UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA (UNAD) INSTRUMENTACIÓN - 203038A
FASE 2 - DESARROLLAR BLOQUES SISTEMA, CONCEPTOS METROLOGÍA, DISEÑO DE CIRCUITOS EN EQUILIBRIO
Presentado por los estudiantes JOSE DANIEL OCHOA FRANKLIN JAVIER SILVA LEIDY PAOLA BUITRAGO VELANDIA C.C 1049413760 EMERY PAOLA CORREA LUIS ADRIAN ARIZA Grupo 203038_37
Presentado a JORGE ENRIQUE ARBOLEDA Tutor
04 DE OCTUBRE DEL 2017
INTRODUCCIÓN
Este trabajo se hizo con el fin de que los estudiantes reconozcan los sistemas de instrumentación al analizar diferentes sistemas empleados para la medición de variables en el área electrónica. Se requiere que el equipo de trabajo aborde las temáticas de la unidad 1 del curso, correspondientes a sistemas de instrumentación, metrología y circuitos eléctricos en equilibrio. Con base en lo anterior, es necesario que cada participante explique detalladamente la función de los bloques que conforman un sistema de instrumentación; investigue el significado que relaciona los términos de precisión, sensibilidad y resolución de un sensor; seleccione un modelo de esta herramienta y dé a conocer los valores referentes a cada uno de estos términos. Se realizó además, porque se requiere que el equipo de trabajo, de manera colaborativa, elabore un esquema por medio del cual explique el funcionamiento de un sistema de instrumentación, describiendo la función de cada uno de sus bloques. Finalmente, los estudiantes deben diseñar e implementar un sistema de
Puente Wheatstone y Puente Wien, de acuerdo a unas
especificaciones dadas, describiendo y evidenciando los cálculos, simulación y funcionamiento por medio de un video. A partir de lo anterior, deben consolidar y enviar el informe final como producto del trabajo realizado.
OBJETIVOS
General:
Reconocer los sistemas de instrumentación, abordando las temáticas que describen su funcionamiento, metrología y descripción de circuitos eléctricos en equilibrio, con el fin de emplearlos para la medición de variables en el área electrónica.
Específicos:
Explicar el funcionamiento de un sistema de instrumentación, dando a conocer la conceptualización referente a cada uno de los bloques que lo conforman.
Indagar y presentar la definición y un ejemplo que relacione los términos de precisión, sensibilidad y resolución de un sensor.
Diseñar un sistema de Puente de Wheatstone y Puente de Wien, de acuerdo a unas especificaciones dadas, describiendo y evidenciando los cálculos, simulación y funcionamiento por medio de un video.
ACTIVIDAD INDIVIDUAL
Nombre: LEIDY PAOLA BUITRAGO VELANDIA Paso 1: Seleccione uno de los siguientes bloques de un sistema de instrumentación, explique detalladamente su función. Bloque seleccionado: Acondicionador de Señal Link de explicación: https://youtu.be/m3L2-8vw-y8
Paso 2: Indague sobre precisión, sensibilidad y resolución de un sensor, de los conceptos con sus propias palabras.
Precisión: Corresponde a la variación máxima que se puede obtener entre los valores de salida del sensor. Ésta puede ser absoluta o relativa y su valor no puede ser inferior al de la resolución. Si es absoluta, puede ser calculada entre el resultado de la medida obtenido y su valor verdadero, pero si es relativa, se determina por la relación entre un valor desconocido y un valor establecido, de la salida.
Sensibilidad: Indica la mayor o menor variación de la señal de salida por unidad de la magnitud de entrada. Genera una relación directamente proporcional, pues a medida en que incremente la variación de la señal de salida producida por una variación en la señal de entrada, el sensor será más sensible.
Resolución: Hace referencia a la capacidad que tiene un sensor para diferenciar o detectar los valores más pequeños o próximos a la variable de entrada, determinando así, cuáles generan una variación detectable en la señal de salida.
Paso 3: Seleccione un sensor comercial y de a conocer las 3 características del paso 2. Sensor de Temperatura MCP9800A con Bus Serial I2C El MCP9800 es un sensor digital de temperatura que puede leer temperaturas desde -55°C hasta +125°C. El dato de la temperatura es medido desde un sensor integrado de temperatura y convertido a una palabra digital de 9 a 12 bits seleccionable por el usuario, mediante un convertidor ADC Sigma Delta. Tamaño físico pequeño, bajo costo y de fácil uso, hacen al MCP9800 ideal para la implementación de variadas y sofisticadas aplicaciones de manejo de temperatura. Características:
Precisión Típica: ±0.5°
Precisión Máxima: ± 1°
Resolución de 9- a 12-Bit
Rango de voltaje: 2.7V a 5.5V
Sensibilidad:
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 =
𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 2.7 𝑣 2.7 𝑣 = = = 1.79 ∗ 10−5 𝑣 12 𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 (2.7 ) 150094.63
Nombre: FRANKLIN JAVIER SILVA Paso 1: Transmisor de señal
Trasmisor de señal: los transmisores de señales captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor o registrador, existen varios tipos de transmisores de señal que son
Transmisores neumáticos: genera una señal neumática variable linealmente de 3 a 15 psi
Transmisores electrónicos: genera una señal estándar de 4-20 Mili Amperios
Transmisores inteligentes: tienen incorporadas funciones adicionales que se añaden a las propias de la medida exclusiva de la variable
Paso 2:
Precisión de un sensor: la precisión de un sensor es una medida de sus salidas correspondientes
Sensibilidad de un sensor: la sensibilidad de un sensor es la variación de la magnitud de entrada
Resolución de un sensor: la resolución de un sensor es la medida del menor incremento o disminución en posición que puede medir
Paso 3: Sensores de presión: Transductor de presión pequeño EPRB para ensayos
Precisión del sensor: Sensor para la medida de presión de reducido tamaño con salida amplificada y amplio rango de temperatura.
Sensibilidad del sensor: tiene relación con la variación en la salida y la presión aplicada, si el sensor es ideal solo sería sensible a la presión, si no presentaría sensibilidad cruzada con otra variable que sería la temperatura
Resolución del sensor: el sensor mide la presión atmosférica en el rango de 0 a 1400 Pa
Sensor comercial: Sensor de presión diferencial / térmico / digital / SMD
Se basan en la medida termal del flujo del gas a través de un canal del micro-flujo integrado dentro del microprocesador del sensor. Ofrece sensibilidad superior especialmente para las presiones ultra bajas. Es de tipo diferencial
Nombre: JOSE DANIEL OCHOA Paso 1: Transductor Los transductores son aquellas partes de una cadena de medición que transforman una magnitud física en una señal eléctrica. Los transductores son especialmente importantes para que los medidores puedan detectar magnitudes físicas. Normalmente,
estas
magnitudes,
como
por
ejemplo temperatura, presión, humedad del aire, presión sonora, caudal, o luz, se convierten en una señal normalizada (4-20 mA). Las ventajas de la transformación son por un lado la flexibilidad, ya que muchos medidores soportan la transformación de señales normalizadas. Por otro lado, las magnitudes
medidas pueden ser leídas a grandes distancias sin prácticamente pérdida alguna. Cuando se usan transductores, la unidad de evaluación debe recibir sólo el rango de medición, pues a partir de ahí, se calculan desde la señales eléctricas las magnitudes eléctricas. Algunos transductores ofrecen adicionalmente una separación galvánica entre la señal de entrada y de salida. Un transductor es un dispositivo básico en los sistemas de controles de dispositivos electrónicos o eléctricos. En los hornos eléctricos, heladeras, calderas. Los transductores son dispositivos capaces de transformar o convertir un tipo de energía entrante en un diferente tipo de energía a la salida. Las energías de entradas más generales son luz, sonido, calor y las convierte en una energía adecuada para poder ser trabajada en el sistema.
Paso 2:
Precisión: Lo que he investigado me arrojo que la precisión de un instrumento es su medición de la repetitividad, dicho de otra manera la precisión describe la cercanía de las flecha al centro de la diana (deporte tiro con arco); si un detector o un sensor que monitorea un proceso inalterable continua produciendo resultados que están dentro de sus tolerancias cercanas, esto demuestra la precisión del instrumento, sin embargo esto no demuestra la exactitud del instrumento.
Sensibilidad: La sensibilidad de un dispositivo es la proporción de un cambio en la magnitud de salida con respecto al cambio de la entrada lo que
causa un estado
estacionario, es una proporción que describe cuanto debe cambiar la variable de entrada para producir un cambio en la magnitud de la salida. Digo la sensibilidad y el grado de reacción suelen confundirse mucho, es grado de reacción es el volumen de cambio en la
variable del proceso necesario para causar un cambio o movimiento perceptible en la variable medida.
Resolución de un sensor: La resolución de un sensor es el cambio de entrada más pequeño en cualquier punto del rango de operación que resultará en al menos el 50% del cambio de salida calculado. Esto puede ser probado y registrado en las especificaciones por lo que sabrá lo sensible que es el sensor.
Paso 3: Sensor de temperatura MLX90614ESF Se trata de un sensor que utiliza la luz infrarroja para medir la temperatura, incluso de objetos remotos sin la necesidad de estar en contacto con ellos. Su precio no es disparatado, viene a costar unos 13€. Es muy simple de usar y ofrece una buena precisión (0,02º C) y alta resolución (10-bit). Podemos comunicar de dos maneras con este sensor, por el protocolo I2C y mediante un pin PWM. Se puede utilizar en muchas aplicaciones, pero sobre todo en proyectos donde se requiere la medida de temperatura en un campo de 90º de visión. Transmisor de la temperatura en el rango de -20..120 ˚C, con una resolución de salida de 0.14 ˚C.
Nombre: EMERY PAOLA CORREA Paso 2:
Precisión: La desviación de la lectura de un sistema de medida respecto a una entrada conocida. El mayor error esperado entre las señales medida e ideal. se refiere a la dispersión del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. Una medida común de la variabilidad es la desviación estándar de las mediciones y la precisión se puede estimar como una función de ella. En instrumentación la precisión es la tolerancia de medida o de transmisión de un instrumento en otras palabras es la tolerancia mínima que se debe permitir en la medición, registro o valor a controlar según sea el instrumento.
Sensibilidad: la sensibilidad es la mínima magnitud en la señal de entrada requerida para producir una determinada magnitud en la señal de salida, dada una determinada relación señal/ruido, u otro criterio especificado.
Resolución De Un Sensor: Es la cantidad de medida más pequeña que puede alcanzar, es el cambio en la magnitud de la entrada que se aprecia en la magnitud de salida.
Paso 3: SENSOR ULTRASONICO HC-SR04 El funcionamiento es simple, envía una señal ultrasónica inaudible y nos entrega el tiempo que demoro en ir y venir hasta el obstáculo más cercano que detecto.
Generalmente están conformados por dos cilindros puestos uno al lado del otro, uno de ellos es quien emite la señal ultrasónica, mientras que el otro es quien la recibe, es un sistema muy simple pero no por eso deja de ser efectivo. Ofrece una excelente detección sin contacto (remoto) con elevada precisión y lecturas estables en un formato fácil de usar. El sensor hc-sr04 en particular tiene una sensibilidad muy buena del orden de los 3mm, teniendo en cuenta que la mayoría de las aplicaciones donde este sensor es utilizado es para medir o detectar obstáculos o distancias mayores a varios centímetros, podemos decir que su sensibilidad es muy buena. Tiene una resolución de 0.3 cm. Los sensores de ultrasonidos son sensores de baja precisión. La orientación de la superficie a medir puede provocar que la onda se refleje, falseando la medición. Además, no resultan adecuados en entornos con gran número de objetos, dado que el sonido rebota en las superficies generando ecos y falsas mediciones. Tampoco son apropiados para el funcionamiento en el exterior y al aire libre.
Nombre: LUIS ADRIAN ARIZA Paso 1: Visualizador. Los visualizadores de proceso son medidores que se pueden emplear de forma muy flexible. En la industria y la investigación, así como en aplicaciones menores, los visualizadores de proceso pueden resolver una amplia variedad de trabajos de medición. Los visualizadores de proceso permiten visualizar parámetros como temperatura, humedad del aire, vibración, señales normalizadas, etc. Los visualizadores de proceso con chasis de inserción se instalan normalmente en un panel con otros visualizadores de proceso o sistemas de regulación. También está disponible como opción una carcasa para el indicador digital.
Esto permite al usuario de manejar el indicador de forma móvil. Los visualizadores de proceso con un tipo de protección IP 65 pueden ser usados en ambientes adversos. Además de la medición y la indicación de señales normalizadas, también puede medir otras magnitudes físicas mediante sensores conectados directamente al indicador, como por ejemplo, temperatura o fuerza. Los visualizadores de proceso suelen programarse in situ a través de las teclas. Algunos equipos pueden ser conectados y configurados mediante un PC. Esto tiene la ventaja que las configuraciones programadas son almacenadas, lo que permite configurar otros visualizadores de proceso con la misma configuración. Esta función ofrece un gran ahorro de tiempo, sobre todo cuando diferentes visualizadores de proceso deben realizar el mismo trabajo.
Paso 2:
Precisión: la precisión en la instrumentación industrial es asociada a la capacidad de un instrumento de dar la misma medición al compararse con un instrumento patrón, por ejemplo, al yo simular una presión a un indicador de presión “manómetro” instalado sobre la misma línea que un indicador de presión patrón el cual este certificado como de alta precisión, el manómetro debe mostrar la misma indicación al ser sometido a varias pruebas.
Sensibilidad: la sensibilidad en los instrumentos es la capacidad de mostrar cabios en la indicación al recibir pequeños cambios en la variable del proceso, por ejemplo, en el control de nivel de un tanque es importante que la válvula de descarga del mismo no haga aperturas bruscas que hagan bajar mucho el nivel, y que tampoco tome mucho tiempo
cerrada ya que se subirá mucho el nivel, este control debe ser sensible a los cambios y comenzar a regular la salida con aperturas proporcionales.
Resolución De Un Sensor: la resolución de un sensor va asociada a su valor de indicación referente a las variaciones en un proceso por ejemplo si un instrumento mide en metros y el resultado medido es de centímetros y no tiene puntos decimales la indicación va ser cero en el display del equipo, por eso la importancia al elegir la resolución de un sensor.
Paso 3: Transmisor de presión Rosemount 3051. Precisión: El mejor rendimiento total de su tipo de ±0,15% de la industria. La precisión total es la verdadera medida del rendimiento del transmisor en aplicaciones reales, Al usar la tecnología superior del sensor diseñada para óptimo rendimiento se encuentran que el error máximo en este instrumento no pasara de ser del 0,15%. Por ejemplo si este equipo que mide presión diferencial esta calibrado de 0 a 100” de agua su máxima desviación comparado con un equipo patrón de un laboratorio será de 0,15 “ de agua. Sensibilidad: Rendimiento dinámico único. En aplicaciones dinámicas, la velocidad de medición es tan importante como la repetitividad. El transmisor 3051 responde hasta ocho veces más rápido que el transmisor de presión típico para detectar y controlar las variaciones de forma rápida y eficiente. Una respuesta dinámica superior produce mediciones más exactas para reducir la variabilidad e incrementar la rentabilidad. Para una constante de tiempo dada, el usuario puede
seleccionar entre 0 y 60 segundos para la respuesta analógica de salida a una entrada en escalón. Esta amortiguación del software se suma al tiempo de respuesta del módulo del sensor. Resolución del sensor: Para cambios de temperatura de ±28 °C (50 °F), hasta 6,9 MPa (1000 psi) de presión de tubería (CD solamente), desde un rango descendente. La señal de 4.20 mA de dos hilos puede ser seleccionada por el usuario para salida lineal o de raíz cuadrada. Variable digital del proceso superpuesta a la señal de 4.20 mA, disponible para cualquier receptor que cumpla con el protocolo HART.
ACTIVIDAD COLABORATIVA
Paso 4: Elaboren un esquema en el cual expliquen de manera breve los bloques de un sistema de instrumentación.
Paso 5: Diseñar e implementar Puente de Wheatstone; el potenciómetro a medir es de 5KΩ. (Cálculos y simulación). El Puente de Wheatstone, es un puente de corriente directa, permite identificar el valor de RX, dependiendo de los valores de R1, R2 Y R3 en el momento que el voltaje a la salida es 0V (equilibrado)
Teniendo en cuenta lo anterior, y según lo que establecen las leyes de Kirchhoff, 𝑅𝑋 𝑅3 = 𝑅2 𝑅1 𝑆í,
→
𝑅𝑋 =
𝑅2 𝑥 𝑅3 𝑅1
𝑅1 = 𝑅3, 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 𝑅𝑋 = 𝑅2
El equilibrio del potenciómetro se obtiene de acuerdo al porcentaje de Resistencia que se calcule, en nuestro caso, vamos a designar los siguientes valores: 𝑅1 = 𝑅3 = 2𝐾𝛺
𝑅2 = 3 𝐾𝛺
V=12V
Entonces:
𝑅𝑋 =
𝑅2 𝑥 𝑅3 3 𝑥 2 6 = = = 3 𝐾𝛺 𝑅1 2 2
Para determinar el punto de equilibrio, por medio de una regla de tres calculamos el porcentaje del potenciómetro que representa el valor de RX calculado
5 100% → 𝑅𝑋 = 3 60% Realizamos la simulación en Proteus:
Comprobamos que el valor del voltaje de salida es 0V:
De igual forma, verificamos que al variar el valor del potenciómetro, el valor del voltaje de la salida también varía
Link de explicación: https://youtu.be/CzILdAQGjmg
Paso 6: Si su grupo colaborativo es impar: Diseñe e implemente un puente de Wien para la medición de capacitancias y compruebe su funcionamiento. (Cálculos y simulación).
Link de explicación: https://youtu.be/Bw0ron3ew-4
PUENTE DE WIEN Hace referencia a un circuito puente de CA, en el que una rama consta de una resistencia y una capacitancia en serie, y la contigua de una resistencia y una capacitancia en paralelo, siendo las dos ramas restantes puramente resistivas. Este puente se usa para medir capacitancias en términos de resistencias y frecuencias. En el equilibrio se aplican las siguientes relaciones: 𝐶1 𝑅4 𝑅2 = − 𝐶2 𝑅3 𝑅1
Asignamos los valores a las variables: 𝑅2 = 50𝛺
𝑅3 = 75𝛺
𝑅4 = 100𝛺
𝐶3 = 15𝜇𝐹
𝑓 = 100 𝐻𝑧
Para poder encontrar el punto de equilibrio del sistema, empleamos la siguiente fórmula:
𝒁𝒙 = 𝒁𝟑
𝒁𝟐 𝒁𝟒
Debemos empezar por realizar el cálculo de 𝒁𝟑 . Se ha establecido que para el realizar el cálculo de una impedancia cuando sus variables se encuentran conectadas en paralelo, se debe emplear la siguiente fórmula:
𝒁𝟑 =
𝑹𝟑 ∗ 𝑿𝑪𝟑 𝑹𝟑 + 𝑿𝑪𝟑
Por el contrario, cuando están conectadas en serie, se empleará la siguiente fórmula: 𝒁𝟐−𝟒 = 𝑹𝟐−𝟒 + 𝑿𝑪𝟐−𝟒 Antes de calcular la impedancia, se debe determinar el valor de la reactancia del capacitor cuyo valor conocemos, en este caso C3, para ello, empleamos la siguiente fórmula:
𝑿𝑪𝟑 =
𝟏 1 = = 106.10𝛺 𝟐𝝅𝒇𝑪𝟑 2𝜋(100𝐻𝑧)(15 ∗ 10−6 )
En términos de impedancia, tenemos que 𝑿𝑪𝟑 = 𝒋𝟏𝟎𝟔. 𝟏𝟎𝜴 Ahora, calculamos el valor de
𝒁𝟑 =
(75𝛺 ∗ 𝑗106.10𝛺) 𝑹𝟑 ∗ 𝑿𝑪𝟑 7957.5𝑗 = = 𝑹𝟑 + 𝑿𝑪𝟑 (75𝛺 + 𝑗106.10𝛺) (75𝛺 + 𝑗106.10𝛺)
=
(7957.5𝑗)(75𝛺 − 𝑗106.10𝛺) 844290.75 + 59612.5𝑗 = (75𝛺 + 𝑗106.10𝛺)(75𝛺 − 𝑗106.10𝛺) 16882.21
=
84429075 59681250 + 𝑗 = 𝟓𝟎. 𝟎𝟏 + 𝟑𝟓. 𝟑𝟓𝒋 1688221 1688221
Finalmente, hallamos el valor de
𝒁𝒙 = 𝒁𝟑
𝒁𝟐 𝒁𝟒
Recordemos que las resistencias R2 y R4 al estar conectadas en serie, proporcionan su mismo valor al valor de su impedancia, por lo tanto: 50 𝒁𝒙 = 50.01 + 35.35𝑗 ( ) = 50.01 + 35.35𝑗 ∗ (0.5) = 25 + 17.67𝑗 100 𝒁𝒙 = 𝟐𝟓 + 𝟏𝟕. 𝟔𝟕𝒋 El valor de 𝑍𝑥 = 𝑅1 = 25 𝑦 𝑋𝐶1 = 17.67 𝑗 , ahora calculamos el valor del capacitor que se encuentra conectado a la resistencia calculada. Despejamos 𝑪𝟏 de la fórmula:
𝑿𝑪𝟏 =
𝑪𝟏 =
𝟏 𝟐𝝅𝒇𝑪𝟏
𝟏 1 = = 𝟗𝟎. 𝟎𝟕 ∗ 𝟏𝟎−𝟔 𝝁𝑭 𝟐𝝅𝒇𝑿𝑪𝟏 2𝜋(100𝐻𝑧)(17.67)
De esta manera, se dice que los valores que darán condiciones de equilibrio al sistema son: 𝑪𝟏 = 𝟗𝟎. 𝟎𝟕 ∗ 𝟏𝟎−𝟔 𝝁𝑭 𝑹𝟏 = 𝟐𝟓𝜴
Realizamos el montaje y simulación en Proteus:
En
los
puntos
donde
el
voltaje
es
0V,
las
ondas
se
generan
en
sincronía:
Verificamos que al alterar el valor de cualquiera de las dos condiciones de equilibrio, el valor de la corriente de salida varía.
CONCLUSIONES
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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