Sensores Capacitivos: Características y Aplicaciones

• Los sensores y detectores son dispositivos utilizados para medir y señalar cambios en las condiciones ambientales.
• Pedro Huerta es quien presenta la información sobre sensores y detectores.

Introducción a los Sensores

• Un sistema de control PLC (Controlador Lógico Programable) utiliza sensores para recibir información del proceso y actuadores para realizar acciones.
• Ejemplos de medidas del proceso incluyen temperatura, posición, nivel, caudal y velocidad.

Jerarquía de Automatización

• Los niveles de jerarquía en la automatización industrial incluyen desde el operario/gerencia hasta los sensores y actuadores.
• El HMI-SCADA (Interfaz Humano-Máquina y Control Supervisorio y Adquisición de Datos) y el PLC se encuentran en niveles intermedios.
• Las redes industriales conectan los diferentes componentes del sistema.

¿Qué es un Sensor?

• Un sensor es un dispositivo para detectar y señalar una condición de cambio.
• Esta condición puede ser la presencia o ausencia de un objeto o material (detección discreta) o una cantidad medible (detección analógica).

Transformación de Señales

• Los sensores transforman señales físicas como temperatura, posición y longitud en señales eléctricas.

Tipos de Detección

• La detección discreta se refiere a condiciones binarias, como la presencia o ausencia de algo.
• La detección continua implica la medición de cantidades analógicas.

Componentes Básicos de un Sensor

• Un sensor incluye un elemento sensor, un circuito electrónico de acondicionamiento de la señal y una salida de señal eléctrica normalizada.
• El elemento sensor convierte la variable física en una señal eléctrica, que luego se acondiciona para su uso.

Sensor Ideal vs. Sensor Real

• Un sensor ideal proporciona una señal proporcional a la magnitud medida, independientemente de las condiciones ambientales.
• En la práctica, los sensores reales se desvían de este ideal.
• La sensibilidad de un transductor se representa como la pendiente de la línea en una gráfica de la función de transferencia.

Clasificación de Sensores

• Los sensores se pueden clasificar según la información que proporcionan (discreta o continua) y el tipo de señal (digital o analógica).
• También se clasifican según el principio físico (resistivo, inductivo, capacitivo) y la magnitud a medir (presencia, posición, velocidad, presión, nivel, fuerza).

Calibración

• La calibración es el ajuste de las salidas de un sensor a valores conocidos.

Características de los Sensores

• Rango: Valores mínimo y máximo de la variable física que el sensor puede medir.
• Amplitud: Diferencia entre los valores máximos y mínimos de entrada.
• Exactitud: Diferencia entre el valor medido y el valor real.
• Precisión: Cercanía entre un conjunto de valores medidos.
• Sensibilidad: Mínimo valor de la variable que produce un cambio en la salida.
• Histéresis: Diferencia en la salida cuando la entrada se varía aumentando y disminuyendo.
• Resolución: Cambio mínimo en la entrada que el sensor puede detectar.
• Tiempo de respuesta: Tiempo que el sensor tarda en seguir las variaciones de la entrada.
• Reproducibilidad: Capacidad del sensor de producir la misma salida para la misma entrada.
• Linealidad: Cercanía de la correlación entre entrada y salida a una línea recta.

Características Eléctricas de los Sensores

• Tensión de alimentación: Normalmente 24V, con un rango posible de 10-90V.
• Intensidad máxima de salida: Corriente máxima que el sensor puede suministrar al activar su salida (150 mA o 250 mA según el tamaño).
• Tipos según su tamaño: Mini (<8mm), Estándar (10mm-22mm), >22mm.

Tipo de Salida

• Salida a relé: Usada para corrientes de cierta importancia (bobinas contactores).
• Salida a transistor con colector abierto: Otra opción común de salida.
• Salida a Triac: Variante para trabajar con corriente alterna.

Tipo de Conexión

• Detectores de tres hilos: Pueden ser de CC o CA.
• Detectores de dos hilos: También pueden ser de CC o CA.

Conexión a 3 Hilos de CC

• Pueden tener salida a relé o a transistor, siendo más comunes estos últimos.
• Pueden ser de tipo P o N, dependiendo de la polaridad que entrega el contacto del relé.

Características Eléctricas con Salida a Transistor

• Los sensores pueden ser PNP o NPN, dependiendo de cómo se conectan al circuito.

Sensores Capacitivos

• Detectan sin contacto materiales conductores o aislantes.
• Los sensores capacitivos constan de un condensador que genera un campo eléctrico.
• El cambio en la capacitancia debido a la proximidad de un objeto se detecta internamente.
• Este cambio afecta la frecuencia de resonancia del circuito interno.

Funcionamiento

• La frecuencia de oscilación se ve afectada por la proximidad de materiales.
• La variación de frecuencia es detectada por el circuito electrónico del sensor, que suministra una señal de salida analógica o digital (Todo o Nada).

Ventajas y Desventajas de los Sensores Capacitivos

• Ventajas: No necesitan contacto con el objeto detectado, detectan metales, no metales y líquidos, pueden "ver a través" de ciertos materiales y buena adaptación a entornos industriales.
• Desventajas: Distancia de detección corta (aprox. 2.54cm) y sensibles a factores ambientales como la humedad.

Aplicaciones de los Sensores Capacitivos

• Control de nivel en recipientes metálicos y no metálicos.
• Control de nivel en recipientes metálicos con ventanas de plástico o vidrio.

Distancia de Detección en Sensores Capacitivos

• Los sensores capacitivos detectan a distancias cortas, que varían según el tamaño del sensor y el tipo de material.
• Los fabricantes especifican las distancias de detección utilizando una "banderola estándar" de pieza metálica.

Banderola Estándar en Sensores Capacitivos

• Todos los fabricantes especifican sus distancias de detección usando la misma referencia.
• Las características constructivas de la banderola estándar son de Hierro FE 360 con espesor de 1 mm, y su dimensión es un cuadrado de lado igual al diámetro de la cara activa del sensor.
• Para cada tamaño de sensor, hay una banderola del tamaño adecuado.
• La distancia real de detección se calcula multiplicando la distancia nominal por un factor de reducción según el material: Hierro FE 360 (1), Vidrio (0,6), PVC (0,4), etc.

Sensores Inductivos

• Estos detectores de proximidad detectan metales ferromagnéticos sin contacto físico, basándose en la detección de variaciones del campo magnético.

Sensores Inductivos: Banderola Estándar

• Los sensores inductivos tienen una distancia de detección que depende del material detectado, en relación con una banderola estándar (Hierro FE 360).
• Las características constructivas de la banderola estándar son de Hierro FE 360 con espesor de 1 mm, y su dimensión es un cuadrado de lado igual al diámetro de la cara activa del sensor.
• La distancia real de detección se calcula multiplicando la distancia nominal por un factor de reducción según el material.

Sensores Inductivos: Aplicaciones y Tipos

• Los sensores inductivos pueden utilizarse para detectar la ruptura de brocas, la posición de válvulas, la presencia de tornillos y tuercas, etc.

Símbolos de Sensores de Proximidad

• Los símbolos varían según el tipo de sensor y su función (contacto por proximidad, sensible al tacto, capacitivo, etc.).

Conexión de Sensores PNP y NPN

Sensores Tipo NAMUR

• Sensores a prueba de explosión que no producen chispa.
• Se utilizan en procesos con riesgo de incendio o explosión, como disolventes, pinturas, telas, algodón y gases.
• Se identifican con una "N" al final de la referencia. La limitación de energía se hace en el equipo.
• El oscilador electromagnético está separado del amplificador.

Finales de Carrera

• Detectan presencia/ausencia, paso y posicionamiento.
• Transforman un movimiento mecánico en una señal eléctrica.

Características de los Finales de Carrera

• Tensión de corte nominal: V AC/DC.
• Carga: Amperios.
• Tipo de contacto: 1, 2 o más contactos conmutados.
• Tipo de protección: Terminales de tornillo, sellados, etc.
• Actuador: Palanca, rodillo, varilla, etc.

Sensores Fotoeléctricos

• La luz es una forma de energía que permite ver los objetos y apreciar características como forma y color.
• Se propaga en todas direcciones, en línea recta y a una velocidad de 300.000 km/s.
• Ciertos cuerpos emiten luz (fuentes luminosas naturales o artificiales).

Reflexión de la Luz

• Cuando la luz choca con un cuerpo, parte de los rayos se refleja.
• La reflexión puede ser regular (especular) en superficies pulimentadas o irregular (difusa) en superficies rugosas.
• Parte de la luz absorbida se transforma en energía térmica, aumentando la temperatura del cuerpo.

Reflexión de la Luz: Brillo y Difusión

• La luz se refleja de manera diferente en cuerpos brillantes y difusos.

Sensores Fotoeléctricos y el Espectro de Luz

• Los sensores fotoeléctricos utilizan diferentes longitudes de onda para detectar objetos.

El Color de los Objetos

• El color es la mezcla de longitudes de onda reflejadas por un objeto..
• Los objetos blancos reflejan todas las longitudes de onda, mientras que los negros las absorben.

Sensores Fotoeléctricos: Cuerpo Negro/Blanco

• Un cuerpo blanco refleja la luz emitida, mientras que un cuerpo negro la absorbe.

Componentes de un Sensor Fotoeléctrico

• Los sensores fotoeléctricos básicos utilizan una fuente de luz y un receptor.
• Se pueden configurar como barrera, reflexivos con espejo o autorreflexivos.
• Incorpora diodo emisor de luz, foto-receptor.

Sensores Fotoeléctricos con Fibra Óptica

• Láser en donde la reflexión total interna permite guiar la luz.

Encoders

• Se basan en la detección de señales de luz a través de un disco o regla móvil.
• El disco/regla tiene zonas transparentes y opacas.
• Existen encoders absolutos (miden posición absoluta) e incrementales (miden incrementos de posición).

Encoder Incremental

• Contiene dos anillos concéntricos con líneas equidistantes desfasadas.
• Al girar, se producen dos señales desfasadas +/- 90º, que indican el sentido de giro.
• Una tercera señal de referencia da un pulso por vuelta para la sincronización inicial.
• La resolución depende del número de líneas por vuelta.

Encoder Absoluto

• La posición se codifica en el disco en código Gray.
• La resolución depende del número de pistas.
• Más pistas implican un disco más grande.

Sensores de Presión

• Basados en la deformación de un elemento elástico, detectada por un transductor.
• Pueden medir presión absoluta o relativa/diferencial..

Galgas Extensométricas

• Miden la deformación producida por una fuerza.
• Constituidas por un hilo de cobre.
• La deformación del hilo produce una variación de la resistencia.

Galgas Extensométricas

• Se puede convertir variaciones de resistencia en variaciones de tensión mediante un puente de Wheatstone
• Para compensar variaciones de resistencia por temperatura se puede usar dos galgas perpendiculares.

Galgas Extensométricas III

• Distintas configuraciones se pueden usar para configuraciones de fuerzas.

Sensores de Temperatura

• Los termostatos conmutan a cierta temperatura y los termopares usan dos hilos metálicos diferentes unidos por un extremo.
• Las termoresistencias (RTD) basan su funcionamiento en el cambio de resistencia con la temperatura.
• Los termistores (NTC-PTC) son semiconductores con resistencia variable.
• Los pirómetros miden temperaturas superiores a 600 °C sin contacto.

Termostatos

• Mantienen constante la temperatura de un proceso.
• Un sensor detecta cambios de temperatura, actuando sobre un interruptor que controla un elemento calefactor o enfriador.
• Pueden ser bimetálicos, de parafina o electrónicos.

Sensores de Temperatura: Termopares

• Basados en el efecto Seebeck.
• Formados por dos hilos de distintos metales unidos en un extremo.
• Miden diferencias de temperatura entre los extremos de los hilos y la unión. V = K(t1 - t2).
• Las características del termopar (rango de medida, linealidad, etc.) varían según los metales utilizados.

Sensores de Temperatura: RTD PT100

• Los sensores Pt100 son un tipo específico de detector de temperatura RTD (detector de temperatura por resistencia).
• Caracterizados por estar fabricados con platino con una resistencia eléctrica de 100 ohmios a 0 °C.

Sensores de Temperatura: Termistores

• Basado en la variación de la resistividad de semiconductore junto con la temperatura
• El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1 ºC, con rango de medición desde -55 °C hasta 150 °C, su salida es lineal y cada grado Celsius equivale a 10 mV.

Sensores de Temperatura: AD590

• Es un circuito integrado generador de corriente dependiente de la temperatura, tiene de valor y también ajusta.

Sensores de Temperatura: Pirómetros

• Los pirómetros miden la radiación electromagnética emitida por un objeto, que depende de su temperatura.

Sensores Magnéticos

• Tienen su mayor campo de aplicación en el mundo de la neumática.
• Se usan para detectar la posición de pistones en cilindros neumáticos especiales.
• Se montan sobre la carcasa y detectan un anillo magnético en el pistón.

Sensores Ultrasónicos I

• Detectores de proximidad sin contacto mecánico que detectan objetos hasta 8m, por medio de un pulso ultrasónico.

Sensores Ultrasónicos II

• Detectan objetos desde centímetros hasta metros y pueden detectar desde solidos a líquidos.
• Los sonidos supero el límite de audición(20Hz-20kHz) son ultrasonidos.

Sensores Piezoeléctricos

• La piezoelectricidad es un fenómeno que se da en cristales sometidos a tensión mecánica, produciendo una polarización eléctrica.
• Se aplican para medir presión, fuerza y aceleración.

Sensor Velocidad Viento Anemómetro

• Da impulsos en función de al velocidad del viento.

Sensor Dirección del viento

• Sensor potenciometrico que es rohs compliant.

Sensor de Presión- Motorola MPX2200AP

• Diferencia de potencial en función Presión/ Tensión de alimentación 12V. Debido a que las tensiones del sensor son muy pequeñas, lleva un amplificador instrumento

Sensor de Humedad

• Sensor micro Switch de -HIH-3605 en donde nos proporciona la tensión es base a la humedad // con un rango del 0 al 100%.

Explora las características de los sensores capacitivos, su funcionamiento en circuitos resonadores y su comparación con otros sensores. Analiza los efectos de la proximidad de objetos y las implicaciones de voltajes de alimentación incorrectos. También aborda las diferencias entre detectores Reed y de estado sólido.