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SENSORES ULTRASONICOSSENSORES ULTRASONICOS

SENSORES ULTRASONICOSLos sensores ultrasónicos son interruptores electrónicos

que trabajan sin contacto. La parte emisora genera pulsos de sonidos muy fuertes dentro del rango del ultrasonido.

Hay sensores ultrasónicos unidireccionales, pero la mayoría son bidireccionales. Aquí se aprovecha el efecto del rebote del sonido debido a la presencia del objeto.

Además, según el tiempo que transcurre en ir y regresar el pulso sónico, se puede determinar la distancia entre el sensor y el objeto. Las ondas sónicas solo pueden irradiarse si existe un medio. Este medio puede ser, para el caso del ultrasonido un gas, un fluido o un material rígido. Normalmente los sensores ultrasónicos se emplean bajo presión atmosférica. Tanto los delfines y ballenas, así como también los murciélagos utilizan la técnica del ultrasonido para comunicarse.

Principio de Funcionamiento del Sensor Ultrasónico. La electrónica de control activa periódicamente el amplificador de potencia, de modo que se genere durante un período de tiempo (200 ms) un voltaje senoidal muy grande (400 Vpp). El convertidor acústico trabaja en este momento como si fuese un parlante y envía un pulso ultrasónico (Burst) desde 100ms - 1 ms en el rango de 40 - 400 kHz.

El convertidor acústico necesita un tiempo entre dos a tres veces el tiempo de emisión del sonido para que se tranquilice otra vez. Después de que se haya tranquilizado, la electrónica de control activa el modo de funcionamiento de recepción. En este caso el convertidor acústico trabaja como si fuese un micrófono. Si el pulso ultrasónico incide en un objeto, se origina una reflexión del pulso, que excitará el convertidor acústico. Este último generará una oscilación senoidal que irá al amplificador.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UNASENSIBILIDAD 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 tamaño dentro del rango de detección. Otros fabricantes emplean otra técnica. Si se detecta un objeto, pero la señal que llega al preamplificador es muy pequeña, la ganancia es aumentada automáticamente. Naturalmente que al tenerse ganancias muy elevadas, se amplificarán también las perturbaciones y el ruido del micrófono.

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Para que esto no cause problemas, se emplea un filtro pasa banda que solo deja pasar el rango de frecuencias emitido. La ventaja de esta técnica radica en que objetos pequeños o aquellos que reflejan poco, pueden ser detectados sin problemas. La desventaja es que cuando se tiene detrás del objeto una superficie altamente reflejante, se producirán ecos que podrían 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. Teóricamente se podrían 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 reflexión. Si se envían pulsos inmediatamente uno detrás de otro, se podría generar errores de detección. Si se espera un tiempo prudencial hasta que los ecos desaparezcan, la señal ya no puede ser falseada. Algo semejante ocurre cuando detrás del objeto a detectarse (el doble de la distancia máxima) se tiene una superficie, la cual generará un eco lo suficientemente fuerte para generar una señal falsa.

Los sensores ultrasónicos poseen una zona de muestreo de forma de cuña con un ángulo de apertura del orden de 10 .. 15 o. Los objetos con un tamaño mínimo recomendado serán 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 ópticos, cuando la superficie del objeto está inclinada según la perpendicular al rayo emitido, no se podrá reflejar la suficiente señal hacia el elemento receptor y por lo tanto el sensor generará señales erróneas de detección.

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DESVIACIÓN DEL RAYOBajo 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 desvió origina pérdidas y por eso no es recomendable desviar más de dos veces la señal.

MATERIALES NO REFLEJANTES

Prácticamente se pueden detectar todos los materiales a la temperatura ambiente. Incluso se detecta objetos transparentes, donde el sensor fotoeléctrico presenta algunas dificultades en su detección. Para materiales más difíciles como la esponja (dunlopillo), se pueden detectar aún cuando su tamaño no cubre todo el cono de detección; es decir, cuando los objetos son pequeños. Para otros materiales como el algodón, apenas se pueden detectar y es recomendable hacer pruebas antes de emplear el sensor sónico 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 pequeños y el viento hace que el eco de las superficies que están detrás del objeto sean retornados hacia el receptor, se presentarán problemas de detección.

FORMACIÓN DE AGUA CONDENSADA Y HIELO SOBRELA SUPERFICIE DE EMISIÓN-DETECCIÓN DEL SENSOR

La influencia de la humedad en el funcionamiento del sensor sónico es despreciable. Pero si esta humedad se condensa en la superficie de detección del sensor, se presentarán graves problemas, pues el sensor pierde sensibilidad. Un sensor cubierto con hielo deja prácticamente de funcionar. Pero polvo u otras partículas sueltas apenas influyen en el funcionamiento del sensor.

La superficie de detección del sensor no deberá ser pintada, como tampoco se le deberá pegarle alguna etiqueta.

RUIDO EXTERNO

Hoy en día los sensores ultrasónicos con distancia de detección hasta 2 m, trabajan con frecuencias mayores de 100 kHz.

Gracias a esto, estos sensores son prácticamente inmunes a los ruidos externos.

Si se tienen fuentes de ruido muy altos, que actúan directamente en el cono de detección, la sensibilidad del sensor se atenúa, de modo que podría originar problemas con la detección de objetos pequeños.

DETECCIÓN DE CUERPOS CALIENTESCuando se tienen diferencias de temperaturas muy

grandes, se puede originar la ruptura del ruido o bien dispersión. Esto ocasiona problemas de detección o también 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.

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PROTECCIÓN CONTRA EXPLOSIÓN

Los sensores ultrasónicos no son, por razones físicas, adecuados para zonas explosivas. Su electrónica requiere de altos voltajes (400 Vpp), grandes condensadores e inductancias, lo cual hace imposible desarrollar una versión 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 carcasa encapsulada.

CONSEJOS PRÁCTICOS PARA EL MONTAJE1. Protección del Sensor:En algunos casos se debe proteger al sensor colocándole

alguna placa o un tubo paralelo al cono de emisión. Pero si la superficie de este objeto es irregular se presentarán ecos que originarán una señal de detección indeseada.

2. SENSORES COLOCADOS UNO ENFRENTE 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 aún cuando la distancia de separación entre ellos es grande.

Si esto no es evitable, la distancia mínima de separación entre los sensores deberá ser el cuádruple de la mayor distancia máxima de detección.

3. SINCRONIZACIÓN DE VARIOS SENSORES

Si dos sensores son montados uno cerca del otro en forma paralela, podrían 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 señal falsa. Esto se evita si los sensores tienen la posibilidad de poder ser sincronizados.

4. FUNCIONAMIENTO MULTIPLEXADO

Este modo de funcionamiento posibilita montar varios sensores sin tener ninguna distancia de separación entre ellos debido a que estos trabajan uno después del otro en forma consecutiva.

Pero se debe tener en cuenta que los sensores ultrasónicos son mucho más lentos que los sensores inductivos, capacitivos u ópticos. A través de una entrada especial (Scanning Input) se podrá activar al sensor mediante un sistema de control superior, como por ejemplo un PLC o Micro controlador. La frecuencia de escaneó deberá ser mucho más baja que frecuencia la del sensor.

5. CONEXIÓN E INSTALACIÓN

Los sensores ultrasónicos consumen más corriente que los sensores ópticos y muchos más que los inductivos y capacitivos. Para la generación del pulso sónico, la electrónica del sensor requiere de un enorme pulso de corriente. Con el empleo de condensadores electrolíticos grandes, se ayuda a la fuente de alimentación a que fluya un corriente continúa. El polo negativo del sensor debe conectarse al negativo de la fuente de alimentación, pues si la tierra del lugar de montaje del sensor tiene otro potencial, entonces circulará por el sensor una corriente de compensación que originará que el sensor no funcione correctamente.

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6. CONEXIÓN E INSTALACIÓN

Nunca conecte cargas en los mismos cables de alimentación del sensor !!

7. FIJACIÓN DEL SENSOR

Al montar el sensor ultrasónico sobre una plaqueta delgada que pueda vibrar, originará que el sensor ya no pueda funcionar correctamente. Esto se debe a la vibración que se origina en la plaqueta cuando el sensor emite un pulso sónico, la cual, al vibrar emitirá un ruido que será confundido por el sensor y se activará como si estuviera presente un objeto.

Para evitar esto, se deberá colocar al sensor apoyos de hule de modo que la vibración del mismo no se transmita a la plaqueta.

SENSORES ULTRASÓNICOS PARAAPLICACIONES ESTÁNDARES

Rango de trabajo 100...1200 mmRango de medición 1100 mmResolución 300 µmFrecuencia de Ultrasonidos 225

kHzÁngulo de apertura < 12 °Tiempo de vida (Tu = +25°C)

100000 hHistéresis de conmutación 10 mm

SENSORES ULTRASÓNICOS PARA MEDIOSAGRESIVOS

Para la industria Química, Metalúrgica, Petrolera, etc., donde se tienen líquidos 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 están recubiertos con teflón usados para este fin.

APLICACIONESControl de Llenado

CONTROL DE TENSIÓN

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SELECCIÓN DEL TAMAÑO EMPLEANDO TRESSENSORES

DETECCIÓN DENIVEL ENTANQUESABIERTOS(SIN PRESIÓN)

IDENTIFICACIÓN DE HOJAS SUPERPUESTAS