Instrumentacion Industrial

SEP SEV DGEST DITD

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TANTOYUCA

ANTOLOGÍA

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

Presenta

PABLO IVÁN ROMERO DE LA ROSA

Tantoyuca, Ver., Febrero de 2012.

ÍNDICE

Unidad I: Sensores para instrumentación.

1.1 Sensores y transductores. 5

1.2 Técnicas de compensación de los sensores. 12

1.3 Sensores de desplazamiento, posición y proximidad. 14

1.4 Sensores de velocidad y movimiento. 16

1.5 Sensores de fuerza. 16

1.6 Sensores de presión de fluidos. 16

1.7 Sensores de flujo de líquidos. 17

1.8 Sensores de nivel de líquidos. 17

1.9 Sensores de temperatura. 17

1.10 Sensores de luz. 18

1.11 Selección de sensores. 18

Unidad II: Acondicionamiento de señal.

2.1 Acondicionamiento de señal. 15

2.2 Procesos del acondicionamiento de señal. 18

Unidad III: Sistemas de adquisición de datos.

3.1 Sencillo y Diferencial 24

3.2 Características de Sistemas de Adquisición de datos. 38

Unidad IV: Instrumentación analítica.

4.1 Introducción. 48

4.2 Analizadores de radiación Electromagnética. 48

4.3 Analizador de campos eléctricos y magnéticos. 48

4.4 Análisis de energía térmica. 48

4.5 Análisis de energía mecánica 48

Bibliografía. 57

Referencias electrónicas. 58

PRESENTACIÓN

Querido lector/a:

Es satisfactorio expresar el agradecimiento al Instituto Tecnológico Superior de Tantoyuca, porque haya considerado interesante para sus objetivos la publicación de la presente antología.

La única finalidad que me ha motivado a preparar esta edición, ha sido la de facilitar la tarea al estudiante y la mía como profesor. Siendo esta antología una útil herramienta de consulta para resolver las dudas de los conceptos que se abordan en clase; en esta obra se profundizan algunos temas clave.

El contenido de esta edición Instrumentación Industrial fue seleccionado de grandes autores que han aportado avances a las ciencias de la Ingeniería y también de los programas educativos que se llevan en el campo de la ingeniería. He escrito todo lo que un estudiante debe saber después de un buen aprovechamiento del curso, tentado en algunas ocasiones a profundizar más en algunos conceptos.

La redacción y selección del contenido, está en un lenguaje sencillo y fácil de comprenderse para todos aquellos que comienzan la aventura del mundo de la Instrumentación Industrial y con ejemplos de aplicación para la solución de problemas que se presentan en la vida cotidiana.

Estoy convencido de que en la medida en que sepa comunicarte mi pasión por lo que hago y mi creencia no dogmática en lo que enseño, en la misma medida, lograre que encuentres satisfacción e ilusión por lo que estudias.

Deseo que la presente edición, que fue diseñada con gran esmero y dedicación; sea una herramienta invaluable para tu preparación como futuro profesionista.

Pablo Iván Romero de la Rosa.

Unidad I:

Sensores para instrumentación.

Objetivo Educacional:

Seleccionar técnicas de caracterización de sensores utilizados en la instrumentación industrial de los procesos.

1.1 SENSORES Y TRANSDUCTORES.

El término sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se está midiendo. Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia eléctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura en un cambio de resistencia. Con frecuencia se utiliza el término transductor en vez de sensor. Los transductores se definen como el elemento que al someterlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado. Es decir, los sensores son transductores. Sin embargo, en un sistema de medición se pueden utilizar transductores, además de sensores, en otras partes del sistema para convertir las señales de una forma dada en otra distinta.

Dado que hay seis tipos de señales: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares (químicas), cualquier dispositivo que convierta una señal de un tipo en una señal de otro tipo debería considerarse un transductor, y la señal de salida podría ser de cualquier forma física útil. En la práctica, no obstante, se consideran transductores por antonomasia aquellos que ofrecen una señal de salida eléctrica. Ello se debe al interés de este tipo de señales en la mayoría de los procesos de medida. Los sistemas de medida electrónicos ofrecen entre otras las siguientes ventajas:

 Debido a la estructura electrónica de la materia, cualquier variación de un parámetro no eléctrico de un material viene acompañada por la variación de un parámetro eléctrico. Eligiendo el material adecuado, esto permite realizar transductores con salida eléctrica para cualquier magnitud física no eléctrica.

 Dado que en el proceso de medida no conviene extraer energía del sistema donde se mide, lo mejor es amplificar la señal de salida del transductor. Con amplificadores electrónicos se pueden obtener fácilmente ganancias de potencia de 1010 en una sola etapa, a baja frecuencia.

 Además de la amplificación, hay una gran variedad de recursos, en forma de circuitos integrados, para acondicionar o modificar las señales eléctricas. Incluso hay transductores que incorporan físicamente en un mismo encapsulado parte de estos recursos.

 Existen también numerosos recurso para presentar o registrar información si se hace electrónicamente, pudiéndose manejar no sólo datos numéricos, sino también textos, gráficos y diagramas.

 La transmisión de señales eléctricas es más versátil que la de señales mecánicas, hidráulicas o neumáticas, y si bien no hay que olvidar que estas pueden ser más convenientes en determinadas circunstancias, como pueden ser la presencia de radiaciones ionizantes o atmósferas explosivas, en muchos casos estos sistemas han sido sustituidos por otros eléctricos. De hecho, mientras en industrias de proceso (químico, petróleo, gas, alimentación, textil, etc.), donde se introdujeron en seguida los sistemas automáticos, se encuentran actualmente sistemas neumáticos junto a sistemas eléctricos más recientes, en cambio en las industrias de manufacturados, donde hay una serie de procesos discontinuos y que son de automatización más reciente, apenas hay sistemas neumáticos.

Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un significado más extenso: a ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades físicas que, por su naturaleza o tamaño, no pueden ser percibidas directamente por los sentidos. Transductor, en cambio, sugiere que la señal de entrada y la de salida no deben ser homogéneas.

Los siguientes términos se emplean para definir el funcionamiento de los transductores y, con frecuencia, el de los sistemas de medición como un todo.

1. Rango y margen. El rango de un transductor define los límites entre los cuales puede variar la entrada. El margen es el valor máximo de la entrada menos el valor mínimo. Por ejemplo, una celda de carga utilizada para medir fuerzas, podría tener un rango de 0 a 50 kN y un margen de 50 kN.

2. Error. El error es la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad que se mide. Por ejemplo, si un sistema de medición marca un valor de temperatura de 25 ºC, cuando el valor real de la temperatura es de 24 ºC, el error es de +1 ºC. Si la temperatura real fuera 26 ºC, entonces el error sería -1 ºC.

3. Exactitud. La exactitud es el grado hasta el cual un valor producido por un sistema de medición podría estar equivocado. Es por lo tanto, igual a la suma de todos los errores posibles más el error en la exactitud de la calibración del transductor. Por ejemplo, si la exactitud de un instrumento para medir temperatura

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