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INGENIERÍA DE DETALLE DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA Y OTRO DE NIVEL
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  • 1. PRIMERA ASIGNACIÓN – INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL II SEMESTRE DEL 2011 POR: DIEGO ANDRÉS VERA MUJICA CÓDIGO: 1092337774 SANTIAGO ESCRUCERIA DEL PINO CÓDIGO: 1090411934 FELIPE MEZA ONTIVEROS COD: 1090411671 TEMA: CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS PERTINENTES A DIVERSOS SENSORES – INGENIERÍA DE DETALLE DE LA SIMULACIÓN DE UN SENSOR DE TEMPERATURA Y UNO DE NIVEL. UNIVERSIDAD DE PAMPLONA VILLA DEL ROSARIO 2011
  • 2. INTRODUCCIÓN En la industria, la medición de nivel o de Temperatura es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de materia primas o de productos finales, la utilización de instrumentos electrónicos con microprocesador en la medida de otras variables, tales como la presión y la temperatura, son fundamentales ya sea para sensar o controlar un proceso. Los sensores tiene dos características fundamentales que los describen en particular de cada uno de ellos: Características estáticas, que describen la actuación del sensor en régimen permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir. Características dinámicas, que describen el comportamiento del sensor en régimen transitorio.
  • 3. DESARROLLO PARTE I: CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS DE LOS SENSORES 1. Características Estáticas y Dinámicas de los sensores. 1.1. Características Estáticas. 1.1.1. Rango o Campo de medida: Son los valores de la magnitud de entrada, comprendidos entre un mínimo y un máximo, que puede detectar el sensor. Se expresa estableciendo los dos valores extremos del instrumento. 1.1.2. Alcance o Span: Es la diferencia algebraica entre los límites superior e inferior del rango del instrumento. 1.1.3. Error Relativo: lo más común es especificar el error como cociente entre el error absoluto y el verdadero valor de la magnitud medida. Este suele tener dos términos: uno dado como porcentaje (tanto por ciento) de la lectura, y otro constante, que puede estar especificado como porcentaje del fondo de escala. 1.1.4. Precisión: Es la tolerancia de medida del instrumento. Así, por ejemplo, si un instrumento de medición de nivel genera una medición de 150 cm y el instrumento tiene una precisión del 0,5% de la variable medida, la lectura podrá estar entre 149.25 cm y 150.75 cm. 1.1.5. Exactitud: Tendencia del instrumento de medida a dar lecturas próximas al valor verdadero de la magnitud medida. Cuanto más próximo a la magnitud real, más exacto. 1.1.6. Zona Muerta: Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación del instrumento. Está dad por un porcentaje de span. Por ejemplo, si el span de un instrumento es 300 cm y su zona muerta es de 0.1%, tenemos que (300 X 0.1)/100 = 0.3 cm. Entonces la zona muerta del instrumento será más o menos 0.3 cm.
  • 4. 1.1.7. Sensibilidad: Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que la ocasiona, haciendo alcanzado el estado de reposo. Es importante no confundirlo con el término zona muerta, puesto que se calculan de forma parecida. Por ejemplo, si la sensibilidad del instrumento del ejemplo anterior es de 0.05%, tenemos que (0.05*300)/100 = 0.15 cm. Entonces, una variación de 0.15 cm en la magnitud medida, provocará una variación en el instrumento de medición. 1.1.8. Repetibilidad: Es la cualidad de un instrumento de medición para presentar la misma lectura ante la misma entrada o valor de magnitud, en las mismas condiciones. Viene expresada en porcentaje. 1.1.9. Histéresis: Es la diferencia entre valores de salida del sensor ante una misma entrada. Sin embargo, para el cálculo de la histéresis, debe tenerse en cuenta la trayectoria seguida por el instrumento, es decir, se toman las dos medidas en la misma trayectoria, sea de subida o de bajada. 1.1.10. Resolución: Magnitud del cambio en la señal de salida entre dos valores próximos que el sensor puede distinguir. 1.1.11. Linealidad: Proximidad de la curva característica a una línea recta especificada. 1.1.12. Humedad relativa: Es la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Es importante conocer que tanto puede afectar al instrumento de medición una cierta cantidad de humedad relativa, pues, dependiendo del sitio, la humedad relativa puede ser muy alta. Normalmente se da en un porcentaje, que equivale a la cantidad de vapor de agua presente en 1 m3 de aire a una temperatura dada. 1.1.13. Protección antiestática: La electricidad estática puede afectar de diversas formas a los diferentes instrumentos, por eso es necesario saber si los mismos cuentan con protección antiestática antes de instalarlos en determinados lazos de control. 1.1.14. Aterramiento: Puesta a tierra del instrumento; actúa como protección contra descargas nocivas que puedan averiar al aparato. 1.1.15. Protocolos de mantenimiento: Procedimiento a seguir que asegura el buen funcionamiento del instrumento y que amplía su periodo de vida útil.
  • 5. 1.1.16. Modelo matemático del instrumento: Ecuación que define, matemáticamente hablando, el comportamiento de un instrumento. Conociendo el modelo matemático de un instrumento, es posible realizar simulaciones, cálculos y diversos procesos por medio de los cuales se puede estudiar el comportamiento del instrumento bajo determinadas condiciones de trabajo. 1.1.17. Costos: Valor económico del instrumento. Se deben tener en cuenta diversos factores que justifican la inversión, entre ellos, los costos de instalación y de mantenimiento del instrumento, así como los costos de capacitación del personal, de llegar a necesitarse, etc. 1.2. Características Dinámicas. 1.2.1. Constante de Tiempo: Es el tiempo necesario para que el instrumento alcance el 63,2 % de su variación total. La constante de tiempo es conocida como Tao y representada por la letra griega Τ. 1.2.2. Tiempo de Respuesta: Es el tiempo que tarda el instrumento en realizar la medición de la variable física. También se puede definir como el tiempo que tarda un instrumento en percibir un cambio en la magnitud física que está midiendo. 2. Medición de Temperatura: En la figura 1 se puede observar una termocupla de tipo K. Figura 1. Termocupla Tipo K.
  • 6. 2.1. Termopares ó Termocuplas: La termocupla o termopar, es uno de los sensores más utilizados en la industria para medir la temperatura de un proceso. Están conformados por la unión de dos metales, la cual es sometida a la temperatura a medir. Los termopares entregan a su salida una corriente, proporcional a la temperatura medida. Esto sucede debido al efecto Seebeck, que se da cuando un circuito, formado por dos metales diferentes, mantiene sus dos uniones a diferentes temperaturas. La unión que está expuesta a la temperatura a medir se conoce como unión caliente, la unión de referencia se conoce como unión fría. Los termopares ofrecen diversas ventajas respecto a otros medidores de temperatura: - Determinación puntual de la temperatura. - No necesitan alimentación. - Respuesta rápida a variaciones de temperatura (alto tiempo de respuesta). - Rango de temperaturas muy amplio (- 270 a 3000 °C). - Alta exactitud. Por otra parte, hay algunas consideraciones a tener en cuenta cuando se trabaja con termocuplas: - La unión fría debe mantenerse en una temperatura constante y conocida. - La temperatura máxima que alcance el termopar debe ser inferior a su temperatura de fusión. - El medio donde se va a medir no debe ser corrosivo con los metales de que está compuesto el termopar. En caso contrario, deben utilizarse vainas industriales para proteger el instrumento. 2.1.1. Principio de Funcionamiento de las Termocuplas: Como se dijo anteriormente, en la medición de temperatura utilizando termocuplas se aprovecha el efecto Seebeck, que implica la circulación de corriente por un circuito formado por dos metales diferentes cuando cada una de sus uniones está a diferentes temperaturas.
  • 7. Esta circulación de temperatura obedece a dos efectos termoeléctricos: El efecto Peltier, que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente circula por la unión; y el efecto Thompson, que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. 2.1.2. Leyes de los termopares: El funcionamiento de los termopares se rige por cuatro leyes: Ley de la Temperatura Externa: Una corriente eléctrica no se puede mantener en un circuito compuesto por un solo metal homogéneo. Ahora bien, si existen dos metales A y B, sometidos a temperaturas diferentes en sus uniones, entonces existirá una fuerza electromotriz generada en los extremos. Ley del Metal Intermedio: Dos metales homogéneos A y B tienen en sus uniones temperaturas T1 y T2; si un tercer metal C se conecta con A o B, tal que se forman nuevas uniones y la temperatura T3 a través de C es uniforme en toda su longitud, la FEM generada en el arreglo será la misma que si no estuviera el metal C. Ley de la Temperatura Intermedia: Si dos metales homogéneos A y B están sometidos a diferentes temperaturas, T1 y T2 en sus uniones generando una FEM1, y son sometidos a un cambio en las temperaturas de sus uniones, tal que sus extremos tendrán temperatura T2 y T3, generando una FEM2, entonces si las uniones son sometidas a T1 y T3, la FEM resultante sería igual a FEM1 + FEM2. Ley de la FEM Aditiva: Si dos metales A y R son sometidos a temperaturas T1 y T2 en sus uniones, generando una FEM1, y dos metales R y B son sometidos a T1 y T2, generando una FEM2, entonces, si se utilizan los metales A y B, y son sometidos a T1 y T2, la FEM resultante será FEM1 + FEM2. 2.1.3. Tipos de Termopar: Dependiendo de los metales utilizados en su construcción, los termopares se clasifican en diferentes tipos:
  • 8. Tipo Metales J Hierro – Constantán T Cobre – Constantán K Cromel – Alumel R Platino – Platino/Rodio 13% S Platino – Platino/Rodio 10% B Platino – Rodio 6%/Platino-Rodio 30% E Cromel - Constantán Tabla 1. Tipos de Termocupla y materiales de construcción. El constantán es una aleación compuesta por un 45% de níquel y un 55% de cobre. El cromel está compuesto por 10% de cromo y 90% de níquel. El alumel se compone de 2% de manganeso, 1 % de silicio, 95% de níquel y 2% de aluminio. Dependiendo del rango de temperatura a medir, se utiliza uno u otro tipo de Termopar. Por ejemplo, si se requieren medir temperaturas que oscilan entre los 200 y los 600 °C, se recomiendan termopares tipo J, K o T. Para temperatura altas, se recomiendan termopares de tipo R o S. Los diferentes tipos de termopares tienen diferentes grados de linealidad en diferentes rangos, así, un termopar tipo K es lineal y altamente sensible en un rango de temperatura de 0 a 200 °C, por poner un ejemplo, pero no se podrá utilizar para medir temperatura de, por ejemplo, 2000 ° C, rango en el que habrá que utilizar otro tipo de termopar, tal como uno tipo R o S. 2.1.4. Características del Termopar Tipo K: los termopares tipo K suelen ser económicos y se encuentran en una gran cantidad de sondas. Su rango de medida llega hasta los 1250 °C, aproximadamente. Presentan una linealidad alta, lo cual los hace adecuados para la medición a temperaturas bajas. Algunas características de las termocuplas tipo K son: - F.E.M. Producida: -6.458 mV/°C hasta 48.838 mV/°C.
  • 9. - En ambientes con alto contenido de azufre, el elemento negativo de la termocupla se vuelve quebradizo. - La oxidación del cromo sobre el niquel en el exterior del elemento ocasiona una pérdida en la sensibilidad. - Si el ambiente es sulfuroso, o si hay alta presencia de monóxido de carbono, hidrógeno o cualquier otro agente fuertemente reductor, se hace necesario la protección por medio de una vaina industrial. - Este tipo de termocupla se recomienda para ambientes de trabajo altamente oxidantes, y en rangos de trabajo no superiores a 500°C. 2.2. RTD’s o Termorresistencias: Son medidores de temperatura, utilizados industrialmente en procesos que requieren una alta precisión en la medición. Dependiendo de los requerimientos del proceso, pueden tenerse montajes de dos, tres o cuatro hilos. Una de las ventajas que ofrecen las RTD’s sobre los termopares, es su mayor sensibilidad, así como una gran linealidad, debido a la que la relación resistencia – temperatura es lineal. Por otro lado, el costo de un sensor RTD es, por regla general, mayor al de un termopar, debido a que dentro de sus elementos de fabricación figura el platino, un metal que es bastante costoso. En la figura 2 se pueden observare diferentes tipos de RTD.
  • 10. Figura 2. Diferentes tipos de RTD. 2.2.1. Principio de funcionamiento del RTD: El funcionamiento de las termorresistencias se basa en la variación de la resistencia, en ohmios, en función a la variación de la temperatura. Físicamente, las RTD consisten en un arrollamiento de hlo conductor muy fino del material adecuado (el platino es el material más adecuado por su linealidad y precisión, pero presenta el inconveniente de ser altamente costoso), bobinado entre capas de aislante y protegido con revestimientos de vidrio o cerámica. Esto se encapsula dentro de una vaina de acero inoxidable. Esto significa que el instrumento no está sometido de manera directa a la magnitud medida, sino que tiene una protección. Para conocer la temperatura medida, se utiliza un puente de Wheastone. 2.2.2. Ecuación de las RTD y Curvas Carácterísticas: La ecuación que rige al instrumento es: 𝑅𝑡 = 𝑅0(1 + ∝𝑡 𝑇 + ∝2 𝑇2 + …+ ∝ 𝑛 𝑇 𝑛 ). Esta ecuación es válida para un rango de 0 ºC a 850 ºC. Sin embargo, bajo ciertas circunstancias y dependiendo del rango se puede linealizar de la forma 𝑅𝑡 = 𝑅0(1+ ∝ ( 𝑇 − 𝑇0)). Donde R0 = Resistencia a T0 ºC (Ω). Rt = Resistencia a T ºC (Ω). α = Coeficiente de temperatura de la resistencia. Entre 0 ºC y 100 ºC, el valor de α es (0.003850) 1/ºC. En la figura 3 se puede observar la curva característica de los diversos materiales con que se fabrican las termorresistencias.
  • 11. Figura 3. Curva de respuesta de los diferentes de materiales de fabricación de RTD’s. Como se puede ver, el níquel presenta una alta no linealidad en el rango de 0 a 400 °C, aproximadamente, lo cual lo hace inadecuado en ese rango. El cobre, a pesar de tener una buena linealidad presenta el inconveniente de ser poco resistivo. 2.2.3. Conexión al puente de Wheastone: Existen varios tipos de montaje; su uso depende de las características del proceso y de las necesidades en la medición. Conexión a dos hilos: Es un montaje sencillo y económico; sin embargo, presenta el inconveniente de que los hilos de conexión que van de la sonda al puente varían su resistencia con la temperatura, lo cual causa mediciones erróneas. En la figura 4 se observa esta conexión.
  • 12. Figura 4. Conexión a dos hilos de la sonda Rx con el puente de Wheastone. El valor de R3 debe variarse hasta anular la desviación del galvanómetro, entonces se cumple que: 𝑅1 𝑅3 = 𝑅2 𝑅𝑥 . De donde se obtiene que: 𝑅𝑥 = 𝑅3 𝑅2 𝑅1 . Sin embargo, es necesario tener en cuenta la resistencia de los conductores que conectan la sonda con el puente, por lo cual se tiene la siguiente ecuación corregida: 𝑅1 𝑅3 = 𝑅2 𝑋 + 𝐾(𝑎 + 𝑏) Donde K es el coeficiente de temperatura por unidad de longitud de los conductores. a y b son las longitudes de los conductores. Este tipo de montaje se utiliza cuando no se necesita una lectura demasiado exacta. Conexión a tres hilos: En la figura 5 se puede observar este tipo de conexión.
  • 13. Figura 5. Conexión al puente a tres hilos de la sonda Rx. En este tipo de montaje la medición no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura, debido a que influye a la vez en dos brazos del puente. La única condición es que la resistencia de a y b sea la misma. De esta forma se tendrá la ecuación: 𝑅1 𝑅3 + 𝐾𝑎 = 𝑅2 𝑅𝑥 + 𝐾𝑏 3. Medición de Caudal: 3.1. Placa Orificio: Es un medidor de caudal por presión diferencial. Una de sus principales características es su sencillez de construcción y su economía. Además, su funcionamiento es fácil de entender y puede utilizarse con una gran cantidad de fluidos. En la figura 5 se muestran diferentes placas orificio de la marca New Flow.
  • 14. Figura 5. Diferentes tamaños de placa orificio de la marca New Flow. Las placas orificio se instalan en la tubería, por medio de un portaplaca. El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmentado. En la figura 6 se observan estos tres tipos de perforación en la placa orificio. Figura 6. Orificio concéntrico, excéntrico y segmentado. 3.1.1. Principio de funcionamiento y matemática asociada: La placa orificio, al reducir el diámetro del conducto por el cual se mueve el caudal, produce un aumento en la velocidad del fluido, lo que origina un aumento de la energía cinética del mismo, ocasionando una disminución en la presión, esto de acuerdo con la ley de la conservación de la energía, originando una diferencia entre la presión estática aguas arriba y aguas abajo del medidor.
  • 15. Realizando tomas de presión, antes y después de la placa orificio, podemos, entonces, conocer el diferencial de presión y por medio de una ecuación matemática, el caudal. Entonces, teniendo estos datos, más algunas constantes, como el diámetro del orificio de la placa y el diámetro de la tubería, se calcula el caudal, en m3/s, mediante la ecuación 1. 𝑄 = ( 𝐶𝑑 √1 − 𝛽4 𝜋 4 𝑑2 √ 2ℎ 𝜌 ) 𝑚3 /𝑠 (𝐸𝑐.1) Donde Q es el caudal; β es el cociente entre el diámetro de la placa orificio y el diámetro del tubo, es decir, la relación de diámetros; ρ es la densidad del fluido; h es la diferencia de presiones aguas arriba y aguas debajo de la placa orificio, h = h1 – h2, siendo h1 la presión aguas arriba y h2 la presión aguas abajo; d es el diámetro del orificio de la placa orificio; Cd es el coeficiente de descarga, es un valor propio para cada dispositivo, y depende de la colocación de las tomas de presión. 3.1.2. Consideraciones para el uso de la placa orificio:  La tubería debe ser circular.  La tubería debe estar colocada horizontalmente.  El fluido debe circular a tubo lleno.  El diámetro de la tubería, antes y después de la placa orificio, debe ser el mismo. 3.1.3. Tramo recto: Para tomar una buena medición, se hace necesario un tramo recto antes y después de la placa orificio. Esto quiere decir que luego de una válvula, una curva, una reducción de diámetro en la tubería, o cualquier otro factor que provoque turbulencias en el fluido, debe haber una longitud de tramo recto antes del punto de instalación de la placa orificio; así mismo, se requiere que luego de la placa haya también un tramo recto antes de otro elemento que provoque turbulencias.
  • 16. Se debe evitar cualquier turbulencia dentro de la tubería por lo menos 10 diámetros antes de la placa y al menos 4 diámetros después de la placa. 3.2. Medidor Magnético: En la figura 7 se pueden observar las partes que componen un medidor magnético de caudal. Figura 7. Partes de un medidor magnético de caudal. 3.2.1. Principio de funcionamiento: Se basan en la Ley de inducción electromagnética de Faraday: "el voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor, dimensión del conductor, y fuerza del campo magnético". 3.2.2. Componentes del medidor y características:  Tubo de caudal, (de material no magnético, por ejemplo teflón) recubierto de material conductor (para no cortocircuitar el voltaje inducido).  Bobinas generadoras del campo magnético.  Electrodos detectores del voltaje inducido en el fluido.  Se alimenta eléctricamente (con corriente alterna, para evitar fenómeno de polarización) a las bobinas.  Elimina el voltaje inducido.  Convierte la señal (mV) a la adecuada a los equipos de indicación y control m frecuencia, digitales).
  • 17.  No originan caída de presión. Se usan para líquidos sucios, viscosos o contaminados. 3.2.3. Principio matemático: La ecuación que rige a los medidores magnéticos de caudal es la ecuación 2: 𝑄 = 𝐾 𝐸 𝐵 𝐷 𝐸𝑐.2. Donde Q es el caudal; E es la tensión inducida en el conducto, D es el diámetro de la tubería; B es la densidad del campo magnético y K es la un término que relaciona la velocidad del fluido con la longitud del conductor. La fórmula anterior, indica que Q depende, no solo de la v del fluido, sino que también de B. la cual a su vez está influida por la tensión de la línea y por la Temperatura del fluido. Para obtener una señal que dependa únicamente de la velocidad, debe eliminarse la influencia de estos tres factores, y por otro lado, es muy difícil mantenerlos constantes. De ahí, que la señal de voltaje del medidor se compara en el receptor con otra tensión denominada "tensión de referencia”. Como las dos señales derivan a la vez del campo magnético B. la tensión de la línea y las variaciones de temperatura y de conductividad no influyen en la precisión de la medida. 4. Medición de nivel: 4.1. Sensor Ultrasónico: Para poder entender el funcionamiento de los sensores que trabajan por ultrasonido se explicara un poco las características de las ondas que viajan en el espacio determinado. 4.1.1. Características De Las Ondas Ultrasónicas: Las ondas de ultra sonido son ondas electromagnéticas que pueden propagarse a través de diferentes medios como son, líquido, sólido o gaseoso. La velocidad con que se propagan y los efectos de ésta, dependen principalmente de la viscosidad, densidad y elasticidad del medio por el que viajan; es por esta razón que las ondas de ultra sonido son altamente utilizadas en aplicaciones industriales, militares y de medida. El rango de frecuencia audible para el ser humano se encuentra entre 16Hz y 20kHz. La frecuencia de la energía ultrasónica empieza
  • 18. desde el rango más alto de frecuencia audible (cerca de 20kHz) y la banda de ultra-alta frecuencia (UHF, por encima de 1GHz), que es usada para las telecomunicaciones. Figura 8. Respuesta auditiva 4.1.2. Clasificación de las ondas ultrasónicas: * Ondas Longitudinales o de dilatación: Son aquellas que hacen variar el volumen del material a través del cual se propagan; las partículas vibran en la dirección de propagación de la onda, estas ondas se propagan en los tres medios (Gas, liquido y solido). * Ondas Transversales o de distorsión: Son aquellas que no provocan variación en el volumen aunque los límites del medio pueden ser modificados, las partículas vibran perpendicularmente en la dirección de propagación de la onda, estas ondas se propagan únicamente en los sólidos y muy poco en los líquidos. * Ondas Superficiales: Es una combinación de las anteriores, y se trata de ondas que se desplazan una distancia muy pequeña de la superficie del medio, los movimientos de las partículas forman elipses en un plano. 4.1.3. Velocidad de propagación y longitud de onda. Velocidad de propagación o velocidad acústica (V), es la velocidad de transmisión de la energía sonora a través de un medio, está determinada por la distancia recorrida por la onda dividida por el tiempo empleado para recorrer esa distancia. La velocidad de los ultrasonidos en un medio depende de la densidad y elasticidad del mismo, que a su vez varían con la
  • 19. temperatura; la relación es directa, a mayor densidad del medio mayor será la velocidad de propagación de los ultrasonidos. La relación entre la velocidad de propagación ultrasónica C, la longitud de onda y la frecuencia son expresadas en la ecuación 3: 𝐶 = 𝜆 ∗ 𝑓 𝐸𝑐. 3 C = velocidad de la onda en m/s ƒ = frecuencia en Hertz (Hz) λ = longitud de onda en metros (m). 4.1.4. Pérdidas: En condiciones ideales, las ondas ultrasónicas se propagan en línea recta a través del medio sin cambiar su intensidad. De manera realista, el aumento de la distancia hará que la intensidad disminuya. Dos de las pérdidas que contribuyen a la disminución de la intensidad son. La pérdida de la difusión por la superficie de onda a largas distancias; Otra de las pérdidas es causada por la absorción de energía por el medio, en el proceso de multiplicación, llamada la pérdida de absorción o atenuación. 4.1.5. Propiedades de las señales ultrasónicas: Reflexión, refracción, difracción y dispersión son fenómenos que afectan todas las ondas y definen su comportamiento. Estos fenómenos suceden cuando las ondas inciden sobre superficies de diferentes densidades. Reflexión, refracción y la transmisión: Cuando una onda ultrasónica se propaga a través de una interface entre dos medios, una parte de la energía transmitida será refleja por la interfaz y el resto puede ser transmitido a través de la interfaz. La impedancia acústica Z del medio determina la intensidad de la onda de reflexión o de transmisión. La impedancia acústica Z se define como el producto de la densidad del medio ρ y la velocidad del sonido C en el medio. Si la onda ultrasónica se transmite a la interfaz entre los diferentes medios de comunicación, la reflectividad γ puede ser determinada por la siguiente ecuación.
  • 20. Figura 9. Reflexión y transmisión de ondas ultrasónicas 4.1.6. Transductores: El transductor de ultrasonido que genera la onda de presión está formado por un material piezoeléctrico, éste transmite ondas de presión generadas cuando un potencial eléctrico es aplicado a través del material. Como su efecto es reversible, el mismo transductor puede ser usado como receptor Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Un transductor ultrasónico convierte energía eléctrica en energía mecánica, en forma de sonido y viceversa. Los componentes principales son el elemento activo, el apoyo (backing) y una placa protectora (wear plate). Figura 10. Transmisor ultrasónico
  • 21. 4.1.7. Características del sensor de ultrasonido En la figura 11 se muestra un sensor ultrasónico. Los ultrasonidos son una radiación mecánica de frecuencia superior a los audibles (20Khz). Toda radiación al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida. Si además hay un movimiento relativo entre la fuente de radiación y el reflector, se produce un cambio de frecuencia de la radiación (efecto Doppler).Todas estas propiedades de la interacción de una radiación con un objeto han sido aplicadas en mayor o menor grado a la medida de diversas magnitudes físicas. El poder de penetración de la radiación permite que muchas de estas aplicaciones sean totalmente no invasivas, es decir, que no acceda al interior del recinto donde se producen los cambios que se desean detectar. En función del tiempo que tarda el sonido en rebotar y volver, se calcula la distancia a la que se encuentra dicho objeto. Figura 11. Sensor de Ultrasonido 4.1.8. Funcionamiento del sensor ultrasónico: El ultrasonido es sonido exactamente igual al que escucha el ser humano normalmente, pero con una frecuencia mayor a la máxima audible por el oído humano. Ésta comienza desde unos 16 Hz y tiene un límite superior de 93 aproximadamente 20 KHz, mientras que se va a utilizar sonido con una
  • 22. frecuencia de 40 KHz. A este tipo de sonidos es a lo que se denomina Ultrasonidos. El funcionamiento básico de los sensores ultrasónicos como medidores de distancia se muestra en la figura 12, donde se tiene un receptor que emite un pulso de ultrasonido, el cual rebota sobre un determinado objeto y la reflexión de ese pulso es detectada por un receptor de ultrasonidos. Figura 12. Funcionamiento del sensor ultrasónico La mayoría de los sensores de ultrasonido de bajo costo se basan en la emisión de un pulso de ultrasonido cuyo lóbulo, o campo de acción, es de forma cónica. Midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión del sonido y la percepción del eco se puede establecer la distancia a la que se encuentra el obstáculo que ha producido la reflexión de la onda sonora, mediante la ecuación 4: 𝑑 = 1 2 𝑉 ∗ 𝑡 𝐸𝑐.4. Donde V es la velocidad del sonido en el aire y t es el tiempo transcurrido entre la emisión y recepción del pulso; d es la distancia medida por el sensor. 4.1.9. Campos de Aplicación: Los Medidores de Nivel Ultrasónicos son excelentes herramientas para medición de nivel y volumen de líquidos en
  • 23. tanques y cisternas, y para medición de caudal en canales abiertos. La medición de niveles con ultrasonido es especialmente práctica cuando, por cualquier razón, no puede establecerse contacto físico con la superficie a ser detectada. Tales razones pueden ser, por ejemplo, ataque corrosivo del medio de proceso contra el material del dispositivo de medición (ácidos), posible contaminación (aguas servidas) o adherencia de partículas del medio al dispositivo de medición (materiales adhesivos). 4.1.10. Selección Del Sensor: Los sensores de ultrasonido son los más económicos, fáciles de manipular y pueden detectar objetos en el orden de los metros sin necesidad de algún filtro o adaptación especial. Después de investigar en los mercados diferentes tipos de sensores existentes, se opto por elegir el sensor de ultrasonido SFR05 que es una evolución del SFR04 y está diseñado para aumentar la flexibilidad, el rango de medida y reducir costes, el rango de medida se aumenta de 3 a 4m. El SRF05 dispone de un nuevo modo de operación que se selecciona simplemente conectando el pin “Modo” a GND. Dicho modo permite al SRF05 emplear un único pin de E/S que sirve tanto de para ordenes de inicio o disparo, como para obtener la medida realizada (ECO). Cuando el pin “Modo” no se emplea y se deja sin conectar, el SRF05 trabaja de la misma manera que el SRF04. Esto es, la señal de disparo y la salida de ECO se realizan por pines diferentes. 4.2. Funcionamiento Del Sensor Ultrasónico SRF05: El SRF05, es un sensor de distancias por ultrasonidos desarrollado por la firma DEVANTECH Ltda. Capaz de detectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango de 1,7 a 431 cm. El sensor funciona por ultrasonidos y contiene toda la electrónica encargada de hacer la medición. Su uso es tan sencillo como enviar el pulso de arranque y medir la anchura del pulso de retorno. De muy
  • 24. pequeño tamaño, el sensor se destaca por su bajo consumo, gran precisión y bajo precio. El sensor SRF05 funciona emitiendo impulsos de ultrasonidos inaudibles para el oído humano. Los impulsos emitidos viajan a la velocidad del sonido hasta alcanzar un objeto, entonces el sonido es reflejado y captado de nuevo por el receptor de ultrasonidos. Lo que hace el controlador incorporado es emitir una ráfaga de impulsos y a continuación empieza a contar el tiempo que tarda en llegar el eco. Este tiempo se traduce en un pulso de eco de anchura proporcional a la distancia a la que se encuentra el objeto. Registrando la duración del pulso es posible calcular la distancia en pulgadas/centímetros o en cualquier otra unidad de medida. Si no se detecta nada, entonces el SRF05 baja el nivel lógico de su línea de eco después de 30mS. El SRF05 proporciona un pulso de eco proporcional a la distancia. Si el ancho del pulso se mide en uS, el resultado se debe dividir entre 58 para saber el equivalente en centímetros, y entre 148 para saber el equivalente en pulgadas. US/58=cm o uS/148=pulgadas. El SRF05 puede activarse cada 50mS, o 20 veces por segundo. Debería esperar 50ms antes de la siguiente activación, incluso si el SRF05 detecta un objeto cerca y el pulso del eco es más corto. De esta manera se asegura que el "bip" ultrasónico ha desaparecido completamente y no provocará un falso eco en la siguiente medición de distancia Figura 6. Sensor de distancia por ultrasonido SRF05
  • 25. Figura 7.Diagrama de conexiones del SRF05 Figura 8.Diagrama de tiempos en modo 1 del SRF05
  • 26. 4.2.1. Caracteristicas dinamicas y estaticas sel sensor SRF05: las características de este sensor se encuentran en la tabla 1. Tabla 2. Características del sensor SRF05. La hoja de datos del sensor ultrasónico SRF05 se encuentra en la carpeta “Investigación - Documentos”. PARTE II. INGENIERÍA DE DETALLE DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA Y OTRO DE NIVEL 1. Sistema de medición de temperatura utilizando una termocupla tipo K. 1.1. Diagrama en bloques del sistema y modelo matemático de cada bloque: En la figura 9 puede verse el diagrama en bloques del sistema. Figura 9. Diagrama en bloques del sistema de medición de temperatura El bloque sensor, correspondiente a la termocupla tipo K, está en contacto con la magnitud a medir y genera una señal analógica en
  • 27. milivoltios que varía dependiendo del rango de trabajo. En nuestro caso, el rango de trabajo escogido va desde 0 °C a 200 °C. Dentro de este rango, la termocupla genera valores de voltaje que van desde los 0 mV hasta los 8.14 mV. En la figura 10 pueden observarse la relación entre la temperatura y milivoltios. Figura 10. Relación mV – Temperatura. El modelo matemático correspondiente a la termocupla K se calculó utilizando los datos aportados por el libro “Instrumentación Industrial” de Antonio Creus Solé, en su sexta edición, y utilizando el software estadístico SPSS. La ecuación 5 corresponde a dicho modelo. 𝑚𝑉 = 0.041𝑡 − 0.012 𝐸𝑐.5. Como puede verse, el comportamiento del a termocupla está dado por una expresión lineal, lo cual facilita enormemente el uso del dispositivo.
  • 28. En la figura 11 se puede observar la gráfica arrojada por el software SPSS, donde se ve claramente el comportamiento lineal de la termocupla tipo K dentro del rango de 0 °C a 200 °C. Figura 11. Gráfica del comportamiento de la termocupla tipo K, arrojada por el SPSS. El voltaje de salida de la termocupla es amplificado por medio de un amplificador operacional LM358 antes de entrar en el bloque de escalamiento y transmisión, donde es convertido en datos digitales con un conversor analógico/digital, con el fin de realizar el envío de datos. Esta conversión analógica digital y transmisión se realiza por medio de un microcontrolador PIC16F877A, de la empresa Microchip. La medición, convertida en datos digitales, es enviada a un conversor digital analógico, que entrega un valor analógico que va de 1 V a 5 V. Este valor analógico luego es escalado, por medio de una resistencia de 250 ohmios y convertido en el protocolo industrial 4 – 20 mA. Los datos digitales que entrega el microcontrolador también pueden ser enviados a un equipo de cómputo si así se requiere. 1.2. Dispositivos Utilizados en cada bloque:
  • 29. Como sensor se escogió una termocupla tipo K. esta decisión obedece a los siguientes criterios: - Linealidad del dispositivo en el rango de medición requerido. - Disponibilidad en el mercado local. - Economía. - Facilidad de reemplazo. Para el bloque de escalamiento, conversión análoga/digital y transmisión, se escogió un microcontrolador PIC16F877A. Los criterios para la escogencia son los siguientes: - Suficiente capacidad de procesamiento. - Disponibilidad en el mercado local. - Facilidad de programación (módulo de conversión análoga digital y de transmisión RS232). - Economía. - Facilidad de reemplazo. En el bloque de conversión Digital Análoga se escogió el conversor Digital/Análogo DAC1020, debido a su facilidad de uso y a que su resolución (10 bits) coincide con la resolución del microcontrolador elegido. Para convertir el voltaje análogo entregado por el DAC1020, que va de 1 V a 5 V, se utiliza una resistencia de 250 Ohmios, con lo cual la corriente entregada irá de 4 a 20 mA, cumpliendo así con el protocolo industrial. 1.3. Esquema eléctrico del sistema (Proteus): En la figura 12 se observa el diagrama eléctrico del sistema de medición de temperatura.
  • 30. Figura 12A. Etapa de sensado y amplificación del voltaje entregado por la termocupla. Figura 12B. Etapa de transmisión y escalamiento al protocolo industrial 4 – 20 mA. El archivo .DSN, realizado en la versión 7.7 del software Proteus se encuentra en la carpeta “Proteus”, bajo el nombre de “SimulaciónTermocupla.DSN”. 1.4. Hoja técnica de los dispositivos escogidos: Las hojas de datos técnicos de los diferentes dispositivos se encuentran en la ruta “Investigación – Documentos / DataSheets”.
  • 31. Hoja de datos del amplificador operacional LM358. Link. Hoja de datos del Microcontrolador PIC16F877A. Link. Hoja de datos del conversor digital/análogo DAC1020. Link. 1.5. Código en Mplab: El código utilizado para el escalamiento de la salida del termopar al protocolo industrial se encuentra en la ruta “Proteus/Programa Termocupla”, bajo el nombre de “conversoranalogodigital2.mcp”. El código utilizado es el siguiente: #pragma chip PIC16F877A #pragma config WDTE=0, FOSC=RC, PWRTE=1 #pragma config=0x3f31 void configurarAD(void) { TRISA.0=1; //ENTRADA ANALOGICA TRISB.2=1; //ENTRADA PULSADOR TRISB.3=0; //SALIDA LED VERDE TRISB.4=0; //SALIDA LED AMARILLO TRISB.5=0; //SALIDA LED ROJO TRISB.0=0; TRISB.1=0; TRISD=0; ADCON0.0=1; //ACTIVAR EL CONVERSOR ADCON0.3=0; ADCON0.4=0; ADCON0.5=0; // CONFIGURAR CANAL AN0 ADCON0.6=1; // OSCILADOR INTERNO ADCON0.7=1; ADCON1.7=1; // 6 BIT MAS SIGNIFICATIVOS SON CEROS PCFG3=1; PCFG2=0; PCFG1=0; PCFG0=0; //CONFIGURANDO VOLTAJE DE REFERENCIA EN AN3 PORTB=0; //LIMPIANDO PUERTOS PORTC=0; PORTD=0; }
  • 32. void nivel (uns16 dato) { if((dato>=511)&&(dato<=664)) //NIVEL LED VERDE (50° A 65°) { PORTB.3=1; nop(); PORTB.4=0; nop(); PORTB.5=0; nop(); } if((dato>=665)&&(dato<=818)) //NIVEL LED AMARILLO (65° A 80°) { PORTB.3=0; nop(); PORTB.4=1; nop(); PORTB.5=0; nop(); } if((dato>=819)&&(dato<=1024)) //NIVEL LED ROJO (MAS DE 80°) { PORTB.3=0; nop(); PORTB.4=0; nop(); PORTB.5=1; nop(); } } void main (void) { configurarAD(); //FUNCION PARA CONFIGURACIONES while(PORTB.2==0); //PREGUNTANDO POR EL PULSADOR inicio: ADCON0.2=1; //ACTIVACION DE GO/DONE while(ADCON0.2==1); //SIGUE HASTA QUE DEJE DE CONVERTIR uns16 dato=0,x=0,y=0; //DECLARACION DE VARIABLES NECESARIAS x=ADRESL; //REGISTRO DATO - PRIMERA PARTE
  • 33. if(ADRESH==0) // { // y=0; // } // if(ADRESH==1) // { // y=256; // } //ADECUANDO LA VARIABLE Y if(ADRESH==2) // { // y=512; // } // if(ADRESH==3) // { // y=768; // } // dato= x+y; //UNIENDO VALORES EN UNA SOLA VARIABLE PORTD=ADRESL; //MOSTRANDO EL RESULTADO DE LA CONVERSION EN LOS PUERTOS B Y D PORTB=ADRESH; // nivel(dato); //FUNCION DETERMINANTE DE NIVEL DE ALARMA goto inicio; //NOS PERMITE UNA CONVERSION CONTINUA } 1.6. Modelado en Simulink del sistema: Para el modelado del bloque sensor, se utilizan datos obtenidos a partir de la hoja de datos del sensor, para lo cual se generan valores de voltaje para cada medida de distancia, empezando en 50 cm y yendo hasta 150 cm. Según la relación expuesta en la hoja técnica del sensor, se puede establecer una relación entre la distancia y el tiempo de duración del PWM, utilizando la fórmula dada por el fabricante. 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ( 𝑐𝑚) ∗ 58 = 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 (𝑢𝑆) Se elaboró, entonces, la siguiente tabla, que contiene la distancia en cm y su equivalente en voltaje:
  • 34. Distancia (cm) Pulso (uS) 50 2900 60 3480 70 4060 80 4640 90 5220 100 5800 110 6380 120 6960 130 7540 140 8120 150 8700 Ingresando los datos en el software estadístico SPSS, arroja el siguiente modelo lineal: 𝑢𝑆 = 58 ∗ 𝑐𝑚 + 1.2 𝑥 10−12 Donde uS es la duración del pulso emitido por el sensor y cm es la distancia medida. Como la constante que se está sumando tiende a cero, será despreciada. En la figura 20 se puede observar la gráfica arrojada por el SPSS. Figura 20. Gráfica arrojada por e SPSS para los datos utilizados. Entonces, dentro del bloque transmisor se lleva a cabo un escalamiento, que va de la salida 2900 - 8700 uS al protocolo 1 – 5 V. Aplicando el escalamiento obtenemos que:
  • 35. 𝑉 = 𝑢𝑆 1450 − 1 Donde V es el voltaje escalado. La salida del transmisor también se escala para generar el protocolo industrial 4 – 20 mA. 𝑚𝐴 = 4𝑉 Donde mA es la salida en protocolo industrial. En la figura 21 puede verse el modelo en Simulink del sistema. Figura 21. Modelo en Simulink del sistema de medición de nivel. En la figura 22 se observa la salida del sistema para tres valores de distancia, 50 cm, 100 cm y 150 cm. Figura 22A. Salida del sistema para 50 cm. Se obtiene una salida de 4 mA. mA Vs Unidades de tiempo.
  • 36. Figura 22B. Salida del sistema para 100 cm. Se obtiene una salida de 12 mA. mA Vs Unidades de tiempo. Figura 22C. Salida del sistema para 150 cm. Se obtiene una salida de 20 mA. mA Vs Unidades de tiempo. Como puede observarse, el sistema modelado tiene una respuesta igual del sistema de medición de nivel simulado en Proteus. El modelado del transmisor se realiza a partir de la respuesta temporal del sistema. En la figura 23 se puede observar la respuesta temporal del sistema ante una entrada escalón que va de 0 a 3 voltios, que fue la escala escogida para trabajar con el Software Proteus. Este escalón, en términos de nivel, indica una entrada escalón que va de 50 a 150 cm.
  • 37. Figura 23. Respuesta temporal del sistema de medición de nivel. Para calcular la constante de tiempo T se tiene que: 63% 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = [(5 − 1) ∗ 0.63] + 1 63% 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 3.52 𝑉 Entonces, la constante T del sistema es el tiempo que tarda el sistema en alcanzar 3.52 V. La constante T del sistema es 3.5 uS. Para el cálculo de ganancia, primero se escalará el rango 50 - 150 cm a uno que vaya de 0 a 3 V, para luego calcular la función de transferencia con este rango como entrada. Entonces, al aplicar el escalamiento, nos queda que: 𝑉𝑒𝑠𝑐 = 3 100 𝑐𝑚 − 3 2 Donde Vesc es el voltaje que va de 0 – 3 V y cm es el nivel en cm. La ganancia K de la función de transferencia se calcula como sigue: 𝐾 = 5 − 1 3 − 0 → 𝐾 = 4 3 Entonces, la función de transferencia en el dominio de la frecuencia, G(s), del transmisor es:
  • 38. 𝐺( 𝑠) = 4/3 3.5𝑠 + 1 En la figura 24 se puede ver el modelado en Simulink del sistema con la función de transferencia G(s). Figura 24. Modelado del sistema en Simulink con la función de transferencia del transmisor. En la figura 25 se muestra la respuesta del sistema ante tres entradas; 50 cm, 100 cm y 150 cm. En la parte superior se muestra la salida en protocolo 4-20 mA y en la parte inferior se muestra la salida en protocolo 1 – 5 V. Figura 25A. Respuesta del s istema ante una entrada de 50 cm.
  • 39. Figura 25B. Respuesta del sistema ante una entrada de 100 cm. Figura 25C. Respuesta del sistema ante una de 150 cm. Se puede observar que el sistema responde como se espera ante los valores mínimo, intermedio y máximo del rango de entrada. Nota: El modelado en se ha realizado en Simulink r2011a. El modelo .mdl se puede encontrar en la carpeta “Modelos Simulink”, bajo el nombre “NivelTrans.mdl”. 1.7. Cálculo del error relativo del instrumento. Partiendo de la ecuación de medición del instrumento
  • 40. 𝑑 = 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜(𝑢𝑠)/58 Donde d es la distancia medida y pulso el tiempo que envía el sensor, en microsegundos. Tenemos que: 𝐸𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 = | ∆𝑑 𝑑 | ∆𝑑 = 𝜕𝑑 𝜕𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 ∆𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 𝐸𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 = | 𝜕𝑑 𝜕𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 ∆𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 58 | 1.8. Análisis de Máxima no Linealidad Porcentual en el rango escogido. Cómo se pudo observar al modelar el sensor, la ecuación obtenida por medio del software SPSS es lineal en el rango escogido, por tanto, la máxima no linealidad porcentual es cero. Como el escalamiento que se realizó para la transmisión de los datos obtenidos por el sensor se hizo basándose en un modelo lineal, la máxima no linealidad del sistema es cero. 1.9. Análisis de la sensibilidad del sensor en el rango de operación. La sensibilidad del sensor se define como: 𝑆( 𝑡) = 58 ∗ 𝑐𝑚 + 1.2 𝑥 10−12 𝜕𝑆(𝑡) 𝜕𝑐𝑚 = 58 La sensibilidad del sensor, en el rango escogido, es de 58.
  • 41. CONCLUSIONES SANTIAGO ESCRUCERIA DEL PINO. En la primera asignación de Instrumentación industrial conocimos a detalle las características pertinentes de diversos tipos de sensores ya sean de presión, caudal, nivel, temperatura entre otros, que bien pueden ser de uso domestico como en una lavadora o bien sea implementados en un proceso industrial. Observamos como los fenómenos naturales como las ondas sonoras (aunque en el caso del sensor de nivel son ultrasónicas) son utilizadas en dispositivos electrónicos para obtener una medición, a su vez proceso que realiza internamente como la medición de distancia y la conversión a mV. En la naturaleza se encuentran muchos procesos que no obedecen a los principios de linealidad deseados, en el caso de nuestro sensor de temperatura tipo k se nos facilito mucho los cálculos al haber escogido el rango apropiado en donde trabaja de forma lineal, por lo tanto no fue necesario hallar una máxima no linealidad porcentual. El obtener un voltaje mínimo en la salida del sensor, realizamos un circuito muy sencillo de amplificación de voltaje el cual es la entrada análoga del PIC, ya que este requería una alimentación mayor para poder entrar en la zona de trabajo. Implementamos un código en PICBasic capaz de hacer la conversión análoga digital quemando un Micro controlador PIC16f877a para hacer el escalamiento de la señal obtenida. Implementamos el modelado del proceso en simulink y obteniendo las graficas del proceso como la salida o respuesta del sensor comparamos los resultados de proteus y observamos la similitud en ambos software. A la hora de simular el proceso en simulink realizamos el proceso de escalamiento y des-escalamiento, sin embargo ayudándonos de la función de trasferencia nos resulta mas apropiado utilizarla en la simulación de simulink
  • 42. BIBLIOGRAFÍA En la carpeta del trabajo se encuentran los materiales y las paginas de apoyo para la realización de este trabajo.

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