Instrumentación

Instrumentación Eduardo Costa da Motta

Introducción • Para tener una visión abarcativa de lo que hoy se denomina genéricamente como Instrumentación, es necesario verificar la evolución histórica y tecnológica de los experimentos científicos y de los procesos industriales. • Instrumentar un experimento  era entendido como colocar diversos instrumentos capaces de indicar, medir o registrar el comportamiento de las grandezas físicas de interes (temperatura, fuerza, desplazamiento, velocidad, aceleración, etc.). • Revolución Industrial  pasó a exigir el control de determinadas grandezas físicas involucradas en el proceso de producción. (Medición y Control) • Advenimiento de Informática  altera completamente el concepto y la extensión de la Instrumentación. (Control y Simulación - partes integrantes de los sistemas de Instrumentación) Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Instrumentación • Instrumentación • Es la ciencia que estudia técnicas y métodos para la observación y el control de grandezas físicas de un sistema termodinámico. • Área del conocimiento que trata tanto al proceso cuanto a los dispositivos y métodos ofrecidos hoy por la eletrónica y por la informática. • Es multidisciplinaria, involucrando conocimientos de: • materiales, • mecánica, • termodinámica, • química, • física, • eletrónica, • matemática • e informática. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Instrumentación • Sistema termodinámico • Es una porción de materia limitada por una superfície imaginaria (superfície termodinámica), que es el contorno por nosotros escogido para contener y delimitar el objeto en estudio. • Ejemplos: • un ser vivo; • una usina siderúrgica; • una nave; • un motor; • las partes de un motor. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Instrumentación • Variables termodinámicas • Son grandezas físicas (primarias o derivadas) escogidas para describir, monitorear o controlar el estado de un sistema y su comportamiento. • Para la elección adecuada de esas variables es fundamental: • buenos conocimientos del proceso o sistema termodinámico a ser estudiado; • profundos conocimientos del sistema de medición, bien como de los procedimientos que deberá adoptar para realizar el control del mismo. • Proceso • Es todo un complejo de operaciones que se realizan o procesan dentro de un sistema termodinámico y que concurren para la producción de un bien. • puede ser dividido en diversas fases e identificadas aquellas en que la necesidad de monitoración y control sea mas necesaria. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Instrumentación • Sistema de medición • Es el conjunto de transductores sensores y de todos los instrumentos necesarios para medir, procesar, presentar, analizar o controlar las grandezas físicas escogidas en el sistema medido. • Instrumentación electroelectrónica • Torna posible el registro, la indicación y mismo la digitalización de las señales provenientes de dispositivos transductores específicos que convierten una grandeza en una variable eléctrica (tensión o corriente). • Permite que se monitoree y controle practicamente todos los procesos industriales o cualquier sistema termodinámico. • facilidad de tratamiento matemático de las señales eléctricas • posibilidad de transporte de las informaciones a través de técnicas adecuadas Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Clasificación de Sistemas Instrumentados • En general, la Instrumentación puede ser clasificada en tres diferentes segmentos: • Monitoración de procesos • Control de procesos • Análisis experimental Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Monitoreo de Procesos • Monitorear • significa sensorear, evaluar y registrar, bajo forma gráfica, visual o mismo digital, una o mas variables de un proceso. • Ejemplos típicos de intrumentos usados en monitoreo: • termómetros; • anemómetros; • barómetros; • medidores de gas; • medidores de agua; • medidores de energia eléctrica. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Variable “1” PROCESO Variable “n” Indicador o Registrador Sensor “1” Sensor “n” • Monitoreo de Procesos • Diagrama de bloques Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Control de Procesos • Controlar • significa sensorear, evaluar y modificar o mantener, una o mas variables dentro de limites programados, de forma que el andamiaje del proceso sea perfectamente conducido a un punto de operación deseado. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Variable “1” PROCESO Variable “n” Procesador o Controlador Indicador o Registrador Sensor “1” Sensor “n” Actuador Parámetros de control • Control de Procesos • Diagrama de bloques Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Análisis Experimental • Es la aplicación de métodos experimentales y teóricos para resolver problemas que están relacionados con la frontera del conocimiento actual, donde aún no hay teorías o modelos completamente desarrollados. • Estas actividades son desarrolladas en: • centros de investigación, • universidades y • algunas industrias. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

EXPERIMENTO Procesador Indicador O Registrador Sensor Controlador de las condiciones del experimento Parámetros de Control Sensor Actuador • Análisis Experimental • Diagrama de bloques Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Transductores • Transductor • Es un dispositivo que convierte un estímulo (señal de entrada) en una respuesta (señal de salida) proporcional, adecuada a la transferencia de energia, medición o procesamiento de la información. • En general, la señal de salida es una grandeza física de naturaleza diferente de la señal de entrada. • Cualquier dispositivo o componente que se encuadre en esta definición puede ser visto como un transductor. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Transductor S E Estímulo R Respuesta • Transductores • Representación esquemática • Lo que relaciona el "estímulo" la "resposta" es una función matemática (Función de Transferencia), representada, simbólicamente, por la letra S. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Transductores • La función de transferencia S puede ser expresada: • de modo analítico, • de modo gráfico, • O por medio de tabla y=ax+b R Respuesta S E Estímulo Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Transductores • Ejemplos SB EQ EE SA EM EE SR EE ET ST T L STP V (T1-T2) SSG  R/R SS I F SM  IP Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Transductores Conversores y Transductores para Instrumentación • Transductores conversores • Dispositivos para convertir y transferir energia entre dos sistemas (I, II e III). • Transductores sensores • Dispositivos para sensorear o medir grandezas físicas (IV, V e VI). • Transductores actuadores • Dispositivos para controlar variables que interfieren en un proceso (III, VII e VIII). Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Transductores Sensores • En este tipo de transductor se desea: • que su interacción con el proceso no introduzca perturbaciones (en sentido de extraer o introducir energia en el mismo) que puedan alterar las grandezas a ser medidas. • que la conversion de la información sea realizada de forma fiel, repetitiva y monotónica, con el objetivo de obtener en la salida del transductor señales siempre proporcionales ao valor de la grandeza física correspondiente al estímulo aplicado a la entrada. • Fiel  que respete las relaciones de correspondencia de los valores de estímulo y respuesta dentro de su faja de operación. • Repetitiva  que haya concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas efectuadas bajo las mismas condiciones de medición. • Monotónica  que se repita continuamente de manera invariable y uniforme. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Transductores Sensores • La parte del transductor que interactua directamente con el sistema a ser medido es llamada elemento sensor. En general, es el mayor responsable por la perturbación o carga. • Por mas perfecto que sea el transductor y por mas cuidados con que se realice una medida, siempre el transductor introduce alguna perturbación en el sistema a ser medido. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Clasificación de Transductores para Instrumentación • Transductor • Transductor Simple o Compuesto Activo o Pasivo Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Trasductor S R E • Clasificación de Transductores para Instrumentación • Simple • Posee apenas una fase de transducción entre la entrada y la salída. • Ejemplos: • Termopar; • Termistor; • Extensómetro de resistencia eléctrica Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

SB SA SC O E R G S • Clasificación de Transductores para Instrumentación • Compuesto • Posee mas de una fase de transducción entre la entrada y la salída. • Ejemplo:  • Célula de carga Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Trasductor S R E • Clasificación de Transductores para Instrumentación • Activo • Cuando la respuesta es generada espontáneamente en función del propio estímulo. • Ejemplos: • Termopar • Light Dependent Resistor (LDR) Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Trasductor S R E Excitación • Clasificación de Transductores para Instrumentación • Pasivo • Cuando sea necesario ser excitado por una fuente de energia externa. • Ejemplos: • Célula de carga; • Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Regla F Haste • Clasificación de Transductores para Instrumentación • Ejemplo 1 Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

v(t) • Clasificación de Transductores para Instrumentación • Ejemplo 2 Núcleo ferromagnético F Haste Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

F R R Strain gage + V  + v(t)  R +R R Elemento resorte Puente de Wheatstone • Clasificación de Transductores para Instrumentación • Ejemplo 3 Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Función de Transferencia y Sensibilidad de un Transductor • La función de transferencia de un transductor es un operador S que, aplicado a cualquier valor de estímulo, provee el valor correspondiente de salida dentro de su faja de operación usual. • La sensibilidad s de un transductor para un dado valor de estímulo es el valor numérico de su función de transferencia. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

R Respuesta SA 2V a SB 1V b E Estímulo 20°C • Función de Transferencia y Sensibilidad de un Transductor • Ejemplo: • Representación gráfica de dos funciones de transferencias de transductores sensores de temperatura Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Función de Transferencia y Sensibilidad de un Transductor • De un modo general, la función de transferencia o la sensibilidad depende: • del valor de estímulo E, • de la excitación (si el transductor es pasivo) Exc, • de la naturaleza del transductor o de los princípios físicos de operación F, • del proyecto P y de los materiales usados en su construcción y • de otros factores D, incluyendo perturbaciones diversas (temperatura, humedad, posición, etc.) • Toda información necesaria para caracterizar un transductor está contenida en su función de transferencia • S = f (E,Exc,F,P,D) Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Funciones de Transferencia de un Transductor • Función de Transferencia Teórica • Función de Transferencia Real (Función de Transferencia Medida, Curva de Calibración) • Función de Transferencia Experimental Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Funciones de Transferencia de un Transductor • Función de Transferencia Teórica • Basándose en modelos físicos, que describen el funcionamiento del transductor (o alguna etapa de transducción), muchas veces, es posible colocar esta función de transferencia en forma de ecuación matemática o conjunto de ecuaciones matemáticas. • Los modelos físicos siempre describen la naturaleza de forma aproximada, una vez que es imposible interrelacionar todos los parámetros físicos responsables del funcionamiento y del desempeño de un transductor. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Funciones de Transferencia de un Transductor • Función de Transferencia Real (Función de Transferencia Medida, Calibración ) • El levantamiento de la función de transferencia de un transductor, operando en condiciones reales, es necesario para su utilización y estudio. • Son empleadas unidades padronizadas como estímulo y las respuestas proporcionadas, anotadas en tabla, para ser presentadas a través de un gráfico. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Funciones de Transferencia de un Transductor • Función de Transferencia Experimental • Muchas veces, se busca, se escoge o se ajusta una función matemática que mejor se adapte a la función de transferencia real. • Normalmente, esta función matemática es escogida de forma a ser adecuada la interpolación o extrapolación de los resultados para posterior procesamiento de señales. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Funciones de Transferencia de un Transductor • Representación de las tres caracterizaciones en una misma escala gráfica R Respuesta Función de Transferencia Teórica Función de Transferencia Real Funciónde Transferencia Experimental E Estímulo Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Principios Físicos de Operación de un Transductor • Efectos Mecánicos • Efectos Eléctricos • Efectos de Desplazamiento y Deformaciones Mecánicas Relativas Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Principios Físicos de Operación de un Transductor • Efectos Mecánicos • Parámetros usados para extraer informaciones de un sistema mecánico: • desplazamiento mecánico y • velocidad. • Ejemplos de dispositivos mecánicos sensores mas comunes: • resortes  convierten fuerza o torque en desplazamiento • diafragmas  convierten presión en desplazamiento • tubo de boudon  convierten presion en desplazamiento • bimetales  convierten “temperaturas” en desplazamiento • sistemas masa-resorte-amortecedor miden aceleraciones, velocidades o desplazamientos Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Principios Físicos de Operación de un Transductor • Efectos Eléctricos • Transductores eléctricos (o con salída eléctrica) pueden aceptar una entre las cinco siguientes “energias” (estímulos) en la entrada: • mecánica, • térmica, • masa, • química y • electromagnética. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Principios Físicos de Operación de un Transductor • Efectos Eléctricos • Variación de la Resistencia • Variación de la Capacitancia • Variación de Inductancia Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Principios Físicos de Operación de un Transductor • Efectos Eléctricos • Efectos termorresistivos • Efectos mecanorresistivos • Efectos electrorresistivos • Principio de generador eléctrico • Efectos termoeléctricos (Seebeck, Peltier y Thompson) • Principio del pirómetro de radiación • Efecto pieceléctrico • …. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Principios Físicos de Operación de un Transductor • Efectos de Desplazamiento y Deformaciones Mecánicas Relativas • Categoría que incluye todo desplazamiento y cambios dimensionales en elementos o dispositivos resultantes de la aplicación de varios tipos de grandezas mecánicas (presión, torque, aceleración, velocidad, cantidad de movimiento y energia cinética). • Algunos princípios que gobiernan la operación de transductores mecánicos: • el desplazamiento o cambio en la dimensión de un cuerpo como una función de la temperatura, - el cambio en la presión de un gas confinado o de un vapor como una función de la temperatura, • princípio de Arquimedes, • …. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Métodos y Sistemas de Medición • Métodos Fundamentales de Medición • Medir es el acto de comparar cuantitativamente un valor desconocido de una grandeza con un padrón predefinido de igual naturaleza de la grandeza que se quiere mensurar. • Padrón • medida materializada, instrumento de medición, material de referencia o sistema de medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o un o mas valores de una grandeza para servir como referencia. (Vocabulario Internacional de Términos Fundamentales y Generales y Metrología – VIM) • Ejemplos: a) masa padrón de 1 kg; b) resistor padrón de 100 Ω; c) amperímetro padrón; d) padrón de frecuencia de césio; e) solución de referencia de cortisol en suero humano, teniendo una concentración certificada. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Métodos y Sistemas de Medición • Métodos Fundamentales de Medición • Padrón primario • Padrón que es designado o ampliamentereconocido como teniendo las mas altas cualidades metrológicas y cuyo valor es aceptado sin referencia a otros padrones de igual grandeza. (VIM) • Padrón secundario • Padrón cuyo valor es establecido por comparación a un padrón primario de la misma grandeza. (VIM) • Padrón de referencia • Padrón, que generalmente tiene la más alta cualidad metrológica disponible en un dado local o en una dada organización, a partir del cual las mediciones ejecutadas son derivadas. (VIM) Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Métodos y Sistemas de Medición • Métodos Fundamentales de Medición • Padrón de trabajo • Padrón utilizado rutinariamente para calibrar o controlar medidas materializadas, instrumentos de medición o materiales de referencia. (VIM) • Observaciones: 1) es generalmente calibrado por comparación a un padrón de referencia. 2) cuando utilizado rutinariamente para asegurar que las mediciones están siendo ejecutadas correctamente es llamado padrón de control. • Padrón de transferencia • Padrón utilizado como intermediario para comparar padrones. (VIM) • Padrón itinerante • Padrón, algunas veces de construcción especial, para ser transportado entre locales diferentes. (VIM) • Ejemplo: - Padrón de frecuencia de césio, portátil, operado por bateríia. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Métodos y Sistemas de Medición • Existen dos métodos fundamentales de medición: • comparación directa con un padrón primario o secundario. • Ejemplo: • comparación indirecta con un padrón a través de un sistema precalibrado. • Ejemplo: Balanza mecánica Balanza eletrónica Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Métodos y Sistemas de Medición • Sistema de Medición • La mayoría de los sistemas de medición puede ser entendida a partir de un esquema general constituído de tres etapas: • transductor será siempre del tipo sensor, simple o compuesto, activo o pasivo. • condicionador recibe la señal eléctrica proveniente del transductor y lo condiciona, presentando una señal adecuado a la etapa indicadora. Puede realizar: • amplificación, • eliminación de ruídos y • operaciones matemáticas (integración, diferenciación, logaritmación, adición, subtracción, division, etc.). • indicador presenta el resultado de la medida en forma visual. Ejemplos: • un indicador analógico de tipo voltímetro o amperímetro; • un registrador gráfico deo tipo XT o XY; • un indicador digital en dígitos de siete segmentos. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Trasductor sensor Acondicionador de señales Indicador Mensurando • Métodos y Sistemas de Medición • Sistema de Medición (esquema general de tres etapas) • Un sistema de medición no siempre posee el condicionador. A veces, la salída del sensor tiene energía suficiente para dispensar esta etapa • Ejemplo: • termopares  la salída eléctrica es capaz de accionar directamente un milivoltímetro. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Medición y Calibración • La precisión de un instrumento de medición es la aptitud para dar respuestas próximas al valor medio de varias medidas. • Para un conjunto de medidas efectuadas con el sistema, tomando por referencia un determinado padrón, se calcula la media aritmética y el desvío padrón. • La relación entre el desvío padrón y la media es definida como índice de precisión o, simplemente, precisión de medida, expresada en la forma porcentual. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

Medición y Calibración • La exactitud de un instrumento de medición es la aptitud para darrespuestas próximas a un valor verdadero. • Valores verdaderos son, por naturaleza, indeterminados. En la práctica, es usado un valor verdadero convencional. • La indicación de clase de exactitud es basada en un índice porcentual referido al valor de fondo de escala, que traduce directamente la incerteza de cualquier medida efectuada con el instrumento en la escala seleccionada. • Ejemplo: • Un voltímetro tiene clase de exactitud de 1,5% FS (Full Scale – fondo de escala) en la escala de 0-300 Volts. Asi, una incerteza de ± 4,5 V deberá ser atribuída a cualquier lectura efectuada con este voltímetro en esta escala. Eduardo Costa da Motta ecmotta@cefetrs.tche.br

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