Introducción a los sensores y captadores de señal

En el ámbito de la automatización industrial y el control de procesos, los sensores y captadores de señal representan los órganos sensoriales del sistema automático. Su misión primordial es convertir magnitudes físicas y mecánicas del entorno de la maquinaria (tales como presencia, posición, velocidad, temperatura, presión, caudal o fuerza) en variables eléctricas normalizadas e interpretables por las unidades lógicas de control, tales como autómatas programables (PLC) o relés de maniobra. La precisión en la captación de estas señales es una condición de seguridad crítica para evitar colisiones mecánicas, fallos de secuencia o sobrecargas en las instalaciones productivas.

La correcta selección, conexionado y mantenimiento de estos dispositivos es una tarea obligada del técnico encargado del montaje de armarios y sistemas eléctricos. Un fallo común consiste en desatender los parámetros de aislamiento, tipo de salida transistorizada o la atenuación de ruido de las líneas de señal. Esto da lugar a falsos disparos de secuencia en la lógica de control, los cuales resultan difíciles de diagnosticar mediante el software del autómata si no se analizan desde una perspectiva de hardware electromecánico y de cableado físico.

Interruptores mecánicos de posición (finales de carrera)

Los finales de carrera (o interruptores de posición mecánicos) constituyen los captadores de señal más antiguos, sencillos y robustos en la industria. Constan de un cabezal de accionamiento mecánico (palanca, rodillo, varilla o roldana) que se desplaza físicamente por la fuerza del objeto a detectar, y un bloque de contactos eléctricos internos acoplado al eje. Estos contactos pueden ser normalmente abiertos (NO) o normalmente cerrados (NC), y actúan abriendo o cerrando el circuito de control de maniobra al presionarse el cabezal.

Existen dos principios básicos de conmutación de los contactos internos:

1. Ruptura Lenta: La velocidad de separación de los contactos es directamente proporcional a la velocidad de actuación del elemento mecánico sobre la palanca. No se recomiendan para velocidades de accionamiento excesivamente bajas, ya que el arco eléctrico tarda más en extinguirse, dañando los contactos.

2. Ruptura Brusca (o salto rápido): Los contactos internos cambian de estado de manera instantánea mediante un mecanismo interno de muelle elástico una vez se alcanza el punto de disparo, independientemente de la lentitud con la que se mueva la palanca exterior. Esto minimiza el tiempo del arco eléctrico y alarga la vida útil metrológica del captador mecánico.

El técnico debe verificar que los cables en los bornes de conexión del final de carrera estén dotados de punteras crimpadas de sección adecuada, respetando el índice de protección IP (por ejemplo, IP65 o IP67) mediante el uso de prensaestopas apretados con firmeza para evitar que la humedad, virutas metálicas o aceites de corte penetren al bloque de contactos y provoquen derivaciones eléctricas indeseadas.

Detectores de proximidad inductivos y capacitivos

Los detectores de proximidad de estado sólido realizan la captación de presencia sin contacto físico, eliminando el desgaste mecánico y permitiendo frecuencias de conmutación extremadamente elevadas (de hasta varios kilohercios). Se clasifican principalmente según su principio físico de funcionamiento en inductivos y capacitivos:

1. Detectores Inductivos: Basan su funcionamiento en la generación de un campo magnético alterno de alta frecuencia en su cara activa, producido por un circuito oscilador acoplado a una bobina con núcleo de ferrita. Cuando un objeto metálico (conductor de electricidad) se introduce en esta zona de influencia, el campo magnético induce corrientes parásitas (corrientes de Foucault) en la superficie del objeto. Esto extrae energía del circuito oscilador, atenuando la amplitud de la oscilación de corriente. Un circuito integrador detecta esta caída y activa la salida de señal. Cabe destacar que estos sensores únicamente detectan metales. Su distancia de detección nominal ($S_n$) depende directamente del tipo de metal debido al factor de reducción (el acero dulce se detecta al 100%, mientras que el cobre y aluminio reducen la distancia de detección real a valores cercanos al 30-40%).

2. Detectores Capacitivos: Fundamentan su operación en la variación de capacidad que experimenta un condensador de placa abierta en su cara frontal activa. El sensor incorpora un electrodo de detección acoplado a un circuito oscilador de alta frecuencia. Al aproximarse cualquier material (sea conductor o aislante, sólido, líquido, polvo, plástico, madera o vidrio), este actúa como dieléctrico alterando la capacidad del condensador y disparando el oscilador para conmutar la salida. Son idóneos para control de nivel en silos de grano o detección de llenado de envases plásticos.

En cuanto al conexionado al armario eléctrico, existen dos tecnologías principales para captadores de corriente continua (habitualmente a 24 V DC):

  • Sensores NPN: Al conmutar, conectan la salida de señal a la referencia de masa o negativo (0 V). La carga del armario se debe conectar entre el positivo (+24 V) y el cable de salida del sensor.
  • Sensores PNP: Al conmutar, conectan la salida de señal al borne positivo (+24 V). La carga del armario se debe conectar entre la salida del sensor y el borne de masa o negativo (0 V). Es la configuración normalizada en Europa y la más utilizada en PLCs industriales por motivos de seguridad frente a derivaciones a masa.
Figura: Modos de captación sin contacto físico en entornos automatizados. Fuente: Generada para fines educativos / Licencia: CC BY-NC-SA

Sensores fotoeléctricos o detectores ópticos

Los captadores fotoeléctricos basan su funcionamiento en la emisión y recepción de haces de radiación luminosa (infrarroja, roja visible o láser). Dependiendo del método de interrupción u obtención del haz de retorno, se clasifican en tres configuraciones estándar:

1. Sistema de Barrera: El emisor de luz y el receptor físico se encuentran alojados en carcasas independientes enfrentadas a distancia. Su principal ventaja es el elevado alcance útil (hasta decenas de metros) y la máxima inmunidad al color o brillo del objeto a detectar. Su inconveniente radica en la necesidad de tender cables de alimentación a ambos lados de la cinta o pasillo de transporte.

2. Sistema Réflex (retrorreflectante): El emisor y el receptor óptico se sitúan integrados en un único cuerpo físico. El haz de luz emitido se proyecta sobre un espejo catadióptrico especial situado enfrente, el cual lo refleja de vuelta al receptor. La presencia de un objeto interrumpe el haz reflectante. Para evitar falsos positivos con materiales muy brillantes que reflejen la luz imitando al catadióptrico, se emplean filtros de luz polarizada que eliminan los reflejos que no procedan exactamente de la despolarización física del espejo catadióptrico.

3. Sistema Difuso: Emisor y receptor se integran en el mismo cuerpo. El haz de luz se proyecta al espacio libre y solo retorna al receptor si rebota directamente sobre la superficie del objeto a detectar. Es el método más económico y fácil de instalar, pero su alcance útil es reducido y depende críticamente del color, textura y reflectancia de la superficie del objeto.

Transductores analógicos de proceso y cableado

Para magnitudes continuas que no son binarias (todo o nada), se requiere el uso de transductores analógicos. Los sensores de temperatura industriales son el ejemplo más común:

1. Termorresistencias (RTD): Como la sonda Pt100 o Pt1000, basadas en la propiedad del platino de variar su resistencia eléctrica de forma lineal con la temperatura (100 ohmios a 0 °C). Para compensar la resistencia parásita de los cables largos hasta el armario eléctrico, se deben conectar mediante lazos de 3 hilos o 4 hilos en puentes de Wheatstone de precisión.

2. Termopares: Basados en el efecto Seebeck, constan de la unión de dos metales distintos que generan una fuerza electromotriz en el orden de milivoltios proporcional al gradiente de temperatura. Requieren cables de compensación específicos y sistemas de compensación de unión fría en la tarjeta analógica del autómata.

Para transmitir estas débiles señales analógicas sin interferencias provocadas por los contactores y variadores de frecuencia del armario eléctrico, se emplean acondicionadores de señal que convierten las lecturas en lazos de corriente normalizados de 4-20 mA o de tensión de 0-10 V. El lazo de corriente de 4-20 mA es el más robusto, ya que su valor es inmune a las caídas de tensión por longitud de cable y permite la detección inmediata de rotura física del conductor de cobre (si la corriente desciende a 0 mA, existe rotura de cable, mientras que 4 mA representa el valor cero de escala física).

Es obligatorio canalizar estos cables de instrumentación de baja señal de forma físicamente separada (en canaletas separadas o mediante separadores metálicos) de los cables de fuerza del armario eléctrico de potencia, utilizando mangueras con malla de blindaje trenzado conectada a tierra en un único extremo para evitar bucles de masa perturbadores.

Figura: Sensor de proximidad de estado sólido montado en entorno industrial severo. Fuente: Generada para fines educativos / Licencia: CC BY-NC-SA
🐍 Código Python: Filtro Digital por Media Móvil para Señales Analógicas de Sensores


# Script para simular un filtro de media móvil para lecturas de sensores analógicos

# en instalaciones industriales propensas a ruido de alta frecuencia en el armario.



class FiltroMediaMovil:

    def __init__(self, ventana_tamano=5):

        self.tamano = ventana_tamano

        self.lecturas = []

        

    def filtrar(self, nueva_lectura):

        # Añade la nueva lectura y elimina la más antigua si supera la ventana

        self.lecturas.append(nueva_lectura)

        if len(self.lecturas) > self.tamano:

            self.lecturas.pop(0)

        # Calcula el promedio de la ventana

        return sum(self.lecturas) / len(self.lecturas)



# Simulación de un transductor de temperatura de 4-20 mA con ruido electromagnético

lecturas_ruidosas = [12.1, 12.0, 15.5, 12.2, 11.9, 12.1, 18.0, 12.3, 12.0, 12.2]

filtro = FiltroMediaMovil(ventana_tamano=3)



print("💡 SIMULADOR DE FILTRADO DE SEÑAL ANALÓGICA:")

print("=" * 60)

print(f"{'Lectura Original (mA)':<25}{'Lectura Filtrada (mA)':<25}{'Estado de Señal':<15}")

print("-" * 60)



for val in lecturas_ruidosas:

    filtrado = filtro.filtrar(val)

    # Detectar pico anómalo de ruido

    estado = "💡 RUIDO" if abs(val - filtrado) > 2.0 else "? ESTABLE"

    print(f"{val:<25.2f}{filtrado:<25.2f}{estado:<15}")

    

print("=" * 60)

Este código simula el proceso de suavizado digital de ruido térmico y de inducción en tarjetas PLC.

💡 Cálculos de líneas de señal: La longitud de la manguera y las secciones mínimas para evitar caídas de tensión excesivas en la alimentación de sensores se pueden calcular de manera precisa en la calculadora técnica: Abrir Módulo de Sizing en REBT Calc.
💡 Verificación del cálculo de sección: Puedes contrastar la caída de tensión del script ejecutando el simulador de dimensionamiento: Comprobar sección de cableado en la calculadora.

🔧 Laboratorio Práctico: Dimensionamiento del cable de alimentación de sensores remotos

En una instalación de tratamiento de agua industrial, se monta un conjunto de sensores y transductores de temperatura remotos (consistentes en sondas Pt100 asociadas a transmisores de 4-20 mA que operan a 24 V DC). Los sensores se encuentran situados a una distancia física de 150 metros del armario de control principal del proceso. Para evitar perturbaciones de conmutación en la señal y caídas de tensión que impidan el encendido de los captadores, el ingeniero calcula la sección mínima de cable necesaria utilizando la calculadora técnica:

  1. Accede al módulo de Sección de Cables en la calculadora REBT Calc.
  2. Introduce los parámetros de cálculo indicados por el dosier técnico del proyecto:
    • Voltaje del circuito de control: Configura la tensión a 24 V en corriente continua.
    • Longitud de la línea del bucle: Ajusta el valor de longitud a 150 metros.
    • Consumo total estimado: Ajusta la intensidad a 0,5 A (consumo acumulado de los transductores analógicos y las electroválvulas piloto asociadas).
    • Límite admisible de caída de tensión: Configura un máximo admisible del 5% (equivalente a 1.2 V de pérdida en 24 V).
  3. Compara los resultados de caída de tensión resultantes para diferentes secciones comerciales estándar de cobre (0,5 mm², 0,75 mm², 1,5 mm²).
📂 Abrir Módulo de Sizing en REBT Calc

Pregunta de Laboratorio:

Al simular el caso en la calculadora, ¿qué sección de cable de cobre mínima asegura que la caída de tensión no supere el límite reglamentario del 5%?

📋 Caso Práctico: Selección de Captadores

Contexto: En la cinta transportadora de una embotelladora, se requiere detectar la aproximación de botellas de vidrio transparente para accionar el llenador automático.

Pregunta: ¿Qué tipo de sensor físico se debe instalar para garantizar la detección de las botellas sin que afecte el carácter dieléctrico o la transparencia?

📋 Caso Práctico: Conexión Eléctrica de Sensores Transistorizados

Contexto: Durante el montaje de un armario eléctrico de maniobra con un PLC, el técnico conecta captadores de proximidad de tipo industrial alimentados a 24 V DC.

Pregunta: ¿Qué comportamiento eléctrico caracteriza a un captador o sensor de proximidad industrial de tipo PNP?

📋 Caso Práctico: Alineación de Barreras Ópticas y Espejos

Contexto: En un pasillo logístico automatizado se instala un sistema de detección fotoeléctrico réflex para evitar que las cajas invadan la zona de giro.

Pregunta: ¿Cómo funciona un sensor óptico retrorreflectante o réflex y qué función cumple el espejo catadióptrico?