Informe de la laboratorio : Instrumentacin Industrial Experiencia I

Integrantes: Nadia Ulloa

Diego Ochoa

Asignatura: Instrumentacin Industrial

Fecha: 03/06/2015

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ndice Introduccin ........................................................................................................................................ 2

Desarrollo ............................................................................................................................................ 3

Sensor de presin ............................................................................................................................ 3

Sensor LVDT .................................................................................................................................... 6

Sensor ultrasnico ........................................................................................................................... 9

Conclusiones ..................................................................................................................................... 13

Bibliografa ........................................................................................................................................ 14

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Introduccin

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes fsicas o qumicas, llamadas variables de

instrumentacin, y transformarlas en variables elctricas. En este laboratorio conoceremos

algunos tipos de sensores como son de presin, distancia y proximidad, y conocer como trabajan y

sus caractersticas de funcionamiento, se realizaran pruebas para determinar su linealidad y sus

rangos de medida en el cual trabajan.

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Desarrollo

Sensor de presin

Principio de funcionamiento

La presin es una fuerza que ejerce sobre un rea determinada, y se mide en unidades de fuerzas

por unidades de rea.

Esta fuerza se puede aplicar a un punto en una superficie o distribuirse sobre esta.

Cada vez que se ejerce se produce una deflexin, una distorsin o un cambio de volumen o

dimensin.

Las mediciones de presin pueden ser desde valores muy bajos que se consideran un vaco, hasta

miles de toneladas de por unidad de rea.

Los principios que se aplican a la medicin de presin se utilizan tambin en la determinacin de

temperaturas, flujos y niveles de lquidos. Por lo tanto, es muy importante conocer los principios

generales de operacin, los tipos de instrumentos, los principios de instalacin, la forma en que se

deben mantener los instrumentos, para obtener el mejor funcionamiento posible, cmo se debe

usar para controlar un sistema o una operacin y la manera como se calibran.

Los sensores de presin o transductores de presin, son muy habituales en cualquier proceso

industrial o sistema de ensayo. Su objetivo es transformar una magnitud fsica en una elctrica, en

este caso transforman una fuerza por unidad de superficie en un voltaje equivalente a esa presin

ejercida.

Los formatos son diferentes, pero destacan en general por su robustez, ya que en procesos

industriales estn sometidos a todo tipo de lquidos, existiendo as sensores de presin para agua,

sensores de presin para aceite, lquido de frenos, etc.

Trabajo de laboratorio

En el laboratorio se midi la presin que ejerca el lquido en el tubo sobre en sensor de presin

integrado en el panel, se tomaron mediciones de forma ascendente desde 0 a 140 ml y de forma

descendente desde 140 a 0 ml obteniendo los datos mostrados en la tabla 1

Tabla 1: voltajes obtenidos por variacin del nivel de agua por mediciones de forma ascendente y descendente.

nivel de agua[mL] Salida 1 [V] Salida 2 [V]

0 0 0

10 0 0,16

15 0,254 0,456

25 0,723 1,031

30 1,01 1,278

45 1,901 2,158

50 2,281 2,512

65 3,009 3,304

75 3,57 3,861

85 4,169 4,239

100 5,083 5,234

115 5,954 6,231

125 6,374 6,915

135 7,864 7,864

4

Graficando los resultados se obtuvieron las grficas de la Figura 1

Figura 1: Grafica de nivel de agua vs Voltaje

En la grfica se pudo observar que no era la misma para mediciones de forma ascendente y

descendente esto se produce por el fenmeno histresis.

Tabla 2: tabla con valor de no linealidad, histresis y error.

0 20 40 60 80 100 120 1400

1

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6

7

8

voltaje

de s

alid

a [

V]

Nivel de agua [mL]

Medida ascendente

Medida descendente

Recta Ideal

nivel de agua Salida 1 [V] Salida 2 [V] Histresis NL s NL b Error Salida recta ideal

0 0 0 0 0 0 10 0

10 0 0,16 0,16 0,584 0,424 10,16 0,584

15 0,254 0,456 0,202 0,622 0,42 10,202 0,876

25 0,723 1,031 0,308 0,737 0,429 10,308 1,46

30 1,01 1,278 0,268 0,742 0,474 10,268 1,752

45 1,901 2,158 0,257 0,727 0,47 10,257 2,628

50 2,281 2,512 0,231 0,639 0,408 10,231 2,92

65 3,009 3,304 0,295 0,787 0,492 10,295 3,796

75 3,57 3,861 0,291 0,81 0,519 10,291 4,38

85 4,169 4,239 0,07 0,795 0,725 10,07 4,964

100 5,083 5,234 0,151 0,757 0,606 10,151 5,84

115 5,954 6,231 0,277 0,762 0,485 10,277 6,716

125 6,374 6,915 0,541 0,926 0,385 10,541 7,3

135 7,864 7,864 0 0,02 0,02 10 7,884

5

En la tabla 2 se muestra los clculos de no linealidad, histresis y error.

Se obtuvo:

Recta ideal: O=I*0.0583

Span=135

Histresis:

MaxH=0,541

%MaxH=0.40% en funcin del alcance.

Mxima no linealidad:

NL=0.68

%NL=0.40% en funcin del alcance.

Banda muerta 7.24%

figura 2.cuerva del sensor de presin.

Curva del sensor de presin donde se puede ver claramente que presenta linealidad en su salida

de medicin.

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Sensor LVDT

Principio de funcionamiento:

Los sensores de distancia tipo LVDT son elementos de medida inductivos. Se basan en el principio inductivo de transformador de ncleo variable. Esto permite que un movimiento lineal del ncleo en el interior del cuerpo del sensor provoque una variacin de induccin entre primario y secundario, lo que se traduce en un cambio de seal de salida, proporcional a ese desplazamiento.

Figura 3: funcionamiento de un sensor Lvdt

Los rangos de medida de estos sensores parten de unos pocos milmetros y pueden llegar hasta los 500mm, por eso son indicados para rangos de medida bajos y medios, con salida analgica 0-10V o 4-20mA, as como salida digital, principalmente en RS485 o MODBUS. Los formatos son variados, dentro de que se trata de un sensor tipo cilndrico de un dimetro pequeo, existen series miniatura de 8mm y 12mm de dimetro, que soportan altas presiones y amplios rangos de temperaturas. Tambin existen modelos industriales ms convencionales con un dimetro de 20-22mm.

Figura 4: Sensor Lvdt Solartron DFG 5.0

Trabajo en laboratorio:

Para esta experiencia se us el transductor Solartron DFG 5.0.se alimento con +10V de acuerdo a

sus especificaciones de su etiqueta de datos (figura 5).

7

Se midi su respuesta en voltaje al variar la distancia del vstago manualmente, se obtuvo la tabla

3

Figura 5: etiqueta de datos del sensor Solartron DFG 5.0

Tabla 3: medidas obtenidas de la variacin de distancia del vstago y su respuesta en voltaje.

Medicin [cm] Voltaje [V]

0.2 5.5

0.4 5.25

0.6 4.5

0.8 3.49

1 2.276

1.2 1.036

1.4 -0.128

1.6 -1.315

1.8 -2.496

2 -3.665

2.2 -4.696

2.4 -5.387

2.6 -5.526

2.8 -5.387

3 -4.723

3.2 -3.765

3.4 -2.513

3.6 -1.43

3.8 -0.554

4 -0.144

4.2 -0.025

4.4 -0.015

Con los datos de la tabla 3 se grafic su respuesta

8

Figura 6: grafico medicin de variacin del vstago vs voltaje de salida.

Tambin se analiz su comportamiento a travs de un osciloscopio, al variar la medida del vstago

de forma manual a un tiempo constante, obteniendo la grfica de la figura 7

Figura 7: imagen de la respuesta del sensor Lvdt obtenida del osciloscopio.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5-6

-4

-2

0

2

4

6

medicin[mm]

Voltaje

de s

alid

a [

V]

9

Sensor ultrasnico

Principio de funcionamiento

Los sensores de ultrasonidos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces

mecnicos y que detectan objetos a distancias que van desde pocos centmetros hasta varios

metros. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la seal tarda en regresar. Estos reflejan

en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en seales elctricas, las cuales son

elaboradas en el aparato de valoracin. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden

detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y de diferentes materiales. Los

materiales pueden ser slidos, lquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de

sonido. Los sensores trabajan segn el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia

temporal entre el impulso de emisin y el impulso del eco.

Ilustracin 1. Un ejemplo de funcionamiento del sensor ultrasnico en un estanque.

Trabajo en laboratorio

Para esta experiencia se us un sensor ultrasnico SCA-240, este sensor trabaja con el protocolo

HART, por lo que su respuesta de salida ser de 4-20[mA], para poder medir su respuesta en

voltaje se us una resistencia de 470 []

Figura 8: sensor ultrasnico SCA240

10

El valor real medido de la resistencia fue de 464[], por lo cual la relacin voltaje-corriente est

dada por:

V=I*464

Se midi la distancia de un objeto ubicado a 523.2 [cm], luego disminuyendo la distancia en 32.7

[cm], se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla 4

Se midi el tiempo que tomaba en estabilizarse el voltaje de salida, ya que la respuesta del sensor

era lenta, segn las medidas el tiempo promedio de estabilizacin fue de 91.3 [s]

Tabla 4: Mediciones de distancia y respuesta en voltaje del sensor SCA-240

Distancia cm voltaje

523,2 1.873

490,5 2.373

457,8 2.884

425,1 3.395

329,1 3.910

359,7 4.433

327 4.948

294,3 5.440

261,6 5.944

228,9 6.441

196,2 6.954

163,5 7.459

130,8 7.96

98,1 8.473

65,4 8.98

51,2 9.22

49,2 9.235

38,7 9.377

36,7 9.408

La banda muerta se present en los 36.7 [cm], luego de esa distancia el sensor no variaba su

voltaje.

Con los resultados obtenidos se grafic su respuesta. Grfico de la figura 9

11

Figura 9: grafico de distancia vs voltaje del Sensor SCA-240

En el grafico se pudo observar que la grfica era lineal, para comprobar se procedi a obtener su

no linealidad mxima, de la tabla

NLmax=0.034

Como porcentaje de alcance %NLmax=0.007%

Tabla 5: mediciones del sensor sca-240 con no linealidad

0 100 200 300 400 500 6001

2

3

4

5

6

7

8

9

10

distancia [cm]

Salid

a d

e v

oltaje

[V

]

Distancia cm

voltaje NL recta ideal

523,2 1,873 0,000 1,87

490,5 2,373 0,007 2,38

457,8 2,884 0,003 2,89

425,1 3,395 -0,001 3,39

392,4 3,910 -0,010 3,90

359,7 4,433 -0,026 4,41

327 4,948 -0,034 4,91

294,3 5,440 -0,019 5,42

261,6 5,944 -0,016 5,93

228,9 6,441 -0,006 6,43

196,2 6,954 -0,013 6,94

163,5 7,459 -0,011 7,45

130,8 7,960 -0,005 7,96

98,1 8,473 -0,011 8,46

65,4 8,980 -0,011 8,97

51,2 9,220 -0,031 9,19

49,2 9,235 -0,015 9,22

38,7 9,377 0,006 9,38

36,7 9,408 0,006 9,41

12

Figura 10: grafico de recta ideal y mediciones de laboratorio del sensor sca-240.

En el grfico de la figura 10 se pudo observar la pequea variacin entre las rectas.

0 100 200 300 400 500 6001

2

3

4

5

6

7

8

9

10

distancia [cm]

Salid

a d

e v

oltaje

[V

]

Recta ideal

Respuesta medida

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Conclusiones

En este laboratorio se observ el funcionamiento de los distintos sensores, en el caso del sensor

de presin se tomaron medidas de forma ascendente y descendente lo cual nos permiti calcular

histresis, y no linealidad, as como los valores mximos de estas basados en la linealidad terminal,

lo cual se observ claramente en las grficas obtenidas. Para el sensor de LVDT se observ que su

funcionamiento era el que se esperaba y adems con gran exactitud ,precisin y sensibilidad lo

que lo hace muy confiable para sus aplicaciones, por ltimo se trabaj con el sensor ultrasnico el

cual trabajaba con protocolo Hart, motivo por el cual se agreg una resistencia al circuito de salida

para poder trabajan en voltaje con su respectiva conversin, debido a que se demoraba mucho en

estabilizarse no se tom medidas de forma ascendente/descendente pero si se pudo observar

poca no linealidad cerca del 0.007% .

Estos sensores tienen muchas aplicaciones en la industria para controlar y monitorear distancias,

nivel de agua, proximidad de un objeto entre otros, por eso la importancia de conocer su

funcionamiento y caractersticas.

Diego Ochoa

Como se pudo observar en esta experiencia los distintos tipos de sensor para ver su

funcionamiento para ello se tomaron varias medidas a cada uno de ellos, para asi verificar su

linealidad y ver en que rangos trabajan, para la calibracin si es posible de los sensores.

El sensor de presin es un sensor que tiene una linealidad en mbito general, pero con las medidas

que se tomaron se observ que tiene una histresis y sus parmetros no eran tan precisos segn

los valor que se tomaron en subida y bajada, el sensor de distancia LVDT es un sensor muy preciso

en mbitos de medida pero es un sensor no lineal donde la forma de su grafico es una curva,

aunque se podra linealizar en un cierto rango de medida. Y el sensor ultrasonido es sensor que

cierto se puede ocupar en distintos mbitos dada sus caractersticas de linealidad en el que

trabaja, siendo as trabaja de varios metros a unos pocos centmetros. Estos sensores (presin,

distancia, ultrasnico) tienen una gran utilidad en el mbito industrial siendo asi como para medir

nivel de distancia de superficies, controlar la presin de estanques o para medir desplazamiento

lineales muy precisos, etc.

Nadia Ulloa

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Bibliografa

http://www.solartronmetrology.es/products/absolute-displacement-transducers-lvdt/dfg-dc-

miniature-lvdt-displacement-sensor.aspx

http://www.sensores-de-medida.es/sensing_sl/SENSORES-Y-TRANSDUCTORES_35/Sensores-de-

presi%C3%B3n_107/

http://www.sensores-de-medida.es/sensing_sl/SENSORES-Y-TRANSDUCTORES_35/Sensores-de-

distancia_36/Sensores-de-distancia-LVDT_55/