Calibración de Instrumentos

Instrumentacin / Calibracin de Instrumentos

INSTITUTO TECNOLGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORESDE MONTERREY

MAESTRA EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN AUTOMATIZACIN

INSTRUMENTACIN

Tema:Calibracin de Instrumentos

Nombre:Enrique Cuan Urquizo A00940016Ismael Minchala vila A00808366

Perodo Lectivo:Enero Mayo 2010

Monterrey MxicoCALIBRACIN DE INSTRUMENTOS

1. OBJETIVOS

Obtencin experimental de las grficas de respuesta transitoria para diferentes instrumentos industriales, as como realizar la simulacin computacional para redes RC y circuitos electrnicos basados en Op-Ams. Obtencin de los parmetros de la funcin de transferencia a partir de su grfica de respuesta transitoria. Consultar datos tcnicos de instrumentos industriales.

2. DESARROLLO

Los instrumentos seleccionados para esta actividad de laboratorio son:

1. Motor C.C.2. Termopar Tipo J3. Vlvula Elctrica de control de flujo (entrada 4 20mA)4. Vlvula Neumtica de control de flujo (3 15 psi de entrada)5. Transmisor de Presin Diferencial

A continuacin, y siguiendo las instrucciones entregadas por el Dr. Franciso Palomera, se procede a describir cada uno de los experimentos realizados en los diferentes instrumentos.

2.1. MOTOR C.C.

Para la caracterizacin del motor de corriente continua, fue necesario medir la velocidad de ste a travs de un generador de voltaje acoplado a su eje, como se ilustra en la figura 1. Gracias a esta configuracin, y a travs del uso de un tacmetro ptico fue posible definir una relacin de velocidad para un voltaje aplicado en particular, como se detalla en la siguiente tabla:

Velocidad Motor [rmp]Voltaje Generador (V)

18490.98

36942.02

46152.48

Constante de Velocidad

Tabla 1. Relacin de Velocidad vs. Voltaje Generado

Figura 1. Configuracin del Motor con el Generador/Tacmetro

2.1.1. GRFICA DE LA RESPUESTA TRANSITORIA ANTE UN ESCALN DE VOLTAJE

Para esta prueba y las subsiguientes se utiliz como herramienta de medicin una tarjeta de adquisicin de datos de National Instruments, modelo USB-6210, por lo que el registro de las curvas provienen directamente de datos de Excel y de grficos generados por el software. En la figura 2, se ilustra la arquitectura de conexin para las pruebas.

Figura 2. Arquitectura de conexin para las pruebas al motor c.c.

Figura 3. Respuesta al Escaln del motor de C.C.

2.1.2. OBTENCIN DE LOS PARMETROS DE LA FUNCIN DE TRANSFERENCIA

Para este punto se utilizaron los marcadores de tiempo que LabVIEW ofrece, junto con la adquisicin continua de los datos de prueba del escaln del motor, de forma que se pueda obtener la constante de tiempo T de la funcin de transferencia genrica de primer orden:

Donde k es la ganancia del sistema en estado estacionario, y es la constante de tiempo que nos indica el tiempo que le toma al sistema llegar al 63.21% del valor de estado estacionario.

Figura 4. Clculo de la constante de tiempo del sistema utilizando cursores de tiempo en LabVIEW

Como se puede observar en la figura 4, la constante de tiempo del motor es de 37.9996 ms 38 ms, por lo que la funcin de transferencia sera:

[1]

Y confirmando esta informacin, mediante una simulacin utilizando el Control Toolbox de Matlab, se puede observar que la respuesta al escaln de la funcin de transferencia obtenida es correcta, figura 5.

Figura 5. Respuesta al escaln de la funcin de transferencia [1]

2.1.3. PRUEBA DE LINEALIDAD DEL MOTOR C.C.

Para la prueba de linealidad se procedi a tomar mltiples lecturas de velocidad del motor en funcin del voltaje de armadura, generndose la tabla 2, y en consecuencia la curva de respuesta que se ilustra en la figura 6.Voltaje [V]Velocidad [rpm]

0.0061.842

0.0061.831

0.0061.859

0.0061.819

0.0061.851

0.0061.854

0.0061.845

0.0141.867

0.1441.812

0.4391.81

0.7631.805

1.10119.564

1.407262.551

1.869305.807

2.286401.31

2.628492.895

3.182683.678

3.682832.632

4.039940.068

4.4081021.529

4.6641122.837

5.0951222.532

5.7621405.386

6.191526.629

6.4721619.158

6.8921726.856

7.3451872.162

7.6371955.958

7.9152063.439

8.1752188.601

8.3912158.347

8.5862202.792

8.8122251.759

9.0272311.921

Voltaje [V]Velocidad [rmp]

9.2572379.927

9.4572445.688

9.8422547.906

10.0832624.851

10.2332666.349

10.5852751.158

10.8662832.426

11.0882894.371

11.3232956.768

11.4532994.857

11.5343136.337

11.6213107.667

11.8153105.673

12.1233282.14

12.213389.049

12.3063258.003

12.4013248.584

12.4933293.984

12.693393.398

12.8854069.937

12.9793495.72

13.1083427.406

13.2363596.164

13.4353658.094

13.6943718.74

13.9043639.802

14.143700.259

14.3473929.182

14.54018.279

14.6864352.539

14.8124067.668

14.9784374.392

15.1634218.839

15.2764341.495

Voltaje [V]Velocidad [rpm]

15.4314823.754

15.5484326.028

15.7024336.172

15.8154405.686

15.9554433.847

16.1274378.249

16.2484894.543

16.4964779.404

16.654829.68

16.7044710.513

16.814466.937

16.9875213.028

17.1834699.128

17.3194596.42

17.5614860.188

17.6445251.247

17.7035392.395

17.8035276.538

17.9635611.008

18.1295173.585

18.3745604.02

18.5075569.858

18.5545806.506

18.6185853.854

18.7635004.309

18.8785737.594

18.9655041.75

19.0145021.884

19.0325663.584

19.0435051.975

19.0655260.366

0.0061.842

Tabla 2. Datos de Velocidad del motor vs. Voltaje de Armadura

Figura 6. Curva de respuesta del motor C.C a una rampa de voltaje, con los datos de la Tabla 2.

Como se puede observar en la curva de respuesta del motor c.c., de la figura anterior, resulta muy sencillo notar que el motor tiene un rango dinmico lineal bastante amplio, y que sin embargo como se nota en la curva el ruido de la parte final, cuando el voltaje aplicado est ms arriba de los 15 V y en consecuencia la velocidad del motor se ubica por encima de los 4000 rmp, se debe principalmente a la respuesta del generado/tacmetro cuyo acoplamiento mecnico produca vibracin excesiva en esa regin de trabajo, y no necesariamente es una consecuencia de no linealidad del motor de corriente continua.

2.1.4. CURVA DE CALIBRACIN

Para hallar una curva de calibracin del motor, nos regiremos principalmente a los datos de la tabla 1, en los que se ilustraron los datos que relacionan velocidad con voltaje del tacmetro. Velocidad Motor [rmp]Voltaje Generador (V)

18490.98

36942.02

46152.48



Cabe destacar que los datos de velocidad fueron medidos con el tacmetro ptico con el que el laboratorio cuenta, que se ilustra en la figura 7.

Figura 7. Medicin de Velocidad a travs del tacmetro ptico

Figura 8. Curva de Calibracin del Motor C.C.

2.1.5. CURVA DE HISTRESIS

Para hallar la curva de histresis se procedi a capturar los datos de velocidad en funcin del voltaje de armadura, primeramente aumentando de forma lineal el voltaje aplicado al motor y una vez llegado al tope, en este caso 19V, se disminuy el voltaje hasta alcanzar 0V, tomando informacin de la velocidad durante todo el proceso. Los datos de histresis se presentan en la tabla 3.


0.0061.852

0.0061.807

0.0061.821

0.0061.833

0.0061.857

0.0061.79

0.0061.813

0.0061.822

0.0061.849

0.0061.835

0.0061.799

0.0061.83

0.0071.823

1.699348.266

3.8621027.239

6.2581698.497

8.4422288.285

11.113029.289


14.2363932.198

17.9574798.773

18.4164828.716

18.1285044.162

17.8834694.215

17.4944595.009

17.0064462.008

16.6134373.369

16.3294290.237

16.0714270.593

15.7744136.084

15.554086.209

15.3144035.17

15.0533956.681

14.7373868.267

14.4483793.61

14.1623717.656

13.8593640.276

13.5193660.166


13.1933434.721

12.4033324.985

11.3563065.954

9.9442626.118

8.3452161.084

6.8821651.929

5.0011112.275

2.877486.457

1.07329.267

0.1591.849

0.0061.812

0.0061.813

0.0061.824

0.0061.775

0.0061.797

0.0061.821

0.0061.852

0.0061.807

0.0061.821

Figura 9. Curva de histresis del motor c.c.

2.2. TERMOPAR TIPO J

Para la caracterizacin del termopar tipo J, se utiliz la arquitectura de conexin ilustrada en la figura 10. Una vez que los datos se receptaron en el PC se utiliz la curva de linealizacin, a travs del polinomio del termopar tipo J, para convertir los datos de voltaje recibidos en la DAQ y presentarlos en C en el PC y utilizar esta informacin para todas las pruebas.

Figura 10. Conexin del Termopar al Sistema de Medicin

2.2.1. GRFICA DE LA RESPUESTA TRANSITORIA ANTE UN ESCALN DE TEMPERATURA

Para generar el escaln de voltaje se utiliz un cautn, cuya temperatura final es de 75C y se procedi a tomar los datos y generar la curva de respuesta al escaln, que se presenta en la figura siguiente.

Figura 11. Respuesta al Escaln del Termopar tipo J

Como se puede observar en la curva de la figura 11, el tiempo de estabilizacin del termopar es superior a los 3 minutos, hecho que tiene lgica considerando que los sistemas trmicos son lentos.


Para este punto se utilizaron los marcadores de tiempo que LabVIEW ofrece, de manera parecida al caso del motor c.c., obtenindose una funcin de transferencia de la forma:

Figura 12. Clculo de la constante de tiempo del sistema utilizando cursores de tiempo en LabVIEWComo se puede observar en la figura 12, la constante de tiempo del termopar es de 33.5 s, por lo que la funcin de transferencia sera:

[2]



2.3. VLVULA ELCTRICA DE CONTROL DE FLUJO

Para el anlisis de las caractersticas dinmicas de la vlvula de control de flujo elctrica se procedi conforme a la siguiente arquitectura:

Figura 14. Arquitectura de Medicin de Desplazamiento deLa Vlvula de control a travs de visin artificialComo se puede notar en la figura 14, el sensor que se implement para medir el desplazamiento del vstago de la vlvula es uno virtual basado en visin artificial y algoritmos de segmentacin de imgenes para saber la posicin del vstago en funcin del tiempo y poder desplegar esa informacin en una grfica y poder generar curvas de linealidad, histresis y dotar de informacin suficiente al usuario para generar una curva de calibracin. Es muy importante resaltar que la vlvula funciona con un lazo de corriente de 4 20 mA.

2.3.1. GRFICA DE LA RESPUESTA TRANSITORIA ANTE UN ESCALN DE CORRIENTE

En la figura 15 se muestra la grfica de apertura de respuesta a un escaln de la vlvula de control. La manera en que este experiment se llev a cabo consisti de los siguientes pasos:

1. Conectar la vlvula a una fuente de corriente y confirmar su funcionamiento.2. Iluminar la zona de inters para el anlisis con imgenes, en este caso la zona de inters vendra a ser el vstago.3. Aplicar un cambio de 0 a 20 mA (0 100%) en la vlvula y medir su comportamiento, generando una grfica.

Figura 15. Respuesta al escaln de la vlvula elctrica de control de flujo


Para este punto se utilizaron los marcadores de tiempo que LabVIEW ofrece, junto con la adquisicin continua de los datos de prueba del escaln de la vlvula, de forma que se pueda obtener la constante de tiempo T de la funcin de transferencia genrica de primer orden:


Figura 16. Medicin del tiempo de levantamiento de la vlvulaUtilizando cursores en la escala de tiempo de LabVIEW

Como se puede observar en la figura 16, la constante de tiempo de la vlvula es de 14.7 s, por lo que la funcin de transferencia sera:

[3]


Figura 17. Respuesta al escaln de la funcin de transferencia [3]2.3.3. CURVA DE HISTRESIS

Para hallar la curva de histresis se procedi a capturar los datos de posicin de vstago y en consecuencia apertura de la vlvula, en funcin de la seal de control (en este caso 4 20 mA), primeramente aumentando en forma de rampa la seal de control hasta llegar al mximo, 20 mA, y luego disminuir el valor de la seal de control hasta llegar al ms bajo permitido, en este caso 4 mA. Se adquieren los datos de apertura de la vlvula y de la seal de control todo el tiempo, de forma que se pueda generar la curva de histresis. Los datos del experimento se presentan en la tabla 4.

Voltaje[V]Apertura[%]

4.20198.37837838

4.20198.37837838

4.19498.53513514

4.19798.53513514

4.20198.53513514

3.77398.53513514

3.82998.37837838

4.19498.53513514

4.19798.53513514

4.20198.37837838

4.19198.37837838

4.19798.53513514

4.19198.37837838

4.20198.37837838

4.20198.53513514

4.19798.37837838

4.19798.37837838

4.20498.37837838

4.20198.37837838

4.19798.37837838

4.21498.37837838

4.20198.82432432

4.19798.37837838

4.20198.37837838

4.19798.37837838

4.20198.37837838

4.19798.53513514

4.20198.37837838

4.20198.37837838

4.19798.37837838

4.20198.37837838

4.19498.37837838

4.20498.37837838

4.19498.37837838

4.19198.37837838

4.20198.12972973

4.20198.12972973

4.19797.8972973

4.19797.51351351

4.19797.51351351

4.20197.2972973

4.20197.08108108

4.19496.88108108

4.20196.88108108

4.18796.88108108

4.19196.75675676

4.19796.32432432

4.20196.04864865

4.20196.1972973

4.20195.17297297

4.19794.69189189

4.20494.49459459

4.20194.49459459

4.19194.30540541

4.19794.30540541

4.19793.99459459

4.20194.30540541

4.19793.34594595

4.20492.64864865

4.20193.62162162

4.20193.08108108

4.20192.82702703

4.20192.41081081

4.19491.67567568

4.19791.79189189

4.19791.47567568

4.19791.24324324

4.19790.91891892

4.19790.76486486

4.19790.76486486

4.19790.48648649

4.20190.48108108

4.19789.94594595

4.19789.48918919

4.19788.98918919

4.19788.77297297

4.20488.58918919

4.19788.58918919

4.20187.83783784

4.19487.95135135

4.19787.67567568

4.20187.24324324

4.19786.72162162

4.20186.27027027

4.19785.9

4.19785.51351351

4.20183.78378378

4.19783.56756757

4.20183.36756757

4.19483.13513514

4.20183.18378378

4.20182.27027027

4.19482.09459459

4.20180.66486486

4.19181.08108108

4.20180.29189189

4.20179.67027027

4.20478.8972973

4.20178.16216216

4.20477.54594595

4.20176.96756757

4.20176.65945946

4.19775.67567568

4.20175.33783784

4.20174.54864865

4.20173.98648649

4.20173.18918919

4.20172.55675676

4.19771.73513514

4.19771.56216216

4.20470.48648649

4.20470.50540541

4.20769.68378378

4.21468.85945946

4.2168.27297297

4.20167.35135135

4.20466.96756757

4.20165.87837838

4.20163.92432432

4.20763.17567568

4.2162.16216216

4.39561.74594595

4.46761.03513514

4.5260.47297297

4.54959.69459459

4.59859.45945946

4.63158.72162162

4.7158.37837838

4.78357.69189189

4.79956.54054054

4.83255.7

4.85555.34594595

4.86255.06756757

4.88154.75945946

4.90453.71621622

4.9753.46756757

5.04652.82432432

5.07552.33513514

5.11551.56756757

5.15450.7027027

5.2150.29459459

5.27649.63243243

5.30948.64864865

5.35248.77027027

5.38847.70810811

5.41447.23783784

5.50947.12162162

5.58845.72972973

5.61844.88918919

5.67444.53513514

5.7343.94864865

5.81243.47837838

5.89442.50540541

5.91742.50540541

5.92441.2972973

5.97340.54054054

6.05539.89189189

6.13139.12972973

6.20638.54324324

6.25338.54324324

6.31837.47027027

6.34536.80810811

6.4236.75675676

6.51635.58648649

6.58134.3027027

6.60134.07837838

6.65433.44594595

6.732.64864865

6.77232.1972973

6.88731.4027027

6.94331.2027027

7.00630.43513514

7.11729.72972973

7.21629.0027027

7.32128.21621622

7.45627.73243243

7.57827.02702703

7.70926.44054054

7.80125.94594595

7.85425.02972973

7.9124.32432432

7.96923.35135135

8.03822.81081081

8.17922.32702703

8.33122.07297297

8.58421.17027027

8.78418.7027027

8.8518.5027027

8.97517.22972973

9.04816.97297297

9.15616.45135135

9.26815.76486486

9.41315.62972973


9.50514.97837838

9.67613.74864865

9.79412.72432432

9.96512.72432432

10.112.1027027

10.13911.26216216

10.18210.59459459

10.3410.35945946

10.4629.72972973

10.599.008108108

10.788.108108108

10.827.051351351

11.1195.405405405

11.1884.7

11.2383.994594595

11.2744.167567568

11.3163.475675676

11.4183.243243243

11.4512.854054054

11.512.702702703

11.5632.364864865

11.6031.92972973

11.6321.92972973

11.6551.575675676

11.7181.22972973

11.9150.9

11.9740

11.9910

12.0230

12.0630

12.0790

12.1390

12.2240

12.3620

12.4340

12.5270

12.5920

12.6480

12.6880

12.7960

12.9010

12.9610

13.0490

13.1180

13.1680

13.220

13.2660

13.270

13.3160

13.4180

13.5560

13.6280

13.6710

13.6870

13.7430

13.8060

13.8550

13.8850

13.9140

13.9140

13.9770

13.9960

14.0230

14.0590

14.0880

14.1250

14.1580

14.1710

14.2040

14.2430

14.2560

14.3120

14.3450

14.3880

14.4730

14.5460

14.6310

14.6870

14.7460

14.8450

14.9010

15.0220

15.1180

15.170

15.3540

15.450

15.8120

15.9370

15.9690

16.0220

16.1310

16.1860

16.2880

16.3340

16.420

16.4560

16.4920

16.5350

16.5420

16.5580

16.5840

16.660

16.7090

16.7650

16.8210

16.8540

16.870

16.8970

16.9330

16.9920

17.0810

17.110

17.170

17.1890

17.2290

17.2550

17.2950

17.3410

17.3410

17.3570

17.3440

17.3640

17.4360

17.5310

17.5580

17.6990

17.8540

17.8670

17.9090

17.9460

17.9980

18.0610

18.0570

18.1130

18.2320

18.3470

18.4450

18.5240

18.6160

18.7610

18.8830

19.0080

19.0470

19.1620

19.2020

19.2250

19.2910

19.3070

19.3560

19.4060

19.5210

19.5870

19.6620

19.7480

19.7740

19.8270

19.8560

19.8760

19.9190

19.9320

13.720

20.1920

19.9940

20.4910

2.5170

20.5890

20.5430

18.7350

20.5760

20.5860

20.5890

20.5760

20.5660

20.5830

20.580

20.5930

20.5890

20.5890

20.5930

20.5860

20.5860

20.3860

20.5930

20.5830

20.5630

20.5470

20.5530

20.5530

20.570

20.4580

20.4020

20.3760

20.320


20.2870

20.270

20.2670

20.2380

20.1460

20.0930

20.0730

20.0670

20.0630

20.060

20.0570

20.050

20.0470

20.0140

19.9380

19.9280

19.9090

19.8920

19.8730

19.8860

19.8730

19.8530

19.7540

19.7150

19.7050

19.6920

19.6520

19.6330

19.590

19.560

19.5470

19.5240

19.5140

19.5140

19.4550

19.3920

19.2970

19.2810

19.2680

19.2280

19.1750

19.1430

19.090

19.0440

18.9780

18.9390

18.9030

18.9030

18.9030

18.8860

18.8730

18.870

18.7580

18.5870

18.4360

18.4220

18.390

18.3830

18.3830

18.380

18.390

18.3040

18.2350

18.2420

18.2250

18.2150

18.2120

18.2020

18.1860

18.1660

18.140

18.1270

18.1230

18.080

18.0440

17.9560

17.8960

17.890

17.870

17.880

17.8110

17.7480

17.6830

17.660

17.5080

17.4230

17.410.9

17.4061.22972973

17.41.662162162

17.3831.87027027

17.3771.92972973

17.392.162162162

17.362.702702703

17.3442.854054054

17.2523.12972973

17.2353.475675676

17.2193.686486486

17.1964.167567568

17.1764.375675676

17.1535.17027027

17.1335.856756757

17.0616.594594595

17.0026.859459459

16.9467.521621622

16.9138.559459459

16.889.208108108

16.8579.635135135

16.82410.35945946

16.80811.04594595

16.79811.51621622

16.76211.82432432

16.73212.27567568

16.70913.06216216

16.69914.97837838

16.70315.13513514

16.70315.62972973

16.6816.21621622

16.57116.66756757

16.41717.22972973

16.23219.9027027

16.1520.44594595

15.97321.38648649

15.93721.25405405

15.9322.11351351

15.88722.63513514

15.84823.08648649

15.83123.73783784

15.82824.10810811

15.82525.78918919

15.82526.16756757

15.80226.57567568

15.75226.8972973

15.70627.47837838

15.62127.73243243

15.55828.67297297

15.55529.31351351

15.54529.96486486

15.52231.19459459

15.49631.57297297

15.46632.43243243

15.39132.64864865

15.37733.13783784

15.37733.8972973

15.35134.16216216

15.33535.13513514

15.32536.14864865

15.28536.80810811

15.27237.1

15.26237.83783784

15.25938.54324324

15.23639.3027027

15.17739.75135135

15.09840.32432432

15.03941.71621622

14.95742.53783784

14.91442.65675676

14.88443.47837838

14.84543.94864865

14.74944.22702703

14.71745.24054054

14.65746.18108108

14.59246.92972973

14.52347.61891892

14.547.91081081

14.47349.14054054

14.4649.35405405

14.41149.94054054

14.38450.76486486

14.35251.35135135

14.12852.33513514

14.11553.31621622

14.07953.31621622

14.04653.83783784

14.03655.03783784

14.00655.34594595

13.98756.34054054

13.86856.54054054

13.84257.65675676

13.7558.22972973

13.7558.72162162

13.73759.69459459

13.7260.16486486

13.62260.75135135

13.54960.92432432

13.53662.16216216

13.43762.86756757

13.38863.92432432

13.17465.1

13.14565.84864865

13.10566.32972973

13.06367.56756757

12.99768.27297297

12.94768.85945946


12.80970.03513514

12.78670.72162162

12.76371.25405405

12.72771.73513514

12.70772.75675676

12.5473.18918919

12.48474.26486486

12.37574.93783784

12.35275.67567568

12.34976.68918919

12.34677.14054054

12.34278.16216216

12.3178.87027027

12.27379.13513514

12.14579.85135135

12.07680.49459459

12.0281.31621622

11.95481.78648649

11.93882.37297297

11.93883.13513514

11.83684.3027027

11.70185.35945946

11.63586.03513514

11.59387.24324324

11.5288.35675676

11.44888.77297297

11.39990.48108108

11.3390.95135135

11.27490.95135135

11.24792.12702703

11.19892.64864865

11.17293.99459459

11.14994.49459459

11.10694.89459459

11.01495.89189189

10.93896.17027027

10.85696.71081081

10.7997.08108108

10.72897.08108108

10.69597.74864865

10.63298.47297297

10.5998.47297297

10.57798.47297297

10.53198.64864865

10.52198.64864865

10.52198.64864865

10.52198.12972973

10.51498.37837838

10.52498.64864865

10.51798.64864865

10.47898.64864865

10.34698.37837838

10.3298.64864865

10.30498.12972973

10.29498.37837838

10.29198.64864865

10.29498.64864865

10.27498.64864865

10.26498.64864865

10.22598.12972973

10.13998.64864865

10.0698.47297297

10.02198.64864865

9.94998.64864865

9.88398.64864865

9.8598.64864865

9.8498.64864865

9.77898.64864865

9.76498.64864865

9.66998.64864865

9.52198.64864865

9.43698.64864865

9.38398.64864865

9.35398.64864865

9.17298.64864865

9.11398.64864865

9.02598.64864865

8.97298.64864865

8.998.64864865

8.998.64864865

8.82498.64864865

8.76198.64864865

8.66998.64864865

8.56798.64864865

8.48598.64864865

8.45298.64864865

8.41998.64864865

8.24898.64864865

8.17998.64864865

8.07198.64864865

8.04898.64864865

8.01298.64864865

7.97298.64864865

7.94398.64864865

7.92698.64864865

7.86798.64864865

7.82898.64864865

7.65798.64864865

7.55898.12972973

7.43398.64864865

7.31598.64864865

7.19698.64864865

7.02998.12972973

6.9598.64864865

6.83598.64864865

6.75998.64864865

6.73998.37837838

6.70698.64864865

6.65498.64864865

6.64498.37837838

6.63198.64864865

6.62198.64864865

6.60198.64864865

6.57598.64864865

6.54598.64864865

6.52998.64864865

6.49998.64864865

6.47998.64864865

6.45698.64864865

6.42398.64864865

6.37498.64864865

6.31598.64864865

6.22998.64864865

6.14798.64864865

6.04298.64864865

5.96698.64864865

5.93498.64864865

5.90798.64864865

5.85898.64864865

5.81298.64864865

5.77998.64864865

5.77698.82432432

5.77698.82432432

5.77298.82432432

5.76998.82432432

5.75399.01621622

5.6898.82432432

5.62198.82432432

5.4598.82432432

5.36199.01621622

5.27698.82432432

5.05998.82432432

4.88198.82432432

4.72399.01621622

4.54698.82432432

4.21498.82432432

4.20798.82432432

4.20798.82432432

4.20198.82432432

4.20499.01621622

4.20498.82432432

4.2199.01621622

4.2198.82432432

4.20498.82432432

4.20799.01621622

4.20498.82432432

4.20798.82432432

4.2198.82432432

4.20498.82432432

4.20498.82432432

4.20498.82432432

4.20498.82432432

4.20198.82432432

4.20198.82432432

4.20499.01621622

4.20798.82432432

4.20498.64864865

4.20798.82432432

4.20798.82432432

4.20798.82432432

4.20498.82432432

4.20798.82432432

4.20799.01621622

4.2199.01621622

4.20498.82432432

4.20498.82432432

4.20199.01621622

4.20799.01621622

4.20798.82432432

4.20198.82432432

4.2199.01621622

4.20799.01621622

4.20499.22702703

4.20199.45945946

4.204100

4.207100

4.21100.2243243

4.207100.2702703

4.201100.4513514

Figura 18. Curva de histresis de la vlvula de control elctrica.

Analizando la figura 18, resultado sencillo notar que la histresis de la vlvula es amplia y que lo recomendable para su uso sera calibrarla para usarla en un rango lineal en el que su respuesta no ofrezca retardos temporales importantes que afecten negativamente el desempeo de un lazo de control.

2.3.4. PRUEBA DE LINEALIDAD DE LA VLVULA DE CONTROL ELCTRICA

Para la prueba de linealidad se procedi a tomar mltiples lecturas de apertura de la vlvula en funcin del valor de control de la seal de control, generndose la tabla 5, y en consecuencia la curva de respuesta que se ilustra en la figura 19.


4.2010

4.2010.9

4.1941.22972973

4.1971.575675676

4.2011.92972973

3.7731.92972973

3.8292.364864865

4.1942.702702703

4.1972.854054054

4.2013.243243243

4.1913.475675676

4.1973.994594595

4.2014.167567568

4.2014.7

4.1915.405405405

4.2016.162162162

4.2016.697297297

4.1977.051351351

4.1978.108108108

4.2049.008108108

4.2019.72972973

4.19710.35945946

4.21410.59459459

4.20111.26216216

4.19712.1027027

4.20112.72432432

4.19712.72432432

4.20113.74864865

4.19714.97837838

4.20115.62972973

4.20115.76486486

4.19716.45135135

4.20116.97297297

4.19417.22972973

4.20418.5027027

4.19418.7027027

4.19119.85405405

4.20120.39189189

4.20121.17027027

4.19722.07297297

4.19722.32702703

4.19722.81081081

4.20123.35135135

4.20124.32432432

4.19425.02972973

4.20125.94594595

4.18726.44054054

4.19127.02702703

4.19727.73243243

4.20128.21621622

4.20129.0027027

4.20129.72972973

4.19730.43513514

4.20431.2027027

4.20131.4027027

4.19132.1972973

4.19732.64864865

4.19733.44594595

4.20134.07837838

4.19734.3027027


4.20136.80810811

4.20137.47027027

4.20138.54324324

4.19438.54324324

4.19739.12972973

4.19739.89189189

4.19740.54054054

4.19741.2972973

4.19742.50540541

4.19742.50540541

4.19743.47837838

4.20143.94864865

4.19744.53513514

4.19744.88918919

4.19745.72972973

4.19747.12162162

4.20447.23783784

4.19747.70810811

4.20148.64864865

4.19448.77027027

4.19749.63243243

4.20150.29459459

4.19750.7027027

4.20151.56756757

4.19752.33513514

4.19752.82432432

4.19753.46756757

4.2153.71621622

4.19154.75945946

4.20155.06756757

4.19755.34594595

4.20155.7

4.19456.54054054

4.20157.69189189

4.20158.37837838

4.19458.72162162

4.20159.45945946

4.19159.69459459

4.20160.47297297

4.20161.03513514

4.20461.74594595

4.20162.16216216

4.20463.17567568

4.20163.92432432

4.20164.27837838

4.19765.1

4.20165.31621622

4.20165.87837838

4.20166.96756757

4.20167.35135135

4.20168.27297297

4.19768.85945946

4.19769.68378378

4.20470.48648649

4.20470.50540541

4.20771.56216216

4.21471.73513514

4.2172.55675676

4.20173.18918919

4.20473.98648649


4.20174.54864865

4.20775.33783784

4.22475.67567568

4.20476.65945946

4.20176.96756757

4.20777.54594595

4.2178.16216216

4.39578.8972973

4.46779.67027027

4.5280.29189189

4.54980.66486486

4.59881.08108108

4.63182.09459459

4.7182.27027027

4.78383.13513514

4.79983.18378378

4.83283.36756757

4.85583.56756757

4.86283.78378378

4.88184.23513514

4.90484.7972973

4.9785.51351351

5.04685.9

5.07586.03513514

5.11586.27027027

5.15486.72162162

5.2187.24324324

5.27687.67567568

5.30987.83783784

5.35287.95135135

5.38888.58918919

5.41488.58918919

5.50988.77297297

5.58888.98918919

5.61889.48918919

5.67489.94594595

5.7390.48108108

5.81290.48648649

5.89490.76486486

5.91790.76486486

5.92490.91891892

5.97391.24324324

6.05591.47567568

6.13191.67567568

6.20691.79189189

6.25392.41081081

6.31892.64864865

6.34592.82702703

6.4293.08108108

6.51693.34594595

6.58193.62162162

6.60193.99459459

6.65494.30540541

6.794.30540541

6.77294.30540541

6.88794.49459459

6.94394.49459459

7.00694.69189189

7.11795.17297297

7.21696.04864865


7.32196.1972973

7.45696.32432432

7.57896.75675676

7.70996.88108108

7.80196.88108108

7.85496.88108108

7.9197.08108108

7.96997.2972973

8.03897.51351351

8.17997.51351351

8.33197.8972973

8.58498.12972973

8.66698.12972973

8.69998.37837838

8.78498.37837838

8.8598.37837838

8.97598.37837838

9.04898.37837838

9.15698.37837838

9.26898.37837838

9.41398.37837838

9.50598.37837838

9.67698.37837838

9.79498.37837838

9.96598.37837838

10.198.37837838

10.13998.37837838

10.18298.37837838

10.3498.37837838

10.46298.37837838

10.5998.37837838

10.7898.37837838

10.8298.37837838

10.88698.37837838

10.97898.37837838

11.11998.37837838

11.18898.37837838

11.23898.37837838

11.27498.53513514

11.31698.53513514

11.41898.53513514

11.45198.53513514

11.5198.53513514

11.56398.53513514

11.60398.53513514

11.63298.53513514

11.65598.53513514

11.71898.53513514

11.91598.53513514

Zona Lineal

Figura 19. Curva de respuesta ante una seal rampa de la vlvula de control elctrica.

Analizando en detalle la figura 19 y la curva de histresis de la figura 18, es posible notar que el rango de linealidad est reducido a una zona pequea, por lo que se debera trabajar en esa zona preferentemente, adems resultara muy recomendable realizar una calibracin mecnica previa de la vlvula si se la piensa usar en un lazo de control.

2.3.5. CURVA DE CALIBRACIN

Para hallar la curva de calibracin de la vlvula, vamos a considerar algunos aspectos provenientes del anlisis realizado en los puntos anteriores, sobre todo se va a considerar la zona lineal que se ilustra en la figura 19. nos regiremos principalmente a los datos de la tabla 6, en los que se ilustraron los datos que relacionan velocidad con voltaje del tacmetro.

Seal de Control [mA]Apertura [%]

4.5280.3

5.7390.5



Figura 20. Curva de Calibracin de la vlvula de control elctrica.

2.4. VLVULA NEUMTICA DE CONTROL DE FLUJO

Para el anlisis de las caractersticas dinmicas de la vlvula neumtica de control de flujo se procedi conforme a la siguiente arquitectura:

Figura 21. Arquitectura de Medicin de Desplazamiento deLa Vlvula neumtica de control de flujo a travs de visin artificial

Como se puede notar en la figura 21, el sensor que se implement para medir el desplazamiento del vstago de la vlvula es uno virtual basado en visin artificial y algoritmos de segmentacin de imgenes para saber la posicin del vstago en funcin del tiempo y poder desplegar esa informacin en una grfica y poder generar curvas de linealidad, histresis y dotar de informacin suficiente al usuario para generar una curva de calibracin. Es muy importante resaltar que la vlvula funciona con un lazo una seal de control de 3 15 psi, generadas a travs de un conversor I/P, en el que 6V = 3 psi y 16V = 15 psi.

2.4.1. GRFICA DE LA RESPUESTA TRANSITORIA ANTE UN ESCALN DE VOLTAJE

Seal Control [V]Apertura[%]

04.015

1.0060000423.404

1.1239995964.511

1.2739996914.35

1.4239997864.511

2.3289999963.867

2.4739999773.314

2.6239995964.764

2.7739996914.764

2.9239997864.6

3.0739998824.454

3.2239999774.296

3.3739995964.764

3.5239996914.764

3.6739997864.764

3.8239998824.764

3.9739999774.454

4.1239995964.619

4.2739996914.6

4.4239997864.764

4.5739998824.764

4.7239999774.6

4.8739995964.296

5.0239996914.764

5.1739997864.6

5.3239998824.764

5.4739999774.6

5.6239995964.296

5.7739996914.6

5.9239997864.6

6.0739998824.6

6.2239999774.6

6.3739995964.764

6.5239996914.6

6.6739997864.764

6.8239998824.6

6.9739999774.6

7.1239995964.6

7.2739996914.6

7.4239997864.6

7.5739998824.6

7.7239999774.6

7.8739995964.764

8.0239996914.6

8.1739997864.6

8.3239998824.6

Seal Control [V]Apertura [%]

8.4739999774.6

8.6239995964.764

8.7739996914.764

8.9239997864.6

9.0739998824.93

9.2239999774.6

9.3739995965.317

9.5239996915.712

9.6739997865.145

9.8239998825.712

9.9739999776.482

10.12399965.317

10.273999695.145

10.423999795.976

10.573999885.706

10.723999986.162

10.87399965.519

11.023999695.347

11.173999795.317

11.323999886.141

11.473999985.347

11.62399965.712

11.773999695.145

11.923999795.519

12.073999887.341

12.2239999814.5

12.373999621.442

12.5239996925.397

12.6749997130.684

12.8249998138.724

12.974999945.082

13.12553.263

13.2749996258.468

13.4249997164.111

13.5749998165.016

13.7239999865.016

13.87565.341

14.0239996965.382

14.1739997965.762

14.3239998865.016

14.4739999865.794

14.623999668.477

14.7739996971.594

14.9239997976.397

15.0739998876.85

15.2239999876.85

Voltaje [V]Apertura [%]

15.373999676.85

15.5239996976.85

15.6739997976.85

15.8239998876.85

15.9739999876.85

16.123999677.084

16.2739996977.084

16.4239997977.084

16.5739998876.85

16.7239999876.85

16.873999676.616

17.0239996976.85

17.1739997977.509

17.3239998876.85

17.4739999877.011

17.623999676.85

17.7739996977.011

17.9239997977.011

18.0739998877.011

18.2239999877.372

18.373999677.011

18.5239996977.185

18.6739997977.011

18.8239998877.011

18.9739999876.85

19.123999677.185

19.2739996977.011

19.4239997977.185

19.5739998877.011

19.7239999876.85

19.873999677.011

20.0239996977.185

20.1739997977.185

20.3239998877.185

20.4739999877.185

20.623999677.011

20.7739996977.011

20.9239997977.011

21.0739998877.185

21.2239999876.85

21.373999677.011

Tabla 7. Datos de Apertura de la vlvula vs.Seal de Control en Voltios

Figura 22. Curva de respuesta de la vlvula de control neumtica


Para este punto se utilizaron los marcadores de tiempo que LabVIEW ofrece, junto con la adquisicin continua de los datos de prueba del escaln de la vlvula, de forma que se pueda obtener la constante de tiempo T de la funcin de transferencia genrica de primer orden:


Figura 23. Medicin del tiempo de levantamiento de la vlvula utilizando cursores en la escala de tiempo de LabVIEWComo se puede observar en la figura 23, la constante de tiempo de la vlvula es de 1.351 s, por lo que la funcin de transferencia sera:

[4]



Es posible notar adems una considerable mejora en la respuesta temporal, en cuanto a velocidad se refiere, de sta vlvula con relacin a la vlvula de control elctrica, por lo que deducimos que el desempeo de sta vlvula en particular mejorara el trabajo en conjunto de un lazo de control comparado con el que podra ofrecer la vlvula elctrica.

2.5. TRANSMISOR DE PRESIN DIFERENCIAL

La arquitectura de conexin del transmisor diferencial se basa en la que se ilustra en la figura 25. El instrumento principal para la calibracin es el simulador de presin, que es la fuente de seal y la que nos permiti realizar pruebas al escaln y a diferentes presiones. Cabe recalcar que el transmisor al ser de presin diferencial, una de las entradas la dejamos libre para que se tome como referencia la presin atmosfrica.

Figura 25. Arquitectura de Medicin del Transmisor de Presin Diferencial

2.5.1. GRFICA DE LA RESPUESTA TRANSITORIA ANTE UN ESCALN DE PRESIN

En la figura 26 se muestra la grfica de respuesta a un escaln del transmisor de presin diferencial. La manera en que este experiment se llev a cabo consisti de los siguientes pasos:

1. Alimentar con 24V al transmisor y colocar la resistencia shunt en el lazo de corriente.2. Medir la cada de tensin en la resistencia shunt con la DAQ.3. Ajustar una presin conocida en el calibrador, y aplicarla al transmisor a manera de escaln, luego documentar la informacin.

Figura 26. Respuesta al escaln del transmisor de presin diferencial


Para este punto se utilizaron los marcadores de tiempo que LabVIEW ofrece, junto con la adquisicin continua de los datos de prueba del escaln del transmisor, de forma que se pueda obtener la constante de tiempo de la funcin de transferencia genrica de primer orden:


Figura 26. Medicin del tiempo de levantamiento del transmisorUtilizando cursores en la escala de tiempo de LabVIEW

Como se puede observar en la figura 16, la constante de tiempo del transmisor es de 1.261 s, por lo que la funcin de transferencia sera:

[5]



2.6. SIMULACIONES Y PRUEBAS EXPERIMENTALES DE CIRCUITOS RC Y CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES

2.6.1. CIRCUITO 1

Figura 28. Circuito Prctico 1

Claramente se puede notar que la red RC indicada en la figura 28, se trata de un filtro RC pasa bajo cuya frecuencia de corte es:

Figura 29. Implementacin del Circuito y Resultados Experimentales

Figura 30. Anlisis Transitorio del Filtro RC con seal de entrada de 1 Hz

Figura 31. Diagrama de Bode del Filtro RC Pasa Bajo

2.6.2. CIRCUITO 2


Analizando en detalle la red RC de la figura 32, resulta sencillo notar que el circuito incluye dos filtros pasa bajo en cascada, con las siguientes frecuencias de corte:

Figura 33. Implementacin del Circuito y Resultados Experimentales

Figura 34. Anlisis Transitorio del Filtro RC con seal de entrada de 7 Hz

En la figura 33, se ilustra la comprobacin del circuito utilizando una seal senoidal de 7Hz, y mostrando el resultado parcial de la seal de salida luego del primer filtro (seal azul), fc1=1.59 Hz, y de la seal de salida total (seal roja) luego de pasar por el filtro con fc2 = 15.9 Hz. Como se puede observar las dos seales poseen atenuaciones distintas y diferentes fases por lo que el razonamiento de filtros en cascada queda confirmado con estos resultados, adems de confirmar este hecho con el diagrama de bode de la figura 34.

Figura 35. Diagrama de Bode del Circuito 2

2.6.3. CIRCUITO 3


El circuito de la figura 36 tiene la configuracin de un amplificador inversor con un capacitor que agrega offset a la seal, mismo que depender de la frecuencia de la misma, puesto que C1 tendr un tiempo de carga y descarga. La ganancia del amplificador y el tiempo de carga del capacitor son:

Como se puede observar, el tiempo de carga del condensador es relativamente grande y tendr un impacto significativo en seales de frecuencia baja.

Figura 37. Implementacin Prctica del Circuito 3

Figura 38. Anlisis Transitorio del Circuito 3 con seales de diferente frecuencia y forma

Figura 39. Diagrama de Bode del Circuito 32.6.4. CIRCUITO 4


El circuito de la figura 40 tiene la configuracin de un amplificador inversor con un capacitor que agrega offset a la seal, y en cascada se encuentra otro amplificador inversor. La ganancia de los amplificadores, que es idntica en este caso, y el tiempo de carga del capacitor son:

Figura 41. Implementacin Prctica del Circuito 4

Figura 42. Anlisis Transitorio del Circuito 4 con seales de diferente frecuencia y forma

Figura 43. Diagrama de Bode del Circuito 4

3. CONCLUSIONES

El error es universal e inevitable y acompaa a toda medida, aunque esta sea muy elaborada, o aunque se efecte un gran nmero de veces. Es decir, el valor verdadero no puede establecerse con completa exactitud y es necesario encontrar unos lmites que 10 definan, de modo que sea practico calcular la tolerancia de la medida. Un instrumento representativo, se considera que esta bien calibrado cuando en todos los puntos de su campo de medida, la diferencia entre el valor real de la variable y el valor indicado registrado transmitido, est comprendida entre los lmites determinados por la precisin del instrumento. La prctica nos permiti notar que la vlvula neumtica de control de flujo tiene una respuesta dinmica mucho ms rpida que la vlvula de control de flujo elctrica.

4. BIBLIOGRAFA

LIBROS:

[1]CREUS Antonio, Instrumentacin Industrial, AlfaOmega, Barcelona, Espaa 1997.

INTERNET:

[2] http://www.isotest.es/web/Soporte/catalogos/fluke/FLUKE%20718EX.pdf[3]http://apuntes.rincondelvago.com/calibracion-de-instrumentos.html

- 17 -

Calibración de Instrumentos

Documents

Transcript of Calibración de Instrumentos