SENSORES ULTRASONICOS

Los sensores ultrasónicos son interruptores elec-trónicos que trabajan sin contacto. La parteemisora genera pulsos de sonidos muy fuertesdentro del rango del ultrasonido.Hay sensores ultrasó-nicos unidirecionales,pero la mayoría sonbidireccionales. Aquíse aprovecha el efectodel rebote del sonidodebido a la presenciadel objeto.

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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 fluído 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 elamplificador de potencia, de modo que se generedurante un período de tiempo (200 ms) un voltajesenoidal muy grande (400 Vpp). El convertidor

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acústico trabaja en este momento como si fueseun parlante y envía un pulso ultrasónico (Burst)desde 100ms - 1 ms en el rango de 40 - 400 kHz.El convertidor acústico necesita un tiempo entredos a tres veces el tiempo de emisión del sonidopara que se tranquilice otra vez. Después de quese haya tranquilizado, la electrónica de controlactiva el modo de funcionamiento de recepción.En este caso el convertidor acústico trabaja comosi fuese un micrófono. Si el pulso ultrasónicoincide en un objeto, se origina una reflexión delpulso, que excitará el convertidor acústico. Esteúltimo generará una oscilación senoidal que iráal amplificador.

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En algunos sensores ultrasónicos, elcorazón de la electrónica de control es unmicrocontrolador con arquitectura RISC,como por ejemplo de la familia PIC deMicrochip. El procesador activa elamplificador de potencia por aprox.100ms, donde se genera el pulso sónico. Ala vez se activa un contador digital, elcual al detenerse, comprueba si este valorestá dentro del valor de una distanciaprefijada y se activa la salida digital.

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Si la salida es análoga, se calcula con el tiempoel valor correspondiente a la distancia, el cuales enviado a un convertidor D/A para trans-formarlo en voltaje o corriente.

Ventajas y desventajas de una SensibilidadElevadaAlgunos fabricantes hacen trabajar al pream-plificador con una ganancia constante. Estaganancia es elegida, de manera que se puedacaptar objetos de un cierto tamaño dentro delrango de detección.Otros fabricantes emplean otra técnica. Si sedetecta un objeto, pero la señal que llega al

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preamplificador es muy pequeña, la ganancia esaumentada automáticamente. Naturalmente queal tenerse ganancias muy elevadas, se amplifi-carán también las perturbaciones y el ruido delmicrófono. Para que esto no cause problemas, seemplea un filtro pasabanda que solo deja pasar elrango de frecuencias emitido.La ventaja de esta técnica radica en que objetospequeños o aquellos que reflejan poco, puedenser detectados sin problemas. La desventaja esque cuando se tiene detrás del objeto unasuperficie altamente reflejante, se produciránecos que podrían activar el sensor.

Para un objeto que seencuentra a unadistancia de 0.5m, eltiempo del sonido que letoma para viajar de ida yvuelta es de 3ms.Teóricamente se podríanrealizar 330 medicionespor segundo. Pero enrealidad solo se realizan60.

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Esto se debe a los ecos, generados principalmentecuando el objeto a detectarse tiene una superficiecon buena reflexión. Si se envían pulsos inmedia-tamente uno detrás de otro, se podría generarerrores de detección. Si se espera un tiempo pru-dencial hasta que los ecos desaparezcan, la señalya no puede ser falseada.Algo semejante ocurre cuando detrás del objeto adetectarse (el doble de la distancia máxima) setiene una superficie, la cual generará un eco losuficientemente fuerte para generar una señalfalsa.

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Los sensores ultrasónicos poseen una zona demuestreo de forma de cuña con un ángulo deapertura del orden de 10 .. 15o. Los objetos conun tamaño mínimo recomendado serán detecta-dos sin problemas.

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Zona ciega de800mm, 6.000mmde distancia detrabajo.

Este sensor seemplea para me-diciones de nivelde llenado en silosy tanques.

Consideraciones Importantes

Superficies Inclinadas

Al igual que los sensores ópticos, cuando lasuperficie del objeto está inclinada según laperpendicular al rayo emitido, no se podráreflejar la suficiente señal hacia el elementoreceptor y por lo tanto el sensor generaráseñales erróneas de detección.

Desviación del Rayo

Bajo condiciones agresivas o dificultad enel montaje (cuando el sensor no se puedemontar directamente), el sonido se puededesviar empleando reflectores adecuados.Hay que conside-rar que cadadesvio origina pér-didas y por eso noes recomendabledesviar más dedos veces la señal.

Materiales No Reflejantes

Prácticamente se pueden detectar todos losmateriales a la temperatura ambiente. Incluso sedetecta objetos transparentes, donde el sensorfotoeléctrico presenta algunas dificultades en sudetección.Para materiales más difíciles como la esponja(dunlopillo), se pueden detectar aún cuando sutamaño no cubre todo el cono de detección; esdecir, cuando los objetos son pequeños.Para otros materiales como el algodón, apenas sepueden detectar y es recomendable hacerpruebas antes de emplear el sensor sónico conobjetos de este tipo.

Fuertes Corrientes de Viento

Como se sabe, el sonido es desviado por corrien-tes de viento, ya que el viento es el que transportael sonido. Es por esto que se presentan problemascuando se tienen vientos fuertes (> 20 m/s), yasean si se presenten en forma radial o axial alsensor.Cuando se quieren detectar objetos pequeños y elviento hace que el eco de las superficies que estándetrás del objeto sean retornados hacia elreceptor, se presentarán problemas de detección.

Formación de Agua Condensada y Hielo

sobre la Superficie de Emisión-Detección

del Sensor

La influencia de la humedad en el funciona-miento del sensor sónico es despreciable. Pero siesta humedad se condensa en la superficie dedetección del sensor, se presentarán gravesproblemas, pues el sensor pierde sensibilidad. Unsensor cubierto con hielo deja prácticamente defuncionar. Pero polvo u otras partículas sueltasapenas influyen en el funcionamiento del sensor.La superficie de detección del sensor no deberáser pintada, como tampoco se le deberá pergarlealguna etiqueta.

Ruido Externo

Hoy en día los sensores ultrasónicos condistancia de detección hasta 2 m, trabajancon frecuencias mayores de 100 kHz.Gracias a esto, estos sensores sonpracticamente inmunes a los ruidosexternos.Si se tienen fuentes de ruido muy altos, queactuan directamente en el cono dedetección, la sensibilidad del sensor seatenua, de modo que podría originarproblemas con la detección de objetospequeños.

Detección de Cuerpos Calientes

Cuando se tienen diferencias de temperaturasmuy grandes, se puede originar la ruptura delruido o bién dispersión. Esto ocasiona problemasde detección o también que el sensor no llegue adetectar nada.Los objetos demasiados calientes apenas sepueden detectar debido a que el sonido sedispersa. Elproblema seagrava cuandose desea detec-tar distancias.

Protección contra Explosión

Los sensores ultrasónicos no son, porrazones físicas, adecuados para zonasexplosivas. Su electrónica requiere de altosvoltajes (400 Vpp), grandes condensadorese inductancias, lo cual hace imposibledesarrollar una versión segura para estetipo de zonas.Como el emisor y receptor de sonido debenestar en contacto directo con el medio, nose puede tener un sensor en una carcazaencapsulada.

Consejos Prácticos para el MontajeProtección del Sensor

En algunos casos se debe proteger al sensorcolocándole alguna placa o un tubo paralelo alcono de emisión. Pero si la superficie de esteobjeto es irregular se presentarán ecos queoriginarán una señal de detección indeseada.

Sensores colocados Uno en frente del Otro

Dos sensores no deben colocarse uno enfrente del otro por la influencia que setiene debido al sonido emitido por elsensor contrario.Esto ocurre aún cuando la distancia deseparación entre ellos es grande.Si esto no es evitable, la distanciamínima de separación entre los sensoresdeberá ser el cuadruple de la mayordistancia máxima de detección.

Sincronización de Varios Sensores

Si dos sensores sonmontados uno cerca delotro en forma paralela,podrían presentarse pro-blemas si el objeto estacolocado de manera incli-nada. Esto es debido a queel eco del sensor 1 es detec-tado por el sensor 2, lo quehace que se reciba unaseñal falsa. Esto se evita silos sensores tienen la posi-bilidad de poder sersincronizados.

Funcionamiento Multiplexado

Este modo de funcionamiento posibilita montarvarios sensores sin tener ninguna distancia deseparación entre ellos debido a que estos traba-jan uno después del otro en forma consecutiva.Pero se debe tener en cuenta que los sensoresultrasónicos son mucho más lentos que lossensores inductivos, capacitivos u ópticos. Através de una entrada especial (Scanning Input)se podrá activar al sensor mediante un sistemade control superior, como por ejemplo un PLC oMicrocontrolador. La frecuencia de escanéodeberá ser mucho más baja que frecuencia ladel sensor.

Conexión e Instalación

Los sensores ultrasónicos consumen máscorriente que los sensores ópticos y muchos másque los inductivos y capacitivos. Para la genera-ción del pulso sónico, la electrónica del sensorrequiere de un enorme pulso de corriente. Conel empleo de condensadores electrolíticosgrandes, se ayuda a la fuente de alimentación aque fluya un corriente contínua. El polonegativo del sensor debe conectarse al negativode la fuente de alimentación, pues si la tierra dellugar de montaje del sensor tiene otro potencial,entonces circulará por el sensor una corrientede compensación que originará que el sensor nofuncione correctamente.

Conexión e Instalación

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

Fijación del Sensor

Al montar el sensor ultrasónico sobre unaplaqueta delgada que pueda vibrar, originaráque el sensor ya no pueda funcionarcorrectamente. Esto se debe a la vibración quese origina en la plaqueta cuando el sensor emiteun pulso sónico, la cual, al vibrar emitirá unruído que será confundido por el sensor y seactivará como si estuviera presente un objeto.Para evitar esto, se deberá colocar al sensorapoyos de hule de modo que la vibración delmismo no se transmita a la plaqueta.

Sensores Ultrasónicos para Aplicaciones

Estándares

Rango de trabajo 100...1200 mm

Rango de medición 1100 mm

Resolución 300 μm

Frecuencia de Ultrasonidos 225 kHz

Ángulo de apertura < 12 °

Tiempo de vida (Tu = +25°C)

100000 h

Histéresis de conmutación 10 mm

Sensores Ultrasónicos para Medios Agresivos

Para la industria Química, Metalurgica, Petro-lera, etc., donde se tienen líquidos agresivos y sedesea realizar por ejemplo un control de nivel,es necesario el empleo de sensores especiales quepuedan resis-tir este medio.En el mercadose tienen sen-sores que estánrecubiertoscon teflón usa-dos para estefín.

Aplicaciones

Control de Llenado

Aplicaciones

Control de Tensión

Aplicaciones

Selección del Tamaño empleando Tres Sensores

Aplicaciones

Detección de Nivel en Tanques Abiertos

(sin Presión)

Aplicaciones

Identificación de hojas superpuestas