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Instrumentación Industrial



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3. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
3.1 CONCEPTOS BÁSICOS.
Amplificador de aislamiento: es otro amplificador para propósitos especiales que se utiliza
cuando se envían señales diferenciales muy pequeñas sobre voltajes de modo común más altos.
Amp-op: es el elemento básico de construcción para los circuitos que se utilizan en el
procesamiento de señales analógicas.
Control: Es la medición de la variable controlada del sistema y la aplicación de la variable
manipulada al sistema para corregir la desviación del valor medido del valor deseado.
Control retroalimentado:
Se refiere a la operación que, en la presencia de perturbaciones,
tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna referencia de entrada.
Galga Extensiométrica: Dispositivo electrónico que aprovecha el efecto piezorresistivo para
medir deformaciones. Ante una variación en la estructura del material de la galga se producirá
una variación de su resistencia eléctrica.
Multiplexor analógico o rastreador: Instrumento utilizado para procesar varias señales
analógicas diferentes para poder proporcionar la función de control requerida.
Variable controlada: Es la cantidad o condición que es medida y controlada en un sistema de
control
Variable manipulada: Es la cantidad o condición que se cambia por el controlador, de manera
que afecta la variable controlada.
Perturbación: Es una señal que tiende a aceptar adversamente el valor de la salida del sistema. 
Ejemplo: Interna y externa.
Pirómetro: Es un dispositivo sensor de temperatura que responde a la energía radiante de un
cuerpo emisor.
Plantas: Una planta es un equipo, ó tal vez solamente un conjunto de partes de una máquina
funcionando juntos para ejecutar una operación.
Potenciómetro: es una resistencia con una derivación que permite obtener un voltaje menor de
uno mayor, se basan en el flujo de corriente para generar un voltaje.
Proceso: Cualquier operación a ser controlada. Ejemplo: Procesos químicos, económicos y
biológicos.
Servomecanismos:
Es un sistema de control retroalimentado en la que la entrada es un
constante con la tarea principal de mantener la salida a un valor deseado en presencia de
perturbación.
Sistema:
Es una combinación de componentes que actúan juntos y ejecutan cierto objetivo. 
Ejemplos: Sistema Físico, biológico, económico, etc.
  
Termistor:
Es una resistencia eléctrica que varía su valor en función de la temperatura. 
Existen dos clases de termistores: NTC Y PTC.
Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient): Es una resistencia variable cuyo valor va
decreciendo a medida que aumenta la temperatura, su conductividad crece muy rápidamente
con la temperatura.
Termistor PTC (Positive Temperature Coefficient): Es una resistencia variable cuyo valor se
ve aumentado a medida que aumenta la temperatura.
Termostato: Componente de un sistema de control empleado para mantener temperatura en un
punto o rango predeterminado de un sistema y los hay de tipo: digitales, analógicos,
mecánicos, electrónicos, proporcionales, etc. 
3.1.1 SISTEMAS GENERALES DE MEDICIÓN
Sistema de control: Conjunto de component6es que pueden regular su propia conducta o la del
otro sistema con el fin de lograr un modo conveniente para su supervivencia.
Sistemas de control adaptables:
Es un sistema de control que detecta cambios en los
parámetros de la planta y hace los ajustes necesarios para controlar los parámetros de manera
que se mantiene un funcionamiento óptimo.
Sistema de control de lazo abierto: Son los sistemas en los cuales la salida no tiene efecto en la
acción de control.
Sistemas de control de lazo
cerrado: Otra forma de llamar a los sistemas de control
retroalimentado.
Sistema de control de lazo cerrado vs lazo abierto: Una ventaja de los sistemas de control de
lazo cerrado es el hecho de que se usa de retroalimentación hace la respuesta del sistema
relativamente un sensitiva a perturbaciones externas y variaciones internas de los parámetros
del sistema.
Sistema de control de procesos: Es un sistema de regulación automático en el cual la salida es
una variable como temperatura, presión, flujo, nivel, ó pH.
Sistema de control inteligente: Son sistemas que usan técnicas de sistemas inteligentes como
Lógica Difusa, Redes Neuronales y Algoritmos Genéticos.
Sistema de control retroalimentado: Es un sistema que mantiene una relación prescrita entre
la salida y alguna referencia de entrada comparándolas y usando la diferencia como un medio
de control.
Clasificación de Sistemas de control:
a) Lineales vs. no lineales.
Lineales se aplica el principio de superposición.
b) Invariante en el tiempo vs. variante en el tiempo.
Un sistema invariante es aquel cuyos parámetros no varían con el tiempo.
c) Continuos vs. discretos.
Continuos lineales se usa la transformada de L’Place.
Discretos lineales se usa transformada la Z.
  
d) SISO vs. MIMO.
SISO Sistemas de una entrada y una salida
MIMO Sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas
e) Sistemas de control de parámetros concentrados vs. distribuidos.
Parámetros concentrados se representan por ecuaciones diferenciales ordinarios.
Parámetros distribuidos se representan por ecuaciones diferenciales parciales.
f) Determinístico vs. estocástico.
En los sistemas determinísticos la respuesta del sistema es predecible y respetable.
Estocástico si la respuesta del sistema no es predecible.
Características de los Sistemas de Control:
1.
Señal de corriente de entrada:
Considerada como estímulo aplicado a un sistema
desde una fuente de energía externa con el propósito de que el sistema produzca una
respuesta específica. 
2.
Señal de corriente de salida:
Respuesta obtenida por el sistema que puede o no
relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada. 
3.
Variable: Es el elemento que se desea controlar.
4.
Conversión: Mediante receptores se generan las variaciones o cambios que se producen
en la variable. 
5.
Variaciones externas:
Son los
factores que influyen en la acción de producir un
cambio de orden correctivo. 
6.
Fuente de energía: Es la que entrega la energía necesaria para generar cualquier tipo de
actividad dentro del sistema. 
7.
Retroalimentación:
Característica importante de los sistemas de control de lazo
cerrado. Es una relación secuencial de causas y efectos entre las variables del sistema.
Dependiendo de la acción correctiva que tome el sistema, éste puede apoyar o no una
decisión, cuando en el sistema se produce un retorno se dice que hay una
retroalimentación negativa; si el sistema apoya la decisión inicial se dice que hay una
retroalimentación positiva. 
La Ingeniería en los Sistemas de Control:
Los problemas considerados en la ingeniería de los sistemas de control, básicamente se
tratan mediante dos pasos fundamentales como son: el análisis (se investiga las características
de un sistema existente) y el diseño (se escogen los componentes para crear un sistema de
control que posteriormente ejecute una tarea particular).
Existen dos métodos de diseño:
1.
Diseño por análisis: Modifica características de un sistema existente o de un modelo
estándar del sistema. 
2.
Diseño por síntesis: Se define la forma del sistema a partir de sus especificaciones.
             La representación de los problemas en los sistemas de control se lleva a cabo mediante
tres representaciones básicas o modelos:
1.
Ecuaciones diferenciales y otras relaciones matemáticas:
Se emplean cuando se
requieren relaciones detalladas del sistema.
2.
Diagramas en bloque y Gráficas en flujo de análisis: Representaciones gráficas que
pretenden el acortamiento del proceso correctivo del sistema, sin importar si está
caracterizado de manera esquemática o mediante ecuaciones matemáticas.
  
3.1.2 SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO CERRADO Y LAZO
ABIERTO. 
SISTEMA DE LAZO ABIERTO
Un sistema de lazo abierto es aquél donde la salida no tiene efecto sobre la acción de
control. La exactitud de un sistema de lazo abierto depende de dos factores:
a) La calibración del elemento de control.
b) La repetitividad de eventos de entrada sobre un extenso período de tiempo en ausencia de
perturbaciones externas.
Un esquema típico de un control de lazo abierto se puede apreciar en la figura (1.1). En
ésta se muestra que para que la temperatura del agua en el tanque permanezca constante es
necesario que las temperaturas en las tomas de agua fría y caliente no sufran cambios. Otro
factor que incide sobre el estado final de la salida es la temperatura de operación del proceso. Si
por cualquier motivo esta cambia, entonces la salida cambia en casi la misma proporción.
Diagrama de Bloque de un sistema abierto de control de lazo abierto.
  
SISTEMA DE LAZO CERRADO.
Los problemas para la recuperación de señales deseadas de un fondo muy ruidoso son
comunes a la mayoría de las áreas de ingeniería electrónica; una configuración de circuitos muy
útil para ¨limpiar¨ una señal, es el lazo de fase cerrada (PLL: Phase lock loop); este circuito
tiene la capacidad de cerrar la fase (o frecuencia), de una señal y seguirla o rastrearla, y por eso
ha encontrado una amplia aplicación en áreas tan diversas como demodulación am/fm,
multiplicación y síntesis de frecuencias y control de motores, además sirve para rastrear y
sincronizarse con una señal que varía en frecuencia con el tiempo, por lo que es útil en
conversiones de voltaje a frecuencia y sincronización de trenes de pulsos.
Un sistema de control de lazo cerrado es aquél donde la señal de salida tiene efecto
sobre la acción de control. La figura da un panorama general de un sistema
de lazo cerrado
donde se puede apreciar que la salida es medida y retroalimentada para establecer la diferencia
entre en valor deseado y el valor obtenido a la salida, y en base a esta diferencia, adoptar
acciones de control adecuadas.  
Diagrama de bloque de un sistema de control de lazo cerrado.
3.1.3 REPRESENTACIÓN DE SISTEMAS MEDIANTE
DIAGRAMAS DE BLOQUE.
Diagramas de bloque.
En los diagramas de bloque, los rectángulos y otras figuras pueden representar partes
integrales de un sistema, unidades cabales, circuitos completos o etapas funcionales particulares,
según sea el propósito del dibujo. Se acostumbra poner los bloques y unirlos con líneas de flujo
de modo que se puedan recorrer de izquierda a derecha. Bajo los bloques mayores se colocan
elementos auxiliares, como las fuentes de potencia. En general, todos los bloques se deben
dibujar del mismo tamaño y los demás símbolos deben ser proporcionales a ellos, y deben
acomodarse de forma ordenada con espacios iguales entre bloques adyacentes y líneas de flujo. 
Consideraciones generales:
Método de modelación de sistemas dinámicos (lineales o no lineales).
Especifica las relaciones causa-efecto en un sistema y su interconexión.
No requiere de representaciones matemáticas de los elementos.
  
Puede ser usado como método de análisis si se conoce el modelo matemático de
cada componente.
Alternativa: gráfico de flujo de señal (GFS).
Estructuración –
descomposición de un problema complejo en un conjunto de
problemas más pequeños y simples.
Los problemas reales son complejos y mal definidos, mientras que la teoría de
control trata problemas pequeños y bien definidos.
La estructuración contiene elementos de creatividad, ingenio y arte.
Enfoques: 
Top-down: Sistema, lógico.
Se seleccionan: el principio de control (métgodo, estructura), variables de control, variables de
medida. Agrupación de entradas y salidas, acoplamiento débil.
Enfoque Bottom-up:
Se seleccionan: variables de control, variables de medida.
Luego se introducen diferentes controladores: realimentado, prealimetnado, óptimo, adaptativo,
predictivo. Técnica predominante en control.
Enfoque Incide-out-outside-in.
Reducción de diagramas de bloques:
  
  
3.2 ESTÁNDARES DE CALIBRACIÓN
La calibración:
es la operación en la que se establece la relación matemática entre la
respuesta del instrumento, y,
y el valor conocido que se asume de la cantidad mensurable
estudiada, x. Con el inverso de esta relación se calculan valores de las muestras de distintos
pacientes que a partir de la respuesta del instrumento. 
Cada método de medición tiene requisitos característicos de frecuencia de
recalibración del sistema del número de puntos de calibración y del rango de concentraciones
necesarias para la calibración. Por ejemplo, un refractómetro requiere recalibraciones menos
frecuentemente que un instrumento que mide gases sanguíneos. Algunos sistemas sólo necesitan
un punto de calibración y otros, como los procedimientos inmunoquímicos, necesitan cuatro o
cinco puntos.
Un sistema o dispositivo utilizado para establecer un estándar es aquel con la capacidad
de producir un caudal de gas de humedad conocida con referencia a las variables fundamentales
(temperatura, presión y masa) o que puede medir la humedad en el gas en base al juego de
variables fundamentales. 
Los estándares utilizados para calibrar los instrumentos de humedad se agrupan en tres
categorías:
Estándares primarios: El estándar fundamental usado por los laboratorios nacionales
se basa en el denominado higrómetro gravimétrico. El método de medición consiste en
pesar una cierta cantidad de gas seco y hacer la comparación con el peso del mismo
volumen del gas que se quiere evaluar. De esta forma se determina la cantidad de agua
y se calcula la presión de vapor. Estos instrumentos son utilizados como patrones para
calibrar otros instrumentos algo menos precisos pero aptos para calibraciones rápidas y
sencillas, estos instrumentos pueden ser higrómetros ópticos o psicómetros especiales.
Con algo menos de precisión los generadores de doble-presión y los generadores de
doble-temperatura y otros sistemas son normalmente utilizados como referencias
primarias. 
Estándares de transferencia: Los instrumentos de esta categoría operan según lo
principios fundamentales y proveen resultados estables y repetibles,
pero si no se
utilizan apropiadamente pueden dar resultados erróneos. Los más comunes son: 
o
Higrómetro óptico 
o
Higrómetro electrolítico 
o
Psicómetro
Dispositivos secundarios: Estos dispositivos no miden parámetros fundamentales y
deben calibrarse contra estándares de transferencia o fundamentales. La precisión de
estos instrumentos depende de recalibraciones frecuentes. Estos sistemas raramente se
utilizan en laboratorios de calibración pero tienen muchas aplicaciones en la industria.
Ejemplos de este tipo de dispositivos son el higrómetro resistivo y los sensores de RH a
base de película de polímero, que son similares a los resistivos. Todos estos dispositivos
con el paso de los años han tenido mejoras de importancia brindando un muy buena
relación costo/beneficio.
  
Tabla 1: Clasificación de los instrumentos de calibración.
Tipo
Apropiado para uso
Clase
Rango
Precisión Típica
de medición
Gravimétrico
Si
Primaria
100°C/-50°C
0.1°C punto de rocío
Higrómetro óptico de
espejo enfriado
Si
Fundamental
(transferencia)
90°C/-90°C punto de
rocío
0.2°C punto de rocío
Higrómetro
electrolítico
Si
Fundamental
1 de 2000 ppmv
5% del valor medido
en ppmv
Psicómetro
Si
Fundamental
5%-95% RH 2% RH
0°C-100°C ambiente
2% RH
Higrómetro resistivo
No
Secundaria
-100°C to 30°C
punto de rocío
2°C-4°C RH
Sensor de RH
de film polímero
No
Secundaria
5% -95% RH 0°C -
100°C ambiente
2%-5% RH
Los métodos de medición:
se pueden clasificar como se muestra la Tabla 3. Los
métodos "definitivos" por lo general están fuera del alcance de los laboratorios clínicos ya que
requieren de instrumentos extremadamente complejos. Hay laboratorios especializados (por
ejemplo el NIST) en donde se usan estos métodos para asignarle concentraciones de analito en
suero humano. Si ese material es el mejor estándar de medición disponible, puede considerarse
material de referencia primario. Los métodos también se utilizan para validar  la precisión de los
métodos de referencia. Los métodos de referencia de menor precisión se pueden conseguir en
algunos laboratorios, sin embargo, la cantidad de pasos y operaciones necesarias, los hacen
inoperantes para trabajo rutinario. Se usan con objeto de asignar valores a materiales de
referencia secundarios y validar la exactitud de métodos de campo. Finalmente, están los
métodos que usamos diariamente en el laboratorio. Deben cumplir simultáneamente las
condiciones de ser veraces y precisos para apoyar los diagnósticos correctos, sencillos,
resistentes y rentables.
Tabla 3: Jerarquía de métodos analíticos.
  
3.3 ACTUADORES.
Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de
energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador
y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las
válvulas.
Tipos de actuadores: 
1.
Hidráulicos 
2.
Neumáticos 
3.
Eléctricos 
Los actuadores hidráulicos, neumáticos eléctricos son usados pera manejar aparatos
mecatronicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se
necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los
hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de
mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos
también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. 
Los Actuadores eléctricos
también son muy utilizados en los aparatos. Como por
ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro
como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento
sin tantas horas de mantenimiento 
Por todo esto es necesario conocer muy bien las características de cada actuador para
utilizarlos correctamente de acuerdo a su aplicación especifica 
Actuadores hidráulicos
Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de
acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Existen tres
grandes grupos: 
1.
Cilindro hidráulico.
2.
Motor hidráulico. 
3.
Motor hidráulico de oscilación. 
Cilindro hidráulico: De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros
hidráulicos en 2 tipos: de Efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza
fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo
tipo se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. El control de dirección
se lleva a cabo mediante un solenoide que se muestra a continuación:
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