Básicos de los sensores capacitivos

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La detección de objetos metálicos y no metálicos es una necesidad para muchas industrias como alimentaria, química, farmacéutica, etcétera, la cual debe ser cubierta por dispositivos precisos y específicos. Uno de los más utilizados son los sensores capacitivos, que presentan principios de funcionamiento y características distintas en comparación con otros sensores de proximidad, que deben conocer antes de adquirir un ejemplar.

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¿Qué son y para qué se utilizan?

Se trata de dispositivos que operan sin contacto, los cuales pueden detectar la presencia y ausencia de cualquier objeto, sin importar su material o composición. Para lograr usan la propiedad eléctrica de la capacitancia y el cambio de esta con base en una modificación en el campo eléctrica que rodea la cara activa del sensor. La detección capacitiva es usada comúnmente en aplicaciones en la que estén involucrados:

  • Flujos
  • Presión.
  • Nivel de líquido.
  • Espaciado
  • Grosores
  • Detección de hielo.
  • Ángulo del eje o posición lineal.
  • Interruptores de llave.
  • Interruptores de atenuación.
  • Acelerómetros.

¿Cuál es su principio de funcionamiento?

Los sensores de proximidad capacitivos actúan como condensadores sencillos. En su cara de detección se coloca una placa metálica, la cual se conecta eléctricamente a un circuito oscilar interno y el objetivo que será detectado funge como la segunda placa del condensador. Alguno los confunden con los sensores inductivos, sin embargo, los último generan un campo electromagnético mientras que los capacitivos un campo electrostático.

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La capacitancia externa entre la placa del sensor interno y el objetivo, forma parte de la capacitancia de retroalimentación en el circuito del oscilador. A medida que el objetivo se aproxima a los sensores, incrementan las oscilaciones hasta que llegan a un umbral y activan la salida. Los sensores capacitivos tienen la función de ajustar el nivel de umbral y la sensibilidad del oscilador. El último ajuste puede realizarse mediante la configuración de un potenciómetro, el uso de un botón de aprendizaje integral o de manera remota con un cable de aprendizaje.

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En caso de que el sensor no cuente con un método de ajuste, entonces debe ser movido físicamente para detectar el objetivo de manera correcta. El incremento de la sensibilidad deriva en una mayor distancia de operación al objetivo. Si se recurre a grandes aumentos en la sensibilidad, es posible que el sensor resulte influido por factores como suciedad, humedad y temperatura. Existen dos categorías de objetivos que los sensores de proximidad capacitivos pueden detectar:

  • Abarcan materiales como metal, sangre, agua, alcalinos, ácidos, y líquido salado, presentan una mayor capacitancia y su fuerza dieléctrica resulta irrelevante. A diferencia de los sensores inductivos, los factores de reducción para diversos metales no influyen en la distancia de detección de los sensores.
  • No conductivos. Actúan como un aislante del electrodo de los sensores. Su constante dieléctrica, consiste en la medida de las propiedades de aislamiento que se usan con el fin de determinar el factor de disminución de la distancia de detección. Los líquidos y sólidos presentan una constante dieléctrica que es mayor que el aire (1.00059) o el vacío (1.00000). Aquellos que presentan una constante dieléctrica más alta, poseen una distancia mayor de detección, por ello los materiales con un elevado contenido de líquido, por ejemplo, granos, manchas, madera, papel, etcétera, repercutirán en la distancia de detección.

Existen tres factores que determinan la distancia de detección de los objetivos no conductivos:

  1. Las propiedades del material capacitivo del objetivo, que se conoce también como constante dieléctrica: cuando mayor será, también lo será la distancia de detección.
  2. El tamaño de la superficie activa del sensor: cuanto mayor es la cara detectora, también lo será la distancia de detección.
  3. El área de superficie de los objetivos por detectar: cuanto mayor sea, igual lo será la distancia de detección.

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Otros factores que presentan un efecto mínimo en la distancia son: velocidad del objetivo, temperatura y rango de detección.

La distancia de detección máxima de los sensores de proximidad capacitivos está basada en un objetivo estándar, el cual consiste en una placa cuadrada de metal que tiene un grosor de un milímetro y está conectada a tierra. El objetivo tiene que contar con una longitud lateral que sea el diámetro nominal si la distancia de detección es superior a este o tres veces la distancia nominal de detección si es mayor que el diámetro. Los objetivos no metálicos presentarán un factor de reducción con base en su constante dieléctrica, el cual tiene que medirse para determinar la distancia real de detección.

La distancia de detección nominal consiste en un valor teórico, el cual no considera tolerancias de fabricación, voltajes de suministro y temperaturas de operación. Se trata de la distancia de detección enumerada en diversos catálogos de fabricantes, como la reconocida marca de sensores Sick. La distancia de detección efectiva consiste en la distancia de conmutación del dispositivo medida en ciertas condiciones, por ejemplo, montaje empotrado.

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¿Qué es la histéresis?

Se trata de la diferencia de distancia entre la activación cuando el objetivo está próximo a la cara de detección, y el punto de desactivación cuando se aleja. Los sensores la consideran para evitar el ruido de salida en caso de que los objetivos se coloquen en el punto de conmutación. La histéresis no es un parámetro constante, por lo que varía según el tipo de sensor. Existen diversos factores que influyen en ella, por ejemplo:

  • Presión atmosférica.
  • Humedad relativa.
  • Temperatura del sensor, tanto la generada por él como la ambiental.
  • Tensiones mecánicas en la carcasa.
  • Componentes eléctricos.

¿Cómo determinar su sensibilidad?

Presentan un potenciómetro y otro método para realizar configuraciones en su sensibilidad y usarlos en aplicaciones específicas. En el caso del potenciómetro, la cantidad de vueltas no brinda un indicador preciso de las configuraciones debido a que la mayoría no presentan paradas duras, sino embragues para evitar daños cuando se ajusta a la configuración máxima o mínima.

Para determinar la sensibilidad, la distancia de detección es medida desde una placa de metal conectada con un micrómetro a tierra. La placa debe conectarse a tierra al negativo de la fuente de alimentación y el objetivo moverse axialmente a la cara del dispositivo. Desplace el objetivo fuera del rango de detección y posteriormente hacia la cara del sensor. Deje de hacerlo tan pronto como se active la salida. Esta distancia es la distancia de detección del equipo. Alejar el objetivo y notar cuando la salida se desactiva les mostrará la histéresis.

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Si desean conocer más sobre los sensores capacitivos que ponemos a su alcance y sus características, comuníquense con los expertos de SEPIA a través de la línea (55) 5536 7787 y (55) 5682 2347 o completen el formulario que encontrarán en la pestaña de contacto de nuestro sitio.

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