OBJETIVOS

• ESTUDIAR LOS DIFERENTES TIPOS DE CONTROL, ASÍ COMO LAS PARTES QUE CONFORMAN LOS MISMOS.

• IDENTIFICAR LOS PRINCIPALES TIPOS DE SENSORES Y TRANSDUCTORES ASÍ COMO SUS CARACTERÍSTICAS.

• IDENTIFICAR LOS ERRORES EN LAS MEDICIONES QUE PROPORCIONAN LOS SENSORES Y TRANSDUCTORES, ASÍ COMO LOS ERRORES PRODUCIDOS POR EL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS.

DEFINICIONESSISTEMA : Es un conjunto , arreglo o colección de cosas unidas o relacionadas de tal manera que forman una entidad o un todo .

CONTROL : Usualmente se toma en el sentido de regular , dirigir o mandar.

SISTEMA DE CONTROL: Es un ordenamiento de componentes físicos unidos o relacionados de tal manera que mandan , dirigen o regulan al mismo sistema o a otro .

ENTRADA : Es el estimulo , la excitación o el mandato aplicado a un sistema de control, generalmente desde una fuente externa de energía , usualmente para producir una respuesta especifica del sistema de control

SALIDA : Es la respuesta real que se obtiene de un sistema de control puede ser o no igual a la respuesta implícita especificada por la entrada.

TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL

Los sistemas de control se clasifican en dos categorías :

Sistemas de malla abierta

Sistemas de malla cerrada

Se diferencian mediante la acción de control

SISTEMA DE CONTROL DE MALLA ABIERTA

Un sistema de control en malla abierta es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida.

SISTEMA DE CONTROL EN MALLA ABIERTASu capacidad de desempeño con exactitud esta determinada por su calibración. Calibrar significa establecer o restablecer la relación entrada – salida.

Usualmente no se presentan problemas de inestabilidad .

SISTEMA DE CONTROL DE MALLA CERRADAUn sistema de control en malla cerrada es aquel en el cual la acción depende , de alguna manera , de la salida .

Propiedad de Retroalimentación : Permite que la salida (o alguna otra variable controlada) se compare con la entrada del sistema de tal manera que la acción de control apropiada se puede formar como alguna función de la entrada y la salida .

SISTEMA DE CONTROL DE MALLA CERRADA

De modo general , se dice que hay retroalimentación es un sistema cuando existe una secuencia cerrada de relaciones de causa y efecto entre las variables del sistema

CARACTERÍSTICAS DE RETROALIMENTACIÓN

Exactitud aumentada Tendencia hacia la oscilación o inestabilidad Sensibilidad reducida de la razón salida a

entrada frente a las variaciones en los parámetros del sistema y en otras características .

Ancho de banda aumentado .

SISTEMAS DE CONTROL ANALÓGICOS Y DIGITALES

Los sistemas de control continuos en el tiempo , llamados también sistemas de control análogos , contienen o procesan únicamente señales continuos en el tiempo

Los sistemas de control discretos en el tiempo ,tienen señales discretas en el tiempo en uno o mas puntos del sistema.

Compensación del sistema

Si sobre G y H no se tiene control. Para cumplir las especificaciones de desempeño de los sistemas , se introducen componentes de compensación, pueden ir en la trayectoria directa o de retroalimentación .

Compensación en cascada G

H

SISTEMAS DE CONTROL

TODO SISTEMA DE CONTROL DEBE:

•GARANTIZAR LA ESTABILIDAD Y SER ROBUSTO FRENTE A PERTURBACIONES Y ERRORES EN LOS MODELOS.

•SER TAN EFICIENTE COMO SEA POSIBLE.

•SER FÁCILMENTE IMPLEMENTABLE Y CÓMODO DE OPERAR EN TIEMPO REAL CON AYUDA DE UN ORDENADOR.

CONTROL DE LAZO ABIERTO

CARACTERÍSTICAS:

•NO SE COMPARA LA SALIDA DEL SISTEMA CON EL VALOR DESEADO DE LA SALIDA DEL SISTEMA (REFERENCIA).

•LA EXACTITUD DE LA SALIDA DEL SISTEMA DEPENDE DE LA CALIBRACIÓN DEL CONTROLADOR.

•EN PRESENCIA DE PERTURBACIONES ESTOS SISTEMAS DE CONTROL NO CUMPLEN SU FUNCIÓN ADECUADAMENTE.

VARIABLES DE CONTROL

ALGUNAS DE LAS VARIABLES QUE SUELEN CONTROLARSE EN UN PROCESO SON TEMPERATURA, HUMEDAD, PRESIÓN, NIVEL, ETC. PARA CADA UNA DE ESTAS VARIABLES A CONTROLAR EXISTEN DIFERENTES TIPOS SENSORES Y TRANSDUCTORES QUE SE AJUSTAN AL PROPÓSITO DESEADO.

TEMPERATURA PRESIÓN

SENSORES Y TRANSDUCTORES

SENSOR (RTD)

TRANSDUCTOR (TERMOCUPLA)

SENSORESSON ELEMENTOS SENSIBLES A REGISTRAR LOS CAMBIOS QUE SE PRODUCEN CUANDO EXPERIMENTAN UNA VARIACIÓN DE LA VARIABLE QUE CONTROLAN.

TRANSDUCTORESSON ELEMENTOS CAPACES DE CONVETIR UN TIPO DE ENERGÍA (DE ENTRADA) EN OTRO TIPO DE ENERGÍA (SALIDA)

ELEMENTOS QUE CONFORMAN UN SISTEMA DE CONTROL

PERMITEN CONOCER LOS VALORES DE LAS VARIABLES MEDIDAS DEL SISTEMA.

CALCULA LA ACCIÓN QUE DEBE APLICARSE PARA MODIFICAR LAS VARIABLES DE CONTROL.

ES EL MECANISMO QUE EJECUTA LA ACCIÓN CALCULADA POR EL CONTROLADOR.

SENSOR DE HUMEDAD

CONTROLADOR DE TEMPERATURA

ACTUADOR-RELÉ

SENSORES CONTROLADOR ACTUADOR

CONTROL DE LAZO CERRADO

SON AQUELLOS EN LOS QUE LA SEÑAL DE SALIDA TIENE EFECTO SOBRE LA ACCIÓN DE CONTROL.

COMO SE PUEDE APRECIAR EN ESTE TIPO DE SISTEMAS EXISTE UNA REALIMENTACIÓN DE LA SEÑAL DE SALIDA.

TIPOS DE TRANSDUCTORES

PROXIMIDAD

HUMEDAD

PRESION DE LIQUIDOS

TRANSDUCTOR(PRESIÓN DE

GAS)

SENSOR SEMICONDUCTOR LM35 DE NATIONAL SEMICONDUCTOR

EL SENSOR DE TEMPERATURA DE LA SERIE LM35 ES UN CIRCUITO INTEGRADO DE PRECISIÓN, CUYA TENSIÓN DE SALIDA ES LINEALMENTE PROPORCIONAL A LA ESCALA CELSIUS (CENTÍGRADOS) DE TEMPERATURA.

SENSOR LM35 DE NATIONAL SEMICONDUCTOR

LM35ENCAPSULADO TO-92

EL SENSOR TRABAJARÁ EN EL RANGO DE 0°C-71°C, ESTO QUIERE DECIR QUE TENDREMOS LOS SIGUIENTES NIVELES DE VOLTAJE EN LA SALIDA DEL MISMO.

TEMPERATURA VOLTAJERESULTADO DE LA CONVERSION A/D

RESULTADO DE LA CONVERSION A/D

EN DECIMAL

1ºC 10mV 0000000011 3

71ºC 710mV 0010010001 145

SE UTILIZA MENOS DE LA SÉPTIMA PARTE DEL RANGO DE VALORES QUE OFRECE EL CONVERSOR A/D Y ESTO CAUSARÁ QUE SE PIERDA EXACTITUD EN LA MEDICIÓN.

LA SOLUCIÓN ES ACONDICIONAR LA SEÑAL, ESTE PROCESO COMPRENDE 2 BLOQUES, EL PRIMERO DE ADAPTACIÓN DE IMPEDANCIA Y EL SEGUNDO DE AMPLIFICACIÓN DE LA SEÑAL, PARA ESTO SE CALCULA EL FACTOR DE AMPLIFICACIÓN.

CÁLCULO DEL FACTOR DE AMPLIFICACIÓN

FACTOR DE AMPLIFICACIÓN ≅VMÁX/VO

VMÁX= 5V, ES EL VOLTAJE MÁXIMO QUE PUEDE MEDIR EL CONVERSOR A/D.

VO=710mV, ES EL VOLTAJE QUE SE OBTIENE PARA LA TEMPERATURA MÁXIMA QUE MEDIRÁ EL SENSOR.

FACTOR DE AMPLIFICACIÓN ≅ 7,04

AHORA LOS NUEVOS NIVELES DE VOLTAJE A LA SALIDA DEL SENSOR SON:

TEMPERATURA VOLTAJERESULTADO DE LA CONVERSION

A/D

RESULTADO DE LA

CONVERSION A/D EN

DECIMAL

1ºC 70,4mV 0000001111 15

71ºC 4998,4mV 1111111111 1023

DE ESTA FORMA APROVECHAMOS AL MÁXIMO LA ESCALA QUE NOS BRINDA EL CONVERSOR A/D CONFIGURADO PARA TRABAJAR A 10 BITS.

EL ERROR EXPRESADO EN °C SE CALCULA CON LA SIGUIENTE RELACIÓN:

E=RESOLUCIÓN DEL CONVERSOR/FACTOR DE ESCALA DEL SENSOR

ENTONCES:

E= 4,88/10

E=0,488°C

POR TANTO, SE TIENE UN ERROR EN LA MEDICIÓN DE APROXIMADAMENTE 0,5ºC.

EL CONVERSOR A/D CONFIGURADO PARA TRABAJAR A 8 BITS NOS PROPORCIONA UN ERROR EN LA MEDICIÓN DE 1,95°C.

REALIZADOS ESTOS CÁLCULOS, A CONTINUACIÓN SE REALIZARÁ EL ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL.

CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO

ACTUADORES

RELAY TIRISTOR

ACTUAN SOBRE EL SISTEMA PARA MODIFICAR LA VARIABLE DE CONTROL.

SERVOMOTORES VARIADOR DE VELOCIDAD

INSTRUMENTOS ELECTRICOS INDUSTRIALES

FORMAS DE APLICACIÓN DE UN APARATO DE MEDICIÓN

Por su relación con otros sistemas un aparato de medida puede aplicarse de acuerdo a una o varias de las posibilidades siguientes: Monitorización de procesos y

operaciones Control de procesos y operaciones Ingeniería de análisis experimental.

MONITORIZACIÓN DE PROCESO Y OPERACIONES

Como aplicación en funciones de monitorización, los aparatos de medida sirven para indicar características dimensionales, condiciones ambientales, conteo de cantidades de consumo, etc. Es el caso de la utilización de termómetros, barómetros, calibradores pie de rey, micrómetros, medidores de agua, gas, electricidad, etc. También se consideran funciones de monitorización, las técnicas de adquisición de datos con el fin de analizarlos a través de medios computacionales.

CONTROL DE PROCESOS Y OPERACIONES

Este es otro tipo de aplicación de suma importancia en la que el aparato de medida forma parte de un sistema de control automático.Dichos sistemas se caracterizan en general por emplear el aparato de medida dentro de un circuito o lazo que puede ser abierto o cerrado.

Sistema de control de lazo o bucle abierto.

Este se puede definir como aquel que compara el valor de la variable (o condición a controlar) con un valor deseado y efectúa una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el ser humano intervenga en absoluto.

Sistema de control de lazo o bucle cerrado.Como se puede observar en la Figura 2, el aparato de medida está conectado dentro de un sistema cuya característica es el de tener un lazo cerrado.

Sistema de control de lazo o bucle cerrado.Sistemas como éste se denominan Sistemas de control de retroalimentación o sistemas automáticos de control, cuya característica es la de que para controlar cualquier variable es necesario primero medirla. Un ejemplo de lo anterior, es el sistema de

calefacción doméstica que emplea un control del tipo termostático. Un aparato para medir temperatura (por ejemplo un bimetálico), sirve de sensor de temperatura, proporcionando así la información necesaria para el correcto funcionamiento del sistema.

INGENIERÍA DEL ANÁLISIS EXPERIMENTAL

Es un campo donde los ensayos y los resultados de éstos a través de las mediciones, sirven para investigar los comportamientos de diversas variables que influyen en una característica final de un fenómeno, que es la que se desea medir. Un ejemplo de lo anterior lo puede constituir la

determinación del coeficiente de dilatación lineal de una sustancia o un ensayo de tracción sobre una probeta de acero con el fin de medir el límite de fluencia y la resistencia última a la tracción.

ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE MEDICION

Un aparato de medida como sistema está conformado internamente por varios elementos interconectados entre sí y con una función específica.

Mostramos a continuación dichas partes:

ELEMENTO SENSOR

Se define al sensor como un elemento de un instrumento de medición que sirve para tomar la información relativa a la magnitud. Otra definición menos importante establece que el sensor es un dispositivo que suministra una señal para la detección o medida de una propiedad física a la cual corresponde.  EJEMPLO: termocupla de un termómetro

termoeléctrico, órgano motor de un medidor de caudal, tubo bourdon de un manómetro, flotador de aparato medidor de nivel.

TIPOS DE SENSORES: SENSORES PASIVOS: Son aquellos que requieren una fuente de energía

que puede ser modulada por el parámetro a ser medido dando una señal de salida adecuada.

EJEMPLO: el sensor capacitivo para medir desplazamientos. SENSORES ACTIVOS: Son aquellos que adquieren la energía del propio

parámetro a ser medido.  EJEMPLO: el sensor del tipo piezoeléctrico SENSORES SIMPLES: Son los que tiene un solo nivel de transducción.  EJEMPLO: manómetros y algunos transductores.  SENSORES COMPUSTOS: Tienen dos o más niveles de transducción. EJEMPLO: manómetro de diagrama.  SENSORES ANALOGICOS O DIGITALES: Son aquellos que suministran

una señal de salida en forma continua o analógica o en forma discreta o digital.

SENSORES INVASIVOS-NO INVANSIVOS: Son que aquellos que están en contacto o tienen interacción con el parámetro que está siendo medido.

SENSORES INTRUSIVOS-NO INTRUSIVOS: Son aquellos que se acomodan de acuerdo a poder o no tener interacción física con el parámetro a ser medido.

EJEMPLO: sensores de presión, temperatura, flujo, humedad y sensores de silicio.

TRANSDUCTORESEs un instrumento que sirve para transformar, según una ley determinada, la magnitud medida en otra magnitud o en otro valor de la misma magnitud, con precisión especificada y que constituye un conjunto que puede usarse en forma separada.

EJEMPLO: un relé, un convertidor PP/I, un transmisor.

ELEMENTO DE MANIPULACION

Es un elemento muy importante, ya que un aparato de medida puede requerir una manipulación de la señal representada por alguna variable física, pero conservando la naturaleza física de la variable.

EJEMPLO: amplificador electrónico.

ELEMENTO TRANSMISOR DE DATOSDebido a los elementos constituidos de un aparato de medida están separados entre sí, la transmisión de información entre unos y otros debe realizarse por algún medio y este es precisamente el elemento transmisor. Los transmisores pueden trabajar con varios tipos de señales neumáticas, electrónicas, hidráulicas, o telemétricas. Estas son las más empleadas por las industrias.

EJEMPLO: un sistema de telemetría, transmisiones por vía satélite.

ELEMENTO DE PRESENTACION DE DATOSPara que la información referente a la cantidad de medida se pueda comunicar a los seres humanos o a otros sistemas con el objeto de realizar monitorización, control o análisis, debe ponerse en alguna forma que pueda reconocer alguno de los órganos de los sentidos. Este elemento también se conoce como Dispositivo Indicador que está definido como parte de un instrumento de medición que muestra una indicación. Además de la definición anterior para el efecto de presentación de datos también, los instrumentos de medición pueden poseer un Dispositivo de Registro, que es la parte de un instrumento de medición que suministra un registro o una indicación.

CLASIFICACION GENERICA DE LOS APARATOS DE MEDIDA APARATO MEDIDOR INDICADOR: Da simplemente el valor de una magnitud

medida (sin medir, ni registrar esta indicación)  EJEMPLOS: micrómetro, manómetro, voltímetro, amperímetro. CONTADOR: Es un integrador que indica progresivamente los valores de la

magnitud medida acumulada durante cierto tiempo. EJEMPLO: contador de consumo de agua, contador de energía eléctrica. APARATO MEDIDOR DOSIFICADOR: Aparato medidor continúo o

discontinúo que suministra en forma automática y periódica cantidades predeterminadas de un producto.

APARATO MEDIDOR REGISTRADOR: Aparato medidor que inscribe sobre un soporte de registro las indicaciones o informaciones que suministra para las mediciones efectuadas de una o varias magnitudes.

EJEMPLO: voltímetro registrador, termógrafo, barógrafo, rugosímetro. APARATO MEDIDOR CON INDICE MÓVIL: Aparato medidor en el cual las

indicaciones están dadas por la posición de un índice móvil ante una escala fija.

APARATO MEDIDOR ANALÓGICO: Aparato medidor cuya indicación es función continúa de las variables del valor correspondiente de la magnitud que se mide.

APARATO MEDIDOR DISCONTINUO: Aparato medidor cuya indicación es función discontinua de las variaciones del valor correspondiente de la magnitud que se mide. Puede estar constituido por una aguja que se mueve en forma discontinua (discreta) frente a una escala continua, o por una escala numérica.

AHORA MOSTRAREMOS ALGUNOS INTRUMENTOS DE MEDIDA

SENSORES MANÓMETRO BOURDON

El sistema de medida está formado por un tubo aplanado de bronce o acero, cerrado , en forma de “C” de ¾ de circunferencia para la medición de bajas presiones, o enrollado en forma de espiral para la medición de bajas presiones .

SENSORES TERMÓMETROS DE PAR

TERMOELÉCTRICOSe compone de dos hilos de metales diferentes soldados en sus extremos. Cuando las temperaturas de cada soldadura son diferentes, se origina una fuerza electromotriz .También se utilizan como piranómetros, es decir, como instrumentos para medir temperaturas muy elevadas y también en ciertas aplicaciones se usan para medir temperaturas extraordinariamente bajas.

SENSORES LOS SENSORES CAPACITIVOSSon potencialmente capaces de detectar todos los materiales sólidos y líquidos. Estos sensores están basados en la detección de un cambio en la capacidad inducido por una superficie que se lleva cerca del elemento sensor. El elemento sensor es un condensador constituido por un electrodo sensible y un electrodo de referencia.

Son los mas antiguos y los mas utilizados ya que constan de 3 partes El oscilador, la unidad de evaluación y la etapa de salida. Sensor capacitivo CP18-30P

SENSORES

TRANDUCTORES EL RELÉ El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. También ofrecen la posibilidad de control de un dispositivo a distancia mediante el uso de pequeñas señales de control.La completa separación eléctrica entre la corriente de accionamiento, hace que se puedan manejar altos voltajes o elevadas potencias con pequeñas tensiones de control.

TRANDUCTORES EL TRANSMISOR

Es un instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento indicador o controlador; pero la función primordial de este dispositivo es tomar cualquier señal para convertirla en una señal estándar adecuada para el instrumento receptor.

APARATOS DE MEDIDA VOLTIMETROEs un instrumento que se utiliza para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico .Existen varios tipos según su funcionamiento, como: los voltímetros electromecánicos, voltímetros digitales, osciloscopios y potenciómetros .El voltímetro siempre debe colocarse en paralelo con respeto a los elementos que se miden para efectuar la medida de la tensión.

APARATOS DE MEDIDA MICROMETROEl micrómetro de platillos está diseñado para medir fácilmente la longitud de la tangente de raíz de engranajes rectos y helicoidales.

APARATOS DE MEDIDA MANOMETROSLos manómetros son los instrumentos utilizados para medir la presión de fluidos (líquidos y gases). Lo común es que ellos determinen el valor de la presión relativa, aunque pueden construirse también para medir presiones absolutas.

CONTADOR Medidor de caudal PCE-VREl medidor de caudal es un tubo Venturi para la medición del caudal del aire en m³/h en tuberías y conductos de ventilación. Este medidor de caudal está controlado por un microprocesador y garantiza una alta precisión y fiabilidad.

APARATO MEDIDOR REGISTRADOR Rugosímetro PCE-RT1200 Detecta la rugosidad de superficies. Puede medir hasta 4 parámetros diferentes de rugosidad y transmitir los datos a un PC .Esto es sobre todo aconsejable para una serie de mediciones; por ejemplo, para controlar la entrada de material de proveedores, o para determinar el control de calidad de los propios productos en el laboratorio.

APARATO MEDIDOR REGISTRADOR BAROGRAFONos proporciona un registro continuo de la presión atmosférica, cuyos valores va midiendo un barómetro que lleva incorporado, pero de tipo aneroide.

APARATO MEDIDOR REGISTRADOR TERMOGRAFOEl termógrafo con tarjeta SD detecta la temperatura del aire y la humedad relativa y almacena los valores internamente en una tarjeta de memoria SD. Ideal para registros de larga duración en el sector alimentario (mostradores y transportes refrigerados, almacenes), pero también mediciones y registros en al industria (procesos de calentamiento y refrigeración, temperatura de máquinas, almacenes, etc.)

CONCLUSIONES

•SE LOGRARON IDENTIFICAR LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS LAZOS DE CONTROL.

•SE CONCLUYE QUE LOS PARAMETROS DE LOS SENSORES Y TRANSDUCTORES CONTRIBUYEN INCREMENTAR O DISMINUIR LA EXACTITUD DE LA MEDICIÓN.

• EXISTEN OCASIONES EN LAS CUALES SE NECESITA HACER UN CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO QUE PERMITA INTERACTUAR AL SENSOR CON EL CONTROLADOR, SIN EMBARGO, ESTE SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO CONTRIBUYE A LA PROPAGACIÓN DE ERRORES EN LA MEDICIÓN.

• SE CONCLUYE TAMBIÉN QUE UNA ESCALA MAYOR DEL CONVERSOR A/D DEL CONTROLADOR AYUDA A MINIMIZAR LOS ERRORES EN LA MEDICIÓN.

GRACIAS