INSTRUMENTACION ELECTRNICA

INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

Profesora: Mara de Lourdes Maldonado Lpez

Alumno: Jimnez Jurez Marcos EnriqueNo. de Cuenta: 410037045

Grupo: 1903

Semestre: 2015 I

Fecha:

INSTRUMENTACIN ELECTRNICAINGENIERA MECNICA Y ELCTRICAFACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLNUNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO

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La instrumentacin comprende todas las tcnicas, equipos y metodologas relacionadas con el diseo, la construccin y la aplicacin de dispositivos fsicos para mejorar, completar y aumentar la eficiencia de percepcin del ser humano

J. Ferrero

ndice:Introduccin1Representacin de sistemas, simbologas ISA y SAMA..2Simbologa SAMA.2Simbologa ISA.4La instrumentacin en los sistemas de control9

IntroduccinLa medida consiste en la determinacin de una magnitud por comparacin con un estndar. Aunque algunos de nuestros sentidos puedan parecernos, a priori, extraordinariamente desarrollados, la percepcin y medida de magnitudes fsicas no puede realizarse con precisin. En primer lugar, no todos percibimos de la misma forma, por lo que se hace muy difcil cuantificar con objetividad. Adems, los sentidos son incapaces de estimar ciertas variables fsicas. As, por citar algunos ejemplos, no podemos percibir ondas sonoras de una frecuencia superior a 20kHz, ni tampoco ondas electromagnticas que salgan fuera de nuestro reducido espectro visible. Para suplir estas deficiencias se recurre a los instrumentos de medida. Los instrumentos son capaces de cuantificar de forma sistemtica y de ver lo que el hombre no es capaz de ver. Un microscopio, por ejemplo, es un instrumento ptico que nos permite reconocer objetos extraordinariamente pequeos y una simple cinta mtrica, otro instrumento del que nos valemos para estimar distancias.

El ser humano percibe la informacin del mundo que le rodea travs de sus sentidos y adquiere el conocimiento, sobre todo el cientfico, cuando es capaz de cuantificar las magnitudes que percibe, es decir, a travs de la medida. Segn J. Ferrero La instrumentacin comprende todas las tcnicas, equipos y metodologas relacionadas con el diseo, la construccin y la aplicacin de dispositivos fsicos para mejorar, completar y aumentar la eficiencia de percepcin del ser humano.

Entre los instrumentos, se tiene mayor preferencia por aquellos que utilizan tcnicas electrnicas para realizar la medida. Por ello, una de las tecnologas de instrumentacin ms avanzadas es la denominada Instrumentacin Electrnica que es la tcnica que se ocupa de la medicin de cualquier tipo de magnitud fsica, de la conversin de la misma a magnitudes elctricas y de su tratamiento para proporcionar la informacin adecuada a un sistema de control, a un operador humano o a ambos. La instrumentacin electrnica tiene su campo de aplicacin en numerosas actividades relacionadas con la ciencia y la tecnologa donde la electrnica se incorpor de forma masiva. En el laboratorio y en la industria se realiza un uso intensivo de la instrumentacin electrnica porque en estos entornos, como en otros muchos es necesario medir para conocer.

Representacin de sistemas, simbologas ISA y SAMAEs comn representar los sistemas y las partes que los componen mediante diagramas, siendo los diagramas de bloques los ms generales, existen simbologas especficas y estandarizadas para la representacin, son la simbologa SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) y la simbologa ISA (Instrumentation, Systems and Automation Society). La simbologa SAMA se encuentra casi en desuso, pero an se le puede encontrar en diagramas de sistemas de hace algunos aos., especialmente en la industria generadora de energa. Las normas ISA predominan debido a que contemplan los componentes electrnicos que son los ms empleados en instrumentacin y en control de sistemas durante los ltimos aos.Cabe destacar que si bien estas simbologas facilitan el manejo e interpretacin de las partes que integran un sistema, no resulta obligatorio su empleo. Sin embargo, la estandarizacin permite que la interpretacin sea ms rpida, fcil y universal, por ello se han adoptado en prcticamente todos los procesos industriales.Simbologa SAMA:La Asociacin Cientfica de Fabricantes de Aparatos (SAMA) ha desarrollado tal notacin y esto se utiliza comnmente para definir estrategias de control de combustin, por lo que se emplea particularmente en plantas generadoras de energa. Consiste en cuatro formas, una serie de letras para la informacin de la etiqueta y varios algoritmos matemticos de control. Se combinan para describir completamente la lgica de control compleja.A continuacin se muestran los smbolos empleados por este estndar:

Ejemplo de la representacin de un proceso, utilizando la simbologa SAMA:

Simbologa ISASimbologa estandarizada hecha por ISA con el objetivo de lograr de hacer uniforme el campo de la instrumentacin. Debido a los avances en este campo, estos smbolos son constantemente revisados y actualizados. La simbologa ISA es adecuada para diagramas de procesos de la industria qumica, petrolera, generadora de energa, aire acondicionado, metalrgica, y muchos otros. Ciertos campos, como la astronoma, navegacin y medicina, usan instrumentos muy especializados diferentes de los empleados convencionalmente en procesos industriales, pero es posible representarlos con la simbologa ISA.La norma ISA se divide en varias partes para representaciones ms especficas de los sistemas de instrumentacin y control. Que son: Standard ISA S5.1- Instrumentation Symbols and Identification, 1984 (R1996) Standard ISA S5.4- Instrument Loop Diagram, 1991 Standard ISA S20 - Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements and Control, 1981A continuacin se muestran los smbolos principales, muchos de los smbolos faltantes son combinaciones de stos:Cada instrumento debe identificarse con un cdigo alfanumrico o nmero de etiqueta (tag number) que contenga el nmero de identificacin del lazo. El nmero de letras funcionales para un instrumento debe ser mnimo, no excediendo de cuatro. Para ello conviene:1) Disponer las letras en subgrupos. Por ejemplo, un controlador de temperatura con un interruptor de alarma puede identificarse con dos crculos, uno el TIC-3y el otroTSH-3.2) En un instrumento que indica y registra la misma variable medida puede omitirse la letra I (indicacin).Una identificacin representativa es la siguiente:

Los smbolos a emplear en los planos y dibujos de representacin de instrumentos:

Cdigo de identificacin de instrumentos. ISA-S5.1-84 (R-1992

Smbolos generales de funciones o de instrumentos

Smbolos de cuerpos de vlvulas de control y de persianas

Smbolos de actuadoresLa instrumentacin en los sistemas de controlPara un sistema de control de lazo cerrado se puede modelar de la siguiente manera:

Para poder medir las variables de los sistemas (posicin, voltaje, corriente, desplazamiento, etc.) se requieren transductores de entrada, y para poder aplicar al seal generada por el sistema de control, se requieren de los transductores de salida, el procesamiento de las seales se hace de manera electrnica la mayora de las veces, ya sea analgica o digitalmente.As pues se debe mejorar el diagrama anterior aadiendo los puntos importantes a considerar desde el punto de vista de la instrumentacin electrnica.

Es necesario, conocer los tipos de sensores que actuarn como receptores de las seales, su comportamiento, sus caractersticas y sus aplicaciones comunes. La seal obtenida de los sensores puede contener ruido o ser de niveles muy bajos de voltaje (o ambos), por lo que se requiere la amplificacin y el acondicionamiento de la seal, antes de que pueda ser utilizada.Para proteger el sistema de control a su entrada y salida es posible utilizar circuitos de aislamiento como interface entre etapas. Un ejemplo clsico es la interfaz de potencia a la salida de un circuito, por ejemplo acoplo por transformador, usar un relevador o usar circuitos de optoelectrnica.Y para monitorear la operacin del sistema completo se emplean transductores y dispositivos de medicin en varios puntos (grficas, indicadores, pantallas, etc.).Todos estos puntos son tratados como parte de la instrumentacin electrnica.

SensoresUn sensor es un dispositivo capaz de sentir la magnitud de una seal fsica, un transductor es un dispositivo capaz de convertir un tipo de energa en otro, ms apropiado para su procesamiento. En la prctica, resulta difcil separar las caractersticas propias de un sensor y de un transductor, por lo que se usan los trminos sensor y transductor como sinnimos, aunque estrictamente no sean iguales.Los sensores son empleados en los sistemas de control con los siguientes propsitos: Medir la respuesta del sistema, para control con realimentacin. Medir algunos tipos de entradas a los sistemas. Medir la salida del sistema para monitoreo, diagnstico, evaluacin, ajuste de parmetros y supervisin. Medir la entrada y salida del sistema con propsitos de prueba y de modelado experimental.PotencimetrosEl potencimetro es un sensor resistivo, de desplazamiento. Consiste de un material de baja conductividad (platino, carbn o plstico conductor) cuya resistencia es proporcional a su longitud, y un contacto mvil (cursor) que se desliza sobre l. Al aplicar un voltaje a los extremos del potencimetro, se obtiene un voltaje en el cursor, proporcional al desplazamiento, o la posicin en que se encuentra.Smbolo del potencimetro

Sensores de temperatura de resistencia metlica (RTD)Se basan en que los metales se caracterizan por poseer coeficientes trmicos positivos de la variacin de la resistencia. Esta propiedad se usa desde hace mucho tiempo en la construccin y diseo de sensores de temperatura que se designan con las siglas RTD (Resistence Temperature Detector). En general, se les fbrica de platino, el cual ofrece la mejor linealidad en su respuesta. Pueden clasificarse de auerdo a los siguientes criterios: Forma constructiva, tamao, caractersticas del medio en que se emplearn, tipo de metal utilizado en su fabricacin, y precisin

Smbolo del RTDGalgas extensomtricas (Strain Gauges)Son sensores resistivos muy utilizados en la medida de esfuerzos mecnicos en materiales en los que la resistencia efectiva entre sus extremos se modifica con el esfuerzo aplicado sobre la galga.Las galgas extensomtricas utilizan diversos materiales para la medida y como soporte del metal en dependiendo de las condiciones del medio. A continuacin se muestran algunas posibilidades y las caractersticas propias de cada una:Materiales metlicos de los sensores

MaterialCaractersticasAplicaciones

Constantn-Medidas estticas o pseudo estticas- No se pueden usar en aplicaciones extremas- Seleccin compleja(pocos criterios)- Material ms usado y muy barato- Autocompensacin trmica sencilla- Grandes elongaciones (estado plstico de deformacin)

Isoelastic- Gran relacin S/N-Precisan un buen control de temperatura- Medida de esfuerzos dinmicos- Medida de fatiga

Karma- Autocompensacin trmica sencilla- La soldadura de terminales es compleja- Medida a temperaturas muy bajas- Medida con temperaturas variables y no controladas

Aleaciones de Pt- Coste alto- Medida a altas temperaturas

Materiales para el soporte

MaterialCaractersticasAplicaciones

Poliamida- Es el soporte estndar- No soporta condiciones extremas de trabajo- Espesor habitual de 0.025 mm- Medidas estticas- Aplicaciones habituales

Epoxy- Minimiza el error introducido por el soporte- Instalacin delicada- Requiere mano de obra especializada- Medidas precisas

Fibra de vidrio reforzada con epoxy- Soporta temperaturas moderadas- Soporta muy bien el trabajo a fatiga- Medidas cclicas y de fatiga

Ejemplo de Galga extensomtricaTermistoresLos termistores son sensores de temperatura de tipo resistivo. Se dividen en dos grupos segn el signo del coeficiente de temperatura, los NTC (Negative Temperature Coeficient) y los PTC (Positive Temperature Coeficient).Los sensores con NTC poseen caractersticas no lineales por lo que se emplean slo en un intervalo dado de medida, para el cual se puede considerar que su respuesta es lineal.Los sensores PTC se emplean como sensores de conmutacin en la mayora de las aplicaciones. NTCPTC

Fotorresistencias (LDR)Las fotorresistencias (Light Dependent Resistors, LDRs) son sensores resistivos basados en semiconductores empleados para la medida y deteccin de radiacin electromagntica.Una LDR est constituida por un bloque de material semiconductor sobre el que puede incidir la radiacin y dos electrodos metlicos en los extremos. Se emplean en fotometra y sensores de presencia y posicin.

Smbolos para LDRs

Sensores de xidos metlicos semiconductoresEstn compuestos generalmente de estao. Cuando la temperatura es elevada y existe presencia de oxgeno, este es absorbido por el material. La superficie queda cargada negativamente de forma que se establece una barrera de potencia que dificulta la circulacin de corriente aumentando, por lo tanto, la resistencia. Se trata, en principio, de un sensor til para medir la concentracin de oxgeno; pero, adems, indirectamente se puede medir la concentracin de otros gases.Los sensores presentan 4 terminales, dos corresponden al propio sensor y otros dos, a los electrodos de calentamiento.

MagnetorresistenciasLa resistencia de muchos materiales magnticos, depende del campo magntico aplicado. La razn de tales variaciones de resistencia se debe al espn de los electrones. Existen tres tipos de magnetorresistencias:Anisotrpicas (anisotropic magnetoresistor, AMR): generalmente, estn compuestas de una fina pelcula de hierro-nquel. La variacin mxima de la resistencia es del 2-3% en presencia de campo magntico y el ancho de banda llega a 15MHz.Gigantes (giant magnetoresistor, GMR): fueron desarrolladas a partir de 1988. Presentan una estructura multicapa obtenindose variaciones de resistencia de hasta el 50%.Colosales (colosal magnetoresistor, CMR): de desarrollo reciente, presentan variaciones de resistencia de hasta el 99.9%.Sensores capacitivosLos sensores capacitivos estn basados en la variacin de la capacitancia entre dos o ms conductores entre los que se encuentra un dielctrico, en respuesta a la variacin de alguna magnitud fsica. Las principales caractersticas que presentan son:- Permiten detectar muy pequeos desplazamientos (hasta 10-10 mm)- Son fcilmente integrables en un chip de silicio- No se ven afectados por la temperatura o el alineamiento mecnico- Son muy estables en entornos hostiles- Tienen muy bajo consumo

Detectores de proximidad capacitivos.Detecta la presencia de objetos prximos, tanto metlicos como no metlicos sin requerir contacto directo. Se encuentran presentes en una gran variedad de procesos industriales: control de nivel de lquidos, inspeccin de paquetes, deteccin de rotura de cables, deteccin de nivel en productos de alimentacin, etc.El sensor contiene como mnimo un par de electrodos que constituyen las placas de un capacitor abierto. Estos electrodos estn situados en el lazo de realimentacin de un oscilador de alta frecuencia. Cuando no se tiene presente un objeto, la capacitancia es baja, y tambin lo es la amplitud de la oscilacin. Cuando el objeto se aproxima, se incrementa la capacitancia y con ello, la amplitud de la oscilacin.

Ejemplo de sensor de proximidad CapacitivoSensor de humedadLos sensores capacitivos de humedad relativa se usan en numerosas aplicaciones industriales. Es necesario controlar la humedad de la industria textil, maderera, alimentacin, fabricacin de papel, almacenaje, etc.Existen muchas variantes de sensores de humedad, segn sea la composicin de las placas del capacitor, el material dielctrico y l sustrato. El cambio incremental en la permitividad dielctrica de un sensor de humedad capacitivo es proporcional a la humedad relativa del entorno que le rodea. La variacin de la capacitancia est entre 0.2 y 0.5 pF por 1%RH (Humedad Relativa). Se caracterizan por tener un coeficiente de temperatura bajo, capacidad para trabajar en elevadas temperaturas (hasta 200C), recuperacin rpida y una buena compatibilidad qumica.

Constitucin de un sensor de humedad capacitivoSensor de presinUn sensor capacitivo de presin consiste en una placa fija y otra que es un diafragma flexible. La aplicacin de la presin modifica la distancia entre las placas, variando la capacitancia. Con este tipo de sensores se pueden medir presiones entre 7.5 y 10000 psi.

Ejemplo de sensor de presin capacitivo

Acelermetro capacitivoSe compone de dos placas fijas, y entre ellas una mvil, sensible a la aceleracin. Se tiene un capacitor diferencial, cuya variacin de capacitancia es medida. Las ltimas tcnicas de fabricacin de circuitos integrados permiten integrar en un mismo chip toda la circuitera de procesamiento de la seal, resultando en un dispositivo de altas prestaciones y coste razonable.

Funcionamiento de un acelermetro capacitivoEl transformador diferencial lineal (LVDT)Es uno de los dispositivos ms empleados en la medida de desplazamiento ya que presenta unas buenas caractersticas de linealidad y de sensibilidad. Muchos de los sistemas en los que la variable a medir es un desplazamiento y que no precisan la medida a distancia utilizan como sensor electrnico un LVDT.Su estructura es como la que se muestra a continuacin:Un devanado primario en el centro, y dos devanados secundarios a los lados, conectados entre s. Donde el ncleo es mvil y vara s posicin con el desplazamiento, modificando el flujo magntico en uno de los devanados e secundarios, provocando un cambio en el voltaje inducido.Sensor de proximidad inductivoEl principio de funcionamiento de este sistema es muy simple: consiste en un oscilador cuya salida se aplica a una bobina de ncleo abierto capaz de generar un campo electromagntico en sus proximidades; la presencia de objetos metlicos en la zona modificara el campo y se manifestara algn cambio en las magnitudes elctricas de la bobina. Los cambios pueden detectase y conseguir, as, saber si existe o no un objeto metlico dentro del radio de accin del sistema.Este tipo de sistema suele tener un aspecto como el mostrado a continuacin, constituyendo un bloque monoltico con una salida capaz de manejar una carga del tipo de un rel.

Aspecto de un sensor inductivo de proximidadSensores piroelctricosCualquier cuerpo a una temperatura superior a 0K emite radiacin electromagntica debido a la vibracin que experimentan las partculas, tomos y molculas del cuerpo. Esta radiacin se denomina radiacin trmica. Existen dos tipos de sensores con capacidad para responder a la radiacin trmica: los sensores cunticos y los sensores trmicos.Los sensores piroelctricos son detectores de radiacin trmica y se usan fundamentalmente como sensores de radiacin en el infrarrojo. Presentan una respuesta espectral bastante uniforme en un margen amplio de longitudes de onda. Un sensor piroelctrico est formado por un pequeo capacitor, constituido por una pastilla muy fina de material cermico ferroelctrico con dos electrodos en su superficie sobre los cuales se induce una carga elctrica por efecto trmico.

Construccin de un sensor piroelctricoEntre sus aplicaciones ms habituales pueden citarse: Pirometra ptca : medicin de temperatura a distancia Radiometra: Medida de la potencia generada por una fuente de radiacin Termometra: termmetros de alta resolucin Espectroscopia y anlisis de gases (Detectores de CO2) Transmisin, reflexin y absorcin de infrarrojo. Detectores de presencia y de movimiento. Visin nocturna, imgenes trmicas. Detectores de llama.

TermoparesUn termopar es un sensor de temperatura constituido por dos metales cuya caracterstica principal es que produce una tensin proporcional a la diferencia de temperaturas entre los puntos de unin de ambos metales.

Ejemplo de un termopar, aspecto comercialTipos de termoparesTipoComposicin(terminal positivo - negativo)Campo de medida recomendadoSensibilidad (a 25C)

JFe Constantn0 a 760C51.5 V/C

KCromel Alumel-200 a 1250C40.5 V/C

NNicrosil Nisil0 a 1260C26.5 V/C

TCu Constantn-200 a 350C41.0 V/C

R13%Pt 87%Rh Pt0 a 1450C6 V/C

S10%Pt 90%Rh Pt0 a 1450C6 V/C

B30%pt 70%Rh 6%Pt 94%Rh800 a 1800C9 V/C (a 100C)

TipoAplicaciones

JApropiado para atmsferas inertes o reductoras. Las atmsferas oxidantes disminuyen la vida til debido a la presencia de hierro en el termopar, adems, se oxida muy rpidamente por encima de 538C. No es adecuado para bajas temperaturas (por debajo de 0C)

KMuy utilizado por encima de 538C debido a las limitaciones del termopar tipo J. El cromo tiende a oxidarse ante la presencia de oxgeno lo que puede llevar a importantes derivas en el margen de 816 a 1038C

NSe utiliza en aplicaciones donde el termopar de tipo K tiene problemas de oxidacin.

TAdecuado para atmsferas oxidantes, inertes y reductoras.

R,SRecomendados para altas temperaturas. El tipo R se utiliza industrialmente, mientras que el S se usa en laboratorios. El uso continuado a altas temperaturas provoca el crecimiento del granulado y se puede sufrir una ruptura mecnica. Deben protegerse con tubos no metlicos y aislantes cermicos. Tienden a descalibrarse debido a la difusin del rodio a la rama de platino y a su volatilizacin.

BSemejante a los tipos R y S aunque el lmite de temperatura es mayor y es menos susceptible al crecimiento del granulado.

Sensores piezoelctricosEl fenmeno piezoelctrico que exhiben algunos materiales consiste en la aparicin de una cierta carga elctrica cuando el cristal es sometido a algn tipo de deformacin. Estas sustancias tienen una gran estabilidad ente el cambio de las condiciones medioambientales como en el transcurso del tiempo, pero las seales que son capaces de producir resultan muy dbiles.

Constitucin y smbolo de un sensor piezoelctricoMedida de fuerza, presin y aceleracinDada la influencia de la fuerza aplicada sobre el dispositivo piezoelctrico en la carga generada en l, cabe la posibilidad de utilizarlo como sensor para la medida de la fuerza o de cualquier magnitud fsica que se pueda convertir en fuerza (como aceleracin o presin).Sensores de ultrasonidosAlgunas aplicaciones de los sensores tipo piezoelctrico estn en el campo de los ultrasonidos en el que este tipo de dispositivos permiten captar ondas de presin en un medio elstico y generar la correspondiente seal elctrica de salida.La tcnica de medida de tipo impulso-eco se usa en algunas aplicaciones de deteccin de presencia y el exponente ms conocido es el SONAR (SOund NAvegation and Ranging.) Su principio de funcionamiento es muy sencillo: se emite un pulso de ultrasonido y se escuchan los ecos; el tiempo transcurrido entre el pulso emitido y el eco recibido multiplicado por la velocidad de propagacin en el medio es proporcional al doble de la distancia que separa el emisor, del objeto que produjo el eco.

Tcnica de medicin impulso-eco

Tipos de tecnologa para medicin de distanciasSensores de efecto hallCuando un conductor, por el cual circula corriente elctrica, se sita en un campo magntico, se genera una tensin perpendicular a ambos.Los sensores de efecto Hall poseen las siguientes caractersticas:Son dispositivos de estado slidoLarga vida de funcionamientoFrecuencia de funcionamiento relativamente alta (ms de 100kHz)Compatibilidad con otros dispositivos electrnicos.Pueden tener salidas analgicas o digitales directamente desde el sensor.

Ejemplo de sensor Hall y aspectoAplicaciones industriales

Sensor Hall digitalSensor Hall lineal

Motores DC sin escobillasVentiladoresMedida de velocidadInterruptor sin contactosNivel de lquidosFlujo de lquidosInterruptor de presinInterruptor de rotacin

Medida de corrienteMedida de posicinMedida de distanciaMedida de presinMedida de fuerzaMedida de campo magnticoMedida de par

Sensores de fibra pticaLas ventajas fundamentales que aporta la tecnologa de sensores basados en fibra ptica son: Mayor sensibilidad general Empleo en entornos hostiles Generalmente no requiere contactos Ligeros Versatilidad geomtrica Compatibilidad con sistemas de datos Transmisin de datos segura No emite ni se ve afectado por radiofrecuenciaEntre sus aplicaciones estn le medicin de microdeformaciones, medicin de intensidad de luz, el interfermetros, Medida de presin acstica, medida de la velocidad de rotacin.

Ejemplos de aplicaciones de sensores de fibra pticaSensor de distancias y sensor de microdeformaciones

BiosensoresEl trmino biosensor hace referencia a un dispositivo compuesto fundamentalmente por dos elementos: un elemento biolgico (enzima, anticuerpo, microorganismo) y un elemento sensor (electroqumico, ptico, acstico, trmico). En esencia, en un biosensor el material biolgico de reconocimiento interacta con el analito (sustancia a detectar) y da una respuesta detectable por el sensor, que convierte los cambios en las biomolculas en una seal de salida.Una de las caractersticas de los biosensores (que los distingue de otros mtodos de anlisis biolgico) es que el analito puede ser medido de forma directa e instantnea. Otra de sus ventajas es que pueden regenerarse y volverse a usar.

Caractersticas de los sensoresTodos los dispositivos que intervienen en las funciones de un sistema, pueden ser considerados como componentes del sistema. La seleccin de los componentes adecuados para una aplicacin en particular, debe llevarse a cabo en las especificaciones de funcionamiento de dichos componentes. La mayora de estas especificaciones las proveen los fabricantes de los componentes como parmetros estticos. En aplicaciones de control, sin embargo, las especificaciones dinmicas son de especial importancia, por lo que es preciso conocerlas tambin.El comportamiento de un sensor se puede definir, en general, mediante las caractersticas estticas y dinmicas que posee, indicadas mediante una serie de parmetros. Ya sea que se consigan mediante especificaciones del fabricante o se requiera de experimentacin para conocerlas.Caractersticas estticasCurva de calibracin: Es la relacin entre la entrada al sensor y su salida en rgimen esttico. Para definir la curva adecuadamente se necesita como mnimo indicar su forma y sus lmites. Estos ltimos se especifican con algunos de los siguientes parmetros.Campo de medida (range): conjunto de valores comprendidos entre los lmites superior e inferior en los que puede efectuarse la medida. Tambin se conoce como rango dinmico aunque este trmino se emplea ms frecuentemente para indicar la relacin entre el lmite superior e inferior expresada en decibelios.Alcance, fondo de escala (span, input full scale FS): es la diferencia entre los lmites superior e inferior de medida.Salida a fondo de escala (Full scale output FSO): es la diferencia entre las salidas para los extremos del campo de medida.Para definir la curva de calibracin se emplean los siguientes trminos:Sensibilidad (sensitivity): es la pendiente de la curva de calibracin. Para las curvas de calibracin que no son lineales la sensibilidad resulta insuficiente para definirlas puesto que es variable a lo largo de la misma; no obstante, suele resultar de inters conocer las sensibilidades mxima y mnima. Generalmente las curvas se definan mediante una tabla indicando para cada entrada la correspondiente salida.No linealidad (nonlinearity): es la mxima desviacin de la curva de calibracin con respecto a la lnea recta por la que se ha aproximado. Habitualmente se expresa en % con respecto al alcance y suele denominarse como error de linealidad e incluso como linealidad. Tngase en cuenta que este error depende de la aproximacin que se haya realizado. En algunos casos, la definicin de la curva de calibracin puede requerir algn parmetro adicional, entre los que cabe destacar los siguientes:Zona muerta (dead zone): Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicacin. Tambin se define como la regin de la curva de calibracin que presenta una sensibilidad nula.Histresis (hysteresis): es la diferencia entre la medida dependiendo del sentido en el que se ha alcanzado. Se puede expresar en % con respecto al fondo de escala.Deriva (drift): Es la variacin de algn aspecto de la curva de calibracin con respecto a algn parmetro ambiental (temperatura, humedad, etc.) o con respecto al tiempo. Para caracterizar los sistemas suele ser muy habitual indicar la deriva en algn punto significativo como, por ejemplo, el cero. Normalmente se expresa en % sobre el fondo de escala de salida.Saturacin (saturation): es el nivel de entrada a partir del cual la sensibilidad disminuye de forma significativa.Resolucin (resolution): La resolucin se define como el incremento mnimo de la variable de entrada que ofrece que ofrece un cambio medible a la salida. Se suele expresar como un valor en % sobre el fondo de escala.

Caractersticas dinmicasEn cualquier sistema, el principio de causalidad obliga a que las salidas se presenten siempre despus de las entradas, es decir, ocurren como respuesta a una excitacin de entrada.El efecto de la no inmediatez en la respuesta del sistema se traduce en una diferencia entre el valor esperado en cada momento y el que realmente se produce, lo que se podra modelar como un error momentneo del sistema de medida que se manifiesta cuando hay cambios en la variable de entrada (estado transitorio). Entonces, en sistemas que presenten una entrada que est variando constantemente, la salida lo har tambin pero con un retraso impuesto por la causalidad del sistema.Teniendo en cuenta que el objetivo de un sistema de instrumentacin es aproximarse todo lo que sea posible a la obtencin del valor real que se pretende medir, estos efectos introducen una desviacin momentnea o permanente que afecta la medida. Dependiendo de la aplicacin, este efecto puede ser o no tomado en cuanta. Para conocer el comportamiento de los sistemas durante la parte transitoria, cuando cambia la variable de entrada, se emplean modelos matemticos mediante una funcin de la frecuencia compleja (s) llamada funcin de transferencia. Tambin es posible conocer la respuesta a la funcin de transferencia en el dominio de la frecuencia, o en el dominio del tiempo. En caso de no poseer esta informacin, si se le requiere, ser necesario medir la salida del sistema (en tiempo o en frecuencia) a una entrada conocida, y hacer un modelo que se aproxime a la respuesta, para obtener la funcin de transferencia, dicho procedimiento se conoce como identificacin de sistemas.CalibracinLa calibracin de un sistema consiste en establecer con la mayor exactitud posible, la correspondencia entre las indicaciones de un instrumento de medicin y los valores de la magnitud que se mide. Las tolerancias de los componentes y las no linealidades de los circuitos electrnicos conducen a que dos sensores o dos instrumentos de medida aparentemente idnticos no presenten nunca curvas idnticas de calibracin. Los mtodos de calibracin ms sencillos son la calibracin a un punto y la calibracin del cero y de la sensibilidad.Calibracin a un punto: Consiste en ajustar el sistema de medida de modo que para un punto en concreto de medida, la salida sea lo ms exacta posible. En muchos sistemas, la calibracin a un punto suele efectuarse sobre el valor cero de la variable de entrada porque suele ser uno de los puntos para los que ms fcilmente se conoce el valor verdadero.Calibracin del cero y de la sensibilidad: para ajustar perfectamente una curva de calibracin lineal se necesitaran ajustar dos puntos o un punto y la pendiente (sensibilidad). Muchos instrumentos de medida incorporan esta posibilidad aunque no siempre est disponible para el usuario. El ajuste se realiza mediante dos controles, uno permite modificar el nivel (offset) y otro permite modificar la ganancia del sistema (gain).La utilizacin de microcontroladores y microprocesadores permite tcnicas de calibracin ms complejas como la calibracin a varios puntos realizando el ajuste mediante mnimos cuadrados o mediante el autoajuste del equipo realizando una calibracin a dos puntos cualesquiera. No obstante, existe el problema de que para calibrar un equipo se requiere compararlo con el valor verdadero de la medida en el punto de calibracin, por lo que requiere ser calibrado de acuerdo con otro equipo de medicin, ms exacto, por ello la calibracin adecuada de un equipo slo suele estar al alcance de grandes empresas que disponen de laboratorios especficos o de determinados organismos.

Tipos de ControladoresDurante las ltimas dcadas se han desarrollado tcnicas de automatizacin que han mejorado los procesos y operaciones tcnicas. Esto como consecuencia de la complejidad y requisitos propios de los procesos actuales, as como el avance tecnolgico de la electrnica y un mejor entendimiento de la teora de control.Definiciones empleadas en sistemas de control:Variable controlada y seal de control o variable manipulada: La variable controlada es la cantidad o condicin que se mide y controla. La seal de controlo variable manipulada es la cantidad o condicin que el controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada. Normalmente, la variable controlada es la salida del sistema. Controlar significa medir el valor de la variable controlada del sistema y aplicar la variable manipulada al sistema para corregir o limitar la desviacin del valor medido respecto del valor deseado.Sistemas: Un sistema es una combinacin de componentes que actan juntos y realizan un objetivo determinado. Un sistema no est necesariamente limitado a los sistemas fsicos. El concepto de sistema se puede aplicar a fenmenos abstractos y dinmicos, como los que se encuentran en la economa.Perturbaciones: Una perturbacin es una seal que tiende a afectar negativamente el valor de la salida de un sistema.El objetivo principal de un sistema de control es el de hacer que un proceso, planta o sistema mantenga una salida estable independientemente de las perturbaciones que se presenten, como por ejemplo, variacin en la carga. Para ello se mide la variable de salida y se le compara con una seal de referencia, la diferencia generada indica el error del sistema, y la seal de error es utilizada por el controlador para definir las acciones de control a realizar.Dentro de los controladores se emplean principalmente de tres tipos:Controlador Proporcional: Este tipo de controlador multiplica una ganancia definida por la seal de error, y la seal resultante la aplica al sistema. Elevar la ganancia del sistema sirve para mejorar el tiempo de respuesta.Controlador Integral: El controlador integral realiza la integracin de la seal de error, por lo que su salida depende del tiempo en que la seal de error se mantiene. Se emplea principalmente para eliminar el error en estado estable del sistema y eliminar las oscilaciones en la parte transitoria de la respuesta.Controlador Derivador: su salida es proporcional a la derivada de la seal de error, por lo que, como la derivada representa la direccin de cambio de la seal de error, se puede considerar como un controlador predictivo. Sin embargo, para seales de error constantes, no proporciona acciones de control (la derivada de una constante es cero).El control de un sistema se realiza en la mayora de los casos por un controlador PID (Proporcional Integral Derivativo), para combinar las caractersticas de cada tipo.La implementacin de los controladores puede ser con circuitera analgica o digital. Los circuitos analgicos para los controladores, suelen ser implementados con amplificadores operacionales, en su configuracin de Integrador, Derivador y Amplificador. Los circuitos digitales, ms empleados actualmente son procesadores digitales, como microcontroladores o microprocesadores, donde, una vez digitalizadas las seales de entrada, son procesadas y los controladores se implementan por software, la salida es convertida a una seal analgica para aplicarla al sistema.La tendencia a llevar a cabo la digitalizacin de los sistemas de control, se basa en que, en que este tipo de sistemas al ser implementados los controladores por software, son muy flexibles y adaptables, mientras que en los sistemas analgicos se requiere hacer cambios en los circuitos o rediseo de todo el controlador.

ActuadoresLos actuadores son los transductores de salida del sistema, mediante los cuales se llevan a cabo las acciones de control. Son los dispositivos en contacto directo con la planta o sistema. La seleccin adecuada de los actuadoras para el manejo de un sistema dinmico es de gran importancia en la instrumentacin y diseo de sistemas de control. Un actuador comnmente contiene partes mecnicas como rotores, ejes, cilindros, resortes, etc. mientras que los sistemas de control con principalmente (o totalmente) electrnicos. El diseo integral, la manufactura y operacin de estas dos categoras de componentes es crucial para una eficiente operacin del actuador. Es en esencia un problema de mecatrnica.A continuacin se enlistan los actuadores ms comunes utilizados en la industria:Motores a pasos (Stepper motors)Los actuadores que pueden ser clasificados como motores a pasos existen desde hace ms de 60 aos, pero slo despus de la incorporacin de circuitos de estado slido y dispositivos lgicos se han convertido en una buena alternativa debido a la mejora de la relacin costo-beneficio, en comparacin con servomotores de DC en aplicaciones de alta velocidad. Existen tres tipos bsicos de motores a pasos:1. De reluctancia variable (VR) con rotores de hierro suave2. De magneto permanente (PM), con rotores magnetizados3. Hbridos (HB)Para explicar la operacin de un motor a pasos de magneto permanente se puede considerar el siguiente diagrama: El estator tiene dos pares de bobinados colocados a 90, el rotor es un magneto permanente de dos polos. Cada fase puede tomar un estado de 3 posibles, 0, +1 y -1, energizando las bobinas el rotor magnetizado se orienta en una direccin determinada magnticamente, si se usa una secuencia adecuada de polarizacin de fases el rotor har incrementos graduales en su giro, cada incremento es un paso, de ah su nombre. Una caracterstica importante de estos dispositivos es que al mantener la corriente en los devanados se tiene un freno magntico que permite conservar una cierta carga en una posicin fija (Holding torque).

Motores de CDEste motor convierte energa elctrica de CD en energa mecnica rotacional. La mayor parte del torque del motor permite mover cargas externas. Debido a sus caractersticas de elevado torque, velocidad controlable en un amplio rango, buena relacin torque-velocidad, fcil y preciso modelado y adaptabilidad a varios tipos de control, los motores de CD son ampliamente utilizados en numerosas aplicaciones de control.La principal diferencia entre los motores de CD y los motores a pasos es que los motores a pasos son actuadores de accin incremental mientras que los motores de CD son actuadores continuos por lo que son capaces de generar incrementos muy pequeos en su desplazamiento angular. Cuando comenz el desarrollo del control analgico, los actuadores eran casi exclusivamente actuadores de funcionamiento contino ya que las seales de control no eran pulsos como los necesarios para los motores a pasos y otros actuadores similares. Actualmente se pueden emplear tanto sistemas de control analgico como sistemas digitales, siendo la tendencia hacia stos ltimos, sin embargo, es posible llevar a cabo el control de motores de CD mediante pulsos digitales con empleando la modulacin de ancho de pulso (PWM: Pulse Widht Modulation) por lo que los motores de CD siguen siendo actuadores vigentes en sistemas de control digital.Un motor de CD posee un elemento giratorio llamado rotor o armadura. El eje del motor se apoya en dos bujes en la carcasa del motor. El rotor posee muchas ranuras ligeramente espaciadas entre s en las cuales se alojan los devanados del rotor, como se muestra en la figura, los rotores son fabricados de material ferromagntico (para el circuito magntico) laminado (para evitar corrientes parsitas).El campo magntico fijo, que interacta con el del rotor y genera el torque del motor es provisto por un conjunto de polos magnticos alrededor del rotor. Estos polos son parte del estator o campo del rotor. Aunque es posible emplear imanes permanentes tanto en el rotor como el estator, en aplicaciones industriales los motores usan devanados en ambos como electroimanes. Los imanes permanentes se emplean para motores pequeos.

Motores de CA o Motores de InduccinCon la generalizacin de la disponibilidad de corriente de AC como una manera econmica de distribucin de energa elctrica para uso industrial o domstico se ha llevado a cabo un gran desarrollo de los motores de AC. Debido al rpido progreso en sta rea, los motores de AC han reemplazado a los de DC en varias aplicaciones industriales. Sus ventajas son su bajo costo, fciles de construir, mantenimiento ms sencillo especialmente en aplicaciones de alta potencia, y operaciones de velocidad constante. Y los avances en la electrnica y los microcontroladores permiten el control de motores de AC con tcnicas como control de fase y variadores de frecuencia. Sin embargo sus principales desventajas frente a los motores de CD son: bajo torque de arranque, necesidad de dispositivos de arranque, dificultad de control para velocidad variable (desventaja casi despreciable debido a los avances en la electrnica de dispositivos de estado slido y viradores de frecuencia).El funcionamiento de un motor de AC puede ser explicado utilizando el concepto de un campo magntico rotativo. Un campo magntico giratorio es generado por un conjunto de devanados distribuidos uniformemente en un estator circular y son excitados por seales de AC con diferencias de fases uniformes.

Motores sncronosEl rotor de un motor sncrono gira en sincrona con el campo magntico giratorio del estator. El principio de generacin de este campo magntico giratorio es idntico al de los motores de induccin. Pero el devanado del motor es energizado con corriente de DC por lo que su campo magntico es fijo lo que permite un buen acoplamiento magntico y una velocidad de giro directamente relacionada con la frecuencia de AC a la que es alimentado el estator y el nmero de polos de ste. Por sta razn son especialmente tiles en aplicaciones donde se requiere velocidad constante. La seal de CD del rotor puede ser obtenida de una fuente externa de CD, de la misma fuente de CA que energiza los devanados del estator, el rectificarla, o generarse en el mismo rotor (autoexcitacin).SolenoidesEl solenoide e un actuador rectilneo que consiste en una bobina y un ncleo mvil de hierro suave. Cuando la bobina es activada por una seal de CD se magnetiza el ncleo. Este electromagneto puede ser utilizado como un actuador de tipo on/off, o de dos posiciones. Por ejemplo para hacer el contacto de dos platinos y permitir el paso de corriente serrando un circuito. El elemento mvil comnmente regresa a su posicin original por la accin de un resorte, cuando la bobina es desenergizada.Los solenoides son dispositivos econmicos y confiables. Entre sus aplicaciones comunes estn las vlvulas, switches mecnicos, rels y otros actuadores de dos posiciones. Un solenoide requiere de una corriente suficiente para magnetizar el ncleo de hierro, adems existen limitaciones de esfuerzo mecnico del solenoide, debido a que la bobina puede llegar a una saturacin.Actuadores hidrulicosLos actuadores hidrulicos usan el poder hidrulico de un lquido presurizado. Debido a que elevadas presiones (del orden de 5000 psi) pueden ser empleadas, para generar elevadas fuerzas y torques mecnicos en varios puntos de manera simultnea. La fuerza lmite de un actuador hidrulico es de orden y magnitud mucho ms elevada que la de cualquier actuador electromagntico. sta es la principal ventajas de los actuadores hidrulicos. Otra ventaja es la fcil eliminacin de calentamiento en el sistema, al movilizar el fluido calentado a otra parte del sistema, como un intercambiador de calor. Sin embargo, tambin existen varias desventajas, los sistemas hidrulicos presentan ms no-linealidades que los sistemas electromecnicos. La sincronizacin de sistemas con mltiples actuadores tambin puede ser ms compleja. Actualmente, sistemas de potencia en miniatura con avanzados controladores digitales son empleados en numerosas aplicaciones compitiendo con sistemas de motores de CA y CD.PistonesEl ms comn actuador hidrulico es el actuador compuesto por un pistn y un cilindro. Un diagrama esquemtico del dispositivo se muestra a continuacin. Sistemas neumticos Los sistemas neumticos de control operan de manera muy similar a los hidrulicos. El diseo de las bombas neumticas (compresores), vlvulas y actuadores tambin es similar. Las diferencias bsicas son las siguientes: El fluido de trabajo es aire, y es un fluido compresible. Por lo tanto los efectos de transferencia de calor y compresibilidad deben ser tomados en cuenta en el anlisis de los sistemas neumticos. La salida del actuador y entrada a la bomba o compresor, estn expuestas a la atmsfera por lo que no se requieren tanques de almacenamiento de fluido.Los sistemas neumticos son empleados para trabajos de media y pequea potencia (aire presurizado entre 500kPa y 1MPa). Sus desventajas con el ser sistemas con mayor no linealidad y menos precisin que los hidrulicos, no poseen las caractersticas de auto lubricacin de los sistemas hidrulicos y al compresor requiere de un sistema de enfriamiento. Debido a las que es ms sencillo el control de are presurizado, los sistemas neumticos tienden a ser mas econmicos que los sistemas hidrulicos, adems son ms amigables con el medio ambiente, ms limpios y la fuga del fluido no causan condiciones peligrosas de trabajo.

BibliografaInstrumentacin electrnica, M. A. Prez, J. C. lvarez, J. C. Campo, F. L. Ferrero, G. J. Grillo, Ed Thomson, 2004Sensors and Actuators Control System Instrumentation, Clarence W. de Silva, Ed. CRC Press, 2007.Instrumentacin Industrial 8va Ed, Creus, Antonio, Grupo Editor Alfaomega, 2011.Ingeniera de control moderna 5ta Ed, Katsuhiko Ogata, Ed. Pearson.

Bibliografa Onlinehttp://automation-renew.blogspot.mx/2013_01_01_archive.html (simbologa)http://www.emagister.com/uploads_courses/Comunidad_Emagister_64950_Curso_de_Instrumentacion.pdf