TALLER DE PROCESOS PRODUCTIVOSStefany Melo Parra 310078

Leslie Johana Puchicue 312053Sebastian Posada Bedoya 310057

PRÁCTICA 2CALIBRACION DE SENSORES

1. IntroducciónLa calibración es considerada la actividad de control más importante dentro de la medición, porque establece la relación del valor medido por un equipo con un valor convencionalmente real, dando validez a la medición; y así poder detectar y cuantificar imprecisiones y reportarlas o eliminarlas mediante el ajuste de un proceso.

2. Objetivos

2.1 Objetivo General

Aplicar los conceptos básicos acerca de la calibración de sensores para un sensor de presión diferencial y uno de nivel.

2.2 Objetivos Específicos

Comprender el propósito y la metodología del proceso de calibración del sensor de presión y nivel.

Determinar la relación de variables de entrada y salida para el sensor diferencial de presión y para el sensor ultrasónico de nivel.

Comparar y analizar ambos sistemas

3. Materiales y equipos Manómetros Tarjeta de adquisición de datos LabJack Cronometro Computador Sensor automático de presión diferencial (Vegadif) Sensor ultrasónico de nivel

4. Procedimiento

La práctica se llevó a cabo en dos secciones, en la que se pretendía adquirir conceptos para la calibración de un sensor de presión diferencial y un sensor ultrasónico de nivel. Antes de iniciar con la práctica se reconoció el sistema y se verificó las líneas del flujo,

las válvulas que debían estar abiertas, la energía eléctrica y el aire de entrada. Luego, se distribuyó cada uno de los roles de los integrantes del grupo con el fin de optimizar tiempo de trabajo en el laboratorio:

4.1 Calibración del sensor diferencial de presión

En la primera sección: Se debe verificar la calibración del sensor diferencial de presión. Para esto se debe identificar el modelo de caja negra, reconociendo entradas y salidas del sistema (Figura1). Con el tanque vacío, se ubicó las entradas y salidas del manómetro, posteriormente se suministró diferentes valores de voltaje provenientes de la tarjeta de adquisición de datos (LabJack U12), se procedió a tomar apuntes de cada una de los datos leídos en el manómetro, con el fin de conocer la caída de presión de la válvula con relación a cada uno de los voltajes suministrados, los datos de voltaje del sensor se leen en el computador, y se muestran a continuación:

Figura 1. Diagrama de caja negra. Sensor diferencial de presión

4.1.1 Resultados y Análisis de Resultados

Tabla 1: Calibración diferencial de presión dP (mmHg) Voltaje

(v)Zero 38 1,04Span 1044 4,41

∆ P−∆ P1∆V−∆V 1

=∆P2−∆ P1∆V 2−∆V 1

∆ P−1044∆V−4,41

= 38−10441,04−4,41

∆ P=298,52∆V−272,47

SISTEMAVoltaje Presión

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

150

300

450

600

750

900

1050f(x) = 298.516320474777 x − 272.456973293769

Voltaje (v)

Caid

a de

Pre

sion

(mm

Hg)

Grafica 1. Dependencia de la caída de presión con respecto al voltaje recibido.

En la gráfica 1 se puede ver entonces como debe ser el comportamiento lineal de las datos, ya que solo se están graficando los valores de ZERO Y SPAN, y de esta forma se puede obtener una expresión que relacione el voltaje con la caída de presión.

Tabla 2. Error obtenido en la medición (Teorico-Experimental)

VoltajedP (mmHg)

ExperimentaldP (mmHg) Calculado

% Error

4,41 1044 1045,2259380,11728923

4

4,39 1041 1039,1039450,18247016

5

4,38 1030 1034,8768550,47124983

5

4,33 1011 1018,6973050,75560273

44,26 1000 1000,039805 0,00398031

4,23 976 989,39919921,35427633

6

4,12 845 956,165527311,6261802

1

3,67 716 823,230839813,0256101

5

3,21 573 686,069062516,4807114

4

2,70 408 533,748066423,5594420

5

2,22 330 390,318535215,4536691

81,84 272 277,7904883 2,08448041,64 223 217,1536133 2,69228157

5

1,48 194 168,469199215,1545807

2

1,37 174 135,964335927,9747360

2

1,31 163 117,889882838,2646212

8

1,26 151 103,896757845,3365852

6

1,21 139 89,7578710954,8610704

6

1,18 133 80,1375976665,9645458

4

1,14 127 67,4563281388,2699570

7

1,11 118 58,710625100,985767

1

1,08 118 50,83949219132,103026

5

1,06 109 43,98869141147,790958

3

1,04 103 38,01246094170,963777

31,04 101 38,30398438 163,6801411,04 90 38,15822266 135,860042

1,04 75 38,7412695393,5920038

4

1,04 69 38,1582226680,8260322

3

1,04 66 37,8666992274,2956248

1

1,04 62 38,5955078160,6404566

6

1,04 60 37,720937559,0628546

8

1,04 55 37,8666992245,2463540

1

1,04 50 38,0124609431,5358142

2

1,04 50 38,5955078129,5487553

7

1,04 50 37,8666992232,0421400

1

1,04 48 38,0124609426,2743816

5

1,04 45 38,1582226617,9300210

2

1,04 43 38,1582226612,6886867

51,04 41 38,59550781 6,22997940

4

1,04 38 38,303984380,79361032

5

1,04 38 38,158222660,41464891

5

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.000

200

400

600

800

1000

1200

Valores Exper-imentales

Valores Calcu-lados

Voltaje (v)

Caid

a de

Pre

sion

(mm

Hg)

Grafica 2. Perfiles de presión con respecto a los valores experimentales y calculados.

Se realizaron 41 mediciones y se observó que no hubo un comportamiento del todo lineal (Grafica 2). Esto se debe por los posibles errores que se presentaron en el momento de realizar la lectura de la diferencia de altura en el manómetro, ya que es imposible poder realizar una calibración al (instrumento de medida: el ojo), obteniendo así un error en el momento de calcular la presión con los valores experimentales. Caso contrario que no se evidencia con los valores calculados.

4.2 Sensor ultrasónico de nivel

En la segunda sección: Se debe verificar la calibración de sensor ultrasónico de nivel. Para esto se debe identificar también el modelo de caja negra, reconociendo entradas y salidas del sistema (Figura 2). Se realizó medidas manuales desde la base del sensor hasta el fondo del tanque (56 cm); con la regla adherida a la pared del tanque, se programaron registros de diferentes tiempos a medida que se iba llenando el tanque, se repartieron cada 2 cm, tanto la orden en el computador como en el cronómetro se dieron al mismo tiempo para dar inicio a la toma de datos; el computador registró datos de tiempo(s), voltaje leído (V) y nivel(mm), mostrados a continuación:

Voltaje Tiempo Altura

SISTEMA

4.2.1 Resultados y Análisis de Resultados

Tabla 3: Datos del Zero y Span

Altura (cm)Voltaje

(v)Zero 36 3,25Span 56 1,11

∆h−∆h1∆V−∆V 1

=∆h2−∆h1∆V 2−∆V 1

∆h−36∆V−3,25

= 56−361.11−3,25

∆ h=−9,3458 ∆V+66,374

1 1.5 2 2.5 3 3.530

35

40

45

50

55

60

f(x) = − 9.34579439252337 x + 66.3738317757009

ZERO Y SPAN

Voltaje (v)

Altu

ra (c

m)

Grafica 3. Relación nivel con respecto al voltaje recibido por el sensor (Zero y Span).

Cabe resaltar que los valores no se han corregido respecto a la altura desde el sensor hasta el fondo del tanque; así, el zero corresponde a 36 cm y el span a 56 cm, dando un comportamiento de pendiente negativa; si se hace la corrección por altura el zero seria 20 cm y el span seria 0 cm, y la pendiente sería positiva, donde a medida que va aumentando el voltaje se logra un aumento en nivel en del tanque.

Tabla 4: Datos obtenidos de voltaje y altura en su respectico tiempo.Tiempo

totalVoltaje (v)

Altura Calculada (cm)

Altura Corregida (cm)

0 1,11 55,97 0,033 1,12 55,92 0,086 1,14 55,70 0,309 1,20 55,15 0,85

12 1,20 55,15 0,8515 1,28 54,37 1,6318 1,31 54,10 1,9021 1,34 53,82 2,1824 1,36 53,64 2,3627 1,42 53,09 2,9130 1,45 52,82 3,1833 1,50 52,36 3,6436 1,53 52,09 3,9139 1,55 51,86 4,1442 1,61 51,36 4,6445 1,64 51,04 4,9648 1,66 50,86 5,1451 1,69 50,54 5,4654 1,72 50,31 5,6957 1,74 50,08 5,9260 1,77 49,85 6,1563 1,83 49,31 6,6966 1,86 49,03 6,9769 1,89 48,71 7,2972 1,91 48,53 7,4775 1,94 48,21 7,7978 1,99 47,80 8,2081 2,02 47,53 8,4784 2,04 47,30 8,7087 2,10 46,75 9,2590 2,13 46,48 9,5293 2,15 46,25 9,7596 2,18 45,98 10,0299 2,21 45,70 10,30

102 2,24 45,47 10,53105 2,27 45,20 10,80108 2,29 44,93 11,07111 2,33 44,61 11,39114 2,35 44,38 11,62117 2,38 44,10 11,90

120 2,41 43,88 12,12123 2,46 43,37 12,63126 2,49 43,10 12,90129 2,51 42,87 13,13132 2,57 42,37 13,63135 2,60 42,10 13,90138 2,62 41,87 14,13141 2,65 41,59 14,41144 2,71 41,00 15,00147 2,73 40,82 15,18150 2,76 40,59 15,41153 2,81 40,09 15,91156 2,87 39,54 16,46159 2,87 39,54 16,46162 2,90 39,31 16,69165 2,95 38,81 17,19168 2,97 38,58 17,42171 3,00 38,35 17,65174 3,06 37,81 18,19177 3,09 37,53 18,47180 3,14 37,03 18,97183 3,17 36,76 19,24186 3,23 36,21 19,79189 3,25 36,03 19,97

A partir de estos datos del sensor se realizó una gráfica que nos diera la dependencia del voltaje con el tiempo.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

f(x) = 0.01113526433961 x + 1.10843834510216

Tiempo (s)

Volta

je (v

)

Grafica 4. Voltaje vs Tiempo

Todos los datos dependen del tiempo registrado, por lo cual para su calibración es necesario determinar una correlación de tiempo y voltaje como se puede observar en la gráfica 4, esta asociación consta de linealizar los datos obtenidos (voltaje y tiempo)

Tabla 5. Datos de Nivel y tiempo

Nivel (cm)

Tiempo por

medida (s)

Tiempo total (s)

2 23,37 23,374 20,76 44,136 18,57 62,78 19,66 82,36

10 19,32 101,6812 18,71 120,3914 18,77 139,1616 19,44 158,618 18,53 177,1320 19,55 196,68

Con estos datos se procedió a realizar la gráfica que nos muestra la dependencia de la altura con el tiempo.

0 50 100 150 200 2500

5

10

15

20

25

f(x) = 0.104441839984232 x − 0.553356339055725

Tiempo (s)

Altu

ra (c

m)

Grafica 5. Dependencia del nivel en el tanque vs el voltaje recibido por el sensor.

Con ambas gráficas y con la ecuación de la recta de cada una de ellas, se procedió a determinar una ecuación que nos relacione la altura con el voltaje.

V=0.1063h+1.1672

A partir de la expresión anterior, se puede determinar el voltaje que corresponde a cada altura de los datos experimentales.

Tabla 6. Datos experimentales de tiempo, altura y voltaje

Altura (cm)

Tiempo por vuelta

(s)

Tiempo total (s)

Voltaje (v)

2 23,37 23,37 1,37984 20,76 44,13 1,59246 18,57 62,7 1,8058 19,66 82,36 2,0176

10 19,32 101,68 2,230212 18,71 120,39 2,442814 18,77 139,16 2,655416 19,44 158,6 2,86818 18,53 177,13 3,080620 19,55 196,68 3,2932

Con esto entonces se puede hacer una comparación de los valores reales con los experimentales, graficando Altura-Voltaje

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.500.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

Voltaje (v)

Altu

ra (c

m)

Grafica 6. Altura teórica y experimental contra el voltaje leído por el sensor

Se graficaron los datos obtenido (experimental y teórico), con el fin de comprobar si se encontraba algún tipo de error en el sensor. Se puede evidenciar como los datos experimentales (Linea Naranja) sigue un patrón lineal como se esperaría, ya que los datos teóricos (Linea Azul) nos muestran el mismo comportamiento.

El sensor se puede decir que está calibrado ya que las dos curvas nos muestran un mismo comporatimiento asi una se encuentre un poco desfasada, todo esto debido a los posibles errores humanos que se presentaron durante la toma de los datos. Además también se pueden presentar posibles errores de transmisión por palancas del movimiento del elemento primario.

Cabe resaltar que los valores teóricos empiezan desde un valor de 0 cm, en cambio por otra parte los valores experimentales comienzan desde un valor de 2 cm, esto causa entonces que la gráfica se vea desfasada en su punto de inicio

Conclusiones

Se evidencia la importancia de la calibración de los equipos empleados para determinar las características físicas de los sensores, ya que los sensores van disminuyendo su precisión en la medida que se vayan utilizando.

Se observó que los errores fueron más notables en el sensor de presión diferencial comparado con el sensor de nivel. Por lo tanto, se recomienda que el sistema de medición de las presiones no se haga de manera tan subjetiva y que se cuente con una escala más adecuada para evitar los errores que se generan en el momento de realizar la lectura de las alturas en el manómetro.Referencia

Prado Oscar. Rojas Nelson Guías de las prácticas de Control en el Taller de Procesos Productivos. Departamento de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia. Manizales. 2015.