Soluciones de sensores para exigentes aplicaciones industriales

Las configuraciones de controles industriales fueron algunos de los primeros entornos para los sensores modernos. A medida que han ido aumentando las demandas de sistemas para control de seguridad y eficiencia, los sensores diseñados para funcionar de manera confiable en los entornos más exigentes se han utilizado para hacer frente a preocupaciones tales como el calor, el flujo y la vibración. Además, los mismos han permitido a los operadores mantener una distancia segura en situaciones peligrosas.

En la actualidad, los sensores para aplicaciones industriales incluyen una muy amplia base de tipos de sensores: de temperatura, presión, químicos, proximidad, fuerza, carga y nivel. Las tecnologías habilitadas y admitidas incluyen MEMS, nanotecnología, y comunicaciones inalámbricas.

Los sensores inalámbricos son empleados en sistemas de control, supervisión y adquisición de datos, lo que demuestra que estos dispositivos pueden atender eficazmente las necesidades de las aplicaciones industriales. Estos sensores inalámbricos en su mayoría se utilizan para aplicaciones de posición, proximidad, imagen y seguridad. Un factor clave para el éxito será un bajo consumo de energía; ya que las redes de sensores inalámbricos de un futuro no tan lejano serán capaces de recolectar energía para los productos industriales sin fijación que podrán desconectarse de los tomacorrientes (ver el artículo de TechZone "Sensores inalámbricos para la recolección de energía").

En la actualidad, desde los sensores de visión hasta las comunicaciones M2M, los sensores han encontrado su lugar dentro de los entornos industriales. Ya que los procesos de fabricación avanzan rápidamente hacia una mayor automatización, los sensores se han convertido en un factor importante; están en el centro de una expansión de las capacidades de la industria que se denomina "Industria 4.0", un término que hace referencia a la cuarta revolución industrial, que abarca la introducción de nuevos métodos de optimización, configuración automática, autodiagnóstico, cognición, y el apoyo inteligente a los trabajadores en sus tareas cada vez más complejas.

El objetivo es la fábrica inteligente (Smart Factory), que se caracteriza por la adaptabilidad, la eficiencia de los recursos, y las mejoras ergonómicas, y está siendo apoyada por la robótica, los sistemas automatizados y la denominada "Internet de los objetos" (IOT).

Como veremos, a veces es la aplicación y, en otros momentos el difícil, o por al menos hostil, entorno operativo lo que determina el tipo de sensor utilizado y sus propiedades. El dispositivo LDC1000 de Texas Instruments (Figura 1) es el primer convertidor de inductancia a digital del mundo, capaz de ofrecer los beneficios de los sensores inductivos en una solución de poco espacio en placa y con bajo consumo de energía. El producto está disponible en un paquete SON-16 y ofrece varios modos de funcionamiento. Una interfaz SPI simplifica la conexión a un MCU.


Los sensores inductivos cuentan con tecnología sin contacto, sin imán y de corto alcance que permite la detección de alta resolución de objetivos conductivos en presencia de interferencias no conductivas como el polvo, la suciedad, el combustible y la humedad. El sensor puede ser una cable bobinado, una bobina sobre una PCB, una bobina impresa con tinta conductora sobre un sustrato flexible, o incluso un simple resorte. Es compatible con la colocación de sensores remotos, lo que lo hace muy adecuado para entornos extremos y hostiles.

Los sensores inductivos generan y utilizan un campo magnético oscilante de alta frecuencia. El objetivo metálico que entra en el campo de detección induce las corrientes de Foucault en el destino, lo que reduce la amplitud de la señal del oscilador. El circuito detector, a continuación, reconoce el cambio específico en amplitud y genera una señal que podrá encender o apagar la salida del sensor de estado sólido.

La tecnología de detección inductiva permite medir con precisión la posición lineal/angular, el desplazamiento, el movimiento, la compresión, la vibración, la composición metálica, y muchas otras aplicaciones. Permite una resolución submicrométrica en aplicaciones de detección de posición con valores de impedancia de resonancia de 16 bits y de inductancia de 24 bits. La detección inductiva se puede usar para medir la posición, el movimiento, o la composición de un metal u objetivos conductivos, así como para detectar la compresión, la extensión o torsión de un resorte.

Otro ejemplo de un sensor industrial es el Si7013 de Silicon Labs que es un sensor de chip único para detección de humedad relativa y temperatura que es utilizado por la industria HVAC en termostatos, higrostatos, y otros dispositivos similares. El sensor es un CI CMOS monolítico que integra elementos de detección y de humedad, un convertidor analógico a digital, procesamiento de señal, calibración y una interfaz I²C.

Los sensores de humedad y temperatura son calibrados en fábrica y los datos de calibración se almacenan en el chip de memoria no volátil. Los sensores son totalmente intercambiables, sin requerir recalibarción o cambios en el software.

Se puede unir una entrada auxiliar del sensor para administración de energía con una red de termistor externo u otro sensor de salida de voltaje. El dispositivo Si7013 está disponible en un paquete DFN de 3 x 3 mm y puede ser soldado con reflujo.

Otras características incluyen:

• Sensor de precisión de humedad relativa
• Sensor de temperatura
• Entrada del sensor de segunda zona auxiliar (Si7013)
• Rango de funcionamiento de 0 a 100% RH
• Rango de funcionamiento de hasta -40° C a 125° C
• Amplio rango de voltaje de funcionamiento (1.9 a 3.6 V)
• Bajo consumo de energía
• Interfaz de host I²C
• Calefactor integrado en el chip
• Paquete DFN 3 x 3 mm
• Excelente estabilidad a largo plazo
• Calibrado de fábrica
• Protección de por vida durante el reflujo y en funcionamiento
• Con calificación automotriz AEC-Q100

La vibración es uno de los factores más comunes que debe ser objeto de riguroso control en los entornos industriales. El sensor de vibración triaxial digital ADIS16228 con análisis y almacenamiento FFT de Analog Devices (Figura 2) es un completo sistema de detección de vibración, que combina la detección de aceleración triaxial con un avanzado dominio del tiempo y procesamiento de señal de dominio de frecuencia.

La velocidad de muestreo de 20.48 ksample/s y la banda de frecuencia plana de 5 kHz ofrecen una respuesta de frecuencia apta para muchas aplicaciones de equipos sanitarios. El núcleo de aluminio proporciona un excelente acoplamiento mecánico a los sensores de aceleración MEMS.

Un reloj interno impulsa el muestreo de datos y el sistema de procesamiento de señales durante todas las operaciones, lo que elimina la necesidad de un reloj externo. La función de captura de datos tiene tres modos que ofrecen varias opciones para satisfacer las necesidades de diversas aplicaciones. Además, su modo de tiempo real proporciona acceso directo a la transmisión de datos sobre un eje.


El SPI y la estructura de búfer de datos proporcionan un cómodo acceso para la salida de datos. El ADIS16228 también ofrece un sensor de temperatura digital y mediciones digitales de fuente de alimentación. El dispositivo se utiliza en aplicaciones industriales tales como análisis de vibraciones, control de estado, condición de la máquina, instrumentación, diagnósticos y detección de cierre de seguridad. Está disponible en un módulo con bridas de 15 × 24 × 15 mm, con orificios de tornillos maquinado M2, y un conector flexible que permite una sencilla instalación e interfaz de usuario. El ADIS16228 es compatible en patillaje y espacio de placa con el sistema de inclinómetro digital ADIS16210 del proveedor que proporciona mediciones precisas de paso y ángulos de inclinación sobre una gama de orientación de ±180°. El ADIS16228 posee un amplio rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C.

Los dispositivos ADIS16000 y ADIS16229 (con un receptor de radiofrecuencia integrado) permiten la creación de una simple red inalámbrica para la detección de vibración para una amplia variedad de equipos industriales. El ADIS16000 proporciona la función de puerta de enlace, que administra la red, mientras que el ADIS16229 proporciona la función de detección remota.

La proliferación de sistemas avanzados de control electrónico ha dado lugar a una mayor precisión de los sensores, y también mayor fiabilidad, tiempo de respuesta, robustez, miniaturización, capacidad de comunicación y eficiencia. Esto, a su vez, ha impulsado la investigación y desarrollo, promoviendo oportunidades para nuevas aplicaciones de sensores. En el futuro, todas las instalaciones industriales estarán equipadas con más inteligencia para una mejor gestión de la complejidad, la seguridad y las operaciones. Es probable que los sistemas de sensores para estas aplicaciones sean muy pequeños, consuman poca energía, y cuesten sólo una fracción que los anteriores sensores que no eran aptos para integrar plenamente la electrónica inteligente a los elementos de detección. Lo que es más, estos dispositivos generalmente estarán colocados en un solo chip, y funcionarán de forma inalámbrica.

En este artículo hemos presentado algunos de los últimos sensores que resultan aptos para los entornos industriales. Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de DigiKey.