Retrorreflectivo | Detección de uso general |
cableado es más simple
| Detección a menor distancia que el haz Transmitido Menor margen que el haz transmitido Puede detectar reflejos de objetos brillantes (en ese caso use polarizado) | ||
Polarizado retrorreflectivo | Detección de uso general de objetos brillantes |
| Menor distancia de detección que el retrorreflectivo normal Puede ver reflejos de segunda superficie | ||
Difuso normal | Aplicaciones donde no se puede acceder a ambos lados del objeto |
| Puede ser difícil de aplicar si el fondo detrás del objeto es suficientemente reflectivo y está cerca al objeto | ||
Difusa de corte abrupto | Detección de corto rango de objetos con la necesidad de ignorar los fondos que están acerca al objeto |
de fondos cercanos
dentro de la distancia especificada |
| ||
Supresión del fondo difuso | Detección de uso general Áreas donde usted necesita ignorar los fondos que están cerca del objeto |
una distancia especificada |
| ||
Difusa de foco fijo | Detección de pequeñas dianas Detecta objetos a una distancia específica del sensor Detección de marcas de color |
| Detección a distancia muy corta Inadecuado para detección de uso general El objeto debe estar en una posición precisa | ||
Difusa gran angular | Detección de objetos que no están en una posición precisa Detección de fibras muy finas en un área extensa |
posición precisa
| Detección a distancia corta | ||
Fibras ópticas | Permite la detección fotoeléctrica en áreas donde no se puede instalar un sensor debido a consideraciones de tamaño o ambientales |
donde se requiere movimiento continuo Inserción en espacio limitado Inmunidad al ruido
| Más costoso que los sensores con lente Detección a distancia corta | ||
Haz transmitido
En este modo (Figura 5) la fuente de luz y el receptor están contenidos en envolventes diferentes. Estas dos unidades están ubicadas en posición opuesta una a la otra de manera que la luz de la fuente de luz brilla directamente sobre el receptor. El objeto debe romper (bloquear) el haz entre la fuente de luz y el receptor.
Figura 5 Detección de haz transmitido
Los sensores de haz transmitido proporcionan las distancias más largas de detección y el nivel más alto de margen operativo. Por ejemplo, los sensores de haz transmitido PHOTOSWITCH® Serie 4000B pueden detectar distancias de hasta 274 m (900 pies).
Los márgenes de las aplicaciones de haz transmitido en rangos inferiores a 10 m (3,1 pies) pueden ser superiores a 10000X. Por esta razón, el haz transmitido es el mejor modo de detección en ambientes industriales muy polvorientos o sucios.
Otro ejemplo: La Serie 9000 de sensores fotoeléctricos ofrece un margen de 300X a una distancia de detección de 3 m (9.8 pies). A esta distancia los sensores seguirán trabajando, incluso en el caso de que el 99.67 % del área combinada de la lente de la fuente de luz y el receptor se halle contaminada.
El "haz efectivo" de un sensor de haz transmitido es equivalente al diámetro de la lente de la fuente de luz y el receptor (Figura 6). La detección confiable tiene lugar cuando la diana es opaca e interrumpe al menos el 50 % del haz eficaz.
Se puede obtener una mejor detección de objetos de menor tamaño que el haz efectivo reduciendo el diámetro del haz mediante aberturas ubicadas frente a la fuente de luz y el receptor (Figura 7).
Figura 7 Haz efectivo con aberturas
Hay aberturas disponibles para la mayoría de sensores de haz transmitido 42KL, 42KB y 42EF. Algunos usuarios han creado sus propias aberturas para otras familias de sensores.
Las aplicaciones más confiables de haz transmitido tienen un margen muy alto cuando el objeto está ausente y un margen de cero (o casi cero) cuando el objeto está presente.
La detección de haz transmitido puede no ser adecuada para detectar objetos translúcidos o transparentes. Los niveles de alto margen permiten al sensor "ver a través" de estas dianas. Aunque generalmente se puede reducir la sensibilidad del receptor, la detección retrorreflectiva o difusa puede proporcionar una mejor solución.
Retrorreflectivo
El modo retrorreflectivo (reflejo) es el modo de detección más común. Un sensor retrorreflectivo contiene la fuente de luz y el receptor en un envolvente. El haz de luz emitido por la fuente de luz es reflejado por un objeto reflectivo especial y detectado por el receptor. El objeto se detecta cuando rompe este haz de luz (Figura 8).
Figura 8 Detección retrorreflectiva
Para la detección retrorreflectiva se utilizan reflectores especiales o cintas reflectivas. A diferencia de los espejos y otras superficies reflectivas planas, estos objetos reflectivos no necesitan ser perfectamente perpendiculares al sensor. El mal alineamiento de un reflector o cinta reflectiva por arriba de 15° generalmente no significará una reducción del margen del sistema de sensores (vea la Figura 9).
Figura 9 Materiales retrorreflectivos
La distancia máxima de detección del conjunto sensor y reflector disponible dependerá en parte de la eficacia del reflector o cinta reflectiva. Estos materiales reflectivos están clasificados según un índice de reflexión (refiérase a la Página 1-311).
El reflector redondo PHOTOSWITCH normal de 78 mm (3 pulgadas) de diámetro (número de catálogo 92-39) se utiliza para determinar la distancia máxima de detección de la mayoría de los sensores PHOTOSWITCH.
El reflector 92-39 tiene un indicado de 100. La cinta reflectiva 92-99 tiene un indicador de 77, lo que significa que sólo reflejará un 77 % de la luz que un reflector 92-39.
Los sensores retrorreflectivos son más sencillos de instalar que los de haz transmitido. Es necesario únicamente instalar y cablear una carcasa sensora. En cualquier caso, los márgenes en ausencia de diana son del orden de 10 a 1000 veces menores que los correspondientes a la detección por haz transmitido, lo que hace menos deseable la detección retrorreflectiva en ambientes altamente contaminados.
Cuando se apliquen sensores retro-reflectivos normales hay que tener un cuidado especial si los objetos a detectar son altamente brillantes o reflejantes. Los reflejos procedentes de la misma diana podrían ser detectados. Quizás se pueda orientar el sensor y el reflector o la cinta reflectiva de manera que el objeto brillante refleje la luz en dirección contraria al receptor. Sin embargo, en la mayoría de aplicaciones con objetos brillantes, la detección polarizada retrorreflectiva ofrece una mejor solución.
Los sensores polarizados retro-reflectivos contienen filtros polarizantes al frente de la fuente de luz y del receptor. Estos filtros están en posición perpendicular o 90ªfuera de fase uno con respecto a otro (Figura 10).
El sensor no puede ver luz reflejada de casi ninguna diana. La luz polarizada reflejada no puede pasar a través del filtro polarizador ubicado frente al receptor.
Los receptores despolarizan la luz reflejada. Parte de la luz reflejada despolarizada puede pasar a través del filtro polarizador frente al receptor y puede ser detectada por el sensor.
En resumen, el sensor puede "ver" la reflexión de un reflector y no puede "ver" la reflexión de la mayor parte de las dianas brillantes.
Los sensores polarizados retrorreflectivos ofrecen un rango 30-40 % más corto (y menos margen) que los sensores normales retrorreflectivos. En lugar de indicadores LED infrarrojos, los sensores polarizados retrorreflectivos deben usar una fuente de luz visible menos eficiente (generalmente un indicador LED rojo visible). Existen pérdidas adicionales de luz a causa de los filtros polarizadores.
Los sensores polarizados sólo ignoran los reflejos de "primera superficie" procedentes de una superficie reflejante expuesta. La luz polarizada deja de serlo al atravesar la mayoría de las películas de plástico, o los materiales de envoltorio fabricados por estiramiento. Por lo tanto, un objeto brillante puede crear reflejos que son detectados por el receptor cuando éste está envuelto en una película plástica transparente. En este último caso el objeto brillante constituye la "segunda superficie" tras el envoltorio de plástico. Para estas aplicaciones han de considerarse otros modos de sensores polarizados retrorreflectivos.
Todos los reflectores estándares despolarizan la luz y son adecuados para detección polarizada retrorreflectiva. Sin embargo, la mayoría de cintas reflectivas no despolarizan la luz y son adecuadas sólo para uso con sensores normales retrorreflectivos. Hay disponibles cintas reflectivas hechas especialmente para detección polarizada retrorreflectiva. Busque cintas reflectivas clasificadas especialmente como adecuadas para uso con sensores polarizados retrorreflectivos.
Difusa
La detección de haz transmitido y la detección normal o polarizada retrorreflectiva crea un haz de luz entre la fuente de luz y el receptor o entre el sensor y el reflector. En ambos casos es necesario el acceso a ambos lados de la diana u objeto a detectar
Hay situaciones en las que es difícil, por no decir imposible, acceder a ambos lados de la diana. En estas aplicaciones, es necesario apuntar la fuente de luz directamente al objeto. La luz es dispersada por la superficie en todos los ángulos y una pequeña porción es reflejada nuevamente para ser detectada por el receptor contenido en la misma carcasa. Este modo de detección se llama difuso o de proximidad (vea la Figura 11).
Un modo de detección en el que la luz incide sobre la superficie de un objeto, es difundido por ésta en todos los ángulos y detectado por el sensor.
Existen varios modos diferentes de detección difusa. En esta sección se describe la más simple, la detección difusa normal. Los otros tipos, difusa de corte abrupto, difusa de foco fijo, difusa gran angular, y supresión del fondo difuso, se explican en secciones más adelante.
La meta de la detección difusa normal es obtener un margen relativamente alto al detectar el objeto. En ausencia de ésta, los reflejos procedentes de cualquier fondo que se halla detrás de la diana han de proporcionar un margen tan cercano a cero como sea posible.
La reflectividad de la diana puede variar ampliamente. Las superficies relativamente brillantes pueden reflejar la mayor parte de la luz en dirección opuesta al receptor, lo cual dificulta mucho la detección. La cara activa del sensor ha de ser paralela a estos tipos de superficies pertenecientes a las dianas.
Los objetos muy oscuros o mate absorben la mayor parte de la luz incidente y reflejan muy poca para ser detectados. Estos objetos pueden ser muy difíciles de detectar, a no ser que el sensor se sitúe muy cercano a los objetos que se desea detectar.
La máxima distancia de detección especificada relativa a un sensor fotoeléctrico se determina utilizando una diana difusa calibrada. Allen-Bradley utiliza una hoja de papel blanco de 216 mm (8.5 pulgadas) x 292 mm (11 pulgadas) especialmente formulada para poseer un 90 % de reflectancia— lo que significa que el 90 % de la energía lumínica procedente de la fuente de luz será reflejada por el papel.
Las dianas en el "mundo real" generalmente son significativamente menos reflectivas, tal como se muestra en la Tabla 2.
Diana | Reflectividad relativa típica |
Aluminio pulido | 500 |
Papel banco (referencia) | 100 |
Papel blanco de escritura | 90 |
Cartón | 40 |
Madera cortada | 20 |
Papel negro | 10 |
Neopreno | 5 |
Goma de neumático | 4 |
Fieltro negro | 2 |
La detección de dianas situadas cerca de fondos reflectivos puede ser una operación de resolución particularmente difícil. Puede ser imposible ajustar el sensor para obtener un margen suficiente desde el objeto sin detectar, o casi detectar el fondo (Figura 12). En este caso, pueden ser más apropiados otros tipos de detección difusa.
Difusa de corte abrupto
Los sensores difusos de corte abrupto se han diseñado de manera que el haz de luz proveniente de la fuente de luz y el área de detección del receptor estén orientados uno hacia el otro. Ello hace que estos sensores sean más sensibles con márgenes cortos y menos sensibles con márgenes largos. Esto proporciona una sensibilidad más confiable cuando las dianas están cercanas a fondos reflectivos.
Tome nota que este modo de detección proporciona cierto grado de mejora en comparación con la detección difusa normal cuando un fondo reflectivo está presente. En todo caso, si el fondo es altamente reflectivo puede ser detectado aún así.
Los sensores de supresión del fondo difuso proporcionan una solución aún mejor.
Supresión del fondo difuso
En lugar de intentar ignorar el fondo detrás de un objeto, los sensores de supresión del fondo difuso usan componentes electrónicos sofisticados para detectar activamente la presencia de la diana y del fondo. Las dos señales se comparan y la salida cambia de estado en caso de detección de la diana, o en caso de detección activa del fondo.
En otras palabras, la detección de supresión del fondo puede permitir que el sensor ignore la presencia de un fondo muy reflectivo que está directamente detrás de una diana oscura y menos reflectiva. Es el modo ideal de detección difusa para un gran número de aplicaciones. Sin embargo, los sensores de supresión del fondo son más complejos y por lo tanto más costosos que otros sensores difusos.
Difusa de foco fijo
En un sensor de foco fijo (haz convergente), el haz de luz proveniente de la fuente de luz y el área de detección del receptor están enfocados hacia un punto muy angosto (punto focal) a una distancia fija al frente del sensor. El sensor es muy sensible en dicho punto y poco o nada sensible fuera de dicho punto focal.
Los sensores de foco fijo se usan principalmente en tres aplicaciones:
Detección confiable de objetos (o dianas) pequeños. Debido a que el sensor es muy sensible en el punto focal, las dianas pequeñas pueden detectarse sin dificultad.
Detección de objetos a pequeña distancia. Como un sensor de foco fijo es más sensible en el punto focal, se puede usar en algunas aplicaciones para detectar un objeto en el punto focal e ignorarlo cuando está adelante o detrás del punto focal.
Detección de marcas de impresión a color (detección de marcas de registro a color). En algunas aplicaciones es importante detectar la presencia de una marca impresa en una banda continua de material de envolver. Se puede seleccionar un sensor de foco fijo con un color específico de fuente de luz visible (generalmente rojo, verde o azul) para proporcionar la más alta sensibilidad a la marca.
Difuso gran angular
Los sensores difusos gran angular proyectan la fuente de luz y el área de detección del receptor en una amplia área (Figura 13).
Estos sensores son ideales para dos tipos de aplicaciones:
Detección de rosca—un sensor difuso gran angular puede detectar la presencia de hilos de rosca extremadamente delgados y otros materiales ubicados cerca del sensor. La presencia o ausencia (rosca rota) de la rosca puede ser detectada de manera confiable, incluso aunque éste se mueva de lado a lado en la parte frontal del sensor.
Ignorar agujeros o imperfecciones en los objetos—debido a que el sensor gran angular puede detectar objetos en una amplia área, puede también ignorar agujeros pequeños o imperfecciones en objetos difusos.
Fibra óptica
Los sensores de fibra óptica permiten el acoplamiento de "tubos de luz" denominados cables de fibra óptica. La luz emitida por la fuente de luz es transmitida a través de fibras transparentes en los cables y sale por el extremo de la fibra. Luego el haz transmitido o reflejado es llevado al receptor a través de fibras diferentes.
Los cables de fibra óptica pueden montarse en lugares que de otra forma serían inaccesibles a los sensores fotoeléctricos. Se pueden utilizar donde la temperatura ambiente es elevada, así como también en aplicaciones donde hay golpes o vibraciones extremas, o donde es necesario el movimiento continuo del punto de detección (como se describe más adelante).
Para hacer cables de fibra óptica se utilizan tanto fibras de vidrio como de plástico, ambos de material transparente.
Vidrio
Los cables ópticos de fibra de vidrio contienen múltiples fibras muy finas de dicho material empaquetadas juntas bajo una cubierta flexible.
Los cables ópticos de fibra de vidrio son en general más duraderos que los cables ópticos de fibra de plástico. Los cables de vidrio soportan temperaturas mucho más altas. Cables de fibra óptica de vidrio estándar de Allen-Bradley con cubierta de acero inoxidable clasificados para hasta 260 °C (500 °F). Mediante pedido especial se puede obtener cables con capacidades de temperatura de hasta 480 °C (900 °F).
La mayor parte de los cables de fibra de vidrio poseen dos tipos de cubiertas, de PVC y de acero inoxidable flexible. Los recubiertos de PVC son generalmente más baratos. La cubierta de acero inoxidable hace que los cables sean aún más durables y permite que funcionen a temperaturas superiores.
Plástico
Los cables de fibra óptica de plástico generalmente están hechos de un monofilamento de acrílico. No llevan cubierta protectora, lo que los hace menos duraderos, pero también más baratos, en general, que los de fibra de vidrio.
Los cables de plástico pueden utilizarse en aplicaciones donde se requiere la flexión continua de éstos. Para estas aplicaciones existen modelos de cables de plástico en espiral.
Los cables de fibra óptica están disponibles en configuraciones individuales o bifurcadas Se utilizan dos cables individuales para la detección del haz transmitido. Algunos cables individuales se envían por separado, otros se venden en paquetes de dos. Haga el pedido con cuidado para recibir dos cables.
Los cables bifurcados se utilizan para los modos de detección difusos o retrorreflectivos. La detección normal difusa con cables de fibra óptica es similar a la detección con sensores fotoeléctricos con lente.
La detección retrorreflectiva es posible utilizando reflectores o cintas reflectivas. La detección retrorreflectiva polarizada no puede llevarse a cabo con tales aditamentos. En algunas aplicaciones, para evitar la detección difusa de la diana u objeto a detectar, será necesario reducir la sensibilidad del sensor.
La fibra de vidrio puede utilizarse con LEDs infrarrojos o visibles. Las fibras de plástico absorben la luz infrarroja y por lo tanto son más eficientes cuando se usan con indicadores LED de color rojo visible. Hay una amplia selección de cables de fibra óptica disponibles y se pueden obtener muchas configuraciones especiales.
Detección de objetos transparentes
Los materiales transparentes son una aplicación desafiante para los sensores fotoeléctricos. La mayoría de objetos y películas transparentes proporcionan un contraste insuficiente para una detección confiable con sensores retrorreflectivos o polarizados retrorreflectivos de uso general. Diversas formas de detección difusa no ofrecen una solución ideal porque no se puede detectar la ubicación exacta del objeto transparente.
Rockwell Automation/Allen-Bradley ofrece los sensores fotoeléctricos ClearSightt, los cuales están diseñados específicamente para aplicaciones de detección de objetos y películas transparentes. Estos sensores polarizados retrorreflectivos contienen ensamblajes ópticos especiales diseñados para optimizar la cantidad de contraste generada por objetos y películas transparentes. La confiabilidad de detección se mejora posteriormente con la ayuda de circuitos electrónicos especiales y con características de software.
Especificaciones de los Sensores fotoeléctricos
Operación de la salida por luz/oscuridad
Los términos "operación por luz" y "operación por oscuridad" se usan para describir la acción de un sensor cuando un objeto está presente o ausente.
Una salida de operación por luz se activa (energizada, nivel de lógica uno) cuando el receptor puede "ver" suficiente luz proveniente de la fuente de luz.
En el caso de detección retrorreflectiva y haz transmitido, una salida de operación por luz se activa cuando el objeto está ausente y la luz proveniente de la fuente de luz puede llegar al receptor. En el caso de detección difusa (todos los tipos), la salida se activa cuando el objeto está presente y reflejando luz de la fuente de luz al receptor.
Una salida de operación por oscuridad está activada (energizada, nivel de lógica uno) cuando el receptor no puede "ver" la luz proveniente de la fuente de luz.
En el caso de detección retrorreflectiva y haz transmitido, una salida de operación por oscuridad se activa cuando el objeto está presente y la luz proveniente de la fuente de luz está bloqueada y no puede llegar al receptor. En el caso de detección difusa (todos los tipos), una salida de operación por oscuridad se activa cuando el objeto está ausente.
Distancia máxima de detección
Esta especificación se refiere a la distancia de detección desde:
Sensor a reflector en sensores retrorreflectivos y polarizados retrorreflectivos,
Sensor a objeto especificado en todos los tipos de sensores difusos, y
Fuente de luz a receptor en sensores de haz transmitido.
Esta distancia de detección está garantizada por el fabricante. Los sensores fotoeléctricos PHOTOSWITCH tienen una clasificación conservadora; la distancia de detección disponible generalmente excederá esta especificación.
Nótese que esta distancia se especifica para un margen de 1X, lo que significa que el receptor detectará la cantidad justa de luz procedente de la fuente de luz para cambiar el estado de la salida.
Comparación de cables de fibra óptica
| Vidrio | Plástico | ||
Construcción | Fibras finas de vidrio con cubierta de acero inoxidable o de PVC | Monofilamento acrílico simple | ||
Margen de temperatura | — 4 0 _C (-40 _F) a 260 _C (500 _F) con cubierta de acero inoxidable. Pedido especial para un máximo de 480 _C (900 _F). | — 3 0 _C (-20 _F) a 70 _C (158 _F) | ||
Durabilidad | Muy duradero | Adecuado para muchas aplicaciones | ||
Flexión continua | Romperá rápidamente las fibras de vidrio | Funcionará muy bien, versiones espirales disponibles | ||
Fuente de luz | Visible o infrarrojo aceptable | Debe usar luz visible | ||
Margen | Puede ser de margen más largo debido al mayor diámetro | Adecuado para muchas aplicaciones | ||
La mayoría de los entornos industriales produce contaminación que se deposita en las lentes del sensor y en los reflectores o en las dianas. En tal caso los sensores han de aplicarse a distancias más cortas para incrementar el margen, llevándolo a un valor aceptable y mejorando así la confiabilidad de la aplicación.
Distancia mínima de detección
Muchos sensores retrorreflectivos, polarizados retrorreflectivos y difusos (la mayoría de los tipos) tienen una pequeña área "ciega" cerca del sensor (Figura 15). Para obtener una operación confiable, los reflectores, las cintas reflectivas o los objetos difusos se deben colocar más lejos del sensor que esta distancia mínima de detección.
Figura 15 Área ciega
Curva de respuesta típica
Las páginas del catálogo referentes a la mayoría de sensores fotoeléctricos PHOTOSWITCH muestran una curva que indica el margen típico dependiendo de la distancia de detección.
Por lo general se recomienda un margen de 2X como mínimo para los entornos industriales.
La Figura 16 muestra un ejemplo de curva para un sensor difuso. El máximo rango de detección (margen=1X) de este sensor es de 1 m (39.4 pulgadas) con respecto a una diana específica de papel blanco. Se puede obtener un margen de 4X a la mitad de dicha distancia aproximadamente, es decir, 500 mm (19.7 pulgadas).
Tiempo de respuesta
El tiempo de respuesta de un sensor es el tiempo que transcurre entre la detección de un objeto y el cambio de estado del dispositivo de salida de activado a desactivado y de desactivado a activado. También es el tiempo necesario para que el dispositivo de salida cambie de estado, una vez que la diana ha dejado de ser detectada por el sensor.
Para la mayoría de los sensores el tiempo de respuesta es una única especificación para ambos tiempos de ACTIVACIÓN y DESACTIVACIÓN. Hay otros sensores en los que se pueden proporcionan dos valores diferentes.
Los tiempos de respuesta dependen del diseño del sensor y del tipo de dispositivo de salida. Los sensores más lentos normalmente ofrecen rangos más largos de detección. Los más rápidos normalmente poseen distancias de detección más cortas. Los tiempos de respuesta de los sensores fotoeléctricos PHOTOSWITCH varían de 30 (is a 30 ms.
Campo de visión
En la mayoría de sensores fotoeléctricos, el haz de luz proveniente de la fuente de luz y el área de detección al frente del receptor se proyecta en dirección opuesta al sensor en una forma cónica. El campo de visión es una medida (en grados) de esta área cónica.
El campo de visión es una especificación útil para determinar el área de detección disponible a una distancia fija que se aleja del sensor fotoeléctrico.
Consulte la Figura 17 para este ejemplo. El sensor retrorreflectivo 42SRU-6002 tiene un campo de visión de 3o. La figura muestra que a una distancia de detección de 3.0 m (10 pies) el área de detección será un círculo de 168 mm (6.6 pulg.) de diámetro (56 mm ó 2.2 pulg. por grado).
Los sensores que poseen amplios campos de visión poseen así mismo unas distancias de detección más cortas. Por otra parte el campo de visión más amplio puede hacer más fácil la operación de alineamiento.
Contorno del haz
Para ayudar a predecir el funcionamiento de los sensores en una gran variedad de aplicaciones, se incluyen representaciones gráficas del contorno del haz en las especificaciones de diversas líneas de sensores fotoeléctricos Allen-Bradley. El contorno del haz se define como el área de detección adecuada a un sensor fotoeléctrico dado. Éste es el contorno generado al comparar la respuesta del receptor con la señal emitida a través de la distancia de operación del sensor.
Todos los contornos del haz aparecen dibujados en dos dimensiones y se asume que han de ser simétricos en todos los planos que pasan por el eje óptico del sensor. El margen máximo de operación se localiza en el eje óptico y decrece al desplazarnos hacia el límite exterior del contorno del haz.
Todos los contornos de haz se generan bajo condiciones de detección limpias con un alineamiento óptimo del sensor. El contorno del haz represente el área más grande de detección típica y no se debe considerar como precisa. El polvo, la contaminación, las nebulizaciones, etc. disminuirán el área de detección y el rango de operación del sensor.
Contornos de haz transmitido
El contorno del haz, en el caso de un sensor de haz transmitido, representa el límite donde el receptor recibe eficazmente la señal del emisor, suponiendo que no existe un mal alineamiento de ángulo. Un mal alineamiento angular entre el emisor y el receptor disminuirá el tamaño del área de detección. Los contornos del haz en los sensores de haz transmitido son útiles para determinar el espacio mínimo necesario entre los pares de sensores adyacentes de haz transmitido para prevenir interferencias ópticas de cruce entre una pareja de sensores y la siguiente.
Contornos de haz retrorreflectivo
Los contornos de haz de sensores retrorreflectivos y retrorreflectivos polarizados representan el límite dentro del cual el sensor responderá a una diana retrorreflectiva cuando ésta pasa por delante de la óptica del sensor. La diana retrorreflectiva se mantiene perpendicular al eje óptico del sensor mientras que se va representando el diámetro del haz. Salvo que se indique lo contrario, para generar los contornos de haz retrorreflectivo se utiliza una diana retrorreflectiva modelo 92-39 de 76 mm de diámetro.
El objetivo a detectar ha de ser de igual o mayor tamaño que el diámetro del haz indicado en el contorno de haz para que la operación resulte confiable. Para la detección precisa de objetos de menor tamaño debe utilizarse una diana retrorreflectiva más pequeña.
Contornos de haz difuso, de corte abrupto y de supresión de fondo
El contorno de haz de un sensor difuso representa el límite dentro del cual el borde de una diana reflectiva blanca será detectado según pase por delante del sensor. Los contornos de haz difuso se generan utilizando una hoja del 90 % de reflectancia de 216 mm x 279 mm (81/2 pulg. x 11 pulg.) de papel blanco mantenida perpendicularmente al eje óptico del sensor. El área de detección será más pequeña para materiales que son menos reflectivos y mayor para los que tienen una reflectancia mayor. Los objetos menores disminuyen el tamaño del contorno de haz de algunos sensores difusos a mayores valores del rango. Los objetos difusos con superficies que no están perpendiculares al eje óptico del sensor también disminuirán significativamente la respuesta del sensor.
Es importante notar que el tamaño eficaz del haz del control retrorreflectivo es igual al tamaño de la diana retrorreflectiva. Las dianas reflectivas adicionales en el campo de visión aumentarán el exceso de ganancia y la distancia de operación, si el campo de visión es mayor que la diana inicial, según lo ilustrado en la (Figura 18).
Histéresis
Los sensores fotoeléctricos tienen histéresis (o diferencial).
La histéresis de un sensor fotoeléctrico es la diferencia entre la distancia en la que se puede detectar un objeto a medida que se mueve hacia el sensor y la distancia que se tiene que mover en dirección opuesta al sensor para que deje de ser detectado.
En la Figura 19 se muestra un ejemplo. Cuando la diana se acerca al sensor, éste la detectará a una distancia X. Cuando la diana se aleja del sensor, seguirá siendo detectada hasta llegar a una distancia Y.
Los sensores fotoeléctricos son útiles para detectar objetos grandes y opacos en aplicaciones de haz transmitido, retrorreflectivo y retrorreflectivo polarizado. En aplicaciones difusas, la gran diferencia en la luz reflejada desde el objeto y el fondo también permite el uso de sensores de alta histéresis.
La baja histéresis requiere pequeños cambios en el nivel de luz. Las series 10000 y 42FT permiten la selección de baja histéresis para estas aplicaciones.
Alineamiento de un sensor fotoeléctrico
El alineamiento adecuado del sensor dará lugar a una solución de detección más potente y que requiere menos mantenimiento.
Retrorreflectivos o retrorreflectivos polarizados
Apunte el sensor hacia el reflector (o cinta reflectiva). Separe lentamente éste hacia la izquierda hasta dejar de detectar el reflector. Marque esta posición, ahora mueva el sensor despacio hacia la derecha y fíjese en el momento en que deja de detectar al reflector. Centre el sensor entre estos dos puntos, repita la operación hacia arriba y abajo para centrarlo en el plano vertical.
Difuso (todos los tipos)
Apunte el sensor hacia la diana. Desplace el sensor hacia arriba y abajo, hacia la izquierda y derecha para centrar el haz en la diana.
Reduzca la sensibilidad exactamente hasta el punto en que deje de detectarse la diana y marque la posición del ajuste de sensibilidad.
Quite la diana e incremente la sensibilidad hasta detectar el fondo. Ajuste la sensibilidad en el punto medio entre la detección de la diana y la detección del fondo.
Haz transmitido
Apunte el reflector hacia la fuente de luz. Mueva lentamente el receptor hacia la izquierda hasta que la fuente de luz deje de ser detectada. Tome nota de esta posición, luego lentamente mueva el receptor hacia la derecha y tome nota cuando el reflector deje de ser detectado. Centre el receptor entre estas dos posiciones, luego muévalo hacia arriba y hacia abajo para centrarlo en el plano vertical.
b.3.a Ultrasónicos
Principios de operación
Los sensores ultrasónicos funcionan emitiendo y recibiendo ondas de sonido de alta frecuencia. La frecuencia generalmente es de aproximadamente 200 kHz, un valor demasiado alto para ser detectado por el oído humano.
Modos de operación
Hay dos modos básicos de operación: modo opuesto y modo difuso (eco).
En el modo opuesto, un sensor emite la onda de sonido y otro, montado en posición opuesta al emisor, recibe la onda de sonido.
En el modo difuso, el mismo sensor emite la onda de sonido y luego escucha el eco que rebota de un objeto.
Margen de detección
El rango de detección es la distancia dentro de la cual el sensor ultrasónico detectará un objeto bajo fluctuaciones de temperatura y voltaje.
Zona ciega
Los sensores ultrasónicos tienen una zona ciega inherente ubicada en la cara de detección. El tamaño de la zona ciega depende de la frecuencia del transductor. Los objetos ubicados dentro de la zona ciega no se pueden detectar de manera confiable.
Consideraciones sobre el objeto
Se deben tener en cuenta ciertas características de los objetos cuando se usan sensores ultrasónicos. Éstas incluyen la forma, el material, la temperatura, el tamaño y la posición del objeto.
Los materiales suaves tales como telas o caucho esponjoso son difíciles de detectar por la tecnología ultrasónica difusa porque no reflejan el sonido adecuadamente.
El objeto estándar para un sensor ultrasónico tipo difuso está establecido por el estándar de la Comisión Electrotécnica Internacional IEC 60947-5-2. El objeto estándar tiene forma cuadrada, un grosor de 1 mm y está hecho de metal con acabado laminado. El tamaño del objeto depende del margen de detección.
Para los sensores ultrasónicos de modo opuesto, no hay un estándar establecido
Los objetos estándar se usan para establecer los parámetros de rendimiento de los sensores. El usuario debe tener en consideración las diferencias de rendimiento debido a objetos no estándares.
Los sensores ultrasónicos funcionan emitiendo y recibiendo ondas de sonido de alta frecuencia. La frecuencia generalmente es de aproximadamente 200 kHz, un valor demasiado alto para ser detectado por el oído humano.
Modos de operación
Hay dos modos básicos de operación: modo opuesto y modo difuso (eco).
En el modo opuesto, un sensor emite la onda de sonido y otro, montado en posición opuesta al emisor, recibe la onda de sonido.
En el modo difuso, el mismo sensor emite la onda de sonido y luego escucha el eco que rebota de un objeto.
Margen de detección
El rango de detección es la distancia dentro de la cual el sensor ultrasónico detectará un objeto bajo fluctuaciones de temperatura y voltaje.
Zona ciega
Los sensores ultrasónicos tienen una zona ciega inherente ubicada en la cara de detección. El tamaño de la zona ciega depende de la frecuencia del transductor. Los objetos ubicados dentro de la zona ciega no se pueden detectar de manera confiable.
Consideraciones sobre el objeto
Se deben tener en cuenta ciertas características de los objetos cuando se usan sensores ultrasónicos. Éstas incluyen la forma, el material, la temperatura, el tamaño y la posición del objeto.
Los materiales suaves tales como telas o caucho esponjoso son difíciles de detectar por la tecnología ultrasónica difusa porque no reflejan el sonido adecuadamente.
El objeto estándar para un sensor ultrasónico tipo difuso está establecido por el estándar de la Comisión Electrotécnica Internacional IEC 60947-5-2. El objeto estándar tiene forma cuadrada, un grosor de 1 mm y está hecho de metal con acabado laminado. El tamaño del objeto depende del margen de detección.
Para los sensores ultrasónicos de modo opuesto, no hay un estándar establecido
Los objetos estándar se usan para establecer los parámetros de rendimiento de los sensores. El usuario debe tener en consideración las diferencias de rendimiento debido a objetos no estándares.
3.2 Medición de la Aceleración
Las técnicas convencionales para detectar y medir la aceleración se fundamenta en el primer principio descubierto por Newton y descritos en su Principio de Newton en 1687. La aceleración constante de una masa implica una fuerza (F = m x a), donde F es la fuerza, a es la aceleración y m es la masa. Muchos acelerómetros operan detectando la fuerza ejercida en una masa por una limitación elástica.
Considerando un sistema mecánico simple, que consiste en una masa fija m, con un muelle con una rigidez k (constante). Si la masa se desplaza una distancia x, la aceleración debida a la fuerza restauradora del muelle es F = k * x. Substituyendo en la ecuación de Newton, encontramos que a=k*x/m y podemos derivar la magnitud de la aceleración observando el desplazamiento x de la masa fija. Este principio fundamental se utiliza hasta en el más sofisticado y caro acelerómetro electromecánico; así también trabajan los modernos acelerómetros micromecanizados.
La Aceleración es el cambio de la velocidad. La unidad de medida es: m/s², g (1g = 9.8m/s²)
3.2.1.1 Acelerómetros Capacitivos
Analog Devices con el acelerómetro monolítico ADXL50, se convirtió en la primera compañía que ha fabricó en producción de alto volumen un acelerómetro para aplicaciones en automoción como son los sistemas de suspensión activos, cierre de puertas automática, sistemas antibloqueo de frenos y "airbag", este importante desarrollo del acelerómetro no podía haber ocurrido en un tiempo mejor. El elemento sensor estaba complementado con una circuitería de acondicionamiento de señal con salida de voltaje proporcional a la aceleración. Posteriormente se ha mejorado la circuitería dando una salida digital con el ADXL202.
El sensor lo forma una superficie micromecanizada, es un minúsculo sensor de aceleración de movimiento en un circuito integrado de silicio de bajo coste. Solamente la superficie micromecanizada puede dar la combinación de alta seguridad en su funcionamiento y tamaño pequeño. El elemento sensor del acelerómetro mide cerca de 1 mm².
El silicio que se prueba a sí mismo: ¿Cómo puede probar un sistema "airbag" electromecánico para asegurar que está siempre listo para jugar su papel de salvamento?. La respuesta es muy simple: no puede.
Por esto los acelerómetros monolíticos de Analog Devices con su modo de autocomprobación natural, representan un avance muy importante. La estructura del sensor se hace una autoprueba, está diseñado para hacerse una autocomprobación continua con la aplicación de un comando digital. Esta característica esencial, única de Analog Devices asegura que el sistema trabajará en el instante necesario.
La superficie micromecanizada es una técnica de procesamiento utilizada para fabricar estructuras mecánicas extremadamente pequeñas de silicio. En realidad, el movimiento del elemento micromecanizado en el acelerómetro es menor de 1 mm². Utilizando los mismos pasos para hacer circuitos electrónicos convencionales, la superficie micromecanizada crea estructuras pequeñas que están cerca de la superficie del silicio, no obstante están libres para moverse.
La superficie micromecanizada no se debe confundir con el procesado del volumen micromecanizado utilizado para crear acelerómetros piezorresistivos que hay actualmente en el mercado. Esculpir un volumen micromecanizado a través de un substrato relativamente grueso, que varía desde 2.5 a 5 mm de lado. La superficie micromecanizada involucra depositar películas delgadas en el substrato. El resultado es un sistema de medición de aceleración completo en un espacio más pequeño de 10 mm². Estas dimensiones tan pequeñas también dejan sitio para la inclusión de todo el conjunto de circuitos de acondicionamiento de la señal necesaria en el mismo chip.
3.2.1.3 Funcionamiento del sensor micromecanizado
Cuando se observa el sensor micromecanizado parece una "H". Los delgados y largos brazos de la "H" están fijos al substrato. Los otros elementos están libres para moverse, lo forman una serie de filamentos finos, con una masa central, cada uno actúa como una placa de un condensador variable, de placas paralelo. La aceleración o desaceleración en el eje "SENSOR", ejerce una fuerza a la masa central. Al moverse libremente, la masa desplaza las minúsculas placas del condensador, provocando un cambio de capacidad. Este cambio de capacidad es detectado y procesado para obtener un voltaje de salida fácil de utilizar utilizando una tecnología BiCMOS (BiMOS II).
El dispositivo realmente trabaja en un lazo de control electrónico de fuerza/balanceo. Este lazo de control evita el movimiento de la masa en aceleración, por la aplicación de una fuerza igual pero opuesta creada por la aplicación de un voltaje en las placas del condensador. Este voltaje aplicado es directamente proporcional a la aceleración.
3.2.1.4 Otras Aplicaciones
La aceleración es una cantidad física fundamental, manifestada de muchas maneras (gravedad, vibración, y actividad sísmica), estos son algunos ejemplos. La medición de la aceleración continuamente, exactamente y a bajo coste, abre numerosas aplicaciones para los acelerómetros.
Los fabricantes de ordenadores portátiles continuamente buscan formas para hacer sus productos más seguros. Los elementos más dispuestos a dañarse son los dispositivos de almacenamiento masivo (con la consecuente pérdida catastrófica de información almacenada), discos duros particularmente. El delicado mecanismo que lee y escribe información a los discos, flota sobre los discos; un movimiento repentino puede provocar fácilmente un problema, destruyéndose igualmente la información. Un acelerómetro puede detectar el "ataque del daño potencial", contrarrestar los choques y evitar que se dañe el disco.
Muchos de nosotros hemos tenido la decepcionante experiencia de abrir un paquete grande y nos hemos encontrado los delicados contenidos totalmente maltratados debido a golpes externos. ¿Cómo ocurrió el daño?, ¿y de quien es la culpa?… Si una grabadora de mano (que consista de un acelerómetro, un cronómetro y un registro de información) se incluyera en la consignación, estas preguntas se podrían responder fácilmente. Tales grabadoras podrían ser la norma para transportar delicados y caros objetos…
Las aplicaciones militares incluyen ingeniosos sistemas de detonación para mísiles y bombas. En este caso un acelerómetro forma parte del sistema difuso, la detección de impacto por la rápida desaceleración asociada. La continua variación de salida del acelerómetro sería rápidamente analizado, estableciendo el instante preciso en que la carga explosiva debe ser detonada produciendo el daño máximo sobre el objetivo.
También puede ser utilizado para monitorizar máquinas de salud, maquinas de rotación para mostrar las características de vibración; grietas o fatigas de las máquinas, monitorizando continuamente las vibración de una máquina, es posible avisar de algún fallo inminente. Las aplicaciones varían según el tipo de máquina: desde una aeronave, sistemas de calentamiento, sistemas de ventilación y aire acondicionado.
3.2.1.5 Otros Desarrollos
El ADXL105 forma parte de una familia que incluye una sensibilidad de escala completa de ± 5 g, con una resolución de 10mg. También está en desarrollo una familia de sensores de diferentes rangos, con el elemento sensor micromecanizado, es posible incorporar varios en un mismo chip, orientados o no en la misma posición ortogonal. Es decir se pueden construir sensores de doble eje, como el ADXL202, permitiendo medir vectores de aceleración en el plano de superficie del chip y con una salida digital. Por otra parte, se pueden alinear dos o más sensores en el mismo plano, permitiendo sensar señales redundantes para detectar fallos en aplicaciones seguras.
3.2.2 Medida inercial de la velocidad y la posición
Midiendo la aceleración se puede determinar la velocidad y la posición. La Aceleración Integrada: una para velocidad, dos veces para la distancia.
Medida Relativa desde una posición inicial:
Puede ser exacta para periodos cortos de tiempo, pero la exactitud se degrada proporcionalmente al cuadrado del tiempo de integración. Es posible una exactitud Posicional de 2cm sobre un segundo. La exactitud Posicional se degrada a 20m después de 10 segundos de integración.
Aplicaciones: Mejora la precisión de los sistemas GPS (determina la posición del coche cuando el GPS pierde la señal en un túnel). Control dinámico de Vehículos (control de deslizamiento). Ascensores (mejora la precisión posicional usando la medida inercial entre puntos de localización de referencia conocidos)
3.2.3 Giróscopos monolíticos
Analog Devices ha fabricado el primer giroscopio monolítico para realizar medidas angulares (mide la velocidad en que gira sobre su propio eje). Puede medir cambios de inclinación o cambios de dirección integrando la velocidad angular.
3.2.3.1 Medida de la velocidad angular
La velocidad angular mide la rapidez en que gira un objeto alrededor de un eje. Integrando la velocidad angular se miden los cambios de inclinación o cambios de dirección.
La velocidad angular se mide midiendo la fuerza de Coriolis
¿Cuál es la fuerza de Coriolis?: Cuando un objeto se mueve de una manera periódica (oscilando o girando), girando el objeto en un plano ortogonal a su movimiento periódico causa una fuerza de traslación en la otra dirección ortogonal.
La velocidad angular se determina por la medida de la aceleración de Coriolis.
La Velocidad aplicada por medio de una estructura rígida resonando a 18KHz acoplada a un marco de un acelerómetro. La aceleración de Coriolis estará en la misma frecuencia y fase que el resonador, con tal que la baja velocidad de vibración externa pueda cancelarse. La familia ADXRS150 usa dos traviesas (masas) resonando en antifase. El funcionamiento diferencial permite el rechazo de muchos errores.
Aplicaciones: Control Dinámico de un Vehículo (VDC). Mide la velocidad sobre el eje vertical de un vehículo y compara el valor predictivo, por los sensores de velocidad de las ruedas, para ver si el vehículo se está deslizando. La mayoría de los sistemas VDC también incluyen acelerómetros de bajos g, que se usan para medir si el deslizamiento del vehículo es longitudinal para el control ABS o lateral para detectar pérdida de tracción.
3.2.3 Sensores Térmicos
3.2.3.1Termopar
Diagrama de funcionamiento del termopar
Un termopar es un circuito formado por dos metales distintos que produce un voltaje siempre y cuando los metales se encuentren a temperaturas diferentes.En electrónica, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son baratos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener.
El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas, son muy usadas en aplicaciones de calefacción a gas.
3.2.3.2 Funcionamiento
En 1822 el físico estoniano Thomas Seebeck descubrió accidentalmente que la unión entre dos metales genera un voltaje que es función de la temperatura. Los termopares funcionan bajo este principio, el llamado efecto Seebeck. Si bien casi cualquier par de metales pueden ser usados para crear un termopar, se usa un cierto número debido a que producen voltajes predecibles y amplios gradientes de temperatura.El diagrama inferior muestra un termopar del tipo K, que es el más popular:
En el diagrama de arriba, este termopar de tipo K producirá 12,2mV a 300ºC. Desafortunadamente no es posible conectar un voltímetro al termopar para medir este voltaje porque la conexión a las guías del voltímetro hará una segunda unión no deseada. Para realizar mediciones precisas se debe compensar al usar una técnica conocida como compensación de unión fría (CUF).La ley de los metales intermedios dice que un tercer metal introducido entre dos metales distintos de una unión de termopar no tendrá efecto siempre y cuando las dos uniones estén a la misma temperatura. Esta ley es importante en la construcción de uniones de termopares. Es posible hacer una unión termopar al estañar dos metales, ya que la estañadura no afectará la sensibilidad. En la práctica, las uniones termopares se realizan con soldaduras de los dos metales (por lo general con una carga capacitiva) ya que esto asegura que el desempeño no esté limitado al punto de fusión de una estañadura.
Por lo general, la temperatura de la unión fría es detectada por un termistor de precisión en buen contacto con los conectores de salida del instrumento de medición. Esta segunda lectura de temperatura, junto con la lectura del termopar es usada por el instrumento de medición para calcular la temperatura verdadera en el extremo del termopar. Para aplicaciones menos críticas, la CUF es usada por un sensor de temperatura semiconductor. Al combinar la señal de este semiconductor con la señal del termopar, la lectura correcta puede ser obtenida sin la necesidad o esfuerzo de registrar dos temperaturas. La comprensión de la compensación de unión fría es importante; cualquier error en la medición de la temperatura de la unión fría terminará en el error de la temperatura medida en el extremo del termopar.
Linearización
Además de lidiar con la CUF, el instrumento de medición debe además enfrentar el hecho de que la energía generada por un termopar no es lineal. La relación entre la temperatura y la generación de voltaje es un polinomio complejo (de 5º a 9º orden dependiendo del tipo de termopar). Los métodos análogos de linearización son usados en medidores termopares de bajo costo.
Modalidades de termopares
Los termopares están disponibles en diferentes modalidades, como sondas. Estas últimas son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación médica, sensores de temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la ciencia, etc.
A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo estándar, con pines redondos y el modelo miniatura, con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares.
Otro punto importante en la selección es el tipo de termopar, el aislamiento y la construcción de la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de temperatura a medir, precisión y confiabilidad en las lecturas.
3.2.3.3. Tipos de termopares
Tipo K (Cromo (Ni-Cr) / Aluminio (aleación de Ni-Al)): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.200 ºC y una sensibilidad 41&µV/°C aprox.
Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 &µV/°C.
Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC.
Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.
Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 &µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC).
Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. El tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje.
Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.600 ºC. Su baja sensibilidad (10 &µV/°C) y su elevado quitan su atractivo.
Tipo S (Hierro / Constantán): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.600 ºC, pero su baja sensibilidad (10 &µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).
Tipo T: es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200 ºC a 0 ºC. El conductor positivo está hecho de cobre y el negativo, de constantán.
Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.
Precauciones y consideraciones al usar termopares
La mayor parte de los problemas de medición y errores con los termopares se deben a la falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares. A continuación, un breve listado de los problemas más comunes que deben tenerse en cuenta.
Problemas de conexión
La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales del termopar. Se debe tener en cuenta que cualquier contacto entre dos metales distintos creará una unión. Si lo que se desea es aumentar la longitud de las guías, se debe usar el tipo correcto del cable de extensión. Así por ejemplo, el tipo K corresponde al termopar K. Al usar otro tipo se introducirá una unión termopar. Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada.
Resistencia de la guía
Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares están integrados con delgados cables. Esto puede causar que los termopares tengan una alta resistencia, la cual puede hacer que sea sensible al ruido y también puede causar errores debidos a la resistencia del instrumento de medición. Una unión termopar típica expuesta con 0,25 mm. tendrá una resistencia de cerca de 15 ohms por metro. Si se necesitan termopares con delgadas guías o largos cables, conviene mantener las guías cortas y entonces usar el cable de extensión, el cual es más grueso, (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir la resistencia del termopar antes de utilizarlo.
Descalibración
La descalibración es el proceso de alterar accidentalmente la conformación del cable del termopar. La causa más común es la difusión de partículas atmosféricas en el metal a los extremos de la temperatura de operación. Otras causas son las impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el cable del termopar. Si se opera a elevadas temperaturas, se deben revisar las especificaciones del aislante de la sonda.
Ruido
La salida de un termopar es una pequeña señal, así que es propenso a absorber ruido eléctrico. La mayoría de los instrumentos de medición rechazan cualquier modo de ruido (señales que están en el mismo cable o en ambos) así que el ruido puede ser minimizado al retorcer los cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido. Si se opera en un ambiente extremadamente ruidoso, (Ej: cerca de un gran motor), es necesario considerar usar un cable de extensión protegido. Si se sospecha de la recepción de ruido, primero se deben apagar todos los equipos sospechosos y comprobar si las lecturas cambian.
Voltaje en Modo Común
Aunque las señales del termopar son muy pequeñas, voltajes mucho más grandes pueden existir en el output del instrumento de medición. Estos voltajes pueden ser causados tanto por una recepción inductiva (un problema cuando se mide la temperatura de partes del motor y transformadores) o por las uniones a conexiones terrestres. Un ejemplo típico de uniones a tierra sería la medición de un tubo de agua caliente con un termopar sin aislamiento. Si existe alguna conexión terrestre pueden existir algunos voltios entre el tubo y la tierra del instrumento de medición. Estas señales están una vez más en el modo común (las mismas en ambos cables del termopar) así que no causarán ningún problema con la mayoría de los instrumentos siempre y cuando no sean demasiado grandes. Voltajes del modo común pueden ser minimizados al usar los mismos recaudos del cableado establecidos para el ruido, y también al usar termopares aislados.
Desviación térmica
Al calentar la masa de los termopares se extrae energía que afectará a la temperatura que se trata determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura de un líquido en un tubo de ensayo: existen dos problemas potenciales. El primero es que la energía del calor viajará hasta el cable del termopar y se disipará hacia la atmósfera reduciendo así la temperatura del líquido alrededor de los cables. Un problema similar puede ocurrir si un termopar no está suficientemente inmerso en el líquido, debido a un ambiente de temperatura de aire más frío en los cables, la conducción térmica puede causar que la unión del termopar esté a una temperatura diferente del líquido mismo. En este ejemplo, un termopar con cables más delgados puede ser útil, ya que causará un gradiente de temperatura más pronunciado a lo largo del cable del termopar en la unión entre el líquido y el aire del ambiente. Si se emplean termopares con cables delgados, se debe prestar atención a la resistencia de la guía. El uso de un termopar con delgados cables conectado a un termopar de extensión mucho más gruesa a menudo ofrece el mejor resultado.
3.2.3.4. Termistor
Un termistor es una resistencia eléctrica que varía su valor en función de la temperatura. Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.
3.2.3.4.1 Termistor NTC
Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura.
Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, étc.
La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:
, donde A y B son constantes que dependen del termistor.
La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.
Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad.
3.2.3.4.2. Termistor PTC
Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura.
Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.
El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta.
Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas.
Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente.
3.2.4. Sensores de Corriente Eléctrica
1. Inductivos: Transformadores de Corriente. El cable a medir pasa por medio de un núcleo magnético que tiene bobinado un secundario que proporciona una tensión proporcional a la corriente que circula por el cable.
2. Resistivos: Shunt. Una resistencia provoca una caída de tensión proporcional a la corriente que circula por dicha resistencia Shunt.
3. Magnéticos (Efecto Hall): El sensor mide el campo magnético de un núcleo, generado por la corriente que circula por el cable a medir, que bobina al núcleo.
4. Bobina Rogowsky: Miden los cambios de campo magnético alrededor de un hilo que circula una corriente para producir una señal de voltaje que es proporcional a la derivada de la corriente (di/dt).
3.2.4.1 Sensor de Corriente Inductivo
Los transformadores de corriente proporcionan además de la medida un aislamiento galvánico.
3.2.4.2 Sensor de Corriente Resistivo
Las resistencias "shunt" proporcionan una medición precisa y directa de la corriente, pero no ofrece ningún aislamiento galvánico.
3.2.4.2.1 Acondicionador de Señal de un Shunt
La aplicación típica de un shunt es para medir la corriente en la red eléctrica para calcular la potencia o para analizar la calidad de la red. También se utilizan para sensar la corriente en un sistema de control de motor por variación de frecuencia.
3.2.4.2.2 Selección de la Resistencia Sensor de Corriente (Shunt)
Es importante seleccionar una resistencia "shunt" apropiada de sensor de corriente; debe tener un valor muy bajo de resistencia para minimizar la disipación de potencia, un valor bajo de inductancia y una tolerancia razonablemente pequeña para mantener una precisión global en el circuito.
Aunque al bajar el valor de la resistencia sensor de corriente, disminuye la disipación de potencia, también disminuye el voltaje de salida a fondo de escala aplicado. Si la resistencia sensor es demasiada pequeña, el "offset" de entrada se puede hacer porcentualmente grande a fondo de escala. Estas dos consideraciones contradictorias tienen, por lo tanto, que ser sopesadas unas contra las otras en la selección de la resistencia apropiada para cada aplicación particular.
En general, hay que seleccionar el valor más bajo de la resistencia para que no impacte substancialmente a la precisión global del circuito. Localizada la resistencia sensor y colocando un amplificador operacional cerca de la misma, ayudará también a minimizar las interferencias electromagnéticas y mantener la precisión del circuito. Aunque es posible adquirir resistencias "shunt" sensor de corriente a fabricantes como: IRC, Dale, Ultronix, Isotek, y K-tronics, que son sólo algunos de los proveedores que fabrican resistencias apropiadas para aplicaciones de sensor de corriente, es también posible hacer una resistencia sensor utilizando diversos materiales, incluyendo un trozo de una pista de circuito impreso.
3.2.4.3 Sensores de corriente por campo magnético
Otras aplicaciones para los sensores magneto-resistivos de Philips son la medición de corriente eléctrica. El principio de medición de la corriente con un sensor magneto-resistivo es directo. Si una corriente, "i", que fluye a través de un hilo, genera un campo magnético alrededor del mismo que es directamente proporcional a la corriente. Midiendo la intensidad de este campo magnético con un sensor magneto-resistivo, se puede determinar exactamente la corriente. La relación entre la intensidad del campo magnético "H", la corriente "i" y la distancia "d" viene dado por:
La tabla anterior indica claramente que la medición de corriente puede involucrar medición de campos magnéticos débiles o fuertes. Como que la sensibilidad de los sensores magneto-resistivos se pueden ajustar fácilmente, utilizando diferentes configuraciones y diferentes electrónicas, un sensor individual se puede optimizar para una aplicación de medición de corriente específica, una clara ventaja sobre los sensores de efecto de Hall. La precisión alcanzable en la medición de corriente utilizando sensores magneto-resistivos es altamente dependiente de la configuración de la aplicación específica. Los factores que afectan a la precisión son las tolerancias mecánicas (tales como la distancia entre el sensor y el hilo), la deriva de la temperatura y la sensibilidad de la electrónica acondicionadora. Sin embargo, con los sensores magneto resistivos de Philips se acercan a precisiones del 1%.
Hay una diferencia general en la configuración utilizada cuando se usan sensores MR para medida de corriente alterna o continua, debida a los efectos perturbadores tales como el campo geomagnético de la Tierra. Para corrientes alternas, los campos perturbadores se pueden eliminar utilizando técnicas de filtrado, mientras que para corrientes continuas, se tienen que utilizar técnicas de compensación (utilizando por ejemplo dos sensores).
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