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• López Santiago

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*PORTADA *CONTENIDO *LISTADE FIGURAS. *LISTA DE TABLAS. *ACRONIMOS *INTRODUCCIÓN. 4.1. Elementos eléctricos básicos (botón pulsador, selectores, indicadores luminosos y acústicos. Botón pulsador

Son dispositivos para ayudar a cambiar el funcionamiento de una máquina, o entender su estado actual. los interruptores son aparatos con cierto poder de corte para abrir y/o cerrar circuitos bajo carga normal y circunstancialmente en condiciones de sobrecarga. Puede soportar cierto tiempo las condiciones anormales de corriente durante un cortocircuito pero no las interrumpe. Se construyen diferentes modelos de interruptores; basculantes (apagadores), rotativos, de cuchillas, etc. Sus principales características técnicas son las siguientes: Tensión nominal, Número de polos, Corriente nominal, Capacidad de interrupción y Sistema constructivo.

Figura 1.1 Botones Un botón o pulsador es un dispositivo utilizado para realizar cierta función. Los botones son de diversas formas y tamaños y se encuentran en todo tipo de dispositivos, aunque principalmente en aparatos eléctricos y electrónicos. Los botones son por lo general activados, al ser pulsados con un dedo. Permiten el flujo de corriente mientras son accionados. Cuando ya no se presiona sobre él vuelve a su posición de reposo. Puede ser un contacto normalmente abierto en reposo NA o NO (Normally Open en Inglés), o con un contacto normalmente cerrado en reposo NC. Consta del botón pulsador; una lámina conductora que establece contacto con los dos terminales al oprimir el botón, y un muelle que hace recobrar a la lámina su posición primitiva al cesar la presión sobre el botón pulsador.

Pulsadores: Son aparatos de maniobra con cierto poder de corte. Se diferencian de los interruptores porque cierran o abren circuitos mientras actúa sobre ellos una fuerza externa (del operador o usuario) en el mecanismo de accionamiento, el dispositivo retoma su posición de reposo una vez que cesa la fuerza aplicada. El más familiar de estos aparatos son los usados en las bocinas de automóviles y timbres residenciales. Las características eléctricas principales son similares a las reseñadas para los interruptores manuales. En los circuitos de control eléctrico son usados más a menudo como elementos de mando, que como elementos de maniobras. Los indicadores luminosos sirven para controlar de forma sencilla y rentable los estados de conmutación sin necesidad de dispositivos especiales. Un plástico óptico transfiere la luz de los LED mediante un arco hasta el nivel de inserción o a través del panel frontal. Los conductores de luz se enclavan simplemente detrás de los correspondientes conectores machos acodados (dirección de salida de 90°). Existen variantes con diferentes alturas de entrada de luz que permiten aprovechar de forma óptima la luz para LED de diferentes modelos/alturas. son muy utilizados como indicadores luminosos en dispositivos electrónicos, carteles, automóviles, semáforos, etc.

Indicadores acústicos Es una herramienta de sensibilización e información visual de los niveles acústicos. La grabación automática resulta particularmente adecuada para la gestión del ambiente sonoro. Según la configuración elegida, se puede visualizar un nivel instantáneo ponderado A (Lp) o un nivel de presión acústica equivalente (LAeq), siendo este último caso indicado en la pantalla con las palabras “Nivel Medio”. El equipo permite definir dos umbrales (triggers) diferentes que marcarán el cambio de color de los indicadores luminosos. Su fácil e intuitivo manejo, hacen que el sistema Sensibel sea ideal para visualizar y registrar niveles de ruido instantáneos y equivalentes de manera sencilla.

4.2. SENSORES CON CONTACTO (LIMIT SWITCH) Y SENSORES DE PROXIMIDAD ELECTRÓNICOS (INDUCTIVOS, CAPACITIVOS, ÓPTICOS, DE PRESIÓN MANOMÉTRICA Y DE VACÍO). SENSORES CON CONTACTO (LIMIT SWITCH) Dentro de los componentes electrónicos, se encuentra el final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido o de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito. Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados, de ahí la gran variedad de finales de carrera que existen en mercado. Los finales de carrera están fabricados en diferentes materiales tales como metal, plástico o fibra de vidrio. Son sensores de contacto que muestran una señal eléctrica, ante la presencia de un movimiento mecánico. Son utilizados ampliamente en ambientes industriales para censar la presencia de objetos en una posición específica. Se utilizan en diversas aplicaciones. Pueden determinar la presencia, ausencia, paso y posicionamiento de un objeto. En un comienzo se los utilizaba para definir el final del recorrido de un objeto, de ahí que se llamen "interruptores de final de carrera"

Diseño Consta de un accionador unido a una serie de contactos. Cuando un objeto entra en contacto con el accionador, el dispositivo activa (o acciona) los contactos para establecer o interrumpir una conexión eléctrica. Están compuestos por dos partes: un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento. Los interruptores de final de carrera están diseñados con dos tipos de cuerpo: enchufable y no enchufable.

Carcasas Enchufables: la carcasa enchufable se abre por la mitad para acceder al bloque de terminales. Si el interruptor sufre daños o se desgasta, basta con quitar el cuerpo del interruptor con su cabeza y enchufar uno nuevo. No hace falta volver a realizar el cableado. Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA o NO en inglés), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados. Existen los de lengüeta, bisagra, palanca con rodillo, varilla, palanca metálica con muelle, de pulsador, etc. Componentes Básicos:

Accionador: Es la parte del interruptor que entra en contacto con el objeto que se está detectando. Este tiene 2 posiciones, en reposo y posición de operación o punto de disparo.  Lateral Rotatorio  De pulsación lateral o superior.  De vástago oscilante o bigote de gato. Cabeza: En la cabeza se encuentra el mecanismo que transforma el movimiento del accionador en movimiento de contacto. Cuando el accionador se mueve correctamente, el mecanismo acciona los contactos del interruptor. Bloque de contactos: En el bloque de contactos se encuentran los elementos eléctricos de contacto del interruptor. Generalmente hay dos o cuatro pares de contactos.

Bloque de terminales: En el bloque de terminales se encuentran las terminales atornillables. Aquí se realiza la conexión eléctrica (por hilos) entre el interruptor y el resto del circuito de control. Cuerpo del interruptor: En un interruptor enchufable, el cuerpo del interruptor aloja el bloque de contactos. En un interruptor no enchufable, encontrará el bloque de contactos y el bloque de terminales del interruptor. Base: En un interruptor enchufable, la base aloja el bloque de terminales. Los interruptores no enchufables no tienen una base aparte. El sensor emite una señal de Encendido/Apagado. (digital) basándose en la presencia o ausencia del objeto en cuestión. Tipos de Salida: Hay dos tipos de salidas: electromecánica y de estado sólido. Electromecánica  Relé  Interruptor Estado sólido o electrónico  Transistor  Transistor de efecto de campo (FET)  Triac  Analógico  Red o bus El tipo de salida que se elija dependerá de la interface que se haya definido en la aplicación y de los tipos de salida disponibles para el sensor con el que se está trabajando. Hay que conectarlos en una salida digital ya que solo dan dos valores: abierto o cerrado. Principio de Funcionamiento El movimiento mecánico en forma de leva o empujador actúa sobre la palanca o pistón de accionamiento del interruptor de posición haciendo abrir o cerrar un contacto eléctrico del interruptor. Esta señal eléctrica se utiliza para posicionar, contar, parar o iniciar una secuencia Operativa al actuar sobre los elementos de control de la máquina. Estos sensores tienen dos tipos de funcionamiento: modo positivo y modo negativo. En el modo positivo el sensor se activa cuando el elemento a controlar tiene una tara que hace que el eje se eleve y conecte el contacto móvil con el contacto NC. Cuando el muelle (resorte de presión) se rompe el sensor se queda desconectado.

El modo negativo es la inversa del modo anterior, cuando el objeto controlado tiene un saliente que empuje el eje hacia abajo, forzando el resorte de copa y haciendo que se cierre el circuito. En este modo cuando el muelle falla y se rompe permanece activado.

SENSORES DE PROXIMIDAD ELECTRÓNICOS (INDUCTIVOS, CAPACITIVOS, ÓPTICOS, DE PRESIÓN MANOMÉTRICA Y DE VACÍO). La definición formal va como Undispositivo que detecta la presencia o ausencia de un objeto, o ciertas propiedades de ese objeto, y provee retroalimentación sin entrar en contacto con ellos. Los sensores miden la magnitud física y la convierten en una señal que puede ser leída fácilmente por el usuario o un instrumento electrónico simple. Hay varios sensores que trabajan en el campo de la ciencia hoy en día. Algunos sensores están hechos para ser utilizados en la vida cotidiana, mientras que hay muchos sensores que han estado facilitando los seres humanos en la investigación y el campo de la ingeniería. Sensor de proximidad El propósito básico de un sensor de proximidad es percibir lo que sucede con objeto sin estar en contacto con el. Un sensor de proximidad crea un campo alrededor de él mediante la emisión de radiaciones electromagnéticas. El haz de radiaciones electromagnéticas rastrea cualquier objeto u obstáculo en su camino. El término objetivo se utiliza para el objeto que un sensor de proximidad intuye en su camino. El sensor busca cualquier alteración realizada en su campo. El objetivo general sustituye a un determinado haz del campo o los obstáculos de su proyección. Diferentes campos o sensores se utilizan para detectar diferentes objetivos. La falta de contacto físico con el objetivo por lo general hace un incremento en la vida de un sensor de proximidad. La ausencia de piezas mecánicas lo hace más confiable y le otorga una larga vida. Rango nominal es el rango máximo del campo en el que un sensor puede detectar la presencia de cualquier objeto. Es la mayor distancia a través de la cual detecta el objetivo. La mayoría de estos sensores tienen un rango nominal ajustable. Su nivel se puede ajustar de acuerdo a la presencia de objeto. Este sensor tiene un transmisor y un receptor. El transmisor emite rayos infrarrojos que, cuando rebotan después de tocar algún objeto, son captados por el receptor. Sobre la base del tiempo empleado por los rayos de volver al sensor, se puede determinar qué tan lejos o cerca está el objeto del sensor. Estos sensores se utilizan principalmente en aplicaciones donde se requiere la detección de corto alcance.

Sensor de proximidad inductivo Los sensores inductivos describen la naturaleza de los metales y los sentidos si son o no ferrosos. Tienen amplia gama de uso como el descubrimiento de las partes que faltan, llegar a percibir la ubicación o para contar el número de objetos. Son un mejor reemplazo de interruptores que los hace más factible. Ellos tienen velocidades relativamente más altas y son más fiables. Un campo electromagnético de alta frecuencia se extiende alrededor de un sensor inductivo. Cuando hay algo presente dentro de la gama, la corriente es inducida en el sensor. Esto produce alteraciones en el oscilador del sensor y se pierde algo de energía. Los sensores inductivos generan un campo electromagnético de alta frecuencia. Se construyen típicamente utilizando una bobina y un núcleo de ferrita. Cuando un objeto pasa a través del campo magnético del sensor, la corriente inducida en la superficie del objetivo cambia las características del oscilador que genera el campo, haciendo que se pierda energía. El sensor identifica la pérdida de energía; esto convierte la salida de encendido o apagado. Los sensores inductivos se utilizan en el campo de la aviación y la automatización. Detecta los objetos metálicos en la maquinaria. Se utilizan cuando se requiere un sensor con la naturaleza no magnético

diseño Un material no férrico es cualquier metal que no contenga hierro. El sensor de proximidad inductivo consta de una bobina en un núcleo de ferrita, un oscilador, un detector de nivel de disparador de señal y un circuito de salida.

Partes de un sensor inductivo

Cuando se introduce un objeto metálico en el campo, se inducen unas corrientes parásitas en dicho objeto. Como resultado de esto se produce una pérdida de energía y una menor amplitud de oscilación. El circuito detector reconoce entonces un cambio específico de amplitud y como resultado de ello genera una señal que "activa" o "desactiva" la salida del dispositivo de semiconductores.

Si un objeto metálico se acerca a un sensor inductivo (arriba), absorbe la energía generada por el oscilador. Cuando el objeto está en un rango cercano, la reducción de energía detiene el oscilador (centro) y cambia el estado de la salida (abajo). La cara activa de un sensor de proximidad inductivo es la superficie en la que emerge el campo electromagnético. El objeto que mejor detecta este tipo de sensor es un cuadrado de acero dulce de 1 mm de espesor con medidas laterales iguales al diámetro de la cara activa o 3 veces la distancia nominal de conmutación, lo que sea mayor.

Objeto normal para sensores de proximidad inductivos

Para determinar la distancia de detección para materiales distintos al acero dulce normal, se emplea un factor de corrección. En este caso, la distancia de detección nominal para dicho objeto será la distancia de detección nominal para el acero dulce multiplicada por el factor de corrección. En los sensores inductivos, la composición del objeto tiene un gran efecto en la distancia de detección de los mismos. En la siguiente tabla se muestran los factores de corrección a utilizar para los materiales más comunes.

El tamaño y forma del objeto también afectan a la distancia de detección. Debe utilizarse lo siguiente como pauta general a corregir de acuerdo al tamaño y forma de un objeto: 

Se prefieren los objetos planos.



Los objetos redondeados pueden reducir la distancia de detección.



Los materiales no férricos generalmente reducen la distancia de detección.



Los objetos más grandes que la cara de detección pueden aumentar la distancia de detección.



Las láminas metálicas pueden aumentar la distancia de detección.

Sensor de proximidad inductivo tipo cable

Generalmente se distinguen dos tipos de sensores inductivos: PNP con salida positiva y NPN con salida negativa. En el PNP según vimos anteriormente, la carga se conecta entre el terminal BK y masa. En el NPN la carga se conecta entre el terminal BK y el positivo. Cuando el sensor de la figura detecte un objeto, se aplicará una tensión de 12 voltios sobre la carga. Los diodos sirven para proporcionar una protección.

Esquema interno sensor PNP

Esquema interno sensor NPN Como principales ventajas de este tipo de sensores tenemos: 

No se desgastan.



No entran en contacto directo con el objeto a detectar.



Tienen un tiempo de reacción muy reducido.



Tiempo de vida largo e independiente del número de detecciones.



Son insensibles al polvo y a la humedad.



Incluyen indicadores LED de estado y tienen una estructura modular (pueden conectarse varios en serie o en paralelo)



Entre los principales inconvenientes podemos citar:



Sólo detectan la presencia de objetos metálicos.



Pueden verse afectados por campos electromagnéticos intensos.

Este es el caso, por ejemplo, de los soldadores, en los que las corrientes de elevada energía que se desarrollan en los electrodos producen ondas electromagnéticas cuyo campo puede inducir un cambio en el del sensor, similar al creado por un objeto a detectar.

Sensor de proximidad inductivo tipo conector Las aplicaciones de estos sensores son diversas. A continuación, tenemos una pequeña muestra de las mismas: 

Detección del émbolo de un cilindro.



Detección del sentido de giro.



Detección de la velocidad.



Detección de objetos.



Etc.

Sensores de proximidad inductivos en máquinas herramienta

Sensores de proximidad inductivos para detectar la situación de la tuerca en un transformador Sensores de proximidad capacitivos Los sensores capacitivos se pueden utilizar para detectar objetos de metal, así como casi todos los otros materiales. Detectan niveles de líquidos, mezclas químicas y el nivel del líquido, etc. de cualquier objeto dentro del rango. Se utilizan generalmente para fines industriales. Estos sensores son capaces de detectar materiales dieléctricos como el plástico, de vidrio o de fluidos. Les permite averiguar el nivel de diferentes materiales en sus composiciones. Gran parte de un sensor capacitivo se compone de dos electrodos metálicos que funcionan como un capacitor. Estos electrodos se colocan en el bucle de realimentación de un oscilador de alta frecuencia. Cuando no hay ningún objeto, el rango de capacidad del sensor disminuye y la amplitud de oscilación se vuelve baja. Un objetivo que está en la cara de un sensor añade capacitancia que aumenta posteriormente la amplitud de la oscilación. Se calcula por un circuito de evaluación que obtiene a su vez en la salida. Por lo general, los sensores capacitivos son más sensibles lo que les permite un buen rendimiento en aplicaciones complejas. Ellos se utilizan para detectar objetos muy pequeños.

El mecanismo interno del sensor, tal y como se aprecia en la siguiente figura, consta de una sonda capacitiva, un oscilador, un rectificador de señales, un circuito filtrador y un circuito de salida

Partes de un sensor capacitivo Su principio de operación es el siguiente: En ausencia de un objeto, el oscilador está inactivo. Cuando un objeto se aproxima, eleva la capacitad del sistema de la sonda. Cuando la capacidad alcanza un umbral especificado, el oscilador se activa, lo que activa a su vez el circuito de salida para cambiar entre "encendido" y "apagado". La capacidad del sistema de la sonda está determinada por el tamaño del objeto, la constante dieléctrica y la distancia con respecto a la sonda. Cuanto mayor sea el tamaño y la constante dieléctrica de un objeto, mayor será el aumento de la capacidad de este. Cuanto menor sea la distancia entre el objeto y la sonda, mayor será el aumento de la capacidad del objeto. En el estudio de la electricidad, se denomina capacidad, a la propiedad de un conductor de adquirir carga eléctrica cuando es sometido a un potencial eléctrico con respecto a otro en estado neutro. La capacidad queda definida numéricamente por la carga que adquiere por cada unidad de potencial. En el Sistema Internacional ( S.I. ) la capacidad se mide en faradios, F, siendo un faradio la capacidad de un conductor que al estar sometido a una diferencia de potencial de un voltio, adquiere una carga eléctrica de un culombio. Un dieléctrico es un material no conductor ( vacío, aire, papel, etc. ). Para cada material dieléctrico existe un factor K llamado, constante dieléctrica. La constante dieléctrica es una propiedad macroscópica . Define la polaridad de una sustancia y guarda estrecha relación con el momento bipolar total de cada una de las moléculas que conforman esa sustancia. En su valor influyen muchos factores, como el peso molecular, la forma de la molécula, la dirección de sus enlaces ( geometría de la molécula ) o el tipo de interacciones que presente. Al igual que en los sensores inductivos, el objeto que mejor detecta este tipo de sensor es un cuadrado de 1 mm de espesor con medidas laterales iguales al diámetro de la cara activa o 3 veces la distancia nominal de conmutación, lo que sea mayor.

Para un tamaño de objeto dado, los factores de. corrección de los sensores capacitivos están determinados por la constante diélectrica del material del objeto. Los materiales con valores mas altos de constante dieléctrica son más fáciles de detectar que aquellos con valores más bajos. Entre las ventajas de este. tipo de sensores tenemos: 

Detectan objetos metálicos y no metálicos, así como líquidos y sólidos.



Pueden "ver a través" de ciertos materiales.



Tienen una larga vida útil.

Por el contrario entre los inconvenientes encontramos: 

Distancia de detección corta y varía en función del material detectado.



El alcance de estos detectores varía notablemente en función de las características del ambiente, de la humedad y temperatura del aire y de la cantidad de polvo en suspensión.



No son selectivos con respecto al objeto detectado por lo que es esencial saber qué es lo que se aproxima al sensor.

Otro sensor capacitivo Entre las aplicaciones de estos tipos de sensores se encuentran: Detección de objetos a través de paredes no metálicas de grosor no superior a 4 mm, siempre que el material a detectar tenga una constante dieléctrica superior a 4 veces la de la pared. 

Nivel de llenado de contenedores de almacenamiento.



Detección de materiales no metálicos.



Detección de objetos de color mate o negro.



Detección del nivel de líquidos.



Detección del nivel .de material a granel.

La utilización de este tipo de sensores no está muy extendida limitándose a los casos en que no sea posible aplicar otra tecnología, como por ejemplo, con líquidos y materiales granulosos o pulverulentos. Sensores de proximidad ópticos Los detectores ópticos emplean fotocélulas como elementos de detección. Algunos tipos disponen de un cabezal que incorpora un emisor de luz y la fotocélula de detección, actuando por reflexión y detección del haz de luz, reflejado sobre el objeto que se pretende detectar. Otros tipos trabajan con un emisor y un receptor separados (modo barrera), están diseñados para detección de mayores distancias. Ambos tipos suelen trabajar con frecuencias luminosas en la gama de los infrarrojos. Tipos de detectores ópticos según el modo de trabajo Reflexión sobre objeto o réflex: el emisor emite un haz de luz y cuando un objeto interfiere en su recorrido, la luz se refleja parcialmente hacia el receptor lo que hace que cambie su estado.

Reflexión sobre espejo: el detector emite un haz de luz que en reposo es reflejado por un espejo hacia el receptor del propio detector. Cuando un objeto interfiere en su área de trabajo, la luz deja de llegar al receptor del detector cambiando su salida. El tamaño del reflector debe ser menor o igual del objeto a detectar, pero teniendo en cuenta a la vez que cuanto mayor sea el tamaño, mayor será la posible distancia de detección.

Barrera óptica: El emisor y receptor del detector forman cuerpos separados. El emisor produce un haz de luz que en reposo llega al receptor creándose una especie de barrera de luz. Cuando un objeto interfiere en el haz de luz, el receptor deja de recibirlo, modificando su salida.

Fibra óptica: En cualquiera de los tipos anteriores la luz puede ser canalizada mediante fibra óptica, pero como la fibra atenúa la luz, la distancia de detección se reduce. Los puntos de emisión y recepción de luz están separados de la unidad generadora, y unidos a ella mediante fibra, de esta forma se puede llevar a lugares de difícil acceso.

Detectores laser: los detectores láser utilizan una luz de alta intensidad visible que permite una instalación y ajuste fácil. Se pueden utilizar en cualquier modo de operación.

La tecnología del láser permite la detección de objetos sumamente pequeños a una distancia elevada, por ejemplo 0.1 mm2 a una distancia de 80 cm. Podría detectarse un hilo de 0,1 mm de diámetro.

4.3. Relevadores y temporizadores.

4.4. Electroválvulas neumáticas e hidráulicas. 4.5. Circuitos de control eléctrico para la neumática e hidráulica. 4.5.1 Circuitos Combinacionales. 4.5.2 Circuitos Secuenciales. *CONCLUSIONES. *REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.