Metodología básica de instrumentación industrial y electrónica

Alfredo José, Constain Aragón, Efraín, Bernal Alzate

• Editorial: Ediciones Unisalle
• Año: 2016
• ISBN:
  9789588939735
• Categoría: Tecnología e ingeniería
• Categoría: Ingeniería general

Este texto recoge las experiencias de los autores en su desempeño profesional y docente en la materia de instrumentación electrónica e industrial. Comprende, además de un enfoque compacto sobre la esencia del diseño electrónico (hardware y software) de los sistemas de instrumentación, una serie de temas no tratados en la bibliografía corriente sobre la materia, que clarifican conceptos importantes como: interpretación y definición de las incertidumbres de los sistemas de medición que se diseñan o manejan, aplicación de la retroalimentación negativa y discusión en detalle de algunos componentes discretos importantes. Finalmente se expone la nomenclatura para la elaboración de diagramas.

TRANSDUCTORES

Los transductores o sensores, como también se los llama, son aquellos dispositivos que se encargan de captar la magnitud física que se quiere medir y la transforman en un análogo eléctrico de voltaje o corriente. Este es un tema muy importante en la instrumentación, ya que cualquiera que sea el grado de complejidad o sofisticación posterior, siempre habrá que resolver cómo se adquiere la información del fenómeno físico, y los sensores son los únicos que pueden hacer esta tarea.

La instrumentación electrónica moderna consiste de dos temas: 1) la compleja estructura del procesamiento en su concepto más amplio y la transmisión de la información; 2) el conocimiento y la aplicación de los sensores (transductores).

La tabla 5 ayuda a entender los criterios de selección de los sensores para una determinada aplicación.

Tabla 5. Criterio general de selección de sensores de acuerdo con la aplicación

Criterio	Explication
1. Pertinencia respecto al fenomeno	El principio de operación debe estar en relación directa con la magnitud que se quiere medir. Para una misma magnitud pueden haber varios principios de operación y, por lo tanto, varios sensores.
2. Sensibilidad	Tiene que ver con la energía asociada con la medición. Algunos principios de operación toman gran energía y su sensibilidad es limitada, algunos otros toman muy poca energía y su sensibilidad es grande.
3. Rango	Es el alcance (valor mayor-valor menor) que despliega un sistema de instrumentación con respecto a una magnitud que se está midiendo.
4. Linealidad	Corresponde a que la pendiente de la curva de calibración del instrumento basado en el transductor considerado sea constante en todo el rango.
5. Simplicidad de operación	Según se requiera menos o más electrónica para su operación.
6. Documentatión	En medios limitados como Colombia, se debe procurar utilizar dispositivos sobre cuya operación y naturaleza se puede ubicar documentación apropiada.
7. Costo	Es un factor importante sobre todo en la producción industrial del instrumento.
8. Adaptabilidad circuital	Tiene que ver con el acoplamiento con otras partes de la electrónica. Involucra niveles de impedancia y de voltaje.

Fuente: elaboración propia.

Transductores de temperatura

Termistores

El termistor es un dispositivo que se fabrica con mixturas de óxidos metálicos (zinc, hierro, manganeso) que presentan un comportamiento como semiconductores. La ecuación básica para un termistor tipo NTC (coeficiente negativo de temperatura) es:

Esto implica una curva, como se muestra en la figura 89.

Figura 89. Característica de respuesta térmica de un termistor

Fuente: elaboración propia.

También se puede graficar linealmente, si se considera más útil, como se presenta en la figura 90.

Un parámetro práctico es el coeficiente de variación relativa en función de la temperatura, α:

Figura 90. Linealización de la curva característica de un termistor

Fuente: elaboración propia.

Este es un parámetro estable y varía entre 1 % y 3 %, o sea, el termistor es un sensor muy sensible. Sin embargo, alfa depende fuertemente de la temperatura, por lo tanto, es muy alineal. Esto hace del termistor un sensor muy utilizado pero con restricciones en su rango de temperatura. Su alinealidad es un problema que requiere un tratamiento especial en los circuitos de medición o control de temperatura. Un segundo parámetro práctico del termistor es su resistencia térmica η, que mide el aumento interno de temperatura en N grados centígrados por cada milivatio disipado.

Para establecer el aumento interno de temperatura el diseñador debe saber primero cuál es el voltaje (o la corriente) sobre el dispositivo mediante las siguientes fórmulas:

Un tercer parámetro es la constante de tiempo térmica τT, la cual mide la velocidad con la cual el dispositivo cambia su temperatura. Esta se encuentra en función básicamente de su propia masa y del gradiente de temperatura que actúa, considerando esto como un sistema dinámico de primer orden (figura 91).

Figura 91. Respuesta térmica de primer orden

Fuente: elaboración propia.

Calibración de un termistor: con gran frecuencia se tienen dispositivos resistivos sensibles al calor pero no se conocen sus características operativas. Por tanto, hay que realizar una calibración para deter...

Índice

• Cubierta
• Portada
• Créditos
• Dedicatoria
• Contenido
• PRÓLOGO
• FUNDAMENTOS
• TÉCNICAS ESPECIALES: PUENTE DE WHEATSTONE, CONTROL AUTOMÁTICO DE GANANCIA Y RETROALIMENTACIÓN NEGATIVA
• TRANSDUCTORES
• AMPLIFICADORES OPERACIONALES. ESTUDIO AVANZADO
• CIRCUITOS ESPECIALES
• INSTRUMENTACIÓN DIGITAL
• SOFTWARE DE INSTRUMENTACIÓN
• DISEÑO DE TARJETAS
• DIAGRAMACIÓN INDUSTRIAL P&ID
• BIBLIOGRAFÍA