Elementos de medida en automatización y robótica industrial

Elementos de Medida en Automatización
y Robótica Industrial
Contenido
Introducción a los Elementos de Medida...................................................................................................2
Elementos de medida.................................................................................................................................2
Características estáticas y dinámicas.........................................................................................................3
Medida de la presión..................................................................................................................................4
Medidas de fuerza y peso...........................................................................................................................9
Medidas del pH........................................................................................................................................10
Medidas del Nivel....................................................................................................................................11
Medidas de Temperatura..........................................................................................................................12
Medidas de Flujo......................................................................................................................................13
Medidores de Vórtice...............................................................................................................................15
Medidores ultrasónicos de flujo...............................................................................................................16
Transmisión de Señales............................................................................................................................16
Tipos de Transmisores..............................................................................................................................18
Preguntas de Repaso................................................................................................................................21
Autor Ing. Iván Escalona.........................................................................................................................22
Bibliografía..............................................................................................................................................23
Lecturas recomendadas............................................................................................................................23
Conclusiones............................................................................................................................................23
Introducción a los Elementos de Medida
El concepto de control, data desde la época de los griegos, en la que se construyeron diferentes
tipos de mecanismos, tales como: un reloj de agua, lámparas de aceite, etc. Así como un
mecanismo para abrir y cerrar las puertas de uno de los templos más concurridos en esa época
(Ktesibios), el cual generaba un peculiar viento, con lo que la gente creía que era un acto de
poder creado por los dioses olímpicos.
El hombre, sabiéndose limitado en sus capacidades, ha creado artificios que le permitan ampliar la
forma de hacer las cosas, creando dispositivos que puedan controlar algunas variables que se
consideran necesarias para aplicarlas en diversos procesos industriales.
Hay quienes, apoyados en el marcado desarrollo de nuevas tecnologías en este siglo que comienza,
consideran que esto se puede conseguir fácilmente, con la ayuda de robots que reemplacen “el
trabajo de los seres humanos”, ya que a “más tecnología”, “más calidad, menores costos y, por
tanto, bajo precio”.
En las últimas décadas “la industria europea, ha invertido la mayor parte de su presupuesto en
maquinaria y robótica” yse estima que en los próximos años la cantidad de robots en Europa y EU
aumentará notablemente”.
En cuanto a los robots, se prevé que sus “capacidades y versatilidad”continúen expandiéndose” y
sus precios bajen.
Según la previsión de los expertos, a largo plazo, el número de las actividades realizadas por los
robots alcanzará el 80% de todos los sectores de la economía.
Los programa de producción agropecuaria guiados por sensores, la ingeniería genética, las granjas
moleculares, las operadoras informatizadas con reconocimiento de voz, los cajeros automáticos, los
sistemas de comunicación, la automatización de las oficinas hasta el punto de la oficina virtual,
muestran sólo algunos de los sectores y áreas de la producción, hasta dónde está llegando el
novedoso avance tecnológico.
Los beneficios de la tecnología: costos bajos, procesos más rápidos, aumento de la competitividad y
la eficiencia, tienen un impacto en la sociedad que conviene analizar.
En los lugares donde la industrialización es más palpable, las tasas de empleo se verán directamente
afectadas.
Elementos de medida
En cualquier sistema de control automático es necesaria la medida de las variables a controlar.
Además de las variables a controlar es habitual la medida de otras variables de manera que se tenga
un mejor conocimiento de lo que sucede en el proceso.
La medida de las magnitudes del proceso (presiones, fluidos, temperaturas, pH, humedad,
velocidad, etc.) la realizan los elementos primarios, los que, en la mayoría de los casos, las
transforman en magnitudes de otra especie (presiones neumáticas, potenciales eléctricos,
desplazamientos mecánicos, etc.) pero fáciles de medir o de transmitir a distancia.
Los instrumentos que producen esta transformación de variables se conocen con el nombre de
transductores. Se pretende que exista una relación analógica entre los valores de la magnitud
medida y la salida del transductor.
Hay casos en que no es posible medir directamente la magnitud a controlar. Entonces se recurre a
la medida de otra magnitud de la cual depende la primera. Por ejemplo, en un horno de templado
la magnitud que interesa mantener constantemente es el temple del acero. Las dificultades de
medida rápida, precisa y continua del temple obligan a recurrir al control de temperatura del
horno.
CONTROLADOR AUTOMÁTICO
Un controlador automático compara la señal de salida con una referencia (valor deseado),
determina el error y produce una señal de control que trata de reducir el error a cero o a un valor
menor.
Características estáticas y dinámicas
Para el estudio de la automatización de un proceso interesa el conocimiento de las relaciones
existentes entre las variables de entrada y salida (variable manipulada y variable controlada)
cuando no hay variaciones en el tiempo esto es, en condiciones de equilibrio. Las relaciones entre
las variables, en condiciones de equilibrio son las características estáticas. Así, en el proceso
representada en la siguiente figura, a cada gasto de entrada Q1 corresponder, después de alcanzado
al equilibrio, un cierto nivel h.
Las relaciones h = f (Q1) expresa una de las características estáticas de proceso.
En las relaciones que expresan las características estáticas no entra la variable tiempo.
Q1
Q2
R
h
Amplificado
Realimentación
Elemento Final
de Control Planta
Controlador
e
u
s
Las características dinámicas pueden establecerse en los casos más sencillos, por vía analítica, por
el solo conocimiento de las leyes físicas y de las constantes del procesó.
Además de las características dinámicas del sistema de medida, son muy importantes las siguientes
propiedades:
Precisión: Expresa el grado de concordancia entre el valor indicado por el sistema de medida
y el valor real de la magnitud. Se representa por la desviación, expresada en porcentaje del
valor máximo. La mejor manera de conocer la precisión consiste en determinar la curva de
error, en toda la banda de medida.
Linealidad: Significa que la función que relaciona la variable de salida con la de entrada es
una función lineal (geométricamente representada por una línea inclinada). Las
desviaciones de la linealidad se expresan en porcentaje.
Histéresis: Diferencia entre los valores indicados por el sistema pasar un mismo valor de
magnitudes de medida, cuando se ha alcanzado entre valor por valores crecientes o por
valores decrecientes.
Sensibilidad: Representa la relación de la señal de salida y la señal de entrada. Para la
misma señal de entrada, la salida es tanto mayor cuanto mayor sea la sensibilidad.
Medida de la presión
Las medidas de presión son muy importantes en procesos continuos en el que hay que tratar con
fluidos
Los elementos primarios para medir la presión pertenecen a las siguientes categorías principales:
Manómetros de líquidos
Fuelles
Diagramas
Vacuómetros de varios tipos
Elementos piezoeléctricos o piezorresistivos
Elementos con detectores extensiométricos (Strain Cages)
Elementos capacitivos
Elementos de reluctancia
En el Control Industrial interesan tres conceptos ligeramente diferentes de la presión. Normalmente
se mide la presión manométrica, que representan la diferencia entre la presión absoluta en el lugar
de la instalación y la presión atmosférica.
Algunas veces interesa la medida de la presión absoluta, especialmente cuando se miden presiones
inferiores a la atmosférica.
Cuando se trata de medidas de flujo, en sistemas de ventilación, etc, es muy usual también la
medida de la presión diferencial.
Estos conceptos se ilustran en la siguiente figura:
Manómetros de líquido Son los instrumentos más antiguos para medir la presión. Se basan en el
equilibrio de columnas líquidas. Actualmente se usan poco en procesos industriales en virtud de las
desventajas que resultan de la presencia del líquido.
Los tipos de manómetro de líquido de mayor uso son:
Manómetro de tubo en U, de ramas iguales
Manómetro de flotador, Manómetro de tubo sencillo, Manómetro de campana
Manómetro anular
Algunos de estos tipos no son más que indicadores y no interesan en el control automático. En la
figura siguiente solamente se indican el funcionamiento esquemático de los manómetros
indicadores.
En los manómetros de otros tipos, la variable de salida es un movimiento mecánico. Son apropiados
para actuar sobre transmisores de señal o instrumentos de entrada en los controladores neumáticos.
En la figura R se muestra esquemáticamente un manómetro de flotador. Los movimientos del
flotador son proporcionales a la diferencia de presión. Transmiten al exterior por intermedio de un
sistema mecánico y de un eje con empaque estanco, o en ciertos casos por medio de un tubo de
torsión. Se puede usar para medidas de presiones diferenciales de hasta 600 in de agua y para
presiones estáticas de hasta 5000 psi.
Se muestra en la figura el esquema de un manómetro de anillo. El ángulo de rotación depende, en
este caso, de la diferencia de presiones. Los movimiento del anillo se puede aplicar como entrada a
los instrumentos o controladores. Para terminar esta rápida referencia a los manómetro de líquido,
en la figura R’’, se ilustra el principio en que se basa un manómetro de campana.
Son apropiados para medir pequeñas presiones diferenciales. Por ejemplo, se utiliza para medir la
presión en las cámaras de combustión-
Tubos de bourdon: de todos los elementos de medida de presiones, éste es el más usual. Está
constituido por un tubo de sección elíptica enrollado circularmente, en espiral o en hélice. Cuando
la presión interior aumenta el tubo tiende a disminuir de curvatura.
Los movimientos del extremo del bourdon se transforman por medio de un conjunto de palancas y
ruedas dentadas y se aplican a agujas. (manómetros indicadores) o al elemento de entrada de
transmisores de señal o de controladores. En la figura 16 se presentan dos tipos de tubos bourdon.
Los tubos de bourdon se construyen de materiales elásticos. De acuerdo al fluido que se ha de
medir, se usarán bronce, cobre – berilio, acero carbonado, aceros inoxidables, etc.
Fuelles y diafragmas en la figura 17 se representan esquemáticamente estos elementos primarios
de medida de presión.
Se fabrican en bronce, latón, cobre-berilo, acero inoxidable, etc., conforme sean las condiciones
ambientales. La gama de presiones está determinada por muelles opositorios los que confieren a
estos elementos característicos de proporcionalidad.
Medidas de vacío Solamente se describi el principio del vacuómetro de Pirani, en el que se
aprovecha el enfriamiento producido por el gas cuya presión se ha de medir en un hilo calentado
por una corriente eléctrica constante. Las variaciones de la resistencia del hilo se miden en un
puente de resistencia. La salida del vacuómetro es un tensión eléctrica. Hay otros instrumentos de
medida de vacío, como el vacuómetro de termopar, el manómetro iónico, el vacuómetro
radioactivo.
Medida de la presión absoluta cuando se trata de medir presiones absolutas bajas (inferiores a 50
psi) las variaciones de la presión absoluta conducen a errores muy altos si se usaran los instrumentos
de presión relativa. Un elemento para medir la presión absoluta podría estar constituido como se
indica en la siguiente figura:
Está constituido, en principio, por dos fuelles en oposición, de uno de los cuales se extrae el aire.
Un muelle compensa la diferencia de fuerzas.
Transmisores de presión: Los elementos primarios de medida de presión con salida mecánica no son
suficientes para transmitir la señal a los controladores (y registradores) existentes en la sala de
control. Son necesarios dispositivos capaces de transformar las indicaciones de presión en señales
neumáticas o eléctricas (transmisores de señal)
Precisión estática de los elementos de presión Los elementos de medida de la presión tienen
errores del orden del 1% de la gama cuando están convenientemente calibrados. En instrumentos
más cuidadosamente construidos se alcanzas precisiones del orden del 0.5%. Una de las causas de
error aleatorio es la acción de la temperatura ambiente, la que provoca dilataciones de las partes
del manómetro y alteraciones del módulo de elasticidad del muelle opositor.
Medidas de fuerza y peso
En diversos procesos industriales es necesario controlar el peso de los materiales que se han de
transformar, o ajustar la magnitud de las fuerzas actuantes.
Para la medición de las fuerzas, se da lugar a transductores que conviertan estas magnitudes en
otras más fáciles de medir.
Existen diversos tipos de dispositivos para medir el peso y las fuerzas, tales como:
a) Balanzas discontinuas.
b) Balanzas discontinuas.
También existen dispositivos de pesaje que se basan en principios neumáticos, hidráulicos y
eléctricos.
Indicador neumático de fuerza: En este dispositivo, la fuerza desconocida se aplica a una de las
caras de un diafragma. En la otra cara se aplica un presión neumática, hasta reestablecer el
equilibrio. La medida de la presión da la medida de la fuerza.
Indicador hidráulico de fuerza: Sigue el mismo principio que el dispositivo anterior, sin embargo,
en este caso en lugar de utilizarse aire comprimido, se da lugar a un fluido. La capacidad de este
dispositivo es hasta de diez toneladas.
Piezo-eléctrico o extensómetro: En estos dispositivos la fuerza que se mide produce la
deformación de un elemento elástico. Por ejemplo, un anillo de acero.
El cristal del extensómetro es fijado al elemento elástico y sufren también las deformaciones,
dichas deformaciones se convierten en una variación de resistencia del extensómetro o bien en un
potencial eléctrico generado por el detector piezo-eléctrico.
Medidas de desplazamiento y dimensiones.
En las industrias mecánicas es necesario realizar medidas dimensiónales, por ejemplo:
Medidas de espesor de chapas en los laminadores.
Medida de desplazamiento en las máquinas de control numérico.
Entre los diversos tipos de dispositivos para la medición de desplazamientos, encontramos uno
basado en la fuerza neumática que permite medir desplazamientos de hasta 0.25 µm.
Para las máquinas de control numérico, se utilizan dos procesos de desplazamiento:
I .Por incrementos:
En este dispositivo existe una escala que se divide en elementos de magnitud elemental formando
una rejilla, un captador que se encuentra unido al carro móvil de la máquina, traduce cada línea a
un impulso eléctrico y por lo tanto origina una indicación analógica o digital del desplazamiento.
II. Absoluto:
En este dispositivo se utiliza una escala múltiple en la que cada una de las posiciones está indicada
según un código binario, en este caso cada posición está indicada por un número y no por un
impulso.
Medidas del pH
Como sabemos el pH es una variable de gran importancia, que nos da el valor de la concentración
de los iones hidrógeno.
Un líquido puede tener los siguientes valores:
pH Tipo
0-7 Ácido
7 Neutro
7-14 Básico
El método tradicional para la medición del pH utiliza un electrodo de vidrio (electrodo de medida)
y un electrodo de calomel (electrodo de referencia).
En el electrodo de vidrio se genera una diferencia de potencial entre el líquido a medir y la
solución interna que depende linealmente del pH de la solución, esta diferencia de potencial
permite conocer el pH, mediante la ecuación de Haber:
E = Eo – 0.0591 log H+ (a 25°C).
El electrodo de calomel presenta una f.e.m constante de 245 mv, mientras que el electrodo de
vidrio presenta una variación de 465 mv hasta –43 mv. Por ejemplo para un pH = 7 (neutro) se tiene
una diferencia de potencial de 25 mv.
Medidas del Nivel
En el control de los procesos, el nivel de líquidos y sólidos contenidos en tanques y reactores,
tolvas, etc., es una variable importante. Los dispositivos para la medida del nivel son muy variados.
Algunos de ellos son:
Indicación directa
Flotador
Contactor móvil de superficie
Presión hidrostática
Burbujeador
Capacitivos
Conductivos
Ultrasónicos
Nucleares
Ópticos
Pesaje
Los más usados son:
Medidores de nivel por presión hidrostática.
Es el método más común para medir niveles de líquidos. La transmisión de la señal del nivel se
puede efectuar por medio de celdas de presión diferencial que pueden ser de tipo neumático o
electrónico
Medidores de nivel por desplazamiento.
Este tipo de medida se basa en la variación del peso aparente de un cuerpo parcialmente sumergido
en un líquido, cuando la altura del líquido varía. Por ejemplo, el flotador utilizado en los tinacos
para baño.
Métodos capacitivos.
Se utilizan tanto en líquidos como en sólidos, polvos o granulados. El principio en el que se basan es
muy sencillo. Una varilla metálica aislada o, verticalmente localizada dentro del depósito,
desempeña la función de uno de los electrodos de un capacitor. Como el líquido ( o el sólido
granulado) tiene una cierta conductividad, equivale a su vez al segundo electrodo del capacitor. La
superficie aparente de los electrodos y, por lo tanto del capacitor, varía con el nivel; esta
capacitancia se mide con un puente de C. A.
Medidas de Temperatura
Los elementos de medida de temperatura más adaptados al control automático de procesos son:
Termopares (o pares termoeléctricos)
Termómetros de resistencia
Sistemas de bulbo y bourdon
Termómetros de dilatación
Pirómetros de radiación
Termistores
Se describen los tipos más fundamentales
Termopares
Son seleccionados para la mayoría de las medidas industriales. Tienen sencilla construcción, si están
bien calibrados son precisos. Se basan en el descubrimiento siguiente hecho por Jean Peltier en
1821: “Cuando hilos de metales diferentes están en contacto por los extremos, se genera una f.e.m.
(y aparece una corriente eléctrica en el circuito) cuando los dos contactos están a diferentes
temperaturas” .
Los pares de metales más utilizados en la constitución de termopares industriales son:
Cobre – Constantán (aleación de cobre y níquel)
Fierro – Constantán
Platino – Platino rodio
Para muy altas temperaturas se fabrican termopares de metales refractarios como son:
Tungsteno – Tungsteno renio
Grafito – Silicio
Iridio – Iridio renio
Tungsteno – Iridio
Molibdeno – Molibdeno renio
El termopar se selecciona en función de la gama de temperaturas, de los efectos corrosivos del
medio ambiente y, de la precisión deseada.
La localización de un termopar en el proceso se debe considerar cuidadosamente. En realidad,
además de los cambios térmicos por conducción en relación con el fluido, entran en juego
intercambios de energía por radiación con las superficies calientes o frías de la instalación
(tuberías, aletas, paredes, etc.)
Termómetros de resistencia (o termo-resistencias)
Se usan para alcanzar mayor precisión que con termopares, o para medidas de pequeñas
desviaciones de temperatura (del orden de 0.02°C). Cuando se miden temperaturas próximas a la
temperatura ambiente son imprescindibles las resistencias. El error máximo de los termómetros
industriales de resistencia es cercano a 0.5%.
Este método aprovecha el cambio de la resistencia de los conductores eléctricos con la
temperatura. Las sustancias que utiliza son hilos metálicos de platino (son los más usados por la
precisión y resistencia a la corrosión), cobre o níquel, plata, etc.,
El hilo metálico de resistencia termométrica se enrolla en soportes aislantes generalmente de
cerámica. Exteriormente las resistencias están protegidas por fundas termométricas de diversas
sustancias (metal, cerámica, vidrio, etc.).
Medidas de Flujo
Existen muchos métodos básicos para la medida del flujo. Algunos están bastante generalizados,
otros se aplican en casos restringidos.
Para efectos de clasificación, se pueden agrupar los elementos primarios de medida del flujo en los
siguientes grupos principales:
1. Medidores de presión diferencial
2. Medidores rotativos (contadores y turbinas)
3. Medidores electromagnéticos de flujo
4. Medidores de área variable
5. Medidores de descarga
6. Medidores de caudal de masa
7. Medidores de caudal de sólidos
8. Medidores de vórtice
9. Medidores ultrasónicos de flujo
En este trabajo sólo se hará referencia a los tipos de medidores de flujo más importantes en la
industria.
Medidores de presión diferencial
Los elementos de medida de flujo por presión diferencial, universalmente utilizados en la medida
del flujo de los fluidos, se basan en el teorema universal de la hidrodinámica (teorema de
Bernoulli).
P1 + pgh1 + pv12
= P2 + pgh2 + pv22
2 2
La expresión general que relaciona el flujo de los fluidos incompresibles “q” con la presión
diferencial queda de la siguiente forma:
q = K (P1 – P2)
Donde:
q : Flujo de los fluidos
k : Coeficiente de gasto
P1 : Presión 1
P2 : Presión 2
A pesar del gran avance teórico en este aspecto, es tal la complejidad de los fenómenos en
cuestión que, para calcular los elementos de presión diferencial, se recurre a datos experimentales
y a tablas determinadas empíricamente. Solo así se consigue una precisión aceptable.
Los elementos de presión diferencial son restricciones o constricciones de diversos tipos insertados
en la tubería donde circula el fluido que se quiere medir. La caída de presión que ocurre en la
restricción es una medida del caudal.
De los diversos tipos de restricciones, las más usadas son:
a) Orificios
b) Tubos Venturi
c) Tubos Dall
Orificios:
Este es el tipo de restricción más usado. Tiene la forma de una placa circular, insertada en la
tubería entre dos bridas, en la cual se hace un orificio con las dimensiones que indique el cálculo. El
material del orificio debe resistir la corrosión química y mecánica del fluido. Se usan mucho los
diversos tipos de acero inoxidable.
Tubos Venturi:
Son restricciones más elaboradas que el orificio. El tubo de Venturi permite mayor precisión que el
orificio, además, se recupera en gran parte la caída de presión. Otra de las ventajas es que tenemos
mayor constancia en las indicaciones a lo largo del tiempo, es decir, existe mayor repetibilidad.
El Tubo de Venturi es particularmente recomendable para líquidos con sólidos en suspensión. La
única desventaja del Tubo de Venturi es el costo elevado.
Tubo Dall:
Este tubo produce perdida permanente de presión de cerca del 15% y es más barato que el Tubo
Venturi.
Medidores rotativos (contadores y turbinas)
Se utilizan contadores de modelos varios, (pistones oscilantes, disco de mutación, rotores de
dientes engranados, contadores de gas, etc.) cuando se requiere medir cantidades de fluido con
buena precisión (desde 0.1 a 1%). Los contadores domésticos de gas y agua son de este tipo.
Los medidores de gasto de tipo turbina permiten presiones más altas de las que permiten los
orificio y tubos de Venturi en la medida del flujo en líquidos. Físicamente, los medidores de turbina
son de dimensiones muy pequeñas cuando se les compara con otros tipos de elementos primarios. El
órgano principal lo constituye una turbina que mide la velocidad media del líquido.
En una bobina montada en el fondo interno del medidor, cuyo núcleo es un imán permanente, se
inducen impulsos al paso de cada una de las paletas de la turbina. Estos impulsos son amplificados y
transformados en impulsos rectangulares. Un contador electrónico de impulsos permite indicaciones
digitales del flujo y de la cantidad de líquido. La precisión de los medidores de turbina es
normalmente mejor que 0.5% en una amplia gama de medidas.
Medidores electromagnéticos de flujo
Los medidores de este tipo son los únicos que no presentan obstrucción al paso del líquido. La
perdida de carga que introducen es igual a la de una tubería libre con el mismo tamaño. Por ese
motivo son los elementos primarios ideales para la medida de flujos en líquidos viscosos o con
sólidos en suspensión. La única condición será que el líquido tenga una conductividad eléctrica por
encima de un mínimo establecido.
El funcionamiento de estos medidores se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética.
Un conductor eléctrico que se mueve con velocidad perpendicularmente a un campo magnético de
inducción, es el asiento de una fuerza electromotriz, dada por la relación:
e = (B)( l)(v)
Donde: e: Fuerza electromotriz
B: Campo magnético de inducción
l : Longitud del conductor
v : Velocidad perpendicular
La fuerza electromotriz inducida, que es proporcional al flujo del líquido, será amplificada por un
amplificador electrónico. Una de las dificultades de esta medida reside en el bajo valor de la f.e.m.
(milivolts), y de la aparición de diversas partes del circuito, de f.e.m. inducidas por los campos
magnéticos existentes en los medios fabriles.
Otra dificultad se relaciona con las variaciones de tensión de la red, las que originan variaciones de
la inducción magnética. Las variaciones en la conductividad del líquido pueden también introducir
errores.
Resulta muy útil en la medida del flujo en líquidos con sólidos en suspensión, pastosos o corrosivos.
Existen actualmente elementos primarios electromagnéticos cuyos electrodos no tienen contacto
ohmico (resistencia) con el liquido, sino solamente capacitivo.
Medidores de Vórtice
Es un elemento primario de flujo que ofrece precisión superior a la de los orificios, no tiene piezas
móviles y opera con una amplia banda de gastos. Las variaciones de presión y de temperatura no
afectan las medidas.
Al no tener partes mecánicas su confiabilidad es alta. El instrumento se basa en la detección del
paso de vórtices formados por un obstáculo (elemento generador de vórtices), intercalado en el
paso del fluido.
Los vórtices son pequeños remolinos en zonas localizadas. El elemento generador de vórtices
atraviesa diagonalmente la tubería de medida y divide el flujo a la mitad.
Los vórtices se forman alternadamente en cada una de las dos mitades. La geometría y el perfil del
elemento generador se determinan a fin de obtener las siguientes características de los vórtices:
Estabilidad
Número de vórtices proporcional al gasto
El número de vórtices proporcional al gasto dentro de una amplia gama de medidas. Por tanto
existe relación lineal entre el flujo y el número de vórtices en un intervalo fijo de tiempo.
Siempre que se produce un vórtice, se produce una presión diferencial entre los lados superior e
inferior del elemento generador. La sucesión de impulsos de presión se detecta por un elemento
sensible insertado en el interior del elemento generador. El ritmo de los impulsos enviados por el
detector es proporcional al número de vórtices y proporcional, por tanto, al gasto.
Este instrumento es utilizado con mucho éxito en aplicaciones comunes que usaban orificios y en la
medida de gastos de líquidos con sólidos en suspensión o corrosivos.
Medidores ultrasónicos de flujo
Un haz estrecho de ondas sonoras (en la banda acústica o la ultrasónica) lanzada a través de un
fluido en movimiento sufre un efecto de arrastre. El medidor ultrasónico de flujo aprovecha este
efecto.
En su forma más sencilla, está constituido por un transductor transmisor de ultra sonido (TT) y por
un transductor receptor (TR).
La onda ultrasónica, enviada en impulsos, atraviesa dos veces el fluido al reflejarse en la pared
opuesta, Como la onda es arrastrada por el movimiento del liquido, el recorrido total, y por lo
tanto, la atenuación de la onda depende de la velocidad del fluido.
Este tipo de medidor aun en su fase inicial, tiene una precisión mejor que la de la placa de orificio y
no presenta ninguna obstrucción, como ocurre con el medidor electromagnético. Sirve pues para
líquidos viscosos pastosos o peligrosos (de alta presión, corrosivos, radioactivos).
Necesita de una corrección automática de temperatura por medio de un termistor porque la
velocidad del sonido se altera en función de la temperatura presente en el cuerpo.
Transmisión de Señales
La definición clásica de transmisor nos dice que es un instrumento que capta la variable en proceso
y la transmite a distancia a un instrumento indicador o controlador; pero en realidades eso y mucho
más, la función primordial de este dispositivo es tomar cualquier señal para convertirla en una señal
estándar adecuada para el instrumento receptor, es así como un transmisor capta señales tanto de
un sensor como de un transductor, aclarando siempre que todo transmisor es transductor más no un
transductor puede ser un transmisor; como ya sabemos las señales estándar 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
Transmisión de datos analógicos y digitales
TRANSMISIÓN ANALOGICA
Los datos analógicos toman valores continuos
Una señal analógica es una señal continua que se propaga por ciertos medios.
La transmisión analógica es una forma de transmitir señales analógicas (que pueden contener
datos analógicos o datos digitales). El problema de la transmisión analógica es que la señal
se debilita con la distancia, por lo que hay que utilizar amplificadores de señal cada cierta
distancia.
TRANSMISIÓN DIGITAL
los digitales toman valores discretos valores discretos
Los datos digitales se suelen representar por una serie de pulsos de tensión que representan
los valores binarios de la señal.
La transmisión digital tiene el problema de que la señal se atenúa y distorsiona con la
distancia, por lo que cada cierta distancia hay que introducir repetidores de señal.
Últimamente se utiliza mucho la transmisión digital debido a que:
La tecnología digital se ha abaratado mucho.
Al usar repetidores en vez de amplificadores, el ruido y otras distorsiones no es
acumulativo.
La utilización de banda ancha es más aprovechada por la tecnología digital.
Los datos transportados se pueden encriptar y por tanto hay más seguridad en la
información.
Al tratar digitalmente todas las señales, se pueden integrar servicios de datos analógicos
(voz, vídeo, etc.) con digitales como texto y otros.
Perturbaciones en la transmisión
Atenuación
La energía de una señal decae con la distancia, por lo que hay que asegurarse que llegue con la
suficiente energía como para ser captada por la circuitería del receptor y además, el ruido debe ser
sensiblemente menor que la señal original (para mantener la energía de la señal se utilizan
amplificadores o repetidores).
Debido a que la atenuación varía en función de la frecuencia, las señales analógicas llegan
distorsionadas, por lo que hay que utilizar sistemas que le devuelvan a la señal sus características
iniciales (usando bobinas que cambian las características eléctricas o amplificando más las
frecuencias más altas).
Distorsión de retardo
Debido a que en medios guiados, la velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia,
hay frecuencias que llegan antes que otras dentro de la misma señal y por tanto las diferentes
componentes en frecuencia de la señal llegan en instantes diferentes al receptor. Para atenuar este
problema se usan técnicas de ecualización.
Ruido
El ruido es toda aquella señal que se inserta entre el emisor y el receptor de una señal dada. Hay
diferentes tipos de ruido: ruido térmico debido a la agitación térmica de electrones dentro del
conductor, ruido de intermodulación cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de
transmisión, diafonía se produce cuando hay un acoplamiento entre las líneas que transportan las
señales y el ruido impulsivo se trata de pulsos discontinuos de poca duración y de gran amplitud
que afectan a la señal.
Capacidad del canal
Se llama capacidad del canal a la velocidad a la que se pueden transmitir los datos en un canal de
comunicación de datos.
La velocidad de los datos es la velocidad expresada en bits por segundo a la que se pueden
transmitir los datos
El ancho de banda es aquel ancho de banda de la señal transmitida y que está limitado por el
transmisor y por la naturaleza del medio de transmisión (en hertzios).
La tasa de errores es la razón a la que ocurren errores.
Para un ancho de banda determinado es aconsejable la mayor velocidad de transmisión posible pero
de forma que no se supere la tasa de errores aconsejable. Para conseguir esto, el mayor
inconveniente es el ruido.
Para un ancho de banda dado W, la mayor velocidad de transmisión posible es 2W, pero si se
permite (con señales digitales) codificar más de un bit en cada ciclo, es posible transmitir más
cantidad de información.
La formulación de Nyquist nos dice que aumentado los niveles de tensión diferenciables en la señal,
es posible incrementar la cantidad de información transmitida.
C= 2W log2 M
El problema de esta técnica es que el receptor debe de ser capaz de diferenciar más niveles de
tensión en la señal recibida, cosa que es dificultada por el ruido.
Cuanto mayor es la velocidad de transmisión, mayor es el daño que puede ocasionar el ruido.
Shannon propuso la fórmula que relaciona la potencia de la señal ( S ) , la potencia del ruido ( N ) ,
la capacidad del canal ( C ) y el ancho de banda ( W ) .
C = W log2 ( 1+S/N )
Esta capacidad es la capacidad máxima teórica de cantidad de transmisión, pero en la realidad, es
menor debido a que no se ha tenido en cuenta nada más que el ruido térmico.
Tipos de Transmisores
Transmisores neumáticos: Se fundamentan en el principio que cumple el sistema tobera obturador
que consiste en un tubo con un suministro constante de presión no superior a los 25 Psi que pasa por
una restricción que reduce el diámetro alrededor de 0.1 mm y que en su otro extremo se torna en
forma de tobera con un diámetro de 0.25 - 0.5 mm que está expuesto a la atmósfera ocasionando
un escape que es regulado por un obturador el cual cumple la misión de controlar el escape
proporcional a la separación entre él y la tobera.
La función de la tobera - obturador es que a medida que la lamina obturadora disminuya o aumente
la distancia hacia la tobera ocasionara un efecto inversamente proporcional sobre la presión interna
que es intermedia entre la presión atmosférica y la de suministro e igual a la señal de salida del
transmisor que para la tobera totalmente cerrada equivale a 15 Psi y totalmente abierta a 3 Psi.
Para la obtención de una salida eficiente y a causa de diminutos volúmenes de aire que se obtienen
del sistema se le acopla una válvula piloto que amplifica, formando un amplificador de dos etapas
La válvula servopilotada consiste en un obturador que permite el paso de dos caudales de aire los
cuales nos determinan la salida mediante los diferenciales de presión entre las superficies uno y dos
logrando vencer el resorte que busca sostener la válvula cerrada, aunque realmente existe una
mínima abertura que lo que nos determina los 3 Psi como salida mínima. Las funciones de la válvula
son:
Aumento del caudal suministrado o del caudal de escape para conseguir tiempos de
respuesta inferiores al segundo.
Amplificación de presión (ganancia), de cuatro a cinco para obtener la señal neumática de 3
- 15 Psi.
Los transmisores neumáticos presentan las siguientes características:
Un consumo de aire más bajo para el caudal nulo de salida.
Un caudal mayor de salida hacia el receptor.
Una zona muerta de presiones de salida.
Son de equilibrio de fuerzas.
Son de acción directa.
Transmisores electrónicos: Generalmente utilizan el equilibrio de fuerzas, el desequilibrio da lugar
a una variación de posición relativa, excitando un transductor de desplazamiento tal como un
detector de inductancia o un transformador diferencial. Un circuito oscilador asociado con
cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y es así como se complementa un
circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de la
variable en proceso. Su precisión es de 0.5 - 1% en una salida estándar de 4 - 20mA. Se caracterizan
por el rango de entrada del sensor.
Transmisores inteligentes: Son aquellos instrumentos capaces de realizar funciones adicionales a la
de la transmisión de la señal del proceso gracias a un microprocesador incorporado. También existen
dos modelos básicos de transmisores inteligentes:
El capacitivo que consiste en un condensador compuesto de un diafragma interno que separa
las placas y que cuando se abren las placas es porque se realiza una presión este diafragma
se llena de aceite lo cual hace variar la distancia entre placas en no más de 0.1 mm. luego
esta señal es amplificada por un oscilador y un demodulador que entregan una señal análoga
para ser convertida a digital y así ser tomada por el microprocesador.
El semiconductor sus cualidades permiten que se incorpore un puente de weaston al que el
microprocesador linealiza las señales y entrega la salida de 4 - 20mA.
Los transmisores inteligentes permiten leer valores, configurar el transmisor, cambiar su campo de
medida y diagnosticar averías, calibración y cambio de margen de medida. Algunos transmisores
gozan de auto calibración, autodiagnóstico de elementos electrónicos; su precisión es de 0.075%.
Monitorea las temperaturas, estabilidad, campos de medida amplios, posee bajos costes de
mantenimiento pero tiene desventajas como su lentitud, frente a variables rápidas puede presentar
problemas y para el desempeño en las comunicaciones no presenta dispositivos universales, es decir,
no intercambiable con otras marcas.
Como calibrar un transmisor:
1) Chequeo y Ajustes Preliminares:
Observar el estado físico del equipo, desgaste de piezas, limpieza y respuesta del equipo.
Determine los errores de indicación del equipo comparado con un patrón adecuado (según el
rango y la precisión).
Llevar ajustes de cero, multiplicación, angularidad y otros adicionales a los márgenes
recomendados para el proceso o que permita su ajuste en ambas direcciones (no en
extremos) excuadramientos preliminares. Lo cual reducirá al mínimo el error de
angularidad.
2) Ajuste de cero:
Colocar la variable en un valor bajo de cero a 10% del rango o en la primera división
representativa a excepción de los equipos que tienen supresión de cero o cero vivo, para ello
se debe simular la variable con un mecanismo adecuado, según rango y precisión lo mismo
que un patrón adecuado.
Si el instrumento que se está calibrando no indica el valor fijado anteriormente, se debe
ajustar del mecanismo de cero (un puntero, un resorte, reóstato, tornillo micrométrico,
etc).
Si el equipo tiene ajustes adicionales con cero variable, con elevaciones o supresiones se
debe hacer después del punto anterior de ajuste de cero.
3) Ajuste de multiplicación:
Colocar la variable en un valor alto del 70 al 100%.
Si el instrumento no indica el valor fijado, se debe ajustar el mecanismo de multiplicación o
span ( un brazo, palanca, reóstato o ganancia).
4) Repetir los dos últimos pasos hasta obtener la calibración correcta para los valores
alto y bajo.
5) Ajuste de angularidad:
Colocar la variable al 50% del span.
Si el incremento no indica el valor del 50% ajustar el mecanismo de angularidad según el
equipo.
6) Repetir los dos últimos pasos 4 y 5 hasta obtener la calibración correcta, en los tres
puntos.
Nota: Después de terminar el procedimiento se debe levantar un acta de calibración,
aproximadamente en cuatro puntos: Valores teóricos contra valores reales (lo más exactamente
posible), tanto ascendente como descendente para determinar si tiene histéresis.
Transmisores de presión y temperatura para:
•la extrusión de plástico
•el moldeo de plástico
•la industria en general
Transmisores de flujo másico para gases, interruptores de nivel y
flujo bajo el principio de dispersión térmica
Transmisores de presión y nivel neumáticos y electrónicos.
•Para la industria del papel
•Para la industria en general
Transmisores e interruptores
de nivel por el principio
de radio frecuencia.
Transmisores de señal
•Alarmas
•Convertidores I/P, P/I
•Transmisores de temperatura
•Sistemas de comunicación de datos
Preguntas de Repaso
1.- ¿Qué se necesita un sistema de control?
2.- Que hacen los elementos primarios?
3.- ¿Cómo se llama el instrumento que cambia las magnitudes del proceso Transductor?
4.- Menciona al menos ocho elementos primarios para medir la presión
5.- ¿Qué diferencia existe entre la presión absoluta, presión diferencial y la presión relativa?
6.- ¿Cuál es la función de los fuelles y diafragmas?
7. Menciona los tres dispositivos para la medición de fuerzas.
8. Describe el dispositivo que utiliza el método incremental para la medición de desplazamientos en
una máquina de NC.
9. ¿Cuáles son los dos tipos de electrodos que se utilizan en la medición del pH?
10.- Mencione algunos dispositivos para la medida del nivel y diga cuál es el más usado.
11.- Diga cuáles son los elementos de medida de temperatura más adaptados al control automático
de procesos.
12.- ¿Cuáles son las razones por las cuales los termopares se usan más como elementos de medida
de temperatura?
13.- Menciona los principales elementos primarios de medida del flujo.
14.- ¿Cuáles son los elementos primarios de medida que no presentan obstrucción al paso del fluido?
15.- ¿Qué elementos primarios de medida nos permiten medir cantidades de fluido?
16.- ¿Qué diferencia hay entre transmisión analógica y la transmisión digital?
17.- ¿Qué son los Transmisores?
18.- ¿Cuántos tipos de transmisores existen en la automatización?
Autor Ing. Iván Escalona
Consultor Logística, Teléfono Movil: 044 55 18 25 40 61 (México)
Ingeniero Industrial
resnick_halliday@yahoo.com.mx, ivan_escalona@hotmail.com
Nota: Si deseas agregar un comentario o si tienes alguna duda o queja sobre algún(os) trabajo(s)
publicado(s), puedes escribirme a los correos que se indican, indicándome que trabajo fue el que
revisaste escribiendo el título del trabajo(s), también dende eres y a que te dedicas (si estudias, o
trabajas) Siendo específico, también la edad, si no los indicas en el mail, borraré el correo y no podré
ayudarte, gracias.
- Estudios Universitarios: Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias Sociales y
Administrativas (U.P.I.I.C.S.A.) del Instituto Politécnico Nacional (I.P.N.)
- Centro Escolar Patoyac, (Incorporado a la UNAM)
Origen: México
Bibliografía
Técnicas de Automatización Industrial.
José J. Horta Santos.
Edit. Limusa
México, 1982.
47-102 pp.
Robótica: Una introducción
Mc Cloy
1ª. Edición.
Edit. Limusa
México, 1993
22-27 pp.
Lecturas recomendadas
Introduction to Control System Technology (7th Edition),
Robert N., P.E. Bateson, Robert N. Bateson,
Prentice Hall; 7th edition,
706 Pp.
Control Systems Engineering
Norman S. Nise
John Wiley & Sons; 3rd edition
950 pages
Conclusiones
El control automático es un concepto que desde su aparición ha prevalecido en nuestras vidas y que
lo seguirá haciendo por su gran importancia y aplicación a los procesos industriales.
Bajo este sentido, también es importante conocer qué tipo de elementos o bien dispositivos se
tienen para así poder controlar variables, tales como el desplazamiento, la presión, la temperatura,
el potencial de hidrógeno, la velocidad, el peso, el flujo, entre otros.
Los dispositivos usados para le medición de variables ahorran trabajo y proporcionan exactitud en el
proceso de algún proceso o producto.
El control de los procesos, el nivel de líquidos y sólidos contenidos en tanques y reactores, tolvas,
etc., es una variable importante en la industria en general. Los dispositivos para la medida del nivel
son muy variados, por ejemplos los Ultrasónicos y los nucleares son dispositivos muy complejos en la
industria.
Para el estudio de la automatización de un proceso interesa el conocimiento de las relaciones
existentes entre las variables de entrada y salida, normalmente en diversos procesos industriales es
necesario controlar el peso de los materiales que se han de transformar, o ajustar la magnitud de
las fuerzas actuantes.
Aprendimos que para la medición de las fuerzas, se da lugar a transductores que conviertan estas
magnitudes en otras más fáciles de medir. La medición de las variables mencionadas con
anterioridad debe hacerse con instrumento de medición directa, o bien se utilizan los llamados
transductores, que son elementos que cambian la variable a otra para facilitar la medición, en este
caso no existe alguna modificación del valor de la misma, ya que son equivalentes, el cambio sólo
se realiza por la facilidad de la medición de dicha variable.
En la industria se debe manejar el concepto de transmisor el cual es un instrumento que capta la
variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento indicador o controlador; pero en
realidades eso y mucho más, la función primordial en la industria de la instrumentación y
automatización, para el análisis de prueba en la calidad del instrumento.

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Cita esta página
Escalona Moreno Ivan. (2006, enero 9). Elementos de medida en automatización y robótica industrial. Recuperado de http://www.gestiopolis.com/elementos-de-medida-en-automatizacion-y-robotica-industrial/
Escalona Moreno, Ivan. "Elementos de medida en automatización y robótica industrial". GestioPolis. 9 enero 2006. Web. <http://www.gestiopolis.com/elementos-de-medida-en-automatizacion-y-robotica-industrial/>.
Escalona Moreno, Ivan. "Elementos de medida en automatización y robótica industrial". GestioPolis. enero 9, 2006. Consultado el 3 de Agosto de 2015. http://www.gestiopolis.com/elementos-de-medida-en-automatizacion-y-robotica-industrial/.
Escalona Moreno, Ivan. Elementos de medida en automatización y robótica industrial [en línea]. <http://www.gestiopolis.com/elementos-de-medida-en-automatizacion-y-robotica-industrial/> [Citado el 3 de Agosto de 2015].
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