SEÑALES MEDICIÓN SENSORES Y MEDIDORES 1 2 Sistema de Medición Un sistema de medición, es aquel conjunto de elementos que forma un instrumento, capaz de convertir una variable física en una señal o indicación a ser interpretada por el hombre con mayor facilidad. Se puede decir que un sistema instrumentado es una extensión de la habilidad del ser humano para medir y controlar su entorno Los sistemas de mediciones componen el elemento fundamental de los sistemas de control. 3 El lazo de control • Un lazo de control requiere la ocurrencia de tres tareas: – Medida – Comparación – Ajuste NIVEL MAXIMO 4 • Variable de proceso – Son aquellas que pueden cambiar las condiciones de un proceso • Setpoint – Valor al que se desea mantener una variable de proceso • Variable medida – Es aquella que se desea mantener estable • Variable manipulada – Es aquella que varía para mantener constante la variable medida 5 Error • Es la diferencia entre la variable medida y el setpoint. Puede ser + ó -. Está compuesto por: – Magnitud – Duración – Velocidad de variación X variación Magnitud Duración SP T Exactitud Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica. 6 Es la conformidad de un valor indicado con respecto a un valor real. Define los límites de errores que se cometen cuando un instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia. Como una especificación de funcionamiento, la exactitud debe asumirse como “exactitud de referencia”. Esta describe la desviación con respecto a un valor verdadero cuando el instrumento se utiliza bajo condiciones de referencia, e incluye la combinación de los errores de linealidad, histéresis y repetibilidad. 7 Curva de Calibración Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica. Una de las características más resaltantes de un dispositivo de medición son las curvas características de calibración del dispositivo. Estas permiten obtener una relación directa punto a punto de la señal de salida en función de la entrada y viceversa si es necesario. Las curvas características se obtienen de la respuesta directa del sensor o transductor, por lo cual cada transductor tiene su propia curva de calibración, en algunos casos a la curva de calibración se le llama curva de respuesta en amplitud. 8 Linealidad Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica. Se dice que un elemento es lineal si los valores correspondientes de I y O están sobre una línea recta. La línea recta ideal conecta el punto mínimo A(IMIN, OMIN) con el punto máximo B(IMAX, OMAX). La ecuación de la línea recta es: O Omin Omax Omin I max I min N ( I ) O( I ) ( KI a) N (%) N (I ) x100 Omax Omin ( I I min ) OIdeal KI a K Omax Omin I max I min 9 Sensibilidad Características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica. Es la señal mínima a la cual el instrumento responde, indicando un cambio en la variable de medición. Si el instrumento no responde a un cambio pequeño se dice que tiene una zona o banda muerta. En la figura se muestra cual es la sensibilidad de salida de un instrumento con respecto al cambio de la señal de entrada. En la figura podemos observar una banda muerta, que es el rango a través del cual un cambio en la señal de entrada no produce un cambio en la señal de salida. Características Ambiente Magnitud a Medir 10 Factores importantes para la selección de un sensor Margen de medida Margen de temperatura Resolución Humedad Exactitud deseada Vibraciones Estabilidad Agentes químicos Ancho de banda Atmósfera explosiva Tiempo de respuesta Entorno electromagnético Limites absolutos de la magnitud a medir Magnitudes interferentes Características de salida Características de Alimentación Sensibilidad Tensión Tipo: tensión, corriente, frecuencia Corriente Salida señal: diferencial unipolar, flotante, Frecuencia (en caso de alterna) Impedancia (I/O) Potencia disponible Destino: analógico, digital, telemetría Estabilidad 11 Factores importantes para la selección de un sensor Otros factores para la selección del sensor Peso Longitud de cable necesario Dimensión Tipo de conector Vida media Situación en caso de fallo Precio de compra Costo de mantenimiento Disponibilidad Consto de instalación Tiempo de Instalación Costo de sustitución 12 Señales • En procesos industriales existen tres tipos de señales para transmitir información – Neumáticas (3 – 15 psi) • Cambios en la presión de aire de una cañería, proporcionales a las variaciones de magnitud medida. • Se siguen utilizando en aplicaciones particulares – Analógicas (4 – 20 mA), (1 – 5 V) • La forma de transmisión mas común desde los años 1960. • A partir de los 90 se comenzaron a reemplazar por señales digitales. 13 • Digitales – Señales de niveles discretos que combinados de forma particular representan la magnitud de las variables del proceso – La metodología utilizada para combinar las señales digitales, se denomina protocolo. – Los protocolos de comunicacion pueden ser estándar o propietarios (abiertos o cerrados). Ejemplos Ethernet, Profibus, CAN, Hart, etc. 14 Indicadores • Son dispositivos leíbles por los humanos que muestran información del proceso • Pueden ser analógicos o digitales, simples o complejos. 15 Controladores • Es un dispositivo que recibe los datos del instrumento de medida, lo compara con el dato de setpoint programado, y si es necesario ordena al elemento de control que genere una acción correctiva. • Pasaron de neumáticos y analógicos monolazo a: – CDS – CDD / Control Centralizado / Multilazo – Control Distribuido / multilazo / monolazo 16 • PLC (Programmable Logic Controller) – Básicamente una computadora conectada a dispositivos de entradas y salidas, analógicas y digitales. Responden a señales de entrada con señales de salida que intentan mantener el/los valores de setpoint. • DCS (Distributed Control System) – Además de realizar las funciones de control, proveen lecturas del estado del proceso, mantienen bases de datos, manejan HMIs • IED (Intelligent Electronic Device) – PLCs utilizados en las denominadas “Power Utilities” • Dispositivo Corrector o Elemento final de control. – Es quien actúa físicamente para cambiar la variable manipulada. Ej. Válvula • Actuador – Es la parte final del dispositivo de control que produce un cambio físico en el elemento final de control. Ej. Actuador eléctrico o neumático de una válvula. 17 Los siguientes símbolos representan válvulas con sus respectivos tipos de actuador Actuador Neumático Actuador Manual Actuador Eléctrico Cañerías y conexiones cañería conexión entre proceso e instrumentos 18 señal eléctrica señal neumática conexión de intercambio de datos Identificación • La primer letra indica la variable medida – T (temperatura) – F (Flujo) – P (presión) 19 • La segunda letra indica la función del dispositivo – T (transmisor) – E (sensor) – I (indicador) • La tercer letra es un modificador o indica multifunción (función del dispositivo) Ejemplo FIC 123 instrumento que muestra información en sala de control F Flow I Indicator C Controller 20 El número representa una etiqueta, frecuentemente relacionada con un lazo de control particular Ejemplo 21 22 Sensor Los procesos de medición, necesitan de un elemento sensor, para poder medir el cambio de la variable física deseada. El elemento sensor actúa como los sentidos del ser humano, son capaces de detectar cambios de una variable determinada, en muchos de los caso con una precisión mucho mayor. Los sensores pueden ser clasificados en digitales o analógicos, y según su función de transferencia (relación entrada / salida) SENSORES Tipos: * Sensores de contacto * Sensores de no contacto * Sensores digitales * Sensores analógicos * Sensores mecánicos * Sensores electro-mecánicos 23 Control Manual Control Automático 24 • TRANSDUCTOR.- Se utiliza comúnmente en medición e instrumentación. Es un paquete manufacturado que produce un señal eléctrica en su salida. Por lo tanto, un transductor de este tipo puede incorporar tanto elementos sensores como acondicionadores de señales. TERMISTORES CNT 25 RTD O Pt 100 26 TERMOPARES TIPO K 27 28 29 EJEMPLOS DE SISTEMAS DE MEDICIÓN • En la siguiente figura se muestra un sistema de medición de temperatura. Entrada Termómetro con resistencia Temperatura verdadera de platino Resistencia Corriente Puente de deflexión resistivo Salida Galvanómetro Temperatu-ra medida 30 • En la siguiente figura se muestra un sistema de medición de peso. Entrada Peso verdadero Celda de la carga de soporte Salida Peso medido Deformación Unidad de exhibición de imagen Calibrador de deformación Resistencia Microcomputadora (Linealización) mV Amplificador Puente de deflexión Convertidor A/D 31 32 La señal generada por la presión 33 MANÓMETROS MECÁNICOS Ventajas: Pueden usarse en un amplio rango de presiones, desde vacío hasta presiones tan altas como 80.000 PSIg. Son elementos robustos y flexibles para la mayoría de aplicaciones donde se requiere indicación de presión. Bajo costo. No requieren alimentación eléctrica o neumática.. Limitaciones: Dependiendo del elemento pueden ser sensibles a las vibraciones. El material puede perder sus condiciones iniciales por sobrecargas frecuentes o incompatibilidad química del fluido. Requieren calibración frecuente. 34 TRANSMISORES NEUMÁTICOS 35 TRANSMISORES NEUMÁTICOS 36 TRANSMISORES NEUMÁTICOS 37 TRANSMISORES NEUMÁTICOS Ventajas: Elementos pasivos que pueden usarse sin limitaciones áreas con riesgo de explosión. Bajo costo de instalación en zonas clasificadas. Limitaciones: Requiere mantenimiento frecuente de los elementos mecánicos que pueden afectarse por la contaminación del aire. Requieren aire de buena calidad limpio (seco, libre de aceite y regulado) 38 TRANSMISORES ELECTRÓNICOS 39 DISTINTOS TIPOS Indicadores locales Medidores de nivel en líquidos Medidores de nivel en sólidos Medidor de nivel tubular 40 Tubo de vidrio para líquidos limpios Modelo NDAM BRUNO SCHILING 41 Medidores de nivel en líquidos Desplazamiento (flotador) Presión diferencial Burbujeo Radioactivo Capacitivo Ultrasonidos Conductivímetro Radar Servoposicionador Medidor de nivel de flotador 42 Flotante a cable Flotante con cable y contrapeso Flotante con columna magnetica Flotante lateral magnetico Medidor de presión 43 PRESION NEUMATICA sensa la presión ejercida por el líquidos obre el aire que se encuentra dentro del tubo. Uso: líquidos con vapores PRESION HIDROSTATICA mide la presión en el fondo del tanque Líquidos, Gases y Vapores muy Inflamables. productos Químicos con Sólidos en Suspensión alcance hasta hasta 5 44 Medidor por ultrasonidos Transmisor hidra-wave Sensor por ultrasonidos Ultrasónico Probe Ultrasónico P+F 45 Medidores de nivel de líquidos 46 Medidores de Caudal Medidores de presión diferencial Placa orificio Tubo Venturi Tubo Pitot Medidores de impacto Medidores de velocidad Medidor de turbina Medidor electromagnético Medidor Vortex Rotámetro Medidor de ultrasonidos Medidores másicos Medidor másico térmico Medidor de Coriolis Medidores volumétricos Medidor de desplazamiento positivo 47 APARATOS PARA MEDICIONES DE CAUDAL MÁSICO Medidores térmicos Un método de determinación del flujo de masa es por el efecto de transferencia de calor. Se pone en contacto con el fluido una resistencia de platino con una corriente controlada. Esta resistencia sube su temperatura en condiciones sin flujo. Cuando el flujo se inicia, existe una disminución de temperatura en el sensor por el intercambio de calor con el fluido. La corriente eléctrica varía por la propia variación de la resistencia con la temperatura y esta variación es proporcional a la nueva temperatura del sensor. 48 VENTAJAS DEL CAUDALÍMETRO • Bajo nivel de incertidumbre en la medición de masa • La medición es altamente independiente de la temperatura, densidad o presión del fluido, sólo depende de la masa • Principalmente aplicable para líquidos, en un amplio rango, independientemente de la viscosidad • Baja caída de presión en el flujo. • Capaz de medir caudal másico en ambas direcciones. • Costo bastante alto • Es importante la limpieza de los tubos oscilantes en forma periódica. • Es mayor en tamaño que otros caudalímetros 49 APLICACIONES DE ALGUNOS MEDIDORES DE FLUJO COMPARATIVA DE LOS DISTINTOS SENSORES DE FLUJO Sensor de flujo Líquidos recomendados Pérdida de presión Exactitud típica en % Medidas y diámetros Efecto viscoso Coste Relativo Orificio Líquidos sucios y limpios; algunos líquidos viscosos Medio ±2 a ±4 of full scale 10 a 30 Alto Bajo Tubo Venturi Líquidos viscosos, sucios y limpios Bajo ±1 5 a 20 Alto Medio Tubo Pitot Líquidos limpios Muy bajo ±3 a ±5 20 a 30 Bajo Bajo Turbina Líquidos limpios y viscosos Alto ±0.25 5 a 10 Alto Alto Electromagnet. Líquidos sucios y limpios; líquidos viscosos y conductores No ±0.5 5 No Alto Ultrasonic. (Doppler) Líquidos sucios y líquidos viscosos No ±5 5 a 30 No Alto Ultrasonic. (Time-oftravel) Líquidos limpios y líquidos viscosos No ±1 a ±5 5 a 30 No Alto 50 CONCLUSIONES Tener en cuenta que los Medidores de Flujos son dispositivos, que pueden ser utilizado en muchas aplicaciones tecnológicas, requieren de un buen uso y mantenimiento Los medidores de flujo nos ayudan a controlar y mantener especificaciones de operación en un proceso 51 52 Trabajo. Medición de otras variables: Peso, pH, Conductividad Densidad
