Sensores fotoeléctricos industriales (fotocélulas)

Qué son

Los sensores fotoelécticos, también llamados fotocélulas, tienen un uso muy extendido en la industria. Son económicos, fiables y fáciles de instalar y mantener. Como no quiero entrar en la teoría del funcionamiento para no aburrirte demasiado, explicaré brevemente cómo trabajan en la práctica. Si quieres profundizar más o tienes curiosidad, siempre puedes buscar más información en internet, emperzando por Wikipedia.

Cómo funcionan

Un sensor fotoeléctrico tiene la capacidad de captar luz y activar o desactivar una señal en función de los valores de esa luz. Los sensores más simples son los llamados interruptores crepusculares, que encienden una lámpara cuando la luz ambiental es inferior a un valor determinado. Este tipo de sensores responde ante cualquier fuente de luz visible, tanto artificial como natural. Por tanto, su fiabilidad es escasa, puesto que pueden alterar su funcionamiento si son afectados  por una fuente de luz distinta a la prevista.

Como en la industria la fiabilidad es esencial, se utilizan sensores de lazo cerrado, es decir que utilizan un emisor y un receptor sincronizados. Esto tiene muchas ventajas, como que la luz es emitida a una frecuencia exacta (normalmente se usa luz infrarroja), y en ocasiones con una secuencia concreta, para que el receptor identifique en todo momento si la luz recibida pertenece a su emisor, evitando así que se active debido a influencias ambientales o interferencias con otros equipos. Otra ventaja es que se puede alcanzar una precisión sorprendente, colocando por ejemplo un emisor  y un receptor enfrentados, con un sistema de lentes que obligue a que ambos elementos estén perfectamente alineados, de modo que el haz de luz pueda ser interrumpido por un objeto muy pequeño, o también en el caso de que un objeto tenga un tamaño algo mayor del deseado. Aún se puede aumentar más la precisión utilizando barreras de fibra óptica o fotocélulas láser.

Tipos de fotocélulas

Para adaptarse a las distintas aplicaciones industriales, existen multitud de tipos de sensores. Según sus formas, podemos encontrar sensores cilíndricos, rectangulares, en forma de herradura (con el sensor en un extremo enfrentado al receptor en el otro), con cables de fibra óptica, etc. También podemos elegir la opción de utilizar un emisor enfrentado a un receptor creando una barrera de luz, o integrar el emisor y el receptor en el mismo encapsulado, de modo que el receptor detectará la luz reflejada en un objeto, o en un espejo enfrentado. Según sus características eléctricas encontraremos fotocélulas con alimentación a 230Vac, a 24Vdc, con salida a relé, salida de 24Vdc por transistor, etc. También hay modelos para detectar distintos materiales, como objetos transparentes. Según el tipo de luz, los más conocidos son los de luz visible, luz infrarroja y láser (este tipo permite grandes distancias entre el emisor y el receptor).

Un tipo habitual es el sensor fotoeléctrico con supresión de fondo, que se utiliza para detectar un objeto enfrente de la fotocélula, dentro de un rango de distancias. Cualquier objeto fuera de este rango será despreciado.

Las barreras ópticas, son unos dispositivos en forma de barra que se colocan uno frente al otro, de modo que crean una “cortina” óptica. Su función es detectar si alguien entra en una zona de seguridad de una máquina, deteniendo el proceso para evitar daños a las personas. Estas barreras contienen varios pares de emisores y receptores que crean haces de luz paralelos.

Cómo se conectan

La forma más habitual de conectar los sensores fotoeléctricos, en el caso de máquinas complejas que utilizan autómatas, es suministrando alimentación al emisor (normalmente 24Vdc), y lo mismo para el receptor. El receptor, además, tiene un hilo para la salida de señal. En el caso de que emisor y receptor se encuentren en la misma caja, el emisor toma la corriente del mismo receptor, por lo que solamente se utilizan tres hilos en total. Otras variantes se conectan de forma distinta. Por ejemplo, si la salida es a relé, en el mismo sensor o en su documentación habrá un esquema con todas las conexiones. Intenta siempre comprobar las conexiones, porque existen otras variantes que pueden confundirte.

Aplicaciones

Estas son las aplicaciones más comunes en las que podemos utilizar sensores fotoeléctricos:

• Detectar el paso de un producto
• Controlar que la altura o la anchura de un producto sea la adecuada
• En envasadoras, para detectar que una bobina de plástico o papel está agotada
• Protección de zonas de riesgo, detectando intrusiones (puertas de acceso para personas o vehículos)
• Ajustar la distancia de un elemento móvil
• Como final de carrera sin contacto
• Ajuste de marcas de impresión
• Detectores de humo

Inconvenientes

En algunas circunstancias no es recomendable utilizar fotocélulas, y hay que buscar una alternativa.

Es el caso de ambientes con acumulación de polvo. Aunque existen fotocélulas que consiguen una gran penetración a través del polvo, su acumulación en las lentes de los sensores disminuye la sensibilidad. En los casos en que no sea posible utilizar otro tipo de sensor, siempre puede montarse una boquilla de aire comprimido con una válvula, que sople sobre la lente periódicamente, controlada con un temporizador o activada en un paso concreto del ciclo de trabajo.

En zonas muy húmedas, donde se producen condensaciones con facilidad, las lentes pueden empañarse y dificultar el funcionamiento.

Averías comunes y su diagnóstico

Las fotocélulas industriales son muy robustas y cada vez es más raro encontrar una de ellas averiada. También es más sencillo su diagnóstico. Suelen incorporar indicadores LED que verifican su correcto funcionamiento. A veces incorporan múltiples indicadores, para verificar la alineación, la detección, alimentación de corriente, etc. Las más sencillas suelen disponer de un led en el emisor, indicando que recibe alimentación, y otro led en el receptor, que indica el estado de detección (la detección de un objeto se advierte con el led encendido o con el led apagado, según el modelo). Algunos tipos de receptores activan la salida al recibir la luz del emisor, y otros al interrumpirse el haz, esto se denomina activación con luz y activación con oscuridad. Las fotocélulas más complejas disponen de varios leds y varios controles, permitiendo saber cuándo reciben tensión, cuándo están detectando, también puede configurarse si la salida se activará por luz o por oscuridad, incluso permiten regular la sensibilidad y la distancia de supresión de fondo. En los catálogos online de los fabricantes puedes ver una gran cantidad de variantes para familiarizarte.

Aunque existen muchas configuraciones distintas dependiendo de los fabricantes y tipos de sensores en el mercado, podemos seguir unas pautas comunes en la mayoría de los casos para diagnosticar un fallo en los sensores fotoeléctricos:

 

En los casos de fotocélulas con ajuste de sensibilidad o supresión de fondo, es necesario experimentar con varios valores para descartar si existe una avería del dispositivo o se trata de un ajuste incorrecto. Siempre puedes ayudarte de los manuales y datasheet, que normalmente puedes descargar de la web del fabricante.

Hay mucha más información disponible sobre fotocélulas, al igual que del resto de sensores utilizados en entornos industriales, aunque creo que este es un resumen de los conceptos básicos. Como siempre, puedes encontrar datos más concretos haciendo búsquedas en la red.

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Eugenio Nieto