Efraín Bernal Alzate - Metodología básica de instrumentación industrial y electrónica

Constaín, Alfredo José

Metodología básica de instrumentación industrial y electrónica / Alfredo José Constaín, Efraín Bernal Alzate.

-- Bogotá : Universidad de

La Salle, 2012.

288 p. : il. ; 22 cm.

Incluye bibliografía.

ISBN 978-958-8939-77-3

1. Ingeniería industrial - Aparatos e instrumentos - Manuales 2. Electrónica - Aparatos e instrumentos - Manuales 3. Electrónica - Mediciones - Manuales 4. Electrónica digital - Manuales I. Bernal Alzate, Efraín II. Tít.

621.9 cd 21 ed.

A1351783

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ISBN: 978-958-8939-77-3

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A mis padres:

Alfredo y Blanca Emma .

A Amanda Oliveros .

Alfredo José Constaín Aragón

A aquellos quienes creyeron en mí, por su paciencia y amor .

A mis estudiantes , deseándoles una excelente vida profesional .

Con mi corazón y todo mi amor, porque soñar es posible .

Efrain Bernal Alzate

A la memoria del profesor Daniel Hernández,compañero y amigo con quien compartimos la pasión por la escritura .

PRÓLOGO Prólogo Un texto de instrumentación electrónica e industrial no puede ser simplemente una recopilación de circuitos vistos con mayor detalle en asignaturas como “Electrónica analógica” o “Electrónica digital”, ni tampoco un curso de aplicación de herramientas como Spice o Matlab. Si el propósito es comprender a fondo lo que hay detrás del proceso de medición y sus instrumentos tecnológicos enfocados a la industria, se requiere un cierto cambio de paradigma en cuanto a la enseñanza de esta asignatura. Es creencia de los autores que el ejercicio de diseño de instrumentos de medida requiere un primer esfuerzo por conocer cuáles son las limitaciones y características de un instrumento desde la óptica de la teoría de la medida, o sea, un sistema constituido tanto por el instrumento como por el entorno, y, fundamentalmente, por el entorno. Este enfoque comprende elementos de estadística matemática y ciertos conceptos de metrología. Es muy útil que un ingeniero esté en capacidad de definir los límites de incertidumbre reales que tendrá su instrumento en un entorno real, no idealizado. Asimismo, es prioritario que ese ingeniero esté en capacidad de idear y operar exitosamente su sistema de calibración, que garantice las especificaciones básicas del instrumento en un campo industrial, bajo una normatividad internacional. La técnica de diseño de la instrumentación electrónica propiamente dicha debe también abarcar un estudio detallado de los sensores y transductores disponibles en el mercado, vistos desde el punto de vista de sus especificaciones útiles al tratamiento electrónico de las señales. Esto es así por cuanto el llamado método de medida depende fundamentalmente de esta compleja interfaz, que involucra especificidades sobre cómo se convierte la energía del proceso en energía eléctrica. Se continúa con un estudio avanzado de los operacionales, que principalmente se enfoca en sus limitaciones y características especiales para una aplicación específica, y cómo seleccionarlos para optimizar la especificación deseada. Siguiendo esta línea, se profundiza en los circuitos retroalimentados y se dan pautas de análisis para circuitos complejos. Por último, se desarrollan criterios para el diseño digital y la diagramación industrial. En el desarrollo de este libro se pondrá gran atención al enfoque sobre el diseño e interpretación de los sistemas de medición como unidades íntimamente ligadas a su entorno con características alejadas de la idealidad. En este sentido, se presentan diversos ejemplos y montajes prácticos.

FUNDAMENTOS

Definición

Instrumentos

Esquema general de un instrumento

Procedimiento de diseño de un instrumento

Aplicaciones de la instrumentación

Enfoque moderno de la instrumentación

Selección del método de medición

Redondeo de números

Naturaleza de los errores

Propagación de los errores

Tratamiento del error accidental

Contexto de la aparición del error accidental

Naturaleza del error accidental

Definición del error accidental

Conceptos básicos de metrología

Definiciones

Linealidad de la curva de calibración

Construcción de la curva de calibración

Características dinámicas de los sistemas

Señales

Tipos de señales

Parámetros de las señales

Multímetros trueRMS measurements

Análisis de señales

Muestreo de señales

Ruido

Naturaleza y clasificación del ruido y la interferencia

Densidad espectral de potencia

Ruido térmico

Ruido de disparo

Anchura de banda equivalente de ruido

Predicción del nivel de ruido de los amplificadores

Diseños de bajo ruido

Instrumentos útiles para el estudio del ruido

Tipos de acoplamiento de las interferencias EMI

Minimización de los efectos interferentes EMI

Interferencia por “lazos de tierra”

Interferencia de modo común

Técnicas de guarda

Eliminación de interferencias EMI por par trenzado

Eliminación de interferencia EMI por fibra óptica

TÉCNICAS ESPECIALES: PUENTE DE WHEATSTONE, CONTROL AUTOMÁTICO DE GANANCIA Y RETROALIMENTACIÓN NEGATIVA

Puente de Wheatstone

Control automático de ganancia

Técnicas de retroalimentación negativa

Conceptos básicos

Cálculos de circuitos retroalimentados

Criterios de análisis de circuitos complejos retroalimentados

TRANSDUCTORES

Transductores de temperatura

Termistores

Termocuplas o termopares

Termómetros de resistencia

Sensores de temperatura basados en junturas PN

Transductores electro-ópticos

Emisor de leds

Captador de fototransistor

Captador de fotocelda (LDR)

Electrodos electroquímicos

Transductores piezoeléctricos

Transductores capacitivos

Transductores de humedad

Transductores de presión

Sensores de presión resistivos

Sensores piezocerámicos/multicapa

Sensores de presión con semiconductores

Transductores de posición y distancia

Transductores industriales de caudal

Transductores de corriente eléctrica

Transductores de imagen

Tipo charge-coupled device