Sensores: selección e importancia para la tecnología de automatización

La recopilación de datos es un aspecto central de las instalaciones modernas, especialmente en el contexto de la digitalización y la Industria 4.0. Los sensores la hacen posible. Estos proporcionan datos de entrada y supervisan y adaptan los procesos. Pero, ¿qué tipos de sensores hay? ¿Cómo se selecciona el sensor adecuado para una aplicación específica? Este artículo presenta el modo de acción y las posibles aplicaciones de varios sensores, así como los criterios de selección para encontrar el sensor adecuado.

¿Qué son los sensores?

Los sistemas de sensores implican el uso de sensores para medir y controlar cambios, por ejemplo, en sistemas técnicos. Los sensores cuentan con varios indicadores, que pueden ser cualitativos y también cuantitativos. Los indicadores pueden ser químicos (p. ej., valor de pH), biológicos (p. ej., presencia de enzimas) o físicos (p. ej., temperatura, humedad, corriente). Los sensores, también llamados detectores, transductores o sondas, convierten una señal de entrada en una señal de salida. La señal de entrada no suele ser una métrica eléctrica, mientras que la señal de salida es una señal eléctrica como la corriente o la tensión.

Obtenga más información sobre metrología en nuestro artículo: Tecnología de medición: Control de calidad mediante métodos de medición.

Cómo funciona

Los sensores funcionan en un sistema junto con los actuadores. Las señales de los sensores suelen reenviarse a una unidad de control, que analiza y evalúa los datos en consecuencia y envía órdenes a los actuadores según sea necesario. A continuación, los actuadores implementan las instrucciones mediante acciones físicas. Por ejemplo, se envía una señal al actuador si la temperatura en un almacén es demasiado alta. El actuador puede ser un calefactor que ahora se regula para que la habitación se enfríe a la temperatura deseada.

Tipos de sensores

Hay sensores activos y pasivos. El método de adquisición de medición determina si el sensor es activo o pasivo. Los propios sensores activos generan (activamente) una señal para obtener el indicador. Los datos determinados se emiten como una señal de salida. Por lo general, se requiere una fuente de alimentación para generar la señal para adquirir el indicador. Ejemplos típicos de sensores activos son: Medidores de distancia láser, detectores de movimiento IR o sensores ultrasónicos.

Los sensores pasivos no generan una señal activa para adquirir los datos de medición de un indicador. Contienen elementos pasivos cuya propiedad (p. ej., conductividad) cambia en respuesta a un indicador (p. ej., la temperatura). Por lo tanto, no es necesaria una fuente de alimentación para generar una señal para la medición. Sin embargo, se requiere alimentación auxiliar para registrar el cambio, ya que la señal de entrada se compara con la de salida para determinar los resultados de la medición. Los sensores pasivos se instalan con relativa frecuencia porque son adecuados para adquirir mediciones estáticas. Algunos ejemplos de sensores pasivos son: Sensores de PIR (infrarrojos pasivos), termómetros de resistencia o medidores de tensión.

Los sensores se subdividen además en sensores de conmutación y sensores de medición según el tipo de señal de salida. Los sensores de medición registran continuamente valores físicos o de otro tipo y proporcionan registros de datos para la supervisión detallada de los procesos. Los sensores de conmutación, por otro lado, detectan cuándo un indicador se desvía del valor objetivo y reaccionan activamente conmutando una salida, por ejemplo, mediante la activación de un actuador.

Los sensores se pueden subdividir aún más con respecto a su principio operativo o principio de medición. Por ejemplo, se pueden dividir en:

• Mecánicos: Reaccionan al movimiento mecánico (p. ej., desviación), por ejemplo: sensores de presión.
• Sensores resistivos: Reaccionan cuando cambia la resistencia eléctrica, por ejemplo: Medidores de tensión.
• Sensores termoeléctricos: Reaccionan cuando hay diferencias de temperatura que se convierten en energía eléctrica, por ejemplo: sensores de temperatura.
• Sensores piezoeléctricos: Reaccionan convirtiendo la presión en energía eléctrica, por ejemplo: piezocerámica en sensores ultrasónicos.
• Sensores inductivos o electromagnéticos: Reaccionan a un cambio en el flujo magnético, por ejemplo: sensores de velocidad.
• Capacitivos: Reaccionan a los cambios de capacitancia, por ejemplo: sensores de humedad.
• Sensores ópticos: Reaccionan/registran la luz u otros fenómenos ópticos, por ejemplo: barreras de luz, sensores fotoeléctricos.
• Sensores acústicos: Reaccionan a las ondas sonoras, por ejemplo: medidor de nivel de ruido.
• Sensores químicos: Reaccionar a los cambios químicos, por ejemplo: sensores de pH.

Ahora veremos los principios operativos de determinados sensores en detalle:

Sensores inductivos

Los sensores inductivos contienen una bobina a través de la cual fluye la corriente. Se genera un campo electromagnético para medir en la dirección de medición. Luego se introduce una pieza de trabajo o material, lo que provoca un cambio en el campo magnético e induce un voltaje en la bobina. Un circuito detecta esta tensión y emite la señal correspondiente. Los sensores inductivos solo funcionan con piezas/materiales magnéticos.

Sensores capacitivos

La capacitancia indica cuánta carga pueden absorber dos cuerpos conductores eléctricos, separados entre sí por un medio aislante, cuando se les aplica voltaje. Esta capacitancia cambia como una función del indicador.

Un sensor capacitivo consta de dos electrodos entre los que se crea un campo eléctrico. Este último cambia cuando se acerca un objeto; el sensor detecta sin necesidad de contacto la presencia de material en su zona activa. A continuación, convierte el campo eléctrico en una señal eléctrica.

Sensores de proximidad

Los sensores de proximidad detectan cuándo hay objetos o personas cerca. Envían un haz o campo y luego miden los cambios en el haz o campo reflejados por el objeto o la persona.   Esto les permite estimar las distancias y desencadenar la acción correspondiente. En la industria, los sensores pueden, por ejemplo, detectar la presencia de piezas de trabajo en las cintas transportadoras y controlar los procesos operativos correspondientes.

Selección de sensores: ¿Cuándo usar qué sensor?

Se deben tener en cuenta algunas consideraciones preliminares a la hora de seleccionar sensores. Dado que los sensores se integran directamente en los sistemas de control de los sistemas de automatización, el usuario debe, por ejemplo, verificar que las interfaces requeridas estén disponibles. Las interfaces pueden ser, por ejemplo:

• Interfaces analógicas como salidas y entradas analógicas
• Interfaces digitales como TTL, RS-232 o SPI
• Interfaces inalámbricas como wifi
• Procesamiento de señales integrado o externo

Las condiciones ambientales también desempeñan un papel en la selección de un sensor adecuado. ¿Va a estar el sensor expuesto a temperaturas extremas? ¿O a vibraciones? En entornos húmedos, por ejemplo, el sensor debe ser impermeable independientemente del tipo y, si es necesario, tener una clasificación de protección correspondiente, como IP67. En entornos con productos químicos agresivos, el material utilizado para carcasas y sellos debe ser resistente a estos.

Identificación del sensor correcto, paso a paso

La siguiente lista proporciona un resumen de los pasos a seguir más importantes para seleccionar un sensor:

• Determine el indicador y el rango de medición: ¿Qué cantidad física debe medirse? ¿El valor máximo y mínimo esperado está cubierto por la medición y/o puede el sensor también soportar los valores máximos?
• Determine la precisión: ¿Se aplican requisitos más altos o más bajos a la precisión?
• Analice las condiciones ambientales: ¿En qué condiciones se utiliza el sensor? ¿Hay extremos en términos de temperatura, humedad, exposición al polvo, etc.? ¿El sensor está expuesto a productos químicos?
• Seleccione el formato de salida y las interfaces: Todo el sistema de control desempeña un papel aquí: ¿Qué tipo de señal se puede procesar (p. ej., analógica o digital)?
• Considere la aplicación específica: ¿Existen requisitos especiales que surjan de la aplicación específica? ¿Se aplican normas especiales? (Véanse también las normas de seguridad en ingeniería mecánica). Por ejemplo, los sensores de las salas limpias deben cumplir con los estrictos requisitos para salas limpias. También es posible que el sensor esté instalado en un lugar de difícil acceso, por lo que debe ser especialmente duradero y de bajo mantenimiento. Los sensores también pueden utilizarse para el control de calidad y deben cumplir ciertos criterios; consulte también el artículo Tecnología de medición: Control de calidad mediante métodos de medición.
• Tiempo de respuesta: ¿Con qué rapidez debe responder el sensor a las condiciones cambiantes?
• Respete los requisitos de espacio: ¿Se puede integrar fácilmente el sensor en el sistema existente y hay suficiente espacio?
• Las piezas de sujeción, los rieles del sensor estandarizados o los soportes de sensor también pueden ser útiles para la integración optimizada del sensor en los sistemas existentes.

También puede inspirarse con nuestra selección de sensores.

Sensores en tecnología de automatización: Sensores inteligentes

El desarrollo continuo de sensores también se ha visto muy influido por la producción digitalizada en el contexto de la Industria 4.0. Los llamados sensores inteligentes representan los ingredientes clave para esto. Estos sensores son la piedra angular para monitorizar y controlar los procesos industriales. En el sistema general de actuadores y controles, los sensores inteligentes proporcionan a las máquinas toda la información que necesitan para que la producción sea más eficiente y precisa. Como resultado, la tecnología de automatización se ha vuelto cada vez más autónoma.

Los sensores de hoy en día tienen una resolución y velocidad tan altas y un tamaño tan compacto que se pueden utilizar directamente en las áreas donde se generan los efectos físicos. Asumen numerosas funciones en equipos de última generación. Ya no solo son responsables de la mera medición de los datos, sino que ahora también pueden realizar tareas de autodiagnóstico, comunicación y procesamiento de señales. Los sensores pueden detectar y corregir anomalías antes de que se conviertan en un problema en la producción. Este proceso se denomina procesamiento controlado por sensor. Obtenga más información en nuestro artículo de blog Control numérico computarizado: ¿Qué es CNC en realidad?