instrumentación industrial módulo1
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ING. EDUARDO VELASCO
ABRIL-OCTUBRE
2014
INTRODUCCIÓN
En todos los procesos es necesario medir,
controlar y mantener constantes algunas
magnitudes tales como: presión, caudal, nivel,
temperatura, pH, conductividad, velocidad,
humedad, etc.
Los instrumentos de medición y control permiten el
mantenimiento y regulación de esas constantes.
OBJETIVO DEL CONTROL
Acción o conjunto de acciones que buscan
conformar una magnitud variable, o conjunto de
magnitudes variables, en un patrón determinado.
ESQUEMA GENERAL DE CONTROL
RAZONES PARA EL CONTROL
SEGURIDAD
Preservar bajo cualquier condición la integridad del
personal y equipo involucrado en la operación de
los procesos.
ESTABILIDAD
Asegurar las condiciones de operación de los
procesos, para mantener en forma continua la
calidad de los productos, dentro de los límites
especificados.
OPTIMIZACIÓN
Asegurar el máximo beneficio económico en la
operación de los procesos.
PROTECCIÓN AMBIENTAL
Reducir a su mínima expresión el impacto
ecológico de los efluentes del proceso, para
cumplir con todas las normatividades aplicables.
Para cumplir con el objetivo del control se
requiere:
Una unidad de medida
Una unidad de control
Un elemento final de control
El propio proceso
SISTEMA EN LAZO ABIERTO
SISTEMA EN LAZO CERRADO
Además existen otro elementos definidos queintervienen en los lazos de control como:
Elemento de medida
El transmisor
El indicador
El registrador
La terminología se ha unificado con el fin de queen el campo de la instrumentación todos hablen elmismo lenguaje se utiliza las sugerencias deANSI/ISA-S51.1-1979 (R 1993)
¿ Que es la instrumentación?
Esta es un área o campo que estudia losinstrumentos.
¿Qué es un instrumento?
Un instrumento es un objeto, dispositivo, proceso,sistema, en términos generales algo que tiene unpropósito u objetivo particular como función.
SEGÚN LA NORMA ISA
Un instrumento es un dispositivo directa o
indirectamente usado para medir y/o controlar una
variable. El termino incluye, elementos primarios,
elementos finales de control, dispositivos de
computo y dispositivos eléctricos tales como
anunciadores, interruptores y botones oprimibles
(pushbuttons).
El termino no aplica a partes que son partes
internas de un instrumento (como ejemplo
diafragmas receptores o una resistencia).
CLASES DE INSTRUMENTOS
CIEGOS: Aquellos que no tienen indicación
visible de la variable.
Ejemplos: Presostátos, Termostátos, transmisores
de caudal, presión, etc.
INDICADORES: Disponen de un escala
graduada en la que puede leerse el valor de la
variable.
REGISTRADORES: Registran con trazo
continuo o a puntos la variable.
SENSORES: Captan la variable del proceso y
envían una señal de salida predeterminada.
También se lo denomina detector o elemento
primario.
TRANSMISORES: Captan la variable del
proceso a través del elemento primario y la
transmiten a distancia en forma estándar:
En Voltaje de 0 a 5, 1 a 5 o de 0 a 10 voltios
En Corriente de 4 a 20 mA
En presión de 3 a 15 PSI o 0,2 a 1 Bar
TRANSDUCTORES: Reciben una señal de entradaen función de una o más cantidades físicas y laconvierten modificada o no a una señal de salida.
Convierten la energía de entrada en otro tipo deenergía a la salida.
CONVERTIDORES: Reciben una señal de entradaestándar y la convierten en otra señal de salidatambién estándar.
RECEPTORES: Reciben la señal procedente de lostransmisores y las indican o registran.
CONTROLADORES: Comparan la variable
controlada con un valor deseado y ejercen una
acción correctiva de acuerdo con la desviación.
ACTUADORES: Es el elemento final de control,
recibe la señal del controlador y modifica las
condiciones del proceso o sistema.
SENSORES
Un sensor es un dispositivo que, a partir de la
energía del medio en el que se mide, proporciona
una señal de salida traducible que es función de la
magnitud que se pretende medir.
CARACTERISTICAS ESTÁTICAS
Describen la actuación de un sensor en RÉGIMEN
PERMANENTE o con cambios muy lentos de la
variable a medir.
ESPECIFICACIÓN DE SENSORES
Todos los instrumentos deben ser especificados aun punto tal que aseguren la operación del procesoy que permitan la estimación de sus costos.
Exactitud: Capacidad del instrumento de medir elvalor real de la variable o acercarse al valor dereferencia.
Precisión: Capacidad del instrumento de que envarias mediciones siempre muestre el mismovalor.
EJEMPLOS
Rango de Medida (Range): Es el campo de
medidas de la magnitud de entrada comprendido
entre el máximo y el mínimo valor detectables
por un sensor.
Alcance (SPAN): Es la diferencia algebraica
entre los valores superior e inferior del campo de
medida del instrumento.
Error: Expresa la diferencia entre la magnitud
medida y la lectura instrumental. En toda
aplicación se desearía que el error fuese cero;
sin embargo, todos los instrumentos modifican
su comportamiento a lo largo de su vida y es
común calibrarlos de cuando en cuando.
Linealidad: Un transductor se dice que el lineal,
si existe una constante de proporcionalidad
única que relaciona los incrementos de señal de
salida con los correspondientes incrementos de
señal de entrada, en todo el campo de medida
Los instrumentos ideales son lineales. De hecho, la
mayoría de los sistemas instrumentales
comerciales tienen respuesta lineal. Si la respuesta
no es lineal se tiene un error por no linealidad.
Sensibilidad: Característica que indica la menor
o mayor variación de la salida por unidad de la
magnitud de entrada.
𝑆 =10𝑚𝑉
°𝐶
Campo de medida con elevación de cero: Es el
campo de medida en el que el valor cero de la
variable o señal medida es mayor que el valor
inferior del campo.
-10 A 30 °C
Campo de medida con Supresión de cero: Es elcampo de medida en el que el valor cero de lavariable o señal medida es menor que el valorinferior del campo.
20 a 50 PSI
Resolución: Indica la capacidad del sensor paradiscernir entre valores muy próximos de lavariable de entrada. Se mide por la mínimadiferencia en dos valores próximos que el sensores capaz de distinguir.
Se suele indicar en términos de la variable física.
CONSULTA
Investigar y elaborar un organizador gráfico sobre otrascaracterísticas estáticas, como por ejemplo:
Incertidumbre de una medida
Reproducibilidad
Rangeabilidad
Banda muerta
Fiabilidad
Histéresis
Temperatura de Servicio
Trazabilidad
Colocar un ejemplo para cada uno.
NOTA: COLOCAR LA BIBLIOGRAFÍA CORRESPONDIENTE
EJERCICIOS REFERENTES AL TEMA
Se tienen un instrumento de medida con las siguientes características:
Determinar en cuál de los tres casos el instrumento es más preciso:
Tiene una precisión del 0.5% del alcance.
Tiene una precisión del 1% de la lectura efectuada.
Tiene una precisión del 0.5% del máximo valor del campo de medida
EJERCICIOS REFERENTES AL TEMA
Para un instrumento con un sensibilidad de:
𝑆 =15𝑚𝑉
°𝐶Llene la siguiente tabla:
TEMPERATURA (°C) Voltaje (Voltios)
0
10
20
40
60
80
100
EJERCICIOS REFERENTES AL TEMA
Para una señal de entrada mostrada en
porcentaje determine la salida para los diferentes
transmisores:Señal de entrada al
transmisor (%)
Señal de salida del
transmisor de voltaje de
1 a 5 voltios
Señal de salida del
transmisor de presión
de 3 a 15 PSI
Salida del transmisor de
corriente de
4 a 20 mA
0
12
24
34
41
53
63
75
81
92
100
EJERCICIOS REFERENTES AL TEMA
Para la siguiente figura:
Determine la ecuación característica y llene la
siguiente tabla:
EJERCICIOS REFERENTES AL TEMA
TEMPERATURA (°C) Amperaje (mA)
20
25
35
40
60
75
80
EJERCICIOS REFERENTES AL TEMA
Para el siguiente instrumento determine en °F y en
°C:
El rango
El alcance
La resolución
PRINCIPIOS DE TRANSDUCCIÓN
Es la transformación de un tipo de energía
en señal eléctrica o viceversa por medio de
un transductor.
Los principios de transducción son el
fundamento físico sobre el cual se asienta la
conversión de una magnitud física a otra.
Existe una gran variedad de estos.
CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSDUCTORES
De acuerdo a la propiedad traducible:
Temperatura
Absorbencia de luz
Flujo
Presión
Desplazamiento, etc.
Principio de transducción:
Óptico
Resistivo
Inductivo
Piezoeléctrico, etc.
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN
POTENCIOMÉTRICO
Involucra la acción de desplazamiento moviendo el
brazo de un potenciómetro.
Este dispositivo convierte entonces un movimiento
lineal o movimiento angular en un cambio de
resistencia que puede ser convertido directamente a
señales de corriente y/o voltaje.
Ejemplo: Flotador
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN CAPACITIVO
La operación básica de un sensor capacitivo viene
dado de la ecuación capacitor de placas paralelas.
𝐶 = 𝐾 ∗ 𝑒0 ∗𝐴
𝑑
Donde:
K = la constante dieléctrica
ε0 = la permisividad = 8.85 pF/m
A = área común de las placas
d = separación de las placas
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN CAPACITIVO
Hay tres formas de cambiar la capacidad:
variación de la distancia entre las placas (d)
variación de la zona compartida de las placas (A) la
variación de la constante dieléctrica (K).
Un circuito de CA puente u otro circuito electrónico
activo se emplea para convertir el cambio de
capacidad a una señal de corriente o de tensión.
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN CAPACITIVO
Constante dieléctrica
Si entre las placas de un condensador plano
introducimos un dieléctrico, el campo eléctrico, y por
tanto la diferencia de potencial, disminuye como
consecuencia de la polarización en su interior.
Al factor de disminución se le llama constante
dieléctrica, y es un número adimensional característico
de cada material.
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN CAPACITIVO
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN CAPACITIVO
En la tabla se muestra la constante dieléctrica y la
resistencia dieléctrica de algunos materiales.
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN CAPACITIVO
Un claro ejemplo de este principio de transducción es
el de los sensores de humedad utilizados en los
invernaderos, o en las industrias, los cuales utilizan la
variación de las placas de un condensador para medir
humedad relativa.
Sensor de humedad relativa capacitivo enchufable
80 µW, -40 ... +125 °C | SHT71, 75
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN INDUCTIVO
Si un núcleo permeable (atraen campo magnético
hacia su interior) se inserta en un inductor como se
muestra en la Figura, se incrementa la inductancia de
red. Cada nueva posición del núcleo produce una
inductancia diferente. Un puente de CA u otro circuito
electrónico activo sensible a la inductancia se pueden
emplear para el acondicionamiento de señal.
mediodelefectivadadPermeabili
geométricoformadeFactorG
espirasdenúmeron
GnL
L
L
:
:
:
2
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN INDUCTIVO
Los sensores inductivos son un tipo de sensor que se
utilizan principalmente para detectar cualquier tipo de
material metálico ferroso.
Los sensores inductivos se utilizan principalmente
para el control de presencia o ausencia de elementos
filtrados.
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN RELUCTIVO
La clase de sensores de desplazamiento de
reluctancia variable se basa en un núcleo móvil para
variar el acoplamiento de flujo magnético entre dos o
más bobinas, en lugar de cambiar una inductancia
individual.
Existen muchas configuraciones de este dispositivo,
pero el más común se llama un transformador
diferencial lineal variable (LVDT).
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN RELUCTIVO
Flujo formado por el primario está vinculada a las dos
bobinas secundarias, induciendo un voltaje de
corriente alterna en cada bobina.
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN RELUCTIVO
Cuando el núcleo se encuentra en el centro la tensión
inducida en cada primario es igual. Si el núcleo se
mueve hacia un lado o el otro, un voltaje de CA mayor
será inducida en una bobina.
Si las dos bobinas secundarias están conectadas en
serie oposición, las dos tensiones se restan, es decir,
se forma la tensión diferencial.
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN RELUCTIVO
Mediante la medición de la amplitud de voltaje y fase,
se puede determinar la dirección y extensión del
movimiento del núcleo, es decir, el desplazamiento.
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN RELUCTIVO
El acondicionamiento de señal para LVDT consiste
principalmente en circuitos que realizan una detección
sensible a la fase de la tensión secundaria diferencial.
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN RESISTIVO
Este principio se basa en la variación de la resistencia pordiferentes medios:
Variación de resistencia por medio de la temperatura(RTD, Termistores, etc.)
Variación de la resistencia por medio de la presión(galga extensiométrica)
Para el acondicionamiento se utiliza habitualmente unPuente de Wheatstone.
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN TERMOELÉCTRICO
Este principio se basa en la variación de la f.e.m (fuerza
electromotriz) creada entre dos metales sometidos a una
variación de temperatura.
El ejemplo más específico de este tipo de transducción es
la termocupla o termopar.
El acondicionamiento se lo
realiza con amplificadores
de instrumentación.
TEMA 2
CIRCUITOS OPERACIONALES
AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE PROPÓSITO
GENERAL
DIAGRAMA DE BLOQUES CARACTERISTICO DE
UNA ADQUISICION DE DATOS
Desafortunadamente los sensores rara vez producen
una salida cuyo parámetro permita alimentarlo
directamente al controlador, por eso es necesario un
circuito de interfaz de entrada basado en AO o en CI
para acondicionar la señal.
AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE PROPÓSITO
GENERAL 741
El triángulo apunta en la dirección del flujo de la señal
ENCAPSULADOS
CÓDIGOS DE IDENTIFICACIÓN
Prefijo de letras: Consta de dos o tres letras mediante
las cuales se identifica al fabricante.
Prefijo Literal Fabricante
AD/OP Analog Devices
CA/HA Harris
LM National Semiconductor
LT Linear Tecnology
MC Motorola
TL Texas Instrument
UA Farchild
CÓDIGOS DE IDENTIFICACIÓN
Número de Circuito: Consta de tres a siete números y
letras que identifican el tipo de amplificador
operacional y su intervalo de temperatura.
Los tres códigos de intervalo de temperatura son:
C: Comercial de 0 a 70 °C
I: Industrial de -25 a 85 °C
M: Militar de -55 a 125 °C
CÓDIGOS DE IDENTIFICACIÓN
Sufijo de Letras: De una o dos letras identifica el tipo
de encapsulado que contiene al microcircuito del
amplificador operacional.
CÓDIGO DE ENCAPSULADO DESCRIPCIÓN
D De plástico, de doble línea para
montaje el la superficie de circuitos
impresos
J De cerámica, de doble línea
N,P De plástico, de doble línea para
montaje en una base. Soldadura en
la superficie inferior.
CÓDIGOS DE IDENTIFICACIÓN
EJEMPLO
FUENTES DE ALIMENTACIÓN PARA AO
Tanto el voltaje positivo como el negativo están
referenciados al punto común de la fuente de
alimentación.
AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL
La corriente de salida Io va desde 5 a 20 mA y
depende del fabricante. El voltaje de salida está
restringido al límite superior e inferior conocidos como
+Vsat y –Vsat.
El voltaje de salida del amplificador depende de ladiferencia de voltajes en las terminales de entrada y laganancia del amplificador.
𝑉𝑜 = 𝐺(𝑉1 − 𝑉2)
Donde:
V1: Voltaje de la terminal Positiva
V2: Voltaje de la terminal Negativa
G: Ganancia del Amplificador Operacional
POLARIDAD DE LA SALIDA Vo
V1 > V2 Vo es positiva
V1 < V2 Vo es negativa
V1 = V2 Vo es cero
EJERCICIO
Para un voltaje de alimentación de ± 15 Vdc, una
ganancia G=200, Vsat ± 13 Vdc y los siguientes
voltajes de entrada V1 y V2 que se muestran en la
tabla, determinar:
V1 (+) V2 (-) Ed Polaridad (+)
respecto del (-)
Vo
Calculado
Vo
Real
-15 -10
+15 -10
-5 -10
+4 +1
0 +5
+5 0
CONFIGURACIONES DEL AO
DETECTOR DE CRUCE POR CERO
CONFIGURACIONES DEL AO
DETECTOR DE CRUCE POR CERO
NO INVERSOR
EJERCICIO
Realizar el detector de cruce por cero inversor. Y las
gráficas correspondientes.
DETECTOR DE VOLTAJE POSITIVO INVERSOR
DETECTOR DE VOLTAJE POSITIVO NO INVERSOR
En resumen:
Si las señales de voltaje que se van a monitorear estánconectadas en la entrada positiva (+) se obtiene uncomparador no inversor
Si se encuentra conectada a la entrada negativa se tieneun comparador inversor.
DEBER
Elaborar en Proteus:
Detector de voltaje positivo (Valor a detectar 2 V dc)inversor.
Detector de voltaje negativo inversor y no inversor(Valor a detectar -2 V dc)