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UNIVERSIDAD SANTO TOMASDEPARTAMENTO DE ELECTRONICA

INSTRUMENTACIN Y CALIBRACIN

GERMAN CRUZ PANIREIQUIQUE - CHILE

Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en doscategoras: procesos continuos y procesos discontinuos. En general, en ambostipos deben mantenerse las variables (presin, caudal, nivel, temperatura, etc.),bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdocon una relacin predeterminada, o bien guardando una relacin determinada conotra variable.

El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puededefinirse como aquel que compara el valor de la variable, o condicin a controlar,con un valor deseado y toma una accin de correccin de acuerdo con ladesviacin existente sin que el operario intervenga en absoluto.

El sistema de control exige, para que esta comparacin y subsiguiente correccinsean posibles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, unelemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades formanun bucle o lazo que recibe el nombre de lazo de control. El lazo puede ser abiertoo bien cerrado.

INSTRUMENTACIN Y CALIBRACIN

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INSTRUMENTACIN Y CALIBRACIN

INSTRUMENTACIN Y CALIBRACIN Los trminos empleados de tienen las caractersticas propias de medida y

de control y las estticas y dinmicas de los diversos instrumentos utilizados:

Indicadores, registradores, controladores, transmisores y vlvulas de control. La terminologa empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes,

los usuarios y los organismos o entidades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentacin industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los trminos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por ANSI/ISA-S51.1-1979 (R 1993) aprobadas el 26 de mayo de 1995.

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INSTRUMENTACIN Y CALIBRACIN ELEMENTOS DEL LAZO DE CONTROL

Variable Directamente Controlada: En un lazo de control, la variable cuyovalor es sensado para originar una seal de retroalimentacin.

Variable Indirectamente Controlada : Una variable que no origina unaseal de retroalimentacin, pero est relacionada con e influencia por lavariable directamente controlada.

Variable Manipulada: Una cantidad o condicin que se vara como funcinde la seal de error actuante de tal forma que cambie el valor de lavariable directamente controlada.

Variable Medida: Una cantidad, propiedad o condicin que es medida.

INSTRUMENTACIN Y CALIBRACIN

ELEMENTO PRIMARIO (SENSOR): Elemento del sistema que cuantitativamenteconvierte la energa de la variable medida en una forma susceptible paramedicin. Para los transmisores que no tengan elementos primarios externos,internamente tienen una porcin de medicin que es un elemento primario.

TRANSDUCTOR: Un elemento o dispositivo que recibe informacin en la formade una cantidad y convierte esta informacin en la forma de la misma u otracantidad.

TRANSMISOR: Un transductor que responde a la variable medida por unelemento de medicin y la convierte en una seal de transmisinestandarizada que una funcin solamente de la variable medida.

ELEMENTO FINAL DE CONTROL: El elemento del control directo que cambiadirectamente el valor de la variable manipulada.

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TRANSDUCTORESUn transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir una determinadamanifestacin de energa de entrada, en otra diferente a la salida, pero de valor muy pequeosen trminos relativos con respecto a un generador.

El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformacin que realiza (por ejemploelectromecnica, transforma una seal elctrica en mecnica o viceversa).

Es un dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina interna, en la agricultura,en robtica, en aeronutica, minera, etc., para obtener la informacin de entornos fsicos yqumicos y conseguir (a partir de esta informacin) seales o impulsos elctricos o viceversa.

Los transductores siempre consumen cierta cantidad de energa por lo que la seal medidaresulta atenuada.

Los transductores son especialmente importantes para que los medidores puedan detectarmagnitudes fsicas. Normalmente, estas magnitudes, como porejemplo temperatura, presin, humedad del aire, presin sonora, caudal, o luz, se convierten enuna seal normalizada (p.e. 4 ... 20 mA).

TRANSDUCTORES

Los transductores son hoy en da indispensables en los sistemas de automatizacin y control. En el momento que se registran o se usan magnitudes fsicas para el control de un proceso, es necesario usar un transductor.

La razn radica en que hoy en da es necesario registrar un nmero grande de magnitudes. Adems de las famosas magnitudes como temperatura o presin, muchas veces es necesario registrar otros parmetros, como presin, concentracin de gases, o caudal.

Para que la electrnica pueda recibir una seal legible, es necesario que el transductor convierta la magnitud fsica en una seal elctrica. Para tener flexibilidad, la industria ha determinado seales normalizadas que pueden ser ledas por muchos medidores.

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TRANSDUCTORES

Se pueden clasificar en dos grupos: Activos y pasivos.Los transductores activos generan corriente elctrica o voltaje en respuesta directa auna estimulacin del ambiente. Algunos ejemplos de transductores activos sontermocuplas y acelermetros piezoelctricos. Las termocuplas producen un voltajerelacionado a la temperatura de dos metales, y cuando las uniones de estos metales seencuentran a distinta temperatura, se produce electricidad.

TRANSDUCTORES

Los transductores pasivos producen un cambio en magnitud de alguna propiedadelctrica pasiva, como la capacitancia, resistencia o inductancia; como resultado deuna estimulacin. Estos generalmente requieren de energa elctrica adicional paraexcitacin. Un ejemplo simple de un transductor pasivo es un dispositivo conteniendoun cable y un contacto en movimiento tocando el mismo. La posicin del contactodetermina la longitud efectiva del cable, variando la resistencia del mismo. Otrosejemplos de transductores pasivos son galgas extensiomtricas, detectores detemperatura resistivos (RTDs) y termistores.

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TRANSDUCTORESEl uso de una seal normalizada analgica permite, en la misma entrada analgica de un indicador digital, conectar transductores de cualquier magnitud. El indicador digital debe ser nicamente escalado. Esto quiere decir que se le debe indicar qu valor que saca el transductor como magnitud elctrica corresponde al valor de la magnitud fsica. La siguiente imagen muestra la asignacin de una seal de salida 4-20 mA a un rango de temperatura de 0 - 100 C:

TIPOS DE TRANSDUCTORESMagnitud fsica de entrada Tipos

Posicin, proximidad o presencia

Finales de carrera mecnicos (posicin).Detectores de proximidad.

Inductivos: Sensibles a materiales

ferromagnticos: Sensibles a materiales metlicos.

Capacitivos. pticos:

Directos. Con fibras pticas acopladas.

Desplazamiento o movimiento.

Medida de grandes distancias.Medida de distancias cortas.Pequeos desplazamientos.

Resistivos. Inductivos. Capacitivos.

Medidores de ngulos. Resistivos. Inductivos. Capacitivos Encoders: incrementales y absolutos.

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TIPOS DE TRANSDUCTORESVelocidad.

Tacmetros: Elctricos: Dinamos tacomtricas y

Alternadores tacomtricos. Mecnicos.

Presin y/o Fuerza.

Mecnicos. Directos: Tubos en U. Indirectos; Tubos Bourdon. Diafragmas y

Fuelles.Electromecnicos.

Galgas extensiomtricas. Piezoelctricos. Resistivos. Capacitivos.

Temperatura.

Termoresistencias.Termistores: NTC y PTC.Termopares.Pirmetros de radiacin.

Luz. Fotoresistencias o LDR.Fotodiodos.Fototransistores.

Trabajo Investigar tipos de sensores y/o transductores que son

utilizados en procesos de minera, plantas generadoras, plantas de tratamiento de agua.

Investigar funcionamiento de 1 sensor y/o transductor de: Caudal Presin Temperatura.

Presentar trabajo 1 de abril 2015

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Instrumento de Medicin SISTEMA DE UNIDADES

Sistema MKS (Metro, Kilogramo, segundo)

METRO: Es una longitud igual a la del metro patrn que se conserva en la Oficina Internacional de pesas y medidas.

KILOGRAMO: Es una masa igual a la del kilogramo patrn que se conserva en la Oficina Internacional de pesas y medidas.

Un kilogramo (abreviado Kg.) es aproximadamente igual a la masa de un decmetro cbico de agua destilada a 4 C.

La unidad de tiempo de todos los sistemas de unidades es el segundo. SEGUNDO: Se define como la 86,400 ava. Parte del da solar medio. Los das tienen diferente duracin segn las pocas del ao y la distancia de la Tierra al

Sol. El da solar medio es el promedio de duracin de cada no de los das del ao.

Algunas Equivalencias

LONGITUD 1 pulgada = 0.0254 m

MASA 1 libra = 0.454 Kg.

SUPERFICIE 1 pie 2 = 0.0929m^2

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Anlisis Dimensional Existen diferentes sistemas de unidades. Las cantidades fsicas pueden

expresarse en distintas unidades segn la escala en que est graduado el instrumento de medicin.

Una distancia puede expresarse en metros, kilmetros, centmetros o pes, sin importar cual sea la unidad empleada para medir la cantidad fsica distancia, pues todas ellas se refieren a una dimensin fundamental llamada longitud, representada por L.

El buen manejo de las dimensiones de las cantidades fsicas en una ecuacin o frmula fsica, nos permite comprobar si son correctas y si se trabajaron debidamente.

Al aplicar una ecuacin o frmula fsica, debemos recordar dos reglas: 1.- Las dimensiones de las cantidades fsicas a ambos lados del signo de

igualdad, deben ser las mismas. 2.- Slo pueden sumarse o restarse cantidades fsicas de la misma dimensin.

Ejemplo:Partiendo de las dimensiones: longitud (L), masa (M) y tiempo (t), obtendremos las ecuaciones dimensionales de algunas cantidades fsicas: Ecuacin dimensional para el rea:A = lado x lado = L* L = L2

Ecuacin dimensional para la velocidad:V = d / t = l / tSi conocemos las dimensiones de una cantidad fsica podemos trabajar las unidades correspondientes segn el sistema de unidades.

EJEMPLODemostrar que la frmulad = (V0t + at2) / 2es dimensionalmente vlida.SOLUCIN.

Anlisis Dimensional (Ejercicios)

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Conversiones Desde el punto de vista operacional de la Fsica es muy importante saber

manejar la conversin de unidades, ya que en los problemas en que se presenten las magnitudes fsicas, stas deben guardar homogeneidad para poder simplificarlas cuando sea necesario, es decir, deben ser de la misma especie.

Por ejemplo, si se tienen: 8m+ 7m + 5m = 20m

stas se pueden sumar porque son de la misma especie, pero si se tiene: 8m + 70cm + 10mm stas cantidades no se pueden sumar hasta que no se transformen a un slo

tipo de unidad.

ConversionesPASOS PARA REALIZAR LA CONVERSIN.

1.- Escriba la cantidad que desea convertir.2.- Defina cada una de las unidades incluidas en la cantidad que va a convertir, en trminos de la unidad o las unidades buscadas.3.- Escriba dos factores de conversin para cada definicin, uno de ellos recproco del otro.4.- Multiplique la cantidad que desea convertir por aquellos factores que cancelen todas las unidades, excepto las buscadas.

Ejemplo 2:Convierta la velocidad de: 60 km/h a m/sEquivalencias a usar:1 km = 1,000 m1 h = 3,600 s

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Mltiplos y Submltiplos

Acondicionamiento de SealLa seal de salida del sensor de un sistema de medicin en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operacin. La seal puede ser, por ejemplo, demasiado pequea, y sera necesario amplificarla; podra contener interferencias que eliminar; ser no lineal y requerir su linealizacin; ser analgica y requerir su digitalizacin; ser digital y convertirla en analgica; ser un cambio en el valor de la resistencia, y convertirla a un cambio en corriente; consistir en un cambio de voltaje y convertirla en un cambio de corriente de magnitud adecuada, etctera.

A todas estas modificaciones se les designa en general con el trmino acondicionamiento de seal. Por ejemplo, la salida de un termopar es un pequeo voltaje de unos cuantos milivolts. Por lo tanto, es necesario utilizar un mdulo acondicionador de seal para modificar dicha salida y convertirla en una seal de corriente de tamao adecuado, contar con un medio para rechazar ruido, lograr una linealizacin, y una compensacin por unin fra (es decir, la compensacin cuando la unin fra no est a 0 C).

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Interconectndose con un microprocesador Los dispositivos de entrada y de salida estn conectados con un sistema de

microprocesador mediante puertos. El trmino "interfaz" se refiere a un elemento que se usa para interconectar diversos dispositivos y un puerto. Existen as entradas de sensores, interruptores y teclados, y salidas para indicadores y actuadores. La ms sencilla de las interfaces podra ser un simple trozo de alambre. En realidad, la interfaz cuenta con acondicionamiento de seal y proteccin; esta ltima previene daos en el sistema del microprocesador. Por ejemplo, cuando es necesario proteger las entradas de voltajes excesivos o de seales de polaridad equvoca.

Los microprocesadores requieren entradas de tipo digital; por ello, cuando un sensor produce una salida analgica, es necesario una conversin de seal analgica a digital. Sin embargo, muchos sensores slo producen seales muy pequeas, a veces de unos cuantos milivolts. Este tipo de seales es insuficiente para convertirla de analgica a digital en forma directa, por lo que primero se debe amplificar. En las seales digitales tambin es necesario acondicionar la seal para mejorar su calidad. La interfaz requiere entonces varios elementos.

Procesos del AcondicionamientoLos siguientes son algunos de los procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una seal:1. Proteccin para evitar dao al siguiente elemento, por ejemplo un microprocesador, como consecuencia de un voltaje o una corriente elevados. Para tal efecto, se colocan resistencias limitadoras de corriente, fusibles que se funden si la corriente es demasiado alta, circuitos para proteccin por polaridad y limitadores de voltaje.

2. Convertir una seal en un tipo de seal adecuado. Sera el caso cuando es necesario convertir una seal a un voltaje de cd, o a una corriente. Por ejemplo, el cambio en la resistencia de un de-formmetro se debe convertir en un cambio de voltaje. Para ello se utiliza un puente de Wheatstone y se aprovecha el voltaje de desbalance. Aqu tambin podra necesitarse una seal analgica o digital.

3. Obtencin del nivel adecuado de la seal. En un termopar, la seal de salida es de unos cuantos milivolts. Si la seal se va a alimentar a un convertidor analgico a digital para despus entrar a un microprocesador, ser necesario ampliarla en forma considerable, hacindola de una magnitud de milivolts a otra de volts. En la amplificacin es muy comn utilizar amplificadores ope-racionales.

4. Eliminacin o reduccin del ruido. Por ejemplo, para eliminar el ruido en una seal se utilizan filtros.

5. Manipulacin de la seal, por ejemplo, convertir una variable en una funcin lineal. Las seales que producen algunos sensores, por ejemplo los medidores de flujo, son alinales y hay que usar un acondicionador de seal para que la seal que se alimenta, en el siguiente elemento sea lineal.

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Mediciones con Puentes

Las medidas de precisin de valores de componentes se han hecho por muchos aos utilizando diferentes tipos de puentes. El ms simple tiene el propsito de medir la resistencia y se llama puente Wheatstone. Existen variaciones del puente Wheatstone para medir resistencias muy altas y muy bajas. Hay una amplia variedad de puentes de CA para medir inductancia, capacitancia, admitancia, conductancia, y cualquier parmetro de impedancia. Los puentes de propsito general no se pueden utilizar en cualquier medicin. Algunas mediciones especializadas, como la impedancia a altas frecuencias, se pueden efectuar con un puente.

El Circuito puente forma la parte principal en algunas mediciones y como interface de transductores. Por ejemplo, hay puentes totalmente automticos que determinan electrnicamente la condicin nula del puente para hacer mediciones de componentes de precisin. Por tanto, este captulo se destina a las mediciones con puentes, al concepto de mediciones protegidas y a las mediciones de resistencia de tres terminales

Mediciones con PuentesSe utiliza para convertir un cambio de resistencia en uno de voltaje. En la figura se muestra la configuracin bsica de este puente.

Cuando el voltaje de salida V0 es cero, el potencial en B debe ser igual al potencial en D. La diferencia de potencial en R), es decir, KAB, debe ser igual a la diferencia en R1, o sea, V-AB. Por lo tanto, I1 R1 = I2 R2. Tambin significa que la diferencia de potencial en R2, es decir, V-BC, debe ser igual a la de R4, es decir V-DC. Dado que en BD no hay corriente, la de Ri debe ser igual a la que hay en R1 y la corriente en R4 debe ser la misma de R3. Por consiguiente, I1 R2 = I2 R4 Dividiendo las dos ecuaciones se obtiene:

R1 = R3R2 R4

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El amplificador operacionalEl fundamento de numerosos mdulos para acondicionamiento de seal es el amplificador operacional. Este es un amplificador de alta ganancia de cd, en general de 100 000 o ms, y est disponible como circuito integrado en chips de silicio. Tiene dos entradas: entrada inversora () y entrada no inversora (+). La salida depende de cmo se hagan las conexiones de estas entradas. Adems de las anteriores, el amplificador operacional tiene otras entradas: una alimentacin de voltaje negativo, una alimentacin de voltaje positivo y dos entradas conocidas como nulo del voltaje de desvo, cuyo propsito es activar las correcciones que se deben hacer por el comportamiento no ideal del amplificador.

ProteccinExisten diversas situaciones en las que la conexin de un sensor con la unidad siguiente, por ejemplo unmicroprocesador, entraa la posibilidad de causar daos como resultado quizs de un voltaje o corrienteelevados. Para protegerse contra corrientes grandes en la lnea de entrada se incorpora una serie de resistenciasque limiten la corriente a un nivel aceptable y un fusible que se funda cuando la corriente excede un nivel seguro.Contra altos voltajes y polaridades equivocadas se utiliza un circuito con diodo Zener. Los diodos Zener secomportan como diodos comunes hasta que se presenta un voltaje de ruptura, a partir del cual se convierten enconductores. Si se desea el paso de un voltaje como mximo de 5 V, al tiempo que se rechacen voltajes de msde 5.1 V, se utiliza un diodo Zener con especificacin de voltaje de 5.1 V. De esta manera el voltaje en el diodo, ypor lo tanto el que se alimenta al siguiente circuito, disminuye. Dado que el diodo Zener tiene baja resistencia a lacorriente en una direccin y una resistencia elevada en la direccin contraria, tambin sirve como proteccincontra polaridades invertidas. Si el diodo se conecta con la polaridad correcta, produce una elevada resistencia atravs de la salida y una elevada cada de voltaje. Si la polaridad de la fuente est invertida, la resistencia deldiodo es baja y pequea la cada de voltaje a la salida.

En algunas situaciones es deseable aislar del todo los circuitos y eliminar todas las conexiones elctricas entre ellos. Para ello se utiliza un optoaislador; implica convertir una seal elctrica en una seal ptica; sta pasa a un detector que, a su vez, la vuelve a convertir en seal elctrica.

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FiltradoEl trmino filtrado se refiere al proceso de eliminacin de cierta banda de frecuencias de una seal ypermite que otras se transmitan. El rango de frecuencias que pasa un filtro se conoce como banda depaso, y el que no pasa como banda de supresin; la frontera entre lo que se suprime y lo que se pasase conoce como frecuencia de corte. Los filtros se clasifican de acuerdo con los rangos de frecuenciaque transmiten o rechazan. Un filtro pasa bajas (figura a) tiene una pasa bandas que acepta latransmisin de todas las frecuencias desde 0, hasta cierto valor. El filtro pasa alias (figura b) tiene unapasa banda que permite la transmisin de todas las frecuencias a partir de un determinado valor hastaun valor infinito. El filtro pasa bandas (figura c) permite la transmisin de todas las frecuencias queestn dentro de una banda especificada. El filtro supresor de banda (figura d) rechaza c impide latransmisin de todas las frecuencias de cierta banda. En todos lo casos, la frecuencia de corte sedefine como aquella para la cual el voltaje de salida es 70.7% del de la pasa banda. El trminoatenuacin se aplica a la relacin entre las potencias de entrada y de salida, expresada como larelacin del logaritmo de la relacin, por lo que la atenuacin se expresa en unidades de belios. Dadoque sta es una magnitud bastante grande, se utilizan los decibeles (dB), de ah que la atenuacinexpresada en dB = 10 log (potencia de entrada/potencia de salida). Puesto que la potencia en unaimpedancia es proporcional al cuadrado del voltaje, la atenuacin en dB = 20 log (voltaje deentrada/voltaje de salida). El voltaje de salida correspondiente al 70.7% del de la banda pasa bajascorresponde, por lo tanto, a una atenuacin de 3 dB.

Filtrado

El trmino filtrado describe un filtro en el cual slo hay resistencias, capacitores e inductores. El trmino activo se refiere a un filtro en el que tambin hay un amplificador operacional. Los filtros pasivos tienen la desventaja de que la corriente que absorbe el siguiente elemento puede modificar la caracterstica de frecuencia del filtro.

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Seales digitalesLa salida que produce la mayora de los sensores en general es de tipo analgico. Cuando unmicroprocesador forma parte del sistema de medicin o de control, es necesario convertir la salida analgicadel sensor a una forma digital antes de alimentarla al microprocesador. Por otra parte, la mayora de losactuadores funcionan con entradas analgicas, por lo que la salida digital de un microprocesador debeconvertirse a su forma analgica antes de utilizarla como entrada del actuador.El sistema binario se basa slo en dos smbolos o estados: 0 y 1. A stos se les conoce como dgitos /nanoso bits. Cuando un nmero se representa con este sistema, la posicin del dgito en el nmero indica el pesoasignado a cada uno de los dgitos, aumentando dicho paso en un factor de 2 conforme se avanza dederecha a izquierda:

Por ejemplo, el nmero decimal 15 en un sistema binario se representa como 2o + 21 +22+2s= 1111. En un nmero binario al bit Ose denomina bit menas significativo (LSB) y al bit mayor como bit ms significativo (MSB). La combinacin de bits que representa un nmero se denomina palabra. Por lo tanto, 1111 es una palabra de cuatro bits. El trmino byte se usa para designar un grupo de 8 bits. En el captulo 14 consulte ms informacin sobre los nmeros binarios.