Introducción a la Instrumentación Industrial Presentado por: Juan Diego Cerrón Salcedo

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Contenido de la sesión. La instrumentación en el control de procesos. Clasificación de los instrumentos industriales de medición. Curva de calibración de un sensor. Acondicionamiento de la señal.

La instrumentación en el control de procesos. Sistema de control genérico. Sistema de control a lazo abierto. Sistema de control a lazo cerrado. o Componentes. o Ejemplos. Estructura de un instrumento industrial de medición.

Sistema de control genérico. La instrumentación en el control de procesos. De forma general se podría decir que “el control” alude al gobierno de un sistema por otro sistema.

Sistema de control lazo abierto. La instrumentación en el control de procesos. Se denomina así debido a que el sistema de control no recibe ningún tipo de información del comportamiento de la planta.

Sistema de control lazo cerrado. La instrumentación en el control de procesos. En esta configuración se alimenta al controlador con la denominada “señal de error” que es la diferencia entre la señal de referencia y la señal de realimentación.

… Sistema de control lazo cerrado. La instrumentación en el control de procesos. Sensor: Convierte la variable física a una variable eléctrica. Acondicionamiento: trata la señal eléctrica para adaptarla al siguiente bloque. Amplificación Filtrado Conversión de niveles. Conversión de tensión a corriente. Linealización. Etc. Sistema de control

… Sistema de control lazo cerrado. La instrumentación en el control de procesos. Visualización: unidad que presenta la información al operador. Sist. Control: procesa los datos de acuerdo a un algoritmo de control y genera la señal de mando. Analógico. Emplea circuitos analógicos para el control. Digital. Basado en procesadores digitales. Sistema de control

… Sistema de control lazo cerrado. La instrumentación en el control de procesos. Actuadores: conjunto de dispositivos que modifican la respuesta del sistema. Sist. Transimisión: permite transmitir la información entre la planta y el sist. De control en el caso de que estén alejados. Sistema de control

… Sistema de control lazo cerrado. La instrumentación en el control de procesos. La instrumentación industrial se ocupa fundamentalmente de los bloques relacionados con la captura de señales de proceso y el acondicionamiento de la señal, aunque su ámbito también incluye los actuadores. Sistema de control

… Sistema de control lazo cerrado. - Sistema de control nivel de agua- La instrumentación en el control de procesos. El controlador se encarga de mantener el nivel de líquido a un valor deseado (especificado en la “consigna”) a pesar de las inclemencias meteorológicas.

… Sistema de control lazo cerrado. - Sistema de control de temperatura - La instrumentación en el control de procesos. La señal proporcionada por el sensor de temperatura es acondicionada en las proximidades del horno y enviada a un dispositivo de control que puede o no encontrarse en el mismo lugar del horno.

… Sistema de control lazo cerrado. - Sistema de instrumentación biomédica - La instrumentación en el control de procesos. La figura muestra un esquema básico de un sistema para monitorizar la actividad eléctrica del corazón (ECG). Las señales obtenidas deben ser amplificadas, por seguridad del paciente debe tener aislamiento eléctrico, debe ser filtrada a fin del limitar el ancho de banda de las señales de interés.

Construcción de un instrumento industrial de medición. La instrumentación en el control de procesos.

Estructura de un instrumento industrial de medición. La instrumentación en el control de procesos. Para tecnologías diferentes, su estructura se aproxima a la mostrada en la figura Generalmente un Transductor. Sometido a la VP a medir. Señal débil y alineal mV ó uV Acondicionamiento de la señal El procesamiento digital implica un instrumento más sofisticado, pero facilita la visualización, configuración y comunicación (buses de Comunicación Ind.)

Clasificación de los instrumentos industriales de medición. Señales y variables. o Variable analógica. o Variable digital. o Señal determinista. o Señal aleatoria o pseudoaleatoria. Clasificación. o Atendiendo a la señal de salida. o Atendiendo a la variable de medida. o Atendiendo a la función desempeñada. o Atendiendo al tipo de procesamiento.

Señal analógica. Puede tomar un número infinito de valores. Este tipo de señal puede ser modificada en amplitud, frecuencia y fase. Señales y Variables

Señal binaria y Señal digital. Puede tomar un conjunto finito de valores. Señales y Variables

Señal binaria y Señal digital. Señales y Variables Señal determinista: solo contiene la información que interesa. Señal aleatoria y/o pseudoaleatoria: en las que sobre los niveles de señal que interesa aparecen niveles de ruido. Estos niveles pueden o no afectar a la variable.

Clasificación en función a la señal de salida. Clasificación de los instrumentos industriales. Sensores Binarios: – Interruptores de proximidad – Interruptores de presión – Interruptores de nivel – Interruptores de temperatura Salidas de contactos NC-COM-NO Salida 0-24 Vcd (Normalizada)

… Clasificación en función a la señal de salida. Clasificación de los instrumentos industriales. Sensores Analógicos: – Flujómetros – Sensores de temperatura – Sensores de presión – Analizadores de PH Instrumentos más útiles con señal eléctrica normalizada de mA

… Clasificación en función a la señal de salida. Clasificación de los instrumentos industriales. Sensores Digitales: Instrumentos industriales de medición dotados de etapas de comunicación industrial digital, como PROFIBUS, HART, MODBUS, etc.

Clasificación en función a la magnitud física medida. Clasificación de los instrumentos industriales. Sensores de Magnitudes Dimensionales: Sensores de nivel, distancia y posición. Sensores de Presión: Manómetros de presión relativa, presión absoluta y presión diferencial Vacuómetros o manómetros de presión negativa. Sensores de Temperatura: Termopares Detectores resistivos de temperatura o RTDs. Sensores de Fuerza (Peso): Sensores de deformación Instrumentos de Análisis: Analizadores de oxígeno disuelto Analizadores de PH Analizadores de turbidez Densímetros nucleares Analizadores de interfaz Analizadores de toxicidad

Clasificación en base a la función desempeñada. Clasificación de los instrumentos industriales. Indicadores. Interruptores. Controladores. Transmisores. Registradores. Analizadores. Calibradores. Convertidores.

Curva de calibración de un sensor. Describen la respuesta del sensor en función de la magnitud de entrada. Se clasifican en: Estáticas: describen la respuesta del sensor en régimen permanente o con cambios muy lentos de la magnitud de entrada. Dinámica: describen la respuesta del sensor ante cambios bruscos de la magnitud de entrada. Para definir la curva de calibración adecuadamente se necesita como mínimo indicar su forma y sus límites. Estos últimos se especifican con algunos de los siguientes parámetros:

Curva de calibración. - Terminologías - Relación entre la entrada aplicada al sensor y su salida en régimen estático. Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Intervalo de medida (range): Conjunto de valores comprendidos entre los límites superior e inferior entre los que puede efectuarse la medida. Unidireccional (Ej.: “0 a 5 cm”) Bidireccional simétrico (Ej.: “± 45 ºC”) Bidireccional asimétrico (Ej.: “-20 a +80 ºC”) Desplazado (Ej.: “50 a 100 Kg/cm2”) Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Alcance, fondo de escala (span): Diferencia entre los límites de medida superior e inferior. Salida a fondo de escala: Es la diferencia entre las salidas para los extremos del campo de medida. Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Sensibilidad (sensitivity): Es la pendiente de la curva de calibración. Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - No linealidad (nonlinearity): Es la máxima desviación de la curva de calibración con respecto a la línea recta por la que se ha aproximado. Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Ejemplo: Se dispone de un sensor cuya salida, “y” en función de la magnitud a medir “x”, es: Si se linealiza la respuesta por la función: Cuál es el error de linealidad cometido? Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Zona muerta (dead zone): Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación. Región de la curva de calibración que presenta una sensibilidad nula. Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Histéresis (hysteresis): Es la diferencia en la medida dependiendo del sentido en el que se ha tomado la medición. Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Saturación (saturation): Es el nivel de entrada a partir del cual la sensibilidad disminuye de forma significativa. Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Resolución (resolution): Incremento mínimo de la variable de entrada que ofrece un cambio medible a la salida. Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Error absoluto: Diferencia entre el valor medido y el valor exacto en valor absoluto. Error relativo: Error absoluto dividido entre el valor exacto. Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Precisión (precision): Grado de concordancia entre los resultados. Exactitud (accuracy): Grado de concordancia al valor verdadero. Característic as estáticas

… Curva de calibración. - Terminologías - Zona de trabajo adecuada: Para seleccionar, aplicamos criterios de: Característic as estáticas 0% 30%70% Zona de trabajo Adecuada para los instrumentos de medición

Calibración. Calibración a un punto: Consiste en actuar sobre el sistema de medida, de forma que para un punto en concreto la salida sea lo más exacta posible. Característic as estáticas

… Calibración. Calibración del cero y de la sensibilidad: Para ajusta perfectamente una curva de calibración lineal se necesitaría ajustar dos puntos o un punto y la pendiente o sensibilidad. Característic as estáticas

Fin de la presentación.