERATURA.

IP65 SIGNIFICA PROTECCIÓN CONTRA CHORROS DE AGUA A BAJA PRESIÓN DESDE TODAS LAS DIRECCIONES DURANTE 1 MIN CON INGRESO LIMITADO PERMITIDO. IP66 SIGNIFICA PROTECCIÓN CONTRA CHORROS FUERTES DESDE TODAS LAS DIRECCIONES DURANTE 1 MIN CON INGRESO LIMITADO PERMITIDO. IP67 SIGNIFICA PROTECCIÓN CONTRA LOS EFECTOS DE LA INMERSIÓN DE 15 CM A 1 M DURANTE 30 MIN SIN ENTRADA DE AGUA. IP68 SIGNIFICA PROTECCIÓN CONTRA INMERSIÓN CONTINUA COMPLETA EN AGUA SIN INGRESO DE AGUA EN LAS CONDICIONES ESPECIFICADAS POR EL FABRICANTE. IP69K ES UNA DESIGNACIÓN ESPECIAL PARA DISPOSITIVOS SUJETOS A LAVADOS A ALTA PRESIÓN Y TEMPERATURA, COMO LOS QUE SE ENCUENTRAN EN EL PROCESAMIENTO DE ALIMENTOS. SU USO IDENTIFICA LA PROTECCIÓN CONTRA LA LIMPIEZA CON CHORRO DE VAPOR CALIENTE SEGÚN EN 60529 Y DIN 40050-9. EL SUFIJO K DE LA CLASIFICACIÓN SIGNIFICA QUE EL SENSOR DEBE RESISTIR LA APLICACIÓN DIRECTA DE CHORROS DE AGUA A UNA PRESIÓN EXTREMADAMENTE ALTA. EL AGUA A UNA PRESIÓN DE 100 BAR (1450 PSI)

LAS CALIFICACIONES A MENUDO SE MALINTERPRETAN Y SE APLICAN INCORRECTAMENTE. POR EJEMPLO, MUCHOS ASUMEN QUE UNA CLASIFICACIÓN IP67 O IP68 SIGNIFICA QUE EL DISPOSITIVO FUNCIONA BAJO EL AGUA DURANTE EL TIEMPO ESPECIFICADO POR LA CLASIFICACIÓN IP. ESTE NO ES EL CASO. LA CALIFICACIÓN SOLO SIGNIFICA QUE EL DISPOSITIVO FUNCIONA CORRECTAMENTE DESPUÉS DE SACARLO DEL AGUA. OTRO CONCEPTO ERRÓNEO ES QUE UNA CLASIFICACIÓN DE PROTECCIÓN DE ENTRADA DE IP69K CUMPLE AUTOMÁTICAMENTE CON IP67 E IP68. SI BIEN LAS PIEZAS CON CLASIFICACIÓN IP69K PUEDEN SOPORTAR LA PRESIÓN Y EL CHORRO DE AGUA, EL SENSOR SIGUE SIENDO INADECUADO PARA SU USO BAJO EL AGUA. POR LO TANTO, LOS SENSORES IP69K GENERALMENTE SIRVEN EN ENTORNOS DE LAVADO, COMO CERVECERÍAS, LAVADOS DE AUTOS Y APLICACIONES DE ALIMENTOS Y BEBIDAS, NO DONDE EL SENSOR PASA TIEMPO BAJO EL AGUA.

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Selección de Sensores Fotoeléctricos

Carlo Gavazzi tiene disponible una guía que nos permite seleccionar entre varias Filas y columnas que incluyen las distintas características y aplicaciones de los sensores inductivos.

Podemos elegir entre distintos tipos de envolvente, distancias de sensado, grados de protección etc, y partir de estas características para ver que serie de sensores podemos utilizar, de modo tal que el resultado sea la serie de sensores que cumple con las características que necesitamos en nuestra aplicación

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