laboratorio exp1
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Informe de la laboratorio : Instrumentacin Industrial Experiencia I
Integrantes: Nadia Ulloa
Diego Ochoa
Asignatura: Instrumentacin Industrial
Fecha: 03/06/2015
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1
ndice Introduccin ........................................................................................................................................ 2
Desarrollo ............................................................................................................................................ 3
Sensor de presin ............................................................................................................................ 3
Sensor LVDT .................................................................................................................................... 6
Sensor ultrasnico ........................................................................................................................... 9
Conclusiones ..................................................................................................................................... 13
Bibliografa ........................................................................................................................................ 14
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2
Introduccin
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes fsicas o qumicas, llamadas variables de
instrumentacin, y transformarlas en variables elctricas. En este laboratorio conoceremos
algunos tipos de sensores como son de presin, distancia y proximidad, y conocer como trabajan y
sus caractersticas de funcionamiento, se realizaran pruebas para determinar su linealidad y sus
rangos de medida en el cual trabajan.
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3
Desarrollo
Sensor de presin
Principio de funcionamiento
La presin es una fuerza que ejerce sobre un rea determinada, y se mide en unidades de fuerzas
por unidades de rea.
Esta fuerza se puede aplicar a un punto en una superficie o distribuirse sobre esta.
Cada vez que se ejerce se produce una deflexin, una distorsin o un cambio de volumen o
dimensin.
Las mediciones de presin pueden ser desde valores muy bajos que se consideran un vaco, hasta
miles de toneladas de por unidad de rea.
Los principios que se aplican a la medicin de presin se utilizan tambin en la determinacin de
temperaturas, flujos y niveles de lquidos. Por lo tanto, es muy importante conocer los principios
generales de operacin, los tipos de instrumentos, los principios de instalacin, la forma en que se
deben mantener los instrumentos, para obtener el mejor funcionamiento posible, cmo se debe
usar para controlar un sistema o una operacin y la manera como se calibran.
Los sensores de presin o transductores de presin, son muy habituales en cualquier proceso
industrial o sistema de ensayo. Su objetivo es transformar una magnitud fsica en una elctrica, en
este caso transforman una fuerza por unidad de superficie en un voltaje equivalente a esa presin
ejercida.
Los formatos son diferentes, pero destacan en general por su robustez, ya que en procesos
industriales estn sometidos a todo tipo de lquidos, existiendo as sensores de presin para agua,
sensores de presin para aceite, lquido de frenos, etc.
Trabajo de laboratorio
En el laboratorio se midi la presin que ejerca el lquido en el tubo sobre en sensor de presin
integrado en el panel, se tomaron mediciones de forma ascendente desde 0 a 140 ml y de forma
descendente desde 140 a 0 ml obteniendo los datos mostrados en la tabla 1
Tabla 1: voltajes obtenidos por variacin del nivel de agua por mediciones de forma ascendente y descendente.
nivel de agua[mL] Salida 1 [V] Salida 2 [V]
0 0 0
10 0 0,16
15 0,254 0,456
25 0,723 1,031
30 1,01 1,278
45 1,901 2,158
50 2,281 2,512
65 3,009 3,304
75 3,57 3,861
85 4,169 4,239
100 5,083 5,234
115 5,954 6,231
125 6,374 6,915
135 7,864 7,864
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4
Graficando los resultados se obtuvieron las grficas de la Figura 1
Figura 1: Grafica de nivel de agua vs Voltaje
En la grfica se pudo observar que no era la misma para mediciones de forma ascendente y
descendente esto se produce por el fenmeno histresis.
Tabla 2: tabla con valor de no linealidad, histresis y error.
0 20 40 60 80 100 120 1400
1
2
3
4
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6
7
8
voltaje
de s
alid
a [
V]
Nivel de agua [mL]
Medida ascendente
Medida descendente
Recta Ideal
nivel de agua Salida 1 [V] Salida 2 [V] Histresis NL s NL b Error Salida recta ideal
0 0 0 0 0 0 10 0
10 0 0,16 0,16 0,584 0,424 10,16 0,584
15 0,254 0,456 0,202 0,622 0,42 10,202 0,876
25 0,723 1,031 0,308 0,737 0,429 10,308 1,46
30 1,01 1,278 0,268 0,742 0,474 10,268 1,752
45 1,901 2,158 0,257 0,727 0,47 10,257 2,628
50 2,281 2,512 0,231 0,639 0,408 10,231 2,92
65 3,009 3,304 0,295 0,787 0,492 10,295 3,796
75 3,57 3,861 0,291 0,81 0,519 10,291 4,38
85 4,169 4,239 0,07 0,795 0,725 10,07 4,964
100 5,083 5,234 0,151 0,757 0,606 10,151 5,84
115 5,954 6,231 0,277 0,762 0,485 10,277 6,716
125 6,374 6,915 0,541 0,926 0,385 10,541 7,3
135 7,864 7,864 0 0,02 0,02 10 7,884
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5
En la tabla 2 se muestra los clculos de no linealidad, histresis y error.
Se obtuvo:
Recta ideal: O=I*0.0583
Span=135
Histresis:
MaxH=0,541
%MaxH=0.40% en funcin del alcance.
Mxima no linealidad:
NL=0.68
%NL=0.40% en funcin del alcance.
Banda muerta 7.24%
figura 2.cuerva del sensor de presin.
Curva del sensor de presin donde se puede ver claramente que presenta linealidad en su salida
de medicin.
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6
Sensor LVDT
Principio de funcionamiento:
Los sensores de distancia tipo LVDT son elementos de medida inductivos. Se basan en el principio inductivo de transformador de ncleo variable. Esto permite que un movimiento lineal del ncleo en el interior del cuerpo del sensor provoque una variacin de induccin entre primario y secundario, lo que se traduce en un cambio de seal de salida, proporcional a ese desplazamiento.
Figura 3: funcionamiento de un sensor Lvdt
Los rangos de medida de estos sensores parten de unos pocos milmetros y pueden llegar hasta los 500mm, por eso son indicados para rangos de medida bajos y medios, con salida analgica 0-10V o 4-20mA, as como salida digital, principalmente en RS485 o MODBUS. Los formatos son variados, dentro de que se trata de un sensor tipo cilndrico de un dimetro pequeo, existen series miniatura de 8mm y 12mm de dimetro, que soportan altas presiones y amplios rangos de temperaturas. Tambin existen modelos industriales ms convencionales con un dimetro de 20-22mm.
Figura 4: Sensor Lvdt Solartron DFG 5.0
Trabajo en laboratorio:
Para esta experiencia se us el transductor Solartron DFG 5.0.se alimento con +10V de acuerdo a
sus especificaciones de su etiqueta de datos (figura 5).
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7
Se midi su respuesta en voltaje al variar la distancia del vstago manualmente, se obtuvo la tabla
3
Figura 5: etiqueta de datos del sensor Solartron DFG 5.0
Tabla 3: medidas obtenidas de la variacin de distancia del vstago y su respuesta en voltaje.
Medicin [cm] Voltaje [V]
0.2 5.5
0.4 5.25
0.6 4.5
0.8 3.49
1 2.276
1.2 1.036
1.4 -0.128
1.6 -1.315
1.8 -2.496
2 -3.665
2.2 -4.696
2.4 -5.387
2.6 -5.526
2.8 -5.387
3 -4.723
3.2 -3.765
3.4 -2.513
3.6 -1.43
3.8 -0.554
4 -0.144
4.2 -0.025
4.4 -0.015
Con los datos de la tabla 3 se grafic su respuesta
-
8
Figura 6: grafico medicin de variacin del vstago vs voltaje de salida.
Tambin se analiz su comportamiento a travs de un osciloscopio, al variar la medida del vstago
de forma manual a un tiempo constante, obteniendo la grfica de la figura 7
Figura 7: imagen de la respuesta del sensor Lvdt obtenida del osciloscopio.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5-6
-4
-2
0
2
4
6
medicin[mm]
Voltaje
de s
alid
a [
V]
-
9
Sensor ultrasnico
Principio de funcionamiento
Los sensores de ultrasonidos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces
mecnicos y que detectan objetos a distancias que van desde pocos centmetros hasta varios
metros. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la seal tarda en regresar. Estos reflejan
en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en seales elctricas, las cuales son
elaboradas en el aparato de valoracin. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden
detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y de diferentes materiales. Los
materiales pueden ser slidos, lquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de
sonido. Los sensores trabajan segn el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia
temporal entre el impulso de emisin y el impulso del eco.
Ilustracin 1. Un ejemplo de funcionamiento del sensor ultrasnico en un estanque.
Trabajo en laboratorio
Para esta experiencia se us un sensor ultrasnico SCA-240, este sensor trabaja con el protocolo
HART, por lo que su respuesta de salida ser de 4-20[mA], para poder medir su respuesta en
voltaje se us una resistencia de 470 []
Figura 8: sensor ultrasnico SCA240
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10
El valor real medido de la resistencia fue de 464[], por lo cual la relacin voltaje-corriente est
dada por:
V=I*464
Se midi la distancia de un objeto ubicado a 523.2 [cm], luego disminuyendo la distancia en 32.7
[cm], se obtuvieron los resultados mostrados en la tabla 4
Se midi el tiempo que tomaba en estabilizarse el voltaje de salida, ya que la respuesta del sensor
era lenta, segn las medidas el tiempo promedio de estabilizacin fue de 91.3 [s]
Tabla 4: Mediciones de distancia y respuesta en voltaje del sensor SCA-240
Distancia cm voltaje
523,2 1.873
490,5 2.373
457,8 2.884
425,1 3.395
329,1 3.910
359,7 4.433
327 4.948
294,3 5.440
261,6 5.944
228,9 6.441
196,2 6.954
163,5 7.459
130,8 7.96
98,1 8.473
65,4 8.98
51,2 9.22
49,2 9.235
38,7 9.377
36,7 9.408
La banda muerta se present en los 36.7 [cm], luego de esa distancia el sensor no variaba su
voltaje.
Con los resultados obtenidos se grafic su respuesta. Grfico de la figura 9
-
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Figura 9: grafico de distancia vs voltaje del Sensor SCA-240
En el grafico se pudo observar que la grfica era lineal, para comprobar se procedi a obtener su
no linealidad mxima, de la tabla
NLmax=0.034
Como porcentaje de alcance %NLmax=0.007%
Tabla 5: mediciones del sensor sca-240 con no linealidad
0 100 200 300 400 500 6001
2
3
4
5
6
7
8
9
10
distancia [cm]
Salid
a d
e v
oltaje
[V
]
Distancia cm
voltaje NL recta ideal
523,2 1,873 0,000 1,87
490,5 2,373 0,007 2,38
457,8 2,884 0,003 2,89
425,1 3,395 -0,001 3,39
392,4 3,910 -0,010 3,90
359,7 4,433 -0,026 4,41
327 4,948 -0,034 4,91
294,3 5,440 -0,019 5,42
261,6 5,944 -0,016 5,93
228,9 6,441 -0,006 6,43
196,2 6,954 -0,013 6,94
163,5 7,459 -0,011 7,45
130,8 7,960 -0,005 7,96
98,1 8,473 -0,011 8,46
65,4 8,980 -0,011 8,97
51,2 9,220 -0,031 9,19
49,2 9,235 -0,015 9,22
38,7 9,377 0,006 9,38
36,7 9,408 0,006 9,41
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12
Figura 10: grafico de recta ideal y mediciones de laboratorio del sensor sca-240.
En el grfico de la figura 10 se pudo observar la pequea variacin entre las rectas.
0 100 200 300 400 500 6001
2
3
4
5
6
7
8
9
10
distancia [cm]
Salid
a d
e v
oltaje
[V
]
Recta ideal
Respuesta medida
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13
Conclusiones
En este laboratorio se observ el funcionamiento de los distintos sensores, en el caso del sensor
de presin se tomaron medidas de forma ascendente y descendente lo cual nos permiti calcular
histresis, y no linealidad, as como los valores mximos de estas basados en la linealidad terminal,
lo cual se observ claramente en las grficas obtenidas. Para el sensor de LVDT se observ que su
funcionamiento era el que se esperaba y adems con gran exactitud ,precisin y sensibilidad lo
que lo hace muy confiable para sus aplicaciones, por ltimo se trabaj con el sensor ultrasnico el
cual trabajaba con protocolo Hart, motivo por el cual se agreg una resistencia al circuito de salida
para poder trabajan en voltaje con su respectiva conversin, debido a que se demoraba mucho en
estabilizarse no se tom medidas de forma ascendente/descendente pero si se pudo observar
poca no linealidad cerca del 0.007% .
Estos sensores tienen muchas aplicaciones en la industria para controlar y monitorear distancias,
nivel de agua, proximidad de un objeto entre otros, por eso la importancia de conocer su
funcionamiento y caractersticas.
Diego Ochoa
Como se pudo observar en esta experiencia los distintos tipos de sensor para ver su
funcionamiento para ello se tomaron varias medidas a cada uno de ellos, para asi verificar su
linealidad y ver en que rangos trabajan, para la calibracin si es posible de los sensores.
El sensor de presin es un sensor que tiene una linealidad en mbito general, pero con las medidas
que se tomaron se observ que tiene una histresis y sus parmetros no eran tan precisos segn
los valor que se tomaron en subida y bajada, el sensor de distancia LVDT es un sensor muy preciso
en mbitos de medida pero es un sensor no lineal donde la forma de su grafico es una curva,
aunque se podra linealizar en un cierto rango de medida. Y el sensor ultrasonido es sensor que
cierto se puede ocupar en distintos mbitos dada sus caractersticas de linealidad en el que
trabaja, siendo as trabaja de varios metros a unos pocos centmetros. Estos sensores (presin,
distancia, ultrasnico) tienen una gran utilidad en el mbito industrial siendo asi como para medir
nivel de distancia de superficies, controlar la presin de estanques o para medir desplazamiento
lineales muy precisos, etc.
Nadia Ulloa
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Bibliografa
http://www.solartronmetrology.es/products/absolute-displacement-transducers-lvdt/dfg-dc-
miniature-lvdt-displacement-sensor.aspx
http://www.sensores-de-medida.es/sensing_sl/SENSORES-Y-TRANSDUCTORES_35/Sensores-de-
presi%C3%B3n_107/
http://www.sensores-de-medida.es/sensing_sl/SENSORES-Y-TRANSDUCTORES_35/Sensores-de-
distancia_36/Sensores-de-distancia-LVDT_55/
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