Sistemas de registro y control automático

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL
Ejercicios Tema II.Control industrial e Instrumentación.
• Explicar la diferencia entre control en bucle abierto y cerrado.
• Decimos que un proceso se está controlando en bucle abierto cuando la medida de la magnitud
controlada no tiene efecto sobre el controlador.
• Este sistema es sencillo, pero si se produce algún cambio en las condiciones del proceso no puede
corregirse automáticamente.
• En un proceso de bucle cerrado, la medida de la magnitud controlada tiene efecto sobre la entrada del
controlador, es decir existe realimentación.
• Identificar los elementos básicos de un sistema de control en bucle cerrado y representarlos en un
diagrama de bloques del sistema.
• Elemento comparativo: compara el valor requerido o deseado de la variable que estemos
controlando con el valor medido.
Señal de error = señal del valor de referencia − señal del valor medido.
• Elemento de control: decide qué acción se debe llevar a cabo cuando se recibe una señal de error.
• Elemento de corrección: envía una señal al proceso para que se produzca un cambio que corrija la
situación controlada.
• Elemento de proceso: es lo que está siendo controlado.
• Elemento de medida: este produce una señal con relación a la situación variable que está siendo
controlada.
Elemento de
Comparación
Consigna Señal Unidad Unidad Proceso Variable
de control de corrección Controlada
Valor medido Dispositivo
de medida
• Identificar los elementos básicos en los sistemas de control en bucle cerrado existentes en a) un
conductor conduciendo un coche, b) un sistema de calefacción central controlado por termostato.
A)Variable controlada, la conducción del coche.
Valor de referencia, el tipo de conducción.
Elemento comparativo, persona que compara el valor medido por la instrumentacción del coche con el valor
requerido para ello.
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Señal de error, la diferencia entre la conducción medida por la instrumentacción y la requerida.
Unidad de control, conductor.
Unidad de corrección, acelerador, dirección, luces, etc.
Proceso, coche.
Dispositivo de medida, instrumentacción general del coche.
b)Variable controlada, temperatura del edificio.
Valor de referencia, temperatura requerida en el edificio.
Elemento comparativo, la persona o instrumento que compara el valor medido con el valor requerido de la
temperatura.
Señal de error, la diferencia entre la temperatura medida y la requerida.
Unidad de control, la persona o instrumentación adecuada.
Unidad de corrección, el dispositivo que abre y cierra el suministro de combustible o energía al sístema de
calefacción.
Proceso, la calefacción central.
Dispositivo de medida, un termostato.
• La figura 2.19 muestra un sistema utilizado para controlar la velocidad a la que un líquido pasa a lo
largo de una tubería. Explicar cómo funciona el sistema.
Se quiere controlar la velocidad de flujo de un líquido por una tubería. Tenemos un medidor de flujo como
dispositivo de medida, que dependiendo de la velocidad del líquido dará una señal determinada al dispositivo
que va a comparar la señal que llega. Con la válvula de control aumentará o disminuirá la velocidad del flujo
dependiendo de la realimentación que reciba de la unidad de control.
• Explicar la diferencia entre realimentación positiva y negativa y dar un ejemplo de cada una.
La realimentación positiva es cuando la señal realimentada incrementa la diferencia entre el valor de
referencia y el actual de la variable que se está controlando.
Señal de error = Valor de referencia + Señal de realimentación.
Ej.Un tacómetro conectado al eje de un motor que cuando disminuya la velocidad de una señal al amplificador
para aumentar la velocidad de giro al valor de referencia.
La realimentación negativa es cuando la señal que es realimentada se utiliza para reducir la diferencia entre el
valor de referencia y el valor actual de la variable controlada.
Señal de error = Valor de referencia − Señal de realimentación
Ej.Un termostato que desconecta una placa de resistencias cuando llega a una temperatura determinada.
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• Un sistema de medida de temperatura tiene un termómetro que produce un cambio de resistencia de
0,007 /ºC conectado a un puente de Wheatstone que produce a su vez un cambio de corriente de 20
mA/ .¿Cuál es la función de transferencia global del sistema?.
• Para el sistema de control descrito en el problema 4, e ilustrado en la figura 2.19, ¿cuál será a) la
función de transferencia para el bucle de realimentación si el medidor de flujo tiene una función de
transferencia de 2 kPa por m/s y el conversor de presión suministra una corriente de 1,0 mA por
kPa; b) la función de transferencia del camino directo si la corriente para el conversor de presión
tiene una función de transferencia de 6 kPa por mA y la válvula de control es de 0,1 m/s por kPa, y c)
la función de transferencia global del sistema de control?
EJERCICIOS TEMA 3:
• Los transductores convierten información sobre un valor en otra información con un formato
distinto. Para los siguientes transductores, ¡qué cambios de información están ocurriendo?
• Termopar.Información en forma de cambio de resistencia.
• Célula fotoconductora. Al llegar a la célula luz, en esta se genera una tensión (dispositivo activo).
• Sensor de Venturi. La diferencia de secciones de dos tubos por las que circula un fluido, nos da una
información sobre la medida de ese líquido, basado en la presión diferencial.
• Galga extensiométrica. Al cambiar la longitud de una resistencia, cambia la tensión a través del
puente de Wehastone.
• Transformador diferencial líneal variable. Un desplazamiento de un contacto sobre una bobina de un
transformador, (debido a la aplicación de una fuerza por ejemplo), cambia la tensión de la bobina
secundaría.
• Especificar un transductor o transductores primarios y secundarios que podrían ser utilizados para
cada una de las siguientes situaciones de cambio de información.
• De desplazamiento a diferencia de potencial. Medidor de flujo Dall.
• De fuerza a desplazamiento. Transformación diferencial variable.
• De fuerza de cambio de resistencia. Galgas extensiométricas con puente de Wehastone.
• De posición angular de un eje de impulsos de luz. Codificador de eje incremental óptico.
• De temperatura a resistencia. Termistores.
• Un termómetro de Cu−constantán va a ser utilizado para medir temperaturas entre 0 ºC y 20ºC.
¿Cuál será el error de no linealidad según un porcentaje de lectura a fondo de escala de 100ºC si se
supone una relación líneal entre fuerza electromotriz y temperatura?. La fuerza electromotriz a
100ºC es de 4,277 mv y la fuerza electromotriz a 200ºC es de 9,286 mv.
• Un termómetro de resistencia de platino tiene una R de 100,00 ohmios a 0ºC, 138,50 ohmios a 100ºC y
175,83 ohmios a 200ºC. ¿Cuál será el error de no linealidad en ºC a 100ºC si el termómetro se supone
que tiene una relación lineal entre 0ºC y 200ºC?
• ¿Cuál será el cambio de resistencia de una galga extensiométrica de resistencia eléctrica con un
factor de 2,1 y una resistencia de 100 ohmios si se usa para medir una tensión del 0,1%?
• ¿Cuál es el error de no linealidad, expresado en un porcentaje de lectura a fondo de escala,
producido cuando un potenciómetro de 1 k ohmio tiene una carga de 10 k ohmios y está a un tercio
de su desplazamiento máximo?
• Un tubo de Venturi8 va a ser utilizado para medir una velocidad de flujo de agua en un tubo de 50
mm de diámetro. ¿Qué estrechamiento de diámetro sería el adecuado si la velocidad de flujo máximo
es posible que sea 0,80 m/s y la máxima presión diferencial que hay que medir es 3,0 por 10 Pa.
¿Ignorar cualquier factor de corrección?. La densidad del agua es de 1000 kgr/m.
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PROBLEMAS.Tema 4:ACONDICIONAMIENTO Y PROCESO DE LA SEÑAL.
• Un puente de Wheatstone de CC tiene resistencias de 20 en el brazo BC, 500 en el CD y 200 en el AD.
¿Cuál será la resistencia en el brazo AB si el puente está equilibrado?
• Un puente de Wheatstone de CC tiene una alimentación de 6,0 V conectada entre los puntos A y C. ¿Cuál
será la diferencia de potencial entre los puntos B y D cuando las resistencias en los brazos del puente son
AB 10 ,BC 20 ,CD 60 y AD 31 .?
• Un puente de Wheastone de CC tiene una alimentación de 5,0 V conectada entre los puntos A y C y un
galvanómetro de resistencia de 50 entre los puntos B y D. ¿Cuál será la corriente a través del galvanómetro
cuando las resistencias en los brazos del puente son AB 120 ,BC 120 ,CD 120 y AD 120,1 ¿.
• Un termómetro de resistencia de platino tiene una R a 0ºC de 120 y forma un brazo de un puente de
Wheatstone. A esta temperatura el puente está equilibrado, teniendo cada uno de los otros brazos también
120 . El coeficiente de Temperatura de resistencia del platino es 0,0039ºC . ¿Cuál será la tensión de salida
para un cambio de temperatura de 20ºC si el instrumento utilizado para medir puede considerarse que tiene
resistencia infinita y la tensión de alimentación para el puente, con resistencia interna despreciable, es de
6,0 V?.
• Para las cuatro galgas extensiométricos del puente activo mostradas en la figura 4.7, dichas galgas tienen un
factor de galga de 2,1 y una resistencia de 120 . Si se conecta al diafragma de un sensor de presión, y se
aplica una diferencia de presión desde un lado del diafragma al otro se produce una tensión de +1,0 x 10 en
dos de las galgas y −1,0 x 10 en las otras dos. La tensión suministrada para el puente es de 10 V. ¿Cuál será
la diferencia de potencial desequilibrada de salida del puente teniendo en cuenta que la carga en la salida
tiene una resistencia que se considera infinita?.
• Un puente de CA tiene en el brazo AB una resistencia de 1,2 K , en el brazo BC una resistencia de 2,0 K en
serie con un condensador de 1 uF, en el brazo AD un condensador y una resistencia desconocidas, y en el
brazo DA une resistencia de 0,5 K . ¿Cuáles son los valores de la capacidad y la resistencia desconocidas si
el puente está equilibrado?.
• Un puente de De Souty de CA va a ser utilizado con la sonda de nivel de líquidos de tipo capacitivo
descrito en la figura 3012. La razón b/a de los diámetros de los cilindros concéntricos es 2,0 y la longitud de
los cilindros 3,0 m. Si el líquido tiene una permisivilidad relativa de 2,1, ¿cuál será el valor del condensador
que necesita el puente para equilibrarlo, si el nivel de líquido es de 1,0 m?. la resistencia en el brazo del
puente opuesto a la sonda es de 100 y la opuesta a la sonda capacitiva de nivel de líquidos es de 10 k .
• Un amplificador inversor tiene una resistencia de 1,2 K en la línea de entrada de inversión y una resistencia
de realimentación de 40 K . ¿Cuál es la función de transferencia?.
• ¿Cuál sería la relación entre las resistencias de la línea de entrada y de la línea de realimentación para un
amplificador inversor si se necesita que tenga una función de transferencia de 20?.
• ¿Cuántos bits debería tener un conversor de digital analógica para proporcionar salidas en incrementos de
0,01 V con una tensión de referencia de 5 V?.
EJERCICIOS DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL TEMA 6:UNIDADES DE
CORRECCIÓN
• Un actuador tiene un movimiento de vástago cuyo recorrido completo es de 40mm. Está montado en una
válvula lineal que tiene una velocidad de flujo mínimo de 0 m3/s y una velocidad de flujo máximo de 0,20
m3/s. ¿Cuál será la velocidad de flujo cuando el movimiento del vástago sea a) 10 mm, b) 20 mm?
• Un actuador tiene un movimiento de vástago cuyo recorrido completo es de 40 mm. Está montado en una
válvula de igual porcentaje que tiene una velocidad de flujo mínimo de 0,2 m3/s y una velocidad de flujo
máximo de 4,0 m3/s. ¿Cuál será la velocidad de flujo cuando el movimiento del vástago sea a) 10 mm, b)
20 mm?
• ¿Cuál sería el tamaño de una válvula que se necesita para controlar un flujo de agua, siendo el flujo máximo
requerido de 0,002 m3/s, y la bajada de presión permisible a través de la válvula a esta velocidad de flujo de
100 KPa ?.La densidad del agua es 1.000 kg/m3.
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EJERCICIOS TEMA 7: PRESENTACIÓN VISUAL DE DATOS.
• El galvanómetro de un registrador tiene una resistencia de 80 y un factor de amortiguamiento de 0,7 cuando
el transductor tiene una resistencia de 200 . ¿Cómo es el amortiguamiento y la sensibilidad en régimen
permanente de un galvanómetro registrador afectado por una resistencia de 100 conectada en serie con el
transductor?
• La bobina de un registrador galvanométrico UV tiene una resistencia de 60 y un factor de amortiguamiento
de 2,8 cuando no hay ningún circuito externo conectado a él. ¿Qué resistencia adicional se debería añadir
para dar el factor de amortiguamiento óptimo de 0,7 cuando un sistema transductor de resistencia 120 es
conectado al registrador?
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