Analisis de Los Instrumentos de Medición Inteligentes
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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECANICA Y ELCTRICA
Anlisis de los Instrumentos
de Medicin Inteligentes
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TTULO DE
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
P R E S E N T A
ROSARIO VZQUEZ REYES
ASESORES:
DR. SAMUEL EDUARDO MOYA OCHOA
DR. RODRIGO LOPEZ CARDENAS
MXICO, D. F., 2012
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Agradecimientos
A Dios por su infinito Amor y regalarme tan divinos dones como la Sabidura, Inteligencia y Fortaleza.
A mi hijo Leonardo Vzquez Reyes, por llenar de vida mi vientre y poder sentir juntos la
satisfaccin de llegar a esta meta. Gracias por iluminar mis das con tu sonrisa y ser el motor que me inspira a seguir adelante.
Te amo infinitamente, Gracias por hacerme tan feliz!
A mis padres por ensearme a no rendirme y seguir adelante; mil gracias por ensearme a volar y
hacer de m una mujer independiente, fuerte, trabajadora y guerrera. Gracias madre por tu tiempo
dedicado a mis estudios y llegar a la meta conmigo. Mil Gracias!
A mis hermanos Nancy Vzquez, Jos Guadalupe Hernndez y Nstor Vzquez, por su apoyo
incondicional en el transcurso de este camino y sus buenos consejos para seguir adelante. Los quiero mucho!
A mi sobrina Mailen Estefani, por iluminar mis das con tu sonrisa y tu niez, eres como una hija para m. Te quiero mucho y te llevo siempre en mi corazn. Deseo algn da tambin cumplas una
meta como esta.
Cuenta conmigo siempre
A mi ahijada Abril por regalarme tan calurosos abrazos cuando me ves, deseo algn da tambin
cumplas una meta como esta.
Cuenta conmigo siempre
A mi gran amigo y compaero Luis Fernando , gracias por ser parte de mi vida y no dejarme
nunca caer, por estar conmigo, escucharme y ser parte de esta maravillosa experiencia de ser orgullosamente del IPN.
Recordar es poner el corazn en la mano y volver a vivir. Te quiero mucho!
A mis asesores Dr. Samuel Moya Ochoa gracias por su tiempo, dedicacin y conocimientos para orientarme en la
realizacin de este trabajo de TESIS. Recordare siempre sus sabios consejos y los pondr en
prctica. Dr. Rodrigo Lpez Crdenas gracias por su orientacin en est trabajo y buenos deseos.
Ing. Marisol Salinas Salinas gracias por brindarme su amistad y darme tan sabios consejos.
A mis maestros, gracias por su tiempo, as como sus conocimientos y sabidura que me
transmitieron en el desarrollo de mi formacin profesional.
Al Instituto Politcnico Nacional y en especial a la Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica por permitirme ser parte de una generacin de triunfadores y gente productiva para el
pas. Por darme la oportunidad de conocer tan apreciables amigos y experiencias inolvidables.
Rosario Vzquez Reyes
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Esta TESIS est dedicada a mi hijo
Leonardo.
Con todo mi amor.
Eres una persona muy valiente, fuerte e inteligente.
T puedes lograr todo aquello que en mente te propongas.
No es fuerte aquel que nunca se cae, sino el que tiene la capacidad de levantarse y seguir adelante
Te amo con todo mi corazn hijo
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ndice
Introduccin..7 Objetivo ......................................................................................................................................... 7 Justificacin. .................................................................................................................................. 7 Capitulo 1.- Caractersticas de los instrumentos de Medicin.......................................................... 9
1.1 Rango................................................................................................................................... 9 1.2 Alcance ................................................................................................................................ 9 1.3 Error .................................................................................................................................. 10 1.4 Incertidumbre en la medida ................................................................................................ 10 1.5 Exactitud ............................................................................................................................ 10 1.6 Precisin ............................................................................................................................ 10 1.7. Zona muerta (dead zone o dead band) ................................................................................ 10 1.8 Repetibilidad ...................................................................................................................... 11 1.9 Histresis ........................................................................................................................... 11 1.10 Linealidad ........................................................................................................................ 11 1.11 Tiempo de respuesta ......................................................................................................... 12
Conclusiones ............................................................................................................................... 12 Captulo 2.- Anlisis del Instrumento de Medicin Inteligente ..................................................... 13
2.1 Magnitudes Fsicas ............................................................................................................. 13 2.1.1 Presin ........................................................................................................................ 13 2.1.2 Temperatura ................................................................................................................ 15 2.1.3 Nivel ........................................................................................................................... 16 2.1.4 Flujo ............................................................................................................................ 17 2.1.5 Otras Variables ............................................................................................................ 17
2.2. Dispositivo Analgico de Medicin (sensor) ...................................................................... 19 2.3. Convertidor Analgico a Digital ........................................................................................ 21 2.4. Mdulo de Control y Comunicaciones ............................................................................... 22
Conclusiones ............................................................................................................................... 27 Capitulo 3.- Dispositivos analgicos de medicin ......................................................................... 28
3.1 temperatura ........................................................................................................................ 28 3.1.1 Termopar ..................................................................................................................... 28 3.1.2 RTD ............................................................................................................................ 29 3.1.3 Termistores.................................................................................................................. 31
3.2 Presin ............................................................................................................................... 34 3.2.1. Galgas Extensomtricas ............................................................................................. 34 3.2.2. Condensador Variable:................................................................................................ 36 3.2.3. Transformador Diferencial de Variacin Lineal (LVDT) ............................................. 38
3.3. Magnitudes fsicas tpicas en control en lazo cerrado ........................................................ 39 3.3.1. Sistemas de control en lazo cerrado ............................................................................. 40 3.3.1. Ejemplo de Medicin de Temperatura ........................................................................ 41
Conclusiones ............................................................................................................................... 43 Capitulo 4.- Convertidor Analgico Digital .................................................................................. 45
4.1 Principio de funcionamiento ............................................................................................... 45 4.2 Proceso de Digitalizacin ................................................................................................... 46
4.2.1 Muestreo y retencin (sample and hold, S&H) ............................................................. 47 4.2.2. Cuantificacin ............................................................................................................ 50
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4.2.3. Codificacin ............................................................................................................... 52 4.3. Alternativas de Convertidor ............................................................................................... 56
4.3.1. Convertidores A/D Paralelos ....................................................................................... 56 4.3.2. Convertidores de aproximaciones sucesivas ............................................................... 58 4.3.3. Convertidores tipo servo o tracking. ........................................................................ 60 4.3.4. Convertidores de rampa: simple, doble, triple.............................................................. 61
4.4. Caractersticas de operacin .............................................................................................. 64 Conclusiones ............................................................................................................................... 66 Capitulo 5.- Modulo de control y comunicaciones ....................................................................... 67
5.1. Tratamiento de la seal ..................................................................................................... 67 5.1.2. Multiplexores analgicos ........................................................................................... 67
5.2. Logica de control ............................................................................................................... 68 5.3. Interfaz serial .................................................................................................................... 68
5.3.1. Transmicion sncrona/asncrona .................................................................................. 69 5.3.2. Transmisin serie........................................................................................................ 70 5.3.3. Estndar RS-232 ......................................................................................................... 71 5.3.4. Estndar RS-422 ......................................................................................................... 72 5.3.5. Estndar RS-485 ......................................................................................................... 73
5.4 Interfaz Industrial de Bus de Campo ................................................................................... 74 5.4.1. FIELBUS ................................................................................................................... 74 5.4.2.- PROFIBUS ............................................................................................................... 75 5.4.3.- PROFIBUS DP ......................................................................................................... 76 5.4.4.- PROFIBUS PA ......................................................................................................... 76 5.4.5.- PROFIBUS FMS ....................................................................................................... 77 5.4.6.- PROFInet .................................................................................................................. 77
Conclusiones ............................................................................................................................... 78 Captulo 6. Aplicacin de un Instrumento Inteligente. .................................................................. 79
6.1. Diseo de un Instrumento Inteligente ................................................................................. 79 6.2. Proceso de Control de Temperatura. .................................................................................. 81 6.3.- Simulacin del Proceso. ................................................................................................... 85 6.4.- Grficas de datos en sitio y datos remotos de la temperatura del reactor en C. ................. 89 6.5.- Conclusiones .................................................................................................................... 91
Bibliografia93
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Objetivo
El objetivo de este trabajo es la recopilacin, seleccin y estudio de informacin de
tecnologa existente relacionada con los sensores analgicos y sensores inteligentes, su
principio de operacin, el anlisis de su funcionamiento, y su implementacin en procesos
de control. Lo cual provee las herramientas y los elementos necesarios para sustentar la
realizacin de un proyecto en campo.
Justificacin.
El conocimiento de las nuevas tecnologas permitir abordar procesos de control donde las
tecnologas convencionales encuentran limitaciones, teniendo como resultados procesos
ms eficientes.
Introduccin.
El desarrollo tecnolgico en el campo de la electrnica, hace que las empresas y los
centros de investigacin dispongan de instrumentos cada vez ms competitivos. Segn
nuestro punto de vista, esta caracterstica se mantendr en tanto que el instrumento sea fcil
de utilizar, se integre sin complicaciones en un sistema de medida basado en computador y
sea flexible, es decir, que se adapte fcilmente a las necesidades de cambios en la
metodologa de medida. De esta manera dispondremos de instrumentos y de sistemas de
instrumentacin especializados para cada campo, abiertos a diferentes configuraciones de
medida.
Gracias a la integracin del microprocesador, la moderna instrumentacin del proceso le
ofrece al operador una riqueza de informacin adicional importante. Por ejemplo, le
proporciona informacin sobre el estado del sensor o transmisor, de la escala de medida, de
si se han rebasado o no los valores lmite previstos, etc. Mediante una comunicacin
clsica de seales de 4-20 mA, esta informacin, sencillamente, no puede comunicarse.
El capitulo 1 describe brevemente las principales caractersticas de los instrumentos de
medicin, necesarias para conocer su funcionamiento, saber evaluarlos y realizar la
seleccin del adecuado instrumento.
En el captulo 2 se da una breve introduccin de los instrumentos de medicin inteligentes
y una descripcin de cada una de las etapas que dan el trmino inteligente a los instrumentos de medicin industrial, que se analizaran a fondo en los captulos 3, 4 y 5. Se
mencionan los ventajas que tienen los instrumentos de medicin inteligente ante los
instrumentos de medicin convencional.
En el captulo 3 se describen los dispositivos analgicos de medicin (sensor) que son los
elementos primarios de los instrumentos de medicin inteligente, los principales sensores
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de acuerdo a su clasificacin por la magnitud fsica (temperatura y presin), su
funcionamiento y sus principales aplicaciones en los procesos industriales.
En el captulo 4 se describe el principio de funcionamiento de los convertidores analgico
digital(A/D), los cuatro procesos que influyen en la digitalizacin y los tipos que existen
en el mercado. Se describen los convertidores A/D que con mayor frecuencia se
encuentran en la electrnica de los instrumentos de medicin inteligente.
En el captulo 5 se describe en qu consiste el modulo de control de los instrumentos de
medicin inteligente y su relevancia respecto a los instrumentos de medicin
convencionales; La descripcin del modulo de comunicaciones incluye la forma de
comunicacin de los instrumentos de medicin con los cuartos de control y los principales
estndares que se ocupan actualmente en la industria.
El capitulo 6 describe la unin de bloques del instrumento de medicin inteligente que se
describen en los captulos anteriores, as como la simulacin de un proceso medicin de de
temperatura en un tanque de agitacin continua en donde se simula la operacin de estos
instrumentos de medicin inteligentes.
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Capitulo 1.- Caractersticas de los instrumentos de Medicin
Introduccin
Los instrumentos de medicin han llevado al operador de su participacin en el sitio de
medicin, supervisin y la vigilancia del proceso a centros de control situados en el propio
sitio del proceso o en un punto remoto1.
Para lograr esto, los instrumentos o sistemas de instrumentacin deben seleccionarse con
sumo cuidado, esto con el fin de satisfacer cada aplicacin especfica; para lograr esto, se
debe tener un conocimiento profundo tanto del instrumento como del sistema a supervisar2.
Para seleccionar estos instrumentos, es necesario conocer su funcionamiento y saber
evaluarlos. Este funcionamiento y evaluacin de los transmisores se basa en diferentes
caractersticas de operacin, independientemente del tipo de transductor stas siempre
estarn presentes3. Estas caractersticas de operacin se encuentran en las especificaciones
del instrumento.
El termino especificaciones se usa para describir las caractersticas de un sistema de
medicin, usualmente estas caractersticas se muestran en las hojas de datos de cada
instrumento. Antes de instalar cualquier equipo, es necesario contar con las hojas de
especificaciones correctas, las cuales van a colaborar al realizar la seleccin del adecuado
instrumento de medicin4.
Los trminos descritos posteriormente podrn ser una gua para identificar las
caractersticas de los instrumentos de control de procesos que se estn empleando. Los
valores correspondientes a estos trminos, tpicamente se encuentran en las hojas de datos,
en la seccin de especificaciones del mismo.
1.1 Rango
El rango est definido como el conjunto de valores de la variable medida que estn
comprendidos dentro de los lmites superior e inferior de la capacidad de medida del
instrumento. Este valor se encuentra expresado estableciendo los dos valores extremos.
1.2 Alcance
El alcance se define como la diferencia algebraica entre el lmite superior y el lmite
inferior del instrumento.
1 Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 1 2 Harold E. Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg. 23 2 Harold E. Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg. 23 3 STEREN, El ABC de la mecatrnica. Pg. 8
4 V. Ordaz, Gustavo; , et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 19
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1.3 Error
El error es la diferencia algebraica entre el valor ledo o transmitido por el instrumento y el
valor real de la variable medida por un instrumento patrn.
1.4 Incertidumbre en la medida
La incertidumbre en la medida es la distribucin estadstica de los resultados que pueden
ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.
1.5 Exactitud
La exactitud es la cualidad de un instrumento para dar lecturas prximas al verdadero valor
de la magnitud medida.
1.6 Precisin
La precisin es definida como la tolerancia de medida o de transmisin del instrumento,
esto es, el intervalo donde es admisible que se site la magnitud de la medida y define los
lmites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales
(tiempo de vida normalmente 1 ao).
Cuando de desea obtener la mxima precisin del instrumento en un punto determinado de
la escala, puede calibrarse nicamente para este punto de trabajo. Los fabricantes
usualmente la especifican para todo el rango. Ver Figura 1
Figura 1.- Diferencia entre precisin y exactitud
1.7. Zona muerta (dead zone o dead band)
La zona muerta es el campo de valores de la variable operacional que no hace variar la
indicacin o la seal de salida del instrumento; es decir, ante cambios de la magnitud de la
variable operacional el instrumento no produce respuestas. Viene dado en tanto % del
alcance de la medida.
Valor real
% De error de exactitud
A) Exacto pero no preciso B) Preciso pero no exacto C) Exacto y preciso
% De error de exactitud
% De error de precisin
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1.8 Repetibilidad
La repetibilidad es la capacidad de reproducir las posiciones del instrumento (pluma, ndice
o seal de salida) al medir repetidamente valores idnticos de la variable operacional en las
mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variacin, recorriendo todo el
campo.
1.9 Histresis
La histresis es la diferencia mxima que se observa en los valores indicados por el
instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la medicin de la
variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente.
Este valor se expresa en tanto porciento del alcance (Span) de la medida. Lo antes descrito
se muestra en la Figura 2.
Figura 2.- Histresis en la medicin de temperatura5
1.10 Linealidad
La linealidad es la aproximacin ms cercana de una curva de calibracin, a una lnea recta
previamente establecida.
Los instrumentos ideales son lineales. De hecho, la mayora de los sistemas instrumentales
comerciales tienen respuesta lineal. Puede ocurrir, sin embargo, que la respuesta no sea
estrictamente lineal y, por ende, que ocurra un error por no linealidad de la respuesta del
instrumento.
5 V. Ordaz, Gustavo, et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 28
Temperatura ( C)
C
O
R
R
I
E
N
T
E
4
8
12
16
20
0
(mA)
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1.11 Tiempo de respuesta
Debido a fenmenos de equilibrio, transporte, entre otros, la medicin de cualquier variable
de proceso puede implicar una demora que debe ser definida adecuadamente.
Si la medicin tiene una cintica ms lenta que la de la propia variable, habr que disponer
de sistemas complejos de prediccin del valor en lugar de descansar slo sobre la medicin
instrumental.
Los tiempos de respuesta se definen en base al tiempo necesario para obtener una medida
que corresponda al 96% (o cualquier otro porcentaje) del valor final.
Conclusiones
Las caractersticas de los instrumentos de medicin permiten evaluar cul es el adecuado
para un proceso en campo especfico, la capacidad de medida del instrumento para asegurar
la mxima informacin de la variable en proceso y los posibles errores en la salida de
instrumento. Estas caractersticas permiten que el usuario pueda calibrar el instrumento de
medicin en un punto de trabajo.
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Captulo 2.- Anlisis del Instrumento de Medicin Inteligente
Introduccin
Los instrumentos de medicin son herramientas indispensables para mantener controladas
las variables de un proceso o sistema en forma tan exacta como se necesite para satisfacer
las especificaciones de las aplicaciones en la industria6.
Los avances en los dispositivos de medicin y su incursin en procesos de control ms
complejos han permitido mejorias esenciales en la calidad y la cantidad de servicios
generados por la industria y, a su vez, dando beneficios para la sociedad.
En las plantas industriales se miden las diferentes variables de proceso colocando un
instrumento que tiene integrado el sensor y el mecanismo de transduccin, adaptacin de
seal, transmisin, registro, indicacin o control, junto al equipo de proceso7.
El trmino inteligente indica que el instrumento es capaz de realizar funciones adicionales a la de simple transmisin de la seal del proceso
8. Est instrumento combina la
funcin de deteccin y algunas de las funciones de procesamiento de la seal y
comunicacin, estas funciones adicionales suele realizarlas un (microcontrolador), est incluye al ADC y una combinacin de sensor, se denomina a veces sensor inteligente
9[5].
2.1 Magnitudes Fsicas
Los instrumentos de medicin se encargan de transmitir hasta los controladores las seales
elctricas que son proporcionales a la magnitud fsica de la variable operacional medida, la
variable operacional es una magnitud fsica correspondiente10
.
El tipo de magnitud fsica medida clasifica a los diversos instrumentos de medicin, ests
magnitudes fsicas son mecnicas, trmicas, magnticas, pticas y qumicas11
. Entre las
magnitudes fsicas con mayor aplicacin en la industria se encuentra la presin,
temperatura, nivel, flujo, humedad, PH, Densidad, Velocidad, entre otras12
.
2.1.1 Presin
La presin es una magnitud fsica que define a una fuerza que se ejerce sobre un rea
determinada, por lo que se mide en unidades de fuerza por unidad de rea. Esta fuerza se
puede aplicar a un punto en una superficie o distribuirse sobre sta rea13
.
6 Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg.1 7 Varios autores, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 226 8 Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 65 9 Ramn Pallas Areny, Sensores y Acondicionadores de Seal ,Marcombo, Barcelona(2007). Pg. 424 10 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo I. Pg.2 11
Ramn Pallas Areny, Sensores y acondicionadores de seal, Marcombo, Barcelona(Espaa),2007. Pg.54 12 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo I. Pg. 3 13
Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg. 58
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Cada vez que la presin se ejerce, se produce una deflexin, una distorsin o un cambio de
volumen o dimensin. Las mediciones de presin pueden ser desde valores muy bajos que
se consideran vaco, hasta miles de toneladas por unidad de rea14
.
La presin se expresa en diferentes unidades, estas se utilizan dependiendo de la magnitud
de la variable, como por ejemplo la unidad PSI se usa para valores altos de presin y la
unidad de pulgadas de agua para valores bajos de presin15
. La ecuacin (1) define la
presin.
(1)
La presin se expresa de forma adecuada y correcta para el sistema de unidades
internacional o para el sistema de unidades ingles en cualquiera de las siguientes unidades:
Los tipos de unidades de presin difieren entre s solamente por su punto de referencia a
presin cero. La falta de presin (vaco total) en un espacio cualquiera del universo se
conoce como presin en cero absoluto16
.
2.1.1.1 Presin absoluta
La presin absoluta se mide teniendo como referencia el cero absoluto de la presin17
. Otra
forma de conocer la presin absoluta es sumando la presin atmosfrica a la presin
relativa18
.
(2)
14 Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg.58 15 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo IV. Pg.2 16
Control avanzado de procesos: (teora y prctica) Escrito por Jos Acedo Snchez. Pg. 26 17 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo IV. Pg.3 18
Control avanzado de procesos: (teora y prctica) Escrito por Jos Acedo Snchez. Pg. 26
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15
2.1.1.2 Presin Atmosfrica
La presin atmosfrica se define como la presin ejercida por la atmosfera en un punto de
la corteza terrestre y vara con la altura sobre el nivel del mar, por lo que es necesario
calibrar los instrumentos de presin del equipo industrial que se transporta a zonas
geogrficas de diferente altura; esto es, a mayor altitud, menor presin19
.
2.1.1.3 Presin Diferencial
Cuando se mide la diferencia de presin entre dos puntos, habitualmente con el mismo cero
de referencia, la medida se denomina presin diferencial20
.
(3)
2.1.1.4 Presin Relativa
La presin relativa es la medida de presin que inicia su escala de 0 tomando como
referencia a la presin atmosfrica; es decir, es aquella medida de presin que resulta de
restarle a la presin absoluta la presin atmosfrica21
.
2.1.2 Temperatura
La medida de la temperatura constituye una de las variables operacionales ms comunes y
ms importante en los procesos industriales22
.
La temperatura es empleada para detectar los cambios del estado fsico (fases: solida,
liquida y gaseosa), que tienen las sustancias que intervienen en un proceso. La temperatura
es una indicacin de qu tanta (mayor o menor) agitacin tienen las molculas o tomos
que constituyen un cuerpo. La temperatura de un cuerpo, es una propiedad que determina
su capacidad para absorber o transferir calor de su alrededor23
.
La presin y la temperatura a las que son sometidas las sustancias determinan la fase en que
se encuentran; cuando se cambia de una fase a otra se dice que se present un cambio de
fase o cambio de estado fsico24
.
19 V. Ordaz, Gustavo , et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006.Pg. 198 20 Control avanzado de procesos: (teora y prctica)Escrito por Jos Acedo Snchez. Pg. 26 21 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo IV. Pg. 4 22
Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo V1. Pg. 2 23 V. Ordaz, Gustavo, et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 63 24
Julio de Paula, Qumica Fsica, Ed. Mdica Panamericana, 2008. Pg. 118
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16
2.1.3 Nivel
La medicin de nivel es muy importante en la industria desde el punto de vista del correcto
funcionamiento del proceso, al buscar mantener esta variable constante en aquellos equipos
que as lo requieren; as como la consideracin del balance de las materias primas que
entran al proceso, en comparacin con los productos finales que salen del mismo25
.
Para la indicacin y medicin de nivel en la industria se utilizan instrumentos clasificados
en medidores de nivel de lquidos y slidos para tanques abiertos y para tanques cerrados26
.
2.1.3.1 Nivel de lquidos
Los medidores de nivel de lquidos operan al medir directamente la altura de lquido sobre
una lnea de referencia, al medir la presin hidrosttica, al medir el desplazamiento
producido en un flotador por el propio lquido contenido en el tanque del proceso, al
aprovechar las caractersticas elctricas del lquido, y al emplear la radiacin de energa27
.
2.1.3.2 Nivel de slidos
Con frecuencia es necesario medir el nivel de material slido en procesos; por ejemplo la
medicin de las astillas de madera en sitios de fbricas de papel, la materia prima slida
para dosificacin, el jabn en polvo, la cal, las semillas de arroz, el frijol, entre otros; estos
contenidos en tanques o en silos28
. Esto debido a que la industria ha ido exigiendo el
desarrollo de instrumentos capases de medir el nivel de slidos en puntos fijos o de forma
continua29
.
Los detectores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos
determinados. Los instrumentos ms empleados son el diafragma, el cono suspendido, la
varilla flexible, el medidor conductivo, las paletas rotativas y los ultrasonidos30
.
Los medidores de nivel continuo proveen una medida continua del nivel desde el punto ms
bajo hasta el ms alto. Los instrumentos ms empleados son el medidor de peso mvil, el
medidor de bscula, el medidor capacitivo, el medidor de presin diferencial, el medidor de
ultrasonidos y el medidor de radiacin31
.
25
Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo V. Pg. 3 26 V. Ordaz, Gustavo, et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006, Pg. 241 27 Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa, Pg. 193 28 V. Ordaz, Gustavo, et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006, Pg. 262 29
Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa, Pg. 213 30 Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa, Pg. 214 31 V. Ordaz, Gustavo, et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006, Pg. 262
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2.1.4 Flujo
En la industria, la necesidad de medir las propiedades del flujo y los parmetros del flujo,
tales como presin y velocidad, es sumamente importante. Dado a que el movimiento de los
fluidos en las industrias agrcola, del petrleo, el gas, los productos qumicos, de bebidas
embotelladas, de abastecimiento de agua y de aguas residuales requieren cuantiosas
inversiones anuales32
.
Dos cantidades del flujo local significativas son la presin y la velocidad; otras son la
temperatura, densidad y viscosidad. Las mediciones de flujo se clasifican de acuerdo a si el
fluido es continuo o discontinuo. Si la magnitud de una cantidad fsica permanece
constante con el tiempo, este valor se conoce como estado continuo; si la cantidad cambia
con el tiempo, la medicin es transitoria, o discontinua33
.
2.1.4.1 Medidores Volumtricos
Los medidores volumtricos determinan el caudal en volumen del fluido. Entre los mtodos
y variables que se aprovechan para medir el flujo estn la presin diferencial, la velocidad,
el rea variable, el desplazamiento positivo, el torbellino, fuerza, la tensin inducida y la
oscilante34
.
2.1.4.2 Medidores de caudal masa
La determinacin del caudal masa puede efectuarse a partir de una medida volumtrica
compensndola para las variaciones de densidad del fluido, o bien se puede determinar
directamente aprovechando caractersticas medibles de la masa del fluido35
.
Entre los mtodos y variables que se aprovechan para medir el flujo se encuentran la
compensacin de presin y temperatura en medidores volumtricos, trmico, momento y
fuerza de Coriolis36
.
2.1.5 Otras Variables
En los procesos industriales se presenta una infinidad de variables que pueden tener
medicin; sin embargo, la mayora de estas variables no tienen un efecto directo en el
comportamiento del proceso, por lo cual, tpicamente, son despreciadas. Entre estas
variables se tienen:
Peso37.
32 Merle C. Potter, David C. Wiggert, Mecnica de Fluidos , Cengage Learning Editores, 2002.Pg. 582-583 33 Julio de Paula, Qumica Fsica, Ed. Mdica Panamericana, 2008. Pg. 118 34 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo VII. Pg.3 35
Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 180 36 Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 91-92 37
Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 301
-
18
El peso de un cuerpo es la fuerza con que este es atrado por la Tierra. La relacin
entre la masa del cuerpo, es decir, la cantidad de materia que contiene, y su peso
viene dado por la expresin:
(4)
Donde:
= peso = masa = aceleracin debida a la gravedad
Velocidad.
La velocidad es la magnitud fsica que muestra y expresa la variacin en cuanto a
posicin de un objeto y en funcin del tiempo, es decir, es la distancia recorrida por
un objeto en la unidad de tiempo. Adicionalmente al tiempo, para definir la
velocidad de desplazamiento de un objeto, es preciso tener en cuenta la direccin y
el sentido del mencionado desplazamiento38
.
Densidad y peso especfico39.
La densidad o masa especifica de un cuerpo se define como su masa por unidad de
volumen, expresndose en . Como la densidad vara con la temperatura y con la presin (en los gases), esta se especifica para un valor base de
la temperatura que en lquidos suele ser de 0C o de 15C y en los gases de 0C y
para un valor estndar de la presin que en los gases es de 1 atmsfera.
El peso especfico se define como el peso del fluido por unidad de volumen. Por lo
tanto entre el peso especfico y la densidad existe la relacin:
(5)
donde la aceleracin debida a la gravedad.
Humedad y punto de roci40.
Humedad absoluta. Se define como la cantidad de agua en kg por kg de aire seco.
Humedad relativa. Es el cociente entre la presin parcial del vapor de agua a una
temperatura . Esta es equivalente al porcentaje de humedad. Punto de roci. Es la temperatura lmite a la que el vapor de agua existe en el aire o
en el gas se condensa pasando al estado lquido.
38
Tipler Paul A., Fsica para la ciencia y la tecnologa, Editorial Revert, 2000. 39 Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 309 40
Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 322
-
19
La descripcin a fondo de estas variables puede ser encontrada en libros y documentos de
instrumentacin, y se omiten de este documento dado que se encuentra fuera del alcance
del mismo.
2.2. Dispositivo Analgico de Medicin (sensor)
El hombre cuenta por naturaleza de diferentes rganos sensoriales (los sentidos), los cuales
han sido de gran ayuda para su evolucin, los rganos sensoriales permiten percibir algunas
magnitudes fsicas; como ejemplo, se puede saber si algo se encuentra frio, tibio o caliente
o si algn objeto se est lejos o cerca41
.
La primera etapa para la actuacin del hombre es la informacin y se obtiene de los rganos
sensoriales, pero existen numerosas magnitudes fsicas o qumicas que por su naturaleza o
su magnitud nuestros sentidos no tienen acceso. As mismo, se tiene la aseveracin que
dice: Cualquier actuacin del hombre sobre el medio viene precedida por dos diferentes etapas: la primera es la informacin sobre el hecho y sus circunstancia y la otra de decisin
antes de efectuar la accin42.
Estas limitaciones pueden evitarse haciendo uso de rganos sensoriales artificiales (los
sensores), y as poder llevar a cavo una segunda etapa que es la decisin y la accin. Para
la segunda etapa se necesita que los sensores nos proporcionen informacin eficiente y lo
ms cercana al tiempo real al igual que lo hace el cuerpo humano43
.
Un sensor es un dispositivo capaz de dar una salida elctrica que corresponde
proporcionalmente a una determinada magnitud fsica aplicada a su entrada. En un sistema
se utiliza un sensor para convertir un parmetro fsico (temperatura, presin, humedad, etc.)
en un parmetro elctrico (voltaje, corriente o resistencia)44
.
Sensor y transductor se emplean a veces como sinnimos, pero sensor sugiere un
significado ms extenso: la ampliacin de los sentidos para adquirir un conocimiento de
cantidades fsicas que por su naturaleza no pueden ser percibidas directamente por los
sentidos45
.
Mientras que un transductor es un dispositivo que convierte la energa de una forma a otra,
interpreta la energa fsica en trminos de corrientes o voltajes equivalentes46
. El
transductor convierte los cambios de magnitud de la variable operacional que mide en
variaciones de la seal elctrica que representa y que busca ser proporcional a la variable
41 Concepcin Prez Conde, Sensores pticos, Universidad de Valencia, 1996. 42 Concepcin Prez Conde, Sensores pticos, Universidad de Valencia, 1996. 43 Concepcin Prez Conde, Sensores pticos, Universidad de Valencia, 1996. 44
Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, Sistemas Digitales: principios y aplicaciones, Pearson Educacin, 2003. Pg. 7 45 Ramn Pallas Areny, Sensores y acondicionadores de seal, Marcombo, Barcelona (Espaa),2007. Pg. 3 46
Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg. 337
-
20
operacional a la que est directamente conectada47
. En trminos de instrumentacin, el
transductor presenta las siguientes caractersticas48
.
1. Medicin con exactitud la magnitud del fenmeno fsico 2. Reproduccin con exactitud del evento fsico en relacin con el tiempo, idealmente no
debe tener un retardo de tiempo.
3. Reproduccin de exactamente todo el rango de frecuencia del fenmeno fsico. 4. Produccin de datos exactos en medios ambientes extremos de humedad, temperatura,
choques o vibraciones.
5. Capacidad de proporcionar una seal de salida que sea compatible con el equipo acondicionador de seal, sin modificar las caractersticas del suceso original.
El sensor y el transductor responden a la idea mostrada en la Figura 3 .
Figura 3 .-Diagrama a bloques de la adquisicin de seal analgica
49.
El control de una variable en un proceso utiliza informacin sobre la misma, a travs de la
medicin de esta variable. La medicin refiere a la conversin de la variable sensada en
alguna correspondiente anloga proporcional de la variable. Hay estndares analgicos que
se usan como medio de representacin del rango de las variables en sistemas de control.
Para los sistemas elctricos se usa un rango de corriente elctrica conducida en alambres,
seales transmitidas del cuarto de control a la planta50
, como se muestra en la Figura 4.
Figura 4 .- Transmisin de informacin
51.
47 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pg. 2 48 Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg. 337 49
Sensores elctricos Escrito por Sobrevila, Marcelo Antonio 50
Gilberto Enrquez Harper, El abc de la instrumentacin en el control de procesos industriales, Editorial Limusa, 2000. Pg. 20-24 51
Sensores elctricos Escrito por Sobrevila, Marcelo Antonio
SENSOR AL
CONVERTIDOR
DE CORRIENTE
I a V
CUARTO DE CONTROL PLANTA
SENSOR
4-20mA
Elemento captador
de una cantidad que
se desea convertir en
elctrica.
Sistema transformador
de la cantidad captada,
en una seal elctrica.
Seal elctrica de
caractersticas
adaptadas al sistema
que la requiere.
-
21
Los sistemas elctricos estndar de instrumentacin utilizan con frecuencia una seal
analgica que vara desde 4 hasta 20mA en corriente directa52
.
2.3. Convertidor Analgico a Digital
Los procesos que se dan en el mundo real producen seales analgicas, descritas mediante
nmeros decimales. En los microprocesadores y en las computadoras para representar
nmeros se utilizan patrones binarios. No es fcil guardar, manejar, comparar, calcular o
recuperar datos de manera precisa utilizando para ello tecnologa analgica, las
computadoras si son capaces de realizar estas tareas rpidamente usando tcnicas
digitales53
.
Por lo anterior, surgi la necesidad de contar con convertidores que permitieran vincular
entre s a los mundos analgico y digital. Mediante los convertidores analgicos a digital
(ADC) el mundo analgico se integro a las computadoras54
.
Un sistema digital contiene como paso previo un dispositivo para convertir una seal
analgica en una seal discreta. A este dispositivo se le denomina conversor analgico-
digital (conversor A/D). La entrada, por ejemplo x(t) de un conversor A/D es una seal
analgica que puede variar en cualquier instante de tiempo continuo 55.
La adquisicin de datos es definida como el proceso de transformar una seal analgica en
una seal digital, esto para su posterior tratamiento o transmisin, ver Figura 5. Un
convertidor analgico digital (ADC) recibe a su entrada una seal continua a la que trata
para presentarla a su salida en forma de cdigo inteligible por un dispositivo digital
(microprocesador, procesador digital de seal, ordenador)56
.
Figura 5.- Transformacin de seal analgica a seal digital
57
Para transmitir cierta informacin, se puede emplear una corriente que vari entre 4 mA y
20 mA de tal forma que la corriente que circula sea proporcional al valor de la magnitud
52 Merle C. Potter, David C. Wiggert, Mecnica de fluidos, Pearson Educacin, 1998. Pg. 389 53 Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, Sistemas Digitales: principios y aplicaciones, Pearson Educacin, 2003. Pg. 7 54 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, Amplificadores operacionales y circuitos integrados, Pearson Educacin, 1999. Pg. 399 55 Athanasios Papoulis, sistemas y circuitos: digitales y analgicos 56
Eduard Bertrn Albert, Procesado digital de seales: fundamentos para comunicaciones y control, Volumen 2, Ediciones UPC,2006. Pg. 597 57
http://es.wikipedia.org/wiki/Conversi%C3%B3n_digital-anal%C3%B3gica
ADC 010111010010111101011
-
22
que representa. Por el contrario la electrnica digital est basada en el empleo de circuitos
que trabajan con variables digitales binarias (0 1) para representar esta informacin58
.
Las ventajas que presentan los circuitos digitales frente a los analgicos pueden resumirse
en mayor:
Inmunidad al ruido porque la informacin almacenada en forma digital es menos sensible a las alteraciones producidas por la fluctuaciones no deseadas de tensin.
Precisin que los circuitos analgicos, ya que los circuitos digitales suelen trabajar con un nmero de dgitos mayor que los analgicos.
Facilidad al disearse porque el nmero de operaciones bsicas es reducido.
Facilidad al almacenar informacin.
Velocidad en el procesamiento de la informacin digital.
Capacidad de integracin.
Estos convertidores llevan a cabo procesos de cuantificacin, por el que la seal analgica
continua se transforma en un conjunto discreto de estados de salida, y codificacin, el cual
asigna un conjunto de bits a cada uno de dichos estados59
.
2.4. Mdulo de Control y Comunicaciones
Los instrumentos modernos generalmente ya estn pensados para ser integrados en sistemas
de instrumentacin, en potencia de clculo y en operacin en los ordenadores, en los
softwares y en los instrumentos programables especializados.
Un instrumento puede estar constituido por un mdulo tradicional hasta un sistema basado
en ordenador, hardware y software60
. La Figura 6 muestra la tarea del
instrumento.
Figura 6.- Misin del instrumento inteligente
58
Cecilio Blanco Viejo, Fundamentos de electrnica digital, Editorial Paraninfo, 2005. Pg. 1 59 Jagoba Arias Prez, Jos Luis Martn Gonzales Electrnica digital, Delta publicaciones, 2006. Pg. 315 60
Antoni Manuel Instrumentacin virtual: adquisicin, procesado y anlisis de seales, Ediciones UPC, 2001. Pg. 25
Conversin
de la seal
Procesado
de la seal
Interface
de
usuario
CONTROL
DISPLAY
PERSONA INSTRUMENTO
SEALES DEL MUNDO
REAL
-
23
Los instrumentos de medicin (Analgicos o Inteligentes) estn conformados por un
transductor y por circuitos electrnicos los cuales convertirn las variaciones del
transductor en salidas elctricas comprendidas entre 4 a 20 mA proporcionales a la
magnitud de la variable operacional que esta sensando, es el caso sencillo de los analgicos,
como se muestra en la Figura 7.
En el caso de los instrumentos inteligentes; esta misma seal proporcionada por el
transductor es conectada a los circuitos basados en microcontroladores, quien genera las
salidas moduladas digitalmente y enviadas en protocolos de comunicacin para la
transmisin de la magnitud de la variable operacional61
, como se muestra en la Figura 8.
Figura 7.- Diagrama de Transmisor Analgico
62.
Figura 8.- Diagrama de Transmisor Inteligente
63
61
Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pg. 2 62 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pg. 3 63
Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pg. 3
TRANSMISOR INTELIGENTE
Transductor Circuitos Electrnicos
Microcontroladores Variable:
*presin
*Nivel
*Caudal
*Temperatura
Salida Digital
para
Comunicacin
TRANSMISOR ANALOGICO
Transductor Circuitos Elctricos
Analgicos Variable:
*presin
*Nivel
*Caudal
*Temperatura
Ajuste de Span
Ajuste de Cero
12 o 24 VCD
4 a 20 mA
-
24
2.4.1. Mdulo de control
El nivel de complejidad de un instrumento inteligente puede incluir al acondicionamiento
de seal, correccin de cero, ganancia y linealidad, compensacin ambiental (temperatura,
humedad), escalado y conversin de unidades, comunicacin (bidireccional) digital,
autodiagnstico, decisin e incluso activacin o accin sobre el sistema donde se conecta.
Estos instrumentos incluyen el sensor primario, algn algoritmo de control, memoria y
capacidad de comunicacin digital64
.
Los sensores inteligentes pueden calcular prcticamente sin error la magnitud de medicin
buscada, con ayuda de instrucciones memorizadas en una PROM integrada en conjunto con
l , denomidado mdulo de correccin65. Lo anterior se muestra en la Figura 9.
Figura 9.- Mdulo de correccin en un sensor inteligente66
Desde el punto de vista del tratamiento de seal; se puede considerar el control como el
resultado de un procesado sencillo de la seal medida, el control realiza operaciones
algebraicas y filtradas especficas para poder conseguir los objetivos fijados por el
diseador, donde la seal tratada es devuelta hacia el sistema como realimentacin.
Se efecta la diferencia entre la seal de referencia (normalmente introducida por el usuario
en forma de comandos) y la seal realimentada y despus se genera la seal de control en
funcin de la seal diferencia67
.
2.4.2. Mdulo de Comunicacin
En un proceso automatizado, la obtencin y tratamiento de la informacin obliga a disear
una infraestructura de comunicaciones. El grado de automatizacin depende del nmero de
64 Ramn Pallas Areny,Sensores y Acondicionadores de Seal ,Marcombo, Barcelona(2007). Pg. 425 65
Erich Zabler, Los sensores en el automvil BOSCH, Reverte, 2002. Pg.10 66 Erich Zabler, Los sensores en el automvil BOSCH , Reverte,2002. Pg.10 67
Antoni Manuel Instrumentacin virtual: adquisicin, procesado y anlisis de seales, Edicions UPC, 2001. Pg. 30
Ordenador
digital de
correccin
A D
Par
serie
Seal de
medicin
(no corregida)
Analgica
Seal de
medicin
( corregida)
Digital
D A Analgica PROM
Parmetros
modelo
-
25
variables de medida, el tipo de control requerido y la interactividad entre los diferentes
dispositivos que intervienen en el proceso.
La informacin de inters se manda a los centros de decisin para incidir en el proceso,
para lo que se requiere habilitar las plataformas de comunicacin en distintos niveles, ver
Figura 10, tales como68
:
En el nivel de entradas y salidas donde se enlazan sensores y/o actuadores con equipos de medida o control ubicados en la propia planta (buses de campo, fieldbus).
En el nivel intermedio para centralizar la informacin del proceso (redes de rea local, LAN).
En el nivel de enlace de secciones o departamentos ubicados en reas geogrficamente distintas(WAN)
Figura 10.- Niveles de red industrial
69
Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan en
seales electrnicas de 4-20mA en corriente directa y digitales. La exactitud de las seales
digitales es de unas 10 veces mayor que la seal clsica de 4-20mA en corriente directa.
En lugar de enviar cada variable por un par de hilos (4-20mA en corriente directa),
transmiten secuencialmente las variables a travs de un cable de comunicaciones llamado
bus; es decir, el transporte secuencial de seales elctricas que representan informacin
codificada de acuerdo con un protocolo70
.
Las comunicaciones entre instrumentos se iniciaron con el puerto serie por el cual se puede
realizar la configuracin del mismo71
. Las interfaces son dispositivos para adaptar la
transmisin de datos entre el ordenador y los equipos perifricos, donde las interfaces en
68 Joan Domingo Pea, Comunicaciones en el entorno industrial, Editorial UOC, 2003. Pg. 15 69
www.instrumentacionycontrol.net 70 Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa, Pg. 70 71
Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa, Pg. 70
Nivel de gestin
Nivel de campo
y proceso
Estaciones de trabajo,
aplicaciones en red,
supervisin del producto
Nivel de control PCs y PLCs
Nivel de e/s Actuadores,
sensores
PLCs, PCs, bloques de
e/s, controladores,
transmisores
-
26
serie transmiten los bits de una palabra de datos sucesivamente a travs de una lnea72
.
Como ejemplo, algunos de los estndares de comunicacin serie asncrona utilizados en las
comunicaciones industriales73
son:
Estndar RS-232
Estndar RS-422
Estndar RS-485
La tabla 1 muestra un anlisis comparativo de algunas de las caractersticas ms relevantes
de tres estndares de comunicaciones serie mencionados.
Parmetro RS-232 RS-422 RS-485
Modo de operacin Simple Diferencial Diferencial
Nmero de dispositivos 1 emisor -1 receptor 1 emisor-10 receptores 32 emisores-32 receptores
Mx. longitud cable 15 m 1200 m 1200 m
Mx. velocidad 20 Kbps 10 Mbps 10 Mbps
Carga driver De 3 a 7 k 100 mnimo 60 mnimo
Entrada receiver De 3 a 7 k 4 k 12 k
Tensin modo comn v v De -7 a 12 v Tabla 1.- Anlisis comparativo entre estndares de comunicacin serie
74.
La descripcin de los estndares de comunicacin se proveer posteriormente con detalle.
Ademas de los estadares de comunicacin, las caractersticas exigidas a los distintos
dispositivos conectados a un bus de comunicaciones de campo se incorpora un sistema de
alimentacin intrnsecamente seguro. Con la integracin del microcontrolador, la
instrumentacion del proceso le ofrece al operador informacin adicional importante (estado
del sensor, escala de medida, si se han revasado o no los limites previstos, entre otros)75
.
La comunicacin digital permite la comunicacin por un nico bus de los parmetros
transmitidos por varios dispositivos de campo, utilizando una nica lnea comn,
denominada genricamente como bus de datos, fieldbus. Esto reduce drsticamente el
nmero de hilos de enlace de la instalacin y ahora un elevado nmero de entradas/salidas
en los equipos de control76
, como se muestra en la Figura 11 (b).
72 Peter Bastian, Electrotecnia: ciclos formativos, Ediciones AKAL, 2001. Pg. 374 73 Antoni Manuel Instrumentacin virtual: adquisicin, procesado y anlisis de seales, Edicions UPC, 2001. Pg.73 74Antoni Manuel Instrumentacin virtual: adquisicin, procesado y anlisis de seales, Edicions UPC, 2001. Pg.75 75 Joan Domingo Pea Comunicaciones en el entorno industrial, editorial UOC, 2003. Pg. 24-25. 76
Joan Domingo Pea Comunicaciones en el entorno industrial, editorial UOC, 2003. Pg. 24-25.
-
27
Figura 11.-Instalacin elctrica realizada con producto a) convencional y de b) campo
77
Para lograr una comunicacin digital se debe contemplar que exista y sea aceptado un bus
de campo estndar, lo que garantizar que los instrumentos de distintos fabricantes que lo
incluyan puedan operar conjuntamente.
Esto produce un movimiento hacia los denominados transmisores inteligentes de campo
(Smart transmitters), transmisores que ofrecen una comunicacin digital por medio de una
lnea de enlace de seal analgica de 4-20mA, en la que el elemento de campo transmite la
informacion digital superponindola sobre la seal analgica de 4-20mA78
.
Conclusiones
En comparacin con los instrumentos de medicin convencionales, los instrumentos de
medicin inteligente ofrecen una mejoria para la medicion de diferentes variables fisicas.
Los instrumentos de medicin inteligente tienen incluido dentro de su circuiteria al sensor analgico, que junto con una circuiteria electronica, entrega una corriente de 4 a
20mA proporcionales a la variable medida; esta seal analgica es transmitida hacia el
microcontrolador. El microcontrolador es el principal componente que ofrece la conversin
analogico- digital, el modulo de control y el modulo de comunicacin, por lo que el
microcontrolador es el encargado de dar el plus a los instrumentos de medicin
convencionales y convertirlo as en inteligente.
77 Joan Domingo Pea Comunicaciones en el entorno industrial, editorial UOC, 2003. Pg. 24-25. 78
Joan Domingo Pea Comunicaciones en el entorno industrial, editorial UOC, 2003. Pg. 24-25.
Controlador lgico programable
Mdulos de entrada/salida
Bastidor de conexin clasificada
Proteccin contra explosin
Bastidor de conexin clasificada
Equipo de terminales
Controlador lgico programable
Mdulos de entrada/salida
Equipo de terminales
Alimentacin
(a) (b)
-
28
Capitulo 3.- Dispositivos analgicos de medicin
Introduccin
Un sistema analgico contiene dispositivos que manipulan cantidades fsicas representadas
de manera analgica. La salida en los dispositivos analgicos de medicin puede variar en
un rango continuo de valores. La informacin est en la amplitud, representada mediante un
voltaje, una corriente o un movimiento de un medidor que es proporcional al valor de esa
cantidad 79
.
El estudio de un gran nmero de sensores se clasifica de acuerdo con la magnitud medida;
en consecuencia, se habla de sensores de temperatura, presin, caudal, humedad, posicin,
velocidad, aceleracin, fuerza, par, entre otras80
.
Este captulo describe los instrumentos de medicin para temperatura y presin. Para la
medicin de la temperatura se presentan el termopar, el rtd y los termisores; mientras que
para la medicin de la presin, se tienen las galgas extensomtricas, el condensador
variable y los transformadores diferenciales de variacin lineal o LVDT.
3.1 temperatura
Para la medicin de la temperatura se presentan el termopar, el rtd y los termisores, los
cuales se describen en esta seccin.
3.1.1 Termopar
Las Termocuplas (termopares) son transductores Temperatura-f.e.m. que depende de la
generacin de tensin elctrica en el punto de unin de dos metales diferentes cuando este
punto de unin se somete a una temperatura81
.
Los sensores termoelctricos se basan en dos efectos reversibles. Se trata del efecto Peltier
y del efecto Thompson82
.
El termopar consiste de dos conductores metlicos diferentes cuyas uniones (unin de
medida o caliente y unin de referencia o fra) se mantienen a distinta temperatura83
, 84
, este
comportamiento se muestra en la Figura 12.
79 Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, Sistemas digitales: Principios y aplicaciones, Pearson Educacin, 2003. Pg. 4-6 80 Ramn Pallas Areny, Sensores y Acondicionadores de Seal, Marcombo, Barcelona (2007). Pg. 5 81 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo VII. Pg. 11 82
Ramn Pallas Areny, Sensores y Acondicionadores de Seal, Marcombo, Barcelona (2007). Pg. 273 83 Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg.148 84
Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 254
-
29
Figura 12.- Diagrama de un sistema de termopar tpico. Por cortesa de Honeywell, Inc
85
En el punto de unin del metal A con el metal B genera una tensin elctrica en milivoltios
que aumenta en la medida que la temperatura en el punto de unin de los dos metales se
incrementa. Esta generacin de energa elctrica es continua y proporcional a la
temperatura de la unin y se genera siempre que exista una diferencia de temperatura con la
unin de referencia. Esta unin de referencia ser el punto donde se conecta al circuito
electrnico86
.
El smbolo de termopar y su circuito equivalente como una fuente de tensin variable por
temperatura87
se muestran en la Figura 13.
Figura 13.- Smbolo y circuito equivalente de un termopar
88
3.1.2 RTD
El RTD (del ingls: resistance temperature detector) es un sensor de temperatura resistivo
metlico de coeficiente trmico positivo muy utilizado para la medicin de temperatura de
medios y superficies89
.
El fundamento del RTD es la variacin de la resistencia de un conductor con la
temperatura, ver Figura 14. En un conductor, al aumentar la temperatura las vibraciones de
los tomos alrededor de la posicin de equilibrio de los electrones disponibles para la
conduccin son mayores, los electrones se dispersan y se reduce su velocidad media. Esto
85 Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg.149 86 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo VII. Pg.11 87
Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo VII. Pg.12 88 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo VII. Pg.12 89
Miguel A. Prez Garca, Juan C. lvarez et al, Instrumentacin Electrnica, Thomson, Espaa (2004). Pg.255
I
I
Metal A
Metal B
Temperatura
I
I
Cabeza de
conexin
Alambre de extensin M
Instrumento
Medidor en la unin
de medicin
A
B
T
Unin viva o de
deteccin
(unin caliente)
Unin de referencia
-
30
implica un coeficiente de temperatura positivo, es decir, un aumento de la resistencia con la
temperatura90
.
El RTD est conformado por un elemento que consiste usualmente en un arrollamiento de
hilo muy fino del conductor bobinado entre capas de material aislante y protegido con un
revestimiento de vidrio o cermica91
.
Figura 14.- Circuito equivalente de un RTD
92
Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el
nquel. El platino es el elemento ms adecuado desde el punto de vista de precisin y
estabilidad, pero tambin es el ms caro.
La sonda ms utilizada es la Pt-100 (resistencia de 100 ohmios a 0 C). El nquel es menos
costoso que el platino y posee una resistencia ms elevada con una mayor variacin por
grado; sin embargo tiene la desventaja de la falta de linealidad en su relacin resistencia-
temperatura.
El cobre es barato y estable pero tiene el inconveniente de su baja resistividad. Se aade la
Tabla 2 como ejemplo93
. Los sensores de platino de pelcula fina son mucho ms
econmicos que los de hilo bobinado y sus prestaciones son casi de igual calidad94
.
Metal Resistividad
Coeficiente
temp. Intervalo
til de
temp.
min. de hilo
mm
Costo
relativo
Resis.
Sonda a
0 , ohmios
Precisin
Platino 9.83 0.00385 200 a 950 0.05 Alto 25,100,130 0.01 Nquel 6.38 0.0063 a 0.0066 150 a 300 Medio 100 0.50 Cobre 1.56 0.00425 200 a 120 Bajo 10 0.10
Tabla 2- Termorresistencias95
.
El RTD es el sensor de temperatura ms utilizado tanto en aplicaciones industriales como
domsticas, en los controladores de temperatura de frio y calor, en los coches, en los hornos
domsticos, climatizadores y cmaras climatizadas de precisin96
. Una aplicacin de los
90 Ramn Pallas Areny, Sensores y Acondicionadores de Seal ,Marcombo, Barcelona(2007). Pg. 68 91 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo II. Pg. 21 92 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo VII. Pg.12 93 Juan Carlos Maraa, Instrumentacin y control de procesos, Curso de formacin. Pg. 41 94
Ramn Pallas Areny, Sensores y Acondicionadores de Seal ,Marcombo, Barcelona(2007). Pg. 71 95 Jos Acedo Snchez, Control avanzado de procesos: (teora y prctica), Ediciones Daz de Santos, 2003. Pg. 81 96
Miguel A. Prez Garca, Juan C. lvarez et al, Instrumentacin Electrnica, Thomson, Espaa (2004). Pg.213
Temperatura
I
I
-
31
elementos resistivos de platino es la medida de la velocidad de un fluido en la denominada
anemometra de hilo caliente97
.
3.1.3 Termistores
Los termistores son semiconductores electrnicos98
, tienen las caractersticas de cambiar su
valor de resistencia en ohmios en la medida que son expuestos a los cambios de
temperatura99
. Los termistores utilizados son los de coeficiente de temperatura negativos y
los termisores de coeficiente de temperatura positivos.
Los Termistores NTC (Negative Temperature Coefficient) tienen la condicin de disminuir
su valor de resistencia en la medida que se incrementa la temperatura a la que es expuesta,
como se muestra en la Figura 15 (A),mientras que los termistores PTC (Positive
Temperature Coefficient) incrementan su valor de resistencia en ohmios en la medida que
se incrementa la temperatura a la que es sometido100
, como se muestra en la Figura 15 (B).
Figura 15.- Curvas caractersticas para un termistor NTC (A) y PTC (B)
101
Los termistores se fabrican con oxido de nquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre,
magnesio, titanio y otros metales, y estn encapsulados en sondas y en discos102
.
3.1.3.3. Tipos de termistores
Los termistores se encuentran catalogados en directamente calentados o indirectamente
calentados. En los termisores directamente calentados, el calor que recibe proviene de la
temperatura ambiente a la que est expuesto, o de la propia que genera el paso de la
corriente por el termistor o ambas, ver Figura 16 (A). En los termisores indirectamente
calentados el calentamiento es producido por un elemento calefactor de tipo elctrico, en
97 Ramn Pallas Areny,Sensores y Acondicionadores de Seal ,Marcombo, Barcelona(2007). Pg. 71 98 Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 251 99 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo II. Pg. 23 100
Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo II. Pg. 23 101 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo II. Pg. 23 102
Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 251
NTC
(A) R(T)
100
1
25 C 100 C
T
PTC
1
100
70 C 100 C
T
(B) R(T)
-
32
este caso los efectos de la temperatura ambiente son mnimos nulos debido a que el
calefactor y el termistor se encuentran en una cpsula al vaco103
, ver Figura 16 (B).
Figura 16.- Smbolos del termistor: A) Directamente calentado B) Indirectamente calentado
104
El termistor tiene caractersticas bsicas, entr estas se incluyen la resistencia fra, la
resistencia caliente, la resistencia contra temperatura, el voltaje contra corriente y corriente
contra tiempo105
.
Resistencia fra: La resistencia se mide a una temperatura ambiente, en donde la corriente que pasa por el termistor no causa ningn autocalentamiento apreciable.
En esta temperatura, el termistor posee el valor de resistencia fra de 150 . Un apelativo es resistencia a cero potencia
106.
Resistencia caliente: Es el valor de resistencia que tiene el termistor cuando es calentado por algn elemento calefactor. En termistores con coeficiente de
temperatura negativo: (valor de resistencia caliente) (valor de resistencia fra), y en termistores de coeficientes de temperatura positivo: (valor de resistencia caliente)
(valor de resistencia fra)107. Resistencia contra temperatura: Es la respuesta del termistor a cambios de
temperatura108
.
Voltaje contra corriente: La curva corriente-voltaje de un termistor se observa en la Figura 17, donde se tiene una resistencia positiva (entre cero y el punto - ) con un incremento grande de voltaje y corriente casi constante hasta , y se tiene una resistencia negativa (entre los puntos - y - ) con un incremento de la
corriente al nivel mximo permitido , donde con un nivel de voltaje 109.
103 Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 130 104 Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 130 105 Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 130 106
Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 131 107
Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 131 108
Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 131 109
Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 132
T
Termistor
T
Elemento calefactor
A B
-
33
Figura 17. Curva voltaje-corriente del termistor
Corriente contra tiempo: Un retardo trmico aparece en los termistores cuando le aplicamos un voltaje, la corriente que pasa a travs de ste no alcanza su valor
instantneo, sino hasta un tiempo despus.
3.1.3.4. Aplicaciones
En las aplicaciones de los termistores directamente calentados se encuentran aquellas
relativas a la medida, control y compensacin de temperatura. Para los termistores
indirectamente calentados se tienen las medidas de caudal, nivel y vaco (mtodo Pirani) y
el anlisis de la composicin de gases.
Estos son casos donde vara la conductividad trmica del medio alrededor del termistor,
tambin se usan en el control automtico de volumen y potencia, en la creacin de retardos
de tiempo y la supresin de transitorios110
.
En la Figura 18 se muestra un medidor de flujo, ya sea lquido o gas, en donde tambin se emplea un circuito puente y en donde dos de sus brazos son termistores. Uno de ellos est
midiendo directamente el caudal y el otro se encuentra en una pequea cmara de
referencia, en este caso, la medicin depender del cambio en la disipacin, debido al
autocalentamiento en el termistor , que est en funcin de la velocidad de flujo del lquido o gas que est circulando en la tubera
111 .
110 Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 226 111
Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 139
-
34
Figura 18.- Aplicacin de los termistores en el nivel de flujo
112.
3.2 Presin
Para la medicin de la presin, se tienen las galgas extensomtricas, el condensador
variable y los transformadores diferenciales de variacin lineal o LVDT.
3.2.1. Galgas Extensomtricas
Las galgas extensomtricas son transductores elctricos de efecto piezorresistivo113
[6], se
basan en la variacin de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es
sometido a un esfuerzo mecnico114
.
Las galgas extenciomtricas se basan en la variacin de longitud y de dimetro, y por lo
tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a
una tensin mecnica por la accin de una fuerza o presin.
Existen dos tipos de galgas (ver Figura 19), las galgas cementadas y sin cementar, las
primeras estn formadas por varios bucles de hilo muy fino que estn pegados a una hoja
base de cermica, papel o plstico; en las segundas los hilos de resistencia descansan entre
un armazn fijo y otro mvil bajo una ligera tensin inicial115
.
112 Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 140 113
Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras 114 Ramn Pallas Areny,Sensores y Acondicionadores de Seal ,Marcombo, Barcelona(2007). Pg. 60 115
Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 98
Tubera
R3
R4
R1
R5
R2 Flujo T
M1 Ajuste
de cero
Calibracin
Voltaje de alimentacin
T
-
35
Figura 19.- Galgas extensomtricas (a) cementadas (b) sin cementadar
116
Las aplicaciones de las galgas incluyen:
Medidores de presin, la presin estira o comprime los hilos, segn sea la disposicin que el fabricante haya adopta, modificando la resistencia de los mismos.
Medidores de caudal
Medidor de placa que consiste en una placa instalada directamente en el centro de la tubera y sometida al empuje o fuerza de impacto del fluido. La fuerza dinmica del
fluido sobre la placa es transmitida a travs de una palanca a un puente de
Wheatstone de cuatro galgas extensiomtricas activas que proporciona una seal de
salida de 4-20 mA c.c. compatible con el protocolo HART
3.2.1.3. Extensomtros metlicos
En la aplicacin de los extensmetros se utiliza una constante de proporcionalidad K con
valores de 2 a 4. Este factor es la relacin de transferencia o sensibilidad que relaciona la
entrada de deformacin mecnica con la salida unitaria de cambio de resistencia117
.
Esta relacin causa-efecto, se conoce con el nombre de factor de galga: cociente entre el
cambio fraccional de la resistencia elctrica y la tensin . Esta relacin puede expresarse a partir de la funcin
118:
(6)
Donde:
116
Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 99 117 Harold Soisson, Instrumentacin Industrial 118
Francisco CorbI Soler, Biomecnica del pie, Lulu.com, 2008. Pg.45
(b)
Fuerza
Armadura
Base Flexible
Fuerza Fuerza
Hilo de conexin Base Flexible
Hilo Activo Hilos Activos
Armazn
(a)
-
36
3.2.1.4. Extensomtros semiconductores
La galga extensomtrica de semiconductor cambia de resistencia (bajo el principio de
piezoresistencia) con la tensin gracias a cambios en la estructura cristalina que varan la
movilidad de los electrones119
, pueden tener factores de carga que van de 45 a 200. Este
factor se puede expresar como:
(7)
Donde = relacin de Poisson =mdulo de Young =coeficiente piezorresistivo longitudinal
Los dos primeros trminos representan el cambio de resistencia debido a los cambios
dimensionales, el ltimo representa el cambio de resistividad causado por la
deformacin120
.
3.2.2. Condensador Variable:
El sensor capacitivo se basa en la variacin de capacidad (capacitancia elctrica) para
almacenar carga elctrica en un condensador, al desplazarse una de sus placas por la
aplicacin de la magnitud fsica121
,122
. Los sensores capacitivos permiten la medida de
cualquier magnitud que se pueda convertir en un desplazamiento, como puede ser la
presin, la fuerza o par, o la aceleracin, si se aplica a un sistema inercial123
.
Un condensador elctrico consiste en dos conductores (placas metlicas) separados por un
dielctrico (solido, lquido o gaseoso), o el vaco. Cuando las placas estn casi juntas, un
capacitor puede almacenar ms carga elctrica que cuando las placas estn muy
separadas124
.
La relacin entre la carga , , y la diferencia de potencial, , entre ellos viene descrita por su capacidad, Esta capacidad depende de la disposicin geomtrica de los conductores y del material, dielctrico, dispuesto entre ellos, .
En la Figura 20, la fuerza que ejerce la magnitud sobre el rea de la placa A comprime el
dielctrico que esta contenido entre las dos placas del condensador y con ello modifica la
distancia (d) entre las placas A y B modificando la capacidad (C) del condensador, tal como
se observa en la Figura 21.Esta accin de la magnitud permite tener una distancia variable
119 Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 321 120 Harold Soisson, Instrumentacin Industrial 121 Antonio Creus Sole, Instrumentacin Industrial, Marcombo, Barcelona, Espaa. Pg. 97 122
Gustavo V. Ordaz et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 226 123 Ramn Pallas Areny, Sensores y Acondicionadores de Seal, Marcombo, Barcelona (2007). Pg. 181 124
Ramn Pallas Areny, Sensores y Acondicionadores de Seal, Marcombo, Barcelona (2007). Pg. 173
-
37
entre placas cada vez que la accin de la presin vari y con ello una capacitancia
variable125
.
Figura 20.- Condensador variable126
Figura 21.- Variacin de la distancia entre placas
127
En la Figura 22 se muestra un transductor de presin basado en las propiedades de un
capacitor. El transductor contiene dos placas metlicas: una placa llamada estator, se
mantiene estacionaria; la otra placa es un diafragma que se deforma y por consiguiente se
mueve hacia el estator cuando aumenta la presin del proceso, de esta manera cambia la
capacitancia del dispositivo y se desbalancea el circuito puente, produciendo cambios en la
salida de voltaje del circuito128
.
Figura 22.- Transductor de presin tipo capacitivo y circuito puente
129
125 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo II. Pg. 16 126 Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo II. Pg.16 127
Jess Enrique Otero Ramos, Instrumentacin Industrial en Instalaciones Petroleras, Captulo II. Pg.16 128 Gustavo V. Ordaz, et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 227 129
Gustavo V. Ordaz, et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 228
Estator
Presin de referencia Voltaje de salida
Placa del diafragma
Presin de proceso
d
Presin Presin
Dielctrico
d
Placa A
Placa B
-
38
3.2.3. Transformador Diferencial de Variacin Lineal (LVDT)
El Transformador diferencial de variacin lnea (LVDT) es un transductor electromecnico,
que produce una salida elctrica proporcional al desplazamiento del ncleo mvil
separado130
. Si se energiza la bobina central o primaria con una corriente alterna, se induce
un voltaje en las dos bobinas externas.
En la configuracin del transformador, las bobinas externas o secundarias se conectan en
serie y opuestas, de manera que los dos voltajes inducidos tienen una fase contraria. La
salida neta del transformador es la diferencia de estos dos voltajes131
, ver Figura 23.
Figura 23.- Transductor de presin con elemento tipo fuelle
132
Si se mueve el ncleo a partir del punto de equilibrio, el voltaje inducido en la bobina hacia
la que se mueve el ncleo aumenta y el voltaje de la bobina opuesta disminuye133
. El LVDT
se monta en varias clases de dispositivos mecnicos; por ejemplo el tubo de Bourdon, o
mediante un diafragma, fuelle o cpsula134
.
Con un arreglo mecnico adecuado puede indicar una presin manomtrica, absoluta o
diferencial, o bien, cantidades derivadas, como un vaco o flujo. Cada una de estas formas
de medicin se basa fundamentalmente en la distorsin del miembro elstico, de manera
que la posicin relativa del punto mvil con respecto a una referencia fija constituye una
medida de la presin135
. Se utiliza en acelermetros y sistemas detecto de vibracin136
.
Se pueden aplicar a los instrumentos basados en un flotador, siempre y cuando los
devanados sean hermticos. Los rotmetros y los detectores de nivel se prestan fcilmente a
este uso. Las clulas de carga y los medidores de par, donde se produce un desplazamiento
muy pequeo, pueden emplear tambin un LVDT como sensor137
.
130 Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg.352 131 Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg. 352 132 V. Ordaz, Gustavo, et al, Medicin y Control de Procesos Industriales, Instituto Politcnico Nacional, 2006. Pg. 230 133 Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg. 352 134 Ramn Pallas Areny, Sensores y Acondicionadores de Seal, Marcombo, Barcelona (2007). Pg. 199 135
Harold Soisson, Instrumentacin Industrial, Editorial Limusa. Pg. 354 136 Ramn Pallas Areny, Sensores y Acondicionadores de Seal, Marcombo, Barcelona (2007). Pg. 201 137
Ramn Pallas Areny, Sensores y Acondicionadores de Seal, Marcombo, Barcelona (2007). Pg. 202
Presin de entrada
Fuelle
Voltaje de salida
B2 B1
Extraccin Ca
Convertidor CA - CD
Ncleo magntico
-
39
Los elementos de inductancia variable usan el transformador diferencial variable lineal
(LVDT= linear Variable Diferencial Transformer) que provee una seal en corriente alterna
proporcional al movimiento de una armadura de material magntico situada dentro de un
imn permanente o una bobina que crea el campo magntico.
Al cambiar la posicin de la armadura, por un cambio en la variable de medicin, vara el
flujo magntico. Esta variacin del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que
es proporcional al grado de desplazamiento de la armadura mvil138
.
3.3. Magnitudes fsicas tpicas en control en lazo cerrado
El objetivo del control de procesos es mantener en determinado valor de operacin las
variables del proceso tales como: temperatura, presiones, flujos, compuestos, entre otras;
los procesos industriales son muy dinmicos, cambian continuamente debido a los muchos
tipos de perturbaciones por lo que se necesita que los sistemas de control vigilen continua y
automticamente las variaciones que se pueden controlar139
.
Los sistemas de control han asumido un papel cada vez ms importante en el desarrollo y
avance de la civilizacin moderna y la tecnologa, se encuentran en gran cantidad en todos
los sectores de la industria140
. Antes de analizar los sistemas de control, deben definirse
ciertos trminos bsicos141
:
La variable controlada es la cantidad o condicin que se mide y controla (mantener constante o con cambios mnimos), comnmente es la salida (resultado) del sistema. Su
valor debe seguir al set-point.
La variable manipulada es la cantidad o condicin que el controlador modifica para afectar el valor de la
