notas de smc 2011 bueno 1a parte

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CETI TONALA SISTEMAS DE MEDICIN Y CONTROL ING. CACAMA SOLIS PEAFIEL

NOTAS DE SISTEMAS DE MEDICIN Y CONTROL

Ing. Cacama Solis Peafiel

CETI Plantel Tonal

Propsito de este material

Notas de Sistemas de Medicin y control est dirigido a los estudiantes de sexto semestre

de la carrera de Tecnlogo en Informtica y Computacin para facilitar al alumno el estudio de una

manera sencilla, con conceptos y ejemplos de aplicacin con diagramas y grficas, muy adecuados

a su nivel.

Febrero de 2012

Revisado por la academia de Electrnica Analgica

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SISTEMAS DE MEDICIN Y CONTROL CONTENIDO DEL CURSO PG. UNIDAD 1 SISTEMAS DE MEDICIN 1.1 Introduccin y conceptos

1.1.1 Importancia de los Sistemas de Medicin. 1.1.2 Elementos de un Sistema de Medicin. 1.1.3 Elementos de un Sistema de Control. 1.2 Variables Fsicas.

1.2.1 Introduccin y Conceptos. 1.2.2 Unidades 1.3 Sensores y Transductores

1.3.1 Elemento Primario 1.3.2 Transductores 1.3.3Terminologa y Caractersticas estticas y dinmicas de los sensores. 1.4 Acondicionamiento de seales.

1.4.1 Circuitos puente. 1.4.2 Amplificacin. 1.4.3 Linealizacin 1.4.4 Filtrado 1.5 Mtodos de medicin de variables de proceso.

1.5.1 Mediciones Directa e indirecta. 1.5.2 Medicin de nivel, caudal, presin, temperatura, velocidad angular. 1.6 Sistemas de adquisicin de datos.

1.6.1 Etapas de un sistema de adquisicin de datos. 1.6.2 Presentacin de datos. UNIDAD 2 SISTEMAS DE CONTROL 2.1 Control

2.1.1 Definicin de Proceso y Control. 2.1.2 Objetivos del control 2.2 Tipos de control

2.2.1 Control Manual 2.2.2 Control Automtico

2.3 Variables de control

2.3.1 Variable Medida 2.3.2 Variable Manipulada 2.3.3 Variable de Carga 2.4 Transmisores

2.4.1 Definicin/principio de funcionamiento. 2.4.2 Seales Estndares 2.4.3 Ganancia Estable 2.4.4 Adecuacin de Rangos 2.4.5 Transmisores 3.Inteligentes 2.5 Controlador

2.5.1 Definicin/principio de funcionamiento. 2.5.2 Set Poit. 2.5.3 Tipos de Respuestas (On/off y PID) 2.6 Elementos Final de Control

2.6.1 Clasificacin de los actuadores 2.6.2 Motores 2.6.3 Pistones 2.6.4 Vlvulas UNIDAD 3 TEORA DE CONTROL 3.1 Sistemas de Control

3.1.1 Control de Lazo abierto. 3.1.2 Control de Lazo Cerrado. 3.1.3 Caractersticas de la retroalimentacin.

3.2 Algebra de Control

3.2.1 Diagramas de Bloques 3.2.2 Simplificacin de diagrama de bloques.

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NOTAS DE SISTEMAS DE MEDICIN Y CONTROL

UNIDAD I SISTEMAS DE MEDICIN. El alumno seleccionar y aplicar distintos sensores y transductores, mediante circuitos de acondicionamiento de seal para ser integrado a un sistema de control. 1.1 Introduccin y conceptos

Explicar la importancia de los sistemas de medicin y control, mediante descripcin de ejemplos para motivar el inters por la asignatura.

Identificar los elementos de un sistema de medicin y control en lazo abierto y en lazo cerrado, mediante la descripcin de los conceptos y aplicaciones bsicas, como fundamento de temas posteriores.

1.1.1 Importancia de los Sistemas de Medicin y Control Los procesos industriales son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: los

productos derivados del petrleo, los productos alimenticios, la industria cermica, las centrales generadoras de energa, la siderurgia, los tratamientos trmicos, la industria papelera, la industria textil, etc. En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presin, el caudal, el nivel la temperatura, el P.H., la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de roco, etc.

Figura 1.1 Sistemas de medicin y control

Los instrumentos de medicin y de control permiten el mantenimiento y la regulacin de estas variables de proceso. El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condicin a controlar con un valor deseado y toma una accin de correccin de acuerdo con la desviacin existente sin que el operario intervenga en absoluto.

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1.1.2 Elementos de un sistema de medicin

En un sistema de medicin, su entrada es la magnitud que se desea medir y su salida es el valor correspondiente de dicha magnitud. En un termmetro, la entrada es la temperatura y la salida es el nmero que aparece en una escala.

Figura 1.2 Ejemplo de un sistema de medicin

El objetivo de un sistema de medicin es presentar a un observador un valor numrico

correspondiente a la variable que se mide.

Figura 1.3 Estructura general de un sistema de medicin

En un sistema de medicin el elemento sensor detecta el valor de la variable, el elemento

acondicionador de seales adapta la seal proveniente del sensor para que el elemento procesador de seales la interprete dentro del rango de valores ya sea analgica o digital, y posteriormente el elemento presentador de datos despliegue el valor en una pantalla.

1.1.3 Elementos de sistemas de control

Un sistema de control sirve para controlar la salida de un valor o secuencia de valores determinados.

Figura 1.4 Ejemplo de un sistema de control

La entrada de un sistema de control de calefaccin domstica corresponder al valor de

temperatura deseada, su salida sera mantener esa temperatura si se fija en el controlador el valor de la temperatura deseada.

Figura 1.5 Elementos de un sistema de control en lazo cerrado

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Los sistemas de control se clasifican en control en lazo abierto y control en lazo cerrado. El

de lazo abierto no tiene elemento de medicin ni elemento de comparacin. En el control en lazo cerrado, el elemento de medicin entrega al elemento de comparacin una seal de retroalimentacin para ser comparado con el valor de referencia, y el elemento de control enva una seal de control al elemento de correccin para que este ejecute las acciones de correccin en el elemento proceso para realizar los ajustes necesarios para mantener la variable controlada en el valor deseado. 1.2 Variables Fsicas.

Los controladores o reguladores son elementos muy importantes en un sistema de control, sin embargo, para cumplir su misin precisan de seales electrnicas en las que pueden operar y que se las facilitan los transductores, captadores, y los detectores de error o comparadores. Las seales que emiten los controladores deben llegar a los elementos de trabajo o actuadores. Ello puede hacerse en forma directa, en pocas ocasiones, o en forma indirecta, ya que la potencia de la seal e incluso su naturaleza pueden no ser adecuadas (por ejemplo, la seal puede ser elctrica, y el actuador puede ser neumtico). Si bien la seal de control puede ser de tantos tipos como fuentes de energa conocemos (lumnica, sonora, elctrica, etc.), en este apartado utilizamos las de tipo elctrico, ya que junto con las neumticas son las que mejor se adaptan a los entornos industriales para transportar la informacin (ltimamente estn tomando auge las luminosas gracias al desarrollo de la fibra ptica). Por tanto ser preciso utilizar algn sistema que permita transformar las magnitudes anteriormente comentadas a otras de tipo elctrico y viceversa. Las variables fsicas que se consideran en los sistemas de medicin y control son en general todas aquellas que se encuentran involucradas, por ejemplo, en la generacin de electricidad se consideran: la corriente de excitacin, el voltaje generado, la frecuencia, la velocidad del eje del generador, la presin del vapor que mueve las turbinas, la temperatura del vapor, etc.

Figura 1.6 Variables fsicas

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1.2.1 Introduccin y conceptos 1.2.2 Unidades En este apartado recordaremos brevemente algunas definiciones de variables y las unidades empleadas para su medicin. Nivel

En la industria, la medicin de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideracin del balance adecuado de materias primas o de productos finales. El nivel se mide en unidades de longitud, y nos expresa la cantidad de material contenida en un depsito. Temperatura

La medida de temperatura constituye una de las medidas ms comunes y ms importantes que se efectan en los procesos industriales.

Variable de estado que caracteriza el estado trmico de los cuerpos, es proporcional a la energa cintica media de las molculas. Se mide en grados: (C), Kelvin (K) y Rankine (R). Presin Se define la presin como el cociente entre el valor de una fuerza que acta perpendicularmente a una superficie y el rea de dicha superficie.

P = F / S

Donde: P = presin F = fuerza perpendicular a una superficie S = rea de la superficie en la que acta la fuerza

Las unidades en las que se expresa la presin pueden ser:

1 Bar equivale a

Para aplicaciones neumticas se admiten las siguientes equivalencias:

Caudal Se define el caudal como el volumen de fluido que atraviesa una determinada seccin transversal de una conduccin por cada unidad de tiempo

Donde: Q = caudal, V = volumen, S = seccin transversal, l = longitud, t = tiempo, v = velocidad

Las unidades pueden ser: Metros cbicos por hora, Litros por minuto, Litros por segundo, etc. Velocidad Se llama velocidad a la relacin que existe entre la relacin de espacio y la variacin del tiempo en un proceso de movimiento.

La velocidad se mide en unidades de espacio recorrido sobre tiempo. Si el movimiento es lineal, las unidades pueden ser: Metros por segundo, Centmetros por segundo, etc.

v = d / t

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donde: v = velocidad lineal, d = espacio o distancia, t = tiempo

Si el movimiento es giratorio, se llama velocidad angular y las unidades pueden ser

Revoluciones por minuto (rpm), Grados por segundo, etc.

Iluminacin La intensidad se mide en foot-candles , un foot-candle es igual a aproximadamente 10.74 lux. 1.3 Sensores y transductores. Aplicar el sensor adecuado de acuerdo a las necesidades de medicin en base a las caractersticas del mismo, para implementar un sistema de medicin y control.

El trmino sensor se refiere a un elemento que produce una seal relacionada con la cantidad que se est midiendo. Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia elctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura en un cambio de resistencia.

Figura 1.7 Sensores y transductores

Con frecuencia se utiliza el trmino transductor en vez de sensor. Los transductores se definen como el elemento que al someterlo a un cambio fsico experimenta un cambio relacionado. Es decir, los sensores son transductores. Sin embargo en un sistema de medicin se pueden utilizar transductores adems de sensores, en otras partes del sistema para convertir seales de una forma dada en otra distinta.

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1.3.1 Elemento Primario. En un sistema de medicin, el elemento sensor est en contacto con el proceso y genera

una salida, la cual depende de alguna manera de la variable por medir. Son ejemplos: el termopar, donde la fem en milivoltios depende de la temperatura; el calibrador de deformacin, donde la resistencia depende de la distensin mecnica; la placa con orificio, donde la disminucin de presin depende de la tasa de flujo.

Si hay ms de un elemento sensor en el sistema, el elemento de contacto con el proceso se denomina sensor primario; a los otros se les conoce como sensores secundarios.

Los transmisores captan la variable de proceso a travs del elemento primario, transforma la seal que sale del sensor, la convierte en seal normalizada y la transmiten a distancia en forma de seal neumtica de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrnica de 4 a 20 mA de cd.

1.3.2 Transductores.

La regulacin y control de procesos y sistemas industriales depende de la precisin de las medidas. En los sistemas industriales el dispositivo que realiza las medidas es el transductor. La transduccin es el proceso de convertir una energa de una forma a otra. Un transductor es un dispositivo que convierte lo que se mide en una salida que facilita la medida. Un transductor convierte una variable (Flujo de fluido, temperatura, humedad, etc.) en un anlogo de la variable. Los transductores que se tratan usualmente en la industria dan una salida elctrica.

Figura 1.8 Sensores y transductores en la medicin de nivel

Ejemplos de sensores y transductores de nivel: a. Conexin directa. La pesa acoplada al flotador se desplaza a lo largo de la escala. b. Acoplamiento magntico. Los imanes se desplazan acopladas a un mecanismo. c. Transmisor. El flotador se desplaza acoplado hidrulicamente.

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Figura 1.9 Sensores y transductores en la medicin de temperatura

Ejemplos de sensores y transductores de temperatura

Termopar. En contacto con la fuente de calor entrega un milivoltaje.

Puente de Wheatstone. Un termistor detecta los cambios de temperatura y se muestra el valor en una escala con una aguja.

Figura 1.10 Sensores y transductores en la medicin de presin

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Ejemplos de sensores y transductores de nivel: a. Tubo de Bourdon. Est en contacto directo con la presin. b. Bourdon acoplado a un potencimetro. Un cambio de presin produce una deformacin del

mismo, y a la vez produce un cambio proporcional en la resistencia en el cursor.

Figura 1.11 Sensores y transductores de velocidad

Ejemplos de sensores y transductores de velocidad:

a. Tacmetros analgicos. Un cambio en la velocidad del eje produce un cambio proporcional en el voltaje generado, que se muestra en el voltmetro.

1.3.3 Terminologa y caractersticas estticas y dinmicas de los instrumentos Campo de medida (range)

Espectro o conjunto de valores de la variable medida que estn comprendidas dentro de los lmites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisin del instrumento; viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Por ejemplo: el campo de medida del instrumento de temperatura de la fig. 1.12 es de 100-300 C.

Alcance (span)

Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En el instrumento de temperatura de la figura 1.3 su valor es de 200 C. Error

Es la diferencia algebraica entre el valor ledo o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. En condiciones dinmicas el error vara considerablemente debido a que los instrumentos tienen caractersticas comunes a los sistemas fsicos.

El error dinmico es la diferencia entre el valor instantneo de la variable y el indicado por

el instrumento, y su valor depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primario (termopar, bulbo capilar), de los medios de proteccin, etc.

El error medio es la media aritmtica de los errores en cada punto de la medida determinada para todos los valores creciente y decreciente de la variable medida

Precisin (accuracy)

La precisin es la tolerancia de medida o de transmisin del instrumento y define los lmites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio.

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Figura 1.12 Definiciones de los instrumentos

Formas de expresar la precisin: a. Tanto por ciento del alcance. Ejemplo: en el instrumento de la figura 1.12, para una lectura de

150 C y una precisin de ms menos 0.5%, el valor real de la temperatura estar comprendido entre 149 y 151 C.

b. Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: precisin de + 1 C. c. Tanto por ciento de la lectura efectuada. Ejemplo: precisin de +1% de 150 C, es decir, +

1.5 %. d. Tanto por ciento del valor mximo del campo de medida. Ejemplo: precisin de +0.5 % de 300

C es +1.5 %. e. Tanto por ciento de la longitud de la escala. Ejemplo: si la longitud de la escala es de 150mm,

la precisin de +0.5% representar +0.75 % de la escala.

Un ejemplo ilustrativo de la diferencia entre exactitud y precisin es un manmetro de escala 0-10 bar que repita la medida de 5 bar muchas veces en las mismas condiciones, dar diferentes lecturas alrededor de 5 bar. El manmetro ser mucho ms exacto cuando ms prximo

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est el valor de la medida al valor verdadero de 5 bar y ser ms preciso cuanto menos es la dispersin de las medidas.

Zona muerta (dead zone o dead band) Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicacin o la seal de salida

del instrumento, es decir, que no produce su respuesta. Viene dado en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo, si el instrumento de la figura 1.12 es de + 0.1%, es decir, de 0.1 x 200/100 = + 0.2 C.

Sensibilidad (sensitivity)

Es la razn entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que la ocasiona, despus de haberse alcanzado el estado de reposo. Por ejemplo, si un transmisor electrnico de 0 10 bar, la presin pasa de 5 a 5,5 bar, y la seal de salida de 11.9 a 12.3 mA, la sensibilidad es = + 0.5 mA c.c./bar

Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Si la sensibilidad del instrumento de temperatura de la figura 1.12 es de 0.05 %, su valor ser de 0.05 x 200 / 100 = + 0.1 C / C.

Repetibilidad (repeatibility)

La repetibilidad es la capacidad de reproduccin de las posiciones de la pluma, o del indicador, o de la seal de salida del instrumento al medir repetidamente valores idnticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variacin, recorriendo todo el campo. Un valor representativo es de + 0.1%. Ntese que el trmino repetibilidad no incluye la Histresis. Histresis (hysteresis) La histresis es la diferencia mxima que se observa en los valores indicados por el indicador o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. por ejemplo, si en un termmetro de 0 a 100%, para el valor de la variable de 40 C , la aguja marca 39.9 al subir la temperatura desde 0, e indica 40.1 al bajar la temperatura desde 100 C, el valor de la histresis es de

((40.1 39. 9) / (100 0)) x 100 = + 0.2 %

Las curvas de histresis que estn dibujadas exageradamente para apreciar bien su forma. Hay que sealar que el trmino zona muerta est incluido dentro de la histresis.

1.4 Acondicionamiento de seales

Implementar el acondicionamiento de seal adecuado mediante la aplicacin de circuitos electrnicos para obtener una medicin acorde a la variable medida.

El elemento acondicionador de seales, toma la salida del elemento sensor y la convierte en una forma ms adecuada para un procesamiento adicional, por lo general en una seal de frecuencia, de corriente directa o de voltaje de cd. Son ejemplos: el puente de deflexin, que convierte un cambio de impedancia en un cambio de voltaje; un amplificador que transforma milivoltios en voltios; un oscilador que convierte un cambio de impedancia en un voltaje de frecuencia variable

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1.4.1 Circuitos puente. Puente de Wheatstone El puente de Wheatstone se utiliza para convertir un cambio de resistencia en uno de

voltaje. Se pueden tener aplicaciones cuando el sensor es un elemento resistivo, como son los deformmetros, los termistores y los fotorresistores.

Figura 1.13 Puente de Wheatstone

Cuando el voltaje de salida Vo es 0V el potencial en B debe ser igual al potencial en D. La

diferencia de potencial en R1, es decir VAB, debe ser igual a la diferencia en R3, o sea, VAD. Por lo

tanto, I1R1 = I2R2. Tambin significa que la diferencia de potencial en R2, es decir; VBC, debe ser

igual a la de R4, es decir, VDC. Dado que en BD no hay corriente, la de R2 debe ser igual a la de R1

y la corriente en R4 debe ser igual a la de R3. Por consiguiente, I1R2 = I2R4. Dividiendo las dos

ecuaciones se tiene:

Se dice que el puente est balanceado. Consideremos qu sucede cuando una de las resistencias cambia su condicin de balance. Para evaluar la salida del circuito tenemos:

Adems:

La salida del circuito ser:

Si la resistencia R1 del sensor experimenta un cambio de resistencia de R1 a R1+ R1, produce un cambio en la salida de Vo a Vo + Vo, donde:

Por lo tanto:

Si R1 es mucho menor que R1, la ecuacin anterior se aproxima a

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Con esta aproximacin, el cambio de voltaje de salida es proporcional al cambio en la resistencia en el sensor. Se dice que el puente est ligeramente desbalanceado.

1.4.2 Amplificacin.

Figura 1.14 Amplificador diferencial

El amplificador diferencial amplifica la diferencia entre dos voltajes de entrada. Las dos entradas

X estn al mismo potencial. Y tenemos:

La misma corriente que pasa por R2 pasa tambin por R1. Por lo tanto:

La cual se puede reordenar para obtener:

Sustituyendo Vx:

Es decir, la salida es una medida de la diferencia entre los dos voltajes de entrada,

Una aplicacin es en un termopar. La diferencia de voltajes en las fem de las dos uniones del termopar se amplifica.

Figura 1.15 Amplificador diferencial con termopar

En la realidad existe un voltaje en modo comn, VMC que entra por ambas entradas, por lo

tanto la salida es:

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Donde Gd es la ganancia de la diferencia de voltaje V, GMC la ganancia del voltaje en modo comn.

El grado de desviacin de un amplificador operacional respecto a una situacin ideal se define mediante la relacin de rechazo de modo comn (RRMC)

Para reducir el efecto del voltaje de modo comn a la salida es necesario utilizar un RRMC grande, digamos de unos 10 000, que en decibelios sera igual a:

20 log 10 000 = 80 dB

Un amplificador de instrumentacin tpico se puede obtener en circuito integrado y puede tener una impedancia de entrada de unos 300 M, una ganancia de voltaje alta y una RRMC de ms de 100 dB.

Figura 1.16 Amplificador de instrumentacin

La entrada diferencial en A3 es de hecho cero, por lo que VY = Vx .

Por ello tenemos: As mismo:

Por lo tanto:

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Eligiendo valores adecuados se obtienen factores multiplicadores idnticos para las dos entradas de A3.

Para ello se requiere:

y, por lo tanto, R4 / R5 = R6 / R7

En el amplificador A1 la entrada es la seal diferencial Vi1 y est en su entrada no inversora la cual amplifica esta con ganancia de 1 + R3 / R1. Tambin tiene una entrada Vi2 en su entrada inversora que amplifica con una ganancia de R3/R4. Adems, A1 amplifica el voltaje en modo comn VMC, de la entrada no inversora.

Por lo tanto la salida de A1 es:

Y en A2 se obtiene:

Por lo tanto a la entrada de A3 tenemos:

Si R2 = R3 desaparece el trmino del voltaje en modo comn, y por lo tanto:

La ganancia total en la entrada es,

A3 = 1 + ( 2R2 / R1)

que en general se ajusta variando R1.

Amplificador de instrumentacin en C.I.

Figura 1.17 Amplificador de instrumentacin en C.I. 1NA 114

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1.4.2 Linealizacin y Filtrado. Linealizacin El trmino linealizacin se refiere al proceso de ajuste de los valores de salida de un sensor mediante un dispositivo auxiliar para conseguir una respuesta lineal a la salida de sistema de medicin. Actualmente es comn que la falta de linealidad de un sensor sea compensada mediante la asignacin de valores discretos en una base de datos, donde se asigna un valor de salida a cada valor de entrada del sensor, de tal manera que los cambios en la salida son proporcionales a los de la entrada aunque la grfica de respuesta del sensor no sea una lnea recta.

Figura 1.17 Seales lineales y no lineales

Filtrado

El trmino filtrado se refiere al proceso de eliminacin de una banda de frecuencias de una seal y permite que otras se transmitan. El rango de frecuencias que permite un filtro se conoce como banda de paso, y el que no pasa, como banda de supresin; la frontera entre lo que se suprime y lo que se pasa se conoce como frecuencia de corte. Los filtros se clasifican de acuerdo a

los rangos de frecuencia que transmiten o rechazan.

Un filtro pasa bajas acepta la transmisin de todas las frecuencias desde cero hasta cierto valor. El filtro pasa altas permite la transmisin de todas las frecuencias a partir de un determinado

valor hasta un valor infinito.

Figura 1.20 Caractersticas de los filtros

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El filtro pasa bandas permite la transmisin de todas las frecuencias que estn dentro de

una banda especificada.El filtro supresor de banda rechaza e impide la transmisin de todas las frecuencias de cierta banda rechaza e impide la transmisin de todas las frecuencias de cierta banda. Se utiliza bastante el filtro pasa bajas debido a que la mayor parte de la informacin til que se transmite es de bajas frecuencias. La frecuencia de corte de 40 Hz se elige para bloquear las seales de interferencia de la lnea de alimentacin comercial y el ruido en general.

Figura 1.21 Filtro pasa bajas

1.4.4 Convertidor analgico-digital

Los convertidores analgico digital (ADC por sus siglas en ingls: analog digital converter) de emplean cuando en sensor entrega a un circuito una seal analgica, por ejemplo, un puente sensor de temperatura, se debe convertir a un cdigo digital para comodidad y economa del registro de informacin y de los clculos. Los ADC se usan en la medicin y el control de los procesos industriales, en las comunicaciones digitales y en las pruebas.

Propiedades. En la conversin analgico digital la digitalizacin comienza tomando muestras de la seal analgica cada cierto tiempo, la velocidad de muestreo depende de la frecuencia de las seal de entrada, que de acuerdo al teorema de Nyquist debe de ser igual o mayor al doble de la frecuencia de la seal para garantizar la recuperacin de la forma original.

Figura 1.22 Muestreo digital y recuperacin de una seal analgica

Precisin La cuantificacin y representacin puede hacerse por cdigos de 4, 8, 12 0 16 dgitos binarios, lo que define la precisin.

Si se consideran 4 bits y un mximo de 10 V, entonces la resolucin es:

10 V / (16-1) = 0.666 V

0.666 corresponde al mnimo valor del bit de menor peso.

El error de cuantificacin se reduce aumentando el nmero de bits.

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Calibracin.

La tabla de calibracin queda como sigue:

Entrada 0000 0001 0010 1110 1111

Salida 0.000 0.666 1.123 9.333 10.00 V

Un ADC de 8 bits y 2.55 V como valor de entrada mximo tendra una resolucin de 10 mV, y la calibracin dara 256 escalones de 10 mV.

La funcin de conversin la realiza un circuito electrnico integrado. La velocidad de conversin (muestras / seg) es la velocidad con la que pueden obtenerse nuevos resultados

Aplicacin: El ADC 0804 Es un convertidor analgico digital integrado que es compatible con un microprocesador de 8 bits. Las lneas de control le indican que primero muestree y digitalice la tensin analgica entrada, y segundo, que genera la salida analgica de 8 bits que ser directamente proporcional a la seal analgica de entrada Si la tensin de entrada fuera de 2.55V, la salida binaria sera 11111111, pero si la entrada fuera 0.0 V, la salida sera 00000000.

El tiempo de conversin es menor de 100uS. Puede hacer mas de 5000 conversiones por segundo y todas las entradas y salidas son compatibles TTL. Tiene un generador de reloj basado en un capacitor y un resistor externo.

Figura 1.23 ADC integrado 0804

Cuando est en comunicacin con un microprocesador, la entrada WR en BAJO inicia el proceso de conversin, y la salida INTR en BAJO indica el trmino de la conversin.

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1.5 Mtodos de medicin de variables de proceso Analizar y utilizar mtodos de medicin de variables de proceso mediante su estudio y aplicacin 1.5.1 Mediciones directa e indirecta. 1.5.2 Medicin de nivel, caudal, presin, temperatura, velocidad angular, etc. Posicin y desplazamiento La medicin de posicin y desplazamiento es importante en la industria para el control del espesor y la tensin de hojas enrolladas de distintos materiales, para el control de sistemas de seguimiento. Las mquinas con control numrico disponen de captadores de posicin para determinar con precisin la posicin de la herramienta respecto a la pieza de forma automtica. Posicin:

Es la postura adquirida por un cuerpo en consecuencia de su desplazamiento con respecto a un punto de base. Desplazamiento:

El desplazamiento de un punto es el cambio en su posicin, y se puede definir como la distancia en lnea recta entre las posiciones inicial y final de un punto que se ha movido dentro del marco de referencia. Sensores de posicin. Potencimetro:

El potencimetro es el transductor elctrico ms comn. Consiste en un elemento resistivo y un contacto mvil (cursor) que puede posicionarse en cualquier lugar a lo largo del elemento.

Figura 1.24 Potencimetros usados en circuitos de medicin

a. Divisor de voltaje b. Circuito puente (rama) c. Circuito puente (brazo)

Linealidad: en un potencimetro lineal, un movimiento dado del cursor produce un cambio dado en

la resistencia. La linealidad se especifica en por ciento del valor del mismo.

Si se conectan a un sensor mecnico pueden convertir un movimiento mecnico en una

variacin elctrica. El potencimetro tiene aplicacin en servomecanismos de posicin cuyo

objetivo es que el ngulo de un eje acoplado a un potencimetro siga lo mejor posible a una

referencia, tambin acoplada a otro potencimetro

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Transformador diferencial de variacin lineal

El LVDT (linear variable differential transformer) da una seal de voltaje de salida que es proporcional a un desplazamiento fsico. El LVDT tiene un devanado primario y dos devanados secundarios. Tiene un ncleo magntico que puede deslizarse libremente dentro de la forma. Si el ncleo se mueve hacia la izquierda el enlace magntico ser mayor para el devanado secundario1, y el voltaje en este devanado ser mayor que en el secundario 2.

Figura 1.25 Transformador diferencial de variacin lineal (LVDT) a. Construccin b. diagrama esquemtico c. ncleo centrado

d. ncleo hacia arriba e. ncleo hacia abajo

El LVDT est construido para que la diferencia entre los dos secundarios sea proporcional

al desplazamiento del ncleo. Entre ms se mueva el ncleo, ms grande ser el voltaje de Salida.

Si el ncleo est centrado, el voltaje de salida ser nulo. Si el ncleo se mueve hacia un lado el

voltaje de salida est en fase con el de entrada; y si se mueve hacia el otro lado, El voltaje de

salida estar defasado 180 con respecto al de entrada, indicando el sentido del desplazamiento.

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Sensores de posicin en robtica

Codificacin ptica de posicin. Los encoders incrementales, tambin llamados codificadores pticos se utilizan para el clculo de la posicin angular. Bsicamente constan de un disco transparente, el cual tiene una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre s, de un elemento emisor de luz, y de un elemento fotosensible (receptor). El eje cuya posicin se va a medir va acoplado. La resolucin depende del nmero de marcas que podamos poner fsicamente en el disco

Figura 1.26 Codificacin ptica de posicin

Fotosensores.

Mediante los dispositivos fotosensibles es posible realizar mediciones de variables

industriales como turbidez, intensidad luminosa, deteccin de proximidad, de posicin angular, la

velocidad del eje de un motor, etc.

Figura 1.27 Celda fotovoltaica

a. Smbolos b. Voltaje contra Iluminacin c. Corriente contra iluminacin

Fotoceldas y dispositivos fotoelctricos

Las fotoceldas son pequeos dispositivos que producen una variacin elctrica en

respuesta a un cambio en la intensidad de la luz.

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Una celda fotovoltaica es una fuente de energa cuyo voltaje de salida vara

en relacin directa con la intensidad de la luz en su superficie.

Una celda fotoconductiva es un dispositivo pasivo incapaz de producir energa donde la corriente vara en relacin directa con la intensidad de la luz en su superficie

Deteccin de la presencia de un cuerpo opaco

En una base de todo o nada, el circuito tiene slo dos estados de salida que representan

la presencia o ausencia de un objeto. Se aplica para contar partes que viajan partes que viajan por

una banda transportadora y para evitar la operacin de un mecanismo si las manos del operador

no estn fuera de la zona de trabajo.

En una base continua, una luz continuamente variable representa la posicin variable del objeto. Se aplica para observar la orilla de una tira de material en movimiento para evitar que se desve demasiado Deteccin del grado de traslucidez o de lumniniscencia

Traslucidez: capacidad de dejar pasar la luz.

Luminiscencia. Capacidad de generar luz.

Algunos fluidos o slidos tienen alguna de estas propiedades que se aprovechan para

ayudar a determinar la temperatura, densidad y concentracin de algn compuesto qumico

especfico (monxido de carbono, dixido de carbono agua, etc.)

Figura 1.28 Aplicaciones de la Celda fotovoltaica a. Energizando directamente

b. A travs de un interruptor transistorizado c. Todos los componentes en un mismo paquete

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Presin

El control de presiones en los procesos industriales da condiciones de operacin seguras.

Las presiones excesivas no slo pueden provocar la destruccin del equipo adyacente y poner al

personal en situaciones peligrosas. Para tales aplicaciones las lecturas absolutas de gran

precisin son tan importantes como la seguridad externa. Por otro lado, la presin puede llegar a

tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso, como la combinacin de

una mezcla en el proceso de destilacin: En tales casos su valor absoluto medio

Elementos primarios de medida directa.

Miden la presin comparndola con la ejercida por un lquido de densidad y alturas

conocidas ( barmetro cubeta, manmetro de tubo en U, manmetro de tubo inclinado)

Elementos primarios elsticos.

Se deforman por la presin interna del fluido que contiene.

El Tubo de Bourdon es un tubo metlico de seccin elptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presin en el interior del tubo este tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora por un sector dentado y un pin.

Figura 1.29 Elementos mecnicos de medicin de presin: Tubo de Bourdon

El elemento en espiral se forma arrollando el tubo de bourdon en forma espiral alrededor

de un eje comn y el elemento helicoidal arrollado ms de una espira en forma de elipse,

proporcionan desplazamiento grande del extremo libre, por ello son ideales para registradores.

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Figura 1.29 Elementos mecnicos de medicin de presin: Fuelle

El diafragma consiste en una o varias cpsulas circulares conectadas rgidamente entre s

por soldadura, de forma que al aplicar presin cada cpsula se deforma y la suma de los pequeos

desplazamientos es amplificada por un juego de palancas.

El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero con una pieza flexible axialmente,

puede expandirse o contraerse con un desplazamiento considerable

Transductores resistivos. Consisten en un elemento elstico que vara la resistencia de un

potencimetro en funcin de la presin.

Transductores magnticos

De inductancia variable. El desplazamiento de un ncleo mvil dentro de una bobina aumenta la inductancia en forma casi proporcional a la porcin metlica del ncleo contenida dentro de la bobina.

De reluctancia variable. Consiste en un electroimn que crea un campo magntico. El

circuito magntico se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante y al cambiar la posicin de

la armadura vara la reluctancia y el flujo magntico, la corriente inducida en la bobina es

proporcional al grado de desplazamiento de la bobina mvil.

Figura 1.29 Elementos electromecnicos de medicin de presin (a)

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Elementos neumticos. Como elementos neumticos consideramos los transmisores

neumticos

Elementos electromecnicos. Los elementos electromecnicos de presin utilizan un

elemento mecnico de presin combinado con un transductor elctrico que genera la seal

elctrica correspondiente.

Transductores capacitivos.

Se basan en la variacin de capacidad de un condensador al desplazarse una de sus

placas por la aplicacin de una presin. La placa mvil se encuentra entre dos fijas. As tenemos

un capacitor de capacidad fija y otro de capacidad variable.

Galgas extensomtricas.

Se basan en la variacin de longitud y de dimetro de un hilo de resistencia que se

encuentra sometido a una tensin mecnica por accin de una presin.

Galgas cementadas. Formadas por varios bucles de hilo que estn pegados a una hoja

base de cermica, papel o plstico.

Galgas sin cementar. Los hilos de resistencia descansan entre un armazn fijo y otro

mvil bajo una ligera tensin inicial. Cuando las galgas forman parte de un puente de Wheatstone,

y estn sin tensin tienen una resistencia elctrica determinada. Se aplica al circuito una tensin

nominal, la pequea corriente que circula por la resistencia crea una cada de tensin en la misma.

Cualquier variacin del diafragma del transductor cambia la resistencia de una galga y desequilibra

el puente.

Figura 1.30 Elementos electromecnicos de medicin de presin (b)

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Temperatura

La temperatura es la magnitud fsica que caracteriza de manera objetiva la sensacin de

calor o fro producida por el con tacto de un cuerpo. La medida de la temperatura constituye una de

las mediciones ms comunes y ms importantes que se efecta en los procesos industriales

.

Mtodos para medir temperatura dependiendo del fenmeno fsico en que se basen las

mediciones:

Expansin de gases, lquidos y slidos

Termmetros de vidrio. Un dispositivo de vidrio que contiene mercurio, pentano, alcohol o

tolueno que al calentarse se expande y sube al tubo capilar.

Termmetro bimetlico. Se basan en el distinto coeficiente de dilatacin de dos metales

tales como latn, monel o acero y una aleacin de ferronquel o invar laminados conjuntamente.

Consisten en un tubo conectado por un capilar a un espiral. Cuando la temperatura del bulbo se

eleva, el gas o el lquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la

aguja sobre la escala.

Figura 1.31 Termmetro bimetlico

Cinta bimetalica: se conectan juntos 2 piezas de metal con diferentes coeficientes de

expansin trmica Cuando la cinta se somete a cualquier temperatura mas alta a la temperatura a

la cual se hizo la liga se doblara en una direccin: cuando se somete a una temperatura inferior, se

dobla al otro lado.

Espiral o Hlice bimetlica: Una aguja indicadora sujeta el extremo libre del espiral o de

la hlice y el propio elemento bimetlico.

Termmetro de bulbo y capilar.

Figura 1.31 Termmetro tipo bulbo

Consisten en un tubo conectado por un capilar a un espiral. Cuando la temperatura del

bulbo se eleva, el gas o el lquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala

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Cambio de resistencia de un elemento: Termmetros de resistencia. La resistividad elctrica

de algunos metales aumenta en forma casi directamente proporcional con los incrementos de

temperatura. Un elemento consiste en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado

bobinado entre capas de material aislante y protegido con revestimiento de vidrio o cermica. El

coeficiente de temperatura de resistencia expresa a una temperatura especificada la variacin de

la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura.

Figura 1.32 Mtodos de medicin de temperatura basados en el cambio de resistencia de un elemento

Cambio de potencial elctrico de un elemento: Termopares. El dispositivo ms comn para la medicin de temperaturas de procesos industriales el termopar. Un termopar es un par de alambres diferentes unidos en una malla completa. Los alambres tienen dos puntos de unin uno en cada extremo de la malla. La unin caliente es sujeta a la alta temperatura del proceso, y la unin fra a la temperatura ambiente. Al hacer esto se crea un pequeo voltaje del orden de los milivoltios en cada unin debido al efecto Seebeck. Un incremento en la temperatura en la unin produce un incremento de voltaje generado en la unin. La constante proporcional depende de los dos metales en uso.

Los voltajes producidos en cada unin son opuestos entre s. El voltaje disponible es la diferencia entre los dos voltajes. Para medir la diferencia de temperatura slo es necesario romper la malla cerca de la unin fra y conectarlo a un amplificador de Instrumentacin.

Figura 1.33 Mtodos de medicin de temperatura basados en el cambio de potencial elctrico de un elemento

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Deteccin de temperatura mediante dispositivos de estado slido

Un diodo de silicio ordinario es sensible a la temperatura. Para una corriente constante,

su voltaje en directa de nodo a ctodo vara de manera inversa a la temperatura. Este principio

puede usarse para medir el cambio de temperatura de un medio conteniendo al diodo o a un

dispositivo que est en contacto trmico con el diodo

Pirmetro de radiacin

Los pirmetros de radiacin no necesitan estar en contacto ntimo con el objeto caliente.

Los pirmetros de radiacin miden la temperatura de un cuerpo a distancia en funcin de la

radiacin luminosa que emite. Se funda en la ley de Stefan-Boltzmann que dice que la intensidad

de energa radiante (en J / s por unidad de rea) emitida por la superficie de un cuerpo aumenta

proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin) del cuerpo.

Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge

radiante y la conserva sobre una termopila colocada en el foco de la lente (cncava); generando

as una fem que es medida con un potencimetro de balance continuo. Este tipo de aparatos es

muy usual en hornos y en la industria metalrgica donde se mueven lingotes, placas o biletes a

temperaturas elevadas.

La termopila es un grupo de pequeos termopares conectados en serie, cuyas juntas

calientes son aplastadas y ennegrecidas, colocadas casi juntas en el centro de un disco como se

muestra en la figura 3.30.

Figura 1.34 Termopila

Termistores. Los termistores son dispositivos semiconductores cuya relacin voltaje entre corriente

permanece constante cuando la temperatura es constante.

Caractersticas: Rango de -20C a 150C, Alta sensibilidad., Alto coeficiente trmico,

Envejecen, Tienen un tiempo de respuesta variable, Sufren de autocalentamiento, No son lineales,

Son de tamao reducido, Son susceptibles a contaminacin.

Figura 1.36 Curvas de respuesta de termistores

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Cambios pticos de un sensor

Pirmetros pticos. La radiacin electromagntica emitida por un cuerpo caliente se

concentra en una frecuencia en la que es la indicacin de la temperatura del cuerpo. Si se filtra

pticamente los componentes de frecuencia dbiles de la luz radiada, un cuerpo caliente tomar un

color que indique su temperatura. Para determinar la temperatura de un cuerpo caliente se ajusta la

temperatura de una fuente de referencia de luz hasta que su color iguale el color del cuerpo

caliente.

El pirmetro tiene que apuntar hacia el cuerpo al que se le va a medir la temperatura, la

radiacin emitida por el cuerpo es filtrada y enfocada a travs de una ranura donde puede ser

visto por el operador. Una segunda ranura despliega la radiacin filtrada emitida por un filamento

interno. El operador ajusta la corriente a travs del filamento interno hasta que los dos colores son

iguales. Puede medirse la corriente y relacionarse ese valor con la temperatura del cuerpo en una

tabla de consulta

Figura 1.35 Mtodo de medicin de temperatura basado en los cambios pticos de un sensor Pirmetro ptico. a. apariencia general b. comparacin de las ranuras

Pirmetro infrarrojo. Capta la radiacin espectral del infrarrojo, que es invisible al ojo

humano, y puede medir temperaturas menores a 700 C donde la radiacin visible emitida es significativa. Pirmetro fotoelctrico. Este pirmetro es ms rpido que otros sensores trmicos y

debe mantenerse refrigerado mediante nitrgeno lquido para reducir el nivel de ruido elctrico. La

seal de salida depende de la temperatura instantnea del volumen del detector.

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Sensor de temperatura LM35

El circuito integrado LM35D es un sensor de temperatura cuya tensin de salida es linealmente proporcional con la temperatura en la escala Celsius (centgrada). Posee una precisin aceptable para la aplicacin requerida, no necesita calibracin externa, posee slo tres terminales, permite el sensado remoto y es de bajo costo Especificaciones: Factor de escala : 10mV/C (garantizado entre 9,8 y 10,2mV/C), Rango de

utilizacin : -55C < T < 150C, Precisin de : ~1,5C (peor caso). No linealidad : ~0,5C (peor

caso). Con este circuito, se asegura la linealidad en el rango de 5 a 40 C,

Figura 1.37 Sensor de temperatura LM35

Nivel

En la industria, la medicin de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del

funcionamiento correcto del proceso como de la consideracin del balance adecuado de materias

primas o de productos finales. La utilizacin de instrumentos electrnicos con microprocesador,

permite aadir inteligencia a la medida de nivel y obtener precisiones de lecturas altas. Los

medidores de nivel se clasifican en medidores de nivel de lquidos y medidores de nivel de slidos

Medidores de nivel de lquidos

Los medidores de nivel de lquidos trabajan midiendo directamente la altura del lquido

sobre una lnea de referencia, la presin hidrosttica, el desplazamiento producido en un flotador

por el propio lquido contenido en el tanque del proceso o aprovechando las caractersticas

elctricas del lquido

Instrumentos de medida directa de nivel

El medidor de sonda consiste en una varilla o regla graduada que se introduce dentro del

tanque. La determinacin del nivel se efecta por lectura directa de la longitud mojada por el

lquido.

El medidor de varilla graduada con gancho se sumerge en el seno del lquido y se levanta

hasta que el gancho rompe la superficie del lquido. Se mide la distancia hasta la parte superior del

tanque y se obtiene el valor del nivel de forma indirecta

El medidor de cinta graduada y plomada se emplea cuando es difcil que la regla

graduada tenga acceso al tanque.

El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques

metlicos y sellados por prensaestopas.

El nivel de vidrio permite slo una indicacin local; o bien mediante cmaras de televisin

para transmisin a distancia. Este mtodo de medicin de nivel se aplica para lquidos

transparentes.

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Figura 1.38 Instrumentos de medida directa de nivel

Instrumentos de flotador

Consisten en un flotador situado en el seno del lquido y conectado al exterior del tanque

indicando directamente el nivel.

Figura 1.39 Instrumentos de medida directa de nivel: flotador

El flotador conectado directamente est unido por un cable que desliza en un juego de

poleas a un ndice exterior que seala el nivel sobre una escala graduada.

El flotador acoplado hidrulicamente acta en su movimiento sobre un fuelle de tal

modo que vara la presin de un circuito hidrulico y seala a distancia en el receptor el nivel

correspondiente.

El flotador acoplado magnticamente se desliza exteriormente a lo largo de un tubo gua

sellado situado vertical mente en el interior del tanque. Dentro del tubo, una pieza magntica sigue

al flotador en su movimiento y median te un cable y un juego de poleas arrastra el ndice de un

instrumento situado en la parte superior del tanque.

Medicin de nivel basada en las caractersticas elctricas del lquido y medicin electrnica

El medidor de nivel conductivo o resistivo consiste en uno o varios electrodos y un rel elctrico o electrnico que es excitado cuando el lquido moja a dichos electrodos El medidor de capacidad, mide la capacidad del condensador formado por el electrodo

sumergido en el lquido y las paredes del tanque. Un circuito electrnico alimenta el electrodo a

una frecuencia elevada.

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Figura 1.40 Instrumentos basados en las caractersticas elctricas del lquido: capacidad

El sistema ultrasnico de medicin de nivel, se basa en la emisin de un impulso

ultrasnico a una superficie reflejante y la recepcin del eco del mismo. El retardo en la captacin

del eco depende del nivel del lquido

El sistema de medicin por rayos gamma, consiste en un emisor de rayos gamma

montado verticalmente en un lado del tanque y un contador Geiger que transforma la radia cin en

una seal elctrica en relacin inversa al nivel.

El medidor lser, tiene aplicacin donde las condiciones son muy duras y otros

instrumentos fallan.

Figura 1.41 Medidor de nivel radiactivo

Figura 1.42 Medidor de nivel laser

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Figura 1.43 Transductor ultrasnico de nivel

Medidores de nivel de slidos

Detectores de nivel de punto fijo

Figura 1.44 Medidor de nivel de diafragma

El detector de diafragma consiste en una membrana flexible que puede entrar en

contacto con el producto dentro del tanque y que contiene en su interior un conjunto de palancas

con contrapeso que se apoyan sobre un microrruptor (mecnico o de mercurio), y puede accionar

una alarma o actuar automticamente sobre un transportador o maquinaria asociada al depsito.

El cono suspendido consiste en un microrruptor montado dentro de una caja estanca al

polvo, con una cazoleta de goma de la que est suspendida una varilla que termina en cono.

Cuando el nivel de slidos alcanza el cono, el interruptor es excitado.

La varilla flexible consiste en una varilla de acero conectada a un diafragma de latn donde esta contenido un interruptor. Cuando los slidos presionan, aunque solo sea ligeramente en la varilla, el interruptor se cierra y acta sobre una alarma.

El medidor conductivo consiste en un electrodo dispuesto en el interior de unas placas

puestas a masa y con circuito elctrico abierto. Cuando los slidos alcanzan el aparato se cierra el

circuito y la pequea corriente originada es amplificada actuando sobre un rel de alarma. Los

slidos deben poseer una conductividad elctrica apreciable para poder excitar al circuito.

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Figura 1.45 Medicin de nivel de punto fijo

Figura 1.46 Unidad de contacto elctrico para medicin de nivel de slidos de punto fijo

Figura 1.47 Medicin de nivel de slidos de punto fijo

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Ejemplo de control de nivel de slidos de punto fijo: En un tanque: que mantiene el nivel entre los dos puntos donde estn situados los detectores; cuando el material desciende ms abajo del detector inferior, este pone en marcha automticamente la maquinaria de alimentacin de el producto en el silo y esta maquinaria se para tan pronto como el producto alcanza el detector de nivel superior. El ciclo vuelve a repetirse cuando, al ir vacindose el silo, los slidos descienden a un nivel por debajo del detector inferior. Un indicador seala el punto donde el peso ha invertido su movimiento indicando as el nivel en aquel momento.

Detectores de nivel continuos

En el medidor de nivel de ultrasonidos se enva un haz de ultrasonido horizontal a un

receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel est ms abajo del haz el sistema oscila

enclavando un rel. Cuando los slidos Interceptan el haz el sistema deja de oscilar y el rel se

desactiva deteniendo la descarga del slido.

Figura 1.48 Medicin continua de nivel de slidos

a. por ultrasonido de punto fijo b. por ultrasonido en base continua c. radiactivo

Disponiendo de un haz de ultrasonidos vertical, el instrumento puede dar indicacin

continua midiendo el tiempo de transito de un impulso ultrasnico entre la fuente emisora, la

superficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la misma fuente.

El medidor de nivel de bscula mide el nivel de slidos indirectamente a travs del peso

del conjunto tolva ms producto.

El medidor de nivel de radiacin consiste en una fuente radiactiva de rayos gamma

dispuesta al exterior y en la parte inferior del tanque que emite su radiacin a travs del lecho

siendo captada por un detector exterior. El grado de radiacin recibida depende del espesor de

slidos que se encuentra entre la fuente y el receptor. Se coloca en forma horizontal trabajar

como detector todo o nada.

El medidor de nivel capacitivo de slidos tiene ms posibilidades de error que el de

lquidos por la adherencia de los slidos a la varilla y las variaciones de densidad del slido.

El medidor de sondeo electromagntico consiste en un pequeo peso mvil sostenido

por un cable desde la parte superior del silo mediante poleas. Un motor y un programador

establecen un ciclo del trabajo del peso. Este baja suavemente en el interior y al chocar con el

lecho de slidos, el cable se afloja, y un detector hace ascender al peso hasta la parte superior de

la tolva donde se para, repitindose el ciclo nuevamente.

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Figura 1.49 Medicin continua de nivel de slidos

a. por sondeo electromagntico b. Medidor de bscula

Caudal.

En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en las

efectuadas en laboratorio y en plantas piloto es muy importante la medicin de los caudales de

lquidos o de gases.

Medidores volumtricos. Los medidores volumtricos determinan el caudal en volumen del fluido,

bien sea directamente (desplazamiento), bien indirectamente por deduccin (presin diferencial,

rea variable, velocidad, fuerza, tensin inducida, torbellino). Hay que sealar que la medida del

caudal volumtrico en la industria se efecta principalmente con elementos que dan lugar a una

presin diferencial al paso del fluido.

Figura 1.50 Medicin de caudal volumtrico

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Elementos de presin diferencial

La placa orificio o diafragma consiste en una placa perforada instalada en la tubera. Dos

tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa captan esta presin diferencial la cual

es proporcional al cuadrado del caudal. El orificio de la placa puede ser concntrico, excntrico o

segmental. Otro orificio permite la purga de pequeos arrastres slidos.

La tobera est situada en la tubera con dos tomas, una anterior y otra en el centro de la

seccin ms pequea. La tobera permite caudales 60 % superiores a los de la placa-orificio, y

permite fluidos que arrastren slidos en pequea cantidad.

El Tubo Venturi permite la medicin de caudales 60 % superiores a los de placa-orificio y

con una prdida de carga de slo 10 a 20 % de la presin diferencial. Posee una gran precisin y

permite el paso de slidos con un gran porcentaje relativamente grande de slidos.

La placa-orificio variable es una innovacin de la placa-orificio. Permite obtener una

gama de variaciones de caudal mucho ms amplia que puede llegar hasta la relacin 50 a 1,

mientras que en la placa-orificio viene limitada por la relacin 3 a 1.

Medicin directa de caudal masa

Este mtodo aprovecha las caractersticas medibles de la masa. Los medidores trmicos

de caudal se basan comnmente en dos principios fsicos: La elevacin de temperatura en su paso

por un cuerpo caliente. La prdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en el

fluido.

El medidor Thomas consta de una fuente elctrica de precisin que proporciona un calor

constante al punto medio del tubo por el cual circula el caudal. En puntos equidistantes de la fuente

de calor se encuentran sondas de resistencia para medir la temperatura.

Figura 1.51 Medidores de turbinas

Los medidores de turbinas consisten en un motor que gira al paso de un fluido con una

velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre

en el rotor; la diferencia de presiones debida al cambio, el rotor y el cono posterior ejercen una

fuerza igual y opuesta

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Captadores de velocidad en turbinas.

En el captador de reluctancia la velocidad viene determinada por el paso de las palas

individuales de la turbina a travs del campo magntico creado por un imn permanente montado

en una bobina captora exterior.

En el captador de tipo inductivo el rotor lleva incorporado un imn permanente. El campo

magntico giratorio que se origina induce una corriente alterna en la bobina captora exterior.

1.6 Sistemas de adquisicin de datos.

Identificar los elementos de un sistema de adquisicin de datos para la aplicacin de presentacin de datos. Aplicar un sistema de adquisicin de datos a un fenmeno o proceso mediante la medicin de sus variables para analizar su comportamiento.

El trmino adquisicin de datos (DAQ) suele usarse con frecuencia en sistemas en cuyas

entradas desde los sensores estn convertidas a la forma digital para procesamiento, anlisis y exhibicin en una computadora.

Los sistemas contienen: sensores, cableado para conectar los sensores para el acondicionamiento de seal para llevar a cabo tal vez la filtracin y la amplificacin, la adquisicin de datos del hardware para desempear funciones como conversin de entrada a formato digital y conversin de seales de salida a formato anlogo para los sistemas de control, la computadora y el software de adquisicin de datos. El software lleva a cabo anlisis de las seales de entrada digitales. Dichos sistemas tambin estn diseados para ejercer funciones de control 1.6.1 Etapas de un sistema de adquisicin de datos.

Figura 1.52 Ejemplo de un sistema de adquisicin de datos

En un sistema de adquisicin de datos, el sensor detecta el valor de la variable. El

elemento procesador de seales toma la salida del elemento acondicionador y la convierte a una forma ms adecuada para la presentacin. Son ejemplos: el convertidor de analgico a digital, que transforma un voltaje en una forma digital para una entrada en una computadora; una microcomputadora que calcula el valor medido de la variable a partir de los datos digitales de entrada. Por ltimo, el elemento presentador de datos exhibe el valor medido en una forma que el observador puede reconocer fcilmente.

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1.6.2 Presentacin de datos (Funcionamiento como Data Logger)

En un sistema de presentacin de datos se despliega la salida desde el acondicionador de seal, ya sea mediante una aguja movindose a travs de una escala o una lectura digital. Los elementos presentadores de datos en indicadores y grabadores. Los indicadores ofrecen una indicacin visual instantnea de la variable y los grabadores registran la seal de salida sobre un periodo y ofrecen de manera automtica un registro permanente.

Figura 1.53 Sistema de registro de datos

Figura 1.54 Presentacin de datos

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Figura 1.55 Impresoras

Figura 1.56 Elementos bsicos de una impresora lser

notas de smc 2011 bueno 1a parte

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