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Los sensores ultrasónicos ya no son productos exóticos

Los sensores ultrasónicos industriales para la automatización de la producción están disponibles desde hace 30 años. Estos dispositivos, poco económicos y de gran tamaño, se utilizaban originalmente solo en áreas de aplicación especiales. Sin embargo, en la actualidad se pueden encontrar en prácticamente todos los entornos de automatización de fábricas. A medida que los sensores ultrasónicos han evolucionado, se han vuelto mucho más compactos, potentes y económicos, y todavía pueden perfeccionarse mucho más. Además, pueden dar lugar a un abanico de aplicaciones completamente nuevo.


Tareas sensoriales

Un sensor es un componente técnico que puede registrar propiedades químicas o físicas específicas en términos cuantitativos y cualitativos. En la tecnología de automatización, los sensores usan señales para detectar el estado de una máquina o planta. Estas señales además sirven como variables de entrada para la unidad de control. Los sensores se caracterizan principalmente por sus principios de funcionamiento físico. Así, los sensores inductivos reaccionan a cambios en un campo electromagnético, mientras que los sensores fotoeléctricos responden ante cambios en las ondas de luz. Los sensores ultrasónicos funcionan en un medio transmisor (material gaseoso, líquido o sólido) usando ondas acústicas. Los sensores ultrasónicos se utilizan principalmente en la automatización de fábricas, para medir el tiempo de propagación o la amplitud de los impulsos sónicos en el aire. Con el popular procedimiento de medición de tiempo de vuelo, el sensor emite una serie de impulsos ultrasónicos y mide el tiempo hasta que se recibe una señal de eco (Figura 1). Para esta aplicación, se utiliza normalmente un solo convertidor ultrasónico, que funciona como transmisor y receptor. A continuación, se calcula la distancia desde el sensor hasta el objeto que genera el eco utilizando la fórmula . (c: velocidad sónica, t: tiempo de propagación medido). Además, hay sensores transmisores y receptores que incorporan convertidores individuales, ya sea integrados en la carcasa o conectados por separado, para permitir la utilización de sensores estándar y sensores fotoeléctricos de barrera.



Fig. 1: Con la medición ultrasónica de tiempo de vuelo, el sensor emite un conjunto de impulsos ultrasónicos y mide el tiempo hasta que se recibe el eco. Estos datos se utilizan para calcular la distancia desde el objeto.

Convertidores ultrasónicos

El principal componente de un sensor ultrasónico es el convertidor. Actualmente, en la mayoría de las aplicaciones se utilizan convertidores resistentes que combinan piezocerámicas, para generar una vibración mecánica y una capa acústica de adaptación. La capa de adaptación es necesaria para equiparar las impedancias acústicas tan dispares de las piezocerámicas y el aire. Para lograr el mejor acoplamiento, la impedancia acústica de la capa de adaptación debe ser . (donde ZK:impedancia acústica de piezocerámica, ZL: impedancia acústica del aire, Z = ρ * cM donde ρ: densidad del medio, cM: velocidad sónica del medio). Sin estas medidas, solo una pequeña fracción de la energía acústica se liberaría en el aire (durante la transmisión) o se recibiría (en modo receptor), lo que reduciría significativamente los rangos de detección. Además de garantizar la adaptación optimizada a las condiciones acústicas, también son de gran relevancia los siguientes factores: alto grado de estabilidad mecánica, alta resistencia química, amplio intervalo de temperaturas, buen aislamiento acústico de la carcasa del sensor y, obviamente, un precio asequible. La experiencia en la penetración física teórica y los métodos de fabricación prácticos son determinantes para el éxito de los sensores de Pepperl+Fuchs. El producto de desarrollo más reciente es un convertidor recubierto por una membrana de acero inoxidable que permite la producción de sensores ultrasónicos totalmente herméticos para la medición de distancias.


Función

Con un impulso o un solo impulso se logra la frecuencia de resonancia necesaria en el modo transmisor al aplicar tensiones de hasta varios cientos de voltios para estimular eléctricamente el convertidor ultrasónico descrito. A continuación, el sensor se conmuta al modo receptor y el convertidor pasa a funcionar como un micrófono. La señal del receptor con una magnitud de unos milivoltios se amplifica, demodula y transmite a un detector de valores de umbral. Seguidamente, se calcula la distancia hasta el objeto a partir de la duración del impulso sónico. Al usarse el convertidor como transmisor y receptor, justo delante del sensor se genera un área ciega donde la detección es imposible. Distintas soluciones de software y hardware pueden reducir significativamente el tamaño de esta área ciega y aumentar la inmunidad a las interferencias.

Como velocidad sónica en el aire con (donde c0: velocidad sónica a0 °C(331,5 m/s), T: temperatura en grados Kelvin, T0: temperatura absoluta a0 °C(273,15 K) depende de la temperatura, una temperatura de funcionamiento de100 Ksupone un cambio deaproximadamente el 18 %. El sensor mide la temperatura y la compensa de forma acorde para eliminar las interferencias más eficazmente. Esto supone una precisión de la medición superior a0,02del valor final que se debe alcanzar en todo el intervalo de temperaturas.

Las frecuencias ultrasónicas usadas oscilan entre40 kHzy1 MHzpor lo que, debido al gran aumento de la atenuación a frecuencias elevadas, solo los rangos breves son posibles. Los rangos de detección de los sensores oscilan entre100 mmy10 m. Los sensores ultrasónicos son relativamente lentos, sobre todo en distancias de medición largas, ya que la velocidad de propagación del sonido en el aire es 1000 veces más lenta que la de la luz. Con una distancia al objeto de10 m, el tiempo de propagación sónica es de unos60 ms, más que suficiente para muchas aplicaciones.

Además de la función principal de los convertidores ultrasónicos ya descrita, el diseño del hardware y, sobre todo, el procesamiento de las señales por parte del microcontrolador integrado en el sensor son características de rendimiento decisivas. En lugar de instalar controladores básicos de 8 bits, que permiten solo funciones rudimentarias, los potentes controladores de 32 bits actuales pueden reproducir algoritmos complejos en tiempo real, requieren menos espacio de instalación y reducen los costes, lo que los convierte en los sistemas instalados como estándar. Como ejemplos de sus ventajas están la anchura del cono de sonido ajustable y la posibilidad de producir resultados perfectos en condiciones difíciles midiendo las amplitudes del eco (además de los tiempos de propagación). Las posibilidades van más allá del mero uso actual y aún queda mucho margen para sacarles el máximo rendimiento.


Características y ventajas de la aplicación

En comparación con los sensores fotoeléctricos, los sensores ultrasónicos son mucho más resistentes a la suciedad y la humedad. Los daños menores producidos en la superficie del convertidor no resultan vitales debido al carácter integral del dispositivo. Huelga decir que el color o el nivel de transparencia de los objetos detectados no tienen ninguna influencia. La durabilidad de los sensores ultrasónicos es comparable a la de los sensores inductivos, pero el rango de detección es 100 veces mayor. También hay grandes similitudes entre los diseños. Los sensores ultrasónicos cilíndricos tan pequeños como los modelos de tamaño M12 y otros con forma rectangular, integrados en un interruptor de proximidad típico o en carcasas de sensores fotoeléctricos, son dispositivos estándar en la actualidad. Además, hay versiones disponibles adaptadas a requisitos especiales, por ejemplo, para medir los niveles de llenado.

Son habituales los sensores con salidas de conmutación digitales o con una interfaz analógica de 4-20 mA. No obstante, también hay sensores que funcionan con una salida relé de253 V.La mayor parte de los sensores ofrecen opciones de aprendizaje o configuración de parámetros mediante una interfaz y, por lo tanto, se pueden adaptar a la aplicación correspondiente. Recientemente, se ha implantado el nuevo estándar industrial IO-Link.



Fig. 2: Visión general del sensor ultrasónico

Aplicaciones

Las aplicaciones de los sensores ultrasónicos se pueden encontrar en casi todos los sectores que cuentan con procesos automatizados, como la industria de impresión, para controlar el nivel de tinta de los contenedores o comprobar la presencia; en maquinaria de plantas móviles y agricultura, para medir distancias, posiciones y niveles de llenado; en el ámbito de la manipulación de materiales; en la industria de envases; y en la tecnología de montaje y manipulación. Los sensores ultrasónicos de doble hoja que se utilizan en máquinas impresoras, escáneres, cajeros automáticos y máquinas similares son cada vez más populares, ya que evitan la entrada de varias hojas al mismo tiempo. No miden los tiempos de propagación, sino la amortiguación de la amplitud a través de los objetos. Esta tecnología se analiza en detalle en el número 5/2010 de la revista atp edition.


Fig. 3: Los sensores ultrasónicos se utilizan en muchos sectores, como la industria de impresión, en plantas móviles, en la manipulación de materiales, en la industria de envases o en la tecnología de montaje y manipulación.

Resumen

Los sensores ultrasónicos modernos ofrecen una atractiva alternativa a otros tipos de sensores en innumerables áreas de aplicación, sobre todo cuando alcanzan sus límites físicos o solo permiten la implantación de un sistema automatizado. La acusada tendencia actual hacia la miniaturización se traduce en la posibilidad de integrar los sensores en casi cualquier máquina. El aumento espectacular del rendimiento de los microcontroladores en la generación de algoritmos complejos ha permitido poner en marcha aplicaciones extremadamente exigentes, algo impensable hace solo unos años. La implantación de la configuración de parámetros inteligentes IO-Link y la interfaz de procesos facilita todavía más la manipulación de los sensores y su integración en el sistema de control de las máquinas.

Ya disponible: Guía tecnológica de sensores ultrasónicos