Escoger el Módulo de E/S Digital Industrial Adecuado para su Sensor de Salida Digital

El sensor de salida digital es un sensor que producirá solo dos valores en su salida, ya sea encendido o apagado, a diferencia de un sensor de salida analógico que produce un valor de salida continuamente variable en todo su rango. El ejemplo más simple de sensor digital es el interruptor táctil. Un interruptor táctil típico es un circuito abierto con resistencia infinita cuando no se presiona y un cortocircuito con resistencia cero cuando se presiona.

Siempre que se interconecte el sensor de salida digital es importante tener en cuenta algunos factores clave que determinarán la compatibilidad del sensor con el dispositivo de adquisición de datos. A lo largo de este documento presentaremos estos factores clave y proporcionaremos una manera fácil de seleccionar el dispositivo de adquisición de datos apropiado para su aplicación.

Los sensores de salida digitales se pueden clasificar en función de los siguientes parámetros:

1. Característica de la señal que acciona la salida del sensor
2. Hundimiento vs. Salidas de Abastecimiento
3. Sensores de 2 hilos y 3 hilos
4. Componente electrónico utilizado para implementar la salida del sensor

 El desarrollo tecnológico ha traído al mercado una variedad de sensores de salida digitales complejos. Hoy en día, se pueden encontrar sensores que producen trenes de transiciones entre el estado encendido y apagado, con este tipo de sensores la característica de frecuencia o incluso la forma de los trenes de pulsos transmiten la medición del sensor, lo que permite implementar la medición continua.

La Figura 1 muestra una clasificación de sensores de salida digitales basada en las características de la señal que impulsan su salida. Como puede verse en el gráfico, el 45 % de los sensores digitales de salida se basan en el estado de encendido-apagado de la línea digital, el 35 % de los sensores se basan en la frecuencia de la señal y el 12 % en el ciclo de trabajo de la frecuencia de salida ².

La característica de la señal que transporta la medición del sensor es el primer parámetro a tener en cuenta al seleccionar un módulo de E/S digital industrial. Esto es importante para decidir si necesita contadores en su módulo de E/S digital.

Examinar dispositivos DIO estáticos industriales

Examinar dispositivos contadores/temporizadores

  Hundimiento y Abastecimiento son términos utilizados para definir el control del flujo de corriente continua en una carga.

• Dispositivo de hundimiento: proporciona una ruta para la corriente a tierra y no es responsable de alimentar el dispositivo. Los términos utilizados para describir los dispositivos de hundimiento incluyen NPN, colector abierto, normalmente alto y lógica negativa IEC.
• Dispositivo de suministro: Un dispositivo de abastecimiento proporciona la energía o un potencial positivo. Los dispositivos de suministro 'empujan' la corriente a través de la carga. Los términos utilizados para describir los dispositivos de abastecimiento incluyen PNP, Open Emitter, Normally Low y IEC Positive Logic.

El concepto de Abastecimiento y Sumidero es independiente del componente (por ejemplo: transistor, relé mecánico, etc...) que implementa la operación. Este concepto se aplica a cualquier circuitería de CC; el componente que está implementando la circuitería puede variar.

Figura 2 - Sensores de salida de hundimiento.

Figura 3 - Sensores de salida de abastecimiento.

La clasificación del tercer tipo es importante para definir la relación entre corriente y voltaje en el estado encendido y apagado del sensor. Un sensor se puede clasificar como un dispositivo de 2 o 3 hilos de la siguiente manera:

• Sensores de 2 hilos: Están conectados en serie con el dispositivo que está adquiriendo los datos.

Cuando el sensor no está activado, debe extraer una corriente de funcionamiento mínima normalmente denominada corriente de fuga desactivada, que en algunos casos también son denominadas por los fabricantes de sensores como corriente residual. Esta corriente es necesaria para mantener la electrónica del sensor funcionando. La corriente residual no es un problema si el sensor está conectado directamente a otra carga que no sea el dispositivo de adquisición de datos, por ejemplo en entorno industrial no es inusual tener estos sensores de 2 hilos conectados directamente a motores y dispositivos similares, que tienen una baja impedancia.

La corriente residual es un problema para el sistema si el sensor requiere una corriente residual superior a la que el módulo de E/S digital ha sido diseñado para sostener. En este caso, el módulo de E/S digital puede detectar incorrectamente un estado activado porque la corriente que se consume es mayor de lo que espera proporcionar. La mayoría de los sensores de 2 hilos en la industria tienen una corriente de fuga o corriente residual no superior a 1,7 mA.

Al igual que en el estado apagado, también se requiere una corriente mínima para mantener el estado encendido de un sensor, llamada corriente de retención mínima. Típicamente esta corriente oscila entre 3 mA y 20 mA. El sensor no funcionará correctamente si el módulo de E/S digital no puede absorber o generar esta corriente.

• Sensores de 3 hilos: Los sensores de 3 hilos derivan su potencia de un terminal de excitación y no directamente a través de la línea de salida digital, también son llamados por algunos fabricantes como sensores alimentados por línea.

Figura 5 – Sensores de 3 hilos

La corriente de operación que estos dispositivos extraen del módulo de E/S digital se llama corriente de carga y normalmente está en el vecindario de 20 mA. Es importante notar que esta corriente es proporcionada por el terminal de excitación.

  Hay tres componentes electrónicos que normalmente accionan la salida de un sensor de salida de señal:

Relé mecánico: Un relé mecánico es un dispositivo electromecánico que cierra contactos para completar un circuito o abre contactos para interrumpir un circuito. Es un dispositivo que puede manejar la carga de corriente a altas tensiones.

Dado que son dispositivos relativamente lentos en comparación con los relés de estado sólido, normalmente son utilizados por sensores donde el estado de la línea es la característica de la salida de activación de la señal. Estos dispositivos están sujetos a desgaste por contacto y acumulación de resistencia. Su vida de contacto depende de la corriente de carga, así como de la frecuencia de operación. A veces pueden producir resultados erráticos debido al rebote de contactos cuando se conectan a contadores y módulos de E/S digitales.

Transistor: es un dispositivo de estado sólido diseñado para controlar la corriente continua. Los transistores se encuentran más comúnmente en sensores de baja CC como interruptor de salida. Hay dos tipos de transistores - NPN y PNP.

La figura 6 muestra un transistor colector abierto NPN (disipador de corriente)

Figura 6 – Salida NPN del sensor.

Dispositivo FET bilateral: Muchos fotosensores en el mercado tienen una salida implementada en una arquitectura llamada salida bilateral FET que se puede ver en la Figura 7. Esta arquitectura tiene muchas ventajas pero la más importante es el hecho de que las interfaces directamente a Circuits TTL y CMOS, adicionalmente muestran:

FET significa transistor de efecto de campo y se supone que se convierte en la salida más popular para los sensores de salida digital debido a sus características de funcionamiento, estando cerca del modelo ideal.

Figura 7 - Sensor con salida de dispositivo FET bilateral

Para seleccionar el módulo de E/S Digital se deben responder las tres preguntas siguientes:

En base a esta respuesta, consulte la Tabla A para verificar el grupo de módulos de E/S digitales que serían apropiados para su aplicación.

La tabla A proporciona una clasificación de las tarjetas de NI basada en las capacidades de sinking y sourcing, por lo que si su sensor tiene una salida de sinking, desea seleccionar una tarjeta con una entrada de sourcing y viceversa.

En este punto puede ser necesario considerar la moneda de fuga fuera de estado, así como la corriente de retención mínima para el estado encendido.

Compare las especificaciones de los sensores con las especificaciones de los dispositivos de adquisición de datos en la Tabla B para seleccionar el dispositivo más adecuado para su sensor. Además de los niveles de tensión, uno debe seguir observando las dos condiciones importantes siguientes que a veces se pasan por alto:

1. Corriente de fuga fuera del estado (sensor) < Corriente de entrada máxima en estado bajo (placa)
2. Corriente de retención mínima (sensor) < Corriente de entrada máxima en estado alto (tabla)

Tipo de medida: Medición de flujo
Fabricante: Sensores de gemas
Tipo de salida digital: Frecuencia

Tipo de medida: Aceleración (ADXL202, ±2 g de acelerómetro de doble eje)
Fabricante: Dispositivos analógicos
Tipo de salida digital: Ciclo de trabajo (TTL, compatible con CMOS)

Tipo de medida: Interruptor de posición (relé mecánico)
Fabricante: Schmersal
Tipo de salida digital: Salida ON-OFF.

Omega
Omron
Encoder Products Co.
US. Sensores
Sensotec
Watlow
PCB Piezotronics
· Instrumento de hierba
· Especialidades de medición
Celesco
Endevco
· Sensores macro
· Transductor Techniques Inc.

¹ A lo largo de este documento, el 'módulo de E/S digital' se utiliza para describir el dispositivo de adquisición de datos que está conectado al sensor de salida digital.

² Kirianaki, Yurish, Shpak, Deynega. Adquisición de datos y procesamiento de señales para sensores inteligentes, 2002 [ISBN 0-470-84317-9].