INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS “Portafolio de evidencias” MATERIA: -INSTRUMENTACIÓN Y CONTROLP R E S E N T A:
SANTIAGO BENÍTEZ JULIO CÉSAR
DOCENTE:
ING. ERIC DE JESUS MENDOZ VAZQUEZ 6B ING MECANICA Coatzacoalcos., Veracruz. Febrero del 2015
CONTENIDO 1. Objetivos de la instrumentación. 1.1. Terminología de la Instrumentación 1.1.1. Campo 1.1.2. Rango 1.1.3. Exactitud 1.1.4. Precisión 1.1.5. Repetibilidad 1.1.6. Histéresis. 1.1.7. Supresión del Cero 1.1.8. Resolución 1.2. Variables 1.2.1. Variable de control. 1.2.2. Variable controlada. 1.2.3. Variable incontrolada (wild). 1.3. Elementos 1.3.1. Elementos primarios. 1.3.2. Elementos secundarios. 1.3.3. Elementos terciarios o de control final. 1.4. Instrumentos de medición y errores 1.4.1. Clasificación de Instrumentos de Medición. 1.4.2. Errores de paralaje. 1.4.3. Errores de escala (exactitud). 1.4.4. Errores de proceso (montaje). 1.4.5. Errores de calibración. 1.5. Simbología 1.5.1. Simbología ISA. 1.5.2. Letras de identificación. 1.5.3. Simbología de señalización. 1.5.4. Códigos colores. 2. Sensores 2.1. Sensores y/o transmisores de posición binarios 2.1.1. Final de carrera. 2.1.2. Mecánicos. 2.1.3. Eléctricos. 2.1.4. Fotoeléctricos. 2.1.5. Ultrasónicos.
2.1.6. Inductivos y capacitivos. 2.1.7. Sensores y/o transmisores analógicos 2.1.8. Sensores de posición proporcionales. 2.1.9. Sensores de velocidad y aceleración 2.1.10. Sensores de fuerza, par y deformación. 2.1.11. Sistemas de medición de coordenadas y sistemas de visión. 3. Introducción a la teoría de control 3.1. Aplicaciones de los sistemas de control 3.2. Sistemas en lazo abierto y lazo cerrado 3.3. Modos de control. 3.4. On – Off (abierto – cerrado). 3.5. On – Off con banda de histéresis. 3.6. Proporcional. 3.7. Proporcional + integral. 3.8. Proporcional+derivativo. 3.9. Proporcional + integral +derivativo. 3.10. Sintonización de controladores. 3.11. Calibración en campo (ajuste). 3.12. Calibración en taller. 4. Aplicaciones de control 4.1. Controladores de Temperatura 4.2. Controladores de Presión 4.3. Controladores Flujo 4.4. Controladores de Nivel. 4.5. Implementación en Simulink 5. Elementos finales de control 5.1. Generalidades 5.2. Tipos 5.2.1. Válvulas lineales y rotativos 5.2.2. Válvulas de apertura rápida. 5.2.3. Válvulas isoporcentuales. 5.2.4. Válvulas de solenoide. 5.3. Actuadores (servomotores) 5.3.1. Mecánicos. 5.3.2. Neumáticos
5.3.3. Hidráulicos. 5.3.4. Eléctricos.
Evaluación metodológica Examen……………………………..… 60% Portafolio de evidencia……………. (40% derecho a examen) *investigación, tareas, cuestionarios, mapas mentales, conceptuales, cuadros comparativos, etc.
Cuestionario
¿Qué es la instrumentación? Conjunto de herramientas que permiten realizar la medición, la conversión, el control o la transmisión de las variables de un cierto proceso. ¿Qué es una medición? La medición es un proceso básico de la ciencia que consiste en comparar un patrón seleccionado con el objeto o fenómeno cuya magnitud física se desea medir para ver cuántas veces el patrón está contenido en esa magnitud. ¿Qué es parámetro? Valor numérico o dato fijo que se considera en el estudio de algo. ¿Qué es error? Valoración que contraviene el criterio que se reconoce como valido. ¿Cuántos tipos de errores conoces? Errores por el instrumento o equipo de medición, Errores del operador o por el método de medición, Error por el uso de instrumentos no calibrados, Error por fuerza ejercida al efectuar mediciones, Error por instrumento inadecuado, Error por método de sujeción del instrumento, por posición, por desgaste, por condiciones ambientales y error de paralaje. ¿Qué es un ciclo? Repetición de cualquier fenómeno periódico, en el que, transcurrido cierto tiempo, el estado del sistema o algunas de sus magnitudes vuelven a una configuración anterior. ¿Qué es un sensor? Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. ¿Qué es un fluido? Tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma "original" (lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable, donde sí hay fuerzas restitutivas).
¿Cuántos tipos de sensores conoces? Detectores de ultrasonidos, Interruptores básicos, Interruptores final de carrera, Interruptores manuales, Productos encapsulados, Productos para fibra óptica, Productos infrarrojos, Sensores para automoción, Sensores de caudal de aire, Sensores de corriente, Sensores de efecto Hall, Sensores de humedad, Sensores de posición de estado sólido, Sensores de presión y fuerza, Sensores de temperatura, Sensores de turbidez, Sensores magnéticos, Sensores de presión. ¿Qué es un lazo abierto? Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. ¿Qué es un lazo cerrado? Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia.
CUADRO COMPARATIVO
Es el estudio y control de un fluido mediante equipos de medición.
Elementos que sirven para medir y registrar variables de un proceso
Cuantos tipos de errores conoces
Relativo
Error relativo y absoluto
Que es un ciclo
Es un proceso que se repite, al seguir el proceso te lleva a el inicio y así consecutivamente Es un dispositivo empleado para identificar una acción dependiendo de la tarea que se le emplea
Cierto proceso que tiene un final y vuelve a comenzar.
¿Qué es la instrumentación?
¿Qué es la medición?
Que es parámetro
Qué es error
Que es un sensor
Son objetos que pertenecen a un sistema que miden y nos dicen que se hace en un proceso. Es lo que se emplea Es la comparación Se debe hacer el para conocer la de un patrón proceso varias veces, dimensión de un seleccionado con el así al hacer la objeto objeto de medir comparación será medición. Es lo que se usa Es una variable o Una medida de la como límite para factor que debe ser dispersión de un diferenciar la considerado para el conjunto de capacidad de un análisis resultados alrededor objeto, un límite del valor medio. que debe tener. Es cuando algo no Es algo equivocado corresponde con lo a alguna cosa que planificado se realiza de manera correcta
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en
variables eléctricas.
Que es un fluido
Es la materia que toma la forma del recipiente donde se encuentra
Cuantos tipos de sensores conoces
Movimiento, temperatura, calor, velocidad
¿Qué es un lazo abierto y lazo cerrado?
Son procesos de la instrumentación que se usan para una acción.
Tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. Detectores de ultrasonidos, Interruptores básicos, Interruptores final de carrera, etc. Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera.
1.1 Grados de libertad en un mecanismo
Un cuerpo aislado puede desplazarse libremente en un movimiento que se puede descomponer en 3 rotaciones y 3 traslaciones geométricas independientes (traslaciones y rotaciones respecto de ejes fijos en las 3 direcciones de una base referida a nuestro espacio de tres dimensiones). Para un cuerpo unido mecánicamente a otros cuerpos (mediante pares cinemáticos), algunos de estos movimientos elementales desaparecen. Se conocen como grados de libertad los movimientos independientes que permanecen.
DEFINICIÓN Más concretamente, los grados de libertad son el número mínimo de velocidades generalizadas independientes necesarias para definir el estado cinemático de un mecanismo o sistema mecánico. El número de grados de libertad coincide con el número de ecuaciones necesarias para describir el movimiento. En caso de ser un sistema holónomo, coinciden los grados de libertad con las coordenadas independientes. En mecánica clásica y la grangiana, la dimensión d del espacio de configuración es igual a dos veces el número de grados de libertad GL, d = 2·GL.
GRADOS DE LIBERTAD EN MECANISMOS PLANOS Para un mecanismo plano cuyo movimiento tiene lugar sólo en dos dimensiones, el número de grados de libertad del mismo se pueden calcular mediante el criterio de Grübler-Kutzbach:
donde: , movilidad.
, número de elementos (eslabones, barras, piezas, etc.) de un mecanismo. , número de uniones de 1 grado de libertad. , número de uniones de 2 grados de libertad.
Importante: esta fórmula es válida sólo en el caso de que no existan enlaces redundantes, es decir enlaces que aparecen físicamente en el mecanismo pero no son necesarios para el movimiento de éste. Para poder emplear el criterio, debemos eliminar los enlaces redundantes y calcular entonces los grados de libertad del mecanismo. Todas las partes fijas (uniones al suelo) se engloban como el primer elemento. Aunque el grado de libertad de algunas uniones es fácil de visualizar, en otras ocasiones se pueden cambiar por sistemas equivalentes.
Grados de libertad en estructuras Podemos extender la definición de grados de libertad a sistemas mecánicos que no tienen capacidad de moverse, llamados estructuras fijas. En el caso particular de estructuras de barras en d dimensiones, si n es el número de barras y existen m restricciones (uniones entre barras o apoyos) que eliminan cada una ri grados de libertad de movimiento; definimos el número de grados de libertad aparentes como:
GL: Grados de libertad del mecanismo. n: Número de elementos de barras de la estructura. ri: Número de grados de libertad eliminados por la restricción
.
En función de la anterior suma algebraica podemos hacer una clasificación de los sistemas mecánicos formados a base de barras:
Estructuras hiperestáticas, cuando GL < 0.
Estructuras isostáticas, cuando GL = 0.
Mecanismos, cuando GL > 0.
1.2 MOVIMIENTO ARMONICO Y SU REPRESENTACIÓN
Un movimiento se llama periódico cuando a intervalos regulares de tiempo se repiten los valores de las magnitudes que lo caracterizan. Un movimiento periódico es oscilatorio si la trayectoria se recorre en ambas direcciones. Un movimiento oscilatorio es vibratorio si su trayectoria es rectilínea y su origen se encuentra en el centro de la misma. El movimiento ARMÓNICO es un movimiento vibratorio en el que la posición, velocidad y aceleración se pueden describir mediante funciones senoidales o cosenoidales. De todos los movimientos armónicos, el más sencillo es el Movimiento Armónico Simple, que es al que nos referiremos de aquí en adelante. El MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE es aquel en el que la posición del cuerpo viene dada por una función del tipo:
Una partícula describe un Movimiento Armónico Simple (M.A.S.) cuando se mueve a lo largo del eje X, estando su posición x dada en función del tiempo t por la ecuación
Donde:
Las características de un M.A.S. son: Como los valores máximo y mínimo de la función seno son +1 y -1, e l movimiento se realiza en una región del eje X comprendida entre +A y -A. La función seno es periódica y se repite cada
2, por tanto, el movimiento se repite cuando el
argumento de la función seno se incrementa en
2,
es decir, cuando transcurre un tiempo
(t+P)+=t++2 MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE La gráfica elongación-tiempo de un movimiento vibratorio armónico (M.A.S.) tiene la forma de la figura. Luego, la expresión de su velocidad será:
Un móvil efectúa un movimiento vibratorio armónico (M.A.S.) cuya elongación frente al tiempo está representada en la gráfica adjunta. La representación de la aceleración (eje Y) frente al tiempo (eje X) será:
1.3 Uso de Fasores para la suma, resta, multiplicación y división de un movimiento armónico
Suma y resta de fasores. Para sumar o restar dos fasores es conveniente tenerlos en forma binómica, por lo tanto se hace la suma o resta componente a componente.
Multiplicación y división de fasores. Es más simple hacerlas en forma polar. Se multiplican o dividen los módulos según corresponde y se suman los argumentos (para el caso de la multiplicación) o se los resta (para el caso de la división).
Diferenciación con fasores. Si tenemos una función g(t) con su parte real x(t) y su parte imaginaria y(t), y definimos la función:
diferenciando f(t):
Si diferenciamos g(t) y luego tomamos la parte real:
Al final:
Las relaciones que tenemos en la diferenciación son:
Integración con fasores. Con la función h(t) definida como la integración de f(t):
Por lo tanto, se pueden resolver las ecuaciones integro-diferenciales que aparecen en régimen permanente senoidal mediante la utilización de fasores. Esto se debe a que las derivadas y las integrales se transforman en multiplicaciones y divisiones por jω y así estas ecuaciones se convierten en algebraicas mediante fasores.
1.4 Serie de Fourier aplicada al movimiento armónico Superposición de MAS: análisis de Fourier
La mayor parte de las oscilaciones periódicas que se presentan en la Naturaleza no son MAS pero se pueden considerar como suma o superposición de varios MAS cuyas frecuencias son múltiplos de una llamada fundamental. Para sumar dos o más MAS debemos sumar las elongaciones de cada uno de ellos.
Construye la gráfica x-t de la superposición de los dos MAS de frecuencias angulares ω y 2ω de la figura siguiente.
Casi cualquier oscilación periódica se puede obtener sumando MAS de frecuencias que son múltiplos de la frecuencia fundamental y cuyas amplitudes se escogen de forma apropiada. Este método de análisis fue desarrollado por el matemático francés J.B. Fourier (1768-1830) que demostró que con el llamado teorema de Fourier cualquier función periódica se puede expresar como una superposición de términos armónicos simples (en lo que se conoce como una serie de Fourier). La frecuencia más pequeña ω es la fundamental, el resto serán 2ω, 3ω, etc. y se les llaman armónicos superiores o sobretonos. En definitiva, otra cualidad por la que
podemos valorar al modelo del MAS es que cualquier oscilación periódica se puede considerar como la suma o superposición de varios MAS. Con ello podemos explicar el diferente timbre de los instrumentos musicales. Una oscilación de una cuerda de guitarra, por ejemplo, se puede considerar matemáticamente como la superposición de varios armónicos. Otro instrumento de cuerda, produciendo la misma nota, se diferencia en los armónicos o en la amplitud de cada uno de ellos, por lo que, aunque sea la misma nota musical, podemos diferenciar ambos instrumentos
