curso instrumentación parte 1.pdf

Universidad de Tarapac-Arica Instrumentacin y Automatizacin Industrial

1

MAGISTER EN INGENIERA ELCTRICA

C U R S O

INSTRUMENTACIN Y AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL

Profesor:

Ricardo Ovalle Cubillos

Arica Chile

2007 GRUPO DE REDES Y SISTEMAS DE ENERGA ELCTRICA

Universidad de Tarapac Escuela Universitaria de Ingeniera Elctrica - Electrnica


2

PROGRAMA DE ASIGNATURA

Curso: Instrumentacin y Automatizacin Industrial Programa: Magster en Ingeniera Elctrica Profesor: Ricardo Ovalle Cubillos

Objetivos Generales Entregar el conocimiento adecuado a los asistentes para comprender las principales tcnicas y mtodos de medicin y actuacin en procesos industriales y a la vez poder elaborar y entender diagramas de canalizacin e instrumentacin.

Programa Asignatura - Introduccin, - Sensores clsicos: flujo, longitud, fuerza, nivel y volumen, presin y

temperatura, humedad. - Control de servomecanismos: Sensores de posicin, lazos de control,

actuadores. - Sensores pticos: Tcnicas lser, Infrarrojo. - Tcnicas nucleares. - Sistemas neumticos, sistemas hidrulicos, confiabilidad y disponibilidad de

sistemas de automatizacin. - Caractersticas de un sistema de automatizacin. - Diagrama PID. - Aplicaciones industriales.

Evaluacin Dos tareas con ponderacin de 30% cada una y un trabajo final de 40%

Bibliografa - PROCESS instruments and control handbook, ed. by D.M.Cosidine. 2nd. ed.

New York, McGraw Hill, 1987. - LIPTAK, B. Process measurement and analysis. Oxford, Butterworth-

Heinemann, 1995.


3

1.- INTRODUCCIN

Los instrumentos de control estn universalmente aceptados. Hoy en da es inimaginable la existencia de una industria moderna sin instrumentos. Y, aunque existiera, las necesidades que crea el mercado de obtener productos terminados con las garantas de calidad exigidas y en la cantidad suficiente para que el precio obtenido sea competitivo, forzaran a modificar esta hipottica industria, incluyendo en la transformacin subsiguiente la automatizacin del proceso mediante los instrumentos de medicin y control.

Los procesos industriales exigen el control de la fabricacin de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: La fabricacin del los productos derivados del petrleo, de los productos alimenticios, la industria cermica, las centrales generadoras de energa, la siderurgia, los tratamientos trmicos, la industria minera, la industria papelera, la industria textil, etc.

Figura 1: Visa de una ingenio siderurgico. El control del proceso evita catstrofes ambientales

En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presin, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de roco, etc.


4

Figura 2: Planta lechera. El control del proceso evita descomposicin del producto alimenticio.

Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categoras: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables, bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relacin predeterminada, o bien guardando una relacin determinada con otra variable.

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.

El sistema de control exige pues, para que esta comparacin y subsiguiente correccin sean posibles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forman un lazo que recibe el nombre de lazo de control. El lazo puede ser abierto o bien cerrado.

Un ejemplo de lazo abierto es el calentamiento de agua en un tanque mediante una resistencia elctrica sumergida.

Un lazo cerrado representativo lo constituye la regulacin de temperatura en un intercambiador de calor.

En ambos casos se observa que existen elementos definidos como el elemento de medida, el transmisor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento final.


5

1.2.- Evolucin de la Instrumentacin 1774 James Watt y su Maquina de Vapor (Ctl.Retroalim.) 1930,40 Instrumentacin Neumtica 1950s Instrumentacin Electrnica (valvulas Vac.) 1960s Transistor (Eln. Edo. Slido) 1970s Circuito Integrado 1980s Microprocesador 1990s Microcontroladores Optoelectronica

1.3.- Objetivos de los sistemas de instrumentacin El objetivo bsico de un sistema de instrumentacin es la adquisicin de informacin del mundo fsico a la mxima velocidad posible, con la mayor exactitud que se pueda obtener y con el menor coste. Si esto se usa para adquirir conocimiento hablaremos de sistema de instrumentacin o sistema de medida. Si esta adquisicin de informacin se usa para determinar la respuesta a los ensayos a los que se somete un circuito integrado, un sistema electrnico o mecnico, etc. Hablaremos de sistemas automticos de prueba (automatic test equipment:ATE). Histricamente el trmino ingls ATE se ha reservado a aquellos sistemas destinados a realizar ensayos en circuitos integrados, componentes electrnicos discretos, placas de circuito impreso o sistemas electrnicos completos, pero puede generalizarse a otros tipos de ensayo como trmicos o mecnicos. La diferencia estructural entre los sistemas de medida y los de prueba radicara en la existencia en estos ltimos de un subsistema destinado a aplicar excitaciones al elemento que se somete a ensayo. Este subsistema puede sustituirse, a nivel formal, por la existencia de una hiptesis sobre el comportamiento del sistema fsico en el que se mide. Salvado este extremo ambos tipos de sistema admiten igual tratamiento, por lo que usaremos ambos trminos de forma indistinta. Podemos definir los objetivos de los sistemas de instrumentacin segn el tipo de comprobacin que realizan en el sistema bajo prueba (SBP):

1.4.- Terminologa asociada a los elementos de control Las definiciones de los trminos empleados en instrumentacin son sugeridas por la SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) en su norma PMC 20 y son las siguientes:

1.4.1.- Campo de medida (range, rango) Espectro o conjunto de valores de la variable medida que estn comprendidos 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 figura es de 100-300C.

1.4.2.- 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, su alcance es 200C.


6

1.4.3.- Error Es la diferencia algebraica entre el valor ledo o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. Si el proceso est en condiciones de rgimen permanente existe el llamado error esttico. En condiciones dinmicas el error vara considerablemente debido a que los instrumentos tienen caractersticas comunes a los sistemas fsicos: absorben energa del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato. Siempre que las condiciones sean dinmicas, existir en mayor o menor grado el llamado error dinmico (diferencia entre el valor instantneo de la variable y el indicado por el instrumento): su valor depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primario (termo par, bulbo y capilar), de los medios de proteccin (vaina), etc. El error medio del instrumento en la media aritmtica de los errores en cada punto de la medida determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida.

Figura 1: Terminologa en instrumentacin

1.4.4.- 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. Hay varias formas para expresar la precisin:

a) Tanto por ciento del alcance. Ejemplo: en el instrumento de la figura, para una lectura de 150C y una precisin de 0,5%, el valor real de la temperatura estar comprendido entre 150 0,5 200/100 = 150 1, es decir, entre 149 y 151C;

b) Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: Precisin de 1C;


7

c) Tanto por ciento de la lectura efectuada. Ejemplo: Precisin de 1% de 150C, es decir 1,5C;

d) Tanto por ciento del valor mximo del campo de medida. Ejemplo: Precisin de 0,5% de 300C = 1,5C;

e) Tanto por ciento de la longitud de la escala. Ejemplo: Si la longitud de la escala del instrumento de la figura es de 150 mm, la precisin de 0,5% representar = 0,75 mm en la escala.

1.4.5.- 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 dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: en el instrumento de la figura es de 0,1%, es decir de 0,1 200/100 = 0,2C.

1.4.6.- Sensibilidad (sensitivity) Es la razn entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, despus de haberse alcanzado el estado de reposo. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Si la sensibilidad del instrumento de temperatura de la figura es de 0,05% su valor ser de 0,05 200/100 = 0,1C.

1.4.7.- Repetibilidad (repeatibility) La repetibilidad es la capacidad de reproduccin de las posiciones de la pluma o del ndice 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. Se considera en general su valor mximo (repetibilidad mxima) y se expresa en tanto por ciento del alcance; un valor representativo es de 0,1%.

1.4.8.- Histresis (hysteresis) La histresis es la diferencia mxima que se observa en los valores indicados por el ndice 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 el instrumento de la figura es de 0,3% su valor ser de 0,3 200C = 0,6C. El trmino zona muerta (o fenmeno de zona muerta) est incluido dentro de la histresis.

1.4.9.- Campo de medida con elevacin de cero Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o seal medida es mayor que el valor inferior del campo.

1.4.10.- Campo de medida con supresin de cero Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o seal medida es menor que el valor inferior del campo.

1.4.11.- Elevacin de cero Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del campo. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % del alcance.


8

1.4.12.- Supresin de cero Es la cantidad con que el valor inferior del campo supera el valor cero de la variable. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % del alcance.

1.4.13.- Deriva Es una variacin en la seal de salida que se presenta en un perodo de tiempo determinado mientras se mantiene constante la variable medida y todas las condiciones ambientales. Se suelen considera las derivas de cero (variacin en la seal de salida para el valor cero de la medida atribuible a cualquier causa interna) y la deriva trmica de cero (variacin de la seal de salida a medida cero), debida a los efectos nicos de la temperatura). La deriva est expresada usualmente en porcentaje de la seal de salida de la escala total a la temperatura ambiente, por unidad, o por intervalo de variacin de la temperatura. Por ejemplo la deriva trmica de cero de un instrumento en condiciones de temperatura ambiente durante un mes fue de 0,2% del alcance.

1.4.14.- Fiabilidad Medida de la probabilidad de que un instrumento contine comportndose dentro de lmites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas.

1.4.15.- Resolucin Magnitud de los cambios en escaln de la seal de salida (expresados en tanto por ciento de la salida de toda la escala) al ir variando continuamente la medida en todo el campo. Es tambin el grado con que el instrumento puede discriminar valores equivalentes de una cantidad.

1.4.16.- Resolucin infinita Capacidad de proporcionar una seal da salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo del instrumento.

1.4.17.- Ruido Cualquier perturbacin elctrica o seal accidental no deseadas que modifica la transmisin, indicacin o registro de los datos deseados.

1.4.18.- Linealidad La aproximacin de una curva de calibracin a una lnea recta especificada.

1.4.19.- Linealidad basada en puntos Falta de linealidad expresada en forma de desviacin mxima con relacin a una lnea recta que pasa a travs de los puntos dados correspondientes al cero y al 100% de la variable medida.

1.4.20.- Estabilidad Capacidad de un instrumento para mantener su comportamiento durante su vida til y de almacenamiento especificadas.


9

1.4.21.- Temperatura de servicio Campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de lmites de error especificados.

1.4.22.- Vida til de servicio Tiempo mnimo especificado durante el cual se aplican las caractersticas de servicio continuo e intermitente del instrumento sin que se presenten cambios en su comportamiento ms all de tolerancias especificadas.

1.4.23.- Reproductibilidad Capacidad de reproduccin de un instrumento de las medidas repetitivas de la lectura o seal de salida para el mismo valor de la variable medida alcanzado en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y a lo largo de un periodo de tiempo determinado. Por ejemplo, un valor representativo sera 0,2% del alcance de la lectura o seal de salida a lo largo de un periodo de 30 das.

1.4.24.- Respuesta frecuencial Variacin con la frecuencia de la relacin de amplitudes seal de salida/variable medida (y de la diferencia de fase entre la salida y la variable medida) para una medida de variacin senoidal aplicada a un instrumento dentro de un campo establecido de frecuencias de la variable medida. Se especifica usualmente como dentro de = .% (cierto porcentaje), de a Hz (rango de frecuencia).

2.- SENSORES Un sensor es cualquier dispositivo que detecta una determinada accin externa. Los sensores existen desde siempre, y nunca mejor dicho, porque desde que existe los seres vivos los tiene incluidos en su cuerpo y de diferentes tipos.

Figura 3 : Los rganos sensoriales presentes en el ser humano

SONIDO OREJA - AUDIO

LUZ OJO - VISIN

AROMA NARIZ - OLFATO

CONTACTO PIEL - TACTO

SABOR LENGUA - ACIDEZ


10

Mediante la utilizacin de las modernas tecnologas es posible obtener receptores artificiales que se denominan sensores o detectores y que, montados en vehculos, aparatos electrodomsticos y en otros equipos tcnicos, permiten que estas mquinas reaccionen de modo controlado y por s mismas a determinados estados. Los sensores imitan la capacidad de percepcin de los seres humanos. Por ello, pueden clasificarse de acuerdo con los correspondientes sentidos del hombre:

Sentido de la vista Sensores ticos Sentido del ojo Sensores acsticos Sentidos del gusto y del olfato Sensores qumicos Sentido del tacto Sensores tctiles

Adems existen numerosas magnitudes qumicas, fsicas e, incluso, biolgicas, que el ser humano no es capaz de percibir. Sin embargo, los sensores s son capaces de ello. La tcnica de los sensores ha experimentado una evolucin vertiginosa en los ltimos tiempos. Aunque en muchos casos no se aprecian a simple vista, especialmente si se trata de chips, estn presentes por doquier.

En un futuro cercano es muy posiblemente todas las mquinas y los objetos de uso diario dispondrn de sensores, que los convertirn en algo cotidiano. Esta es una evolucin inevitable en la que los microsistemas adquirirn una importancia cada vez mayor. Muchas funciones que hasta hace poco parecan utpicas, son ya una realidad gracias al uso de sensores de nfimo tamao. Mquinas que ejecutan movimientos y que antes podrn equiparse, en el mejor de los casos, con detectores para cilindros, dispondrn de muchas otras funciones sensoriales. El sensor y la operacin de procesamiento de las seales estarn unidos en un slo bloque.

Pensndolo bien, a los especialistas en automatizacin industrial les espera un futuro fascinante. Ello significa que los usuarios (ingenieros y tcnicos) debers dedicarse intensamente al estudio de esta materia.

La subsistencia de las sociedades industriales modernas depende de la automatizacin. El ser humano primero se libr del esfuerzo fsico en las fbricas utilizando mquinas y actuadores de diversa ndole. Este proceso dur varios siglos y puede calificarse como la era de la mecanizacin. A esta era le sigui la era de la paulatina automatizacin que, a su vez, supone la existencia de tcnicas de control de alto nivel. Ya en el ao 1923, por ejemplo, la empresa inglesa Morris Motors instal en su planta una lnea de fabricacin paso a paso para la produccin de bloques de cilindros, consiguiendo fabricar 15 unidades por hora. Sin embargo, el mtodo no se impuso porque el sistema de control mecnico disponible en la poca no cumpla los requisitos necesarios. La ingente cantidad de componentes utilizados actualmente con ese fin ha creado una situacin casi paradisaca en ese sentido. Los sistemas de procesamiento de seales han experimentado una evolucin an ms rpida, gracias a los microprocesadores, la lgica difusa (fuzzy-logic), los algoritmos genricos y a los primeros intentos de crear una forma de inteligencia artificial.

Sin embargo, todas las informaciones, los datos y valores de medicin que se procesan, tienen que captarse primero. Esta operacin puede asumirla el ser


11

humano utilizando aparatos de medicin, o bien puede realizarse mediante sensores sin que intervenga el hombre. Sin sensores, los sistemas automticos no pueden reaccionar. Las mquinas sin sensores son ciegas, sordas y carecen de relacin con su entorno. Si un motor elctrico no dispone de un circuito de proteccin para evitar su calentamiento, una persona tendr que estar observando constantemente el instrumento de indicacin de la temperatura para poder desconectar la mquina en caso de emergencia. La automatizacin moderna permite la fabricacin de series cada vez ms pequeos, con lo que las mquinas tienen que ser suficientemente verstiles para adaptarse a las condiciones que cambian con frecuencia. Esta necesidad explica el auge que la tcnica de los sensores experiment en el transcurso de los ltimos 20 aos y el xito que seguir teniendo en el futuro.

Pronosticando la evolucin futura, es posible que las prximas generaciones de sensores se rijan por las siguientes tendencias:

Mayor integracin; es decir, mayor grado de inteligencia del sensor y menor consumo de energa.

Miniaturizacin mediante microelectrnica y microsistemas (microestructuras) Disminucin de los costos gracias a la fabricacin en grandes series (capas

delgadas y gruesas, ASIC) Desarrollo de estndares de transmisin de datos para sistemas de sensores

(sistemas de bus, comunicacin entre el nivel de campo y de control, diagnstico, localizacin de fallos)

Reduccin considerable del trabajo de instalacin y cableado; inclusin sencilla de sensores y actuadores en la red de bus

Combinacin ms sencilla de aparatos de diversas marcas Sistemas de medicin ms fiables, para instalarlos y olvidarse de ellos.

2.1.- Sensores, los rganos sensoriales tcnicos Los sensores se utilizan para medir magnitudes fsicas o electroqumicas y transformarlas en seales elctricas inconfundibles. El concepto sensor proviene del latn sensus que significa sentir o percibir. Este concepto empez a utilizarse en las publicaciones especializadas en el transcurso de la dcada de los aos setenta. Antes se utilizaban conceptos como receptor, emisor, impulsor, medidor, transductor o transmisor.

En la figura se muestra un esquema que explica el funcionamiento general de un sensor. Se puede apreciar que, por regla general, es necesario procesar de alguna manera las seales (procesamiento previo) antes de que la informacin llegue a un sistema ejecutor constituido por actuadores. La funcin del sensor se aprovecha para la primera conversin de seales recurriendo a diversos principios fsicos.


12

Figura 4: Principio de funcionamiento de un sensor. xe: Magnitud medida, xa: Seal de salida.

Si el procesamiento de las seales es ms complejo, el sensor se conecta a un microprocesador.

2.2.- Elemento de deteccin o sensor elemental Esta es la denominacin del elemento de conversin propiamente dicho, que se encarga de convertir la magnitud no elctrica, obtenida por un efecto fsico, en una magnitud elctrica. En determinados casos es necesario interponer una magnitud adicional para realizar la conversin.

2.3.- Sistema de sensores Denominacin aplicada a un sistema que consta de varios componentes de medicin y evaluacin y en el que la medicin se lleva a cabo en el mismo momento de producirse la transmisin que causa un efecto. En los sistemas de sensores estn incluidos el objeto que se mide, el sensor como tal y el entorno.

Estos sistemas incluyen las funciones esenciales de la transmisin de los datos.

Denominacin aplicada a un sistema compuesto por varios sensores individuales que se encargan de medir simultneamente varias magnitudes. Suelen ser sensores con semiconductores, por lo que sus dimensiones son muy pequeas.

Los sistemas de sensores mltiples pueden ser de tres tipos:

1. Combinacin de sensores con diversos principios de medicin (por ejemplo, medicin tctil, ptica, acstica). En este caso se trata de una combinacin heterognea

2. Combinacin de sensores con el mismo principio de medicin, montados en diversos lugares del sistema. En este caso se trata de una combinacin homognea

3. Sensor individual para la deteccin de diversas operaciones relacionadas entre s (por ejemplo, objetos en movimiento)


13

Los sensores tambin pueden clasificarse en binarios, digitales y analgicos. Los sensores binarios (denominados comnmente detectores) son conmutadores bivalentes que slo funcionan con las seales elctricas ON y OFF, tal como sucede, por ejemplo, en el caso de detectores de proximidad, presostatos o termostatos.

Los sensores analgicos, por lo contrario, emiten constantemente un valor de medicin fsico, por lo general en forma de tensin o corriente elctrica. Este tipo de sensores incluye aquellos utilizados para medir distancias, ngulos, fuerzas o caudales. Calibrndolos, es posible utilizarlos como comparadores de valores medidos. Por calibracin se entiende la definicin entre la magnitud medida (valor real) y el valor indicado (valor de medicin) segn la norma DIN 1319.

Ejemplo: Valor medido = 10,00; valor indicado = 10,86; Calibracin: corregir la indicacin a 10,00

Cualquier deteccin de las propiedades de un objeto mediante sensores se rige por el principio siguiente: el objeto modifica o modula de alguna manera la energa y el sensor analiza la informacin correspondiente. En ese sentido puede diferenciarse entre sensores activos (que incluyen la energa para el emisor y el receptor) y sensores pasivos (que utilizan una fuente energtica externa). Ello significa que los tipos de sensores pueden clasificarse en funcin de la forma de energa, tal como se muestra en la fig. 1-2. Las caractersticas esenciales y las posibles aplicaciones de los sensores dependen de las leyes fsicas vlidas en cada caso.

Tabla 1: Clasificacin de los sensores en funcin de la energa

Energa Tipo de sensor

mecnica Tctil, acstico, fludico

electromagntica Elctrico, magntico, inductivo, capacitivo, dielctrico, de arco voltico

trmica Trmico, de imagen de radiacin trmica

ptica Geomtrico-ptico, de generacin de imgenes

radiactiva De adsorcin de radiacin, de difusin de radiacin

Los sensores tienen que entenderse y configurarse como partes que se integran en un conjunto compuesto por otros componentes y grupos de componentes. Por ello es necesario que sean lo ms fiables posible. Adems, tienen que ser insensibles a posibles interferencias (sensibilidades colaterales) y tienen que ser capaces de regularse a s mismos.


14

En el transcurso de la industrializacin, los procesos de fabricacin fueron racionalizndose paulatinamente. De esta manera tambin surgi la necesidad de dotar a las mquinas de las facultades sensoriales del ser humano. Por ejemplo, durante la dcada de los aos treinta se utilizaron por primera vez clulas fotoelctricas para clasificar granos de arroz o cigarros segn su color. Posteriormente, dichas clulas se utilizaron para etiquetar latas de conservas; en una seccin de control de rboles de levas de una fbrica estadounidense incluso fue posible sustituir 14 operarios utilizando clulas fotoelctricas. En la actualidad existe una ingente variedad de sensores y las posibles aplicaciones aumentan constantemente. Casi no hay mquina moderna que no funcione con la ayuda de sensores.

En la actualidad se aprovechan unos 150 fenmenos fsicos y qumicos para obtener las informaciones que necesitan los sistemas automticos para sustituir y proteger al ser humano, para aprovechar las mquinas de modo ptimo y para fabricar productos de alta calidad.

Existen aproximadamente 5.000 fenmenos fsicos que puede aprovecharse para el funcionamiento de sensores. Los efectos ms usuales se explican en este manual, aunque tambin se incluyen explicaciones de sensores que funcionan de acuerdo con principios no aprovechados hasta la actualidad. 2.4.- Formas de detectar la magnitud que se desea medir

Mediante un contacto mecnico directo o utilizando un sistema mecnico acoplado (sensor tctil)

Mediante un sensor que reacciona sin establecer contacto (sensor de aproximacin)

Mediante un sistema que genera imgenes, en el que la evaluacin de la magnitud no depende directamente de la distancia del objeto medido (cmara con sistema de procesamiento de imgenes)

2.5.- Deteccin de magnitudes mecnicas Induccin Efecto piezoelctrico y efecto piezoelctrico recproco Resistencia elctrica y su dependencia de las dimensiones geomtricas Modificacin de la resistencia especfica aplicando tensin mecnica Acoplamiento de dos bobinas a un ncleo ferromagntico Dependencia de la inductancia de una bobina de la resistencia magntica Dependencia de la capacidad de un condensador de las dimensiones

geomtricas

2.6.- Funciones y efectos aprovechables Modificacin del coeficiente de permeabilidad relativa aplicando tensin

mecnica Dependencia de la frecuencia propia de una cuerda o una vara de tensiones

mecnicas Mtodo de medicin de la presin efectiva Obtencin de un impulso (medidor de caudal segn Coriolis) Turbulencias obtenidas detrs de un cuerpo interpuesto Medicin del caudal mediante la transmisin de temperatura Dependencia de la velocidad del sonido de la velocidad del medio


15

2.7.- Deteccin de magnitudes trmicas Efecto termoelctrico Efecto piroelctrico Dependencia de la resistencia elctrica de la temperatura Dependencia de la conductividad de la temperatura Ferroelectricidad Dependencia de la frecuencia de resonancia del cuarzo de la temperatura

2.8.- Deteccin de radiaciones Efecto fotoelctrico exterior Efecto fotoelctrico interior, efecto de barrera fotoelctrica Efecto fotoelctrico, efecto de Compton y generacin de cargas elctricas

mediante fotones Excitacin luminiscente, radiacin radiactiva

2.9.- Deteccin de magnitudes qumicas Formacin de potenciales electroqumicos en capas delimitantes Modificacin de la intercambiabilidad en lmites de fases Dependencia del paramagnetismo del oxgeno de la temperatura Anlisis de gases mediante determinacin de la conductividad o coloracin

por calor Conduccin de iones de hidrgeno en electrolitos de cuerpos sidos Principio del sensor de iones por combustin Propiedades higroscpicas de LiCl Dependencia de la capacidad del dielctrico

Los sensores se utilizan en las ms diversas ramas industriales. Ello significa que los sensores utilizados, por ejemplo, en la tcnica mdica tienen que cumplir otros requisitos que los que se emplean en las mquinas de las fbricas.

2.10.- Comprobacin de la presencia de objetos Presencia de objetos individuales, por ejemplo arandelas Control de la cantidad completa de piezas, por ejemplo en una seccin de

montaje Deteccin de lquidos u cantidades que fluyen Recuento de piezas

2.11.- Captacin de la identidad de los objetos Deteccin de piezas no admitidas (falsas, defectuosas, inservibles) en un

proceso Clasificacin de objetos admitidos, por ejemplo segn tolerancias o tipos Control y deteccin de signos pticos (por ejemplo, escritura corriente, cdigo

de barras, cdigos matriciales)

2.12.- Deteccin de la posicin y/o orientacin de objetos Deteccin de objetos individuales en funcin de su entorno (por ejemplo,

piezas que se recogern de una cinta transportadora)


16

Deteccin de objetos en funcin de la utilizacin de herramientas (por ejemplo, punto de unin en relacin con el soplete)

Deteccin de la orientacin de objetos en relacin con la superficie limitada sobre la que se encuentran (por ejemplo, en operaciones de optimizacin de cortes (nesting)

Medicin de la longitud y de los ngulos de objetos (por ejemplo, para controlar tolerancias, desviaciones, deformaciones, holguras, inclinaciones, saltos, excentricidades, grosores)

2.13.- Deteccin de las formas de objetos Control de perfiles (por ejemplo, para comprobar la calidad de las roscas) Control de zonas de objetos (por ejemplo, para comprobar la presencia de

cantos) Control de la cantidad completa de determinadas formas (por ejemplo, para

comprobar la forma completa de una pieza de plstico inyectado) Medicin de deformaciones (para determinar fuerzas y momentos)

2.14.- Deteccin de caractersticas de la superficie de objetos Control de la microgeometra de objetos (por ejemplo, grado de rugosidad) Control de tonalidades (por ejemplo, para clasificar astillas de vidrios) Control de la homogeneidad de objetos (por ejemplo, textura, daos o

tonalidades indebidas)

2.15.- Comprobacin de las cualidades del material de objetos Medicin de la transparencia o del brillo de objetos Diferenciacin entre diversos materiales (por ejemplo, al clasificar objetos de

plstico reciclado para controlar la homogeneidad del material)

Si para automatizar un proceso se necesitan sensores, primero deber saberse qu funciones debern ejecutar los sensores y elaborarse un pliego de condiciones para cada sensor. Al analizar la situacin, deber responderse a las siguientes preguntas:

Qu regularidades pueden surgir en el proceso? Qu irregularidades son inaceptables, por lo cual ser necesario utilizar un

sensor capaz de ejecutar la funcin en cuestin de modo fiable? Qu condiciones generales (polvo, humedad, temperatura, etc.) deber

tenerse en cuenta? Qu magnitudes son importantes y cules son los valores conocidos? De qu modo deber transmitirse las informaciones? Qu principio fsico promete conseguir el mejor resultado? De qu energa auxiliar deber disponerse?

Para saber si un sensor es apropiado, estos criterios tienen que ponderarse segn prioridades, ya que no existe un sensor capaz ofrecer de modo completo todas las cualidades exigidas.


17

2.16.- Indicaciones para proceder al seleccionar los sensores ms apropiados 1. Elegir el principio fsico ms apropiado 2. Determinar el margen de medicin necesario 3. Comprobar el posible cambio de las magnitudes medidas 4. Definir el grado de resolucin de la seal medida 5. Determinar el valor mnimo que deber medirse 6. Definir el margen de error admisible, causado por el comportamiento esttico

y dinmico 7. Determinar las medidas de apantallamiento (compatibilidad

electromagntica) 8. Determinar los medios necesarios para la amplificacin y evaluacin de la

seal de medicin 9. Evaluar la seguridad del funcionamiento, la fiabilidad, la duracin y el costo

de mantenimiento 10. Considerar el coste del sensor

Tabla 2: Consideraciones de buena eleccin de sensores

Aspectos a tener en cuenta al decidir si los sensores son apropiados para una aplicacin

determinada:

Tiempos de respuesta, tiempos de reaccin, velocidad de conmutacin

Sistema de conexiones (sistema de 2,3 4 hilos, conexin serie o paralela, etc.)

Seguridad del funcionamiento, frecuencia de fallos, fiabilidad

Posibilidad de ajustar los puntos de deteccin, la sensibilidad y el umbral de respuesta

Resolucin, precisin de la medicin Resistencia a la corrosin Duracin, vida til Lmites del rendimiento, margen de

rendimiento Propiedades del objeto (material, grado

de remisin, estructura de la superficie, etc.)

Montaje (dimensiones, masa, condiciones para el montaje, adaptacin al lugar de la detencin)

Redundancia de la unidad de evaluacin de datos

Ausencia de reacciones secundarias

Distancia de deteccin Variacin del punto de deteccin,

histresis del punto de deteccin Clase de proteccin Alimentacin de tensin (tensin de

funcionamiento, fluctuacin de la tensin, picos de tensin

Supresin de interferencias ( insensibilidad frente a interferencias externas, tales como vibraciones, golpes, luz externa, etc.)

Disponibilidad Resistencia a temperaturas Proteccin ante sobrecargas

(anticorticitcuitaje, polos inconfundibles, resistencia a sobrecargas)

Economa (relacin entre costos y rendimiento, incluyendo los costos de montaje y puesta en funcionamiento)

Homologacin para aplicaciones especiales (sala limpia, resistencia a explosiones, proteccin de operarios, etc.)

Precisin de repeticin del punto de deteccin

Existen numerosas recomendaciones especficas que debern tenerse en cuenta al seleccionar los sensores que se utilizarn en una aplicacin determinada. Por ejemplo, si puede elegirse, es recomendable utilizar barreras de luz sin reflexin en caso de ser necesario utilizar un sistema de deteccin ptica. La siguiente


18

alternativa es una barrera de luz de reflexin. sta tiene un alcance de aproximadamente la mitad de una barrera sin reflexin, y es capaz de detectar de modo fiable la mayora de los materiales. Sin embargo, si las piezas tienen superficies brillantes, es posible que las barreras de luz no funcionen correctamente.

En ese caso deber optarse por aparatos capaces de polarizar la luz. Considerando que en el caso de las barreras de luz el receptor recibe luz en ausencia de piezas y, en su presencia, se interrumpe la seal, puede afirmarse que se trata de un sistema de deteccin que se controla a s mismo, ya que la seal desaparece tambin si el emisor ya no enva el haz de luz. Las barreras de luz de reflexin se utilizan si los objetos nicamente pueden detectarse desde un lado. Estos sensores tambin son capaces de comprobar la presencia de objetos transparentes, mientras que no son apropiados si las piezas tienen superficies de color negro mate. Si los objetos son muy pequeos, pueden utilizarse sistemas optoelectrnicos con fibra ptica. Si es necesario detectar los cantos de una pieza y si las distancias son mayores, es preferible utilizar barreras de reflexin de rayos lser.

En el caso de sensores o detectores capacitivos no es necesario que la zona activa contenga metales y materiales que tengan una constante dielctrica relativamente alta. Al utilizar varios sensores que puedan influirse recprocamente, debern respetarse unas distancias mnimas determinadas. Los depsitos de polvo pueden provocar fallos. En esos casos es preferible utilizar sensores capacitivos con electrodo de compensacin adicional.

Los rayos X intensos y los campos magnticos fuertes pueden afectar el funcionamiento de sensores o detectores inductivos y capacitivos. En zonas de soldadura por resistencia, por ejemplo, existen tales campos magnticos. En consecuencia, debern elegirse detectores insensibles a las elevadas intensidades de la soldadura. Al montar detectores inductivos es recomendable tener en cuenta las condiciones imperantes en cada caso. Si el detector tiene que montarse a ras con una superficie de la mquina, es posible que sea necesario prever un entallamiento de los cantos de la mquina. Dicho sea de paso, siempre es aconsejable utilizar detectores con indicacin mediante LED con el fin de poder controlar su estado de funcionamiento.

Aunque los contactos Reed utilizados como emisores de seales en cilindros neumticos resisten golpes equivalentes a varias veces la aceleracin terrestre, an as es recomendable protegerlos contra golpes. Adems, tambin estos detectores pueden fallar si estn expuestos a un campo magntico intenso. Asimismo, es necesario respetar una distancia mnima con relacin al siguiente cilindro neumtico. En vez de contactos Reed tambin pueden utilizarse detectores de proximidad magntico-inductivos sin contacto. Si bien es cierto que estos detectores tienen un costo de adquisicin algo ms elevado, son ms insensibles a las interferencias y funcionan de modo ms preciso.

Cabe tambin destacar que muchos detectores no son apropiados para el control directo de las bobinas de electrovvulas. Tratndose de un control no electrnico, deber recurrirse a rels auxiliares o preverse un circuito de proteccin adecuado. Los detectores de presin binarios (todo-nada) estn provistos de un muelle (que


19

ocasiona una resistencia de rozamiento), por lo que tienen una histresis en el punto de deteccin. Al aumentar la presin y alcanzarse el punto ajustado previamente, emiten una seal elctrica. Al descender la presin, el interruptor no conmuta exactamente en el mismo punto. Ello significa que el punto de conexin no es igual al punto de desconexin. Esta caracterstica (histresis) deber tenerse en cuenta al efectuar el ajuste del presostato si ste ha de conmutar al aumentar la presin.

Si dos detectores de ultrasonidos estn montados cerca uno del otro, el detector B puede detectar un eco ocasionado por el detector A. En ese caso se producir un error de medicin. Sincronizando todos los detectores es posible excluir esa interferencia recproca, ya que todos emiten la seal a la vez. En esas circunstancias no surgen problemas si la distancia que tiene que recorrer el sonido del detector A hacia el detector B es mayor que la distancia de deteccin.

La transmisin multiplex ser una alternativa viable. En ese caso, los detectores se activan consecutivamente, con lo que tampoco se producen interferencias entre ellos.

2.17.- Los sensores que se utilizan con mayor frecuencia Analizando el mercado mundial, el ranking de los tipos de sensores es el siguiente (datos de Intechno Consulting, actualizados en el ao 1998):

Sensores termosensibles Sensores de presin Sensores de caudal Sensores binarios de posicin (o detectores) Sensores de posicin Sensores de magnitudes qumicas en lquidos Sensores de nivel Sensores de velocidad Sensores de magnitudes qumicas en gases

Se estima que en el ao 2000, el mercado mundial de sensores para fines civiles ascendi a ms de 30 mil millones euros. Cabe suponer que esta cantidad se duplicar en el plazo de los prximos diez aos.


20

Tabla 3: Funcin de diferentes tipos de sensores

FuncinFuncinFuncinFuncin Tipo de sensorTipo de sensorTipo de sensorTipo de sensor

Control de presencia Sensores de proximidad, de radiacin, de presin dinmica, de vaco, barreras de luz de reflexin, sensores de haz anular, de ultrasonidos, de efecto de campo

Medicin de distancias Cmara de lneas, sensor de microondas, elementos PSD, sensores tctiles, sensores de haz anular, detectores inductivos y capacitivos, escneres de rayos lser, sensores por triangulacin, sensores de efecto de campo

Control de avance y de la combadura de cintas de transporte

Cortinas fotoelctricas, cmaras de lneas, barreras de luz, detectores inductivos, detectores de ultrasonidos, detectores de chorro de aire.

Control de trayectoria, seguimiento de cantos

Sensores de fuerzas y momentos, sensores tctiles, cmaras de lnea, cmaras matriciales, detectores inductivos, detectores de chorro de aire

Medicin de revoluciones

Sensores Hall, sensores tipo Wlegand, sensores de clulas fotorresistiva controlada por campo magntico, cabezales de medicin de alta frecuencia, contactos Reed, barreras de luz, transmisores incrementales

Medicin de presin Sensores piezoelctricos, detectores capacitivos, sensores con banda de medicin expansible, sensores magnetoelsticos

Medicin de caudal Medidor de labes, sensores de presin efectiva, detectores magnticos-inductivos, caudalmetros tipo coriolis, detectores de ultrasonidos, anemmetros de hilo caliente, sensores de pelcula fina, manmetros de pelcula caliente

Medicin de niveles Detectores capacitivos, sensores de microondas, detectores de ultrasonidos, detectores pticos con fibra ptica, detectores de vibraciones.

Inspeccin, identificacin, control de cantidades completas

Sensores CCD, conjunto de detectores de ultrasonidos, escneres de rayos lser, retransmisores

Proteccin contra colisiones

Detectores de ultrasonidos, radares de microondas, sensores de luz infrarroja, escneres de rayos lser

Medicin de fuerzas y momentos

Cintas extensomtricas, medidores de dosis de fuerza, detectores inductivos, detectores neumticos, detectores de fibra ptica, sensores piezoelctricos

Control de superficies Sensores de imgenes, escneres de rayos lser, sensores de brillo

Deteccin de posiciones Contactos Reed, detectores de reflexin de luz, barrera de luz, microdetectores, sensores de clula fotorresistiva controlada por campo magntico, sensores AMR, sensores GMR, detectores de ultrasonidos, elementos PSD

Control de procesos Detectores termosensibles, caudalmetros, sensores de presin, detectores de proximidad, sensores de efecto parcial

Clasificacin Sensores de imgenes, conjuntos de detectores de ultrasonidos, sensores de coloracin

Deteccin de piezas, deteccin de la posicin de piezas

Edmetros, girstatos, sensores CCD, escneres de rayos lser, matrices palpadoras, detectores de corte de haz de luz, giroscopio

Medicin de objetos Cortinas fotoelctricas, cmaras de lneas, escneres de rayos lser Medicin de distancias y ngulos

Transmisores incrementales, resolutotes, indoctosyn, reglas de cdigos, potencimetros, sensores magnetoestrictivos, sensores tipo Hall, sensores AMR, sensores GMR

Recuento de objetos Cortina fotoelctrica, barrera de luz bifurcada, detector de ultrasonidos, sensores de clula fotorresistiva controlada por campo magntico, detector de barrera de aire, detector de fibra ptica, sensor de lminas de PVDF


21

3.- TRANSMISORES

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinacin de estos.

Existen varios tipos de seales de transmisin: neumticas, electrnicas, hi-drulicas y telemtricas. Las ms empleadas en la industria son las dos primeras, las seales hidrulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una eran potencia y las seales telemtricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilmetros entre el transmisor y el receptor.

Los transmisores neumticos generan una seal neumtica variable lineal-mente de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0-100% de la variable. Esta seal est normalizada por la SAMA-Asociacin de fabricantes de instrumentos (Scienrific Apparatus Makers Association) y ha sido adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumticos en Estados Unidos.

En los pases que utilizan el sistema mtrico decimal se emplea adems la seal 0.2-1 kg/cm2, que equivale aproximadamente a 3-15 psi (3 psi = 0,21 kg/cm2, 15 psi = 1.05 kg/cm2). El alcance de esta seal mtrica es un 5% ms corto que la seal de 3-15 psi, por lo cual la adopcin en una planta industrial de una u otra norma obliga a calibrar con la misma seal adoptada el conjunto completo transmisor, controlador, vlvula de control y todos los instrumentos accesorios que se utilicen (extractores de raz cuadrada. computadores neumticos, posicionadores, etc.).

Ntese que en las vlvulas de control pueden emplearse seales neumticas de 0,6-1.4. de 0.4, de 0.3-2.4 kg/cm2, gracias a la funcin de conversin de la seal de entrada 2-15 psi (0.2-1 kg/cm2) que puede realizar el posicionador acoplado a la vlvula o bien mediante resortes especiales dispuestos en el servomotor de la vlvula.

Los transmisores elctricos generan varios tipos de seales: 4-20 mA c.c, 1-5 mA c.c.. 10-50 mA c.c., 0-5 mA c.c., 1-5 mA c.c.. 0-20 mA c.c. 1-5 V c.c. Entre estas seales, las ms empleadas son 4-20 mA c.c_ 10-50 mA c.c. y 0-20 miliamperios c.c. v en panel 1 a 5 V c.c. Sealemos que esta discrepancia entre los distintos fabricantes hace que algunos tipos de instrumentos estn preparados para un fcil cambio del valor de la corriente de salida.

La seal electrnica de 4 a 20 mA c.c. tiene un nivel suficiente y de com-promiso entre la distancia de transmisin y la robustez del equipo. Al ser conti-nua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, est libre de corrientes parsitas, emplea slo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliampermetros, potencimetros, calculadores analgicos. etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la seal.

La relacin de 4 a 20 mA c.c. es de 1 a 5 la misma que la razn de 3 a 15 psi en la seal neumtica y el nivel mnimo seleccionado de 4 mA elimina el pro-


22

blema de la corriente residual que ase presenta al desconectar los circuitos a transistores. La alimentacin de los transmisores puede realizarse con una unidad montada en el panel de control y utilizando el mismo par de hilos del transmisor.

El cero vivo con que empieza la seal (4 mA c.c.) ofrece las ventajas de poder detectar una avera por corte de un hilo (la seal se anula) y de permitir el diferenciar todava ms el ruido de la transmisin cuando la variable est en su nivel ms bajo.

Ntese que el nivel mnimo de la seal neumtica de salida no es cero. sino que vale 3 psi (0.2 kg/cm2). De este modo se consigue calibrar correctamente el instrumento, comprobar su correcta calibracin y detectar fugas de aire en los tubos de enlace con los dems instrumentos neumticos.

Y as se comprueba rpidamente que un transmisor neumtico de temperatura de intervalo de medida 0 - l50C con el bulbo a 0 C y con seal de salida 1 psi est descalibrado; si el nivel estndar mnimo de salida fuera de 0 psi no sera posible esta comprobacin rpida y para efectuarla habra que aumentar la temperaras hasta detectar presin en la salida. Asimismo, cuando el conducto neumtico que llega hasta el receptor se perora por accidente, la seal neu-mtica puede llegar a anularse, facilitando la deteccin de la avera la lectura del instrumento receptor (en el ejemplo anterior, si el receptor fuera un man-metro de margen 3-15 psi con graduacin 0 - 150 C el ndice sealara un valor inferior al cero del instrumento).

Figura 5: Adquisicin de variables fsicas y su posterior acondicionamiento elctrico

curso instrumentación parte 1.pdf

Documents