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Escuela Colombiana de Carreras Industriales. Calderón, Mahecha. Sensor Inductivo.
Ingeniería Electrónica I/E 2006
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Resumen—
Oscilador
Resistencia
Bobina
Condensador
Amplificador Operacional
Diodo Rectificador
LED
Fuente DC
Índice de Términos—Sensor Inductivo, Amplificadores,
Rectificador, Voltaje, Corriente., Diodo, Bobina.
I. INTRODUCCIÓN.
El Sensor es un dispositivo que detecta una
determinada acción externa, temperatura, presión, etc., y la transmite adecuadamente.
Se realizara un Sensor inductivo capaz de detectar un metal, al
colocarla cercana a una bobina, está se realizara con un núcleo
de ferrita en forma de “U”, este núcleo deberá ser pequeño
para cuando se acerque un metal en el campo abierto del
núcleo en “U” se pueda cerrar mejor el campo eléctrico,
permitiendo que la inductancia varié de mejor manera, y así
poder obtener a la salida de un circuito tanque con su
respectiva frecuencia de resonancia una variación significante
de voltaje.
Un circuito tanque consta de elementos pasivos como una
resistencia (R), un condensador (C), una bobina (L),
alimentado con una señal AC. Con él puede existir una
frecuencia de resonancia (Fr) que es o se puede decir que es la
frecuencia donde se puede ver a la salida del circuito un
voltaje máximo que depende de la entrada (frecuencias
menores o mayores representarían un voltaje casi cero, y a
medida que se va acercando a la Fr el Vo va aumentando). Así
que al hacer variar la inductancia de alguna manera (ya
explicada), cambiaria la Fr permitiendo una caída significante
de voltaje, y con lo que se podría realizar el Sensor mencionado.
Aparte de utilizar este Sensor, se utilizara un diodo
rectificador para obtener un voltaje DC, amplificadores
Operacionales tanto como para amplificar la señal AC de
salida del circuito tanque, como para comparar, y así
utilizando LED’s saber si hay o no tapa.
El Laboratorio se presento o se realizo para que se pudiera
estudiar y entender un poco más sobre Sensores y poder
aplicar lo aprendido y algunos conceptos para realizar una
lógica y resolver un problema y así mismo implementar dichos conceptos mas adelante cuando se llegué a necesitar en un
circuito electrónico.
Este Laboratorio se desarrolló también para aprender más
sobre los conceptos de aquellos elementos que están o pueden
estar presentes en un circuito, como son las bobinas y además,
de cómo utilizarlos ágil y excelentemente para llegar a
manejarlos como debe ser.
El reporte que a continuación se le presenta da a conocer los
principales componentes y como estos interactúan entre sí para poder detectar un metal en el rango deseado, el
funcionamiento básico se basa en los principios de la teoría
electromagnética, como también otros conceptos de
electrónica ya que el uso de estos es indispensable para el
funcionamiento de nuestro detector.
También se da a conocer los principios del electromagnetismo
y como a través de los cambios cuantificados por medio de los
SENSOR DE METAL UTILIZANDO UNA
BOBINA
Calderón, Cristian., Mahecha, Roberto.
{Cacnlogan, Andres_1457}@[email protected]
ECCI
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componentes electrónicos se advierte la presencia de un metal.
Se da la descripción detallada del diagrama utilizado y una
explicación del funcionamiento del mismo.
I. II. OBJETIVOS
El poder emplear los conocimientos adquiridos de teoría
electromagnética de lo que son los campos magnéticos en una
bobina; los efectos en las bobinas mediante un cambio en la
permeabilidad del núcleo producido por un material ferroso, y
como este concepto se emplea para poder detectar un metal en
las proximidades del dispositivo.
II. AMPLIFICADORES OPERACIONALES
El modelo híbrido del Amplificador Operacional puede ser
representado así:
Contiene una fuente de tensión que depende de la tensión de
entrada. La impedancia de salida se representa con una
resistencia de valor Ro. El amplificador está excitado por dos
tensiones de entrada v+ y v-. Las dos terminales de entrada se conocen como entradas no inversora e inversora
respectivamente. De manera ideal, la salida del amplificador
depende no de las magnitudes de las dos tensiones de entrada,
sino de la diferencia entre ellas, así se designa una nueva
tensión de entrada llamada tensión diferencial de entrada,
como:
VVVd
(1)
El operacional típico tiene cuatro bloques,
El primero es el amplificador diferencial que puede tener una
entrada darlington o utilizar varios FET y una fuente de
corriente constante. Va seguido de una etapa amplificadora
lineal de alta ganancia, generalmente otro amplificador diferencial. Si la tensión de c.c existente en la salida del
amplificador de alta ganancia, no es cero voltios cuando v1 =
v2 = 0 V, se emplea un circuito desplazador de nivel tal como
un amplificador cascodo. La última etapa es un amplificador
de salida, habitualmente uno de simetría complementaria.
En la elaboración de los Amplificadores Operacionales
generalmente se utilizan más de 20 transistores.
III. RESISTENCIAS
Cuando los electrones son excitados a través de un conductor,
chocan entre sí y con otras partes de los átomos que componen
el material, estos choques interfieren el movimiento libre de
los electrones y generan calor, esta propiedad del material de
limitar la magnitud de la corriente y convertir la energía
eléctrica en energía calorífica se denomina resistencia; La
resistencia se mide con un ohmetro y generalmente se expresa
en ohms, kilohms, o megaohms.
La resistencia se puede definir entonces como el componente
que sirve para limitar la magnitud de la corriente, y convertir
la energía eléctrica en energía calorífica.
Resistencias en serie. En el arreglo de resistencias en serie
circula o pasa por cada una de ellas la misma corriente y caen
diferentes voltajes.
Resistencias en paralelo. En este arreglo la diferencia de
potencial a los extremos de cada una de ellas es la misma. Como no hay acumulación de cargas en ninguna parte, la
corriente se divide en él número de resistencias que halla.
IV. INDUCTANCIAS
Llamaremos inductancia al campo magnético que crea una
corriente eléctrica al pasar a través de una bobina de hilo
conductor enrollado alrededor de la misma que conforma un
inductor. Un inductor puede utilizarse para diferenciar señales
cambiantes rápidas o lentas. Al utilizar un inductor con un condensador, la tensión del inductor alcanza su valor máximo
a una frecuencia depéndete de la capacitancia y de la
inductancia. La inductancia depende de las características
físicas del conductor y de la longitud del mismo. Si se enrolla
un conductor, la inductancia aumenta. Con muchas espiras
(vueltas) se tendrá más inductancia que con pocas. Si a esto
añadimos un núcleo de ferrita, aumentaremos
considerablemente la inductancia. La energía almacenada en
el campo magnético de un inductor se calcula según la
siguiente formula:
2
2 LIW
(2)
Siendo: W = energía (julios); I = corriente (en amperios); L =
inductancia (henrios).
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Factores Que Determinan La Inductancia:
Las características físicas, o forma geométrica, tanto del
núcleo como de los devanados alrededor del núcleo, afectan a
la inductancia producida. Los inductores con núcleo
magnético tienen inductancia mucho mayores que los que
tienen núcleos aislantes o de aire. Esto se debe a que todas las
líneas de flujo producidas por un inductor, atraviesan el núcleo
y, al hacerlo, lo magnetizan si está hecho de material
magnético. Entonces las líneas de flujo del campo magnético
del núcleo, se suman y refuerzan a las líneas de fuerza
originadas por el devanado. Para determinado número de
espiras en el devanado inductor, un núcleo con una mayor área transversal producirá más líneas de flujo. Además, cuanto más
largo sea el núcleo para un número de vueltas dado, menos
líneas de flujo producirá. La inductancia, por lo tanto, es
directamente proporcional al área transversal del núcleo e
inversamente proporcional a su longitud.
El número y espaciamiento de las espiras individuales de
alambre en un inductor, también afectan considerablemente a
la inductancia. Cuantas más espiras se tengan, mayor será la
inductancia. Y cuanto más próximas estén las espiras entre sí,
también será mayor la inductancia. La relación entre la inductancia y todos los factores físicos que la afectan, se
expresa según la siguiente ecuación:
2
)256.1(
l
AunL
(3)
Donde n es el número de espiras; *u es la permeabilidad del
núcleo, la cual es grande para los materiales magnéticos y baja
para otros materiales; A es el área del núcleo y l la longitud.
Para cada material del núcleo magnético existe un punto en
que el núcleo se SATURA; entonces, ni siquiera cambios considerables en la corriente pueden aumentar el flujo.
La inductancia de una bobina con una sola capa bobinada al
aire puede ser calculada aproximadamente con la fórmula
simplificada siguiente:
ld
ndL
4018
22
(4)
Donde L = inductancia (micro henrios); d = diámetro de la
bobina (pulgadas); l = longitud de la bobina (pulgadas);
n = número de espiras o vueltas.
Como ya se ha dicho, la unidad para la inductancia es el
HENRIO (H) En una bobina habrá un henrio de inductancia cuando el cambio de un amperio/segundo en la corriente
eléctrica que fluye a través de ella provoque una fuerza
electromotriz opuesta de 1 voltio. Un transformador o dos
circuitos magnéticamente acoplados tendrán inductancia
mutua equivalente a un HENRIO cuando un cambio de 1
amperio /segundo en la corriente del circuito primario induce
tensión equivalente a 1 voltio en el circuito secundario.
IV.I INDUCTORES
Básicamente, todos los inductores se hacen devanando una
longitud de conductor alrededor de un núcleo. El conductor
suele ser alambre sólido de cobre revestido con aislamiento
esmaltado; y su núcleo está formado, ya sea de material
magnético, por ejemplo hierro pulverizado, o bien de material
aislante.
Cuando se devana un inductor alrededor de un núcleo aislante,
éste funciona sólo como soporte, ya pesado en la fabricación
del inductor, generalmente no se necesita un núcleo; las
espiras rígidas del alambre se mantiene por sí solas. Cuando no se usa núcleo magnético, se dice que el inductor tiene
núcleo de aire.
Los inductores con valores de inductancia fijos, reciben el
nombre de INDUCTORES FIJOS. Los inductores cuya
inductancia se puede variar en cierta escala, se llaman
inductores variables.
Generalmente, lo inductores variables están hechos de manera
que el núcleo se puede mover dentro y fuera del devanado.
Entonces la posición del núcleo determina el valor de la
inductancia.
A los inductores se les llama también frecuentemente
CHOKES O BOBINAS. Estos tres términos significan lo
mismo, y el lector debe familiarizarse con todos ellos.
V. CAPACITANCIA
Un par de conductores, separados ya sea por el espacio vació o
por un material no conductor, forma un capacitor. Los capacitores almacenan cargas. En su forma más común y útil,
están formados por dos conductores con cargas iguales, Q,
pero opuestas. Hay un voltaje (V), entre los conductores. La
relación de Q / V es constante entre dos conductores. La
relación Q / V depende de la forma y disposición de los dos
conductores de un capacitor (de su geometría, y del material
entre los conductores.)
Los capacitores son importantes por varias razones. Diversas
formas de capacitores pueden mantener distintas cantidades de
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carga para una determinado voltaje, o pueden mantener
distintos voltajes para determinada cantidad de carga. Con un
capacitor adecuado, podemos controlar el almacenamiento y la entrega de la carga. Igualmente, podemos emplear los
capacitores para controlar voltajes. Casi cualquier aparato con
circuito electrónico contiene capacitores.
Los capacitores tienen utilidad especial para almacenar carga a
corto plazo, al igual que energía. Otro empleo de los
capacitores es la entrega lenta, pero constante, de energía,
cuando los capacitores están acoplados con otros elementos de
circuito.
La carga en un capacitor es proporcional al voltaje. A la
constante de proporcionalidad se le llama capacitancia (C).
VI. SENSIBILIDAD Y ALCANCE EN UN SENSOR
Hay dos conceptos importantes a entender cuando se analiza la
sensibilidad y el alcance de cualquier tipo de sensor. La
sensibilidad es una medida de hasta qué grado la salida de la
señal cambia a la vez que las cantidades de las magnitudes
medidas. Llamemos a la salida del sensor r y a la cantidad
física medida x. Por ejemplo un fotodetector podría tener una tensión de salida de, digamos, 0.87 V (r) cuando es
bombardeado por 2.3 x 1013 fotones por segundo (x). La
sensibilidad del sensor se define como:
(5)
Un pequeño cambio en la cantidad medida, dx, se relaciona
con un pequeño cambio en la repuesta del sensor, dr, mediante
la sensibilidad S.
Un dispositivo sensor reacciona a la variación de niveles de algunos estímulos físicos produciendo una tensión
característica de salida (o corriente, o frecuencia, etc.). Casi
siempre, la circuitería asociada al sensor después amplifica o
transforma esta tensión y la introduce en un convertidor
analógico-digital conectado a un microprocesador. El
convertidor A/D es sensible sólo a rangos limitados de
tensiones, frecuentemente 0 á 5 V. En el caso del convertidor
A/D de 8-bits, este voltaje se convierte en 256 (28) niveles
discretos. Esta es por tanto la ventana del microprocesador al
mundo.
VII. EL LED (DIODO EMISOR DE LUZ)
El LED es una juntura PN que se diseño para emitir luz en el
momento que es polarizada directamente. Existen en el
mercado LED’s rojos amarillos y verdes, podemos también
encontrar infrarrojos.
Los LED’s son muy diferentes de las bombillas de filamento o
los pilotos de neón, para que un LED funcione necesitamos
muy poca corriente (20mA).
Si le agregamos una resistencia limitadora adecuada, lo
podemos conectar a cualquier voltaje, el uso de los LED’s es
amplio.
Fórmula para la resistencia limitadora: Dividimos voltios por
0.02 amperios. Ejemplo: 220 voltios dividido 0.02 =
11,000(11K). Si queremos colocar un LED a la corriente
alterna debemos de colocar además de la resistencia un diodo
común en serie que supere el voltaje de entrada.
VIII. EL DIODO
Las propiedades de los materiales semiconductores se
conocían en 1874, cuando se observó la conducción en un
sentido en cristales de sulfuro.
25 años más tarde se empleó el rectificador de cristales de
galena para la detección de ondas. Durante la Segunda Guerra
Mundial se desarrolló el primer dispositivo con las
propiedades que hoy conocemos, el diodo de germanio.
IX. DIODOS RECTIFICADORES
Su construcción está basada en la unión PN siendo su
principal aplicación como rectificadores. Este tipo de diodos
(normalmente de silicio) soportan elevadas temperaturas
(hasta 200º C en la unión), siendo su resistencia muy baja y la
corriente en tensión inversa muy pequeña. Gracias a esto se
pueden construir diodos de pequeñas dimensiones para
potencias relativamente grandes, desbancando así a los diodos termoiónicos desde hace tiempo.
Sus aplicaciones van desde elemento indispensable en fuentes
de alimentación como en televisión, aparatos de rayos X y
microscopios electrónicos, donde deben rectificar tensiones
altísimas.
En fuentes de alimentación se utilizan los diodos formando
configuración en puente (con cuatro diodos en sistemas
monofásicos), o utilizando los puentes integrados que a tal
efecto se fabrican y que simplifican en gran medida el proceso de diseño de una placa de circuito impreso.
Los distintos encapsulados de estos diodos dependen del nivel
de potencia que tengan que disipar. Hasta 1w se emplean
encapsulados de plástico. Por encima de este valor el
encapsulado es metálico y en potencias más elevadas es
necesario que el encapsulado tenga previsto una rosca para
fijar este a un radiador y así ayudar al diodo a disipar el calor
producido por esas altas corrientes. Igual le pasa a los puentes
de diodos integrados.
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X. CAMPO MAGNÉTICO.
El campo magnético es una región del espacio en la que una
carga eléctrica puntual que, desplazándose a una velocidad , sufre una fuerza perpendicular y proporcional a la velocidad y
a una propiedad del campo, llamada inducción magnética, en
ese punto:
(6)
La existencia de un campo magnético se pone en evidencia
por la propiedad localizada en el espacio de orientar un
magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar
libremente). La aguja de una brújula, que pone en evidencia la
existencia del campo magnético terrestre, puede ser
considerada un magnetómetro.
X.I FUENTE DEL CAMPO.
Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de
ellas es una corriente eléctrica de convección, que da lugar a
un campo magnético estático. Por otro lado un corriente de
desplazamiento origina un campo magnético variante en el
tiempo, incluso aunque aquella sea estacionaria.
La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica
está dada por la ley de Ampère. El caso más general, que
incluye a la corriente de desplazaminto, lo da la ley de Ampère-Maxwell.
X.II INEXISTENCIA DE CARGAS MAGNÉTICAS
Cabe destacar que, a diferencia del campo eléctrico, en el
campo magnético no existen monopolos magnéticos, sólo
dipolos magnéticos, lo que significa que las líneas de campo
magnético son cerradas, esto es, el número neto de líneas de
campo que entran en una superficie es igual al número de líneas de campo que salen de la misma superficie. Un claro
ejemplo de esta propiedad viene representado por las líneas de
campo de un imán, donde se puede ver que el mismo número
de líneas de campo que salen del polo norte vuelve a entrar
por el polo sur, desde donde vuelven por el interior del imán
hasta el norte.
El sentido del campo magnético viene dado por la regla de la
mano derecha, siendo las pautas a seguir las siguientes:
En primer lugar se imagina un vector qv, en la misma
dirección de la trayectoria de la carga en movimiento. El sentido de este vector depende del signo de la carga, esto es, si
la carga es positiva y se mueve hacia la derecha, el vector +qv
estará orientado hacia la derecha. No obstante, si la carga es
negativa y se mueve hacia la derecha, el vector es -qv va hacia
la izquierda.
En segundo lugar, se imagina un vector Ur que va orientado
desde la carga hasta el punto en el que se quiere calcular el
campo magnético.
A continuación, vamos señalando con los cuatro dedos de la
mano derecha (índice, medio, anular y meñique), desde el
primer vector qv hasta el segundo vector Ur, por el camino
más corto o, lo que es lo mismo, el camino que forme el
ángulo menor entre los dos vectores. El pulgar extendido
indicará en ese punto el sentido del campo magnético.
El módulo del campo magnético generado por una única carga en movimiento (no por una corriente eléctrica) se calcula a
partir de la siguiente expresión:
(7)
Donde,
(8)
X.III UNIDADES.
La unidad de la densidad de campo magnético en el Sistema
Internacional de Unidades es el Tesla, pese a que a menudo se
emplea el Gauss. Sin embargo, la conversión es directa:
Un Tesla equivale a 1Vsm-2, o lo que es lo mismo, 1kg·s-2·A-1.
La unidad del campo magnético se puede expresar como
Ampere sobre Metro (A/m).
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XI. DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO.
(Detector de Metales)
El funcionamiento del detector de metales se basa por medio
del flujo de campo magnético a través de una bobina y como
este es afectado por la presencia de un material ferroso cuando
este se aproxima al flujo que atraviesa la bobina.
Este cambio afecta directamente la inductancia de la bobina ya
que la misma depende directamente de la permeabilidad del
núcleo la cual no es la misma debido a la desviación en las
líneas del flujo magnético cuando se le acerca un material que
afecte la permeabilidad medio por el cual atraviesa.
Esquema Del Circuito Tanque:
Fig (a)
La señal AC se trabajara con una amplitud de 2Vpp
aproximadamente. Por causa de la frecuencia de resonancia
(Fr = 23KHz) que este circuito trabaja, al hacer variar la
inductancia (aumentando su valor), cambiaria la Fr
permitiendo una caída de voltaje; Esto es una ventaja para
poder realizar un Sensor Inductivo; Su calculo depende de dos
variables, porque la formula para hallar esta frecuencia (Fr) depende tanto de la bobina, como del condensador en paralelo
con ella, y la formula para ello es:
LCFr
2
1
(9)
Si reemplazamos en la formula el valor de la bobina L
(0.457mH), y el valor del condensador C (100nF), dará como
resultado el valor que necesitamos en frecuencia para que el
circuito tanque funcione correctamente, y la bobina entre, en
resonancia.
A la salida del circuito tanque se colocara un amplificador
operacional configurado como Amplificador con entrada no
inversora, con un LM741, con Fuente Dual (+12, -12) y una
ganancia de más o menos 5 Veces, utilizando la formula:
1
Ra
Rfv
(10)
Queda,
12.2
10
v
(11)
Entonces,
5v
Esquema Del Circuito Amplificador:
Fig (b)
Luego rectificaremos la señal con un Diodo, polarizándolo de
buena manera y a la salida de esté un condensador electrolítico
de 0.1uF para terminar de rectificar la señal dando como
resultado una señal DC, además para que descargue y cargue
rápidamente el voltaje permitiendo una mayor eficacia en las
subidas y caídas de voltaje, ya que si el condensador fuera
mayor de por ejemplo 22uF se demoraría un tiempo en
cambiar de un nivel a otro de voltaje. El esquema quedaría
(Ver Fig. (c)).
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Fig (c)
Luego de esto seguirían los comparadores positivo y negativo.
Se alimentaran con una fuente única (12, 0), se utilizara un
mismo voltaje de referencia para los dos comparadores y se
colocaran en cascada uno detrás del otro, es decir la salida de
uno iría a la entrada del otro, de esta manera (Ver Fig. (d)).
Fig (d)
El primer comparador nos advertirá con un nivel alto a la
salida (encendiendo el LED verde) que no hay ningún metal
cercano a la bobina que pueda detectarse, por el contrario, el
segundo comparador nos avisara cuando hay un metal, dando
como resultado un nivel alto a la salida de esté (encendiendo
el LED rojo), y un nivel bajo en el anterior (apagando el LED verde). Para que haya un nivel alto a la salida del primer
comparador, en la entrada no inversora de esté, debe haber un
voltaje mayor que el del voltaje de referencia Vref, de lo
contrario habrá un nivel bajo a la salida permitiendo que en la
entrada inversora del segundo comparador haya un voltaje
menor que el voltaje de referencia, y lo que significaría un
nivel alto en la salida del comparador.
Analizando lo anterior se puede colocar a la salida del
segundo comparador, además de un LED rojo, un dispositivo
capaz de impartir sonido, como un pequeño parlante, o una
chicharra, con la ayuda de un transistor NPN para la
conmutación; entonces, esté dispositivo sonara en el momento
que se acerque un metal a la bobina, tanto como se encenderá
el LED rojo (Ver Fig (e)).
Fig (e)
Plano Completo Del Circuito Sensor:
XII. NUEVO SENSOR INDUCTIVO DE
DESPLAZAMIENTO PARA CONTROLES DE CALIDAD.
Omron ha lanzado uno de los sensores inductivos de
desplazamiento más precisos del mercado, con prestaciones de
equipo de instrumentación y orientado a aplicaciones de alta
precisión en los mercados más exigentes (packaging,
automóvil, metalurgia, cerámica, etc.).
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Sensor inductivo ZX-E DE Omron
El nuevo sensor ZX-E, perteneciente a la serie de sensores
inteligentes ZX de Omron, está pensado para implementar
soluciones de control de calidad. Su estructura está basada en
un amplificador fijo (con 3 salidas PNP o NPN y 1 salida
analógica) más una cabeza sensora de entre los 7 modelos
disponibles (roscadas de métrica M10, M12 y M18, plana y
sin rosca con diámetros de 8mm, 5,4mm y 3mm), que dan
respuesta a aplicaciones diversas como medidas muy precisas
de grosores, alturas, anchuras, excentricidades, posición, etc.
Ofrece un alto grado de precisión ya que para todas las
cabezas sensoras la resolución es de 1 micra. El rango de
detección varía en función de la cabeza sensora seleccionada
(∆3mm, ∆5,4mm, ∆8mm, M10, M12 y M18) y se encuentra
determinado entre los márgenes de 0,5mm a 7mm.
Esta precisión de 1 micra se mantiene casi invariable incluso
en aplicaciones con materiales distintos del hierro o el acero
difíciles de detectar, como son el cobre y el aluminio. Para
estos materiales, el sensor dispone de un modo de detección
específico mientras que, en los casos en los que el objeto a
medir sea de otro tipo de aleación, se puede crear una tabla de referencias haciendo un rápido y sencillo teaching a 0, 50% y
100% de la distancia total de detección.
XII. I LA PRECISIÓN SE MANTIENE INVARIABLE EN
APLICACIONES CON MATERIALES DISTINTOS DEL
HIERRO O EL ACERO DIFÍCILES DE DETECTAR COMO
SON EL COBRE Y EL ALUMINIO.
Este sensor ha sido desarrollado con prestaciones de equipo de instrumentación, prueba de ellos son las avanzadas funciones
y características descritas a continuación:
Unidad de cálculo para el procesamiento de las señales
procedentes de dos sensores inductivos de desplazamiento
ZX-E. Acoplando este accesorio entre dos amplificadores se
podrán realizar cálculos con las señales obtenidas por ambos
sensores sin necesidad de utilizar ningún dispositivo adicional.
A su vez, éste previene contra las interferencias mutuas
cuando varios sensores (hasta un máximo de 5) deben
conectarse contiguos para medidas múltiples sobre un mismo objeto.
Reconocimiento del tipo de sensor conectado, indicación
directa de la resolución y distancia de medida, función de
escalado, retención de la última medida, inversión del display, temporización de las salidas, comparación con objeto estándar,
cambio de la histéresis, etc. Toda una amplia gama de
funciones para facilitar el manejo y la resolución de
aplicaciones.
Mediante el software Smart Monitor se pueden configurar y
salvar los parámetros del ZX en un PC, así como realizar un
registro de medidas tanto digitales como analógicas, la gestión
de datos históricos y la visualización de la forma de onda y
salidas digitales como si de un osciloscopio se tratase. Por
todo ello, el nuevo sensor ZX-E es un equipo capacitado para
realizar un control de calidad en cualquier línea de montaje o producción.
Al disponer de tres salidas digitales para cada nivel umbral de
medida (Low, Pass y High), así como de una salida analógica
configurable en tensión o corriente y a su vez escalable, el
ZX-E es fácilmente integrable con los sistemas de control.
Otra característica fundamental es la velocidad de respuesta
300m, que ayuda en los procesos de empaquetado donde la
velocidad es un factor clave.
XII. II OTRA CARACTERÍSTICA FUNDAMENTAL ES LA
VELOCIDAD DE RESPUESTA 300M QUE AYUDA EN
LOS PROCESOS DE EMPAQUETADO DONDE LA
VELOCIDAD ES UN FACTOR CLAVE.
Además de su alta funcionalidad, es un equipo de sencilla
operación. Dispone de doble display reversible con caracteres
de gran visibilidad (7mm) que facilitan la visualización
simultánea de diferentes parámetros: nivel umbral, valor de
medida, resolución, salida analógica etc. El panel de control es
intuitivo y está compuesto por cinco botones y dos switches destinados a la configuración y parametrización de las
distintas funciones del dispositivo. Por otro lado y a fin de
simplificar al máximo la tarea de ajuste del sensor según el
tipo de detección o medida a realizar, el ZX-E incorpora tres
tipos de función teaching (posición, a dos puntos y
automático), así como la posibilidad de realizar un ajuste
manual cuando se conocen los distintos valores de referencia.
Estos sensores de desplazamiento inductivo complementan la
familia de sensores de desplazamiento láser ZX-L,
consiguiendo resolver aplicaciones donde las superficies brillantes, metálicas, con cambios de color así como con
manchas de aceites, dificultan la detección con equipos láser.
A pesar de su corta andadura, ya ha aportado diferentes
soluciones en distintos mercados.
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XII. III APLICACIONES.
Mercado de envase y embalaje: detección de sellado
defectuoso.
Durante los procesos de sellado es muy frecuente que el
material se deslice o resbale dentro de su envoltorio antes del
sellado mediante prensa de calor. Esto da lugar a productos
defectuosos y de mala calidad.
Un sistema de visión artificial resulta caro y no ofrece una
respuesta lo suficientemente rápida en este tipo de procesos.
La solución ideal es instalar un sensor ZX-E con el que se pueden detectar defectos de sellado de hasta una micra
consiguiendo tiempos de respuesta de 0,3ms. Además
simplifica la instalación y facilita el mantenimiento, ya que en
el peor de los casos (rotura del sensor) sólo sería necesario
reemplazar la cabeza sensora.
Las tres salidas digitales (High, Pass, Low) para cada nivel
umbral permiten distinguir dos defectos de sellado típicos: hay
material en el sellado (High) con lo que el sellado no llega a
cerrar y falta de una de las láminas del sellado (Low.)
Mercado de envase y embalaje: detección del vacío en botes
de conserva.
En la industria de alimentación es necesario que muchos de
los alimentos estén envasados al vacío. El control de calidad
debe asegurar que los botes estén al vacío para conservar las
propiedades de los alimentos y evitar su descomposición.
Se puede detectar si el bote está al vacío porque la tapa
metálica tiene forma cóncava debida a la diferencia de presión con la ambiental. Esta diferencia de altura en el centro de la
tapa se mide con el sensor ZX-E al cual no le influyen los
distintos colores de las tapas.
La función de medidor de panel facilita la programación y la
monitorización. Además mediante las salidas digitales (High,
Pass, Low) se pueden discriminar los botes buenos (High) de
los botes que no están al vacío (Pass) y de los que están
demasiado llenos o la tapa no está bien roscada (Low.)
XIII. CONCLUSIONES.
Las líneas de flujo magnético que atraviesan una bobina se
ven afectadas por la presencia de un material ferroso debido a
que este modifica la permeabilidad del medio en que las líneas
fluyen y con ello se cambia la inductancia en la bobina.
Fue necesario utilizar dos etapas de comparación para que
fuera posible la implementación del sensor como detector o no
de metal, realizado con un amplificador operacional LF353, y
utilizando un solo voltaje de referencia (Vref) para ambos
comparadores.
Se logro entender el funcionamiento y comportamiento de una
bobina implementándola en un circuito tanque como sensor.
Se logro comprender también como un circuito tal ves un poco
sencillo físicamente y en su funcionamiento se puede lograr
hacer un sensor de metal excelente con una señal AC, aunque
mejorándolo en su diseño, con cosas tales como la
amplificación, rectificación, y comparación de la señal para
así poder indicar un estado u otro con LED’s.
Utilizando un núcleo de ferrita en forma de “U” en una bobina se puede hacer que está varié al acercársele al campo abierto
del núcleo en “U” algo metálico (o material ferroso), al añadir
esta bobina a un circuito tanque se podría crear un detector de
metales, lógicamente se tendría que añadir otros circuitos más
adelante para su mayor eficacia.
REFERENCIAS
[1] Boylestad, Robert. “Análisis Introductorio de Circuitos”. Prentice Hall. México 1992.
[2] Roller D. y Blum R., Electricidad y Magnetismo,
Reverté.
[3] Tipler F. J., Física, Reverté.
[4] A. Peña-F. Garzo Física COU Mc Grau Hill.
[5] H. Poor, An. Introduction to Signal Detection and
Estimation. Mexico: Springer-Verlag, 1985, ch. 4.
Autores
CALDERÓN NIEVES, Cristian Andrés de Gigante. Técnico
Profesional en Electrónica Industrial de la Escuela
Colombiana de Carreras Industriales.
MAHECHA, Andrés Roberto. Técnico Profesional en
Electrónica Industrial de la Escuela Colombiana de Carreras
Industriales.
