UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMA FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA INDUSTRIAL INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL MATERIAL DIDÁCTICO.

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1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMA FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA INDUSTRIAL INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL MATERIAL DIDÁCTICO PARA EL APRENDIZAJE DE SISTEMAS DE MEDICIÓN ING. FILADELFIO CABALLERO 2011 1

2 CONTENIDO 1. Elementos de un sistema de medición. 2. Sensor, puente de deflexión y amp. Op. 3. Procesadores de señales, ADC y MPU. 4. Control de procesos de lazo cerrado. 5. Análisis de sensores. Sensores resistivos Sensores capacitivos Sensores inductivos Sensores de efecto Hall Sensores de efecto Sebeck Sensores ópticos 6. Bibliografía. 2

3 EL SISTEMA DE MEDICIÓN OBJETIVO: Presentar al observador un valor numérico de la variable que se mide. V Proceso, máquina o sistema que se mide. Sistema de medición. Entrada Valor verdadero de la variable Salida Valor medido de la variable. Observador 3

4 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN. Elemento sensor: Está en contacto con el proceso. Salida que depende de la variable que se mide. Acondicionador de señales: Proporciona una salida más adecuada para ser procesada. Ej. Puente de deflexión, amplificador operacional. Procesador de señales: Convierte la señal a una forma adecuada para la presentación. Ej. ADC, Microcomputador. Presentador de datos: Presenta el valor medido al observador en forma adecuada. Elemento sensor Acondiciona dor de señales Procesador de señales Presentador de datos Entrada Valor verdadero Salida Valor medido 4

5 SISTEMA DE MEDICIÓN DE PESO Galga extensiométrica Puente de deflexión Amplificador Convertidor ADC Microcomputador Visualizador Peso verdadero Resistencia mV Volt Código binario Valor numéricoPeso medido SensorAcondicionador de señales Procesador de señales Presentador de datos 5

6 SENSOR, PUENTE DE DEFLEXIÓN Y AMPLIFICADOR Amplificador no inversor Comparador PuenteSensores 6

7 SISTEMA MICROCOMPUTADOR Diagrama del microcontrolador HCS12, incluye el ADC, 7

8 CONTROL DE PROCESOS DEFINICIÓN. Comparar valor deseado-valor medido y corregir. Sistema de lazo abierto. 8

9 Sistema de lazo cerrado Uso del sensor como elemento de retroalimentación en un sistema de control automático, donde se corrige la salida continuamente. 9

10 Sistema de lazo cerrado Uso del sensor como elemento de retroalimentación en un sistema de control automático, donde se corrige la salida continuamente. 10

11 Sistemas de lazo cerrado 11

12 Sistema de calefacción eléctrico 12

13 El controlador Tipos de controlador: Proporcional, derivativo, integral, pd, pi, pid. 13

14 Comparación de Sistemas 14

15 Sensores o Un sensor es un dispositivo capaz de medir magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: o Temperatura, o Intensidad lumínica, o Distancia, o Aceleración, o Inclinación, o Desplazamiento, o Presión, o Fuerza, o Torsión, o Humedad, etc. o Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica(como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. 15

16 ELEMENTOS SENSORES RESISTIVOS Variación en la Resistencia La Resistencia de un dispositivo es la medida de la oposición que este ofrece a ser atravesado por una corriente eléctrica. La resistencia es dependiente de la longitud ( Ɩ), la sección ( S) y la conductividad (σ ) o resistividad (ρ ) del material. Los más conocidos son RTD, Termistores y Galgas Extensiométricas. R= σ ( Ɩ/s) =(Ɩ / ρs) 16

17 RTD Un RTD (Resistance Temperature Detector) es un detector de temperatura resistivo, es decir, un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura.sensortemperatura La variación de la resistencia puede ser expresada de manera polinómica como sigue a continuación. Por lo general, la variación es bastante lineal en márgenes amplios de temperatura. Un sensor muy común es el Pt100 (RTD de platino con R=100 Ohm a 0 grado C. 17

18 TERMISTORES Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistor:sensortemperaturaresistividadsemiconductor 18

19 TERMISTORES Tipos: NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo 19

20 TERMISTORES 20

21 Termistores 21

22 Medidor de flujo con termistores 22

23 GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS Una galga extensiométrica o extensímetro es un sensor basado en el efecto piezorresistivo. Un esfuerzo físico que deforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica.sensorefecto piezorresistivoesfuerzoresistencia eléctrica En su forma más común, consiste en un estampado de una lámina metálica fijada a una base flexible y aislante. La galga se adhiere al objeto cuya deformación se quiere estudiar mediante un adhesivo, como el cianoacrilato. Según se deforma el objeto, también lo hace la lámina, provocando así una variación en su resistencia eléctrica.cianoacrilato 23

24 GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son aleaciones metálicas, como por ejemplo constantán, nicrom o elementos semiconductores como por ejemplo el silicio y el germanio. Es por ello que podemos clasificar las galgas en dos tipos: las metálicas y las semiconductoras.aleacionesconstantánnicromsemiconductoressiliciogermanio Esfuerzo cortante en una viga. Medición de esfuerzo en elementos mecánicos. 24

25 SENSORES CAPACITIVOS Los sensores capacitivos (KAS) reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica. La capacidad de dicho condensador es dependiente del área enfrentada por los conductores (A), de la distancia a la que se encuentran (d), y de la constante dieléctrica (Ɛ). C = Ɛ (A/d) 25

26 SENSORES INDUCTIVOS Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetos metálicos en un determinado contexto: detección de paso, de atasco, de codificación y de conteo.sensoresmetálicos ferrosos 26

27 SENSORES INDUCTIVOS La bobina, o devanado, del sensor inductivo induce corrientes de Foucault en el material por detectar. Estas, a su vez, generan un campo magnético que se opone al de la bobina del sensor, causando una reducción en la inductancia de la misma. Esta reducción en la inductancia de la bobina interna del sensor, trae aparejado una disminución en la impedancia de ésta.corrientes de Foucault inductanciaimpedancia 27

28 SENSORES INDUCTIVOS Variación de la Inductancia: La Inductancia de un dispositivo indica la magnitud del flujo magnético (ø) que lo atraviesa cuando circula por él una corriente eléctrica ( i ). Esta magnitud es dependiente del número de espiras del conductor ( N). Si la corriente circula por el mismo conductor se habla de auto inductancia, y si lo hace por otro conductor acoplado se denomina inductancia mutua L = N ( dø / di ) 28

29 SENSOR DE EFECTO HALL Sensores utilizados para construir encoders incrementales 29

30 TERMOPAR SENSOR TERMOELÉCTRICO Un termopar (también llamado termocupla) es un sensor formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es funciónmetalesvoltajeefecto Seebeck de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominadotemperatura "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío“ o unión fría o de referencia. 30

31 TIPOS DE TERMOPAR Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): Tienen un rango de temperatura de -200º C a +1.372º C y una sensibilidad 41µV/° C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación.CromoNiCrAluminioNiAl Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C.ConstantánCuNi Tipo J (Hierro / Constantán): Su rango de utilización es de -270/+1200°C. Debido a sus características se recomienda su uso en atmósferas inertes, reductoras o en vacío, su uso continuado a 800°C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rápida oxidación que sufre el hierro por encima de 550°C y por debajo de 0°C.Hierro Tipo T (Cobre / Constantán): ideales para mediciones entre -200 y 260 °C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopares de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C.CobreConstantán Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.NicrosilNiCrSiNisilNiSiplatino 31

32 TERMOPARES 32

33 TERMOPARES 33

34 TERMOPARES Uso de termopares con Compact FieldPoint. Alambrado directo al módulo. Acceso directo al canal de entrada. 34

35 35 of XX El sistema PAC Compact FieldPoint. Aplicaciones de control con Labview. Control P de temperatura utilizando el cFP. Diagrama de bloques. Error P term PWM set

36 36 of XX El sistema PAC Compact FieldPoint. Aplicaciones de control con Labview. Control PID de temperatura y velocidad utilizando el cFP. Planta de trabajo ENCODER HORNO ABANICO TERMOCUPLA CALENTADOR INTERFACE CONTROLADOR Puente H cFP

37 37 of XX El sistema PAC Compact FieldPoint. Aplicaciones de control con Labview. Control P de temperatura y velocidad realizado en el lab. utilizando el cFP. Planta Controlador

38 sensores ópticos sensores ópticos nos referimos a todos aquellos que son capaces de detectar diferentes factores a través de un lente óptico. 38

39 SENSORES ÓPTICOS Sensores ópticos utilizados Para construir encoders Incrementales y absolutos. 39

40 Sensor de flujo o Dispositivo que instalado en línea con una tubería permite determinar cuando está circulando un líquido o un gas. o Estos son del tipo apagado/encendido, determinan cuando está o no circulando un fluido pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro. 40

41 Clasificación de los tipos de Sensores Según su aporte de energía Pasivo Activos Según la señal de salida Análogo Digital 41

42 Bibliografía 42 1.John P. Bentley. Sistemas de Medición. Principios y Aplicaciones. Segunda Edición. CECSA. 2000. 2.Timothy J. Maloney. Electrónica Industrial Moderna. Quinta Edición. Pearson Prentice Hall. 2006. 3.Enriquez Harper. El ABC de la Instrumentación en el Control de Procesos Industriales. Limusa.