UNIVERSIDAD DE ORIENTENÚCLEO DE MONAGAS

ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADASCURSOS ESPECIALES DE GRADO

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL

MATURÍN, FEBRERO 2016.

TEMA 2.- Sensores y Transmisores AnalógicosUnidad II: Sensores

Seminario: Instrumentación y control industrial (ICI)

Equipo PLC:

Hernández, Leivi C.I. 24.579.134

Viña, Maria C.I. 24.277.423

Tutor: Edgar Goncalves

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN..................................................................................................................3MARCO TEÓRICO................................................................................................................4

1. El sensor.......................................................................................................................42. Sensor analógico..........................................................................................................4

2.1 Características del sensor analógico....................................................................42.2 Tipos de sensores analógicos................................................................................5

3. El transmisor................................................................................................................54. El transmisor análogo...................................................................................................6

4.1 Características de los transmisores analógicos.....................................................64.2 Ventaja de los transmisores analógicos................................................................74.3 Desventajas de los Transmisores analógicos........................................................7

DISCUSIÓN...........................................................................................................................8CONCLUSIÓN.....................................................................................................................10REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................11

INTRODUCCIÓN

Hoy en día, son muchas las empresas que desean incorporar procesos automatizados en sus industrias, a fin de reducir complejidad en las actividades y minimizar costos en mano de obra y producción. Las tecnologías que dan un gran aporte a esta iniciativa son los sensores y transmisores, debido a que los primeros, miden una variable directamente en el ámbito de estudio y los segundos la envían al especialista, para que sea analizada y su vez, realice las maniobras necesarias para aplicar mecanismos de control. Sin estos, un operador, tendría que ir directamente al lugar bajo monitoreo, a medir temperatura, presión, entre otros; variables que algunas veces son peligrosas para que un humano se aproxime a ellas.

En el mismo orden de ideas, no hay que dejar de lado, que además de su uso industrial, los transmisores y sensores análogos facilitan la vida diaria, ya que estos, se utilizan en muchas actividades de la cotidianidad, como lo son la lectura de un termómetro, el encendido de un televisor o equipo de aire acondicionado, entre otros. Aunque muchas veces, tales beneficios pasen desapercibido por la percepción humana, se les debe dar su lugar como aquellos aparatos que permitieron los avances existentes en la actualidad.

En el presente trabajo se desarrollara la información más relevante sobre los sensores y transmisores analógicos, destacando conceptos, características, y dispositivos que los representan. Asimismo, se estableció cual era la relación de dichos artefactos con la tesis de los investigadores, en el apartado de discusión. Cabe destacar, que la presente investigación, se realizó persiguiendo un interés académico, ya que el objetivo fundamental es obtener conocimientos teóricos del tema en cuestión, para empezar a crear una idea metal, de lo que se requerirá para el desarrollo del proyecto final de tesis.

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MARCO TEÓRICO1. El sensor

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación (como temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, entre otras), y transformarlas en variables eléctricas (como una resistencia, capacidad, tensión o corriente eléctrica). En resumidas palabras, un sensor es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Cabe destacar que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación, por lo tanto, éste hace uso de sus propiedades, con el propósito de adaptar la señal que mide, para que de este modo, otro dispositivo la pueda interpretar. Un ejemplo clásico de un sensor, es un termómetro de mercurio, ya que este, se fundamenta en la dilatación del metal líquido en una columna, que motiva su desplazamiento a lo largo de una regla graduada: el “dato” surge de la dilatación, la “información” es la temperatura y el “transductor” es la columna cuantificada. 3

Termómetro de Mercurio

Areny Ramon (2003), establece que según la señal de salida los sensores se clasifican en: analógicos y digitales. 2 Sin embargo, en esta ocasión se abordaran solo los primeros.

2. Sensor analógico

Un sensor analógico es aquel que puede entregar una salida variable dentro de un determinado rango (ver figura de señal de un sensor analógico). Un ejemplo de este tipo de sensores es una fotorresistencia, el cual mide intensidad de luz y puede ser cableado en un circuito que este en la capacidad de interpretar sus variaciones y entregar una salida variable con valores entre 0 y 5 voltios. 5

1.12.1 Características del sensor analógico

A continuación, se mencionaran las características que deben poseer los sensores analógicos para llevar a cabo sus funciones de manera eficiente:

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Exactitud: Es aquella que hace referencia a la capacidad de detectar el valor verdadero de la variable sin errores sistemáticos. Rango de funcionamiento: Se refiere a la amplitud del rango para ser capaz de medir de manera exacta y precisa un extenso abanico de valores de la magnitud correspondiente. Este rango debe ser amplio, para de este modo, garantizar la mayor exactitud y precisión posible.

Velocidad de respuesta: Se refiere al tiempo en que el sensor informa de los cambios de la variable estudiada, el cual debe ser el mínimo posible, a fin de garantizar el control de dichas variaciones.

La resolución y precisión: La resolución de los sensores es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida, sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida.

Calibración: Es el proceso mediante el cual se establece la relación entre la variable de medida y la señal de salida que produce el sensor. 6

2.2 Dispositivos que representan a sensores analógicos

Existen diversos tipos de sensores analógicos. Acá se dará un ejemplo de los tipos más destacados, entre los cuales están:

Sensor de posición lineal: Su función es medir o detectar la posición de un determinado objeto en el espacio El representante de este tipo es el potenciómetro, el cual es un dispositivo electromecánico que consta de una resistencia de valor fijo sobre la que se desplaza un contacto deslizante llamado cursor y que la divide eléctricamente. La aplicación más común de los potenciómetros en instrumentación es como sensor de desplazamiento de tipo resistivo. El movimiento del cursor origina un cambio en la resistencia, el cual puede utilizarse para medir desplazamientos lineales o angulares de piezas acopladas al cursor. 9

Sensor de aceleración: Son instrumentos destinados a medir aceleraciones. Acá se destaca el acelerómetro, los cuales fueron ideados para realizar una medida de aceleración o vibración, proporcionando una señal eléctrica, según la variación física. En este caso la variación física es la aceleración o vibración. 1

Sensor de proximidad: Se encargan de detectar objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Acá se destacan los sensores capacitivos y los inductivos:

*Capacitivos: Estos sensores están basados en la detección de un cambio en la capacidad, inducido por una superficie que se lleva cerca del elemento sensor. Están especialmente diseñados para lograr detectar materiales aislantes, tales como el plástico, el papel, la madera entre otros, no obstante, también cuentan con la capacidad de detectar metales. 9

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*Inductivos: Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirve para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetos metálicos en un determinado contexto: detección de paso, de atasco, de codificación y de conteo 0

Sensor de luz: Los sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida representativa respecto a la cantidad de luz detectada. En este caso, los representantes son los foto-resistores, los cuales son dispositivos electrónicos que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que percibe la luz generada por el emisor.

Sensores de desplazamiento y deformación: Este tipo de sensores se utiliza para indicar a una maquinaria que fuerza a implementar, para que un objeto no se rompa. Acá se encuentran los sensores magneto-resistivos, los cuales utilizan el efecto magneto-resistivo, que se basa en la propiedad de un material que cambia su resistividad por la presencia de un campo magnético externo. Debido a su alta sensibilidad, estos sensores, pueden medir campos magnéticos muy débiles y son ideales para aplicaciones en brújulas electrónicas, corrección del campo de la tierra y detección de tráfico.9

Sensor acústico: Es aquel que emite una señal, de tipo ultrasónica, la cual es recibida por un receptor. Su representante es el micrófono piezoeléctrico, el cual funciona como un sensor electro-acústico que utiliza el fenómeno de la piezoelectricidad, que es la capacidad de algunos materiales para producir un voltaje cuando se somete a presión para convertir las vibraciones en una señal eléctrica.

Sensor de temperatura: Tal como su nombre lo indica, miden temperatura. Su representante en este caso, es un RTD (detector de temperatura resistivo), que es un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura.

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Sensores CapacitivosSensor inductivo Foto-resistor Acelerómetro

Potenciómetros

3. El transmisor

Son dispositivos que captan la variable a estudiar por medio de un sensor y la transmiten a un instrumento receptor, indicador, registrador, controlador o combinación de estos, que se encuentra a una cierta distancia, en forma de señales estandarizadas,. Dichas señales, pueden ser neumáticas, cuyos valores están entre 3 y 15 Psi, las electrónicas que son de 4 a 20 mA o de 0 a 5 voltios DC y las digitales que entregan 0 o 5 voltios para 0 o 1 respectivamente. 7

4. El transmisor analógico

El transmisor analógico, es un equipo electrónico de alta precisión que procesa y convierte una señal generada por una ó por un conjunto de celdas de carga a un formato estándar de corriente de 0 a 20 mA y/o a un formato estándar de voltaje de 0 a 10v DC, siendo estos formatos típicamente usados en el control de procesos industriales. 8

5. Dispositivos que representan a transmisores analógicos

PLC (Controlador lógico programable): Es un dispositivo electrónico muy usado en automatización industrial. Un PLC controla la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, ya que, procesan y reciben señales analógicas y pueden aplicar estrategias de control.

Transmisor analógico de velocidad: Se encarga de transmitir a un receptor los datos de velocidad captados por sensores de presión diferencial, temperatura y humedad, velocidad y caudal del aire con sondas térmicas, molinete, aspas omnidireccionales, entre otros.

Transmisor analógico de temperatura: Los transmisores de temperatura se utilizan en diversas aplicaciones en la industria para la indicación / control de la temperatura y se componen de circuitos electrónicos. Cuando se recibe una señal de una termo-resistencia, termocupla o sensor-mV, son capaces de transformar en una señal analógica (4 ~ 20 mA o de 0 a 10 Vcc) totalmente lineal y proporcional a la temperatura.

Transmisor analógico de peso: Todos los del mercado poseen características diferentes, sin embargo, la mayoría se encarga de trasmitir a un receptor, los datos de peso de una variable a un centro donde se monitorea y estudia, a fin de controlar el nivel de llenado de un almacén o tolva, con requisitos de precisión inferiores.

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5.1 Características de los transmisores analógicos

Las características más resaltantes son:

Cumplen con el estándar ISA [S50.1] para transmisión de señales analógicas, lo que asegura la compatibilidad con cualquier instrumento receptor que cumpla igualmente con dicho estándar. Son compactos en tamaño. Reducidos costos del equipo. Ideales para industrias de aceite/gas, químicas, potencia, agua/agua residual, alimentos/bebidas y en general. Capaces de realizar mediciones de flujo y presión diferencial, presión de vacío, presión absoluta y nivel de líquidos. Pueden ser reparados con relativa facilidad. Límite de temperatura del sensor de -40 °C a 120°C. Límite de temperatura de la electrónica de -40 °C a 85°C. Voltaje de alimentación 11 a 45 VDC. Señal de salida del transmisor 4-20 mA. 8

5.2 Ventaja de los transmisores analógicos

La ventaja que más resalta de un transmisor, es el hecho de que el mismo, trabaja en tiempo real, lo cual es muy beneficioso, debido a que en los instrumentos digitales se toman muestras en el orden de 2 a 20 muestra/s. Por lo tanto, en procesos muy rápidos no se pueden utilizar instrumentos digitales, se deben usar analógicos. 8

5.3 Desventajas de los Transmisores analógicos

Necesita re-calibración para cambiar el rango de medición, y es necesario experiencia. Se necesita retirar el instrumento de la línea para calibrar. Los componentes, como los potenciómetros, experimentan "drift" "(inestabilidad en el tiempo de respuesta).8

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DISCUSIÓN

El diseño de un sistema de supervisión y control automatizado para una línea de mezclado y empaquetado de especias, requiere muchos elementos de control, si se desea lograr que el mismo, solo posea de intervención humana, en el monitoreo desde un computador a distancia. Es por esto, que este tema en particular, guarda mucha relación con el proyecto que se desea elaborar, dado que brinda las herramientas teóricas para conocer el bosquejo de todos los dispositivos analógicos que responderán a las necesidades de control del sistema.

Destacando, que si bien es cierto que los sensores digitales son más avanzados en tecnología y funcionabilidad, tienden a fallar, es por esto que los analógicos jugaran un papel fundamental en el diseño, debido a que, funcionaran como mecanismo de respaldo, cuando los sensores digitales, por alguna falla, dejen de funcionar. Asimismo, los transmisores, serán los encargados de enviar la información de la variable medida desde su fuente hasta el centro de control.

De lo anterior se desprender que uno de los dispositivos primordiales que se requerirán será un sensor de que permita conocer la cantidad de especia disponible en los silos. En este caso en particular se acudirá a la utilización de un sensor acústico, colocado en el interior de los contenedores, con la finalidad de que el mismo, emita una señal, de tipo ultrasónica, que será recibida por un receptor. Con la ayudad de un programa a diseñar, se recibirán dichos datos, y se realizar los cálculos matemáticos pertinentes para establecer el nivel del silo. Así mismo, se requerirá transmisores de peso, que envíen la información medida al técnico encargado, con la finalidad de controlar el nivel de llenado del almacén y a su vez, garantizar que siempre se cuente con la materia prima requerida para que opere la planta y no sea necesario, un paro forzoso por falta de insumos.

Transmisor de peso

Por otro lado, también será necesario la utilización de uno de los dispositivos electrónicos más usados en automatización industrial: el PLC, ya que este controla la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, y as u vez, procesan y reciben señales analógicas y pueden aplicar estrategias de control. En este caso, los controladores lógicos programables, estará conectados a las válvulas dosificadoras rotativas, a fin de controlar el paso de materia prima, según las indicaciones de una programación preestablecida insertadas en los mismos, que les establezcan cuando deben activarse. Dicha puesta en marcha, dependerá de las balanzas conectadas a las tolvas que

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recibirán las distintas especies a mezclar, las cuales (según los parámetros pre-formulados) dirán cuando se posee la cantidad en toneladas para proceder con el mezclado. Una vez todo este proceso haya comunicado la información a todos los elementos involucrados, se dará paso o no a la especie.

Por otra parte, los puntos que estén dispuestos de motores que pueden recalentarse por alguna falla u obsolescencia, poseerán sensores de temperatura, para prever que este se sobrecaliente, se dañe así mismo o la materia prima que este procesando. Del mismo modo, se necesitara sensor de aceleración conectado a la mezcladora, para monitorear que el mismo este dando las vueltas según las revoluciones por minutos programadas para una mezcla en particular. De lo contrario, lanzará una alarma de posible falla y corregir tal incidente antes de que cause daños mayores.

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CONCLUSIÓN

Como resultado de la investigación presentada, es posible concluir que gracias a los aportes ofrecidos por sensores y transmisores analógicos, es posibles muchos de los avances tecnológicos que se poseen actualmente, además de ser posible una vida cotidiana más sencilla. También es importante destacar, que ambos se complementan, ya que uno se encarga de medir la variable a estudiar y el otro de transmitir la información para su procesamiento. Sin los dos, no sería posible aplicar mecanismo de control a un proceso de manera automatizada.

En el mismo orden de ideas, al ser dispositivos vitales en cualquier proceso que se desee automatizar, son de suma utilidad para el proyecto de tesis de los investigadores, debido a que servirán como pilar para todo el diseño en el área de instrumentación del trabajo a elaborar. Sin dejar de lado, que servirán como mecanismos de respaldo para los sensores y transmisores digitales que se colocaran en el diseño, de modo que si estos fallan los analógicos actuaran en repuesta a la necesidad presentada.

Además, si la variable a medir representa peligro para el trabajador, la implementación de estos, es sin lugar a dudas, la mejor opción en cuanto a la reducción de riegos, ya que, los sensores serán los encargados de medir la variable directamente desde su fuente, y los transmisores de enviar los datos recabados a un centros de análisis, lo cual, evitará que el operador corra peligro por hacerlo el mismo.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Colaboradores de Wikipedia. Sensor. Extraído el 09 de Febrero de 2016 desde: https://es.wikipedia.org/wiki/Sensor#Tipos_de_sensores

2 Areny, Ramón (2003). Sensores y Acondicionadores de Señal. 4ta. Edición. Editorial Marcombo, S.A. Disponible en: https://books.google.co.ve/books?id=Eevyk28_fVkC&printsec=frontcover&dq=Areny,+Ram%C3%B3n+(2003).+Sensores+y+Acondicionadores+de+Se%C3%B1al&hl=es-419&sa=X&redir_esc=y#v=onepage&q=Areny%2C%20Ram%C3%B3n%20(2003).%20Sensores%20y%20Acondicionadores%20de%20Se%C3%B1al&f=false

3 Colaboradores de Definición ABC. Definición de Sensor. Extraído el 09 de Febrero del 2016 desde: http://www.definicionabc.com/motor/sensor.php

4 Daniel Felipe Obando (2013). Taller en clase. Extraído el 09 de Febrero del 2016 desde: http://daniel-felipe-obando9.webnode.es/news/taller-en-clase/

5Abad, Guillermo. Sensores en robótica. Disponible en URL: https://www.google.co.ve/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiZ2eWE0uvKAhWI1h4KHfijBlsQFggcMAE&url=http%3A%2F%2Fwww.alcabot.com%2Falcabot%2Fseminario2006%2FTrabajos%2FGuillermoAbadCarton.pdf&usg=AFQjCNG8PFyny0LyZmHyBgMSnUvAt5KxZg&sig2=0aPGfSSAJ2An4FQ6DkCtPA&bvm=bv.113943665,d.dmo

6 Anónimo. Sensores y transmisores analógicos. Extraído el 09 de Febrero del 2016 desde: http://es.slideshare.net/sgeplc/ici-plc-unidad-02tema-02-41717685

7 Colaboradores de EcuRed. El transmisor. Extraído el 09 de Febrero del 2016 desde: http://www.ecured.cu/Transmisor

8 Autor desconocido. Transmisor. Extraído el 09 de Febrero del 2016 desde: http://www.buenastareas.com/ensayos/Transmisor/3448765.html

9 Fernández, Sergio. Sensores para medir desplazamiento. Extraído el 09 de Febrero del 2016 desde: https://www.academia.edu/6059882/SENSORES_PARA_MEDIR_DESPLAZAMIENTO

0 Colaboradores de Wikipedia. Sensor inductivo. Extraído el 09 de Febrero del 2016 desde: <https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Sensor_inductivo&oldid=87458622>.

1 Colaboradores de Wikipedia. Acelerómetro [Extraído el 09 de Febrero del 2016 desde: <https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Aceler%C3%B3metro&oldid=86307705>.

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