Módulo 3: Sensores Capacitivos

CERTIFICACIÓN IO-LINK

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Qué es un sensor Capacitivo?

“He aprendido tanto sobre la electricidad que he llegado al punto en que no entiendo nada y no puedo explicar nada”.

—Pieter van Musschenbroek [Describiendo sus experimentos con la botella de Leyden.]

Un sensor de proximidad capacitivo funciona de manera muy similar a un sensor de proximidad inductivo. Sin embargo, los medios de detección son considerablemente diferentes. La detección capacitiva se basa en la capacitancia dieléctrica. La capacitancia es la propiedad de los aisladores para almacenar una carga eléctrica. .

UN CAPACITOR CONSTA DE DOS PLACAS SEPARADAS POR UN AISLANTE, GENERALMENTE LLAMADO DIELÉCTRICO. CUANDO EL EL INTERRUPTOR ESTÁ CERRADO), SE ALMACENA UNA CARGA EN LAS DOS PLACAS.

LA DISTANCIA ENTRE LAS PLACAS DETERMINA LA CAPACIDAD DE UN CAPACITOR PARA ALMACENAR UNA CARGA Y SE PUEDE CALIBRAR EN FUNCIÓN DE LA CARGA ALMACENADA PARA DETERMINAR EL ESTADO DE ENCENDIDO Y APAGADO DISCRETO.

UNA PLACA CAPACITIVA ES PARTE DEL INTERRUPTOR, LA CARA DEL SENSOR (LA CARCASA) ES EL AISLANTE Y EL OBJETIVO ES LA OTRA PLACA. LA TIERRA ES EL CAMINO COMÚN.

EL SENSOR DE PROXIMIDAD CAPACITIVO TIENE LOS MISMOS CUATRO ELEMENTOS BÁSICOS QUE UN SENSOR DE PROXIMIDAD INDUCTIVO: • SENSOR (LA PLACA DIELÉCTRICA) • CIRCUITO OSCILADOR • CIRCUITO DETECTOR • CIRCUITO DE SALIDA DE ESTADO SÓLIDO

EL CIRCUITO DEL OSCILADOR EN UN INTERRUPTOR CAPACITIVO FUNCIONA COMO UNO EN UN INTERRUPTOR DE PROXIMIDAD INDUCTIVO. EL CIRCUITO DEL OSCILADOR INCLUYE CAPACITANCIA DE RETROALIMENTACIÓN DE LA PLACA OBJETIVO EXTERNA Y LA PLACA INTERNA. EN UN INTERRUPTOR CAPACITIVO, EL OSCILADOR COMIENZA A OSCILAR CUANDO SE DETECTA SUFICIENTE CAPACITANCIA DE RETROALIMENTACIÓN. EN UN INTERRUPTOR DE PROXIMIDAD INDUCTIVO, LA OSCILACIÓN SE AMORTIGUA CUANDO EL OBJETIVO ESTÁ PRESENTE.

TANTO EN LOS TIPOS DE INTERRUPTORES CAPACITIVOS COMO INDUCTIVOS, LA DIFERENCIA ENTRE LA AMPLITUD DE OPERACIÓN Y LIBERACIÓN EN EL OSCILADOR Y EL CIRCUITO DETECTOR CORRESPONDIENTE SE DENOMINA HISTÉRESIS DEL SENSOR. CORRESPONDE A LA DIFERENCIA ENTRE LA DETECCIÓN DEL OBJETIVO Y LAS DISTANCIAS DE LIBERACIÓN DESDE LA CARA DEL SENSOR.

LAS PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS SON: • PUEDEN DETECTAR OBJETIVOS NO METÁLICOS. • PUEDEN DETECTAR OBJETOS LIGEROS O PEQUEÑOS QUE NO PUEDEN SER DETECTADOS POR FINALES DE CARRERA MECÁNICOS. • PROPORCIONAN UNA ALTA TASA DE CONMUTACIÓN PARA UNA RESPUESTA RÁPIDA EN APLICACIONES DE CONTEO DE OBJETOS. • PUEDEN DETECTAR OBJETIVOS LÍQUIDOS A TRAVÉS DE BARRERAS NO METÁLICAS (VIDRIO, PLÁSTICO, ETC.).

• TIENEN UNA LARGA VIDA OPERATIVA CON UN NÚMERO PRÁCTICAMENTE ILIMITADO DE CICLOS DE FUNCIONAMIENTO. • LA SALIDA DE ESTADO SÓLIDO PROPORCIONA UNA SEÑAL DE CONTACTO SIN REBOTES. LOS SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS TIENEN DOS LIMITACIONES PRINCIPALES: • SE VEN AFECTADOS POR LA HUMEDAD Y LA HUMEDAD. • DEBEN TENER UN RANGO EXTENDIDO PARA UNA DETECCIÓN EFECTIVA.

02

Rango de detección y constante dieléctrica

LOS SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS TIENEN UN RANGO DE DETECCIÓN MAYOR QUE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS. LA DISTANCIA DE DETECCIÓN DE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS DEPENDE DEL DIÁMETRO DE LA PLACA, AL IGUAL QUE EL TAMAÑO DE LA BOBINA PARA LOS SENSORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS.

LOS SENSORES CAPACITIVOS BÁSICAMENTE MIDEN UN ESPACIO DIELÉCTRICO. EN CONSECUENCIA, ES DESEABLE PODER COMPENSAR LAS CONDICIONES DEL OBJETIVO Y DE LA APLICACIÓN CON UN AJUSTE DE SENSIBILIDAD PARA EL RANGO DE DETECCIÓN. LA MAYORÍA DE LOS INTERRUPTORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS ESTÁN EQUIPADOS CON UN POTENCIÓMETRO DE AJUSTE DE SENSIBILIDAD

LAS DISTANCIAS DE DETECCIÓN SE DETERMINAN MEDIANTE PRUEBAS CON UN OBJETIVO DE ACERO AL CARBONO (FE37) EN UNA PRUEBA DE LABORATORIO DE ACUERDO CON EN60947

LA CONSTANTE DIELÉCTRICA DEL MATERIAL QUE SE DETECTA AFECTARÁ LA DISTANCIA DE DETECCIÓN. CUANTO MAYOR SEA LA CONSTANTE DIELÉCTRICA DEL MATERIAL, MÁS FÁCIL SERÁ DETECTARLO Y MAYOR SERÁ LA DISTANCIA A LA QUE SE PUEDE DETECTAR.

UN SENSOR CAPACITIVO DETECTA CUALQUIER MATERIAL CUYA CONSTANTE DIELÉCTRICA SEA SUPERIOR A 1.2

LA PERMITIVIDAD ESTÁ DEFINIDA COMO LA MEDIDA DE LA CAPACIDAD DE UN MATERIAL A SER POLARIZADO POR UN CAMPO ELÉCTRICO. LA CONSTANTE DIELÉCTRICA ES UNA MEDIDA DE LA PERMITIVIDAD ESTÁTICA RELATIVA DE UN MATERIAL. SE DEFINE COMO LA PERMITIVIDAD ESTÁTICA DIVIDIDA ENTRE LA CONSTANTE ELÉCTRICA.

EL NOMBRE PROVIENE DE LOS MATERIALES DIELÉCTRICOS, QUE SON MATERIALES USADOS O MUY POCO CONDUCTORES POR DEBAJO DE UNA CIERTA TENSIÓN ELÉCTRICA LLAMADA TENSIÓN DE ROTURA. EL EFECTO DE LA CONSTANTE DIELECTRICA SE MANIFIESTA EN LA CAPACIDAD TOTAL DE UN CONDENSADOR ELECTRICO.

EL VALOR DE LA CONSTANTE DIELÉCTRICA DE UN MATERIAL DEFINE EL GRADO DE POLARIZACIÓN ELÉCTRICA DE LA SUSTANCIA CUANDO ESTA SE SOMETE A UN CAMPO ELÉCTRICO EXTERIOR

EL AJUSTE DE LA PLACA DEL CONDENSADOR DEL SENSOR SE PUEDE UTILIZAR PARA REGULAR LA DISTANCIA DE FUNCIONAMIENTO. ESTO AYUDA EN CASOS DE USO DE DETECCIÓN DE CONTENEDORES LLENOS VERSUS VACÍOS. LA DISTANCIA DE OPERACIÓN DEL SENSOR PUEDE REQUERIR UN AJUSTE DEPENDIENDO DE LA CONSTANTE DIELÉCTRICA DEL MATERIAL OBJETIVO. LA DISTANCIA DE DETECCIÓN EFECTIVA PARA LOS MATERIALES OBJETIVO CON UNA CONSTANTE DIELÉCTRICA MAYOR ES MAYOR QUE PARA LOS MATERIALES OBJETIVO CON UNA CONSTANTE DIELÉCTRICA MENOR. POR EJEMPLO, UN SENSOR CAPACITIVO PUEDE TENER UNA DISTANCIA DE DETECCIÓN EFECTIVA DE 10 MM PARA ALCOHOL CON UNA CONSTANTE DIELÉCTRICA DE 25, MIENTRAS QUE EL MISMO SENSOR CAPACITIVO PUEDE TENER UNA DISTANCIA DE DETECCIÓN DE 2 MM PARA VIDRIO CON UNA CONSTANTE DIELÉCTRICA DE 5.

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Blindado o Rasante V.S. No blindado o no Rasante

CADA SENSOR CAPACITIVO SE PUEDE CLASIFICAR CON UNA CONSTRUCCIÓN BLINDADA O SIN BLINDAJE .

LOS SENSORES BLINDADOS ESTÁN CONSTRUIDOS CON UNA BANDA DE METAL QUE RODEA LA SONDA. ESTO AYUDA A DIRIGIR EL CAMPO ELECTROSTÁTICO AL FRENTE DEL SENSOR Y DA COMO RESULTADO UN CAMPO MÁS CONCENTRADO. LA CONSTRUCCIÓN BLINDADA PERMITE QUE EL SENSOR SE MONTE AL RAS EN EL MATERIAL CIRCUNDANTE SIN CAUSAR UN DISPARO FALSO. LOS SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS BLINDADOS SON LOS MÁS ADECUADOS PARA DETECTAR MATERIALES CON CONSTANTES DIELÉCTRICAS BAJAS (DIFÍCILES DE DETECTAR) COMO RESULTADO DE SUS CAMPOS ELECTROSTÁTICOS ALTAMENTE CONCENTRADOS. ESTO LES PERMITE DETECTAR OBJETIVOS QUE LOS SENSORES NO PROTEGIDOS NO PUEDEN.

LOS SENSORES SIN PROTECCIÓN NO TIENEN UNA BANDA DE METAL QUE RODEE LA SONDA Y, POR LO TANTO, TIENEN UN CAMPO ELECTROSTÁTICO MENOS CONCENTRADO. MUCHOS MODELOS SIN BLINDAJE ESTÁN EQUIPADOS CON SONDAS DE COMPENSACIÓN QUE BRINDAN MAYOR ESTABILIDAD AL SENSOR. LOS SENSORES CAPACITIVOS SIN BLINDAJE TAMBIÉN SON MÁS ADECUADOS QUE LOS TIPOS BLINDADOS PARA USAR EN TANQUES DE PLÁSTICO, YA QUE EL SENSOR DETECTA EL LÍQUIDO EN EL TANQUE A TRAVÉS DEL MISMO.

EL CAMPO ELECTROSTÁTICO DE UN SENSOR SIN BLINDAJE ESTÁ MENOS CONCENTRADO QUE EL DE UN MODELO BLINDADO. ESTO HACE QUE LOS CAPACITIVOS SIN BLINDAJE SEAN MUY ADECUADOS PARA DETECTAR MATERIALES CON CONSTANTE DIELÉCTRICA ALTA (FÁCILES DE DETECTAR) O PARA DIFERENCIAR ENTRE MATERIALES CON CONSTANTES ALTAS Y BAJAS. PARA CIERTOS MATERIALES OBJETIVO, LOS SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS SIN BLINDAJE TIENEN DISTANCIAS DE DETECCIÓN MÁS LARGAS QUE LAS VERSIONES BLINDADAS. LOS MODELOS SIN BLINDAJE EQUIPADOS CON UNA SONDA DE COMPENSACIÓN PUEDEN IGNORAR LA NIEBLA, EL POLVO, LAS PEQUEÑAS CANTIDADES DE SUCIEDAD Y LAS GOTAS FINAS DE ACEITE O AGUA QUE SE ACUMULAN EN EL SENSOR. LA SONDA DE COMPENSACIÓN TAMBIÉN MEJORA LA RESISTENCIA DEL SENSOR A LAS VARIACIONES DE LA HUMEDAD AMBIENTAL.

04

Ventajas, desventajas y aplicaciones

LAS VENTAJAS DE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS INCLUYEN:

1. DETECTA METALES Y NO METALES, LÍQUIDOS Y SÓLIDOS .

2. PUEDE "VER A TRAVÉS" DE CIERTOS MATERIALES (CAJAS DE PRODUCTOS) 3. ESTADO SÓLIDO, LARGA VIDA 4. MUCHAS CONFIGURACIONES DE MONTAJE

LAS DESVENTAJAS DE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS INCLUYEN:

1. LA DISTANCIA DE DETECCIÓN CORTA (1 PULGADA O MENOS) VARÍA AMPLIAMENTE SEGÚN EL MATERIAL QUE SE DETECTA 2. MUY SENSIBLE A LOS FACTORES AMBIENTALES: LA HUMEDAD EN CLIMAS COSTEROS/ACUÁTICOS PUEDE AFECTAR LA SALIDA DE DETECCIÓN 3. NADA SELECTIVO PARA SU OBJETIVO: EL CONTROL DE LO QUE SE ACERCA AL SENSOR ES ESENCIAL

LOS SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS TIENEN UN RANGO DE DETECCIÓN MAYOR QUE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS. LA DISTANCIA DE DETECCIÓN DE LOS SENSORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS DEPENDE DEL DIÁMETRO DE LA PLACA, AL IGUAL QUE EL TAMAÑO DE LA BOBINA PARA LOS SENSORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS.

LOS SENSORES CAPACITIVOS BÁSICAMENTE MIDEN UN ESPACIO DIELÉCTRICO. EN CONSECUENCIA, ES DESEABLE PODER COMPENSAR LAS CONDICIONES DEL OBJETIVO Y DE LA APLICACIÓN CON UN AJUSTE DE SENSIBILIDAD PARA EL RANGO DE DETECCIÓN. LA MAYORÍA DE LOS INTERRUPTORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS ESTÁN EQUIPADOS CON UN POTENCIÓMETRO DE AJUSTE DE SENSIBILIDAD

Principales Aplicaciones

1. DETECCIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDO • DETECCIÓN A TRAVÉS DE UNA MIRILLA PARA OBSERVAR EL NIVEL DE LÍQUIDO, COMO MASA PARA EL PROCESAMIENTO DE ALIMENTOS O TINTA PARA APLICACIONES DE IMPRESIÓN • INSERCIÓN A TRAVÉS DE TUBOS SELLADOS EN TAMBORES O TANQUES DE RETENCIÓN PARA PRODUCTOS QUÍMICOS O SOLUCIONES ACUOSAS

Principales Aplicaciones

2. LÍNEAS DE LLENADO DE PRODUCTOS • APLICACIONES DE EMBOTELLADO, COMO CHAMPÚ • DETECCIÓN DE CAJA COMPLETA PARA GARANTIZAR QUE UN CONTENEDOR TENGA LA CANTIDAD REQUERIDA DE PRODUCTOS • COMPROBACIÓN DE LOS NIVELES DE MATERIAL, COMO CEREAL EN CAJAS

Principales Aplicaciones

3. DETECCIÓN DE PIEZAS DE PLÁSTICO • PLÁSTICOS EN PAQUETES DE PRODUCTOS, COMO BOQUILLAS EN CAJAS DE DETERGENTE PARA ROPA • MATERIALES PLÁSTICOS DENTRO DE UNA TOLVA 4. DETECCIÓN DE PALLETS PARA MANEJO DE MATERIALES.

Principales Aplicaciones

5. PRODUCTOS DE FORMA IRREGULAR • OBJETOS ORIENTADOS AL AZAR EN LA CINTA TRANSPORTADORA • ALTAMENTE TEXTURIZADO OBJETOS

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