01 instrumentación (fileminimizer)

8/6/2019 01 Instrumentacin (FILEminimizer)

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Institucin Universitaria

Sistemas de medida

Clase 1

Introduccin

Caractersticas estticas de los instrumentos


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Institucin Universitaria 2 ITES-Paraninfo

Control de procesos industriales

Sea cual sea la estrategia de control seleccionada, paraimplementar fsicamente el sistema de control habrque:

Medir variables del proceso (niveles, caudales,temperaturas, etc.)

Calcularlas acciones de control y

Manipulardeterminadas variables de entrada.


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Institucin Universitaria 3 ITES-Paraninfo



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Institucin Universitaria 4

Proceso

Elemento Finalde Control

Controlador

Variable ManipuladaAire, Agua, Vapor, Electricidad

Variable Controlada

PV

SP= Referencia

Mide

TemperaturaPresin

NivelFlujo

VelocidadHumedadPosicin

Densidad

Toma AccinContactorBombaDamperVlvulaCilindro

SCRsVariador

MV

LazoRealimentado

Transmisor

Sensor



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ESCO



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TC I/P VLVULA PLANTATr m m Q T

Tm4 20 mA

4 20 mA 3 15 Psi+

TETT



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ITES-Paraninfo

Sistema de medida

text

ADQUISICINDE DATOS

PROCESAMIENTODE DATOS

DISTRIBUCINDE DATOS

SISTEMADE MEDIDA

Entrada(Valor verdadero)

Salida(Valor medido)

REFERENCIA


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Acondicionadorde seal detemperatura

Medio detransmisin

Sensor detemperatura

Hornoindustrial

Aislamiento

Controladorde

temperatura

Transmisor

Receptor

Resistenciacalefactora

220 V

ITES-Paraninfo

Ejemplo de un sistemas de medida


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Se denomina seal a toda aquella magnitud fsica que puede ser medida,ya sea variable o constante en el tiempo. La principal distincin elctricase hace entre dinmica (corriente alterna AC) esttica (corrientecontinua DC). A la vez las seales alternas, pueden estudiarse tanto en eltiempo como en la frecuencia. Por otra parte para el estudio de las seales

continuas en el tiempo se clasifican en continuas y discretas, como semuestra en la figura.

Tipos de seales


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Tipos de seales


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Analgica: la variable fsica se traduce en variacionescontinuas de la seal de salida. La seal se transmite contensiones de 1 a 5 V DC , de 2 a 10 VDC y con el lazo decorriente de 4-20 mA.

Digital: las variables fsicas son discretas y representanestados: ON/OFF, abierto/cerrado, etc. La seal se transmite condos tensiones de lnea, por ejemplo, 0 24 VDC.

Secuencias de Impulsos: las variables fsicas representanestados cclicos, por ejemplo, la velocidad de una turbina. Laseal de salida es una serie de impulsos cuya frecuencia es

proporcional a la velocidad de la turbina.

Naturaleza de las seales


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Los procesos de medicin, necesitan de un elemento sensor, parapoder medir el cambio de la variable fsica deseada. El elementosensor acta como los sentidos del ser humano, son capaces dedetectar cambios de una variable determinada, en muchos de los

caso con una precisin mucho mayor.

Tipos de seales


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Los procesos de medicin, necesitan de un elemento sensor, parapoder medir el cambio de la variable fsica deseada. El elementosensor acta como los sentidos del ser humano, son capaces dedetectar cambios de una variable determinada, en muchos de los

caso con una precisin mucho mayor.

Sensor: elemento primario


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La norma ISA S51-1984 (1992)define as los trminos sensor ytransductor

Sensor: Parte de un lazo o uninstrumento que primero sensa elvalor de la variable de un proceso yque asume el valor correspondientepredeterminado para el estado de lasalida. El sensor puede estar

separado o integrado a cualquierelemento funcional del lazo. Se leconoce tambin como detector oelemento primario.

Transductor (Transducer) : Termino general para un Dispositivo que

recibe informacin de una o ms formas de cantidades fsicas,modificando esta informacin y/o su forma produciendo una seal desalida.Dependiendo de su aplicacin en el proceso puede ser un elementoprimario, transmisor, rel , convertidor u otro dispositivo.


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Un transductor es un elemento encargado de convertir unavariable fsica en otra, la forma mas comn es convertir unavariable mecnica (presin, velocidad, posicin) en una variableelctrica (voltaje, corriente o impedancia). Por lo que puede

entenderse como un convertidor

Transductor


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Institucin Universitaria 16Clasificacin de los transductores

TRA

N

S

DUTO

RES

PA

SIVOS

A

CT

IVOS

POR VARIACIN DE RESISTENCIA

POR VARIACIN DE IMPEDANCIA

ESPECIALES

POTENCIMETROGALGA EXTENSIMTRICATERMISTORTERMORESISTENCIA

FOTORESISTENCIA

VARIACIN DE CAPACITANCIA

VARIACIN DE INDUCTANCIA

TRANSFORMADOR DIFERENCIAL

VARIACIN DE PERMEABILIDADEFECTO HALL

CLULA FOTOEMISIVA (EFECTO FOTOELCTRICO)

CMARA DE IONICIACIN (RADIACIN)

TERMOPARSENSOR PIEZOELCTRICOTACOGENERADORCLULA FOTOEMISIVA


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Clasificacin de los transductores


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El elemento acondicionador toma la seal medida por el sensory la convierte en una seal ms adecuada para ser procesada.Los acondicionadores, son subsistemas activos, es decir, tomanenerga de una fuente externa para amplificar y manipular lavariable o seales que entran a ellos.

Acondicionamiento de seales


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Normalmente la seal de salida de los sensores no esapropiada para ser procesada debido a los siguientesfactores:

Alto contenido de ruido el sistema no es lineal Las impedancias no estn adaptadas Los niveles de amplitud son demasiado altos odemasiado bajosNo es compatible con el resto del sistema



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El proceso de acondicionamiento incluye todas oalgunas de las siguientes operaciones:

Filtrado: disminucin del ruido, adaptacin de

impedancias y amplificacin (o atenuacin)

Digitalizacin: Muestreo y Cuantificacin

Codificacin: Binario Natural, ASCII, otros

Linealizacin



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Factores a considerarMagnitud a medir: Margen de medida Resolucin Exactitud deseada Estabilidad Tiempo de respuesta Ancho de banda Magnitudes interferentes

Caractersticas de salidas: Sensibilidad Tipo: tensin, corriente,frecuencia Forma de seal: unipolar,diferencial Impedancia Destino: presentacin,conversin digital, telemedidatipo?

Eleccin del sensor


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Otros factores Peso DimensionesVida media Costo de adquisicin Disponibilidad Tiempo de instalacin

Tipo de conector

Situacin en caso de fallo Longitud de cable necesaria Coste de verificacin Coste de mantenimiento Coste de sustitucin

Caractersticas de alimentacin: Tensin Corriente Potencia disponible Frecuencia (si alterna) Estabilidad

Caractersticas ambientales:Margen de temperatura HumedadVibracionesAgentes qumicos Entorno electromagntico

Eleccin del elemento primario


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Atendiendo a su objetivo fundamental:

Instrumentos de monitorizacin: indican al operador elestado de la variable. Proporcionan una indicacin visual dela magnitud fsica que se est midiendo.

Instrumentos de control: Envan a un controlador la seal

correspondiente a la medida. Proporcionan una sealelctrica o neumtica que pueda ser utilizada directamentepor el equipo de control.

Clasificacin de los instrumentos


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Atendiendo a su funcin:

Instrumentos ciegos

Instrumentos indicadores

Instrumentos registradores



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Instrumentos ciegos

Termstato

Transmisorde presin

Presstato



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Instrumentos indicadores



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Instrumentos registradores



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Atendiendo al origen de la energa requerida para realizar lamedicin:

Instrumentos activos: la energa necesaria para realizar la medida

es aportada por el proceso fsico que se desea medir no siendonecesaria una fuente de energa externa. Ellos mismos generan unatensin o corriente, se basan en diferentes efectos: termoelctrico,piezoelctrico

Instrumentos pasivos utilizan una fuente de energa externa pararealizar la medida y proporcionar la energa propia de la seal. Enesta clase de instrumentos, la magnitud medida modula la fuentede energa externa.



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Atendiendo a la referencia utilizada para la medida:

Instrumentos de desplazamiento: se basan en la variacin

experimentada por una variable que es funcin de la magnitudmedida.

Instrumentos de comparacin: efectan la medida comparando

la magnitud con patrones conocidos.



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Atendiendo a la continuidad de la medida:

Instrumentos analgicos: proporcionan una medida que varade forma continua

Instrumentos digitales: proporcionan una medida que solopuede tomar un nmero finito de valores. Las medidas digitalesson ms fciles de integrar en un sistema de control porordenador.



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En la mayor parte de los sistemas de medida, la variable deinters vara tan lentamente que basta conocer lascaractersticas estticas de los sensores. Tambin se aplicana todo instrumento de medida.

Exactitud, Fidelidad, Sensibilidad

Caractersticas estticas


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Sensibilidad


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m

m

Zona muerta


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Resolucin

Histresis

Saturacin

Resolucin, histresis, saturacin


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x

y

SE (

(!

Alta sensibilidadBaja Sensibilidad

Sensibilidad


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Exactitud: (Accuracy): Grado en que la indicacin de uninstrumento se aproxima al valor verdadero de la magnitudmedida.

Valor exacto o verdadero: El que se obtiene por un mtodo en elque los expertos coinciden como que es suficientemente exactopara servir de referencia. (Patrn)

La exactitud de un sensor se determina mediante calibracin

esttic

a, esto es, variando lentamente la entrada y tomandovalores: curva de calibracin. Para conocer la magnitud deentrada hace falta un patrn de referencia. Su valor debeconocerse con una exactitud al menos diez veces mayor que ladel sensor que se calibra.

Exactitud


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Exactitud (Exactitud (AccuracyAccuracy))

100%VR VM

rror relativoVR

!

Alta exactitudBaja exactitud

Exactitud


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PrecisinPrecisin

Alta precisinBaja precisin

Precisin (fidelidad)


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Resolucin: Es la ms pequea cantidad que puede serResolucin: Es la ms pequea cantidad que puede ser

medida con certezamedida con certeza

Alta resolucin

Baja resolucin

Resolucin


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Rango (campo de medida)

El alcance de entrada de un elemento se especifica con losvalores mnimo y mximo de la entrada (I) es decirle valor deIMIN a IMAX. El alcance de salida se especifica con los valoresmnimo y mximo de la salida (O) es decir los valores OMIN aOMAX. As un transductor de presin puede tener un alcance de

entrada de 0 a 10000 pascales y un alcance de salida de 4 a 20mA; un termopar un alcance de entrada de 100 a 250 C y unalcance de salida 4 a 10 mV.


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Elevacin de cero: Es la cantidad con la cual el valor cero de la

variable medida supera al valor inferior del rango. Puede expresarseen unidades de la variable medida o como porcentaje del span orango.

Supresin a cero: Es la cantidad con la cual el valor inferior del rangosupera al valor cero de la variable medida. Puede expresarse enunidades de la variable medida o como porcentaje del span o rango.

Rango con elevacin de cero: Es el rango de medida en el cual valor

cero de la variable o seal medida es mayor que el valor inferior delrango.

Rango supresin de cero: Es el rango en el cual el valor cero de lavariable o seal medida es menor que el valor inferior del rango.

Variacin del rango


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Variacin del rango


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Span (alcance)

El intervalo es la variacin mxima en la entrada o en la salida,es decir, el intervalo de entrada es IMAX - IMIN y el intervalo desalida OMAX - OMIN. As, por ejemplos, un transductor de presintiene un intervalo de entrada de 10 N y un intervalo de salida de16 mA; Otro ejemplo es el de un termopar que puede tener un

intervalo de entrada de 150 C y un intervalo de salida de 5 mV,es bueno notar que de acuerdo a la referencia, se pude tenerdesplazada la salida.


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%h

s

1001 %h

s

1002

Linealidad


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Se dice que un elemento es lineal si los valores correspondientes

de I y O estn sobre una lnea recta.

)( minminmax

minmaxmin II

II

OOOO

!

aKIOIdeal !

max mi

max mi

O OK

I I

!

)()()( aKIIOIN !

100)((%)minmax

xOO

INN

!

Linealidad


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Repetibilidad

Repetibilidad: La repetibilidad de un instrumento es el grado deigualdad con que un valor dado puede ser repetidamente

medido. Puede especificarse en trminos de unidades por unperiodo de tiempo dado o por porcentaje de span. Un instrumentoque tiene una repetibilidad perfecta es que no tiene desviacin, osea, su calibracin no varia gradualmente en un periodo detiempo largo.


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Error: discrepancia entre la indicacin del instrumento y elverdadero valor de la magnitud medida.

Error absoluto: resultado de medir valor verdadero.

Error relativo: cociente entre el error absoluto y el valorverdadero. Se expresa como:% de la lectura, % del fondo de escala, en unidades de

ingeniera, en el caso de instrumentos digitales

Error en la medida


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Error en la medida


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Un instrumento que mide tensin en el rango de 200 mV, posee las siguientes

especificaciones:

Especificaciones para el Keithley 617 (VOLTS)

RANGE

RESOL

UTION ACC

URACY (1 Yr) TEM

PER

ATUR

E18-28 COEFFICIENTE

(% rdg + counts) 0-18C & 28-50C

(% rdg + counts)/C

Ejemplo 1

200 mV 10 QV 0.05+4 0.004+3

Error en lectura de 63.62 mV a 25 C: 0.07 mV:


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63.62x(0.05/100) mV + 4 x 10 QV =

0.0318 mV + 0.04 mV = 0.07 mV.

1 count = 1 cuenta = resolucin en el rango de

medida. Si la medida se hace a 35 C hay quetener en cuenta la variacin por temperatura

desde 28 a 35 C. Esto es: (63.62x(0.004/100)

mV + 3 x 10 QV)x7 /C = 0.23 mV:En total, 0.07 mV + 0.23 mV = 0.3 mV

63.620.07 mV 63.60.3 mV


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Ejemplo 2

En una tarjeta de adquisicin de datos de 12 bits, en el rango de 2V, la precisin

viene dada por:

Precisin = (% lectura + % rango) ruido

(0.01 % lectura + 1 LSB) 1LSB

Determinar la incertidumbre, I, midiendo 0.5V.

LSB, bits menos significativo. Se determina dividiendo el rango entre 212. En este caso

Vale 2/4096 = 0.488 mV (0.024 % del rango)

Clculo: I = (0.0001x0.5V + 2/4096) 2/4096

= (0.00005V + 0.000488V) 0.000488V

=(0.000538V) 0.000488V

= 1.026 mV


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Ejemplo 3

En un multimetro de 4 dgitos en rango 2V, la precisin, P, viene dada por: P =

(0.03% de la lectura + 0.01% del rango).

Determinar la incertidumbre, I, para una entrada de 0.5V.

I =

(0.03% x 0.5V + 0.01% x 2.0V)= (0.00015V+ 0.00020V)

= 350 QV

Lectura = 0.49965 a 0.50035


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Sensibilidad: (Sensitivity). Es la pendiente de la curva de calibracin.

Puede ser constante o no a lo largo de la escala. Tambin se llama factor

de escala. Para un sensor cuya salida est relacionada con la entrada

segn la ley y=f(x), la sensibilidad en el punto Xa es: S(Xa)=dy/dx.

Interesa alta sensibilidad y constante.

Derivas: (Drift), cuando los sensores dan una variacin de la salida con el

tiempo. Se considera la deriva de cero, que da una variacin de la salida con

entrada nula y deriva del factor de escala, que expresa la variacin de la

sensibilidad

Sensibilidad


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Calibracin


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Cantidad Nombre de la Unidad Smbolo

Longitud metro m

Masa kilmetro kg

Tiempo segundo s

Corriente elctrica ampere A

Temperatura kelvin K

Cantidad de sustancia mole mol

Intensidad lumnica candela cd

Angulo Plano radian rad

Angulo slido steradian sr

La conferencia general de pesas y medidas han propuesto un sistema deunidades (SI) que sustituyen a los sistemas c.g.s y M.K.S. El sistema constade siete unidades bsicas y dos complementarias.

Sistema internacional de unidades


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Antonio Creus. Instrumentacin Industrial. 7 Edicin. EditorialAlfaomega. Barcelona, Espaa. 2003. Pg. 732

John Bentley. Sistemas de Medicin. Principios y Aplicaciones.CECSA

Hctor Navarro. Instrumentacin Electrnica Moderna. EditorialInnovacin Tecnolgica-Facultad de Ingeniera Universidad Central deVenezuela. Caracas Venezuela. 1995. Pag. 285.

Ramn PallasA

reny Sensores yA

condicionadores de Seal.Editorial Marcombo, D.F. Mxico. 2001 Pag. 480.

National Instrument Software advance in Measurements andInstrumentation, Octubre, 1992. Part Number350107-01.

Bibliografa

01 instrumentación (fileminimizer)

Documents