Medición de otras variables importantes: Proximidad, Peso y Desplazamiento

16 Mayo 2010

 

En este articulo vamos a mencionar brevemente las características asociadas a otros dispositivos que comúnmente pueden encontrarse en mayor ó menos medida en las plantas industriales: peso, desplazamiento y proximidad.

 

 



MEDICIÓN DE PESO

 

Peso es una variable requerida para determinar el nivel de sólidos en un silo, la transferencia de sólidos a través de una faja transportadora o la velocidad de descarga de un alimentador y lógicamente el peso neto del producto en si. Se define como la fuerza ejercida sobre el objeto por la gravedad. El dispositivo más antiguo conocido para medir peso es la balaza mecánica de brazo. Otros dispositivos son la balanza pendular, la de balance con resorte y una combinación de éstos.

 

Con el tiempo, han aparecido las denominadas celdas de carga hidráulicas, neumáticas y eléctricas, éstas últimas basadas principalmente en la aplicación de galgas extensiométricas. El tipo de aplicación define la forma y tamaño de las celdas de carga. Incluso actualmente se tienen sistemas inalámbricos para el envío de la información del peso medido. Para el caso de laboratorio igualmente, la tecnología actual ha permitido el reemplazo de las balanzas mecánicas por electrónicas de gran precisión.

 

Existen aplicaciones en las cuales se pueden hacer mediciones de peso en movimiento, como es el caso de camiones de carga. A diferencia de ¡a mayoría de los sistemas hechos para tal fin en que se requiere que le vehículo se detenga, esta tecnología emplea varias microceldas a lo largo de la plataforma, las cuales envían información; electrónica a una computadora para realizar la medición.

 

Cuando se requiere un método sin contacto, especialmente para el traslado de sólidos por fajas transportadoras, se utiliza uno basado en la radiación de rayos Gamma, similar al de medición de nivel visto anteriormente. Aquí, se emiten los rayos desde una fuente hacia el material. En función a la cantidad de radiación absorbida por el mismo y la velocidad de la faja,, se determina el flujo del material.

 

Figura 16 Balanza que utiliza método radiactivo (cortesía de Therrtio Measuretech)

 

 

DESPLAZAMIENTO

 

A menudo se hace necesaria la medición del desplazamiento lineal o posición de un elemento mecánico. Los métodos empleados difieren según el tipo de aplicación. Lo común es que todos ellos ¡entregan una señal eléctrica proporcional al desplazamiento. Podemos mencionar dispositivos tales como los transformadores diferenciales de variación lineal (LVDT), los transductores potenciométricos o los encoders lineales.

 

Un LVDT es un dispositivo electromecánico con un núcleo magnético movible rodeado de tres bobinados cilindricos. Produce una señal ac o de proporcional al movimiento de su núcleo y es lineal sobre un rango especificado. El bobinado primario es excitado con una corriente ac, normalmente en la región de 1 a 10 kHz y entre 0,5 y 10 Vrms. Los otros dos bobinados, los secundarios, son enrollados en oposición, tal que cuando el núcleo de ferrita está en su posición central,! se induce el mismo voltaje en ambos. Dependiendo del desplazamiento del núcleo, la salida ac será proporcional al mismo y la fase de la señal indica la dirección del movimiento con respecto a su posición central.

 

Figura 17 LVDT

 

 

La electrónica asociada a un LVDT, combina ambas informaciones para que el usuario sepa la posición exacta del eje. Este transductor está limitado a relativamente cortos desplazamientos debido a su construcción inherente. Sin embargo, su resolución es virtualmente ilimitada y más bien está limitada por la electrónica externa.

 

Desde el punto de vista de su aspecto físico, un transductor potenciométrico es similar a un LVDT. Sin embargo al Igual que un potenciómetro, su medición se basa en el cambio de resistencia medida entre el cursor y uno de sus extremos. Prácticamente entonces es una resistencia variable con el desplazamiento lineal.

 

Los encoders comúnmente están asociados a la medición de rotación o movimiento circular (tal como los RVDT o transformadores diferenciales variables rotativos). Sin embargo existen encoders lineales, entre los cuales se pueden mencionar los ópticos, aunque también se tienen los de tipo magnético, inductivo y capacitivo.

 

En términos básicos, un encoder óptico lineal consiste en un cabezal explorador que se mueve con el motor y una escala de vidrio o acero montada en al parte estacionaria del sistema. El cabezal contiene una fuente de luz,, fotoceldas y la electrónica. Cuando el cabezal se mueve, la luz incidente sobre la escala es modulada por finas marcas en la superficie de la misma, produciendo salidas sinusoidales desde las fotoceldas. Estas salidas son desfasadas para obtener dos señales sinusoidales en cuadratura. La electrónica posteriormente las procesa para obtener señales digitales.

 

Al igual que los encoders rotativos, estos dispositivos tienen dos versiones, un tipo ¡ncremental que proveee la posición relativa y el tipo absoluto que provee una posición única. La resolución de estos dispositivos puede llegar a ser tan fina como 0,001 mm, con longitudes de exploración de hasta 30 metros y velocidades de hasta unos 15 m/ seg.

 

Figura 18 Encoders lineales

 

 

PROXIMIDAD

 

En muchos procesos industriales se requiere detectar la presencia de algún objeto o elemento mecánico con fines de control. La forma más simple es mediante el uso de dispositivos mecánicos tales como interruptores de fin de carrera (limit switches). Sin embargo no siempre es posible emplear estos métodos que involucran tener contacto con el elemento a detectar. En procesos que involucran por ejemplo el sensar el paso de un producto a través de una faja trasportadora es necesario en la rhayoría de los casos utilizar algún método sin contacto. Es así como se apalrecen como solución los denominados sensores o detectores de proximidad sin contacto. Entre estos tenemos los fotoeléctricos, los inductivos y los capacitivos.

 

Un sensor fotoeléctrico usa luz para detectar la presencia o ausencia de un objeto. Existen varios tipos: haz transmitido (thru-bejam), retro-reflectivo (reflex) y reflectivo difuso. El sensor de haz transmitido usa dos dispositivos (un transmisor y un receptor) frente a frente. La detección ocurre cuando un objeto bloquea o corta el haz de luz entre ellos.

 

Figura 19 Detector de haz transmitido

 

El detector retro-reflexivo emite un haz de luz que vuelve de regreso por acción de un reflector. Cuando un objeto bloquea el haz entre el sensor y el reflector, ocurre la detección.

 

Figura 20 Detector retro-reflexivo

 

Un detector reflectivo difuso, emite un haz que debe ser reflejado de regreso a él por el mismo objeto a ser detectado.

 

Figura 21 Detector reflexivo difuso

 

 

Existe un tipo especial de detector reflectiyo; difuso denominado de rechazo de fondo (background rejection). Este tiene dos detectores y tiene una capacidad de sensado extrema que permite al dispositivo detectar objetos independientemente del color, reflectancia, contraste o forma de su superficie, ignorando objetos que se encuentren fuera de su rango de detección. Un ejemplo interesante se ilustra a continuación. Aquí se requiere detectar la presencia o ausencia de tapas en las botellas. El detector debe tener la habilidad de sensar tapas de diferente reflectividad y color a la misma distancia. Además debe ser capaz de ignorar el borde de la botella cuando no tiene tapa.

 

 

Una alternativa interesante es el uso de cables de fibra óptica como detector. Esto es aplicable en situaciones en donde se hace difícil montar un sensor tradicional por razones de espacio. El diámetro de un cable de fibra óptica puede ser tan pequeño como 0,02 pulgadas. Está formado por un gran número de fibras de vidrio, protegidas contra golpes o excesivo flexionamiento. Desde que es luz y no corriente la que viaja por el cable, la señal no está afectada por interferencia electro magnética (EMI) ó vibración. Pueden soportar altas temperaturas y en algunos casos, sustancias químicas. Sin embargo sus desventajas son su limitada distancia de detección.

 

Existen dos tipos de sensores de fibra óptica, los de vidrio que transmiten la luz eficientemente a través del espectro visible y hacia el espectro infrarrojo y los de plástico que tienen una pobre eficiencia de transmisión sobre longitudes de onda infrarrojas. Consecuentemente, los primeros pueden ser usados tanto con fuentes de luz de ambos espectros mientras que los segundos solamente con sensores para el espectro visible.

 


Figura 23 Comparación entre tipos de fibra óptica:

 

 

Otra alternativa es el empleo de sensores de proximidad por ultrasonido, similares a los empleados para medir nivel. Se tienen ;de los tipos de set point simple o doble, retro-reflectivos y de haz transmitido. Pueden detectar en forma precisa objetos transparentes de vidrio o plástico, así como objetos translúcidos.

 

La técnica de alta frecuencia empleada en ellos, los hace prácticamente inmunes a la interferencia del ruido ambiental y en general en condiciones difíciles. Emplean un transductor sónico especial que permite la transmisión y el envío de ondas de sonido. El transductor ultrasónico emite un número de ondas de sonido que son reflejadas por un objeto de vuelta al transductor. Finalizada la emisión de éstas, el sensor de ultrasonido cambiará su estado a la condición de receptor. El tiempo transcurrido entre el envío y la recepción es proporcional a la distancia del objeto al sensor.

 

El sensado es solamente posible dentro del área de detección. Este rango puede ser ajustado por ei potenciómetro del sensor. Si un objeto es detectado dentro de esta área, la salida cambia de estado. El LED internamente construido indica este cambio.

 

Figura 24 Sensor por ultrasonido con salida digital (cortesía de Vydas)

 

Los detectores de proximidad del tipo inductivo o capacitivo, utilizan una característica eléctrica para detectar un objeto cercano, generalmente a no más de una pulgada. Los inductivos detectan solamente objetos metálicos mientras que los capacitivos pueden sensar tanto metálicos como no metálicos.

 

Un detector de proximidad inductiwo produce un campo de radio frecuencia invisible y oscilante. Cuando un objeto metálico ingresa a este campo, afecta a éste. Cada tipo y tamaño de sensor tiene un rango específico de sensado de modo tal que la detección tenga mucha exactitud y repetibilidad. Con su habilidad para detectar en un pequeño rango, estos sensores son muy útiles en aplicaciones de medición precisa y de inspección.

 

Entre las ventajas de estos dispositivos se encuentran su inmunidad a condiciones ambientales adversas, su velocidad de respuesta, detección de objeto metálicos a través de barreras no metálicas, su tiempo de vida y su construcción con estado sólido para entregar señales a equipos electrónicos. Sus desventajas incluyen su rango dé sensado limitado (máximo 4"), detectan solamente objetos metálicos y puede ser afectados por limaduras metálicas acumuladas en la cara del sensor.

 

Un detector capacitivo al igual que un condensador eléctrico, consiste de dos placas separadas por un aislante denominado; dieléctrico. En el dispositivo, una de las placas es parte del interruptor, el aislante es el encapsulado y el objeto a detectar, la otra placa. Estos sensores tienen típicamente un ajuste de sensibilidad y ueden detectar cualquier objeto siempre que tengan una constante dieléctrica mayor que el aire. Los líquidos y metales tienen una alta constante dieléctrica.

 

Entre sus ventajas se mencionan su capacidad para detectar tanto objetos metálicos como no metálicos y en un rango superior' que los inductivos, tienen rápida respuesta, pueden detectar líquidos a través de barreras no metálicas (vidrio, plástico) y larga vida y salida detestado sólido. Sus desventajas son que se afectan por los cambios de temperatura y humedad y no son tan precisos como los inductivos.

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado Ingeniero Electrónico especializado en Control, Automatizacion e Instrumentacion Industrial. Experimentado en el desarrollo, ejecución y gestión de proyectos asi como en la Operacion de sistemas automaticos.

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