Estrategias avanzadas de aplicación de los sensores ultrasónicos en la automatización industrial

• Mecanismo: Se utiliza en configuraciones Through-Beam (emisor y receptor separados). El sensor no mide la distancia, sino la pérdida de energía.
• Física: Cuando un objeto (o una segunda lámina de material) bloquea la trayectoria, la amplitud de la señal disminuye. Esto permite detectar cambios estructurales internos (como huecos de aire en láminas dobles) o enmascaramiento lineal de bordes, con total independencia del color o la reflectividad de la superficie.

• Mecanismo: El sensor emite un impulso y calcula la distancia (d ) en función del tiempo de retorno (t ) y la velocidad del sonido (c ).
• Física: Depende de que el objetivo tenga suficiente Desajuste de la impedancia acústica con el aire para reflejar la energía de vuelta a la fuente. Este es el modo estándar para el alcance y la detección de presencia.

• Mecanismo: Un uso sofisticado de Evaluación de la amplitud de la señal.
• Física: Los distintos materiales absorben la energía del sonido a velocidades diferentes. Una superficie dura (acero) refleja ~99% de energía, mientras que una porosa (espuma, lana) la absorbe. Analizando la intensidad del eco -y no sólo su temporización-, los sensores pueden distinguir entre materiales (por ejemplo, confirmar la presencia de un inserto de espuma blanda dentro de una carcasa de plástico duro) aunque se encuentren exactamente a la misma distancia.

El éxito de la integración exige respetar las limitaciones inherentes a los transductores piezoeléctricos:

• La Zona Ciega (Banda Muerta):
  El transductor actúa a la vez como altavoz y micrófono. Tras emitir un impulso de alta energía, el elemento cerámico vibra mecánicamente (“suena”) durante unos milisegundos. Durante este Tiempo de llamada, el sensor es “sordo” a los ecos de retorno.
  • Regla de ingeniería: Diseños mecánicos debe incluyen el montaje de separadores para garantizar que el objetivo nunca entre en esta zona (normalmente de 0 a 100 mm). Si un objetivo traspasa la zona ciega, el resultado es indeterminado y poco fiable.
• Geometría del haz (El cono de sonido):
  El sonido se propaga en un cono volumétrico (normalmente de 6° a 12°), no en una línea láser.
  • Regla de ingeniería: La zona de detección es volumétrica. Cualquier carril de la máquina, soporte o pared del depósito que sobresalga dentro de este cono generará Falsos ecos. Las instalaciones requieren un cálculo del camino libre basado en el ángulo del haz y la distancia del objetivo.

• Los sensores fotoeléctricos miran a través de objetos transparentes.
• La goma o el plástico negros absorben la luz, impidiendo la señal de retorno necesaria para los sensores ópticos difusos.

• Detección de impedancia: En sensor detecta la enorme diferencia en Impedancia acústica (Z) between Air (Z_aire ≈ 400) and the Solid Object (Z_sólido > 10⁶). Tanto si el objeto es de cristal transparente como de caucho negro, la onda sonora rebota eficazmente en el límite.
• Configuración retrorreflectante: Para formas irregulares (p. ej., botellas de champú curvadas) que podrían dispersar el sonido lejos del receptor, se recomienda un Modo retrorreflectante se recomienda.
  • Configuración: Se enseña al sensor a reconocer un fondo fijo (por ejemplo, un raíl metálico).
  • Lógica: Cualquier objeto que pase entre el sensor y el raíl interrumpe la señal o cambia el tiempo de vuelo. Esto proporciona una detección binaria a prueba de fallos, independientemente del ángulo o la forma del objeto.

• La regla de los 90°: En sensor deben alinearse estrictamente perpendicular (90°) con respecto al eje del rodillo. Una desviación de tan sólo 3° en un rodillo de lámina lisa hará que el pulso sonoro se desvíe completamente del receptor, lo que provocará una pérdida de señal.
• Integración analógica: La utilización de sensores con salida analógica 0-10V o 4-20mA permite al PLC calcular la Inercia de balanceo (I = m·r²) de forma continua. Esto permite el ajuste dinámico del PID, evitando desgarros de la banda durante la aceleración o desaceleración rápidas.

• El contexto: Evitar que dos hojas (metal, papel, oblea) entren simultáneamente en una prensa, lo que podría dañar el utillaje.
• Por qué falla el capacitivo: Los sensores capacitivos se basan en constantes dieléctricas. Si cambia la humedad del papel o varía la aleación metálica, requieren una recalibración constante.
• La física de los ultrasonidos:
  • Hoja suelta: La onda sonora golpea la lámina, induce la vibración y la transmite al receptor.
  • Doble hoja: Siempre queda atrapada una capa microscópica de aire entre dos láminas superpuestas.
  • El mecanismo: El fino espacio de aire entre dos láminas crea un enorme Desajuste de la impedancia acústica. Este fenómeno físico hace que casi 100% de la energía ultrasónica se refleje o disipe, impidiendo la transmisión al receptor. Una amplitud de señal cercana a cero actúa como disparador determinista para identificar un fallo de doble hoja.
  • Resultado: El receptor ve una señal cercana a cero. Esta detección es puramente mecánica y funciona independientemente del color, la impresión o el magnetismo de la hoja.

• El contexto: Alineación de láminas transparentes o tejidos de malla abierta durante el bobinado.
• La Física Lineal: Un sensor ultrasónico de horquilla mide el porcentaje de obstrucción.
  • Si la banda cubre 50% del haz acústico, la señal de salida cae exactamente 50%.
  • Ventaja de la malla: A diferencia de los sensores ópticos que “oscilan” al ver a través de los agujeros de una malla, el haz de sonido amplio integra la masa media del material, proporcionando una señal de control estable y lineal para la posición del borde.

En la industria química, los tanques de almacenamiento suelen contener ácidos fuertes, álcalis u otros líquidos altamente corrosivos. Las tecnologías tradicionales de medición de nivel se enfrentan a graves limitaciones:

• Riesgos de contacto: Los dispositivos basados en el contacto (como los transmisores de presión sumergibles, los interruptores de flotador o las sondas capacitivas) deben tocar físicamente el líquido para funcionar.
• Costes de material elevados: Para resistir la corrosión, los sensores de contacto suelen requerir costosas aleaciones exóticas (por ejemplo, Hastelloy, Tantalum) o revestimientos especiales. Incluso con estos materiales, la inmersión a largo plazo suele provocar la degradación del sensor, desviaciones o fugas en el sellado.

• Funcionamiento sin contacto real:
  • El sensor se monta en la parte superior del depósito y utiliza el entrehierro como medio de transmisión para medir la distancia a la superficie del líquido.
  • Beneficio: Este diseño de “contacto cero” garantiza que el cuerpo del sensor permanezca físicamente aislado del líquido corrosivo, eliminando por completo el riesgo de erosión química en los componentes sensibles.
• Durabilidad del material frente a vapores:
  • Los transductores ultrasónicos industriales modernos suelen estar encapsulados en PVDF (Fluoruro de polivinilideno).
  • Beneficio: Incluso en depósitos llenos de vapores o humos corrosivos, el PVDF ofrece una resistencia química excepcional, lo que garantiza que el sensor permanezca estable y duradero en atmósferas ácidas o alcalinas.
• Mantenimiento y seguridad:
  • Como el sensor no se introduce en el líquido, la instalación y el mantenimiento no requieren vaciar el depósito. Esto reduce significativamente el tiempo de inactividad operativa y minimiza la exposición del personal a productos químicos peligrosos.

Los robots móviles necesitan sistemas de seguridad redundantes. LiDAR es excelente para cartografiar, pero tiene puntos ciegos.

• Debilidades del LiDAR: Cristal transparente (transmisión), espejos (desviación), objetos negros (absorción) y vallas de malla (el haz atraviesa los huecos).

• Escudo volumétrico y conformidad de seguridad: El amplio cono de sonido detecta la “masa sólida” de vallas de malla y paredes de cristal que los láseres estrechos pasan por alto. Esta estrategia de detección se ajusta a Normas ISO 3691-4 para robots móviles industriales, proporcionando una capa de redundancia certificada para la seguridad del personal independiente del sistema de navegación primario.
• Mitigación de la diafonía: Al montar un conjunto de sensores en un parachoques, las interferencias acústicas son un riesgo importante.
  • Protocolo: Conecte las patillas de sincronización (Sync) de todos los sensores en el conjunto. Esto les obliga a disparar y escuchar simultáneamente, tratando el conjunto como una única “piel de sonar” e impidiendo que el Sensor A capte el eco del Sensor B.

Dado que la velocidad del sonido cambia con la temperatura (aumenta ≈ 0,6 m/s por cada 1 °C de aumento), un simple cambio de 10 °C en la temperatura ambiente puede provocar un error de medición de 1,7% si no se compensa.

• Para entornos generales: Seleccione siempre sensores con Compensación interna de temperatura (termistores NTC incorporados) para ajustarse automáticamente a las fluctuaciones diarias.
• Para entornos con gradiente: En situaciones en las que la temperatura del cuerpo del sensor difiere de la zona objetivo (por ejemplo, un sensor montado en un soporte frío que mide un depósito de líquido caliente), la compensación interna es insuficiente. En Sonda de temperatura externa debe instalarse directamente en la zona de medición para proporcionar una referencia precisa.

En tanques químicos o líneas de procesamiento de alimentos (como se ve en la Sección III), el vapor pesado cambia la densidad del aire y absorbe la energía acústica, haciendo que las señales de alta frecuencia “desaparezcan” antes de volver.

• Regla de selección: Evite los sensores estándar de 200 kHz en condiciones de vapor.
• Recomendación: Especifique Sensores de baja frecuencia (40-80 kHz). Sus longitudes de onda más largas ofrecen un poder de penetración superior a través del vapor y la espuma, garantizando un retorno de eco estable incluso en entornos de alta humedad.

El método de ajuste tradicional -utilizar un destornillador para girar un potenciómetro situado en la parte posterior del sensor- se está quedando obsoleto. La integración de los protocolos de comunicación IO-Link transforma la utilidad del sensor:

• Parametrización dinámica: En una línea de producción flexible, una máquina puede manipular una caja pequeña (producto A) seguida de una caja grande (producto B). A través de IO-Link, el PLC puede reescribir instantáneamente la “Ventana de conmutación” parámetros sobre la marcha, eliminando el tiempo de inactividad por ajustes mecánicos.
• Conformación del haz: Los sensores avanzados permiten ahora anchos de haz definidos por software. Un ingeniero puede estrechar el haz para penetrar en un depósito profundo o ensancharlo para detectar mallas metálicas, todo ello configurado remotamente a través de la HMI.

Los sensores ultrasónicos están en una posición única para autodiagnosticar el estado del medio ambiente antes de que se produzca un fallo.

• La métrica de la “intensidad de la señal”: Los sensores inteligentes informan continuamente “Amplitud del eco” o “Exceso de ganancia” valor.
• El escenario: En una fábrica de cemento polvorienta, el polvo se acumula lentamente en la cara del sensor.
  • A la antigua: El sensor falla repentinamente cuando el polvo bloquea completamente la señal. La máquina se para.
  • Nueva vía: El PLC supervisa el margen de la señal. Si la amplitud baja de 100% a 70% en una semana, el sistema activa un “Alerta de mantenimiento: Limpiar sensor 3” antes de que se pierda la señal. Esto es verdadero mantenimiento predictivo.

Los sensores modernos incorporan procesadores integrados más potentes (Computación de borde) para gestionar entornos acústicos complejos.

• Supresión de interferencias: Ahora los algoritmos pueden “aprender” la firma acústica de la pala agitadora interna de un tanque. El sensor mapea esta interferencia periódica y la sustrae de la señal, lo que le permite rastrear el nivel de líquido de forma continua incluso cuando el agitador pasa directamente a través del haz de sonido.
• Análisis multieco: En lugar de limitarse a reaccionar al primer eco, los sensores inteligentes pueden evaluar múltiples señales de retorno para distinguir entre una gota de lluvia cercana (ruido) y la superficie real del líquido (objetivo) más abajo, lo que reduce significativamente las falsas alarmas en aplicaciones exteriores.

Con el auge de los robots colaborativos (Cobots) y la logística de drones, el tamaño y el peso son fundamentales.

• Ultrasonidos MEMS: El desarrollo de Sistemas microelectromecánicos (MEMS) está reduciendo el tamaño de los transductores ultrasónicos a escala de chip. Esto permite incrustar matrices de alta densidad en las puntas de los dedos de los robots para obtener sensores táctiles de “campo cercano”, o en la piel de los drones para evitar colisiones en 360 grados sin la penalización de peso que suponen los transductores cerámicos tradicionales.

A2: Es probable que experimente Interferencia de lóbulos laterales. El cono de sonido está golpeando las paredes del tanque o las soldaduras internas.

• Arréglalo: Utilice un pozo de amortiguación (como se describe en el escenario 4) o cambie a un sensor con un ángulo de haz más estrecho. No intente “filtrar” los reflejos de las paredes únicamente con software; primero hay que corregir la física.

A3: Si la cinta transportadora es lisa o tiene una costura, puede estar reflejando el sonido (reflexión especular) o creando ruido.

• Arréglalo: Incline el sensor ligeramente (5° - 10°) alejándolo de la perpendicular con respecto a la superficie de la cinta. Esto garantiza que el eco de la cinta vacía se desvíe (lectura “Infinito/Sin objeto”), mientras que el producto más alto seguirá reflejando el sonido hacia el sensor.