temas especiales de instrumentación y control

7/23/2019 Temas Especiales de Instrumentacin y Control

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Edicin: Lic. Niurka Casanovas HerreroDiseo de cubierta: Frank Herrera Garc aDiseo in terior: Arsenio Fournier CuzaDiagramacin:Yohanka Morejn Rivero

Colectivo de autores, 2008 Sobre la presente edicin:

Editorial Flix Varela, 2008

ISBN 978-959-07-0986-9

Editorial Flix VarelaCalle A No. 703,e/ Zapata y 29,Vedado, La Habana, Cuba.

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III

NDICE

INTRODUCCIN / IX

CAPTULO 1SENSORES Y ACTUADORES / 1

1.1. Sensores / 21.1.1. Especificaciones / 31.1.2. Clasificacin / 41.1.3. Sensores comunes para temperatura / 4

1.1.3.1. Termopares / 41.1.3.2. Termorresistencias / 71.1.3.3. Termistores / 111.1.3.4. Otros sensores de temperatura / 12

1.1.4. Sensores de presin / 131.1.4.1. Tubos de Bourdon / 131.1.4.2. Fuelles y membranas / 141.1.4.3. Sensores de presin a semiconductores / 16

1.1.5. Sensores de caudal / 161.1.5.1. Sensores basados en presin diferencial / 161.1.5.2. Turbinas / 171.1.5.3. Medidores electromagnticos de caudal / 191.1.5.4. Medidor ultrasnico de caudal / 20

1.1.6. Sensores de nivel / 221.1.6.1. Sensores de nivel discretos / 231.1.6.2. Sensores de nivel continuos / 23

1.1.7. Desplazamiento angular / 241.1.7.1. Potencimetros / 241.1.7.2. Encoders / 25

1.1.8. Sensores de velocidad angular / 271.1.8.1. Velocidad angular a partir de encoders / 271.1.8.2. Tacmetros / 27

1.1.9. Posicin lineal / 28


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IV

1.1.9.1. Potencimetro lineal / 281.1.9.2. Transformador diferencial variable lineal (LVDT) / 29

1.1.10. Sensores de carga / 311.1.10.1. Galgas de esfuerzo ( strain gauge) / 31

1.1.10.2. Sensores de carga a semiconductores / 331.1.11. Sensores de proximidad / 331.1.11.1. Sensores pticos / 34

1.1.12. Sensores inteligentes / 371.1.13. Criterios de seleccin de un sensor / 38

1.2. Acondicionamiento de seales / 381.3. Actuadores / 41

1.3.1. Clasificacin / 411.3.2. Solenoides / 42

1.3.3. Cilindros hidrulicos y neumticos / 431.3.4. Motores elctricos / 451.3.4.1. Motores de corriente alterna / 451.3.4.2. Motores de corriente directa / 471.3.4.3. Motores de paso / 48

CAPTULO 2SISTEMAS DE CONTROL / 51

2.1. Definiciones bsicas / 52

2.2. Objetivos del control automtico de procesos / 532.3. Reguladores y servomecanismos / 532.4. Sistema de control en lazo abierto y en lazo cerrado / 542.5. Diagrama de bloques y funcin transferencia / 572.6. Estrategias de control / 592.7. Clasificacin general de los sistemas de control /612.8. Acciones bsicas de control / 62

2.8.1. Accin de dos posiciones / 622.8.2. Accin proporcional (P) / 64

2.8.3. Accin integral (I) / 662.8.4. Accin proporcional-integral (PI) / 672.8.5. Accin proporcional-derivativo (PD) / 682.8.6. Accin proporcional-integral-derivativo (PID) / 69

2.9. Criterios de comportamiento / 702.10. Reglas de sintonizacin para controladores PID / 712.11. Simulacin de sistemas de control / 74

CAPTULO 3CONTROLADORES LGICOS PROGRAMABLES (PLC) / 79

3.1. Pequea resea histrica / 793.2. Introduccin a los PLC / 81

3.2.1. Definicin de autmata programable / 823.2.2. Campos de aplicacin / 82


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V

3.2.3. Ventajas e inconvenientes de los PLCs / 833.3. Estructura. Conceptos generales / 83

3.3.1. Estructura externa / 843.3.2. Estructura interna / 85

3.3.2.1. Memoria / 863.3.2.2. CPU / 873.3.3. Unidades de E/S (entrada y salida de datos) / 883.3.4. Interfases / 88

3.3.4.1. Equipos o unidades de programacin / 893.3.4.2. Dispositivos perifricos / 89

3.3.5. Ciclo de trabajo de un autmata / 903.4. Estructura interna del PLC / 91

3.4.1. Entradas y salidas / 91

3.4.2. Marcas de memoria / 913.4.3. Registros y acumuladores / 923.4.4. Temporizadores y contadores / 923.4.5. Constantes / 923.4.6. Estructura del programa / 933.4.7. Tipos de mdulos / 94

3.5. Lenguajes de programacin / 943.5.1. Lenguaje a contactos: LD o KOP / 953.5.2. Lenguaje por lista de instrucciones: IL o AWL / 95

3.5.3. GRAFCET / 963.5.4. Plano de funciones: FBD / 973.6. Estndar IEC 1131-3 / 97

3.6.1. Grfico secuencial de funciones (GRAFCET) / 983.6.2. Lista de instrucciones / 983.6.3. Texto estructurado / 983.6.4. Diagrama de contactos / 993.6.5. Diagrama de funciones / 993.6.6. Organizacin de tareas / 99

3.6.7. Bloques de funciones / 993.7. Sistemas lgicos. lgebra de Boole / 1003.7.1. Funciones generales / 1003.7.2. Funciones especiales / 100

3.8. Ejemplos de aplicacin / 1023.8.1. Control de los movimientos de subida y bajada de un ascensor / 102

3.8.1.1. Movimientos / 1033.8.1.2. Circuito lgico / 104

3.8.2. Taladro semiautomtico / 104

3.8.2.1. Circuito lgico / 1053.9. Elementos del GRAFCET / 1063.9.1. Etapas iniciales / 1063.9.2. Etapas normales / 1073.9.3. Acciones asociadas / 107


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VI

3.9.4. Acciones asociadas condicionadas / 1083.9.4.1. Accin condicionada / 1093.9.4.2. Accin retardada / 1093.9.4.3. Accin limitada / 109

3.9.4.4. Accin de impulso / 1093.9.4.5. Accin memorizada / 1093.9.5. Transiciones / 1103.9.6. Receptividades asociadas a las transiciones / 1103.9.7. L neas de enlace / 111

3.10. Diseo y estructuras del GRAFCET / 1113.10.1. Desarrollo del sistema / 1123.10.2. Evolucin del sistema / 1133.10.3. Secuencia nica / 114

3.10.4. Bifurcacin en O. Seleccin de secuencia / 1143.10.5. Bifurcacin en Y. Trabajos en paralelo / 1153.10.6. Saltos de etapas / 1163.10.7. Bucles / 1173.10.8. Subrutinas / 1183.10.9. Macro-etapas / 1193.10.10. Diagramas paralelos / 119

CAPTULO 4SISTEMAS DIGITALES / 121

4.1. Sistemas digitales en la automatizacin industrial. Pirmide decontrol / 1214.1.1. La computadora como herramienta / 1224.1.2. La computadora como controlador / 123

4.1.2.1. Contexto histrico de la PC control de procesos / 1234.1.2.2. Funciones de la computadora en el control de procesos / 1234.1.2.3. Computadora en control digital directo (DDC) / 1234.1.2.4. Computadora de vigilancia / 124

4.1.2.5. Computadora de supervisin / 1254.1.3. Sistemas de control distribuido / 1254.2. Sistemas de tiempo real / 1274.3. Sistemas SCADA / 129

4.3.1. Caracter sticas de un sistema SCADA / 1304.3.2. Prestaciones / 1324.3.3. Requisitos / 1324.3.4. Componentes de hardware / 133

4.3.4.1. Funcionalidad del hardware de un RTU / 135

4.3.4.2. Funcionalidad del software de un RTU / 1364.4. Software SCADA y principales productos comerciales / 1384.5. Estructura y componentes de un software SCADA / 140


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VII

4.6. Interfases de comunicacin / 1444.6.1. Tecnolog as de integracin microsoft (driversespec ficos) / 146

4.6.1.1. COM/DCOM / 1464.6.1.2. Visual Basic for Applications (VBA) / 146

4.6.1.3. Interfaz OPC / 1464.6.1.4. ActiveX / 1474.6.1.5. Conectividad remota WebServer (conexin a travs deInternet) / 148

4.7. Evolucin del software SCADA / 1494.7.1. Tendencias / 151

4.8. Algunas aplicaciones de los SCADA`s en la industria y losservicios / 151

BIBLIOGRAFA / 155

GUA GENERAL PARA EL ESTUDIO / 156

Introduccin / 156Objetivo general / 157Objetivos espec ficos / 157Sistema de contenido por temas / 157

Tema 1. Sensores y actuadores / 157Tema 2. Sistemas de control / 158Tema 3. Controladores lgicos programables (PLC) / 158Tema 4. Sistemas digitales / 158

Sistema de evaluacin / 158Bibliograf a bsica / 159Bibliograf a complementaria / 159

INDICACIONES PARA EL ESTUDIO POR TEMAS / 160

Tema 1. Sensores y actuadores / 160Tema 2. Sistemas de control / 162Tema 3. Controladores lgicos programables (PLC) / 163

Tema 4. Sistemas digitales / 163Evaluacin final de la asignatura / 164


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IX

INTRODUCCIN

La competencia empresarial obliga a fabricar de forma ms eficien-te y flexible y a reducir los tiempos de puesta en el mercado de nuevosproductos. Esto hace, por un lado, que actualmente se ponga graninters en la calidad y nuevas tecnolog as y en el desarrollo rpido denuevos productos para tener ventajas competitivas, a la vez que serequiere reducir costos, en particular energticos, y aumentar la efica-cia y flexibilidad de los sistemas de produccin.

Por otro lado, las exigencias medioambientales suponen tambinuna presin en la direccin de mejora tecnolgica, mientras que laperspectiva de un desarrollo sostenible apunta al ahorro energtico.Todo esto lleva a que los sistemas de instrumentacin y control autom-tico se conviertan en los pilares que marcan la evolucin industrialpermitiendo aumentar producciones, mejorar la calidad, reducir costosy personal, cumplir con los requisitos medioambientales, etctera, y nocabe duda de que constituyen un requisito bsico para efectuar todas

las mejoras necesarias en las empresas industriales o de servicios.En este libro se tratan los elementos bsicos de los sistemas deinstrumentacin y control, con el objetivo de proveer fundamental-mente a los especialis tas en el campo de la gestin energtica, de lasherramientas necesarias para la comprensin de estos sistemas, demanera que puedan utilizar la informacin que ellos brindan y explo-tarlos en funcin del ahorro energtico. En todo el texto se tratan aspectosgenerales necesarios para comprender los sistemas de instrumentacin

y control actuales.No se enfoca el estudio al diseo o seleccin de componentesen estos sistemas, ya que esto es inters de especialistas e ingenie-ros en control automtico. Asimismo, en la inmensa mayor a de los


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X

casos, de lo que se trata es de comprender el funcionamiento de siste-mas ya construidos o prepararse para enfrentar remodelaciones o in-versiones importantes en la empresa y que incluyen la esfera de laautomatizacin.

Actualmente en la industria de procesos y en muchas instalacionesde servicios se tiene ya un alto grado de lo que podemos llamarautomatizacin bsica: salas de control con sistemas de control dis-tribuido (DCS), PLCs para sis temas de seguridad o secuenciamiento,etctera. Incluso muchas industrias tienen elementos de lo que seconoce como control avanzado. Del mismo modo se extienden y afian-zan los buses de campo a la vez que los sistemas basados en ordena-dor y la normalizacin de las comunicaciones permiten disponer de

cantidades ingentes de datos de proceso y de potencia de clculo aprecios asequibles.Como se comprender, tampoco es posible en este texto abordar

los problemas complejos para los cuales el control tiene una metodo-log a y un enfoque sistmico, muchos de los cuales no son ni siquieraclsicos y pertenecen a lo que podemos llamar niveles superiores dela jerarqu a. Por todo esto, la agrupacin y el orden en el estudio de losdiferentes temas escogidos, obedecen a necesidades metodolgicas

para la Maestr a en Eficiencia Energtica que tiene como ncleo losprincipios y resultados logrados con la Tecnolog a de Gestin Total Efi-ciente de la Energ a, que fue desarrollada por el Centro de Estudios deEnerg a y Medio Ambiente de la Universidad de Cienfuegos Carlos Ra-fael Rodr guez de nuestro pa s.

Por constituir los sensores los elementos primarios en todos estossistemas, as como los actuadores los elementos de potencia para losdispositivos de accin final, se estudian en el primer tema los princi-pios de funcionamiento y los diferentes tipos existentes. En este tematambin se tratan elementos del acondicionamiento de seales nece-sario para la implementacin de un sistema completo.

Los sistemas de control, con nfasis en las acciones bsicas decontrol, se estudian en el segundo tema, en el cual se abordan loselementos bsicos para la representacin de un sistema de control endiagrama de bloques y funcin transferencia y se plantean los pasospara la sinton a de un controlador PID.

El empleo de los controladores lgicos programables (PLC) tam-

bin es un tema tratado en el texto por su importancia y proliferacin.Por ltimo, se tra ta de dar una visin ms amplia de la automatizacinal estudiar los sistemas de control digitales, sistemas SCADA (Supervisory


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XI

Control and Data Adquisition) y sus aplicaciones, as como el papel dela computadora en los sistemas de control.

Por supuesto que con estos temas, el control estar presente conms fuerza en la formacin de los titulados relacionados con el ahorro

energtico y dentro de los cuales se encuentran: ingenieros qu micos,mecnicos, electricistas, industriales, informticos, etctera, con el ob-jetivo de formar personal competente, no de especial izacin, sino conuna visin de la realidad desde la ptica de integracin de diversasramas para dar una respuesta seria al problema del ahorro y gestinenergtica de sus empresas.


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CAP TU LO 1

SENSORES Y ACTUADORES

Los grandes requerimientos, tanto cualitativos como cuantitativos,impuestos en el campo industrial y de los servicios, hacen imposibleque los actuales y complejos procesos se estructuren sobre las posi-bilidades limitadas del trabajo humano. El propio desarrollo de lahumanidad ha llevado a que sea necesario manejar un volumen deinformacin inmenso. Por ejemplo, en todos los sistemas de controles necesario medir las va riables que se van a controlar, utilizar estainformacin para diagnosticar la mejor forma de operar el proceso ola planta y disponer de medios que permitan modificar el proceso paraque se comporte de la manera deseada.

La secuencia medi r-decidir-actuar es vlida tanto para manejar unasola variable como para una planta completa, donde medir una pro-piedad en el producto terminado puede conllevar acciones sobre deter-minadas operaciones en la l nea del proceso. Ahora bien, no solo es

necesario realizar mediciones con el propsito de controlar, tambines habitual medir otras variables de manera que se tenga una infor-macin completa de lo que est sucediendo y transmitir esta informa-cin con el objetivo de representarla o almacenarla para ser utilizadaposteriormente.

En todos los casos, los instrumentos empleados para la deteccin ymedicin de magnitudes f sicas son los sensores. Estos se basan enfenmenos f sicos para obtener seales que pueden ser medidas,

t picamente vol tajes o corr ientes. Entre los fenmenos f sicos em-pleados para construir sensores se encuentran: la temperatura, laposicin angular o lineal, el sonido, la intensidad luminosa, etctera.Muchos sensores basados en propiedades elctricas de los materia les y


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dispositivos producen seales que requieren ser acondicionadas de ma-nera que puedan ser utilizadas por el resto de los instrumentos. A me-nudo se emplean en calidad de acondicionadores de seal amplificadoresque elevan las corrientes y voltajes a voltajes mayores.

El dispositivo opuesto a los sensores se conoce como actuador,que son los instrumentos de manipulacin que convierten una sealen una accin, casi siempre mecnica (motores, vlvulas, solenoides,pistones, etc.). En este cap tulo se estudian los sensores y actuadorescomo elementos bsicos dentro de los proyectos de instrumentacin ycontrol.

1.1. SENSORESSe llama sensoral instrumento que produce una seal, usualmente

elctrica, que refleja el valor de una propiedad, mediante alguna corre-lacin definida (su ganancia). En trminos estric tos, estos instrumen-tos no alteran la propiedad medida. Por ejemplo, un sensor detemperatura ser a un instrumento tal que no agrega ni cede calor a lamasa que mide, es decir, en concreto, ser a un instrumento de masacero o que no contacta la masa a la que se debe medir la temperatura

(un termmetro de radiacin infrarroja, p.e.).Existe, adems, el concepto de transductor: un instrumento que

convierte una forma de energ a en otra (o una propiedad en otra). Lasdiferencias entre sensores y transductores son muy ligeras, un sensorrealiza funciones de transductor y un transductor tiene necesariamen-te que medir alguna cantidad f sica. La diferencia fundamental radicaen la eficiencia de la conversin energtica que es ms trascendental enlos transductores propiamente dichos. Por ejemplo, un generador elc-

trico en una ca da de agua es un conocido transductor de energ acintica de un fluido en energ a elctrica; sobre esta base se podr apensar, por ejemplo, en un transductor de flujo a seal elctrica con-sistente de un pequeo generador de paletas movido por el caudal amedir. Debido a que los transductores siempre retiran algo de energ adesde la propiedad medida, al usarlo para obtener la cuantificacinde una propiedad en un proceso, se debe verificar que la prdida noimpacte al proceso medido en alguna magnitud importante.

En el terreno de la instrumentacin y control se habla de sensores,para englobar tanto transductores como sensores, dndose por sen-tado que cuando se utilizan transductores, la potencia que se absorbe-r ser m nima. Es decir, es responsabilidad del diseador asegurarque la medicin de una propiedad no altere el proceso.


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1.1.1. Especificaciones

Todos los instrumentos deben ser especificados de manera quegaranticen la operacin del proceso y que permitan la estimacin de

sus costos. Estas especificaciones se pueden aplicar tanto a sensorescomo a actuadores, sin que todas y cada una de las definiciones quesiguen a continuacin sean aplicables a todo sensor o actuador. Sinembargo, las definiciones conforman parte de los trminos empleadosen los sistemas de medicin.

Precisin. Es la mxima di ferencia entre el valor indicado y el valorreal de la magnitud. Se representa por la desviacin, expresada enporcentaje del va lor mximo. Por ejemplo, cuando un sensor mide una

fuerza de 50 N con una precisin de 1 %, entonces la fuerza puedetener un valor desde 49,5 a 50,5 N .Linealidad. Significa que la funcin que relaciona la variable de sali-

da con la de entrada es una funcin lineal. En muchos sensores esto esun aspecto deseable. Cuando la relacin es no lineal, la conversin de lasalida del sensor a una cantidad calculada se hace ms compleja.

Repetibilidad. Especifica la habilidad del instrumento para entregarla misma lectura en aplicaciones repetidas del mismo valor de la varia-

ble medida. As , por ejemplo, si a una misma pres in de 25 kg/cm

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, unmanmetro de precisin de 1 kg/cm2, entrega las lecturas de 25,5; 26;24,3 y 24 kg/cm2su operacin es repetible; una lectura de 27 kg/cm 2

indicar a un problema de repetibilidad del instrumento (a menos queconste que fuese un problema de histresis).

Histresis. Diferencia entre los valores indicados por el sistema paraun mismo valor de magnitud medida, cuando se ha alcanzado estevalor por valores crecientes o por valores decrecientes.

Resolucin.Es el menor incremento que el sensor puede detectar.Por ejemplo, si un sensor mide hasta 25 cm de desplazamiento lineal,y su salida es un nmero de 0 a 100, entonces la resolucin del mismoes 2,5 mm .

Rango. L mites naturales del sensor. Por ejemplo, un sensor paralectura de posicin angular puede rotar solamente 200 grados.

Ambiente. Los sensores tienen limitaciones con otros factores am-bientales tales como: temperatura, humedad, presin, existencia depolvo/aceite y atmsferas corrosivas. Por ejemplo, muchos sensores

deben trabajar en humedades relativas (RH) entre 10 y 80 %.Respuesta dinmica. El rango de frecuencia para la operacin re-

gular del sensor. T picamente los sensores tienen un l mite superior defrecuencia de operacin, ocasionalmente se da tambin un l mite inferior.


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Calibracin. Cuando es fabricado o instalado, muchos sensoresnecesitan ser calibrados para determinar o ajustar la relacin entre elfenmeno de entrada y la salida. Esto puede requerir equipo especial ynecesita ser realizado con frecuencia.

Costo. Generalmente mayor precisin cuesta ms. Algunos sensoresson muy econmicos, pero el costo del equipamiento para acondicio-namiento de la seal es significativo.

1.1.2. Clasificacin

La clasificacin de los sensores puede realizarse convencionalmen-te atendiendo a:

Principio de conversin. Variable medida. Tecnolog a empleada. Aplicacin.

A continuacin se dividen por su aplicacin de acuerdo con lascategor as ms comunes encontradas en los sistemas de medicin.

1.1.3. Sensores comunes para temperatura

La medicin de temperatura es muy comn en todos los procesosy en los sistemas de control. Se miden temperaturas en diversos ran-gos como, por ejemplo, de 60 a 0 C en sistemas de refrigeracin,de 0 a 100 C en sistemas de climatizacin, en la metalurgia para elprocesamiento y refinacin de metales es necesario medir temperatu-ras hasta 1 600 C y en los sistemas de plasma temperaturas muy altas

por encima de los 2 000 C. Los elementos de medida de temperaturafundamentales son:

1.1.3.1. Termopares

Estos sensores son muy utilizados en la mayor a de las aplicacionesindustriales y en otras ramas por la sencillez de su construccin y por laprecisin que permiten cuando estn debidamente calibrados, ade-ms de su bajo costo y fiabilidad. Con ellos pueden medirse tempera-

turas desde 200 C hasta cerca de 2 000 C. Los distintos fabricantes,ajustados a normas internacionales, establecen la composicin de losmetales que forman los termopares y los cables de extensin lo que


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permite intercambiabilidad, no solo de los elementos primarios, sinotambin de los instrumentos (indicadores, registradores, transmisoresy controladores de temperatura).

Cada metal tiene un nivel de potencial natural y cuando dos meta-les diferentes se unen por sus extremos y estos estn a diferentes tem-peraturas, se genera una diferencia de potencial que hace circular unacorriente elctrica por el circuito. Este principio fue descubierto por T. J.Seebeck en 1821 y en l se basa la construccin de los termopares.

La unin que se halla a temperatura ms alta se denomina unincalientey se ubica en el punto donde se quiere medir la temperatura.La otra unin se acostumbra a localizar junto al instrumento de medi-da y se denomina unin fr ao unin de referencia.

Se dispone de tablas muy completas que indican la f .e.m. en milivoltpara diversas temperaturas de la unin caliente cuando la unin fr a semantiene a determinada temperatura (normalmente 0 C). En la prc-tica, la temperatura a la cual se encuentra la unin de referencia es,generalmente, la temperatura ambiente, distinta de cero y variable conel tiempo, por lo cual es necesario realizar correcciones en forma auto-mtica o manual.

Puede realizarse una compensacin fija a 20 o 25 C, con lo que

cualquier diferencia introducir un error en la medida. Los instrumen-tos utilizados para la medicin de temperatura con termopares, por logeneral realizan en forma automtica la correccin de la temperaturade referencia. Uno de los mtodos utilizados es medir la temperatura ala cual se encuentra la unin de referencia, y por medio de un circuitoelectrnico, agregar a la f.e.m. de salida del termopar, una f.e.m. pro-porcional a la diferencia entre aquella y 0 C.

Existen varios tipos de termopares, puesto que cualquier par de

metales conformar a un tipo determinado. Sin embargo, la prctica hallevado al uso de ciertos tipos normalizados, a los que se les cita poruna letra (las ms t picas son las tipo J, K y T). Cada tipo difiere en elmaterial de los metales A y B. Al diferir los materiales de construccin,difieren los rangos de trabajo, el voltaje generado por unidad de gradoy la mxima temperatura til (antes que se funda). El termopar msconveniente se selecciona en dependencia de la gama del rango detemperatura, de los efectos corrosivos del ambiente, de la precisin

deseada, etctera. Algunas caracter sticas de los diferentes termoparespueden verse en la Tabla 1.1. La f.e.m. generada por un termopar paradistintas temperaturas se muestra en la Figura 1.1.


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Tabla 1.1. Tipo s de termopares

TemperatureANSI Range Voltage RangeType Materials (oF) (mV)

T copper/constantan 200 to 400 5,60 to 17,82

J iron/constantan 0 to 870 0 to 42,28

E chromel/constantan 200 to 900 8,82 to 68,78

K chromel/aluminum 200 to 1 250 5,97 to 50,63

R platinum-13 % rhodium/platinum 0 to 1 450 0 to 16,74

S platinum-10 % rhodium/platinum 0 to 1 450 0 to 14,97

C tungsten-5 % rhenium/ /tungsten-26 % rhenium 0 to 2 760 0 to 37,07

Figura 1.1. Relacin aproximada entre la f.e.m. y la temperatura

de diferentes termopares con la unin de referencia a 0 C.

Por su naturaleza, los termopares presentan una resistencia prcti-camente nula y su capacidad de generar potencia es muy dbil, por lotanto, se utiliza un amplificador que debe solicitar el m nimo posiblede corriente desde el termopar.

Es posible conectar dos o ms termopares, segn sean las necesi-dades de la aplicacin. Cuando la f.e.m. de salida es muy pequea, se

pueden conectar dos termopares en serie directamente como se mues-tra en la Figura 1.2, y se obtiene como resultado la suma de las f.e.m.individuales.


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Figura 1.2. Conexin de termopar es de serie directa.

Otra posibilidad es conectarlas en oposicin como se muestra en laFigura 1.3, permitiendo la medicin de la diferencia de temperaturas.En este caso el termopar que mide la mayor temperatura debe serconectado con su salida positiva al positivo del milivolt metro.

Figura 1.3. Conexin de termopares en serie en oposicin.

1.1.3.2. Termorresistencias

Cuando se necesita alcanzar una precisin mayor que la permitidapor los termopares o para medidas de pequeas desviaciones de tem-peratura (del orden de 0,02 C), se recurre al empleo de termorresis-tencias. Adems, cuando se miden temperaturas cercanas a la temperaturaambiente son imprescindibles las resistencias.

Estos sensores se basan en el hecho de que la resistencia de losmetales incrementa cuando se eleva la temperatura. Por tanto, la tem-peratura puede ser medida empleando la resistencia de un alambre. Lastermorresistencias normalmente emplean un hilo o lmina de platino,


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n quel, cobre o aleaciones de hierro y n quel. El hilo metlico es enrolladosobre un soporte aislante normalmente de cermica y se cubre exter-namente para su proteccin por una funda termomtrica de diversosmateriales (metal, cermica, vidrio, pirex, etc.).

La variacin de la resistencia de un conductor con la temperaturapuede ser representada por la siguiente expresin lineal:

R = Ro(1 + . T )

Donde: R es la resis tencia en a la tempera tura medida T C, Roesla resistencia en a la temperatura 0 C y es el coeficiente de tempe-ratura de la resistencia.

En particular, los sensores de temperatura normados para instru-

mentacin ms tradicionales se basan en la resistividad del platino, yel elemento ms t pico tiene una resistencia de 100 a 0 C (de ah sunombre: PT-100). En la Tabla 1.2 se dan las caracter sticas fundamen-tales de las sondas de resistencia.

Tabla 1.2. Caracter sticas de las sondas de resistenciaCoeficiente de Intervalo til Resistencia

Resistividad, temperatura, de temperatura, t pica de la Precision,

Metal /cm / /o

Co

C sonda a 0o

C CPlatino 9,83 0,00392 200 a 950 100 0,01

N quel 6,38 0,0063 a 0,0066 150 a 300 100 0,50

Cobre 1,56 0,00425 200 a 120 10 0,10

El elemento de medida puede ser un puente de medida de resis-tencia de corriente directa o alterna. Existen varias formas de conectarla termorresistencia al puente, en el montaje de dos hilos, que es el

ms sencillo y barato, la termorresistencia se une a uno de los brazosdel puente mediante los hilos a y b (ver Figura 1.4). En la condicin debalance del puente se cumple que:

Pero R x = x+ K (a+ b), donde xes la resistencia de la sonda, K esla resistencia por unidad de longitud de los hilos de conexin y ay bson las longitudes de los hilos de conexin.


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Por tanto, el valor de resistencia que se lee en R3no se correspondeexactamente con el valor de resistencia de la sonda y, por tanto, con latemperatura que se mide. Este montaje se emplea solo cuando la re-sistencia del cable de conexin es moderada y cuando la lectura no

requiere mucha exactitud.

Figura 1.4. Esquema de puente con conexin a dos hilos.

El sistema de tres hi los es el ms empleado en la prctica (Fi-gura 1.5) y como su nombre lo indica se emplean tres hilos deconexin, al brazo de R x, a la fuente de alimentacin y al brazo de R3.

Cuando el puente se balancea se cumple que:R1( x+ Kb) = R 2 (R3+ Ka)

Si los hilos son iguales Kb =Ka y si se hace R1 = R2, entoncesx = R 3y se corresponde la lectura del puente con la resistencia de la sonda y,por tanto, es una indicacin de la temperatura medida.

Como para medi r la resistencia se debe hacer pasar una corrien-te por termorresistencia, se debe mantener esta a un valor m nimo

para prevenir el autocalentamiento. Estos dispositivos son ms linea-les que los termopares y pueden tener precisin de 0,05 %, pero sonms costosos.


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Figura 1.5. Esquema de puente con conexin a tres hilos.

En la Tabla 1.3 se compara un termopar y una termorresistenciacomo una gu a aproximada para especificar un sis tema de medicin

de uso industrial.Tabla 1.3. Comparacin entre termopar y termorresistencia

Termopar Resistencia de platino

Precisin de 0,5 a 5 C Precisin de 0,1 a 1 C

Rango de 200 a +1 750 C Rango de 200 a +650 C

Costo relativo 1 Costo rel ativo 2,5

Respuesta de 50 ms a 5 s Respuesta de 1 a 50 s

Pueden ser muy pequeos Tamao mayor

Necesidad de referencia cero -

Resistente a l as vibraciones Afectado por l as vibraciones

No necesi ta fuente de alimentacin Necesita fuente de alimentacin

No tiene efecto de autocalentamiento La corriente debe ser limitada

Deriva a l argo plazo Excelente estabilidad

Muy robusto Pueden ser frgiles

Requiere cables especiales de extensin Usa cables de cobreSalida de 10-40 V/C La salida c ambia 0,4 /C

Necesitan apantallamiento Pueden ser sin apantallamiento


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1.1.3.3. Termistores

Este tipo de termmetro es tambin un dispositivo cuya resistenciavar a con la temperatura. Tienen una caracter stica de resistencia nega-

tiva, o sea, que su resistencia disminuye cuando aumenta la tempe-ratura. Se fabrican a menudo de xidos metlicos semiconductores ycon variedad de formas y tamaos.

Estos dispositivos tienen una caracter stica no lineal (Figura 1.6),por lo que comnmente no se emplean para obtener lecturas precisasde temperatura, sino cambios de temperatura, por ejemplo, para indi-car sobrecalentamiento. Un aspecto positivo de ellos es su alta sensibi-lidad, o sea, pequeos cambios en la temperatura provocan grandes

variaciones en su resistencia.

Figura 1.6. Curva de resistencia vs.temperatura de un termistory circuito de interfaz.

En la Figura 1.6 se muestra un circuito de interfaz simple de untermistor. Colocando el termistor en la parte superior de un divisorde voltaje, el voltaje de salida ser relativamente lineal y con pen-diente positiva (l nea discontinua). El valor del resistor R debe sercercano al valor nominal del termistor. Los termistores tienen unamplio rango de resistencia desde unos pocos ohm hasta 1 M y suseleccin depende del rango de temperatura de inters. Su precisint pica es de 1 %, pero como se mencion, son dispositivos no linea-les, tienen un rango de temperatura/resistencia limitado y puedenautocalentarse.


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1.1.3.4. Otros sensores de temperatura

Circuitos integrados sensores de temperatura (IC temperaturesensors). Estos circui tos integrados estn siendo muy empleados. Su

salida es una lectura digital y pueden ser ms precisos que 0,01 %.Pero estn limitados en cuanto al rango de temperatura y requierenconocimiento de mtodos de interfaz para datos serie o paralelos.

Los circuitos integrados vienen en varias configuraciones. Un ejem-plo comn son los de la serie LM34 y LM35 de National Semiconductor.Estos circuitos producen un voltaje de salida que es proporcional a latemperatura en F para el LM34 y en C para el LM35.

Las caracter sticas fundamentales del IC LM35 son:

Calibrado directamente en C. Factor de escala lineal +10 mV/C. Precisin garantizada 0,5 C (a +25 C). Rango nominal de 55 a +150 C. Adecuado para aplicaciones remotas. Bajo costo. Opera desde 4 hasta 30 V. Corriente drenada desde la fuente menor de 60 A .

Bajo autocalentamiento, 0,08 C con aire en calma. No linealidad solamente de C. Baja impedancia de salida, 0,1 por 1 mA de carga.

El voltaje de sal ida es directamente proporcional a la temperatura,esto es:

Vout = 10 mV/oC

Cuando solo se necesita medir temperaturas positivas, un circuito

simple como el mostrado en la Figura 1.7b) puede ser usado, en elcaso de necesitar mediciones de temperaturas en todo el rango, seconecta como en la Figura 1.7c) para lo cual se requiere voltajes dealimentacin positivos y negativos.

Pirmetros. Son dispositivos de medicin de temperatura sin con-tacto que usan el calor radiante. Normalmente son empleados en apli-caciones de altas temperaturas o en ambientes agresivos donde no esposible emplear termopares, o para l neas de produccin donde no sepuede montar otros sensores, ya que el rea se mueve o tiene dif cilacceso. Existen dos variantes de pirmetros, los que miden la tempera-tura en funcin de la radiacin luminosa que el cuerpo emite (pirmetrospticos ), y los que miden la temperatura captando toda o gran partede la radiacin emitida por el cuerpo (pirmetros de radiacin total).


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Figura 1.7. Diagrama de conexiones y configuraciones t picas del LM35.

1.1.4. Sensores de presin

La presin es definida como una fuerza por unidad de superficieque un material ejerce sobre otro. En el Sistema Internacional de Uni-

dades la presin se mide en newton por metro cuadrado (N/m2

) opascal (Pa).Los sensores de presin normalmente constan de dos partes: la

primera convierte la presin en una fuerza o desplazamiento, y la se-gunda convierte la fuerza o desplazamiento en una seal elctrica.

La medicin ms sencilla se corresponde con la presin mano-mtrica, la cual es la diferencia entre la presin medida y la presin delambiente. A nivel del mar, la presin del ambiente es igual a la atmos-

frica y se considera igual a 101,3 kPa .Un sensor ligeramente ms complicado es el que se utiliza paramedir la presin diferencial, que es la diferencia de dos presiones en laque ninguna es necesariamente igual a la atmosfrica . Un tercer sensorde presin es el que se emplea para medir la presin absoluta, la cualse mide con un sensor de presin diferencial donde un lado estreferenciado como cero (cercano al vac o total).

1.1.4.1. Tubos de Bourdon

De todos los elementos de medida de presiones este es el msusual. Est constituido por un tubo de seccin el ptica enrollado circu-larmente en espira l o en hlice. Cuando la presin interior aumenta, el


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tubo tiende a enderezarse. Este movimiento es proporcional a la pre-sin aplicada.

En la Figura 1.8 se presentan dos tipos de tubo Bourdon. Estos seconstruyen de materiales elsticos. De acuerdo con el fluido que se ha de

medir, se utiliza bronce, cobre-berilio, acero, acero inoxidable, etctera.El desplazamiento puede ser lineal o angular y acciona un sensor

de posicin como, por ejemplo, un transformador diferencial para con-vertir el desplazamiento en una seal elctrica.

Los sensores de tubo Bourdon estn disponibles en rangos desde200 hasta 700 000 kPa y su empleo t pico incluye manmetros paraagua y vapor. Estos sensores tienen una precisin t pica de 0,5 %.

Figura 1.8. Sensores de presin: a) muelle tubular o Bourdon;b) muelle tubular helicoidal.

1.1.4.2. Fuelles y membranas

Existen sensores de presin que emplean como rgano medidorun tubo metlico sin soldadura, en forma de fuelle, de paredes finas ycuyas profundas ondulaciones se obtienen por laminacin. Este fuelletiene la caracter stica de estirarse o acortarse por efecto de la presinde modo que en el punto de medida se cumple que la deformacinelstica se equilibra con la presin aplicada convirtiendo en definitivala presin en movimiento lineal (Figura 1.9a)). Este movimiento esdetectado por un sensor de posicin. La Figura 1.9b) ilustra un sensorde presin diferencial el cual se construye encerrando el fuelle en unacmara. Aqu la presin exterior al fuelle (presin 2) tiende a hacer queeste se comprima, mientras la presin interior (presin 1) tiende ahacer que se expanda. La posicin del eje es una funcin de la diferen-cia entre la presin exterior e interior del fuelle. Los manmetros de


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fuelle son ms sensibles que los de tubo Bourdon en el rango de bajaspresiones de 0 a 200 kPa .

Figura 1.9. Sensores de presin tipo fuelle: a) para presin simple;b) para presin diferencial.

De igual manera, el manmetro de membrana est formado por

una membrana en forma de disco que posee varias ondulacionesconcntricas. El material empleado en su fabricacin se selecciona deacuerdo con el uso que vaya a tener el manmetro y la presin que seva a medir. Bajo los efectos de la presin, la membrana se deformaproporcional a la presin y transmite su movimiento a un sensor deposicin (ver Figura 1.10).

Figura 1.10. Sensor de presin de membrana.


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1.1.4.3. Sensores de presin a semiconductores

Algunos sensores de presin utilizan las propiedades piezorre-sistivas del silicio. Los elementos piezorresistivos convierten presio-

nes directamente en resis tencia, y la resistencia puede ser conver tidaen voltaje. Estos sensores tienen la ventaja de no tener partes mvi-les y estn disponibles en rangos de presiones desde 0 a 10 kPa ydesde 0 a 34 000 kPa .

1.1.5. Sensores de caudal

Los sensores de caudal miden la cantidad de mater ial que pasa por

un punto en cierto tiempo. Se considerar solo flujos de l quidos ogases fluyendo en una tuber a o en un canal abierto. Los sensores decaudal pueden ser de varios tipos, los que se basan en presin diferen-cial, aquellos que accionan un dispositivo mecnico y otro grupo desensores que emplean tecnolog a ms sofisticada.

1.1.5.1. Sensores basados en presin diferencial

Este grupo de sensores se basa en el hecho de que la presin de

un fluido en movimiento es proporcional al caudal. Si se detecta lapresin con un sensor de presin como los mencionados anterior-mente, el caudal puede ser calculado. El sensor de caudal ms sencilloes la placa de orificio (Figura 1.11), el cual es una si mple restriccin enla tuber a que provoca una ca da de presin. Este sensor requiere dostomas de presin, una aguas arriba y otra aguas abajo de la restriccin.Aunque el clculo del caudal es una ecuacin compleja, tiene lasiguiente expresin general:

Otro mtodo para crear la presin diferencial es el tubo de Venturi,como se ilustra en la Figura 1.12. Un Venturi es una reduccin gra-dual en la tuber a que provoca que la velocidad del fluido aumenteen el rea restringida. Esta rea de baja velocidad tiene una baja pre-sin. Al igual que en la placa de orificio, el caudal es proporcional a la

diferencia de presin entre P2y P1. El tubo de Venturi permite mayorprecisin que la placa de orificio y puede ser utilizado para l quidoscon slidos en suspensin. En cuanto a costo es ms costoso que laplaca de orifico.


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Figura 1.11. Sensor de caudal por presin diferencial con placa de orificio.

Una desventaja de este tipo de sensores es que ambos causan ca -das de presin en la tuber a, que pueden ser indeseables.

Figura 1.12. Tubo de Venturi para la medicin de caudal.

1.1.5.2. Turbinas

Consiste de un juego de paletas o aspas acopladas a un eje lascuales giran cuando el fluido pasa a travs de ellas. La velocidad a lacual giran estas aspas es proporcional a la velocidad del fluido y, portanto, si tenemos el rea del conducto podemos determinar el caudal.

En este instrumento se genera una seal elctrica, de baja amplitud,con frecuencia proporcional a la velocidad del fluido que se mide. Lamedida de la velocidad del rotor se realiza sin ninguna conexin mec-nica externa. En una bobina con ncleo de imn permanente (bobina


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de pick-up) montada en el forro interno del medidor, se inducen pul-sos al paso de cada una de las paletas de la turbina, estos impulsosson amplificados y transformados en impulsos rectangulares en un am-plificador montado en el propio medidor. Un contador electrnico de

pulsos, que puede ser remoto, permite indicaciones digitales del cau-dal (ver Figura 1.13).

Figura 1.13. Medidor de caudal del tipo turbina.

Este tipo de instrumento puede tener acoplado los siguientesaccesorios:

Indicador local de flujo: display numrico donde se visualiza elvalor de flujo le do por el instrumento. Puede ser de diseomecnico o electrnico.

Totalizador: display numrico donde se visualiza el valor de volu-men contabilizado por el metro en un per odo dado. Este indica-dor puede ser reseteable o histrico, dependiendo del modeloespec fico. Puede ser de diseo mecnico o electrnico.

Transmisor de impulsos: este accesorio podr a ser un amplifi-cador que eleva el nivel de l a seal entregada por el pick-up,para ser transmitida a una distancia considerable o podr a,incluso, convertir esta seal sinusoidal en pulsos TTL para

su procesamiento por dispositivos compatibles. Otros tiposde seal pueden ser logrados con el uso de un transmisor deimpulsos. Entre ellos la conversin de la seal a la normali-zada de 4 a 20 mA . Es tos transmisores suelen requerir alimen-


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tacin externa, aunque existen variantes auto-powered(con ali-mentacin incluida).

1.1.5.3. Medidores electromagnticos de caudal

Este tipo de medidor de caudal no presenta obstruccin al paso dell quido. Por esta razn son los instrumentos ideales para medir caudalen l quidos viscosos o con slidos en suspensin. La nica condicines que el l quido tenga una conductividad elctrica por encima de cier-to m nimo. El principio de estos medidores se basa en la ley de induc-cin electromagntica de Faraday:

U x = B . v . d

Donde: U x es el voltaje que aparece perpendicular al campo mag-ntico y al sentido de flujo del l quido, este voltaje se toma con doselectrodos puntuales fijos al tubo de medida; B es la induccin magn-tica causada por el fluido que circula perpendicular a su sentido deflujo; ves la velocidad del l quido y des el dimetro interior del tubode medida (ver Figura 1.14).

Figura 1.14. Principio de funcionamiento de un medidor

de caudal electromagntico.

El conductor en movimiento es el propio l quido, que circula den-tro de un tubo de medida aislado interiormente y no magntico. El


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l quido atraviesa un campo magntico creado por dos bobinas coloca-das fuera del tubo de medida e induce un voltaje, proporcional a lavelocidad del fluido y que es detectado por dos electrodos colocadosen las caras de la tuber a (Figura 1.15).

Caracter sticas particulares de estos instrumentos: Paso recto por el tubo de medida sin reduccin de seccin. Ausencia de efectos por temperatura, viscosidad y densidad. A partir de un valor m nimo, la conductividad del fluido no tiene

ningn efecto sobre la medida. Pueden utiliza rse en secciones de tuber a hasta 2 000 mm . Diferentes revestimientos para el interior del tubo disponibles

para varias aplicaciones. Supervisin electrnica de los electrodos. Conector inteligente integrado para memorizar los valores de

calibracin y el dato del tubo de medida de caudal.

Figura 1.15. Vista exterior de un medidor de caudal electromagnticoSITRANS F M.

1.1.5.4. Medidor ultrasnico de caudal

Los medidores ultrasnicos miden el caudal por diferencia de velo-cidades del sonido al propagarse este en sentido del flujo del fluido yen el sentido contrario. La velocidad de propagacin de estas ondas


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depende de la velocidad codel sonido en ese fluido y de la velocidad delfluido VM. Este efecto se utiliza en el modelo comercial SITRANS F US.

VAB = co+ VM

VBA = co VMEste emplea dos transductores de ultrasonido que emiten alterna-

tivamente seales ultrasnicas. Se miden los tiempos de propagacintAB en sentido del flujo y tBA en sentido contrario al flujo, respectiva-mente, para los transductores A y B (ver Figura 1.16).

tAB = L/(co+ VM)

tBA = L/(co VM)

Figura 1.16. Principio de funcionamiento del medidor de caudal ultrasnico.

Para una corriente dada, el tiempo de propagacin del sonido en elsentido del flujo es menor que en el sentido inverso, la diferencia depropagacin as determinada es proporcional a la velocidad VM.

VM

= L . (tBA

tAB

)/2 . tAB

. tBA

El resultado es independiente de la velocidad del sonido en el flui-do y, por tanto, independiente de la naturaleza del fluido medido (verFigura 1.17).


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Figura 1.17. Vista del medidor de caudal ultrasnico SITRANS F US.

Otros tipos de medidores ultrasnicos de caudal se basan en elefecto Doppler. En este caso proyectan ondas snicas a lo largo delflujo de fluido y se mide el corrimiento de frecuencia que experimentala seal de retorno al reflejarse el sonido en part culas contenidas en elfluido. Este mtodo est limitado por la necesidad de presencia depart culas, pero permite medir caudales de fluidos dif ciles como mez-clas de gas-l quido, fangos, etctera.

En estos instrumentos, el transmisor y el receptor tienen un impac-to m nimo sobre el flujo de fluido y, por lo tanto, no provocan ca dasde pres in. Poseen una alta precisin y un rango de caudal muyamplio.

1.1.6. Sensores de nivel

Los sensores de nivel de l quido, que miden la altura de un l quido

en un recipiente, se pueden clasificar en dos categor as: discretos ycontinuos. Los sensores de nivel discretos solo pueden detectar si ell quido est a un determinado nivel, mientras que los continuos danuna seal analgica que es proporcional al nivel.


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1.1.6.1. Sensores de nivel discretos

Estos sensores determinan cuando un l quido alcanza cierto nivel.El tipo ms sencillo utiliza un flotante y un interruptor l mite. Una va-

riante de este tipo de sensor es aquel en el cual el flotante est unidoa una varilla vertical. Cuando el l quido alcanza cierto nivel, se accionael interruptor l mite. El nivel de activacin puede ser ajustado median-te la posicin del interruptor.

Otra variante se basa en el empleo de fotoceldas ubicadas en lasparedes del tanque. Cuando la trayectoria de la luz queda sumergidaen el l quido, la seal del fotodetector cambia, por tanto, indica la pre-sencia de l quido. Tambin, en l quidos ligeramente conductores, es

posible aplicar otros medios de deteccin empleando electrodos parasealizar el nivel mediante la conduccin de una corriente elctricaentre el electrodo y el cuerpo del tanque cuando el l quido baa elelectrodo y cierra el circuito.

1.1.6.2. Sensores de nivel continuos

En los detectores de nivel continuos la seal es proporcional a laaltura del l quido. Esto se logra de diferentes maneras:

1. Con un flotante que acta sobre un sensor de posicin el cualda una seal elctrica proporcional a la altura del l quido.

2. Monitoreando el peso del l quido mediante celdas de carga. Eneste caso el nivel se calcula conociendo el dimetro del tanque,su peso cuando est vac o y la densidad del l quido.

3. Algunos dispositivos estn diseados para detectar el nivel dell quido directamente y estn formados por dos electrodos verti-cales montados dentro del tanque. La salida del dispositivo es

o bien un valor de resistencia o capacidad proporcional al nively debe ser amplificada o procesada de otra manera.

4. Otros mtodos para medir el nivel directamente utilizan detec-tores de rango ultrasnicos montados sobre el tanque y estndisponibles en el mercado como unidades completas.

5. Uno de los mtodos ms comunes en la industria es el em-pleo de mtodos hidrostticos midiendo la presin en el fon-do del tanque, la cual es proporcional a la presin ejercida por

la columna de l quido. Esto puede implementar se con sensoresde presin diferencial como los descritos anteriormente (verFigura 1.18).


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Figura 1.18. Medidor de nivel mediante captador de presindiferencial en tanque cerrado.

1.1.7. Desplazamiento angular

La medida del desplazamiento tiene a menudo una importanciafundamental. En el caso de los sensores de desplazamiento angular,como su nombre lo indica, reportan la posicin angular de un objetocon respecto a una referencia.

1.1.7.1. Potencimetros

Los potencimetros miden la posicin de un eje utilizando un resistor

variable. El potencimetro no es ms que un resistor construido nor-malmente con una delgada lmina de material resistivo. Una escobillase mueve a lo largo de la superficie de la lmina resistiva. Como laescobilla se mueve hacia el final, provocar un cambio en la resisten-cia proporcional a la distancia que se ha movido. Si se aplica un voltajea travs del resistor, el voltaje en la escobilla interpola los voltajes delos extremos del resistor. Si el potencimetro se usa como un divisorresistivo, el voltaje de la escobilla es proporcional al ngulo de rotacin

(ver Figura 1.19).


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Figura 1.19. Potencimetro.

Los potencimetros no son costosos ni requieren acondicionado-res de seal especiales, pero su precisin es limitada, normalmente enel rango de 1 % y, adems, estn sujetos a desgaste mecnico. Ellosmiden posicin absoluta y su rango de rotacin est normalmente li-mitado a menos de 360 grados.

1.1.7.2. Encoders

Un encoder produce un dato de posicin angular directamente enforma digital, eliminando la necesidad de utilizar convertidores A/D. Elconcepto se ilustra en la Figura 1.20 donde se muestra un disco rotato-rio con ventanas pticas. La luz de los emisores pasa a travs de lasaperturas del disco hasta los detectores. Debido a que el eje del encoderrota, el haz de luz se interrumpe produciendo pulsos.

Existen dos tipos fundamentales de encoders: absolutos eincrementales.

Encoders absolutos. Un encoder absoluto genera una nica palabrapara cada posicin del eje. Por lo general el disco posee cuatro o seiscanales, codificados comnmente en cdigo binario. Para aumentar la

precisin de un encoder absoluto, es necesario adicionar ms canalesal disco y ms emisores y detectores de luz. Los encoders absolutosson mayormente utilizados en aplicaciones donde los dispositivos


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permanecen inactivos por largos per odos, existe riesgo de desenergizarseo la posicin de arranque es desconocida (ver Figura 1.21).

Figura 1.20. Disco encoder del tipo relativo o en cuadratura.

Figura 1.21. Disco encoder absoluto y seal de salida usando cdigobinario (las zonas oscuras equivalen a 1).

Encoders incrementales. En el caso del encoder incremental (o re-lativo), se producen dos pulsos que pueden ser empleados para deter-minar desplazamiento. Para incrementar su precisin solo es necesario


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aumentar ventanas a los dos canales existentes. Se utilizan software ocircuitos lgicos para determinar la direccin de rotacin y contadoresde pulsos para determinar el desplazamiento. La velocidad puede serdeterminada midiendo el tiempo entre pulsos. Aunque este no da una

posicin absoluta de salida, provee mayor resolucin a menor costo.

Figura 1.22. Seal de salida de un encoder incremental.

1.1.8. Sensores de velocidad angular

Estos son dispositivos que dan una seal proporcional a la veloci-dad angular. Este tipo de sensores encuentra gran aplicacin en lossistemas de control de velocidad de motores y otras aplicaciones.

1.1.8.1. Velocidad angular a partir de encoders

Una seal de salida de un encoder incremental puede utilizarsepara medir velocidad angular, pues la frecuencia de los pulsos genera-

dos es proporcional a la velocidad de desplazamiento. Mientras mslenta es la velocidad, ms demora cada ranura en pasar. Existen confi-guraciones de circuitos usados para medir velocidad contando los pul-sos de reloj durante un per odo de la seal del encoder. El conteo finalser proporcional al tiempo que demora la ranura en pasar y, por lotanto, a la velocidad.

1.1.8.2. Tacmetros

Existen varias tcnicas para medir velocidad de rotacin en un ejeen revoluciones por minuto (r.p.m.). Una tcnica comn consiste enun dispositivo sencillo (Figura 1. 23) y consta de un fotosensor que secoloca de manera que reciba un pulso de luz cada vez que un tape


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reflectante colocado en el eje pase, la frecuencia de las pulsacionesson proporcionales a las r.p.m. y pueden ser medidas utilizando uncontador de manera similar a como se emplea con un encoder.

Figura 1.23. Principio de funcionamiento de un tacmetro ptico.

Otra tcnica comn es emplear una bobina estacionaria enrolladasobre un ncleo con un imn permanente (bobina de pick-up) coloca-da cerca de algn sector dentado rotatorio (puede ser un pin de unreductor). Cada vez que un diente pasa cerca del imn, se induceun pequeo voltaje en la bobina de alambre. Estos pulsos son tratadospor un circuito detector para dar una seal de velocidad. Este tipo desensor se conoce como reluctancia variable. Otro tipo de tacmetroconsiste simplemente en un pequeo generador dc acoplado al ejerotatorio cuya velocidad se quiere conocer. En este caso, la salida es unvoltaje inducido proporcional a la velocidad.

1.1.9. Posicin lineal

La necesidad de conocer la posicin de elementos que se despla-cen linealmente se satisface a partir del empleo de los sensores deposicin, algunos de los cuales se describen a continuacin.

1.1.9.1. Potencimetro lineal

Los potencimetros tambin existen en variantes constructivas condeslizadores lineales. Estos son capaces de medir desplazamientos li-neales de gran longitud utilizando como salida la seal de voltaje alemplear el potencimetro como un divisor de voltaje (ver Figura 1.24).


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Figura 1.24. Potencimetro lineal.

1.1.9.2. Transformador diferencial variable lineal (LVDT)

Este sensor de posicin es de alta resolucin y da a su salida unaseal de voltaje AC con una magnitud proporcional a la posicin li-

neal . Tiene un rango rela tivamente pequeo de 50 mm aproximada-mente, pero tiene la ventaja de no poseer contactos deslizantes. En laFigura 1.25 se observa que este consta de tres devanados y un ncleoferromagntico mvil. El devanado central, o primario, est conectadoa un voltaje de referencia AC. Los otros dos devanados, llamados secun-darios, se encuentran conectados en serie con polaridades contrarias.Cuando el ncleo se halla exactamente en su posicin central, losvolta jes inducidos en los secundarios son iguales y opuestos dando

una salida neta de cero volt. Si el ncleo se desplaza hacia abajo, elacoplamiento es mayor con el secundario 1 y su voltaje es mayor queen el secundario 2. La suma algebraica de los voltajes de dos secunda-rios dar un voltaje resultante que estar en fase con el secundario 1y con una magnitud proporc ional a la distancia recorr ida por el n-cleo desde su centro. Si, por el contra rio, el desplazamiento hubierasido hacia arriba, entonces el voltaje neto estar a en fase con eldevanado secundario 2 y la magnitud ser a proporcional a la distanciarecorrida en esa direccin. Resumiendo, la salida de un LVTD es unvoltaje AC con magnitud y fase. La magnitud representa la distanciaque se desplaza el ncleo desde el centro y la fase representa la direc-cin del desplazamiento.


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Figura 1.25. Esquema de funcionamiento de un LVTD.

En la Figura 1.26 se muestra un acondicionador de seal sencillapara utilizarlo con un LVTD. Los diodos rectifican la seal AC en unaseal DC de media onda. Los capacitores y resistencias de la salidaactan como filtros pasabajo y el capacitor C3 tiene un valor alto paraeliminar el rizado de la seal de salida.

Figura 1.26. Circuito de salida de un LVDT.

Los LVTD se emplean ampliamente para medir dimensiones de pie-zas para control de calidad y en instrumentos de medicin de presin


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accionados por tubos Bourdon y fuelles o diafragmas. Tienen comodesventaja que son ms costosos que los potencimetros.

1.1.10. Sensores de cargaEstos sensores se emplean en la medicin de fuerzas mecnicas en

aplicaciones tales como determinar pesos o ajustar magnitudes de fuer-zas actuantes. Se recurre a elementos capaces de transformar lasfuerzas en magnitudes ms fciles de medir y transmitir a distancia. Enmuchos casos el sensor lo que mide es la variacin de algn parmetrorelacionado con la ligera deformacin causada por la fuerza mecnicay no esta directamente.

1.1.10.1. Galgas de esfuerzo (strain gauge)

Este elemento se basa en que la resistencia elctrica de un hiloconductor var a con la deformacin mecnica (al alargarse o contraer-se). Se construye de alambre fino de 0,01 a 0,05 mm de dimetro elcual se coloca usualmente en zigzag sobre un papel especial (Figu-ra 1.27). Para medir la fuerza mecnica se coloca este elemento sobre la

estructura objeto y se pega al mismo sobre una super ficie previamentepulida y limpia con adhesivos especiales a base de acetato. La galgadebe ser orientada para que el alambre est alineado en el sentido dela deformacin esperada.

Figura 1.27. Galga de esfuerzo.

El principio de operacin es el siguiente: si un objeto est bajo unatensin mecnica, la galga se deforma y el alambre se estirar. El alam-bre no solo se hace ligeramente ms largo, sino tambin ms fino y,por lo tanto, aumenta su resistencia total.


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Donde: R es la resistencia de una longitud de alambre a 20 C, es

la resistividad del material, L la longitud y A la seccin transversal delalambre.Los cambios en la resistencia se emplean para calcular la elongacin

de la galga y, por lo tanto, del objeto al cual est cementada. Si seconoce el mdulo de elasticidad del material, entonces aplicando laley de Hooke puede calcularse la fuerza que ha sido aplicada.

Los cambios en la resistencia de un strain gauge son muy peque-os, por lo que se requiere un circuito puente para su medicin (Figu-ra 1.28). Con este circuito, un pequeo cambio en una resistencia puedeprovocar un gran cambio relativo en el voltaje a travs del puente.Inicialmente el puente se balancea y V1 = V2. Entonces, cuando la resis-tencia de la celda cambia, la diferencia de voltajes (V1 V2) cambia. Elpuente puede estar compensado para evitar errores por variaciones detemperatura conectando una galga compensadora en una de las ra-mas del puente. Como se muestra en la figura, la g alga compensadoraes colocada cerca de la galga activa, de manera que reciba la mismatemperatura, pero orientada perpendicularmente de modo que la fuerza

no provoque su elongacin.

Figura 1.28. Colocacin de las galgas y circuito para interfaz usandoun puente.


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1.1.10.2. Sensores de carga a semiconductores

Otra variante de sensores de fuerza son los que utilizan el efectopiezorresistivo del silicio. Este tipo de sensores cambia su resistencia

cuando se le aplica una fuerza y son 25 a 100 veces ms sensibles quelas de tipo strain gauge. Una celda de carga semiconductora esuna lmina de silicio que se adhiere a una estructura. Cuando la es-tructura se estira, el silicio se alarga tambin y la resistencia entre susextremos aumenta. La dificultad que presenta este tipo de sensores esque el cambio en su resistencia es no lineal.

En la Figura 1.29 se muestran breves especificaciones tcnicas dedos celdas de carga comerciales para aplicaciones industriales como

gras y otros usos, de l a firma Noruega ScanSense, con diseos basa-dos en la instrumentacin electrnica digital moderna, con comuni-cacin serie (RS-232 o RS- 485) y opcin de comunicacin telemtricaa 433,92 MHz .

Figura 1.29. Caracter sticas tcnicas de celdas de carga comerciales.

1.1.11. Sensores de proximidad

Un sensor de proximidad simplemente le dice al controlador si una

parte mvil est en cierto lugar. Entre las variantes de sensores deproximidad disponibles podemos encontrar los que se basan en prin-cipios pticos y los que se basan en principios magnticos.


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1.1.11.1. Sensores pticos

Los sensores de proximidad pticos emplean una fuente de luz yun fotosensor dispuestos de tal manera que el objeto que va a ser

detectado corte la trayectoria del haz luminoso. Comnmente lossensores pticos utilizan un reflector de modo que el detector y lafuente de luz puedan estar dispuestos en el mismo encapsulado. Tam-bin la fuente de luz puede ser modulada para darle al haz caracter s-ticas nicas y que el detector distinga entre el haz y otro tipo de luz quepueda incidir sobre l desde el ambiente.

Generalmente se emplean cuatro tipos de fotodetectores: fotorre-sistencias, fotodiodos, fototransistores y celdas fotovoltaicas.

Fotorresistencia. Tambin recibe el nombre de resistencia depen-diente de la luz (LDR). Es un dispositivo que modifica su resistenciaelctrica al ser expuesto a la energ a luminosa. Su resistencia disminu-ye sensiblemente al ser expuesto a la luz , mientras que cuando per-manece en la oscuridad total presenta una resistencia muy elevada.As , por ejemplo, cuando el nivel de iluminacin es de 1 000 lux, laresistencia puede ser de 130 ohm, pero cuando el nivel de ilumina-cin disminuye hasta 50 lux, su resistencia puede ser de 2,4 k .Estn compuestos, a menudo, por una base de sulfuro de cadmiodebidamente encapsulado y con una cubierta de resina transparentey aislante, de tal forma que cuando los fotones inciden sobre la super-ficie de dicho material, imprimen a los electrones suficiente energ acomo para elevar su conductividad. Su construccin bsica constade un cuerpo de forma circular y de dos hilos metlicos que sirvende elementos de unin al circuito. Las fotorresistencias se utilizancomo detectores de luminosidad, por ejemplo, en el sistema de a lum-brado pblico. En funcin de la cantidad de luz que incide sobre es-

tos sensores se puede activar o no un rel, con lo cual se regula elencendido (ver Figura 1.30).

Fotodiodo. Es un diodo semiconductor pndiseado de manera quela luz que incide sobre l genera una corriente elctrica en el circuitoexterno. Normalmente es un diodo encapsulado de tal forma que launin pn queda expuesta a travs de una ventana a la incidencia dela radiacin luminosa, la cual incrementa los portadores de carga y lacorriente de fuga cuando aumenta la energ a luminosa que incide so-

bre l. Se conecta polarizado inversamente de manera que la corrientede fuga tiene que ser amplificada por un amplificador operacional. Elfotodiodo es un detector optoelectrnico, o fotodetector, que permiteconmutar y regular la corriente elctrica en un circuito externo en res-


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puesta a una intensidad luminosa variable. Se utilizan, por ejemplo,para leer la informacin de los discos compactos con la ayuda de unrayo lser (ver Figura 1.31).

Figura 1.30. Configuracin del circuito y comportamientode salida de un sensor LDR.

Figura 1.31. Fotodiodo.


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Fototransistor. Es un dispositivo fotoemisor ms sensible que elfotodiodo y, por tanto, posee una mayor corriente de salida parauna misma radiacin luminosa incidente. Generalmente no tienenla patilla de base, ya que los fotones que inciden sobre su base, sonlos que crean la corriente de base generando pares electrn-huecoen la unin colector-base. Puede emplearse como un interruptorgobernado por luz s i la iluminacin toma solo dos valores, uno corres-pondiente a la oscuridad y otro con iluminacin suficiente como parasaturar el transistor (ver Figura 1.32).

Figura 1.32. Esquema de un fototransistor.

Celda fotovoltaica. Puede emplearse como un sensor debido aque genera un voltaje cuando sobre ella incide la luz. El pequeovolta je de sa lida tiene que ser amplificado para utilizar se (ver Figu-ra 1.33).


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Figura 1.33. Celda fotovoltaica.

1.1.12. Sensores inteligentes

Un sensor inteligente es el que combina la funcin de detecciny alguna de las funciones de procesamiento de seal y comunica-cin. Estas funciones suelen realizarse por un microprocesador, por

ello a cualquier combinacin de sensor con microprocesador se ledenomina sensor inteligente.

Un sensor inteligente posee una amplia gama de funciones ade-ms de las de transduccin, entre ellas podemos sealar (ver Figu-ra 1.34):

Acondicionamiento de seal. Correcciones de cero, ganancia y l inealidad.

Compensacin ambiental (temperatura humedad). Escalado. Conversin de unidades. Comunicacin digital. Autodiagnstico. Deteccin y accin sobre el sistema al que se conecta.


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Figura 1.34. Funciones de sensores inteligentes.

1.1.13. Criterios de seleccin de un sensor

Para la seleccin adecuada de un sensor debe considerarse:

La magnitud que se mide: es importante tener en cuenta el tipoy rango de la magnitud que se va a medir.

El principio bsico de transduccin ms adecuado para lamedida: hay que garantizar que exista compatibil idad entrelas caracter sticas de entrada-salida del sensor y del restodel s istema.

La exactitud requerida: hay que considerar caracter sticas de com-

portamiento que afectan la exactitud que se desea tales como:no linealidad, histresis, comportamiento en frecuencia, efectosde la temperatura, aceleraciones, golpes y vibraciones.

Otras consideraciones que se deben tener en cuenta puedenestar relacionadas con la disponibilidad, factores de costo, con-diciones ambientales a las que se someter, etctera.

1.2. ACONDICIONAMIENTO DE SEALES

La seal obtenida de un sensor raramente est en condiciones deser monitoreada o registrada y necesita ser incrementada en magnitud


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o modificada de alguna manera antes de ser mostrada. Este procesode preparacin de la seal se efecta por los acondicionadores deseal, cuya misin es adecuar la salida del elemento sensor para quepueda ser interpretada y procesada como seal electrnica por el restode los instrumentos.

El acondicionamiento de seales convierte su dispositivo de adqui-sicin de datos en un sistema completo y le ayuda a conectarse direc-tamente a un amplio rango de tipos de sensores y seales, desdetermopares hasta seales de alto voltaje. Las tecnolog as clave paraacondicionamiento de seales mejoran de forma general, multipli-can por 10 el rendimiento y la precisin del sistema de adquisicinde datos.

Amplificacin

Los amplificadores aumentan el nivel de la seal de entrada paraigualar el rango del convertidor analgico a digita l (ADC), y de estamanera elevar la resolucin y sensibilidad de las medidas. Adems,el usar acondicionamiento de seales externo ubicado cerca de lafuente de seal o transductor, mejora el ratio de seal-a-ruido, ele-

vando el nivel de seal antes de que se vea afectada por el ruidoambiental.

Atenuacin

La atenuacin, el opuesto de amplificacin, es necesaria cuandolos voltajes que sern digitalizados estn fuera del rango de entradadel digitalizador. Esta forma de acondicionamiento de seales dismi-nuye la amplitud de la seal de entrada de tal manera que la seal

condicionada est dentro del rango ADC. Adems, es necesaria paramedir altos voltajes.

Aislamiento

Los dispositivos de acondicionamiento de seales aislados pasanla seal de su fuente al dispositivo de medida sin una conexin f sicausando tcnicas de transformador, pticas o de acoplamiento capacitivo.Adems de romper los lazos de tierra, el aislamiento bloquea picos de

alto voltaje y rechaza alto voltaje en modo comn y as protege a losoperadores y al valioso equipo de medida.


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Multiplexado

Con el multiplexado, un sistema de medida puede enrutar en se-cuencia mltiples seales a un solo digitalizador , as como brindar

una manera rentable de incrementar la cuenta de canales del siste-ma. Normalmente se necesita multiplexado para todas las aplica-ciones de muchos canales.

Filtrado

El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de un cierto rangode frecuencia. Casi todas las aplicaciones de adquisicin de datosestn sujetas a ciertos niveles de ruido de 50 o 60 Hz producidos

por l neas de potencia o maquinaria. La mayor a de los acondicio-nadores de seales incluyen filtros pasabajo espec ficamente dise-ados para brindar mximo rechazo de ruido de 50 a 60 Hz .

Excitacin

Algunos transductores requieren de excitacin. Por ejemplo, ga l-gas extensiomtricas, termistores y RTDs requieren seales externasde excitacin de voltaje o corriente. Las medidas de RTDs y

termistores generalmente se toman con una fuente de corriente queconvierte la variacin en resistencia a un voltaje que puede sermedido. Las ga lgas extensiomtricas, que son dispositivos de muybaja resistencia, con frecuencia son usadas en la configuracin depuente Wheatstone con una fuente de excitacin de voltaje.

Compensacin de unin fr a

La compensacin de unin fr a es una tecnolog a que se requie-

re para medidas exactas de termopares . Cada vez que un termopares conectado a un sistema de adquis icin de datos, usted debe sa-ber la temperatura que hay en el punto de conexin (ya que estaunin representa otro termopar al medir y comnmente inyectaun desfase a su medida) para calcular la temperatura real que sutermopar est midiendo (ver Figura 1.35).


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Figura 1.35. Tecnolog as de acondicionamiento de seales.

1.3. ACTUADORES

Como se mencion al inicio, los actuadores son los que proveen lapotencia mecnica en un sistema de control. Normalmente conviertenenerg a elctrica en movimiento mecnico.

1.3.1. Clasificacin

Los actuadores pueden ser discretos o continuos en dependenciade que la accin requerida sea la de obtener una posicin determinadao permitir ajustar la misma en un amplio rango de va lores. Los segun-dos tienden a ser dispositivos complejos mecnicamente y son mscostosos, por lo que es preferible utilizar actuadores discretos parareducir costo y complejidad.

Segn el tipo de movimiento mecnico que provocan, se clasificanen actuadores lineales y actuadores rotatorios.Desde el punto de vista de la energ a que convierten en movi-

miento mecnico, se pueden clasificar en elctricos, hidrulicos y neu-mticos. Cada una de estas variantes tiene sus ventajas y desventajasque deben ser observadas cuando se disea un sistema de control.

Aunque existen varios tipos de actuadores disponibles, los ms co-munes son los solenoides, los cilindros (neumticos o hidrulicos) ylos motores elctricos.


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1.3.2. Solenoides

Los solenoides son los actuadores ms comunes y son sencillosdispositivos electromagnticos cuyo principio de operacin se basa en

el movimiento de un ncleo ferromagntico dentro de un enrollado,como se muestra en la Figura 1.36. Normalmente el ncleo es mante-nido fuera de la bobina por un muelle. Cuando la bobina es energizada,se crea un campo magntico y el ncleo es atra do hacia su centro. Deesta manera se obtiene un movimiento lineal. Las electrovlvulas sonuna aplicacin bien conocida de este tipo de actuador.

Figura 1.36. Solenoide.

Los solenoides pueden ser de corriente alterna o directa con dife-rentes voltajes nominales. Tambin se construyen de rgimen conti-nuo cuando se disean capaces de trabajar todo el tiempo sin que elcalentamiento los dae, o de rgimen intermitente cuando son paratrabajar durante un corto per odo y el tiempo que permanecendesenergizados es suficiente para que se enfr en. La mayor a de lossolenoides se construyen para ser alimentados con 24 V dc y consu-

men unos pocos cientos de miliamperes.


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1.3.3. Cilindros hidrulicos y neumticos

Los cilindros util izan fluidos presurizados o aire para crear una fuer-za lineal o movimiento (ver Figura 1.37). El fluido es bombeado a pre-

sin a un lado del cilindro y este se expande y adelanta al pistn. Debepermitirse que el fluido contenido en el otro lado del cilindro escapelibremente, de lo contrario se comprimir a evitando el avance del pis-tn. La fuerza que el cilindro ejerce es proporcional al rea de su sec-cin transversal. Los cilindros pueden ser de simple accin con retornodel pistn mediante la accin de un muelle o de doble accin como elmostrado en la Figura 1.37.

Figura 1.37.Cilindros de doble accin.

Aunque solo se ha mencionado cmo funcionan bsicamente losactuadores hidrulicos o neumticos, estos en realidad son parte desistemas completos destinados a suministrar fuerza o movimiento alos elementos de control final.


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1.3.4. Motores elctricos

Los motores son actuadores muy comunes. En su versin ms di-fundida, se componen de una parte central rotatoria llamada rotor y de

otra parte estacionaria llamada estator. Existe una gran variedad deconfiguracin de motores elctricos adecuados para diferentes aplica-ciones. Dentro de los motores utilizados como actuadores podemosmencionar las categor as siguientes:

Motores de corriente alterna(giran con velocidad relativamenteconstante proporcional a la frecuencia de la fuente de suminis-tro), dentro de estos tenemos: Motores de induccin, pueden ser del tipo jaula de ardilla

o rotor bobinado. Son convertidores electromecnicos robus-tos, baratos y eficientes. Su velocidad de rotacin es depen-diente de la carga y se construyen monofsicos o trifsicos.

Motores sincrnicos, giran a velocidad fija igual a la velocidadde rotacin del campo magntico giratorio llamada velocidadsincrnica. Son muy eficientes.

Motores de corr iente directa, poseen amplios rangos de veloci-dad y par. Por sus caracter sticas constructivas pueden ser:

Motores de imn permanente. Motores con el rotor y el estator bobinados (motores serie,

shunty compound). Motores de paso.

1.3.4.1. Motores de corriente alterna

En estos motores, la corriente AC que circula por los devanadosdispuestos en el estator crea un campo magntico giratorio. El nmero depolos es un mltiplo entero del nmero de fases y a medida que au-mentan los polos, la velocidad del motor disminuye. El campo magn-tico giratorio del estator corta los conductores dispuestos en el rotor einduce en estos una corriente. La corriente inducida en el devanadodel rotor interacta con el campo magntico para crear un par quehace que este gire. Un esquema simplificado de este tipo de mquinasse muestra en la Figura 1.40 junto a su caracter stica de par vs. veloci-dad. En dependencia del tipo de rotor, estos motores pueden ser dejaula de ardilla (conductores de aluminio fundidos en el rotor ycortocircuitados por anillos en sus extremos formando una estructurasimilar a una jaula) o de rotor bobinado (devanado del rotor formado


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por bobinas de alambre de cobre dispuestas en ranuras de manerasimilar a como se dispone el devanado del estator).

Figura 1.40. Diagrama de un motor AC trifsico de seis polosy su caracter stica de operacin.

Los motores de induccin giran a una velocidad ligeramente infe-rior a la velocidad de rotacin del campo magntico y esta diferencia

de velocidad es conocida como deslizamiento. El deslizamiento estdado por:

Donde: es la velocidad del campo rotatorio, en r.p.m.; f

es la frecuencia de la red, en Hz; Pes el nmero de polos de la mqui-na y wres la velocidad real del rotor, en r.p.m.

A medida que aumenta la carga, el deslizamiento aumenta. Es po-sible controlar la velocidad del motor por medio de la frecuencia delvoltaje de alimentacin, para ello actualmente se emplean variadoresde velocidad que utilizan la electrnica de potencia y que se encuen-tran disponibles en una amplia gama de potencias.

Se emplean tambin como actuadores motores monofsicos en apli-caciones de baja potencia (por debajo de 1 HP). Estos pueden ser de

diferentes tipos en dependencia de los modos de arranque y trabajo: Standard. De capacitor permanente.


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De arranque por capacitor. De polo sombreado. Serie universal.

Los motores sincrnicos se diferencian de los motores de induc-cin en que estn diseados para trabajar a velocidad constante iguala la sincrnica; en otras palabras, no tienen deslizamientro.

1.3.4.2. Motores de corriente directa

Los motores de corriente directa tienen una amplia regulacin develociodad y, adems, tienen la ventaja de que pueden ser diseadospara trabajar con bajo voltaje (12 V dc, por ejemplo), esto facilita la

interfaz con la electrnica y otros circuitos de control.Se clasifican en motores shunt, serie y compound en dependencia

del tipo de excitacin.Motor shunt: tiene las bobinas del rotor y del estator conectadas en

paralelo, estos motores tienen una variacin relativamente pequeade la velocidad y esta puede ser controlada variando el voltaje de ali-mentacin o introduciendo un restato en serie con el devanado delestator (Figura 1.41).

Figura 1.41. Circuito y caracter stica par-velocidad de un motor shunt.

Motor serie: tiene las bobinas del rotor y del estator conectadasen serie; cuando la carga disminuye, la velocidad se incrementa pu-diendo alcanzar velocidades peligrosas si el motor se encuentra envac o, por lo que no se recomienda en aplicaciones donde se halle

con muy baja carg a. Posee mayor par de arranque que el motor shunt(Figura 1.42).


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Figura 1.42. Circuito y caracter stica par-velocidad de un motor serie.

Motor compound: es un motor shunt con un devanado serie adi-

cional. Este devanado serie se puede conectar de manera que su efec-to se sume al del campo shunt en cuyo caso el motor se llamacompound acumulativo. Si el devanado serie se opone a los efectosdel shunt, se denomina compounddiferencial. Sus caracter sticas sonuna combinacin de las caracter sticas del shunt y del serie. El motorcompounddiferencial tiene menos aplicacin industrial, ya que su ve-locidad es muy inestable (Figura 1.43).

Figura 1.43. Caracter sticas par-velocidad de los motores compound .

1.3.4.3. Motores de paso

Los motores de paso son diseados para posicionadores. Ellos se

mueven un paso a la vez con un tamao de paso t pico de 1.8 dando200 pasos en cada revolucin. Otros motores son diseados para ta-maos de paso de 1.8, 2.0, 2.5, 5, 15 y 30.


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Existen dos tipos bsicos, los motores unipolares, que empleandevanados con derivacin central y una sola fuente de suministro, y losmotores bipolares, que requieren una alimentacin positiva y negati-va, y un circui to de conmutacin ms complejo (Figura 1.44).

Figura 1.44. Devanados de los motores de paso unipolar y bipolar.

Estos motores trabajan aplicando voltajes diferentes a los termina-

les del motor. Un patrn de alimentacin para un motor unipolar pue-de verse en la Figura 1.45. Por ejemplo, el primer paso se puede lograrsi aplicamos voltaje como se muestra en la primera fila. Para rotar elmotor despus se conectar an los voltajes segn la fila 2, luego la 3,luego la 4 y de nuevo la 1, etctera. Si se emplea una secuencia contra-ria a esta, se logra que el motor gire en sentido contrario. La dinmicadel motor y la carga limitan la velocidad mxima de alternacin, quenormalmente es de unos cuantos miles de pasos por segundo. Cuandono se cambian los voltajes de salida, el motor mantiene la posicin.

Figura 1.45. Secuencia de control de un motor de paso unipolar.


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Los motores de pasos no requieren retroalimentacin, excepto cuan-do son usados en aplicaciones de alta fiabilidad y cuando las condicio-nes dinmicas provocan que se deslicen movindose un nmero degrados de la posic in real. Ese deslizamiento no puede ser detectado

sin retroalimentacin de la posicin.Una desventaja de estos motores es que son relativamente dbiles

comparados con otros tipos de motores.


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CAP TU LO 2

SISTEMAS DE CONTROL

Un pilar bsico para efectuar los cambios que se producen en laindustria, lo constituye, sin duda, el nivel de automatizacin. Los avan-ces en la teor a y la prctica del control automtico, ya sea con contro-les individuales o con una computadora central, han permitido lograruna serie de ventajas en la industria, sustituyendo la labor manual yrepetitiva del hombre por automatismos que realizan eficientementemuchas operaciones de rutina y cuyas ventajas pueden resumirse enlos aspectos siguientes:

Eliminacin de los trabajos montonos o que exigen atencinconcentrada.

Eliminacin de errores humanos. Disminucin de los recursos humanos necesarios para la misma

produccin. Aumento de la cantidad del producto o del nmero de unidades

fabricadas. Mejoras en la calidad. Mejor aprovechamiento de las materias primas. Disminucin en el desgaste del equipamiento fabril. Cumplimiento de los requisitos medioambientales impuestos. Disminucin en los consumos de energ a.

A continuacin se ofrecen una serie de definiciones de la termino-

log a empleada en la descripcin de los sistemas de control y que serempleada en el resto del cap tulo.


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2.2. OBJETIVOS DEL CONTROL AUTOMTICO DE PROCESOS

Tradicionalmente, el control de procesos se ha centrado en los ni-veles inferiores de la jerarqu a de control: instrumentacin, PIDs, es-

tructuras de control, deteccin y diagnstico de fallos, etctera, ligadosa unos pocos lazos de control. El objetivo del control es mantener lasvariables controladas prximas a unos valores de consigna fijados acriterio del personal de operacin de la planta. Sin embargo, cada vezen mayor medida, el inters se centra en problemas de control de laplanta completa, en los que intervienen muchas unidades de procesoque interaccionan. Asimismo, si la tendencia es mantener la planta enlos puntos de operacin deseados, lo lgico es que estos sean pti-mos de acuerdo con algn criterio de optimizacin que considere loscostos, respetando la calidad u otros factores de la produccin, paralo cual se requiere la utilizacin de modelos coherentes y definir loscriterios de optimizacin.

2.3. REGULADORES Y SERVOMECANISMOS

El control automtico resuelve dos tipos diferentes de problemas.El primero requiere que la variable controlada tenga un valor constan-

te o var e lentamente con el tiempo y tiene como tarea principal man-tener la variable controlada en el valor deseado a pesar de lasperturbaciones externas sobre el sistema al que pertenece. Este tipode sistema de regulacin automtico constituye el caso de la mayor a delos controladores industriales.

El control de la temperatura de un local, en el que el termostato esel control, constituye un ejemplo de sistema de regulacin automtico.En este sistema se compara el valor deseado (ajuste del termostato)

con la temperatura de la habitacin. La variacin de la temperaturaexterior constituye una perturbacin en este sistema y a pesar de susvariaciones, el objetivo de este control es mantener la temperaturadeseada dentro de la habitacin.

El segundo tipo de problemas se refiere a aquellos en los que lavariable controlada debe mantener un valor deseado que cambia conel tiempo, de acuerdo con las rdenes dadas. Esta clase de controlconstituye el caso general de los servomecanismos. Un servomecanismoes un sistema de control en el cual la salida es alguna posicin, veloci-dad o aceleracin mecnica. Este tipo de sistema de control es amplia-mente usado en la industria moderna en el funcionamiento totalmenteautomatizado de mquinas herramientas y como parte integral demuchos sistemas de control de procesos.


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2.4. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTOY EN LAZO CERRADO

Los sistemas de control son aquel los sistemas que tienden a man-

tener una relacin preestablecida entre la variable de salida (varia-ble controlada) y la referencia. En funcin del efecto de la retroali-mentacin pueden clasificarse en sistemas en lazo abierto y sistemasen lazo cerrado.

temas especiales de instrumentación y control

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