Asignatura: Instrumentos Instrumentos Analíticos de Medición Carrera: ICA
Profr.. Miriam Profr Mir iam Gómez G ómez Alvarez A lvarez 1
INSTRUMENTACIÓN ANALÍTICA EN LOS SECTORES SECTORES DE LA INDUSTRIA INDUSTRIA
CLASES DE INSTRUMENTOS
DEFINICIONES: situados en el proceso o Instrumentos locales. Están situados
en sus proximidades (tanques, tuberías, secadores, etc.).
Instrumentos de panel. Estos instrumentos están
montados en paneles o armarios situados situado s en salas aisladas aisladas o en zonas de proceso.
Proceso de automatización en 3 dimensiones (Siemens A&D) Siemens and A&D at a Glance
TIA – “Totally Integrated Automation”
technical homogenous and fit for the future in all industries
Nivel gerencial
The 3rd Dimension s mNivel de control e t s y S
... CC Cement
CC F&B
Nivel de campo
CC WWT CC Pharma
Products
CC Chemical
Automatización totalmente integrada : Integración sin fisura del campo Field to MES Siemens and A&D at a Glance
Totally Integrated Automation Automation Hierarchy Hierarchy
MES
Nivel gerencial
Nivel de control
Products and Systems Systems
Computadora principal Sistemas de monitoreo & control
Controladores lógicos programables
Nivel de campo
Instrumentos de campo, sensores, actuadores, drives,
Detectores, switches
A&D SC – Portfolio at a glance Positioner Level Flow Temperature Pressure
Productportfolio
Fail-Safe Sensors
Gas Analytics Weighing Gas Chromathography Spectometry
Proximity Switches
SC
Sensors
Exhaust Analytics
&
Communication
RFID Systems Machine Vision
Passive Network Components Industrial Ethernet Switches
Modems Tracking Rugged Terminals
Security Products Communication Processors Industrial WLAN
Sensores y Analíticos par pa ra la automatización automatiz ación industrial Factory Sensors
monitoring physical parameters
Productportfolio
Process Instrumentation
A&D focus areas Factory automation
Process control
monitoring physical parameters
PS PA
Examples Proximity Switches Fail-safe sensors Machine Vision RFID-systems
Examples Temperature Pressure Flow Level Weight
Process automation
Examples Process analytics
Electrical equipment for buildings
FS
analyzing substance composition
Concentration Molecule / atom type Molecular properties
Peso El peso de un cuerpo es la fuerza con que es atraído por la Tierra. La relación entre la masa del cuerpo, es decir, la cantidad de materia que contiene, y su peso viene dado por la expresión en la que: P = mg P=peso m=masa g= aceleración de la gravedad
Existen varios métodos para medir el peso: a) b) c) d)
Comparación con otros pesos patrones(balanzas y básculas) Células de carga a base de galgas extensiométricas Células de carga hidráulicas Células de carga neumáticas
Balanza La balanza clásica está constituida por una palanca de brazos iguales llamada cruz que se apoya en su centro y de cuyos extremos cuelgan los platillos, que soportan los pesos. Puede medir desde unos pocos gramos hasta 300 kg.
Balanza La balanza de Roberval consiste esencialmente en un paralelogramo articulado que puede oscilar alrededor del punto central del lado superior del paralelogramo, manteniéndose verticales las varillas laterales que soportan los platillos; se caracteriza porque su equilibrio se alcanza independientemente de la posición de los pesos en los platillos. Su campo de medida llega hasta 40 kg y se emplea en las operaciones de llenado o de comprobación de pesos de objetos terminados.
Báscula
La báscula clásica consiste esencialmente en una palanca apoyada en un punto de la que cuelgan en un extremo el peso a medir y en el otro que tiene la forma de un rectángulo, dos pesos móviles uno para ajuste basto y el otro para ajuste un fiel indica cuándo la báscula está ajustada. ajustad a. La báscula automática consiste en una palanca en ángulo apoyada en su centro con un peso conocido en un extremo y el desconocido en el otro. La báscula alcanza siempre una posición de equilibrio marcando directamente en una escala graduada y se le puede adaptar fácilmente una máquina impresora o transmisora del peso.
Báscula VENTAJAS VENTAJAS Las balanzas balanzas y las básculas son sencillas sencil las y de gran precisión precisión pudiendo alcanzar las primeras del ± 0,002 al 0,05 % y las segundas el ± 0,1 %. DESVENTAJAS Sin embargo, embargo, presentan presentan los inconvenientes inconvenientes de su lenta l enta velocidad velocidad de respuesta, la posible corrosión corrosión que ataca al juego de palancas palancas en particular particul ar en los puntos de apoyo y que es debida a la suciedad, al polvo, a los vapores y a la humedad humeda d presentes en los ambientes industria i ndustriales les y al desgaste desgaste de las piezas móviles, m óviles, lo que redunda en perjuicio perjuic io de la precisión de las pesadas.
Balanza electromagnética La balanza electromagnética utiliza un sensor de desplazamiento y una bobina de par montados en un servosistema que equilibra un peso patrón y el peso desconocido. La señal eléctrica de salida puede aplicarse a un microprocesador, lo que proporciona una tara automática, unas rutinas estadísticas con cálculo de la media y la desviación estándar de las pesadas y una compensación de la temperatura.
Puede añadirse un módulo de comunicaciones para el envío a distancia del valor de la pesada. La precisión típica es de 1 mg en 500 g.
Sensores de Peso Las celdas de carga o sensores de peso son aquellos dispositivos electrónicos elect rónicos desarrollados desar rollados con la finalidad fin alidad de detectar los cambios eléctricos provocados por una variante en la intensidad de un peso aplicado sobre la báscula o balanza, información que a su vez indicado r de peso o controla controlador dor de peso. transmite hacia un indicador
Sensores de Peso La celda de carga o sensor de peso es un componente esencial al igual que el indicador de peso, para el funcionamiento de cualquier báscula o balanza electrónica.
Configuraciones Configur aciones de celdas de carg carga a
Scales Par Parameters ameters Adjustment Adjustme nt procedure - Last step Adjustment weight weight 1
-3- Set adjustment weight 1 on the scale and press „adjustment weight 1 valid“
SIWAR SIW AREX EX FTA FTA Automatic Filling Machine PS
SIWAREX FTA
CPU 314 PS 307 2A
SIEMENS
Parameter assignment with SIWAT SIWATOOL OOL
WEIGHINGMODULE SIWAREXFTN
CPU 314 SF P
Supply bin
E MMC
ON OFF
SIMATIC S7-300
SIMATIC S7-300 SEN
EXC
6ES7307-1BA00-0AA0
X 2 1 3
6ES7314-1AE01-0AB0
X 2 1 3
1
X 1 2 3 7MH 4900-................... ....
MPI Bus
TP170B Legal-for-Trade display
Rough
RS485
Fine
SIWAREX FTC Beltscale
Siwarex FTC+ S7-PLC 312C + TP 170B + Speed Sensor
WEIGHINGMODULE
PS307
CPU312
SIWAREX FT N
SF
P
E MMC
ON OFF
SIMATIC S7-300
SIMATIC S7-300 SEN
EXC
TP170B
MPI
1
BUS
Speed Sensor RBSS MLFB: 7MH7134-1AB10
X 1 2 3 7MH 4900-...................
Sensores de Peso basados en galgas extensiométricas Principios
El principio básico de una celda de carga esta basado en el funcionamiento de cuatro galgas extensiométricas (strain gauge), dispuestos en una configuración especial. Galga extensiométrica Es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro variable y sujeto a medida es la
resistencia de dicha galga. Esta variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga. Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está pegada. El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino, de forma que la mayor parte de su longitud está distribuida paralelamente a una dirección determinada, tal y como se muestra en la figura f igura siguiente:
Sensores de Peso basados en galgas extensiométricas La resistencia eléctrica del hilo es directamente proporcional a su longitud, o lo que es lo mismo, su resistencia aumenta cuando éste se alarga. De este modo las deformaciones que se producen en el objeto, en el cual está adherida la galga, provocan una variación de la longitud y, por consiguiente, una variación de la resistencia. Otro principio de funcionamiento de las galgas se basa en la deformación de elementos semiconductores. Esta deformación provoca una variación, tanto en la longitud como en la sección. Este tipo de sensor semiconductor posee un factor de galga más elevado que el constituido por hilo metálico.
Sensores de Peso basados en galgas extensiométricas Existen dos tipos de galgas básicos: De hilo conductor o lámina conductora
El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora y muy flexible, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino. Las terminaciones del hilo acaban en dos terminales a los cuales se conecta el transductor. Semiconductor
Las galgas semiconductoras son similares a las anteriores. En este tipo de galgas se sustituye el hilo metálico por un material semiconductor. La principal diferencia constructiva de estas galgas respecto a las anteriores se encuentra en el tamaño; las galgas semiconductoras tienen un tamaño más reducido.
Características de las galgas extensiométricas Anchura y Longitud: Dichos parámetros nos proporcionan las características constructivas de la galga. Nos permite escoger el tamaño del sensor que más se adecúe a nuestras necesidades. Peso: Esta característica nos define el peso de la galga. Este suele ser del orden de gramos.
En aplicaciones de mucha precisión el peso puede influir en la medida de la deformación. Tensión medible : Es el rango de variación de longitud de la galga, cuando ésta se somete a
una deformación. Este rango viene expresado en un tanto por cien respecto a la longitud de la galga. Temperatura de funcionamiento: Es aquella temperatura para la cual el funcionamiento de
la galga se encuentra dentro de los parámetros proporcionados por el fabricante. Resistencia de la galga: Es la resistencia de la galga cuando ésta no está sometida a ninguna
deformación. Es la resistencia de referencia y suele acompañarse de un porcentaje de variación. Factor de galga: Factor de galga o factor de sensibilidad de la galga es una constante K
característica de cada galga. Determina la sensibilidad de ésta. Este factor es función de muchos parámetros, pero especialmente de la aleación empleada en la fabricación.
Características de las galgas extensiométricas Coeficiente de temperatura del factor de galga: La temperatura influye
notablemente en las características. A su vez, cualquier variación en estas características influye en el factor de galga. Este coeficiente se mide en %/ºC, que es la variación porcentual del valor nominal del factor de galga respecto al incremento de temperatura. Prueba de fatiga: Esta característica nos indica el número de contracciones o
deformaciones a una determinada tensión que puede soportar la galga sin romperse.
Material de la lámina: Esta característica nos define el material del que está
hecho el hilo conductor o el material semiconductor.
Material de la base: Esta característica nos define el material del que está
constituida la base no conductora de la galga. galga.
Factor de expansión lineal: Representa un error que se produce en la magnitud
de salida en ausencia de señal de entrada, es decir, en ausencia de deformación. Este error depende de la temperatura ambiente a la que esta sometida la galga.
Configuración física de las galgas extensiométricas El montaje más común utilizado para medir deformaciones mediante galgas es el puente de Wheatstone. Existen tres tipos de montajes básicos: con una, dos y cuatro galgas. La medida se suele realizar por deflexión, es decir midiendo la diferencia de tensión existentes entre los terminales de salida del sensor. Las principales diferencias de estos montajes se encuentran en la sensibilidad y la capacidad de compensación del efecto de temperatura. Esta compensación consiste en suprimir los efectos de la temperatura en el valor de la resistencia de la galga; cuando en un puente de medida coinciden dos o cuatro galgas de iguales características, los efectos de la temperatura se anulan ya que ésta les les afecta por igual.
Galgas extensiométricas Puente de medida con una galga:
Este puente de medida se caracteriza por una baja sensibilidad. Por otro lado al solo haber una galga esta no está compensada en temperatura.
Galgas extensiométricas Puente de medida con dos galgas (Medio Puente):
Debido a la utilización de dos galgas se consigue duplicar la sensibilidad del puente respecto al anterior. Esto permite que para una misma deformación tengamos una mayor señal de salida para una tensión de alimentación dada. La disposición de las galgas, permiten la compensación en temperatura.
Galgas extensiométricas Puente de medida con cuatro galgas (Puente Completo):
La utilización de cuatro galgas cuadruplica la sensibilidad del puente respecto al puente de una sola galga. De igual forma que en el caso anterior, las galgas están compensadas en temperatura.
Célula de carga carga hidr hidráulica Consisten en un pistón sobre el que se apoya la carga, que ejerce una presión sobre un fluido hidráulico. Según la carga y de acuerdo con el área conocida del pistón se crea una presión en el aceite que puede leerse en un manómetro Bourdon y que por lo tanto refleja indirectamente la carga. Sumando las presiones hidráulicas de varías células de carga y aplicándolas a un transmisor electrónico de equilibrio de fuerzas se obtiene una señal eléctrica que puede leerse en un indicador digital y utilizarse en sistemas de pesaje electrónicos.
Célula de carga carga hidr hidráulica
Las células de carga hidráulicas se fabrican para unas capacidades de carga de 40 kg basta 901, son de respuesta rápida (menos de 2 segundos), su precisión es de ± 0,2 %, admiten sobrecargas hasta el 40 %, pueden fabricarse a prueba de explosión y son resistentes a vibraciones.
Célula de de carga carga neumática Se basan en un transmisor neumático de carga en el que el peso situado en la plataforma de carga se compara con el esfuerzo ejercido por un diafragma alimentado a una presión de tarado ajustable. El sistema adopta una posición de equilibrio gracias al conjunto tobera-obturador y a la cámara de realimentación del transmisor. transmisor. La presión del aire alcanzada en esta cámara indica el peso.
Célula de carga neumática La capacidad de carga de fas células neumáticas varía de 10 kg a 10 t, poseen una precisión de ±0,2% y se adaptan fácilmente al control neumático con el inconveniente de precisar de aire comprimido de instrumentos.
Actividad
Proponga una definición de PESAJE ESTÁTICO Y PESAJE DINÁMICO. Elabore una tabla indicando ventajas y desventajas que tiene cada uno de los sensores de peso revisados. revisa dos. Especifique cuáles podrían ser las aplicaciones de la variable peso en la Ingeniería Ingeniería en Control Control y Automatización. Automatización. ¿Cuáles sensores aplicaría Ud. para el desarrollo de manipuladores? manipuladores? Justifique su respuesta.
