UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL CURSO: INTRODUCCION A LA INGENIERIA MECATRONICA. PROFESOR: Ing. Luis Martínez HORAS DE TEORIA: 1 H HORAS DE PRACTICA: 2H SEMESTRE: 2012 – 2 Ing. Luis Martinez S.
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INTRODUCCION A LA INGENIERIA MECATRONICA MECATRONICA CONTENIDO SILABICO
No UNIDAD DENOMINACION
No DE HORAS
01 La mecatronica y los sistemas de medición 03 02 Los circuitos eléctricos y electrónica de semiconductores semicondu ctores 03 Introducción a los amplificador a mplificadores es y circuitos digitales 04 Interfaces con los micro controladores 05 Adquisición de datos 06 Sensores y actuadores actuad ores 07 Tipos de motores y aplicaciones.
Ing. Luis Martinez S.
06 09 06 03 06 06
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Calificación:
Practicas calificadas en Aula: Aula: peso 1 Trabajos personales : peso pes o 1 Trabajo grupal : peso 2 Promedio Practicas y trabajos = Suma (practicas y trabajos)/N practicas y trabajos
Exámenes: Parcial Parcial (1er Examen) y Final (2do examen), Sustitutorio Promedio = (EP (EP + EF+ Promedio Promedio practicas y trabajos) trabajos) /3 Practicas y trabajos en la fecha indicada.
Profesor: Profesor: Ing. Luis Martínez
[email protected]
Ing. Luis Martínez S.
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• Capitulo I.- La mecatronica y los sistemas de medición
Mecatrónica? No es una palabra palab ra simple de definir ya que se refiere a la automatización de procesos basada en la integración de los sistemas de control, concepto que analizaremos a lo largo del curso ya que el enfoque de la Meca trónica considera a los sistemas como el núcleo de su análisis. Mecatrónica se refiere al diseño integrado de los sistemas buscando un menor costo, una mayor eficiencia, una mayor confiabilidad y flexibilidad desde el punto de vista mecánico, eléctrico, electrónico, de programación y de control. La Mecatrónica adopta un enfoque integral desde estas disciplinas en lugar del enfoque secuencial tradicional del diseño partiendo de un sistema mecánico, luego el diseño de la parte eléctrica y luego su integración con un microprocesador Ing. Luis Martinez S.
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La Mecatrónica se puede tomar como la oportunidad de analizar y resolver los problemas de automatización desde una perspectiva diferente e integral, donde los ingenieros no se deben limitar a considerar únicamente la solución desde el punto de vista de su especialidad, sino en el contexto de una gama de tecnologías. Este enfoque mecatrónico será conveniente para considerar el comportamiento de cada parte del sistema en función del resultado general esperado. La Mecatrónica aborda su estudio partiendo del concepto de sistema. El sistema más simple puede considerarse como una estructura cerrada con una entrada y una salida en donde el principal interés es conocer la relación entre estas dos variables Sistema
Ing. Luis Martinez S.
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Algunos sistemas de medición
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Medición de Temperatura
Ing. Luis Martinez S.
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Transmisores de Temperatura • De bulbo • RTD (Pt100 0ºC 100 ) • Termistores (Semiconductores) • Termopares E, J, K, RS, T • Pirómetros (altas temperaturas, radiación)
Ing. Luis Martinez S.
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Termómetros Escalas termométricas Celsius y Fahrenheit.
Ing. Luis Martinez S.
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Medición Industrial INDICADOR CONVERTIDOR
Metal A
4 20 mA Cables de mV+-Tol. compensacion Tr
Tm
E (Tm-Tr)
Metal B TERMINAL DE CABEZAL
UNION DE REFERENCIA
Ing. Luis Martinez S.
SISTEMA DE MEDIDA
Indication °C / °F
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Termopares T2
T1 I
T
Termopar
M Ing. Luis Martinez S.
En la unión de ciertos metales se genera una f.e.m. si los extremos están a temperaturas diferentes. La f.e.m. depende de la diferencia de temperatura Medida: Se opone una tensión conocida a la del termopar hasta que la salida del amp. diferencial es nula 26
Termocupla I
Efecto Seebeck: f.e.m. ==> f ( T )
V
• Rangos: • -200 a 4000 °C 10mV - 50 mV • Sensibilidad: • 10 a 50 µV/°C • Baja Sensibilidad
Ing. Luis Martinez S.
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Tipos de Termocupla
• J : Fe-Constantan (Fe-C) • K : Cr-Aluml (Cr-Al)
• T : Cu-Constantan (Cu-C) • Otros: W, Rh, Pt • Exactitud : 1 - 3% • Respuesta : Lenta (seg.) Linealidad : No
muy buena
Ing. Luis Martinez S.
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Thermocouple Type
Names of Materials
Useful Application Range
B
Platinum30% Rhodium (+) Platinum 6% Rhodium (-)
2500 -3100F 1370-1700C
C
W5Re Tungsten 5% Rhenium (+) W26Re Tungsten 26% Rhenium (-)
3000-4200F 1650-2315C
E
Chromel (+) Constantan (-)
200-1650F 95-900C
J
Iron (+) Constantan (-)
200-1400F 95-760C
K
Chromel (+) Alumel (-)
200-2300F 95-1260C
N
Nicrosil (+) Nisil (-)
1200-2300F 650-1260C
R
Platinum 13% Rhodium (+) Platinum (-)
1600-2640F 870-1450C
S
Platinum 10% Rhodium (+) Platinum (-)
1800-2640F 980-1450C
T
Copper (+) Constantan (-)S. Ing. Luis Martinez
-330-660F -200-350C
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Termopares Tipo
Rango
Precisión
T
-200 250ºC
2%
J
0
750ºC
0.5%
K
0
1300ºC
1%
R/S
0
1600ºC
0.5%
W
0
2800ºC
1%
Ing. Luis Martinez S.
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Curvas de Calibración 80
• Rangos
E
Recomendado:
70
• B: 1290 °F a 3310 °F
T
60
• E: -285
J
50 µV/°C 40
• J: -300 • K: -285
K
• N:
N
30
R
20 10 -500
B
S 0
500
32 • R: 255 • S: 300 • T: -275
1830 2190 2502 2370 3214 3214 750
1K Ing. Luis Martinez S.
1.5K
2K
T (°C) 31
Pt-100 0ºC
100
La resistencia eléctrica cambia con la temperatura Puente eléctrico para la conversión a señal electrica de tensión Margen de empleo: -200 500ºC Sensibilidad: 0.4 /ºC Precisión: 0.2%
Ing. Luis Martinez S.
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Puente R
R V
R t
R
Pt100
Cuando el puente está equilibrado, la tensión V es nula. Si se modifica R t la tensión V cambia. Ing. Luis Martinez S.
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Conexión a tres hilos
Pt100
R
R V
R t
R
La longitud de los hilos de conexión influye en la medida, el tercer hilo hace que se añada la misma resistencia a cada rama y se compensa el desequilibrio producido en el puente Ing. Luis Martinez S.
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Termopozo
TERMINALES
TUBO PROTECTOR
METALES
AISLANTE
UNION DE MEDIDA Ing. Luis Martinez S.
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Termoresistencia (RTD) • Principio: – R = f(T)
• Materiales: – Pt (más usada) – W (T altas) – Otros: Ni, Cu
• Pendiente: + (siempre) • Linealidad: – Buena
• Formas: – Alambre enrollado – Film metálico
• Film: – Respuesta rápida – Bajo costo – Alta resistencia • Alambre: – Masivo – Mas estable en el tiempo • Auto calentamiento – Bajo • Valores típicos – 100, 200 ohms
Ing. Luis Martinez S.
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RTD 0,0005” diam.
Aislante
Cu Ag
Pt
Ing. Luis Martinez S.
0.010” espeso 37
PIROMETROS INFRAROJOS • Todos los cuerpos emiten ondas
electromagnéticas o radiación dependiendo de la temperatura a la que se encuentran • La energía radiada y su longitud de onda están de acuerdo a la temperatura • Por lo que se puede medir la temperatura del cuerpo sin contacto con él • Basan su funcionamiento en la emisividad de los cuerpos Ing. Luis Martinez S.
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RADIACIÓN DE INFRARROJOS Todo cuerpo sobre el cero absoluto de temperatura (-273°C), irradia una energía con una longitud de onda que se encuentra en el infrarrojo (0,76 – 1.000 µ), del espectro electromagnético. El espectro visible es de 0,4 µ para la luz ultravioleta hasta alrededor de 0,75 µ, para la luz roja. Para los propósitos prácticos de medición de temperatura el espectro infrarrojo se extiende de 0,75 µ a 20 µ.
Ing. Luis Martinez S.
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EMISIVIDAD DE LOS MATERIALES Material Aluminio*
Emisividad 0,03-0,30
Material
Emisividad
Plomo*
0,50
Asbesto
0,95
Piedra caliza
0,98
Asfalto
0,95
Aceite
0,97
Basalto
0,70
Pintura
0,93
Latón*
0,50
Papel
0,95
Ladrillo
0,90
Plástico**
0,95
Carbono
0,85
Caucho
0,95
Cerámica
0,95
Arena
0,90
Concreto
0,95
Piel
0,98
Cobre**
0,95
Nieve
0,90
Polvo
0,94
Acero**
0,80
Alimento Congelado
0,96
Textiles
0,94
Hielo
0,98
Agua
Hierro*
0,70
Madera***
0,95-0,99 0,94
* oxidado ** opaco ***natural
Ing. Luis Martinez S.
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APLICACIONES
Detector de metal Caliente
Ing. Luis Martinez S.
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Medición de Presión
Ing. Luis Martinez S.
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Presión. La presión puede definirse como “la magnitud física que
expresa la fuerza ejercida por un cuerpo sobre la unidad de superficie”. P = F/A
Donde P es la presión, F la fuerza y A el área sobre la cual se aplica la fuerza.
Ing. Luis Martinez S.
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La presión se clasifica en dos grandes grupos: • Presión relativa: que tiene como punto de referencia la presión atmosférica, y • Presión absoluta: que tiene como referencia el cero absoluto de presión
Pabs = Patm+ P man
Ing. Luis Martinez S.
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Unidades de Presión: 1 N/m2=1 Pascal (Pa) 1 kN/m2=1000 N/ m2 1 kPa=1000 Pa 1 MPa=106 Pa En el sistema inglés: 1lb-f/pulg2 = 1 p.s.i. (poundal, square, inch). En la industria del gas se usa con frecuencia el bar y el milibar (mbar) En la ventilación industrial se usa frecuentemente pulg Hg, pulg H2O, psi. 1 mbar = 0.001bar La presión también se mide en atmósferas (atm) 1 atm = 14.7 p.s.i. 1 atm = 1.033 kg-f/cm2 Ing. Luis Martinez S.
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Ejemplo Si en la descarga de un compresor de gas, la presión relativa o manométrica es de 18 psi y en la succión del mismo hay un vacío de 3 psi, entonces: Presión
absoluta en la descarga = = 14.7 + 18 = 32.7 psi Presión relativa de succión = -3 psi Presión absoluta de succión = 14.7 – 3 = 11.7 psi
Ing. Luis Martinez S.
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Ejem: En una piscina cuyas dimensiones son 30*120 pies, la altura hasta la cual está llena de agua es de 6 pies. ¿Cuál es la presión manométrica o relativa en el fondo de la piscina? La densidad del agua es de 62.4 Lb/pie 3
Utilizando la formula: p=h*d p =6 pies*62.4 Lb/pie3 p =374.4(Lb/pie2)(1pie2/144pulg2) p =374.4/144 (lb/pulg2) = 2.6 psi. Ing. Luis Martinez S.
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Transmisores de presión • Presión absoluta • Presión manométrica • Presión diferencial
Medidas basadas en: •Desplazamiento •Galgas •Piezoelectricidad Ing. Luis Martinez S.
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Potenciómetro
Sensor de desplazamiento Inducción
Capacidad
Ing. Luis Martinez S.
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Galgas / Efecto Hall La deformación varia R
Galgas extensiométricas
N Efecto Hall
Corriente
Fuerza S Ing. Luis Martinez S.
50
Sensor piezoeléctrico Fuerza + Cristal de cuarzo
-
Placa metálica
Ing. Luis Martinez S.
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Instrumentos para medir presiones estáticas • Los instrumentos más comunes para medir presiones
estáticas es decir fluídos en reposo; pueden ser los manómetros de columna liquida, los manómetros de deformación elástica (manómetros de Bourdon) y los manómetros de peso muerto. • A continuación realizaremos una breve descripción de cada una de ellos. • Manómetro de columna liquida o manómetro diferencial.- Se usan para medir presiones pequeñas, consiste en un tubo en U en cuyo interior contiene un líquido puede ser mercurio o aceite coloreado sujeto en una tabla o plataforma fija, puede ser vertical o inclinado Ing. Luis Martinez S.
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Los manómetros de columna liquida también se pueden usar para medir presiones menores que la atmosférica es decir presiones vacuométricas en cuyo caso se llama “Vacuometro”,
a) Manómetro en situación normal, el líquido esta en el mismo nivel en ambos lados de la columna. b) Manómetro conectado a un tanque que contiene gas natural a una presión mayor que la atmosférica, la columna de líquido sube una altura H. c) Manómetro conectado a un tanque que contiene gas natural a una presión menor que la atmosférica, la columna de líquido baja una altura H. Ing. Luis Martinez S.
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Ejemplo:
• • • •
La lectura de un manómetro indica 26 ” Hg; de vacío; determinar la presión absoluta en psi y kN/m 2. 1atm = 29.9”Hg = 100 kN/ m2 =14.7 psi Presión absoluta = Patm - Pvacío Pabs= 29.9”-26” = 3.9 “ Hg Pabs = 3.9” Hg*(14.7 psi/29.9” Hg) = 1.917 psi
• Pabs= 3.9” Hg*(100 kN/m2/29.9” Hg) =
Pabs = 13.04 kN/m2=13.04 kPa
Ing. Luis Martinez S.
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Manómetro de Bourdon Es el mas común de los manómetros de deformación elástica, basan su principio de funcionamiento en la deformación elástica de elementos flexibles (ley de Hooke). Normalmente son tubos metálicos curvos de sección elíptica y tienen tendencia a enderezarse cuando se les somete a una presión interna. Si uno de los extremos del tubo esta fijo, el otro experimenta un desplazamiento que depende de la magnitud de la presión aplicada. Si la presión interna del tubo es menor que la externa el tubo tendrá tendencia de curvarse aún mas. Como la presión externa que rodea el tubo es la presión atmosférica el manómetro de Bourdon sirve para determinar presiones manométricas. Ing. Luis Martinez S.
55
Manómetro de Bourdon
Esquema constructivo de un manómetro de Bourdon, generalmente consta de un tubo de sección elíptica que al deformarse por la presión del gas mueve una aguja calibrada a través de un resorte.
Ing. Luis Martinez S.
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Funcionamiento del manómetro de Bourdon Los manómetros de Bourdon tienden a enderezarse si la presión interna es mayor que la atmosférica entonces la aguja del reloj gira en sentido antihorario y marca presiones, manométricas positivas, pero si la presión externa es menor que la presión atmosférica el tubo tendera a curvarse mas con lo cual la aguja girara en sentido horario marcando presiones negativas o vacuométricas.
Ing. Luis Martinez S.
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Escalas de los manómetros de Bourdon
(a)
(b)
Manómetros con escalas en psi. a) Manómetro para medir presiones positivas de 0 a 100 psi. b) Manómetro compuesto por dos escalas de 0 a 100 psi y escala negativa de 0 a -30 pulg Hg para medir presiones vacuométricas. Ing. Luis Martinez S.
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Características del manómetro de Bourdon • Su rango de trabajo puede variar de 0 a 98 MPa. • Requieren aferición periódica por cuanto llegan a sufrir • • •
•
deformación permanente, recalibración frecuente. Son susceptibles a altas temperaturas y al ataque de fluídos corrosivos. Son muy sensibles a las vibraciones. Poseen una precisión de 0.25 a 2% del fondo de escala ó a plena escala, y se calibran generalmente en kg/cm 2. Sin embargo para aplicaciones especiales pueden llevar otras graduaciones por ejemplo: mm Hg o m H 2O. Los vacuómetros normalmente se gradúan en mm Hg. Para presiones muy bajas normalmente se utilizan los manómetros de diafragma o de fuelle.
Ing. Luis Martinez S.
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Presión
Ing. Luis Martinez S.
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Manómetros diferenciales para presiones muy pequeñas
Cuando las presiones a medir sean muy pequeñas por ejemplo menos de 100 mm de columna liquida no es posible utilizar el manómetro en U o el Bourdon de manera directa, normalmente se utiliza tres tipos de instrumentos que son: Manómetro de columna liquida inclinada, Manómetro de dos fluídos y el micromanómetro.
Ing. Luis Martinez S.
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Manómetros diferenciales para pequeñas presiones
(b) (a) Manómetros de columna liquida para pequeñas presiones:
(c)
a) Manómetro en U inclinado, b) Manómetro inclinado de una sola rama, la altura h equilibra la presión medida pero se toma como lectura la distancia h1, conociendo la inclinación se determina h, c) Manómetro inclinado de tiro.
Ing. Luis Martinez S.
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Presión Estática, de velocidad y total.- En el estudio de los flujos se emplean conceptos básicos que caracterizan el movimiento del fluído, encontrándose dentro de ellos el caudal, la presión estática, la presión de velocidad y total, que pasamos a describir a continuación: a) Presión Estática (pe).- La presión estática es la parte de la presión del fluido debido solamente al grado de compresión del mismo, también se entiende como la fuerza por unidad de superficie ejercida en todas las direcciones y sentidos únicamente por las partículas del fluído, al margen de la dirección y sentidos de la velocidad. Puede existir un fluído en movimiento o en reposo, ya que todo fluído ejerce una presión sobre las paredes del recipiente que lo contiene, ejerciéndose por igual en todas las direcciones, siendo su valor igual al cociente entre el valor de esa fuerza y la superficie que recibe su acción. Ing. Luis Martinez S.
63
b) Presión de velocidad (pv).- La presión de velocidad es la parte de la presión del fluído debido solamente al movimiento del mismo en forma conjunta. También podemos decir que la presión de velocidad de un flujo de fluído es la fuerza por unidad de superficie que equivale a la transformación total de la energía cinética en energía de presión. La presión de velocidad es siempre positiva y se manifiesta únicamente en el sentido de la velocidad. El movimiento del fluído como ya se dijo, es debido básicamente a la diferencia de presiones que existen entre dos puntos. Por lo tanto, la velocidad del flujo depende de la resistencia que encuentre en su recorrido la corriente del flujo. Al igual que cualquier otra cosa que se mueve, el aire ejerce presión contra los obstáculos a su paso y es proporcional a su velocidad.
Ing. Luis Martinez S.
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c) Presión total (pt).- La presión total es debido
al grado de compresión del fluído y a su movimiento. Es la suma algebraica de la presión de velocidad y de la presión estática en un punto. Si el aire se encuentra en reposo, la presión total será igual a la presión estática. Es oportuno observar como ejemplo que, mientras la presión estática es negativa en la aspiración y positiva en la impulsión, la presión de velocidad es siempre positiva, por lo que la presión total es la suma algebraica de ambas. Presión total = presión estática + presión de velocidad Ing. Luis Martinez S.
65
Medición de presiones de velocidad La presión de velocidad es más difícil de medir por que no se puede separar de la presión estática, la cual siempre lo acompaña. La única excepción de una medida hecha en la descarga a la atmósfera abierta al final de la tubería, en cuyo caso la presión estática es cero. Para obtener la presión de velocidad en un ducto o tubo es necesario medir la presión total y la presión estática simultáneamente, la diferencia entra ellas dos es la presión de velocidad.
Ing. Luis Martinez S.
66
Tubos de Pitot y manómetro en un ducto de impulsión. En conductos de impulsión las presiones estáticas (p e) y total (pt) son positivas, resultando una sobrepresión.
(a)
(b)
(c)
a) Mide la presión de velocidad, b) Mide la presión estática, c) Mide la presión total del flujo. Ing. Luis Martinez S.
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Tubos de Pitot y manómetro en un ducto de aspiración. En los conductos de aspiración las presiones estática (pe) y total (pt) son negativas; en consecuencia se tiene una depresión.
(a)
(b)
a) Mide la presión de velocidad. b) Mide la presión estática. c) Mide la presión total del flujo. Ing. Luis Martinez S.
(c)
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Celdas de carga
“Strain Gauges” –Tensión mecánica --> R = f(F)
Fuerza
R = ρ l/A Ing. Luis Martinez S.
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Capacitivo
Capacidad ----- f(P)
C = ε A/d Ing. Luis Martinez S.
70
Piezoeléctrico
Cristales ----- f(P)
V = kP Ing. Luis Martinez S.
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Sensores de Presión
Ing. Luis Martinez S.
72
Ejemplos
Ing. Luis Martinez S.
73
Ejemplos
Presión en proceso Ing. Luis Martinez S.
74
Ejemplos
Presión diferencial Ing. Luis Martinez S.
75
Medición de Nivel
Ing. Luis Martinez S.
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Level
Ing. Luis Martinez S.
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Transmisores de nivel • Desplazamiento – Flotador – Fuerza: Principio de Arquímedes
• Presión diferencial • Capacitivos • Ultrasonidos • Radar Ing. Luis Martinez S.
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MEDIDORES DE NIVEL Los medidores de nivel pueden clasificarse en dos grupos generales: directos e indirectos Medidores Directos Son los primeros aprovechan la variación de nivel del material (líquido o sólidos granulares) para obtener la medición. Medición por Ultrasonido
Ing. Luis Martinez S.
79
Medidores Indirectos Los segundos, usan una variable, tal como presión, que cambia con el nivel del material. Para cada caso, existen instrumentos mecánicos y eléctricos disponibles. Medición con Transmisión de Presión Diferencial
Ing. Luis Martinez S.
80
MANTENIENDO UN CONTROL DE NIVEL Un circuito de control de nivel hace lo siguiente: 1. Mantiene el nivel de un líquido en un tanque o recipiente. 2. Mantiene el nivel del líquido a niveles preseleccionados determinados por el punto de ajuste en el controlador. 3. Fija el líquido en un nivel ajustado por el operador. 4. Indica el nivel del líquido. 5. Realiza funciones auxiliares tales como de alarma o control de paro.
Ing. Luis Martinez S.
81
Sensores de Nivel • Indirectos – Presión Hidrostática
• Directos
– Balanza
• Mirilla
– Eléctricos
• Flotador
• Conductivo
• Desplazamiento
• Capacitivo
• Sonda
• Vibración • Ultrasonido • Micro- Ondas • Radiactivo
Ing. Luis Martinez S.
82
Flotador • Acoplamiento: – mecánico. – Magnético.
• Mantenimiento
frecuente
Ing. Luis Martinez S.
83
Desplazamiento • Fuerza de empuje • Rango limitado • Interruptores/ salida
continua.
Ing. Luis Martinez S.
84
Sonda
• Pluma baja y sube
constantemente • Sólidos y líquidos
Ing. Luis Martinez S.
85
Presión Hidrostática Necesidad
de vaciar tanques para instalación y calibración. Supresión o elevación de cero. Diferencia de presiones en tanque cerrado. Columna de compensación húmeda.
100 % h 4
0% h 3
h 2
L H
Ing. Luis Martinez S.
86
Presión Hidrostática
Ing. Luis Martinez S.
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Nivel: presión diferencial Se mide la diferencia de presión entre ambas ramas Se supone la densidad constante
LT
Condensación en los tubos (p0 + gh) - p0 Ing. Luis Martinez S.
88
MEDICION DE NIVEL METODO HIDROSTÁTICO
Ing. Luis Martinez S.
89
Balanza • Celdas de Carga. • Distribución
uniforme en los apoyos
Ing. Luis Martinez S.
90
Conductivo • Detección • Control
Ing. Luis Martinez S.
91
Vibradores • Detección • Líquidos: frecuencia • Sólidos: amplitud
Ing. Luis Martinez S.
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Capacitivo • Constante
dieléctrica • Líquidos conductores y no conductores
Ing. Luis Martinez S.
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Capacitivos
Entre el electrodo y la pared del depósito se forma un condensador cuya capacidad depende del nivel de líquido Ing. Luis Martinez S.
94
Nivel: Ultrasonidos
El tiempo entre la emisión y la recepción de las ondas de alta frecuencia es proporcional al nivel
Ing. Luis Martinez S.
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Ultrasonido • Tiempo de tránsito. • Velocidad del sonido = 343 m/s • Angulo de emisión. • No para temperaturas o
presiones altas. • Vapores, espuma excesiva, turbulencia o polvo interfieren Ing. Luis Martinez S.
96
Radar • • • • • • • • •
Frecuencia: GHz Velocidad de la luz. Inmune a: presión temperatura vapores turbulencia agitación Caro
Ing. Luis Martinez S.
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Radiactivo • Rayos gamma. • Fuera del depósito • Medios Peligrosos. • Atenuación depende de
depende de densidad del medio. • Caro. Ing. Luis Martinez S.
98
Ejemplos
Presión diferencial Ing. Luis Martinez S.
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Medidores de Flujo
Ing. Luis Martinez S.
100
MEDIDORES DE FLUJO
La medición de flujo tiene el más alto porcentaje en cuanto a medición de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de ésta, ya que sin mediciones de flujo, sería imposible el balance de materiales, el control de calidad y aún la operación de procesos continuos. Existen muchos métodos para medir flujos, en la mayoría de los cuales, es imprescindible el conocimiento de algunas características básicas de los fluidos para una buena selección del mejor método a emplear. Estas características incluyen viscosidad, densidad, gravedad específica, compresibilidad, temperatura y presión, las cuales no vamos a detallar aquí. Básicamente, existen dos formas de medir el flujo: el caudal y el flujo total. El caudal es la cantidad de fluido que pasa por un punto determinado en cualquier momento dado. El flujo total de la cantidad de fluido por un punto determinado durante un periodo de tiempo específico. Veamos a continuación algunos de los métodos empleados para medir caudal. Ing. Luis Martinez S.
101
MEDICIÓN POR PRESIÓN DIFERENCIAL Utiliza dispositvos que originan una presión diferencial debido al paso de un fluido por una restricción. La razón de hacer esto es que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presiones entre dos puntos, antes y después de la restricción. Uno de estos elementos es la placa - orificio o placa perforada. Allí, el fluido sufre una disminución de su presión, la cual es mínima en el punto denominado "vena contracta". Si bien es cierto, la presión tiende a recuperarse, existe al final una pérdida de presión. Una placa- orificio se coloca en una tubería, sujeta entre dos bridas. La forma y ubicación del agujero son el rasgo distintivo de tres tipos de este dispositivo: la placa concéntrica, la excéntrica y la segmental; la selección de algunas de éstas depende de las características del fluido a medir. Existen tres tipos de tomas de presiones a ambos lados del elemento primario: tomas de bridas, tomas de tubería y tomas de vena contracta. Igualmente, aquí las características del fluido influirán en la elección de alguna de estas.Típicamente se utiliza un transmisor de presión diferencial para la toma de las presiones y el envío de una señal que represente al flujo. A esta señal sin embargo se le debe extraer la raíz cuadrada para obtener una respuesta lineal con respecto al flujo. Antiguamente se empleaban instrumentos especiales para tal fin. Hoy, esta es una función de software en instrumentos digitales. La placa perforada es finalmente, un elemento simple, barato, aunque no muy preciso, como otros dispositivos de presión diferencial. Aunque funcionalmente es sujeta a la erosión y daño, es fácil de reemplazar. Ing. Luis Martinez S.
102
MEDIDORES MAGNÉTICOS Utilizan la ley de inducción de Faraday, que establece que cuando una corriente pasa por un conductor y existe un campo magnético en dirección transversal al mismo, se crea un potencial eléctrico proporcional a la corriente. En la aplicación para medir caudal, se coloca un tubo aislado eléctricamente con un par de electrodos montados a ambos lados del tubo y rasantes con el fluido. Unas bobinas eléctricas se colocan alrededor del tubo de modo tal de generar un campo magnético en un plano perpendicular, tanto al eje del cuerpo del voltaje de salida es proporcional a la velocidad promedio del fluido; no interesa si este es laminar o turbulento. Además, es independiente de la viscosidad, densidad, temperatura y presión. Si bien es cierto, se requiere que el fluido tenga cierta conductividad mínima, la señal de salida no varía con el aumento de la conductividad, lo cual es una ventaja. En aplicaciones en donde es necesario medir flujo de masa, se puede lograr esto midiendo la densidad del fluido y multiplicando las dos señales. Ing. Luis Martinez S.
103
MEDIDOR A TURBINA Un instrumento de este tipo consiste de una rueda de turbina de precisión, montada en cojinetes de una porción de tubería, y una bobina electromagnética colocada en la pared de la tubería, causa el giro de la turbina a una velocidad que varía directamente con el caudal del fluido de proceso. La interrupción del campo magnético, con cada paso de cada hoja de la turbina produce un pulso eléctrico. La frecuencia de estos pulsos determina la velocidad del fluido.
Ing. Luis Martinez S.
104
MEDIDOR DE VÓRTICE La forma de medición es parecida a la de la turbina. Sin embargo, aquí un dispositivo fijo a la entrada de la tubería similar a una hélice, genera un movimiento rotatorio al fluido. Otro dispositivo, se encarga posteriormente de restablecer el caudal original al fluido. La oscilación de éste en el punto de medición, es proporcional al caudal. Estas oscilaciones producen variaciones de temperatura en un sensor colocado en el área, variaciones que luego se convierten en pulsos de voltaje que son amplificados, filtrados y transformados en ondas cuadradas para ser luego ingresados a un contador electrónico.
Ing. Luis Martinez S.
105
MEDIDORES DE FLUJO TOTAL Dentro de este tipo de dispositivos se tienen los denominados medidores de desplazamiento positivo, los cuales, separan la corriente de flujo en incrementos volumétricos individuales y cuentan dichos incrementos. Los medidores son fabricados de modo tal que cada instrumento volumétrico es conocido en forma precisa y la suma de estos incrementos da una medida muy aproximada del volumen total que pasa a través del medidor. La mayoría de los medidores de desplazamiento positivo son de tipo mecánico y usados principalmente para medir cantidades totales del fluido a ser transferido y a menudo se asocian a otros dispositivos para lograr acciones de indicación, registro o control. Entre los más utilizados, figuran los de disco oscilante, pistón oscilante, cicloidal, oval, birrotor, etc. Los medidores de flujo de masa en sus diversos tipos y los computadores de flujo, constituyen hoy en día una muestra del avance de la tecnología en la medición de esta variable. El medidor tipo Coriolis es un ejemplo de los primeros. Aquí el fluido fluyendo a través de un tubo vibrante causa una deflexión en el tubo proporcional al flujo de masa. Estos medidores tienen gran exactitud. Ing. Luis Martinez S.
106
Transmisores de Caudal • Presión diferencial • Electromagnéticos • Turbina • Vortex • Efecto Doppler • Másicos (Coriolis) …..
Ing. Luis Martinez S.
107
Tubo Pitot Es un instrumento que permite medir la velocidad de los fluídos, consta de un tubo en U, que permite medir la presión de la velocidad de un fluído. Este instrumento consiste básicamente en dos tubos metálicos en dos tubos metálicos concéntricos entre si y conectados a un manómetro diferencial. Mide puntualmente la presión de velocidad del fluído, que circula en el interior de un ducto o tubería, como la diferencia (∆p) entre su presión total tomada por el tubo externo. A partir de esta diferencia obtiene la velocidad puntual del fluído mediante la ecuación: Donde: Q = Caudal
Q
kA
2 p
∆p = Presión de velocidad ρ =
Densidad del fluído k = Constante del instrumento.
A = sección del ducto Ing. Luis Martinez S.
108
Tubo de Pitot (b)
(a) 1
2
a) tubo de Pitot con dos tomas para medir la presión estática (1) y la presión de velocidad (2). b) esquema de un tubo real de pitot, el cual tiene tubos
.
concéntricos para determinar la presión de velocidad Ing. Luis Martinez S.
109
Características del tubo de Pitot
• • • • • • • •
Es un instrumento sencillo y de fácil manejo utilizado principalmente para gases y también para líquidos. Puede obstruirse cuando el fluído arrastra sólidos. Su rango de utilización es de 0 a 2500 mm de H2O. Permite mediciones en un amplio rango de temperaturas. Es utilizado en ductos de diámetro mayor de 150mm. Las perdidas de carga que origina son despreciables. Su diámetro debe ser menor o igual a 1/40 del ducto. Para velocidades inferiores a 2 m/s debe usarse anemómetros. En caso de obstrucción puede limpiarse usando aire comprimido. Su precisión varia de 1.0 a 4.0 % según su operación. Ing. Luis Martinez S.
110
Caudal TUBO PITOT Primario generador de presión diferencial apto para la medición en grandes cañerias (tipicamente de 8" a 40") a muy bajo costo y con una perdida de carga despreciable. despreciable. Una de sus principales ventajas es que puede ser montado bajo presión sin interrumpir el servicio
Ing. Luis Marti
S.
111 11 1
Tubo de Pitot
BAJA PRESION
ALTA PRESION
FLUJO
TUBO PITOT
Ing. Luis Martinez S.
112
Anemómetros Los anemómetros miden puntualmente la velocidad de fluídos exteriores. Consisten en un rotor, dotado de álabes metálicos inclinados, acoplado a un mecanismo que determina sus revoluciones. Algunas de las características de los anemómetros son las siguientes: • Ideales para gases con velocidades de 0.25 a 30 m/s. • Trabajan en un rango de temperaturas de 0 a 80 ºC. • Son más delicados que el tubo de pitot. • Existen dos tipos muy conocidos: de hilo caliente e impelente. • Se usa frecuentemente para medir al velocidad del viento o el aire. Ing. Luis Martinez S.
113
Placa orificio Es un dispositivo estacionario que mide la diferencia de presión estática antes y después de un disco metálico cuyo centro tiene un orificio calibrado. Se instala en ductos y tuberías en cuyo interior circula el fluído. La diferencia de presiones (∆p) es tomada por un
manómetro diferencial y esta relacionada con el caudal (Q) según la ecuación siguiente: 2ΔΔ Q kA ρ • •
• •
Algunas de las características de la placa orificio son las siguientes: Es un instrumento sencillo y de bajo costo. Necesita tramos rectos, libres de cualquier obstrucción, tanto aguas arriba como aguas abajo. Admite presiones de fluído hasta de 98 MPa. Se utiliza con vapores, líquidos y gases. Ing. Luis Martinez S.
114
Placas de orificio P1
P2
Basada en la medida de presión diferencial D
d
2
q
C 1
D2 4
2g(P1
P2 )
4
d D
Ing. Luis Martinez S.
115
Ing. Luis Martinez S.
116
Características de una placa de orificio • • • • • • • •
Algunas de las características de la placa orificio son las siguientes: Es un instrumento sencillo y de bajo costo. Necesita tramos rectos, libres de cualquier obstrucción, tanto aguas arriba como aguas abajo. Admite presiones de fluído hasta de 98 MPa. Se utiliza con vapores, líquidos y gases. Ocasiona pérdidas de presión irrecuperables en la línea. Su exactitud depende del grado de desgaste de su canto. Las fluctuaciones de presión ocasionan errores de lectura. Su precisión es del orden del 1.0 % del fondo de la escala. Ing. Luis Martinez S.
117
Placa de orificio
Vista de un medidor de placa orificio, se puede ver que la diferencia de presiones medida por el manómetro permite determinar la velocidad del fluído conociendo la relación de áreas. Ing. Luis Martinez S.
118
Caudal PLACA ORIFICIO Aptas para medir caudal de todo tipo de fluido en forma sencilla y económica. Pueden ser diseñadas en base a las normas ASME, AGA, ISA, etc. Estan disponibles en materiales tales como AISI-316, Monel, Hastelloy C, PVC, etc. Se proveen junto a accesorios como bridas portaplaca, juntas, tramos de medición, etc.
Ing. Luis Martinez S.
119
Placa de orificio
Ing. Luis Martinez S.
120
Tubo Venturi Es un aparato que permite evaluar el caudal o velocidad de los fluidos líquidos y gases. Funciona de manera análoga a la placa orificio. Consiste básicamente en un tubo formado por una garganta recta entre dos troncos de cono. Una toma de presión estática se realiza en la garganta y la otra a la salida del instrumento. Ambas tomas estan conectadas a un manómetro diferencial. Algunas de las características del tubo venturi son las siguientes: • Se utiliza para medir los flujos de líquidos y gases. • Introduce una perdida de presión inferior a la placa orificio. • Su precisión es del orden del 0.5 % de la lectura. Ing. Luis Martinez S.
121
Tubo de Venturi
Tubo de venturi con manómetro diferencial para medir el caudal de un flujo. Ing. Luis Martinez S.
122
Tubo de Venturi
FLUJO
ALTA PRESION
BAJA PRESION
Ing. Luis Martinez S.
123
Caudal TUBO VENTURI Aplicable a la medición de caudal en grandes cañerías donde se requiera una caída de presión permanente muy baja o un elemento primario de fácil trazabilidad. Disponibles en gran variedad de materiales y de conexiones a proceso
Ing. Luis Martinez S.
124
Tubo de venturi y Pitot
Ing. Luis Martinez S.
125
Contador Volumétrico
• • • • •
Es un medidor estacionario constituido básicamente de un disco que gira, en el interior de una cavidad, al paso del líquido. El disco está acoplado a un mecanismo de lectura acumulativa. Algunas de las características del contador volumétrico son las siguientes: No tiene competidor para flujos bajos de líquidos viscosos. Puede medir caudales hasta de 10 000 m 3/h. La presión del líquido puede alcanzar los 0.98 MPa. Es sensible a las impurezas del líquido. Su precisión es del orden del 2.5% del fondo de la escala. Ing. Luis Martinez S.
126
Caudal EFECTO DOPPLER Es un instrumento ultrasónico de costo muy accesible que permite medir caudal instantáneo y volumen totalizado de líquidos sin invadir la cañería. La tecnología con la que opera lo hace apto para medir líquidos que arrastren sólidos (Ej.: efluentes). De muy fácil programación, posee además salida de 4 - 20 mA y de RS-232 para adquisición de datos
Ing. Luis Martinez S.
127
Tobera
FLUJO
BAJA PRESION ALTA PRESION
Ing. Luis Martinez S.
128
Medición de flujo 10 0 80 60 40 20 0
A
C Curva de presión
B DISTANCIA
10 0 80 60 40 20 0
Fluj o PUNTO DE VENA CONTRACTA
Concéntrica
Excéntrica Ing. Luis Martinez S.
Segmental
129
Presión diferencial
Ventajas: • Bajo costo de adquisición inicial. • Tecnología simple y aceptada. • Aplicaciones en grandes diámetros de tubería. Desventajas: • • • • •
Poca precisión. Corrimientpos en la medición. Caída de presión significativa. Rangeabilidad limitada. Medida basada en volumen. Ing. Luis Martinez S.
130
Turbinas
Ventajas: • Bajo costo de adquisición inicial. • Excelente repetibilidad. • Tecnología aceptada. • Baja caída de presión. Desventajas: • Precisión depende de la densidad. • Partes móviles de mantenimiento frecuente (rodamientos, etc). • Medición unidireccional. • Factor de calibración para cada fluído. • Requiere eliminadores de aire y enderezadores de flujo. • Medida basada en volumen. Ing. Luis Martinez S.
131
Ing. Luis Martinez S.
132
Caudalímetros electromagnéticos
N B S
N
+ S
Ing. Luis Martinez S.
En el conductor (líquido) que circula a una velocidad en el seno del campo B se induce una f.e.m proporcional a la velocidad, que se recoge en los electrodos 133
MEDIDORES ELECTROMAGNÉTICOS
Ing. Luis Martinez S.
134
LEY DE FARADAY
Ui = B x l x v – Ui = Voltaje inducido – L = Longitud del Conductor – B = Intensidad del campo
magnético – v = Velocidad del conductor Ing. Luis Martinez S.
135
LEY DE FARADAY
• Ui = L x B x v – Ui = Voltaje Inducido – L = Diámetro interior = k1 – B = Intensidad del campo
magnético = k2 – v = velocidad del conductor – k = k1 x k2
• Ui = k x v, la señal en el
electrodo es directamente proporcional a la velocidad del fluído. Ing. Luis Martinez S.
136
Ing. Luis Martinez S.
137
MEDIDOR VORTEX PRINCIPIOS
• Brisa ligera - flujo
laminar, no se forman remolinos • Brisa mayor - flujo en
transición, Formación de remolinos irregulares • Fuerte viento - Flujo
turbulento, Remolinos de patrón regular
Ing. Luis Martinez S.
138
Via Vortex Von Karman
• Formación de Vórtices continuamente • Alternados lado a lado • Frequencia es proporcional a la
velocidad Ing. Luis Martinez S.
139
S E Ñ A L S A L I D A
20 mA
Lineal con el Flujo 4 mA
Q=0 QMIN
QMAX Régimen de Flujo
Ing. Luis Martinez S.
140
Ventajas del flujómetro Vortex •
La señal de flujo es digital –
–
•
•
•
•
•
•
No hay corrimiento del cero Salida de pulsos para totalizador
Bajo costo de instalación Amplia Rangeabilidad Salida inherentemente lineal Baja caída de presión Aplicaciones en líquidos, vapor, o gas Inmune a cambios en la densidad & viscosidad Ing. Luis Martinez S.
141
Construcción Mecánica probada en el campo Amplificador • Disponible en Remoto
Indicador /Totalizador
Empaquetadura • Alta confiabilidad
Local/ Interface
Cuerpo • Categoría ANSI full
Sensor Herméticamente sellado
Barra de Vortex • Metal sólido • Construcción robusta • No partes móbiles
Ing. Luis Martinez S.
142
Aplicaciones
•
Mejores Aplicaciones – – – –
•
Fluidos limpios de baja viscosidad (< 3cp) Vapor & gas Hidrocarburos de baja viscosidad Agua, químicos de baja corrosión
Aplicaciones marginales – – –
Líquidos moderadamente viscosos (< 7cp) Químicos moderadamente corrosivos Pulpas ligeras ( less than 1%) Ing. Luis Martinez S.
143
Flujómetro Másico Tipo Vortex
Ing. Luis Martinez S.
144
Principio de Medición Lineal con el Flujo
Fluctuaciones Alternadas (F)
Velocidad (V)
Voltaje Frecuencia
Voltaje V2 Frecuencia V Voltaje V Frecuencia
Ing. Luis Martinez S.
145
Magnéticos
Ventajas: • Bajo costo de adquisición inicial. • No intrusivo. • Tecnología aceptada. • Aplicaciones en grandes diámetros de tuberia. • Mide fluídos erosivos. Desventajas: • No puede medir hidrocarburos u otro fluído no conductivo. • Limitada rangebilidad. • Requiere tubería recta antes y despues del medidor. • Factor de calibración para cada fluído. • Medida basada en volumen. Ing. Luis Martinez S.
146
Desplazamiento positivo (PD)
Ventajas: • Bajo costo de adquisición inicial para diámetros pequeños. • Bueno para fluídos viscosos. • Tecnología aceptada. Desventajas: • Precisión depende de la viscosidad. • Partes móviles de mantenimiento frecuente (rodamientos, etc). • Medición unidireccional. • Factor de calibración para cada fluído.
Ing. Luis Martinez S.
147
Desplazamiento positivo (PD)
Cont.
Desventajas. • No maneja sólidos en suspensión por originar daños internos. • Puede requerir eliminadores de aire y filtros. • Medición unidireccional. • Costoso para diámetros superiores a 4”.
volumen • Medida basada en Ing. Luis Martinez S.
148
Comparación de Flujómetros másicos Tipo Fluido
Vortex Mass D/P(PT co..) Gas,Vapor Gas,Vapor (Liquido) (Liquido)
Thermal Gas
Coriolis Liquido
T1 T2 Principio
Tamaño (mm) Precisión
f F F = V2 = V f V 50~100 (15~300) 2%
Q=SQR( p) M=Q*PTcomp. 50~1000
T=T2-T1
M=C* T > 15
Depende de 1~2% Aplicación
Ing. Luis Martinez S.
t
M=A* t PT1/4~150 0.5%
149
Guía de Instalación Toma de Presión y toma de Temperatura
Computador Flujo Masa Transmisor Temperatura
Transmisor Presión
3.5 a 7.5 D 1a2D
Ing. Luis Martinez S.
150
Método de entubado para Mantener la Precisión Longitud mínima de tubería recta aguas arriba Te
curva
10 D
10 D
Expansión
Válvula control 10D
Reducción
Válvula compuerta abierta
30-50D
10D Conecxión directa OK
10D Ing. Luis Martinez S.
5D 151
Método de entubado para llenar el sensor con Liquido a medir Líquidos Conteniendo burbujas Bueno
Malo
Bueno
Ing. Luis Martinez S.
Malo
152
Método de entubado para Aplicaciones de Líquidos Malo
Bueno
Válvula deControl
Ing. Luis Martinez S.
153
Método de entubado para llenar el sensor con el líquido a medir Bueno
Bueno
Bueno
Malo
Ing. Luis Martinez S.
154
Método de entubado para Aplicaciones de Gas Malo
Bueno
Ing. Luis Martinez S.
155
Método de entubado para Aplicaciones de Gas Aplicación normal Control Valve
Mal
Bien
Aplicación con posibilidad de flujo pulsante Control Mal Bien Valve
Ing. Luis Martinez S.
156
Efectos de la Viscosidad (GPM)
MAX.
200
E T A R 100 W O L F 50 R A E N I L 20 . N I M 10
1
Flujo MIN. VS. VISCOSIDAD para YEWFLO 2”
2
5 10 20 VISCOSIDAD DEL FLUIDO (cSt)
Ing. Luis Martinez S.
157
LA METROLOGIA
Ing. Luis Martinez S.
158
LA METROLOGIA ES PARTE DE LA FISICA ES LA CIENCIA DE LA MEDICION SUS TAREAS SON:
ELABORACION DE LAS BASES TEORICAS
DESAROLLO DE METODOS DE REPRODUCCION DE UNIDADES
INVESTIGACION DE LA TEORIA DE ERRORES
DESARROLLO DE TECNICAS DE MEDICION
ESTABLECER METODOLOGIAS PARA LA TRANSMISIÓN DE VALORES EN LA CADENA DE TRAZABILIDAD
CAMPOS DE LA METROLOGIA
LEGAL: Con fines de fiscalización para la defensa del consumidor
INDUSTRIAL: Garantizar cumplimiento de especificaciones de la empresa para asegurar la calidad de los productos.
CIENTIFICO: custodia de patrones de la mas alta exactitud
LA METROLOGIA INDUSTRIAL Y LEGAL
METROLOGIA LEGAL LOS REQUERIMIENTOS METROLOGICOS ESTAN EN • REGLAMENTOS • NORMAS METROLÓGICAS METROLOGÍA INDUSTRIAL LOS REQUERIMIENTOS METROLÓGICOS ESTÁN EN: • ESPECIFICACIONES DE PROCESO • ESPECIFICACIONES DE PRODUCTO • ESPECIFICACIONES DEL CLIENTE Ing. Luis Martinez S.
161
CAMPOS DE LA METROLOGIA INSTITUTO NACIONAL METROLOGIA CIENTIFICA (FUNDAMENTAL) LABORATORIOS DE CALIBRACION ORGANISMOS FISCALIZADORES METROLOGIA LEGA METROLOGIA INDUSTRIAL
COMERCIO INDUSTRIA Ing. Luis Martinez S.
162
IMPORTANCIA DE LA METROLOGIA EN EL COMERCIO: DONDE TODA TRANSACCION REQUIERE DE UNA MEDICION EN LA INDUSTRIA: PARA ASEGURAR EL CUMPLIMIENTO DE LAS ESPECIFICACIONES
CUANDO EL COSTO DE LA TRANSACCION ES ALTA O SE REQUIERE UNA GRAN EXACTITUD EN LA MEDICION, LA METROLOGIA ADQUIERE MAYOR IMPORTANCIA Ing. Luis Martinez S.
163
CAMPOS DE LA METROLOGIA LEGAL
INDUSTRIAL
CIENTIFICA
Ing. Luis Martinez S.
164
SISTEMA DE UNIDADES DEFINICION DE LA UNIDAD DEL SI REALIZACION PRACTICA
ESCALA DESC.
PATRON NACIONAL
ESC. ASCEND.
PATRONES DE REFERENCIA
PATRONES DE TRABAJO Ing. Luis Martinez S.
165
VENTAJAS DEL SISTEMA INTERNACIONAL * ES UN SISTEMA COHERENTE * POSEE UNA UNIDAD ÚNICA PARA CADA MAGNITUD * LA MAGNITUD DE FUERZA Y MASA ESTAN DIFERENCIADAS * USA COMO FACTOR DE CONVERSIÓN MULTIPLOS DE 10 * ES DE USO INTERNACIONAL Ing. Luis Martinez S.
166
ESTRUCTURA DEL SISTEMA INTERNACIONAL
UNIDADES ESPECIALIZADOS ACEPTADOS POR EL SI
UNIDADES DERIVADAS
SUBMULTILPLOS
MULTIPLOS
UNIDADES SUPLEMENTARIAS
UNIDADES BASE
Ing. Luis Martinez S.
167
REGLAS PARA EL USO DEL SI
DEL NOMBRE DE LAS UNIDADES
DE LOS SIMBOLOS
DE LOS PREFIJOS
ESCRITURA DE NÚMEROS
REDONDEO DE VALORES
REPRESENTACION DEL TIEMPO
LOS MEDIOS DE MEDICION TODO LO QUE SE USA PARA MEDIR, INCLUYE:
INSTRUMENTOS,
MATERIALES DE REFERENCIA, PATRONES,
DISPOSITIVOS DE MEDICION,
EQUIPOS PARA ENSAYOS,
EQUIPOS AUXILIARES, SOFTWARE,
ETC.
CLASIFICACION DE LOS MEDIOS DE MEDICION POR SU DESTINO METROLOGICO
PATRONES DE EMPRESA (DE REFERENCIA)
MEDI OS DE MEDI CION PATRON
PATRONES: PARA VERIFICAR EL ESTADO DE CALIBRACION MEDI OS DE
MEDIOS DE MEDICION DE TRABAJO PARA INSPECCION O PARA EL CONTROL DE PROCESO Ing. Luis Martinez S.
MEDICION D E TR A B A J O 170
CARACTERISTICAS METROLOGICAS EXACTITUD: APROXIMACION AL VALOR VERDADERO ESCALA: MARCAS ASOCIADAS CON UNA NUMERACION ALCANCE: VALORES DE INDICACION EXTREMAS VALOR DE DIVISION: TRAZOS SUCESIVOS DE LA ESCALA RESOLUCIÓN: INDICACION PERCEPTIBLE EN FORMA SIGNIFICATIVA VALOR NOMINAL: VALOR REDONDEADO DE UN INSTRUMENTO SENSIBILIDAD: CAMBIO DE RESPUESTA A UN ESTIMULO ESTABILIDAD: VARIACION DE SUS CARACTERISTICAS EN EL TIEMPO LIMITE DE MEDICION: LIMITES PARA MEDIR DENTRO DE ERRORES PERMITIDOS ERRORES MAXIMOS PERMISIBLES: VALORES PERMITIDOS PARA UN INSTRUMENTO REPETIBILIDAD: CAPACIDAD DE UN INSTRUMENTO PARA DAR INDICACIONES PROXIMAS HISTERESIS: DIFERENCIA MAXIMA ENTRE LA ESCALA ASCENDENTE Y DESCENDENTE Ing.UN Luis INSTRUMENTO Martinez S. DE ACUERDO A SUS 171 CLASE DE EXACTITUD: CLASE DE
CLASE DE EXACTITUD CLASE DE UN INSTRUMENTO QUE SATISFACE CIERTAS EXIGENCIAS METROLOGICAS COMO: ESTABILIDAD, RESOLUCIÓN, SENSIBILIDAD, ERRORES, ETC LA CLASE SE INDICA POR NUMEROS O SIMBOLOS
CLASES DE BLOQUES PATRON SEGÚN NORMAS ISO
CLASIFICACION DE BALANZAS SEGÚN NORMAS OIML (NMP):
CLASE USO RECOMENDADO 00 INVESTIGACION 0 CALIBRACION 1 VERIFICACION 2 TALLER
CLASIFICACION CLASE I ESPECIALES CLASE II FINAS CLASE III COMERCIALES CLASE IV ORDINARIAS Ing. Luis Martinez S.
172
MAGNITUDES DE INFLUENCIA IDENTIFICAR FACTORES QUE INFLUYEN EN – EN EL EQUIPO Y – EN LA MEDICION
PUEDEN SER – TEMPERATURA, – HUMEDAD, – GRAVEDAD, – CAMPOS MAGNETICOS, ETC.
ESTOS FACTORES DEBEN SER – CONTROLADOS O – SE DEBE APLICAR FACTORES DE
CORRECCION
CALIBRACION DE LOS METODOS ANALITICOS
METODOS ABSOLUTOS Señal
de un instrumento con respecto a un patrón
Calibrar la escala del refractómetro con agua u otra sustancia de valor conocido
METODOS ESTEQUIOMÉTRICOS Se determina el factor del reactivo o material Es la estandarización del reactivo,
METODOS COMPARATIVOS Se
aplica el mismo procedimiento al patrón y a la muestra Se tiene una función numérica o gráfica Ejemplo: Determinación de blancos
CALIBRACION * CONTRASTAR EL VALOR DE * UN MEDIO DE MEDICION * CON EL DE UN PATRON * A LO LARGO DE LA ESCALA DE MEDICION
* EL ERROR PERMITIDO ESTA DADO POR: LA RECOMENDACION DEL FABRICANTE PRECISION DEL MEDIO DE MEDICION UNA NORMA TECNICA
Ing. Luis Martinez S.
175
TIPOS DE ERRORES
VALOR DEL PATRON
VALOR DEL PATRON Ing. Luis Martinez S.
176
CRITERIOS PARA DETERMINAR LOS INTERVALOS DE CALIBRACION
• TIPO DE EQUIPO • RECOMENDACION DEL FABRICANTE • REGISTRO DE CALIBRACIONES ANTERIORES
• SEVERIDAD DEL USO • TENDENCIAS AL DESGASTE • FRECUENCIAS DE LA VERIFICACION • CONDICIONES AMBIENTALES Ing. Luis Martinez S. • EXACTITUD DE LA MEDICION BUSCADA
177
PERIODOS DE CALIBRACION COSTO
RIESGO
LO IDEAL
TECNICO
ECONOMICO BARATO POCO FRECUENTE
MAS FRECUENTE MUY CARO Ing. Luis Martinez S.
178
FRECUENCIA DE CALIBRACION
TIEMPO CALENDARIO
TIEMPO REAL DE USO
NÚMERO DE VECES DE UTILIZACIÓN
TOMA EN CUENTA EL DESGASTE: * POR USO * POR TIEMPO LIBRE
TOMA EN CUENTA EL USO DEL EQUIPO
TOMA EN CUENTA EL ACCIONAMIENTO
REGISTRO : * NO REQUIERE
REQUIERE REGISTRO: * DE USO U * HORAS UTILIZADAS
REQUIERE * UN CONTADOR O * UN REGISTRO DE USO
Ing. Luis Martinez S.
179
CUANDO CALIBRAR LOS EQUIPOS
AL COMPRAR O ANTES DE UTILIZARLO, SI NO TUVIERA EL CERTIFICADO
CUMPLIDA LA FECHA EN EL PROGRAMA DE CALIBRACION
DESPUES DE REALIZAR UN AJUSTE
DESPUES DE UN MANTENIMIENTO O REPARACION
EN CASO DE DUDA DURANTE EL USO O COMO
RESULTADO DE LA VERIFICACION
NORMAS METROLOGICAS PARA LA CALIBRACION OIML ISO
INTERNACIONALES
REGIONALES EAL (EUROPA) NACIONALES
NMP (PERU) DIN (ALEMANIA) JIS (JAPON)
DE ASOCIACION
ASTM API
DE EMPRES
HEWLETT PACKARD PERKIN ELMER MITUTOYO Ing. Luis Martinez S.
181
La Calibración y la Verificación
Conjunto de operaciones que establecen, bajo condiciones especificadas, la relación entre los valores de magnitudes indicadas por un instrumento o sistema de medición, o valores representados por una medida materializada o un material de referencia y los correspondientes valores reportados por patrones
Confirmación mediante examen y presentación de evidencias del cumpli miento de los requisitos especificados
Ing. Luis Martinez S.
182
LA CALIBRACION Y LA VERIFICACION
VERIFICACIONES O CONTROLES
MES 0
1
CALIBRACION REAJUSTADA
CALIBRACION PROGRAMADA
CALIBRACION INICIAL
2
3
4
5
VERIFICACIONES O CONTROLES
MES 6
FRECUENCIA DE CALIBRACION
FRECUENCIA DE CALIBRACION
6 MESES
4 MESES Ing. Luis Martinez S.
183
AFERICION METROLOGIA CONTRASTAR UN MEDIO DE MEDICION CON UN PATRON OFICIAL, CON FINES DE FISCALIZACION CON METODOS O NORMAS OFICIALES CON TOLERANCIAS APROBADAS POR UN ORGANISMO OFICIAL Ing. Luis Martinez S.
184
CALIBRACION Y VERIFICACION CONTROL DE LOS EQUIPOS VERIFICACION
11 CALIBRACION
CONFORME NO CONFORME
CONFORME DOCUMENTAR INFORME
AJUSTE REPARACION
CAMBIO DE CLASE
11
AUTORIZAR USO
DESCARTAR Ing. Luis Martinez S.
185
CALIBRACION DE LOS METODOS ANALITICOS
METODOS ABSOLUTOS Señal
de un instrumento con respecto a un patrón
Calibrar la escala del refractómetro con agua u otra sustancia de valor conocido
METODOS ESTEQUEOMETRICOS Se determina el factor del reactivo o material Es la estandarización del reactivo,
METODOS COMPARATIVOS Se
aplica el mismo procedimiento al patrón y a la muestra Se tiene una función numérica o gráfica Ejemplo: Determinación de blancos
COMPARACION DE PATRONES Y MUESTRAS MUESTRAS
PATRONES P
M1, M2, M3 .
PREPARACION ALICUOTAS
XM1, XM2, XM3
XP1, XP2, XP3
METODO DE ANALISIS SEÑAL
YM1, YM2, YM3
YP1, YP2, YP3
COMPARACION Y CALCULOS RESULTADOS
R1, R2, R3 Ing. Luis Martinez S.
187
LOS CERTIFICADOS DE CALIBRACION INFORMACION
GENERAL
IDENTIFICACIÓN
DEL LABORATORIO QUE CALIBRA TITULO DEL DOCUMENTO NUMERO DE IDENTIFICACION Y FECHA IDENTIFICACION DEL EQUIPO NUMERO DE PAGINAS DEL DOCUMENTO Y ANEXOS NOMBRE, TITULO Y FIRMA DE LOS RESPONSABLES INFORMACION
TÉCNICA
RESULTADOS DE
LA CALIBRACION EXPRESION DE LA INCERTIDUMBRE IDENTIFICACION DEL PATRON UTILIZADO TRAZABILIDAD A PATRONES DE MAYOR JERARQUIA CONDICIONES DE CALIBRACION METODO O NORMA USADO EN LA CALIBRACION ANEXOS
Certificado de calibración INDECOPI SNM
DEL DOCUMENTO Ing. Luis Martinez S.
188
ESQUEMAS DE TRANSMISION TRAZABILIDAD PATRONES PRIMARIOS
INSTITUTO DE METROLOGIA
EMPRESA
PATRONES DE TRANSFERENCIA
PATRONES DE TRABAJO MEDIOS DE MEDICION DE TRABAJO Ing. Luis Martinez S.
189
LA TRAZABILIDAD METROLOGICA
LABORATORIO INTERNACIONAL PATRONES INTER NACIONALES
LABORATORIO NACIONAL DE METROLOGIA
PATRONES NACIONALES
PATRONES CERTIFICADOS
LABORATORIOS DE CALIBRACION
PATRONES DE EMPRESA
PATRONES DE EMPRESA
EQUIPOS
Ing. Luis Martinez S.
EQUIPOS DE TRABAJO
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METODOS DE TRANSMISION COMPARACION CON AYUDA
DE UN COMPARADOR COMPARACION DIRECTA
CON EL PATRON MEDICION DIRECTA MEDICION INDIRECTA
REQUERIMIENTOS PARA LOGRAR TRAZABILIDAD PATRONES DE MEJOR CALIDAD METROLOGICA - INCERTIDUMBRE - ESTABILIDAD - RESOLUCIÓN
PATRONES PRIMARIOS
EL CERTIFICADO DE CALIBRACION PATRONES DE REFERIRSE AL PATRON USADO EN LA CALIBRACION TRANSFERENCIA VIGENTE A LA FECHA DE LA CALIBRACION REFERIRSE AL METODO USADO EN LA CALIBRACION PATRONES DE TRABAJO
METODO DE CALIBRACION NORMADO O RECONOCIDO EN EL MEDIO O VALIDADO
MEDIOS DE MEDICION DE TRABAJO Ing. Luis Martinez S.
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LOS PATRONES Y LA TRAZABILIDAD REQUERIMIENTOS DE LOS PATRONES:
ESTABLES EN EL TIEMPO
RESOLUCION
MEJOR QUE EL DEL EQUIPO
INCERTIDUMBRE LOS
MENOR QUE EL DEL EQUIPO
CRITERIOS DE ACEPTACION GENERALMENTE
ESTABLECIDOS EN LAS NORMAS TRAZABLES
A PATRONES NACIONALES O
INTERNACIONALES
REQUERIMIENTOS DEL CERTIFICADO
VIGENTE A LA FECHA DE LA CALIBRACION
REFERIRSE AL INDICAR USAR
PATRON USADO PARA LA CALIBRACION
CERTIFICADO DEL PATRON (Nro. Y FECHA)
METODOS NORMADOS, RECONOCIDOS O VALIDADOS Ing. Luis Martinez S.
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JERARQUIA DE PATRONES PATRÓN INTERNACIONAL
• PATRÓN DESIGNADO AMPLIAMENTE RECONOCIDO • CON ALTAS CUALIDADES METROLOGICAS • VALOR ACEPTADO SIN REFERENCIA A OTROS
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------PAIS • PATRÓN RECONOCIDO A NIVEL NACIONAL PATRÓN NACIONAL • ESTABLECIDO POR COMPARACION CON PATRONES INTERNACIONALES
PATRÓN DE TRANSFERENCIA
• PATRÓN UTILIZADO COMO INTERMEDIARIO PARA
COMPARAR PATRONES
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------EMPRESA
PATRÓN DE REFERENCIA
• PATRÓN DE LA MAS ALTA CALIDAD EN UNA
PATRÓN DE TRABAJO
* PATRÓN UTILIZADO PARA REALIZAR CALIBRACIONES DE EQUIPOS Ing. Luis Martinez S. 194
LOCALIDAD O EN UNA EMPRESA
TIPOS DE PATRONES PRIMARIOS:
PATRÓN DESIGNADO O RECONOCIDO COMO EL DE MAYOR CALIDAD METROLOGICA
SECUNDARIO: PATRÓN CUYO VALOR ES ESTABLECIDO POR COMPARACION CON EL PATRÓN PRIMARIO DE TRANSFERENCIA: PATRÓN UTILIZADO COMO INTERMEDIARIO PARA COMPARAR PATRONES DE REFERENCIA: PATRÓN CON LA MAS ALTA CALIDAD METROLOGICA DISPONIBLE EN UN LUGAR DE TRABAJO: PATRÓN UTILIZADO PARA REALIZAR CALIBRACIONES O COMPROBAR LAS MEDIDAS MATERIALIZADAS, DE INSTRUM. DE MEDICIÓN O MATERIALES DE Ing. Luis Martinez S.
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PATRONES METROLOGICOS REQUERIMIENTOS:
ESTABLES EN EL TIEMPO
RESOLUCIÓN
MEJOR QUE EL DEL EQUIPO
INCERTIDUMBRE
AL MENOS 1/3 MENOR
QUE EL DEL EQUIPO TRAZABLE A PATRONES
NACIONALES O
INTERNACIONALES LOS
CRITERIOS DE ACEPTACIÓN GENERALMENTE
ESTABLECIDOS EN LAS NORMAS
TRATAMIENTO DENTRO DEL SISTEMA
SUJETOS A CONTROL METROLOGICO IGUAL QUE LOS DEMÁS EQUIPOS
USO RESTRINGIDO SÓLO A CALIBRACIONES O VERIFICACIONES
DEBEN CONSERVARSE
EN CONDICIONES CONTROLADAS Ing. Luis Martinez S.
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MATERIALES DE REFERENCIA ES UN MATERIAL O SUSTANCIA CON VALORES DE SUS PROPIEDADES HOMOGENEOS Y DEFINIDOS, GENERALMENTE CERTIFICADOS , SE USA: PARA CALIBRAR EQUIPOS, EVALUAR O VALIDAR METODOS ASIGNAR
VALORES A MATERIALES
REQUISITOS QUE DEBEN CUMPLIR HOMOGENEIDAD
ESTABILIDAD
TRAZABILIDAD
EXACTITUD
SIMILITUD CON LA MUESTRA
PROPIEDADES ANALITICAS Y METROLOGICAS
M±N
EXACTITUD: GRADO DE APROXIMACION AL VALOR VERDADERO O REFERENCIAL
PRECISIÓN: GRADO DE DISPERSION DE LOS RESULTADOS
TRAZABILIDAD: RELACION CON EL PATRON O MATERIAL DE REFERENCIA
INCERTIDUMBRE : INTERVALO DENTRO DEL CUAL SE ESPERA ESTE EL RESULTADO
Ing. Luis Martinez S.
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EXPRESION DE RESULTADOS UNIDADES: DEBE EXPERSARSE PREFERENTEMENTE EN EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES, EXCEPTO CUANDO: EL CLIENTE, CONTRATO O EL MÉTODO LO EXIJA EN OTRAS UNIDADES FORMA DE EXPRESAR LOS RESULTADOS: COMO UN SOLO VALOR PUNTUAL O PROMEDIO DE VARIAS MEDICIONES COMO UN RANGO DENTRO DEL CUAL SE ESTIMA QUE ESTÁ EL VALOR UN PROMEDIO Y UNA TOLERANCIA (PRECISION O INCERTIDUMBRE) CUALITATIVO (NO ES EL CASO DE LA METROLOGIA)
CIFRAS SIGNIFICATIVAS : CUANDO SE REQUIERA REALIZAR CÁLCULOS EVITAR REDONDEOS EN LAS ETAPAS INTERMEDIAS EL PROMEDIO DEBE EXPRESARSE O REDONDEARSE CON UNA CIFRA SIGNIFICATIVA MÁS QUE EL VALOR INDIVIDUAL SI SE CALCULA LA DESVIACION ESTANDAR (NIVEL DE VARIABILIDAD) DE LOS Ing. Luis Martinez S. 199
ERRORES EN UN SISTEMA DE MEDICION DE LOCALIZACION •
SESGO
• ESTABILIDAD • LINEALIDAD
DE DISPERSION • REPETIBILIDAD • REPRODUCIBILIDAD
Ing. Luis Martinez S.
200
LA TOLERANCIA Y LA MEDICION
± Uo
e error
Uo incertidumbre
To/2
LIE
To/2
TOLERANCIA DE LA MEDICION ± to Ing. Luis Martinez S.
LSE201
LA TOLERANCIA Y LA INCERTIDUMBRE D max= 101 mm
D min= 99 mm
Representación gráfica de la especificación del diámetro de un producto: 100 ± 1 mm
T= 2 mm X Intervalo de aceptación U = 0,3Xmm
2U=0,6 mm 2U=0,6 mm X X
Tolerancia del producto T = 2 mm Incertidumbre de la medición: U
99,3 mm
100,7 mm
X
98,7 mm
T - 2U = 1,4 mm Ing. Luis Martinez S.
Intervalo de aceptación
202
LAS MEDICIONES Y LA INCERTIDUMBRE ERROR (DE LA MEDICION) ERROR SISTEMATICO
ERROR ALEATORIO
ERROR SIST. CONOCIDO
CORRECCION
ERROR SIST. DESCONOCIDO ERROR PERMANENTE
RESULTADO
INCERTIDUMBRE
x
± s/t sn/ n X ± U ( x )
Ing. Luis Martinez S.
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LABORATORIO DE METROLOGIA CONDICIONES DE REFERENCIA PARA UN LABORATORIO DE METROLOGIA (SNMINDECOPI)
TEMPERATURA : 20°C ± 1°C HUMEDAD RELATIVA: 65% ± 2% ILUMINACION : 1 000 lux RUIDO : 15 dBA
MANTENIMIENTO DE EQUIPOS
MANUAL DE SERVICIO PROGRAMA DE MANTENIMIENTO PROGRAMA DE CALIBRACION CONDICIONES DE CONSERVACION
LA CALIDAD Y LA METROLOGIA
CALIDAD TOTAL
ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD ASEGURAMIENTO METROLOGICO
Ing. Luis Martinez S.
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REQUERIMIENTO GENERAL ISO 9001
LOS EQUIPOS DE INSPECCION MEDICION Y ENSAYO DEBERAN SER UTILIZADOS DE MODO QUE SE ASEGURE QUE LA INCERTIDUMBRE DE LA MEDICION SEA CONOCIDA Y COMPATIBLE CON LA CAPACIDAD DE MEDICION REQUERIDA
REQUERIMIENTOS DE LA NORMA ISO 9001 LOS EQUIPOS SUJETOS A CONTROL METROLOGICO DEBEN : * ESTAR IDENTIFICADOS * TENER UN PROGRAMA DE CALIBRACION * LAS CALIBRACION DEBEN REALIZARSE CON PATRONES TRAZABLES A PATRONES NACIONALES * TENER REGISTROS DE LA CALIBRACION * PARA CALIBRACIONES EN LA EMPRESA, SE DEBE CONTAR CON METODOS ESCRITOS.
Ing. Luis Martinez S.
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ASPECTOS A CONTROLAR PARA LA ISO 9001 * MEDICIONES: IDENTIFICAR LAS MEDICIONES A REALIZAR, INCLUYENDO: RANGO Y EXACTITUD REQUERIDAS. * CONDICIONES AMBIENTALES: IDENTIFICAR LOS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA MEDICION Y CONTROLARLOS * CALIBRACIÓN: DEFINIR EL PROCESO DE CALIBRACIÓN PARA CADA EQUIPO (MÉTODO, FRECUENCIA, CRITERIOS DE ACEPTACION, ETC). CALIBRAR LOS EQUIPOS ANTES DE SU USO CON PATRONES TRAZABLES Y GENERAR LOS REGISTROS (INFORMES O CERTIFICADOS) * IDENTIFICACIÓN: LOS EQUIPOS SUJETOS A CONTROL DEBEN TENER UNA IDENTIFICACION ÚNICA (CODIGO) Y DEBEN TENER UNA ETIQUETA QUE IDENTIFIQUE SU ESTADO DE CALIBRACION * MANIPULEO Y CONSERVACION: LAS CALIBRACIONES Y MEDICIONES DEBEN REALIZARSE EN CONDICIONES CONTROLADAS * EVALUAR VALIDEZ DE LOS RESULTADOS: SI LOS EQUIPOS Ing. Luis Martinez S.
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EL ASEGURAMIENTO METROLOGICO USUARIO REQUERIMIENTOS METROLOGICOS DEL EQUIPO SOLICITA SERVICIO
PROVEEDOR EVALUA REQUERIMIENTO PROVEEDOR DEL SERVICIO EVALUAD YCALIBRA EQUIPO
ENTREGA DE EQUIPO VERIFICA EQUIPO Y EVALUA CERTIFICADO RESPECTO A REQUERIMIENTOS
CERTIFICADO DE CALIBRACION
CERTIFICADOS METROLOGICOS Ing. Luis Martinez S.
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