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Sensores Sonares

Sensores Ultrasónicos.
Siempre a la vanguardia tecnológica.

La naturaleza nos enseñó cómo. La serie BERO 3RG6 maneja el principio ultrasónico. Detecta todos los objetos con precisión milimétrica, sean líquidos, sólidos, granulares, de color, transparentes u opacos, de día o de noche. Con este principio se provee una gran precisión en distancias de hasta 10 metros, considerando un medio lleno de polvo o condiciones de suciedad extrema.- Sonar BERO siempre está presente.

Cómo trabaja el sensor ultrasónico BERO: Emite un pulso ultrasónico y usa el primer eco reflejado por el objeto en cuestión para calcular la distancia. De esa forma los BERo ultrasónicos permiten establecer un control continuo de posición o nivel de llenado.

No se afecta por condiciones de operación, pues aún en las más severas condiciones de operación, los BERO ultrasónicos son totalmente confiables sin necesidad de mantenimiento. Y para temperaturas de -25 hasta 70°C. Un sonar Siemens no puede verse afectado fácilmente, ya sea porque este sucio, por vibración, luz externa, sonido externo o por cambio de colores.
Y es que tenemos el sensor para cada trabajo, para la industria de aguas residuales, construcción de máquinas, industria automotriz, - la serie de sensores ultrasónicos de Siemens proveen el sensor correcto para cada aplicación de automatización en la industria.

La tecnología de estos sensores ultrasónicos varía:
Ofrecemos los sensores en dos diferentes versiones: con salida digital o analógica. El primero se utiliza comúnmente para valores críticos de nivel de tanques o detección de personas en una puerta, por ejemplo. La variante con salida analógica permite medición continua de distancia. Toda la serie de sensores sonares puede integrarse a la red AS-interface. Además podemos utilizar el software SONPROG para programarlos desde una PC.

Disposición

Para evitar interferencias entre varios detectores de proximidad ultrasónicos Sonar-BERO, se recomienda tener en cuenta las siguientes instrucciones de montaje:

Estas interferencias, que pueden conducir a la emisión de señales erróneas, se pueden subsanar manteniendo grandes distancias entre los Sonar-BERO o alineando éstos de forma adecuada. En los sensores compactos de las series 0, II y III se pueden sincronizar los diferentes BEROs para evitar que unos interfieran en otros.

En el caso de la serie modular II, el sensor conectado a los bornes del sensor B funciona en sincronismo con el sensor de referencia. Con este método es posible eliminar las interferencias entre ambos sensores.

Objetos

Los objetos a captar pueden ser sólidos, líquidos, en partículas o en polvo. El material puede ser transparente o coloreado, de cualquier forma, con superficies externas pulidas o mates.

Los detectores captan de forma segura todas las superficies planas y lisas - incluso con la máxima distancia de detección - hasta una desviación angular de 3° con respecto al cono ultrasónico.

Según la profundidad de las rugosidades del objeto, el ángulo de desviación también puede ser mayor.

Normalmente, los objetos pueden penetrar en el cono ultrasónico desde cualquier posición.

Entorno

El tiempo de propagación del ultrasonido depende de la temperatura del aire. Como magnitud de referencia se ha tomado 20°C. Un cambio de temperatura de p. ej. +20°C provoca un cambio de la velocidad de propagación del ultrasonido de aprox. un +3,5 % y, consecuentemente, una modificación de la distancia de detección de +3,5 %.

Por eso, los nuevos sensores Sonar de la serie II y de la serie compacta III tienen una sonda de temperatura para compensar los cambios de la distancia de detección debidos a las fluctuaciones de temperatura.

Con densidades normales de precipitaciones, la lluvia y la nieve, en la zona de detección, no afectan al funcionamiento del Sonar-BERO. La superficie externa activa del emisor no debe mojarse, dañarse ni barnizarse ya que esto puede reducir su sensibilidad.

Protección contra explosiones

Los detectores Sonar-BERO de las series compactas 0 a III, M 18 y K 65 y los sensores de la barrera ultrasónica, forma compacta y la serie II son aptos para su uso en zonas clasificadas Ex 2 y Ex 11.

Los Sonar-BERO son sensores de proximidad aplicables en numerosos sectores de la automatización. Estos aparatos pueden aplicarse siempre que desee medirse una distancia en el aire, ya que no sólo detectan la presencia de objetos, sino también están en condiciones de medir e indicar la distancia absoluta entre el detector Sonar-BERO y el objeto. Los cambios en las condiciones ambientales (p. ej. fluctuaciones de temperatura) se compensan durante la medida.

Montaje

Los detectores Sonar-BERO pueden funcionar montados en cualquier posición. Sin embargo deben evitarse posiciones que provoquen depósitos de material sobre la superficie del transductor.

Para lograr los mejores resultados de reflexión los detectores Sonar-BERO deberán orientarse siempre de forma que las ondas ultrasónicas incidan de la manera más perpendicular posible sobre el objeto. Si esto no es posible (p. ej. en granulados), entonces el alcance máximo posible deberá determinarse de forma experimental. Dicho parámetro depende del material, del tipo de superficie y de la orientación de los objetos.

Para evitar reflexiones parásitas es necesario despejar de objetos perturbadores un espacio libre separado una distancia "a " del cono ultrasónico (ver conos ultrasónicos)

Entre el eje del cono ultrasónico de una pared lisa que discurre en paralelo es necesario observar una distancia "b " para evitar reflexiones parásitas. También hay que dejar libre de objetos la zona alejada "c " del detector para evitar la entrada de objetos en la zona ciega.

Montaje de varios detectores

Las interferencias mutuas entre varios detectores Sonar-BERO que puedan conducir a la emisión de señales erróneas se pueden evitar manteniendo distancias adecuadamente amplias entre los detectores o alineando éstos de forma idónea.

Si se instalan en oposición dos Sonar-BERO idénticos es necesario observar una separación "d ". Si se colocan en paralelo dos detectores idénticos, entonces deberán mantenerse una separación "e " entre los mismos.

Los detectores BERO de las series compactas 0, II, III y M 18 pueden sincronizarse o funcionar en modo multiplexado para evitar interferencias mutuas (ver funciones.

Ensuciamiento

El alcance del BERO se reduce si se daña la superficie de su transductor ultrasónico, se pinta dicha superficie o si en la misma se deposita agua o suciedad húmeda.

Los Sonar-BERO trabajan sólo al aire y pueden detectar todos los objetos que reflejan los ultrasonidos.

Los detectores emiten cíclicamente impulsos ultrasónicos. Cuando dichos impulsos son reflejados por un objeto se recibe el eco correspondiente y se transforma en una señal eléctrica. La detección del eco incidente depende de su intensidad y ésta de la distancia entre el objeto y el detector Sonar-BERO.

Los detectores Sonar-BERO trabajan midiendo el tiempo de propagación del eco, es decir, el intervalo de tiempo que media entre el impulso emitido y el eco del mismo.

Debido al diseño de los sensores el ultrasonido se emiten en forma de cono. Los objetos reflectantes sólo se detectan si se encuentran dentro de dicho cono ultrasónico. Por motivos físicos no es posible evaluar ecos en la zona denominada ciega y situada entre la superficie del sensor y la zona de detección.

Resolución

Denominamos resolución al menor cambio en la distancia al objeto que es necesario para que tenga efecto sobre la salida del BERO. La resolución interna es de 256 ó 4096 pasos. Si al programar se introducen valores que superan dicha resolución, entonces el programa los corrige automáticamente. En una ventana se visualizan los valores modificados y se presenta el mensaje correspondiente.

Ejemplo

Sonar-BERO 3RG6014-..... (60 a 600 cm)

Para un alcance de 60 a 600 cm resulta una resolución de 1,3 mm:

6000 mm - 600 mm = 5400 mm 5400 mm/4096 = 1,3 mm (12 bits)

Si se limita el rango de medida disminuye el intervalo de cada paso, ya que se reduce la distancia, subdivida en 4096 pasos. Sin embargo la electrónica limita a 1 mm el intervalo de paso mínimo. Si se reduce el alcance se obtiene una mayor resolución.

Compensación de temperatura

Los Sonar-BERO de las series compactas II, III y M 18 así como la serie modular II están equipados con sensores de temperatura y circuito de compensación para corregir los cambios de distancia de detección causados por fluctuaciones de temperatura.

La compensación funciona a lo largo de todo rango de temperatura. De esta forma se alcanza una precisión absoluta de +/- 1,5 % (series compactas II y III) o de +/- 2,5 % (serie compacta M 18).

Modo de operación con salida lógica

Los Sonar-BERO con salida lógica pueden aplicarse, dependiendo del modelo, en los modos de operación siguientes:

Sólo emisor, sólo receptor

Para este modo de operación se requieren siempre dos Sonar-BERO. Uno se parametriza como receptor, el otro como emisor. Existen dos aplicaciones básicas:

· Barrera ultrasónica directa:

Sólo se detecta si hay un objeto entre los BERO. Con ello se duplica el alcance. En este caso carece de sentido ajustar una zona de conmutación al detectar al igual que evaluar la salida analógica.

· Sistema de medida activo:

Se mide el tiempo de propagación del ultrasonido del emisor al receptor. Para ello es necesario interconectar las entradas de habilitación de ambos BERO. Siguen pudiéndose aprovechar todas las posibilidades de los BERO; con ellos se duplica el alcance.

Emisor y receptor

Este es el modo de operación normal del Sonar-BERO; en este caso trabaja como detector de proximidad clásico.

· Sensor difuso:

En esta aplicación el objeto a detectar actúa como reflector. Tan pronto como un objeto se encuentra dentro de la zona de conmutación al detectar ajustada, el eco procedente del mismo hace que conmute la salida del BERO.

Barrera por reflexión:

Operando como barrera por reflexión se monta un reflector fijo (p. ej. una pequeña chapa) enfrente del BERO. La zona de conmutación al detectar se ajusta en base a dicho reflector. Así, si se interrumpe el tramo comprendido entre el BERO y el reflector el sensor ya no detecta a éste, lo que hace conmutar la salida lógica.

Sincronización

En las series compactas II, III y M 18 es posible sincronizar varios detectores, para lo que basta con interconectar las salidas de sincronización de los mismos (pin 2 en función NA, pin 4 en función NC. Es posible sincronizar hasta 10 detectores (ó 6 en los casos de la serie compacta 0. En muchos casos esto permite instalar muy próximo los sensores sin que se interfieran mutuamente.

Ventajas

· No se necesita cableado adicional, basta con interconectar las entradas de habilitación de los diferentes BERO.

· Reacción rápida ya que cada BERO está activo continuamente.

Desventajas

· El objeto no puede asignarse a ningún BERO concreto.

Ejemplo

Dos Sonar-BERO están montados distanciados "e", distancia que es inferior a la mínima (ver instrucciones de montaje. Un objeto se encuentra dentro del campo de transmisión de ultrasonidos común. El eco de B2 puede llegar a B1 por reflexión (GB. Esto puede provocar interferencias mutuas. El objeto es detectado por los dos ecos E1 y E2 de los Sonar-BERO B1 y B2. La sincronización puede tener el efecto positivo de que ambos detectores ya no se interfieran mutuamente ya que, por ejemplo, el eco E1 llega al BERO B2 antes del eco E2. Los detectores sólo responden siempre al primer eco.

Función de multiplexado

Modo multiplexado externo

El cuarto pin puede utilizarse como entrada de habilitación externa. Esto permite activar o desactivar puntualmente un Sonar-BERO desde un circuito externo sin necesidad de conectar y desconectar la alimentación. Es posible configurar un modo multiplexado externo conectando y desconectando sucesivamente los Sonar-BERO a través de la entrada de habilitación. En este caso está siempre asegurado el que no se interfieran mutuamente los Sonar-BERO. A diferencia del modo multiplexado interno esto permite multiplexar más de 10 Sonar-BERO.

Conexión de la entrada de habilitación:

· Sonar-BERO activo,
entrada de habilitación XI conectada con L+ o abierta.

· Sonar-BERO inactivo,
entrada de habilitación XI puesta a
0 a 3 V DC

Ventajas

· Protección segura contra interferencias mutuas.

· El objeto puede asignarse a un BERO concreto.

Desventajas

· Necesidad de cablear adicional (p. ej. a un PLC.

· Tiempo de respuesta más prolongado en comparación con el circuito de sincronización, ya que cada BERO sólo actúa durante un breve tiempo y, después, debe esperar a que hayan emitido todos los BERO incluidos en el conjunto multiplexado.

Ejemplo:Detección de objetos estrechos

Se desea detectar objetos estrechos así como cerciorarse de si están presentes dos objetos, un objeto o ningún objeto.

En este ejemplo el eco GB engañaría al BERO B1. Este inconveniente no puede evitarse sincronizando los BERO, ya que el impulso del eco E2 llega tras el eco GB al BERO B1, y éste sólo detecta siempre el primer eco. En este ejemplo un PLC debería encargarse de conmutar cíclicamente entre los dos BERO.

Modo multiplexado interno

Los Sonar-BERO de las series compactas III, III y M 18 pueden interconectarse formando un conjunto multiplexado. Ello es posible con hasta 10 detectores (ó 6 detectores de la serie compacta 0) conectados en serie o paralelo (ver sincronización. Para ello no se requiere ningún componente electrónico adicional. Sólo es necesario interconectar las entradas de habilitación de todos los BERO participantes. Al programar es necesario comunicar a cada BERO que interviene en el conjunto el número de detectores implicados así como su dirección propia. Una vez realizado el cableado y conectada la alimentación los BERO ejecutan automáticamente la función de multiplexado.

Equipo de programación SONPROG

El equipo de programación SONPROG 3RX4 000 se utilizan para adaptar in situ los parámetros de funcionamiento de los Sonar-BERO de las series compactas II, III y M 18 a los condicionantes locales. Este equipo es una interface para las tareas siguientes:

· Comprobación de los parámetros del Sonar-BERO,

· Modificación de los parámetros del Sonar-BERO,

· Coordinación de Sonar-BERO a la aplicación.

Todo ello permite optimizar un Sonar-BERO para una determinada aplicación. Los valores de ajuste encontrados pueden memorizarse o imprimirse, simplificando así el mantenimiento y la documentación de la instalación.

Después de sustituir un Sonar-BERO el nuevo aparato puede programarse de forma rápida y simple utilizando los datos memorizados. No se requiere repetir ningún trabajo de ajuste.

Los parámetros más importantes son:

· Comienzo y fin de la zona de conmutación al detectar

· Histéresis

· Función NA o NC

· Frecuencia de conmutación

· Comienzo y fin de la característica analógica (sólo series compactas III y M 18),

· Característica analógica creciente o decreciente

· Fin de la zona ciega

· Fin de la zona de detección

· Formación de media

· Atenuación

También es posible ajustar la función del detector:

· Función de multiplexado

· Compensación de temperatura

· Operación como sensor difuso o barrera.

Ajuste por potenciómetro

Los potenciómetros permiten ajustar los límites (mín. o máx.) deseados de la zona de conmutación al detectar.

Superficie activa

La superficie activa de un detector ultrasónico de proximidad es aquella superficie por la que sale y entra el ultrasonido (IEC).

Eje de referencia

El eje de referencia es el eje que discurre perpendicular a la superficie activa y en su centro (IEC).

Zona de detección

Bajo zona de detección se entiende el campo en el que es posible ajustar la distancia de detección (IEC).

Según el tipo, en los Sonar-BERO cubre una zona de 5 cm a 10 m.

Debido al diseño de los sensores los ultrasonidos se emiten en forma de cono. Los objetos reflectantes sólo se detectan si se encuentran dentro de dicho cono ultrasónico. Por motivos físicos no es posible evaluar ecos en la zona denominada ciega y situada entre la superficie del sensor y la zona de detección.

Distancia de detección

La distancia de detección es aquella distancia a la que tiene lugar un cambio de señal en la salida cuando se aproxima la placa de medida a la superficie activa con una trayectoria a lo largo del eje de referencia (IEC.

Distancia asignada de detección s _n

La distancia asignada de detección es una magnitud convencional para definir las distancias de detección. No consideran ni las dispersiones de fabricación ni los cambios por otros efectos, tales como tensión y temperatura (IEC.

Distancia real de detección s _r

La distancia real de detección es la distancia de detección de un único detector de proximidad que se mide con temperatura, tensión y condiciones de montaje fijamente definidas (IEC.

Precisión

Se denomina precisión al error permitido que se materializa en una diferencia entre la distancia real y el valor indicado. La precisión de un Sonar-BERO depende de las tolerancias internas, así como de algunos parámetros físicos del aire tales como humedad, presión atmosférica y movimiento del mismo. Estos parámetros influyen sobre el tiempo de propagación del ultrasonido y con ello del valor medido.

Presión atmosférica

Considerando las fluctuaciones de presión atmosférica habituales en un punto fijo su efecto sobre la velocidad del sonido es despreciable. Entre el nivel del mar y 3000 m de altura la velocidad de propagación disminuye en menos del 1 %. En el vacío no puede propagarse el sonido.

Humedad del aire

A temperatura ambiente y con bajas temperaturas la humedad ambiente tiene efecto despreciable sobre la velocidad de propagación del sonido. A mayores temperaturas del aire, la velocidad de propagación aumenta con la humedad del aire.

Temperatura del aire

El tiempo de propagación del ultrasonido depende de la temperatura del aire. Como magnitud de referencia se ha tomado 20 °C. La velocidad de propagación varía con la temperatura del aire en 0,17 %/K. Esta variación de la velocidad de propagación función de la temperatura hace que cuando aumente ésta la distancia al objeto parezca menor.

Un cambio de temperatura de p. ej. +10 °C provoca un cambio de la velocidad de propagación del ultrasonido de aprox. un +1,75 % y, consecuentemente, una modificación en la distancia de detección de +1,75 %.

Tipos de gases

Los Sonar-BERO han sido diseñados para funcionar en aire atmosférico. Funcionando dentro de otros gases, si difieren los valores de la velocidad de propagación del sonido y de la atenuación pueden darse errores fuertes de medida e incluso imposibilidad de funcionamiento (p. ej. en atmósfera de dióxido de carbono.

Corrientes de aire

No es posible formular una ley de variación de validez general para el efecto que tienen sobre la velocidad de propagación los cambios permanentes en la dirección de circulación y la velocidad del aire. Los objetos a alta temperatura, p. ej. metal al rojo, ocasionan turbulencias en el aire circundante. En tal caso se difunden o desvían los ultrasonidos. Como consecuencia no se consigue un eco evaluable.

Carecen de efecto sobre los resultados de medida efectos tales como:

Precipitaciones

Con valores normales de precipitación, la lluvia o la nieve no afectan al funcionamiento del Sonar-BERO. Sin embargo, conviene que no se moje la superficie del transductor. Se permiten condensaciones.

Neblinas de pintura

No tienen ningún efecto fehaciente sobre el funcionamiento del Sonar-BERO. Sin embargo, para no afectar a la sensibilidad del transductor no conviene que la neblina de pintura pueda depositarse sobre la superficie activa del transductor ultrasónico.

Sonido externo

El sonido externo se discrimina de los ecos generados por el propio sistema y no causa por regla general funcionamientos anómalos.

Precisión de repetición R

La precisión de repetición es el cambio que sufre la distancia real de detección sr bajo condiciones predefinidas (IEC.

La precisión de repetición se mide a lo largo de 8 horas con una temperatura ambiente de 23 °C (± 5 °C) y una humedad relativa cualquiera dentro de la zona especificada y con una tensión de alimentación definida.

La precisión de repetición del Sonar-BERO es de 0,15 % del fondo de escala.