Detectores o sensores de proximidad inductivos

Estos aparatos se utilizan principalmente en aplicaciones industriales. Detectan cualquier objeto metálico sin necesidad de contacto: control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de contaje.

Los detectores de proximidad inductivos aportan numerosas ventajas:

– compatibilidad con los automatismos electrónicos gracias a la posibilidad de cadencias elevadas,
– durabilidad independiente del número de ciclos de maniobra (ninguna pieza móvil y, por tanto, sin desgaste mecánico, contactos de salida estáticos),
– adaptación a ambientes húmedos, corrosivos y con atascos,
– detección de objetos frágiles, recién pintados, etc

Composición y funcionamiento

Un detector de proximidad inductivo detecta la presencia de cualquier objeto de material conductor sin necesidad de contacto físico. Consta de un oscilador, cuyos bobinados forman la cara sensible, y de una etapa de salida. El oscilador crea un campo electromagnético alterno delante de la cara sensible. La frecuencia del campo varía entre 100 y 600 kHz según el modelo.

Principio de funcionamiento de un detector inductivo

Principio de funcionamiento de un sensor inductivo

Cuando un objeto conductor penetra en este campo, soporta corrientes inducidas circulares que se desarrollan a su alrededor (efecto piel). Estas corrientes constituyen una sobrecarga para el sistema oscilador y provocan una reducción de la amplitud de las oscilaciones a medida que se acerca el objeto, hasta bloquearlas por completo. La detección del objeto es efectiva cuando la reducción de la amplitud de las oscilaciones es suficiente para provocar el cambio de estado de la salida del detector.

Composición de un detector de proximidad inductivo

Campo electromagnético y zona de influencia

El dibujo lateral representa el campo electromagnético generado por un detector inductivo. La intensidad del campo disminuye rápidamente a medida que se aleja de la cara sensible. La zona de influencia (la zona en la que la intensidad del campo es suficiente para que se produzca la detección) es por tanto más pequeña. Condiciona las distancias que deben respetarse entre aparatos o entre aparatos y masas metálicas.

Campo electromagnético y zona de influencia de un detector

Curvas y distancias de detección

Las curvas y distancias de detección se determinan mediante una placa cuadrada de acero dulce Fe 360 de 1 mm de espesor. El lado del cuadrado es igual al diámetro de la cara sensible (detectores cilíndricos) o al triple del alcance nominal Sn (detectores rectangulares).

Para trazar la curva de detección, la placa se sitúa a distintas distancias de la cara sensible, en paralelo y hasta los puntos de conmutación de la salida. La curva de detección se obtiene por la unión de estos puntos.

La norma IEC 947-5-2 proporciona la terminología utilizada para definir las distancias de detección de los detectores de proximidad inductivos:

Alcance nominal o alcance asignado Sn
Es el alcance convencional que permite designar el aparato y que figura en los catálogos de los fabricantes. No tiene en cuenta las dispersiones (fabricación, temperatura ambiente, tensión de alimentación).

Distancias de detección de sensores inductivos

Alcance real Sr
El alcance real Sr se mide bajo la tensión asignada Un y a la temperatura ambiente asignada Tn. Debe estar comprendida entre 90% y 110% del alcance Sn del detector.

0,9 Sn ≤ Sr ≤ 1,1 Sn

Alcance útil Su
El alcance útil Su se mide en los límites admisibles de temperatura ambiente Ta y de tensión de alimentación Ub. Debe estar comprendida entre 90% y 110% del alcance real Sr.

0,9 Sr ≤ Su ≤ 1,1 Sr

Alcance de trabajo Sa
El alcance de trabajo Sa está comprendido entre 0 y 81% del alcance nominal Sn. Es la zona de funcionamiento en la que se asegura la detección de la placa de medida, con independencia de las dispersiones de tensión y temperatura.

0 ≤ Sa ≤ 0,9 x 0,9 x Sn

Recorrido diferencial
En una máquina, la trayectoria de la pieza detectada nunca es totalmente uniforme debido a las vibraciones y a los juegos mecánicos. Por esta razón, un solo umbral de accionamiento y desactivación podría tener como consecuencia rebotes en la salida, especialmente en los casos de desplazamiento lento de la pieza que se detecta.

Para evitar este problema, la mayoría de los detectores utilizan un recorrido diferencial que permite obtener una conmutación franca de la salida.
El recorrido diferencial (o histéresis) H es la distancia medida entre el punto de accionamiento cuando la plaqueta de medida se aproxima al detector y el punto de desactivación cuando se aleja de él. Se expresa en % del alcance real Sr.

Reproductibilidad
La reproductibilidad (o fidelidad) R es la precisión de reproducción entre dos medidas del alcance útil para intervalos dados de tiempo, temperatura y tensión: 8 horas, 10 a 30 °C. Un ± 5%. Se expresa en % del alcance real Sr.

Coeficientes de corrección del alcance de trabajo

Parámetros que influyen en el alcance de trabajo

En numerosas aplicaciones, los objetos que se detectan son de acero y de dimensiones iguales o superiores a la cara sensible del detector. En estos casos, los valores “zona de funcionamiento” que se indican en los catálogos pueden utilizarse directamente.

En cambio, es necesario aplicar coeficientes correctores a Sa en los siguientes casos:
– material que no sea acero dulce (coeficiente Km),
– dimensiones inferiores a la cara sensible (coeficiente Kd),
– variaciones de la temperatura ambiente (coeficiente Kq),
– tensión de alimentación (coeficiente Kt = 0,9 en todos los
casos).

La elección del detector requiere la aplicación de la siguiente fórmula, en la que Sa corresponde al alcance de trabajo deseado:

El detector adecuado para la aplicación será aquel cuyo alcance nominal sea igual al resultado o inmediatamente superior.

Alcance de los detectores empotrables y no empotrables en el metal

Ejemplo
Comprobar si un detector cilíndrico Ø 18 mm, versión empotrable en el metal, es adecuado para detectar a una distancia de 3 mm y a una temperatura ambiente de 20 °C una cabeza de tornillo de 6 mm de diámetro de acero inoxidable 316. El coeficiente Kt (tensión) es 0,9. Las curvas adjuntas
determinan los coeficientes restantes:

Km (materia): 0,7
Kd (dimensiones): 0,75

Kq (temperatura): 0,98

El alcance nominal Sn de un detector cilíndrico Ø 18 mm empotrable en el metal es de 5 mm, es decir, inferior al valor calculado 6,48 mm. Por tanto, este tipo de detector no es adecuado. Será necesario utilizar un detector cilíndrico Ø 18 mm, no empotrable en el metal y con alcance nominal Sn de 8 mm.

Alimentación

Dependiendo de los modelos, los detectores pueden alimentarse en corriente alterna o continua, en corriente alterna y continua.

Alimentación en corriente alterna
Los límites de tensión del detector deben ser compatibles con la tensión nominal de la fuente.

Alimentación en corriente continua
Los límites de tensión del detector y el índice de ondulación admisible deben ser compatibles con la fuente. Si la fuente se basa en una red alterna monofásica, la tensión debe ser rectificada y filtrada asegurando que:
– la tensión de cresta de alimentación es inferior al límite
máximo que admite el producto,
– la tensión mínima de alimentación es superior al límite
mínimo garantizado del producto,
– el índice de ondulación no supera el 10%.

Fuente de alimentación de corriente continua

Contactos de salida
Se ofrecen detectores con las siguientes salidas:
– cierre NO: el transistor o tiristor de salida se activa en presencia de una pantalla,
– apertura NC: el transistor o tiristor de salida se bloquea en presencia de una pantalla,
– inversor NO/NC: dos salidas complementarias, una activada y la otra bloqueada en presencia de una pantalla.

Contactos de sensores inductivos

Conexión de los sensores inductivos

Los detectores se dividen en dos grandes categorías: “técnica de 2 hilos” y “técnica de 3 hilos”.

Tipo 2 hilos
Los aparatos de este tipo se conectan en serie con la carga que se controla. Presentan:

– una corriente de fuga Ir: corriente que atraviesa el detector en estado bloqueado,
– una tensión residual Ud: tensión en las bornas del detector en estado activado, cuya posible influencia en la carga debe verificarse (umbrales de accionamiento y de desactivación). Existen las siguientes versiones de detectores de 2 hilos:
– alimentación de corriente continua, no polarizados,
– alimentación de corriente alterna/continua.

Corriente de fuga y tensión residual

Los aparatos de corriente continua no polarizados tienen protección contra sobrecargas y cortocircuitos. Las polaridades de conexión son indiferentes (ningún riesgo de error en la conexión). La carga puede unirse indistintamente al potencial positivo o negativo.

Conexión de detectores de 2 hilos

Asociación de los detectores de 2 hilos
La puesta en serie sólo es posible con aparatos multitensión: por ejemplo, detectores de 110/220 V o puesta en serie de dos aparatos con alimentación de 220 V. La caída de tensión en las bornas de la carga es igual a la suma de las tensiones residuales de los detectores.

En caso de puesta en serie con un contacto mecánico, el detector no se alimenta cuando el contacto está abierto. A su cierre, el detector sólo funciona una vez que transcurre el tiempo de retraso en la disponibilidad.

Asociación de sensores de 2 hilos inductivos

Se desaconseja la puesta en paralelo de detectores de 2 hilos entre sí o con un contacto mecánico. De hecho, si el detector d1 (ver dibujo adjunto) se encuentra en estado cerrado, d2 no se alimenta. Tras la apertura de d1, d2 comienza a funcionar una vez que transcurre el tiempo de retraso de la disponibilidad.

Tipo 3 hilos
Los detectores de 3 hilos se alimentan en corriente continua. Disponen de 2 hilos de alimentación y uno para la transmisión de la señal de salida. Ciertos aparatos tienen un hilo adicional para transmitir la señal complementaria (tipo 4 hilos NO + NC).

Todos están protegidos contra la inversión de los hilos de alimentación. La mayoría también lo están contra sobrecargas y cortocircuitos.

Estos aparatos no tienen corriente de fuga y su tensión residual es desdeñable. Por tanto, sólo debe tenerse en cuenta su límite de corriente conmutada para comprobar su compatibilidad con la carga.

Existen dos tipos de detectores de 3 hilos:
– aparatos básicos con salida PNP (carga a potencial negativo) o salida NPN (carga a potencial positivo),
– aparatos programables que, dependiendo de la polaridad de la conexión, permiten realizar una de las cuatro funciones PNP/NO, PNP/NC, NPN/NO, NPN/NC.

Conexión de detectores de 3 hilos

Asociación de los detectores de 3 hilos
La puesta en paralelo de los detectores de 3 hilos no tiene ningún tipo de restricción. Sin embargo, en el caso de puesta en serie, es necesario tener en cuenta los siguientes puntos:

– el detector d1 transporta la corriente consumida por la carga y las corrientes consumidas, sin carga, de los detectores restantes,
– cada detector produce una caída de tensión aproximada de 2 V en estado activado,
– cuando el detector d1 pasa al estado activado, el detector d2 sólo funciona una vez transcurrido el tiempo de retraso en la disponibilidad,

– utilizar diodos antirretorno con una carga inductiva.

Asociación de detectores de 3 hilos

Automatismos Eléctricos