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7/22/2019 Reporte_Sensor de Metales
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Dispositivo detector
de metales
UNIVERSIDAD POLITCNICA DEL
VALLE DE MXICO
Av. Mexiquense s/n, esquina Av.
Universidad Politcnica, Col. Villa
Esmeralda, Tultitln, Estado de
Mxico
2 1 d e a g o s t o d e l 2 0 1 3
GUIZAR MACAS LUIS FERNANDO
SUREZ HERNNDEZ GUSTAVO
El proyecto consiste en la deteccin de
metales en las mezclas de polmeros y otrosmateriales, que son utilizados en las inyectoras
de plstico. Debido a que en muchas
ocasiones los metales puede llegar a obstruir
los canales en los moldes y eso implica
cuantiosas prdidas para las empresas de este
sector.
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ContenidoDeteccin de una necesidad industrial ............................................................................... 2
Cronograma ....................................................................................................................... 2
Marco Terico .................................................................................................................... 3
Detectores TR, Transmisin/Recepcin o de Balance de Induccin ............................... 3
Detectores BFO (Beat Frecuency Oscillator), de Frecuencia de Batido. ......................... 3
Detectores PI (Pulse Induction) o de Induccin de Pulsos. ............................................. 3
Objetivos ............................................................................................................................ 5
Objetivo general ............................................................................................................. 5
Objetivos especficos ..................................................................................................... 5
Meta de ingeniera ............................................................................................................. 5
Funcionamiento del sistema ........................................................................................... 6
Recopilacin de circuitos del detector de metales .............................................................. 7
Circuito propuesto .............................................................................................................. 9
Clculo de bobinas. ......................................................................................................... 10
Programacin del microcontrolador ................................................................................. 13
Etapa de potencia ............................................................................................................ 15
Materiales y Mtodos ....................................................................................................... 16
Modelo terico del sistema mecnico .............................................................................. 17
Dibujo del producto partes y ensambles ....................................................................... 17
Conclusiones ................................................................................................................... 18
Referencias ..................................................................................................................... 18
Anexos ............................................................................................................................ 18
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Deteccin de una necesidad industrialPropuesta: Dispositivo detector de metales
En la industria plstica encontramos un problema muy grave que provoca prdidas a las
empresas que se dedican a inyectar o extruir plstico. Cuando la resina utilizada est
contaminada y no se es eliminada, las cavidades de la maquina son obstruidas por
partculas de metal y como consecuencia la produccin se detiene hasta que el molde es
funcional de nuevo. Un detector de metales es necesario para poder eliminar cualquier
contaminante y as evitar perdida de produccin y tiempos muertos. No existe
actualmente ninguna empresa mexicana que fabrique algn dispositivo de este tipo.
Fig.1 Detector de metales HS de Buntings Magnetics.
CronogramaLos integrantes del equipo participaron en la realizacin del cronograma, involucrndose
en los tiempos y las asignaciones del proyecto que les fueron dadas. Para consultar ms
informacin recurrir al archivo cronograma_detector_metal
Nota: las siguientes actividades se agruparon con forma a cada sector.
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Marco TericoEl detector de metales utiliza un campo electromagntico para detectar la presencia de un
objeto metlico.
Detectores TR, Transmisin/Recepcin o de Balance de Induccin.Es el primer sistema de deteccin que se invent. Dentro del plato, podemos encontrar
dos o tres bobinas independientes entres si, que se encuentran ligeramente solapadas
para producir una induccin nula entre ellas. Una de las bobinas es transmisora y genera
un campo magntico alterno, las otras son bobinas receptoras. En reposo, las bobinas se
encuentran balanceadas o equilibradas, pero cuando un objeto metlico entra en el
campo magntico de la bobina transmisora, el objeto induce una corriente en la bobina
receptora produciendo un desequilibrio que es captado por un circuito comparador, lo que
produce una seal acstica.
Detectores BFO Beat Frecuency Oscillator), de Frecuencia de Batido.
El sistema BFO fue el segundo tipo de detector en inventarse. El funcionamiento est
basado en la variacin de la inductancia (aprox. un 0,1%) de una bobina al acercarla a un
objeto metlico. Al ser esta variacin tan pequea el sistema BFO usa frecuencias de
radio a 100 Khz. Este sistema se compone de 2 bobinas que oscilan a la misma
frecuencia, al mezclar las frecuencias de ambas bobinas se obtiene por diferencia un
batido 0 (100.000 Hz. 100.000 Hz. = 0 Hz. Cuando un metal se acerca a la bobina
osciladora se produce un cambio en la frecuencia de oscilacin, obteniendo una nota de
audio en la misma frecuencia que la frecuencia de diferencia.
Detectores PI Pulse Induction) o de Induccin de Pulsos.
El sistema se basa en la aplicacin y corte muy rpido de una corriente muy intensa a
travs de una bobina de unas pocas espiras y con poca resistencia. Esto origina un
intenso pulso magntico que induce un campo magntico residual en los metales
cercanos a la bobina. El pulso recibido es de una duracin de apenas unos
microsegundos. La frecuencia tpica de los detectores de pulsos es de 100 pulsos por
segundo, aunque existen detectores desde 22 a varios miles de pulsos por segundo.
Cuanto ms baja sea la frecuencia de trabajo mayor ser el trnsito de corriente por labobina en cada pulso, sin embargo se generaran pocos pulsos por segundo. Frecuencias
mayores generaran pulsos ms cortos y un ahorro considerable de energa. Frecuencias
ms bajas tienden a alcanzar mayor profundidad y mayor sensibilidad a la plata, sin
embargo son menos sensibles al oro y al nquel, y requieren barridas ms lentas del plato,
al tener respuestas ms lentas del metal localizado. En trminos generales, son ms
usados los detectores de frecuencias altas.
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La induccin electromagnticaLos principios bsicos de la induccin electromagntica son bien conocidos. Una corriente
elctrica que circula por un conductor en forma de bobina (inductor) genera un acampo
magntico en sus alrededores como se indica en la fig. 2 la mayor intensidad del acampo
se da en el ncleo de la bobina, y depende de la fuerza de la corriente de excitacin y delnmero de espiras de la bobina.
Fig. 2 Bobina y campo magntico generado al circular la corriente.
Un alambre que lleva una corriente tambin experimenta una fuerza cuando se coloca en
un campo magntico. Esto se sigue del hecho de que la corriente representa una
coleccin de varias partculas cargadas en movimiento, la fuerza resultante sobre el
alambre se debe a la suma de las fuerzas individuales sobre las partculas cargadas. Unsolenoide es un alambre devanado en la forma de una hlice. Con esta configuracin se
puede producir un campo magntico razonablemente uniforme dentro de un pequeo
volumen de a regin interior del solenoide si as espirar adyacentes estn estrechamente
espaciadas. Cada espira puede ser considerada como un circuito circular y el campo
magntico total es e vector suma de los campos debidos a todas las espiras.
Todos los materiales magnticos se caracterizan por su permeabilidad, que es la relacin
entre el campo de induccin magntica y el campo magntico dentro del material:
donde es la permeabilidad relativa yla susceptibilidad magntica del material.
En la siguiente tabla se presentan valores de la susceptibilidad magntica para diversos
materiales y sustancias paramagnticos y diamagnticos de inters:
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Tabla 1 susceptibilidad magntica de algunos materiales
ObjetivosObjetivo general
Disear y construir un dispositivo que detect y separe material ferromagntico.
Objetivos especficos
Construir el circuito BFO para el censado del material.
Diseo y construccin de la bobina de sintonizacin y la bobina de deteccin.
Desarrollar de un programa para medir la frecuencia del sistema y controlar el
actuador.
Implementar una etapa de potencia para la comunicacin del circuito de control al
actuador.
Meta de ingenieraConstruir un sistema para la deteccin y separacin de material ferromagntico con lascaractersticas de que sea econmico y eficiente.
El diseo del prototipo se plantea con la caracterstica que sea econmico. Por lo tanto se
tiene en cuenta que los materiales para su fabricacin sean de bajo costo y que su vez
sean totalmente funcionales y fciles de operar.
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Funcionamiento del sistema
El detector de metales censa un metal dentro de su va de acceso hacia la mquina y
manda un pulso de 12 volts a un solenoide, el cual direcciona el material en la va de
acceso hacia la mquina, si el material est limpio, y hacia afuera, si el material estcontaminado con algn metal. Un Flap controlado por el solenoide cambia la direccin.
Tomando en cuenta esto, se propuso la tarea de crear un circuito BFO (Beat Frecuency
Oscillator) para la deteccin de metales. El sistema se conforma de 2 bobinas, una es la
de deteccin de material ferromagntico y la otra es para la sintonizacin lo que hace es
una comparacin de frecuencias de dos circuitos LC como osciladores, un
microcontrolador PIC18F4550 es el encargado de tomar la lectura de esta frecuencia, si
cambia el ncleo de la bobina detectora al estar cerca de un metal la frecuencia del
sistema cambia y la accin de control pone en alto un pin de salida que entra a una etapa
de potencia (aislando el microcontrolador del actuador) que activara nuestro actuador.
Fig.3 Diagrama de bloques del dispositivo.
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Recopilacin de circuitos del detector de metales
Fig. 4 Circuito detector de metales BFO
Fig. 5 Circuito detector de metales BFO
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Fig. 6 Circuito detector de metales BFO
Fig. 7 Circuito detector de metales BFO
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Circuito propuestoSe realizaron varios diseos para la deteccin de metales con diferentes mtodos deidentificacin de metales basados en campos magnticos.Los circuitos de tecnologa BFO son variados y desde muy sencillos a muy complejos.Revisando el funcionamiento de los circuitos vistos se realiz un diseo que cumplieracon los requerimientos necesarios para nuestro dispositivo, el cual se presenta acontinuacin:
Fig. 8 Circuito detector de metales BFO propuesto.
Las etapas con las siguientes:
Etapa de generador de seales (osciladores)
Q1
2N2222A
Q2
2N2222A
Q3
2N2222A
Q4
2N2222A
Q5
2N2222A
Q6
2N2222A
L130H
L233H
LED1
R11k
R21k
R310k R4
10k
R52.2M
R639k
R739k
R810k
R91k
R111k
R121k
C10.1F
C20.1F
C30.1F
C40.1F
C50.1F
C60.01F
C7
0.01F
C80.01F
V1
12 V
C11
220F
C120.01F
C90.1F
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Etapa de batido de seales (mezcladores)
Etapa de preamplificador (amplificador de baja potencia)
El diseo se realiz en una interfaz de simulacin Multisim ya que cuenta con unainductancia variable para trabajar el funcionamiento del circuito elctrico.
Nota: la simulacin en Multisim no dio los resultados esperados por lo que tambin setrabaj en la plataforma de ISIS Proteus dando el mismo resultado esto debido a que elrango de trabajo de nuestro circuito en relacin a la inductancia de cada bobina es muypequeo y solo se tiene un clculo aproximado de la misma el cual se explica acontinuacin.
Clculo de bobinas.La inductancia mide el valor de oposicin de la bobina al paso de la corriente y se miden
en Henrios (H).
El valor depende de:
El nmero de espiras que tenga la bobina.
El dimetro de las espiras.
La longitud de la bobina.
El tipo de material de que esta hecho el ncleo.
Existe un mtodo para obtener (H) si se tienen las medidas externas de la bobina /
inductor.
Fig.9 Bobina o Inductor
Se realiz una hoja de clculo con estas ecuaciones para calcular la inductancia de las
bobinas.
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Fig. 10 Bobina de deteccin
Fig. 10 Bobina de sintonizacin
Nota: como se busca que la frecuencia sea la misma en las dos bobinas proponemos las
inductancias y dimensiones vistas en las hojas de clculo. Esto nos da como resultado el
nmero de vueltas necesarias pero al comprar el alambre esmaltado hay de diferentes
calibres lo cual las ecuaciones utilizadas no implican, por lo que se busc un calculador
de inductancia que tomara en cuenta este parmetro.
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Tabla 2 calibres de alambre magneto o esmaltado
Fig. 12 Calculo inductancia -bobina de deteccin
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Fig. 13 Calculo inductancia -bobina de sintonizacin
Cabe mencionar que con las dimensiones de las bobinas dadas en las fig. 10 y 12 se
realiz la primera prueba con el circuito montado en la protoboard con el cual se detect
que entre menor es el dimetro de la bobina de deteccin el censado de material
ferromagntico es mejor por lo que las dimensiones de las Fig. 12 y 13 son las finales.
Programacin del microcontroladorLa programacin se realiz en el compilador de CCS PICC Compiler.
El programa mide la frecuencia por el pin RC2 y la muestra en el LCD el rango de control
esta entre si se sale de este rango pone en alto el pin RB7 de lo contrario
esta en bajo.
#include
#fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOUSBDIV,CPUDIV1,VREGEN#use delay(clock=48000000)#bit t1_overflow=0xF9E.0#include #include #include
void main() {int cycles8, cycles;
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int32 freq;long freqc_high;long freqc_low;
lcd_init();lcd_gotoxy(1,1);
lcd_putc("frecuencimetro");delay_ms(3000);lcd_putc("\f");
while (TRUE) {cycles8=0;cycles=0;freqc_high=0;t1_overflow=0;set_timer1(0);setup_timer_1(T1_EXTERNAL|T1_DIV_BY_1);while (cycles!=0xFF) {
cycles8=0;while (cycles8!=0xFF) {if (t1_overflow)
{t1_overflow=0;freqc_high++;}else
{delay_cycles(5);}delay_cycles(62);cycles8++; }
delay_cycles(216);cycles++;
}delay_cycles(211);
setup_timer_1(T1_DISABLED);if (t1_overflow)
freqc_high++;freqc_low=get_timer1();freq=make32(freqc_high,freqc_low);
lcd_gotoxy(1,1);printf(lcd_putc,"%LU Hz\r\n",freq);delay_ms (1);
output_low(pin_b7);
if(freq1807){
output_high(pin_b7);}
}}
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Etapa de potenciaEsta etapa se realiz debido a que en pruebas la activacin del actuador se implement
con un transistor y un relay, con lo cual al momento de la activacin variaba la frecuencia
del sistema y esto nos generaba un ciclo de activacin continua a parte que se notaba unretardo por las limitaciones mecnicas del relay. Debido a esta situacin se implement la
activacin con un transistor Darlington que soluciono el problema del retardo pero no la
perturbacin en la frecuencia del sistema.
Lo que se necesita es separar la etapa de control y la de potencia que estn conectadas
por una tierra comn con el microcontrolador .Un optoacoplador cumple con esta funcin
uniendo las dos etapas por medio de luz con un fotodiodo y un fototransistor.
Fig. 14 Activacin con transistor y relay.
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Fig. 15 Activacin con optoacoplador y transistor Darlington.
Materiales y MtodosLos materiales primordiales contemplados para la fabricacin del prototipo son lossiguientes:
Capacitores 220uF electrolticos
0.01uF polister 0.1uF polister
Resistencias 10K 1K 2.2M 39K 1.8K 330
Transistores TIP120
Optoacoplador 4N25
Alambre esmaltado calibre 27 y 22
Relays PIC18F4550
Tarjeta de desarrollo para microcontroladores PIC-TECH
SolenoideLa medicin de frecuencia y activacin del actuador se realiz con el microcontrolador
PIC18F4550, para la programacin de este se utilizara el compilador C CCS y la tarjeta de
desarrollo para microcontroladores PIC-TECH.
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Modelo terico del sistema mecnicoEl detector de metales censa un metal dentro de s va de acceso hacia la mquina y
manda un pulso de 24 volts a la electrovlvula que controla al pistn, el cual direcciona el
material en la va de acceso hacia la mquina, si el materiales est limpio, y hacia afuera,
si el material est contaminado con algn metal. Un Flap controlado por el pistn cambia
la direccin.
Fig.16 Diagrama del circuito neumtico
Dibujo del producto partes y ensambles
1.-Bobina de deteccin
2.-Circuito de control
3.-Flap
4.-Piston
5.-Valvula
6.-Gabinete
Fig.17 Diseo propuesto
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ConclusionesEl prototipo realizado cumple con los objetivos planteados aunque tiene sus limitaciones
como son la sensibilidad a perturbaciones externas (Interferencia Electromagntica EMI)
por lo que hay que estar calibrando constantemente el sistema, como solucin a este
problema aislamos las bobinas con papel aluminio pero en proyectos futuros se puede
implementar un control PID que realice esta tarea.
Otra limitacin es el actuador, el solenoide que empleamos tiene limitaciones mecnicas
adems de quedarse enclavado con un pulso, lo ideal sera un pistn de simple efecto o
separar el material directamente con aire a presin.
Por ltimo la efectividad del sistema en el censado es regular ya que en estado
estacionario detecta material de 5mm cbicos pero en cada libre la deteccin es de
10mm cbicos, una posible solucin sera aumentar el voltaje y a su vez el nmero de
vueltas de cada bobina.
Referenciashttp://www.geotech1.com/pages/metdet/info/bfotheory/bfo.pdf
http://deepfriedneon.com/tesla_f_calchelix.html
http://www.buscametales.com/articulos/2-detectores-de-metales-caracteristicas-
funcionamiento-e-historia?showall=&start=2
AnexosCronograma
Simulacin del circuito en Multisim
Simulacin del medidor de frecuencia en PROTEUS
Programa en PIC C Compiler
Hoja de clculo de inductancia
http://www.geotech1.com/pages/metdet/info/bfotheory/bfo.pdfhttp://www.geotech1.com/pages/metdet/info/bfotheory/bfo.pdfhttp://deepfriedneon.com/tesla_f_calchelix.htmlhttp://www.buscametales.com/articulos/2-detectores-de-metales-caracteristicas-funcionamiento-e-historia?showall=&start=2http://www.buscametales.com/articulos/2-detectores-de-metales-caracteristicas-funcionamiento-e-historia?showall=&start=2http://www.buscametales.com/articulos/2-detectores-de-metales-caracteristicas-funcionamiento-e-historia?showall=&start=2http://www.buscametales.com/articulos/2-detectores-de-metales-caracteristicas-funcionamiento-e-historia?showall=&start=2http://www.buscametales.com/articulos/2-detectores-de-metales-caracteristicas-funcionamiento-e-historia?showall=&start=2http://deepfriedneon.com/tesla_f_calchelix.htmlhttp://www.geotech1.com/pages/metdet/info/bfotheory/bfo.pdf