SENSORES ULTRASONICOS
Los sensores ultrasnicos son interruptores electrnicos que
trabajan sin contacto. La parte emisora genera pulsos de sonidos
muy fuertes dentro del rango del ultrasonido. Hay sensores
ultrasnicos unidireccionales, pero la mayora son bidireccionales.
Aqu se aprovecha el efecto del rebote del sonido debido a la
presencia del objeto.
Adems, segn el tiempo que transcurre en ir y regresar el pulso
snico, se puede determinar la distancia entre el sensor y el
objeto. Las ondas snicas solo pueden irradiarse si existe un medio.
Este medio puede ser, para el caso del ultrasonido un gas, un
fluido o un material rgido. Normalmente los sensores ultrasnicos se
emplean bajo presin atmosfrica.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL
SENSOR ULTRASNICO La electrnica de control activa peridicamente el
amplificador de potencia, de modo que se genere durante un perodo
de tiempo (200 ms) un voltaje senoidal muy grande (400 Vpp). El
convertidor
acstico trabaja en este momento como si fuese un parlante y enva
un pulso ultrasnico (Burst) desde 100ms - 1 ms en el rango de 40 -
400 kHz. El convertidor acstico necesita un tiempo entre dos a tres
veces el tiempo de emisin del sonido para que se tranquilice otra
vez. Despus de que se haya tranquilizado, la electrnica de control
activa el modo de funcionamiento de recepcin. En este caso el
convertidor acstico trabaja como si fuese un micrfono. Si el pulso
ultrasnico incide en un objeto, se origina una reflexin del pulso,
que excitar el convertidor acstico. Este ltimo generar una
oscilacin senoidal que ir al amplificador.En algunos sensores
ultrasnicos, el corazn de la electrnica de control es un
microcontrolador con arquitectura RISC, como por ejemplo de la
familia PIC de Microchip. El procesador activa el amplificador de
potencia por aprox. 100ms, donde se genera el pulso snico. A la vez
se activa un contador digital, el cual al detenerse, comprueba si
este valor est dentro del valor de una distancia prefijada y se
activa la salida digital.Si la salida es anloga, se calcula con el
tiempo el valor correspondiente a la distancia, el cual es enviado
a un convertidor D/A para transformarlo en voltaje o
corriente.VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UNA SENSIBILIDAD ELEVADA.
Algunos fabricantes hacen trabajar al preamplificador con una
ganancia constante. Esta ganancia es elegida, de manera que se
pueda captar objetos de un cierto tamao dentro del rango de
deteccin. Otros fabricantes emplean otra tcnica. Si se detecta un
objeto, pero la seal que llega al preamplificador es muy pequea, la
ganancia es aumentada automticamente. Naturalmente que al tenerse
ganancias muy elevadas, se amplificarn tambin las perturbaciones y
el ruido del micrfono. Para que esto no cause problemas, se emplea
un filtro pasabanda que solo deja pasar el rango de frecuencias
emitido. La ventaja de esta tcnica radica en que objetos pequeos o
aquellos que reflejan poco, pueden ser detectados sin problemas. La
desventaja es que cuando se tiene detrs del objeto una superficie
altamente reflejante, se producirn ecos que podran activar el
sensor.Para un objeto que se encuentra a una distancia de 0.5m, el
tiempo del sonido que le toma para viajar de ida y vuelta es de
3ms. Tericamente se podra realizar 330 mediciones por segundo. Pero
en realidad solo se realizan 60.Esto se debe a los ecos, generados
principalmente cuando el objeto a detectarse tiene una superficie
con buena reflexin. Si se envan pulsos inmediatamente uno detrs de
otro, se podra generar errores de deteccin. Si se espera un tiempo
prudencial hasta que los ecos desaparezcan, la seal ya no puede ser
falseada. Algo semejante ocurre cuando detrs del objeto a
detectarse (el doble de la distancia mxima) se tiene una
superficie, la cual generar un eco lo suficientemente fuerte para
generar una seal falsa.Los sensores ultrasnicos poseen una zona de
muestreo de forma de cua con un ngulo de apertura del orden de 10 A
15o. Los objetos con un tamao mnimo recomendado sern detectados sin
problemas.
Zona ciega de 800mm, 6.000mm de distancia de trabajo. Este
sensor se emplea para mediciones de nivel de llenado en silos y
tanques. CONSIDERACIONES IMPORTANTES SUPERFICIES INCLINADAS
Al igual que los sensores pticos, cuando la superficie del
objeto est inclinada segn la perpendicular al rayo emitido, no se
podr reflejar la suficiente seal hacia el elemento receptor y por
lo tanto el sensor generar seales errneas de deteccin.DESVIACIN DEL
RAYO
Bajo condiciones agresivas o dificultad en el montaje (cuando el
sensor no se puede montar directamente), el sonido se puede desviar
empleando reflectores adecuados. Hay que considerar que cada desvio
origina prdidas y por eso no es recomendable desviar ms de dos
veces la seal.MATERIALES NO REFLEJANTES
Prcticamente se pueden detectar todos los materiales a la
temperatura ambiente. Incluso se detecta objetos transparentes,
donde el sensor fotoelctrico presenta algunas dificultades en su
deteccin. Para materiales ms difciles como la esponja (dunlopillo),
se pueden detectar an cuando su tamao no cubre todo el cono de
deteccin; es decir, cuando los objetos son pequeos. Para otros
materiales como el algodn, apenas se pueden detectar y es
recomendable hacer pruebas antes de emplear el sensor snico con
objetos de este tipo.FUERTES CORRIENTES DE VIENTO
Como se sabe, el sonido es desviado por corrientes de viento, ya
que el viento es el que transporta el sonido. Es por esto que se
presentan problemas cuando se tienen vientos fuertes (> 20 m/s),
ya sean si se presenten en forma radial o axial al sensor. Cuando
se quieren detectar objetos pequeos y el viento hace que el eco de
las superficies que estn detrs del objeto sean retornados hacia el
receptor, se presentarn problemas de deteccin.FORMACIN DE AGUA
CONDENSADA Y HIELO SOBRE LA SUPERFICIE DE EMISIN-DETECCIN DEL
SENSOR La influencia de la humedad en el funcionamiento del sensor
snico es despreciable. Pero si esta humedad se condensa en la
superficie de deteccin del sensor, se presentarn graves problemas,
pues el sensor pierde sensibilidad. Un sensor cubierto con hielo
deja prcticamente de funcionar. Pero polvo u otras partculas
sueltas apenas influyen en el funcionamiento del sensor. La
superficie de deteccin del sensor no deber ser pintada, como
tampoco se le deber pegarle alguna etiqueta.RUIDO EXTERNO
Hoy en da los sensores ultrasnicos con distancia de deteccin
hasta 2 m, trabajan con frecuencias mayores de 100 kHz. Gracias a
esto, estos sensores son prcticamente inmunes a los ruidos
externos. Si se tienen fuentes de ruido muy altos, que actan
directamente en el cono de deteccin, la sensibilidad del sensor se
atena, de modo que podra originar problemas con la deteccin de
objetos pequeos.DETECCIN DE CUERPOS CALIENTES Cuando se tienen
diferencias de temperaturas muy grandes, se puede originar la
ruptura del ruido o bin dispersin. Esto ocasiona problemas de
deteccin o tambin que el sensor no llegue a detectar nada. Los
objetos demasiados calientes apenas se pueden detectar debido a que
el sonido se dispersa. El problema se agrava cuando se desea
detectar distancias.
PROTECCIN CONTRA EXPLOSIN
Los sensores ultrasnicos no son, por razones fsicas, adecuados
para zonas explosivas. Su electrnica requiere de altos voltajes
(400 Vpp), grandes condensadores e inductancias, lo cual hace
imposible desarrollar una versin segura para este tipo de zonas.
Como el emisor y receptor de sonido deben estar en contacto directo
con el medio, no se puede tener un sensor en una carcaza
encapsulada.CONSEJOS PRCTICOS PARA EL MONTAJE PROTECCIN DEL SENSOR
En algunos casos se debe proteger al sensor colocndole alguna placa
o un tubo paralelo al cono de emisin. Pero si la superficie de este
objeto es irregular se presentarn ecos que originarn una seal de
deteccin indeseada.
SENSORES COLOCADOS UNO EN FRENTE DEL OTRO
Dos sensores no deben colocarse uno en frente del otro por la
influencia que se tiene debido al sonido emitido por el sensor
contrario. Esto ocurre an cuando la distancia de separacin entre
ellos es grande. Si esto no es evitable, la distancia mnima de
separacin entre los sensores deber ser el cuadruple de la mayor
distancia mxima de deteccin.
SINCRONIZACIN DE VARIOS SENSORES
Si dos sensores son montados uno cerca del otro en forma
paralela, podran presentarse problemas si el objeto esta colocado
de manera inclinada. Esto es debido a que el eco del sensor 1 es
detectado por el sensor 2, lo que hace que se reciba una seal
falsa. Esto se evita si los sensores tienen la posibilidad de poder
ser sincronizados.
FUNCIONAMIENTO MULTIPLEXADO
Este modo de funcionamiento posibilita montar varios sensores
sin tener ninguna distancia de separacin entre ellos debido a que
estos trabajan uno despus del otro en forma consecutiva. Pero se
debe tener en cuenta que los sensores ultrasnicos son mucho ms
lentos que los sensores inductivos, capacitivos u pticos. A travs
de una entrada especial (Scanning Input) se podr activar al sensor
mediante un sistema de control superior, como por ejemplo un PLC o
Microcontrolador. La frecuencia de escano deber ser mucho ms baja
que frecuencia la del sensor.CONEXIN E INSTALACIN
Los sensores ultrasnicos consumen ms corriente que los sensores
pticos y muchos ms que los inductivos y capacitivos. Para la
generacin del pulso snico, la electrnica del sensor requiere de un
enorme pulso de corriente. Con el empleo de condensadores
electrolticos grandes, se ayuda a la fuente de alimentacin a que
fluya un corriente contnua. El polo negativo del sensor debe
conectarse al negativo de la fuente de alimentacin, pues si la
tierra del lugar de montaje del sensor tiene otro potencial,
entonces circular por el sensor una corriente de compensacin que
originar que el sensor no funcione correctamente.CONEXIN E
INSTALACIN
NUNCA CONECTE CARGAS EN LOS MISMOS CABLES DE ALIMENTACIN DEL
SENSOR !!FIJACIN DEL SENSOR Al montar el sensor ultrasnico sobre
una plaqueta delgada que pueda vibrar, originar que el sensor ya no
pueda funcionar correctamente. Esto se debe a la vibracin que se
origina en la plaqueta cuando el sensor emite un pulso snico, la
cual, al vibrar emitir un rudo que ser confundido por el sensor y
se activar como si estuviera presente un objeto. Para evitar esto,
se deber colocar al sensor apoyos de hule de modo que la vibracin
del mismo no se transmita a la plaqueta.SENSORES ULTRASNICOS PARA
APLICACIONES ESTNDARES Rango de trabajo 100...1200 mm
Rango de medicin 1100 mm
Resolucin 300 m
Frecuencia de Ultrasonidos 225 kHz
ngulo de apertura < 12
Tiempo de vida (Tu = +25C)
100000 h
Histresis de conmutacin 10 mm
SENSORES ULTRASNICOS PARA MEDIOS AGRESIVOS Para la industria
Qumica, Metalurgica, Petrolera, etc., donde se tienen lquidos
agresivos y se desea realizar por ejemplo un control de nivel, es
necesario el empleo de sensores especiales que puedan resistir este
medio. En el mercado se tienen sensores que estn recubiertos con
tefln usados para este fn.
APLICACIONES CONTROL DE LLENADO
APLICACIONES
CONTROL DE TENSIN
APLICACIONES SELECCIN DEL TAMAO EMPLEANDO TRES SENSORES
APLICACIONES DETECCIN DE NIVEL EN TANQUES ABIERTOS (SIN
PRESIN)
APLICACIONES IDENTIFICACIN DE HOJAS SUPERPUESTAS