instrumentacion industrial taller ie 01 2006

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INSTRUMENTACIÓN

ELECTRÓNICA.

Instrumentación y Medición

Bucaramanga, Febrero15 de 2006

Universidad Industrial de Santander

José Amaya Palacio. [email protected]

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]



INTRODUCCIÓN

Los instrumentos de control están universalmente aceptados. Hoy en día es inimaginable la existencia de una industria moderna sin instrumentos .

En la industria, la ciencia, la medicina, etc, se presenta, pues, repetidamente la necesidad de conocer y entender el funcionamiento de los instrumentos y el papel que juegan

dentro del control de procesos. Para la Conceptualización de esta importante área del conocimiento se examinarán primero los términos que definen

a los instrumentos y un código para su identificación, seguidamente los tipos de transmisores y un estudio de lasvariables medidas y controladas en diferentes procesos, así como de los elementos de control y el control automático.

Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones



INTRODUCCIÓN

Se pretende en la etapa de Conceptualización involucrar también una descripción de la evolución que ha idoexperimentando la instrumentación en los últimos años,

análisis de los errores en los instrumentos y como es deesperarse de las aplicaciones.

Algunas novedades incorporadas en la industria fueron el

perfeccionamiento del control distribuido , aparecidoinicialmente en 1975 , la aparición del transmisor inteligente1983, y el transmisor inteligente digital 1986, la aplicación masiva del microprocesador en todos los campos, con las

espectaculares mejoras en los instrumentos de medición y control que de una precisión en la variable medida clásica de±0.5% han pasado a ±0.1% y el perfeccionamiento del control avanzado , del control por redes neuronales y del control porlógica difusa.




INTRODUCCIÓN

El esfuerzo por realizar la etapa de fundamentación se justifica en el hecho de que a pesar de la aplicación masiva el microprocesador en el campo del control de procesos

industriales, lo realmente importante a la vista de los avances tan espectaculares con que evoluciona exponencialmente la técnica, es la comprensión del funcionamiento e interrelación

de los instrumentos de medición y control. Por esto se pretende adentrarse en el funcionamiento básico de losinstrumentos neumáticos y electrónicos y partir de esta base

para el estudio del avance desarrollado en torno a este campo.




1. DEFINICIONES BÁSICAS

Los instrumentos de control empleados en la industria de procesos tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc. , tienen su propia

terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las dinámicas y estáticas de los diversos instrumentos utilizados:- Indicadores, Registradores,Controladores, Transmisores y válvulas de control.

La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades queintervienen directa o indirectamente en el campo de la

instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por la SAMA ( Scientificic Apparatus Makers Association ) en su norma PMC 20-2-1970 . Se representan en la Figura 1.





1. CAMPO DE MEDIDA (RANGE)

Espectro o conjunto de valores de la variable medida que

están comprendidos dentro de los límites superior e inferior dela Capacidad de medida o de transmisión del instrumento;viene expresado estableciendo los dos valores extremos.

2. ALCANCE (SPAN) Es la diferencia algebraica entre los valores superior einferior del campo de medida del instrumento.

3. ERROR

Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido

por el instrumento y el valor real de la variable medida.





4. INCERTIDUMBRE EN LA MEDIDA (UNCERTAINTY) Es la dispersión de los valores que pueden ser atribuídos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. En

el cálculo de la incertidumbre intervienen la distribuciónestadística de los resultados de series de mediciones, las características de los equipos, etc.

5. EXACTITUD Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud.

6. PRECISIÓN (ACCURACY) Es la tolerancia de la medida o de transmisión del instrumento(intervalo donde es admisible que se sitúe la magnitud de la

medida), y define los límites de los errores cometidos cuando





el Instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un periodo de tiempo determinado (normalmente 1 año).

7. ZONA MUERTA (DEAD ZONE O DEAD BAND)

Es el campo de valores de la variable que no hace variar laindicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que

no produce su respuesta. Viene dada en tanto por ciento del alcance de de la medida.

8. SENSIBILIDAD (SENSITIVITY).

Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzadoel estado de reposo.




INTRODUCCIÓN

9. REPETIBILIDAD (REPEATIBILITY)

Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma

o del índice o de la señal de salida, del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo.

10. HISTÉRESIS (HYSTERESIS)

Es la diferencia máxima que se observa en los valores

indicados por el índice o pluma del instrumento para el mismovalor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos ascendente y

descendente.




INTRODUCCIÓN

ELEMENTOS PRIMARIOS: Contacto con la variable.

TRANSMISORES: Captar y transmitir a distancia.

TRANSDUCTORES: Transforman variable de entrada.CONVERTIDORES: Convierte señales. General.

RECEPTORES: Recibir y registrar.CONTROLADORES: Comparan con valor prefijado.

ELEMENTO FINAL DE CONTROL: Modifica el agente de control.

RANGEABILIDAD: Es el cociente entre valor de medida

superior e inferior de un instrumento.




EQUIPOS DEL LABORATORIO


TRANSMISOR DE PRESIÓN TRANSMISOR DE PRESIÓN





MANÓMETROTRANSMISOR DE PRESIÓN

DIFERENCIAL





TRANSMISOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL





SWITCH DE PRESIÓN





PLATINA DE ORIFICIO





VÁLVULA SOLENOIDE





SENSOR DE TEMPERATURA





CELDA DE CARGA

S





CELDA DE CARGA






RTD´s






STRAIN GAUGE






TRANSMISOR DE PRESIÓN






STRAIN GAUGE






CONTROLADOR UNIVERSAL UDC-3000






DISPLAY LCD






PLATINA DEORIFICIO






TUBERÍA DE PRESIÓN

TRANSMISORES



TRANSMISORES


TRANSMISORES



NSM SO S


TRANSMISORES




TRANSMISORES




GOBERNADOR MECANICO

COMPLEJIDAD DE

LA SOLUCION

MECANICA ELECTRICA

ANALOGICA

ELECTRICA

DIGITAL

MECANICA ELECTRICA

ANALOGICA

ELECTRICA

DIGITAL

COMPLEJIDAD DE

DEL PROBLEMA DE

CONTROL

TRANSMISORES




GOBERNADOR MECANICO

TIPOS DE GOBERNADORES

MecánicoMecánico / Hidráulico

Mecánico / Neumático

Electrónico / Hidráulico

GOBERNACIÓN ELECTRÓNICA




TRI-SEN TS310

ENTERCLEAR

STOP

START

F 1

F 2

F3

7

5

21

64

98

3

.0

8.8.8.8.8.8.8.8. ^ ^ ^ ^

M 306Servocontrol

Extracción

M 306Servocontrol

Admisión

RPM

Transmisor

Extracción

Transmisor

de Vacío

Pickups

V a p o r # 1 6 5

E x h o s t o

Transmisor

Admisión

Transmisor

Aceite Gob.

TURBINATURBINA GENERADORGENERADOR

V a p o r # 4 0 0

M

CTsTMw

PTs

Transductor

de Megavatios

8.8.8.

Indic. Vacio

en Tablero

MCC480 v

Aj. Man.

Aj. Auto

Aj. P.F

PPT2400 / 160 V

A.C

D.C

H P U

UPS De Generadorde Emergencia

120 V AC

1 2 3 4 5 6 7

PSNo. 1Fuente 24 V

PSNo. 1Fuente 24 V

A Transmisoresde Presión

A Panel Alarmas yRegist. De Vapor

A Transductor de MwA Tacometro Local

TRANSMISORES




TRANSMISORES




ERROR




Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de lavariable medida. Si el proceso está en condiciones de

régimen permanente existe el llamado error estático . En condiciones dinámicas el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características comunes a los procesos físicos: absorben energía del proceso y esta transferencia

requiere tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato.

ERROR




Cuando una medición se realiza con la participación de varios instrumentos, colocados unos a continuación de otros, el valor final de la mediciónestará constituido por los errores inherentes a cadauno de los instrumentos.

Si el límite del error relativo de cada instrumento es:± a , ± b , ± c , ± d , etc., el máximo error posible en la

medición será la suma de los valores anteriores, es

decir: ±(a+b+c+d...).

ERROR




Como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo tiempo su error máximo en todas las circunstancias de la medida, suele tomarse como

error total de una medición la raíz cuadrada de la suma algebraica de los cuadrados de los errores máximos de los instrumentos:

Κ ++++±=2222 d c b ae

INCERTIDUMBRE




Es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.

Cuando se dispone de una sola medida laincertidumbre es:

σ⋅=

K i Donde: K es un factor que depende del nivel de confianza. (K=2 para 95%).

σ es la desviación típica del instrumento indicada porel fabricante.

EXACTITUD Y PRECISIÓN




Exactitud se refiere al grado de aproximación o conformidad al valor real de la cantidad medida. Precisión es el grado de concordancia dentro de un grupo de mediciones o instrumentos.

La precisión se compone de dos características:

conformidad y el número de cifras significativas conlas cuales se puede realizar la medición. El error

creado por las limitaciones de la escala es un error de

precisión.

cifras significativas:





cifras significativas:Una indicación de lo preciso de las mediciones se obtiene a partir del número de cifras significativas con las cuales se expresan los resultados. Estas cifras proporcionan información real relativa a la magnitud y precisión de las mediciones de una cantidad.

68 Ω significa que está más cerca de 68 Ω que de 67 Ω ó de 69Ω.

68,0 Ω significa que se está más cerca de 68,0 Ω que de 67,9Ω ó de 68,1 Ω ..

Población de 380 000 habitantes. (dos cifras significativas) Los ceros a la izquierda del punto decimal causanincertidumbre, aspecto que se resuelve con la notación

científica.





cifras significativas:Cuando se suman dos o más mediciones con diferentes grados de exactitud, el resultado es tan exacto según lo sea la

medición menos exacta.

R1=18,7 Ω (tres cifras significativas) y R 2=3,624 Ω(cuatro cifras significativas)

R1+R 2=22,3 Ω .

El número de cifras significativas en una multiplicación se

pueden incrementar rápidamente, pero sólo las cifras apropiadas se presentan en la respuesta.

TIPOS DE ERROR




Los errores (en la medición) pueden provenir de diferentes fuentes y por lo general se clasifican en tres grandes grupos:

1. Errores Gruesos: Son en gran parte de origen humano,

como mala lectura de los instrumentos, ajuste incorrecto y aplicación inapropiada, así como equivocaciones en los cálculos.

2. Errores sistemáticos: se deben a fallas de los instrumentos, como partes defectuosas o gastadas, y efectos ambientales sobre el equipo del usuario.

3. Errores Aleatorios: ocurren por causas que no se puedanestablecer directamente debido a variaciones aleatorias enlos parámetros o en los sistemas de medición.

ERRORES GRAVES




Se deben principalmente a fallas humanas en lalectura o en la utilización de los instrumentos, así

como en el registro y cálculo de los resultados de las

mediciones.

Uso inapropiado del instrumento. Conexión de un

voltmetro bién calibrado a una resistencia de elevadovalor.

Tomar múltiples lecturas.

ERRORES SISTEMÁTICOS




Por lo general se dividen en dos categorías:1). Errores instrumentales

Son inherentes a los instrumentos a causa de suestructura física.

Seleccionar adecuadamente el instrumento, aplicar factores de corrección y calibrar con un instrumento patrón.

2). Errores ambientalesCondiciones externas que afectan la operación.Temperatura, humedad, presión, interferencias, etc.

ERRORES SISTEMÁTICOS




Los errores sistemáticos también se pueden subdividir en estáticos o dinámicos.

Estáticos: se originan por las limitaciones de los dispositivos de medición o las leyes físicas que gobiernan su comportamiento.

Dinámicos: Se producen cuando el instrumento no responde con suficiente rapidez a los cambios de la

variable medida.

ERRORES ALEATORIOS




Se deben a causas desconocidas y ocurren incluso cuando todos los errores sistemáticos se han considerado.

Aunque el instrumento es operado en condiciones ambientales ideales y se calibró antes de la medición,

las lecturas varían ligeramente durante el periodo de observación.

Incrementar el número de lecturas y usar mediosestadísticos para obtener la mejor aproximación al valor real de la cantidad medida.

ANÁLISIS ESTADÍSTICO




Es una práctica común ya que permite obtener una determinación analítica de la incertidumbre del resultado final. Se necesita un gran número de

mediciones. Los errores sistemáticos deben ser pequeños en comparación con los errores residuales o errores aleatorios, ya que el tratamiento estadístico de datos no puede eliminar tendencias fijas contenidas en las mediciones.

MEDIA, DESVIACIÓN, DESVIACIÓ ESTÁNDAR, VARIANZA.





MEDIA ARITMÉTICA:

DESVIACIÓN DE LA MEDIA:

DESVIACIÓN PROMEDIO:

DESVIACIÓN ESTÁNDAR: VARIANZA.

n x x x x x

x nΛ++++=

4321

x x d x x d x x d n n −=−=−= ;; 2211

n

d d d d d D nΛ++++

=4321

1

22

4

2

3

2

2

2

1

−

++++=

n

d d d d d nΛσ





VARIANZA: La varianza es una cantidad conocida de gran

utilidad en la realización de muchos cálculos, ya quelas varianzas son aditivas.

La desviación estándar tiene la ventaja de tener las mismas unidades que la variable, lo que facilita la comparación de magnitudes.

La mayoría de resultados científicos se expresan en términos de desviación estándar.

2σ=V

PROBABILIDAD DE ERRORES




Distribución normal de los errores: El resultado de una serie de mediciones puede ser presentado gráficamente como diagrama de bloques o histograma.

La ley normal o gaussiana constituye la base del estudio analítico de los efectos aleatorios.

a).Todas las observaciones incluyen pequeños efectos de distorsión, llamados errores aleatorios.

b).Los errores aleatorios pueden ser positivos o negativos.

c). Hay igual probabilidad de errores aleatorios positivos o negativos.





Distribución normal de los errores: Error probable: El área bajo la curva de probabilidad de Gauss, entre los límites -∞ y +∞ , representa el número entero de observaciones; el área bajo la curva entre los límites -σ y +σ , representa los casosen que se difiere de la media por no más que la

desviación estándar. Para datos distribuidos normalmente, y según la distribución de Gauss, alrededor del 68% de todos los casos queda entre los

límites de -σ y +σ de la media. Error probable r=±0,6745 σ





Distribución normal de los errores: Error probable: r=±0,6745σ

Este valor es probable en cuanto que hay igual probabilidad de que alguna observación tenga unerror aleatorio no mayor que ± r. El error probable

fue utilizado en trabajos experimentales, sinembargo, actualmente se prefiere la desviación

estándar en trabajos estadísticos.





Errores Límite: En la mayoría de los instrumentos de indicación, laexactitud está garantizada por un cierto porcentaje

de la lectura en plena escala. Los componentes de un circuito (C, R, L , etc) están garantizados dentro de cierto porcentaje de su valor nominal.

Los límites de las desviaciones de valoresespecificados se conocen como errores límite o

errores de garantía .Se aconseja hacer mediciones tan cercanas a la

deflexión total como sea posible.

TÉCNICAS Y APARATOS DE MEDIDA




Errores y clases de los aparatos de medida: Los valores de la magnitud medida son distintos del valor real de dicha magnitud. Estos errores se

pueden cuantificar de manera absoluta o relativa.

Error Absoluto: El error absoluto F a , es la diferencia

entre el valor indicado, Ai , por el aparato de medida yel valor real, A r , de la magnitud medida.

Error Relativo: El error relativo F r , es el cociente entreel error absoluto, F a , y el valor máximo, A max , de la

escala del aparato de medida.

ri a A A F −=





Errores y clases de los aparatos de medida: Error Relativo:

También se especifica en porcentaje:

Se utiliza en aparatos de medida que tienen la escalauniforme.

maxmax A A A

A F

F ri a r

−==

100max

% ⋅

−

= A A A

F ri r


Tipos de escalas




Tipos de escalas





Cuando el aparato de medida tiene el cero en laescala:

Cuando la escala del aparato de medida recoge una

porción de la magnitud a medir:

Los errores relativos obtenidos con las expresiones

anteriores se utilizan para clasificar los instrumentosen clases de precisión.

1002max1max

% ⋅−

−=

A A A A

F ri r

100minmax

% ⋅

−

−=

A A

A A F ri

r

TRANSMISORES




TRANSMISORES




ERRORES LÍMITE

E i d




Exactitud

ERRORES LÍMITE

E tit d




Exactitud

SISTEMAS DE UNIDADES

E tit d




Exactitud

SISTEMA INTERNACIONAL DEUNIDADES

E tit d




Exactitud

EJERCICIO

En un volt metro con sensibilidad de 1 000 /V se




En un volt-metro con sensibilidad de 1 000 Ω /V selee 100 V en la escala de 0-150 V conectado a través de una resistencia desconocida en serie con un mili-

ampére-metro. Cuando el mili-ampére-metro indica 5mA , calcúlese:

a). El valor de la resistencia aparente desconocida. b). El valor real de la resistencia desconocida.

c). El error debido al efecto de carga del volt-metro.

1. REFLEXIONES

• ¿Q é s t a sd t ?



• ¿Qué es un transductor?


Un transductor es

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