Manual de Instrumentacion y Control Rev4b

SISTEMA DE CAPACITACION EN PETROLEOS MEXICANOS

Y ORGANISMOS SUBSIDIARIOS

ESPECIALIDAD:

INSTRUMENTACION Y CONTROL

TEMA:

MANUAL DE CONSULTA

INSTRUCTOR:

DANIEL BLANCO MOTA

FECHA: AGOSTO DEL 2011.

INSTRUMENTACION Y CONTROL 1

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN..................................................................................................3

2. CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS.................................................62.1 En función del Instrumento..........................................................................62.2 En función de la Variable.............................................................................11

3. SIMBOLOS Y NOMENCLATURAS.................................................................123.1 Aplicación...........................................................................................................133.2 Código de identificación de Instrumentos............................................15

4. VARIABLES MÁS IMPORTANTES................................................................264.1. Presión................................................................................................................264.2. Flujo o Gasto.....................................................................................................294.3. Nivel.....................................................................................................................384.1. Temperatura.....................................................................................................43

5. MEDICION DE VARIABLES.............................................................................505.1 Instrumentos de Medición......................................................505.2 Principios de Medición...........................................................515.3 Estándares y Sistemas de Medición........................................525.4 Características de los Sistemas de Medición...........................54

6. DIAGRAMAS DE LAZOS DE INSTRUMENTACIÓN..................................596.1 Lectura de un Lazo de Control Simple.....................................606.2 Identificación del Símbolo para Suministro de Energía de un Lazo...........................................................................................616.3 Identificación del Punto de Ajuste y Rango de Operación de un Instrumento.........................................................................616.4 Identificación e Interpretación del Símbolo de Acción del Control...........................................................................................626.5 Lazos Electrónicos.................................................................626.6 Lazos Neumáticos..................................................................64

7. CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS....................................677.1 Generalidades.......................................................................677.2 Función del Sistema de Control de Procesos...........................697.3 Componentes Básicos de Sistemas de Control.........................727.4 Tipo y Modos de Control.........................................................76

8. INFORMACION COMPLEMENTARIA...........................................868.1 Caso Práctico.........................................................................86


1. INTRODUCCIÓN

Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc.

En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el PH, la conductividad, la velocidad, la humedad, etcétera.

Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar.

1.1.-Definicion de instrumentación

Entendemos como Instrumentación a un grupo de elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en este.


El instrumento más conocido y utilizado es el reloj, el cual nos sirve para controlar el uso eficaz de nuestro tiempo.

En otras palabras, la instrumentación es la ventana a la realidad de lo que sucede en un determinado proceso, lo cual servirá para determinar si dicho proceso va encaminado a lo que deseamos y de no ser así , podremos usar la instrumentación para actuar sobre algunos parámetros del sistema y proceder de forma correctiva.

1.2.-Breve Semblanza.

El control de los primeros procesos industriales se basó en la habilidad de los operadores (control manual). En los años siguientes, la aparición de los controladores locales permitió al operador manejar varios lazos de control, pero subsistía aún el problema de recolección de datos. Los controladores locales son aún muy útiles, así como también resistentes y simples. Sin embargo, debido a que están directamente relacionados con el proceso y por lo tanto están diseminados a través de toda la planta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demande mucho tiempo.


El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente marcó un mayor avance en el control de procesos. Aquí las variables pueden ser convertidas en señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos. Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumático realizaba simples cálculos basados en una señal de referencia (set point) y la variable del proceso y ajustar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que el operador podía controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radicaban en la lentitud de la respuesta del sistema de control de cambios rápidos y frecuentes y a su inadecuada aplicación en situaciones en que los instrumentos estén demasiado alejados (pérdidas).

Alrededor de los 60, los dispositivos electrónicos aparecieron como alternativa de reemplazo a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos para un lazo cerrado, son rápidos, precisos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operación con respecto a los neumáticos era relativamente pequeña y además la recopilación de datos, aún no muy fácil de manejar.

Algún tiempo después de la aparición de los sistemas de control electrónicos analógicos, el desarrollo de los microprocesadores permitió el surgimiento de los transmisores y controladores digitales, así como de los controladores lógicos programables (PLC), además, de sistemas especializados como por ejemplo, las máquinas de control numérico computarizado (CNC)

El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicación, aparecen los sistemas de control digital directo (DDC), hasta los sistemas de supervisión y control actuales, con los cuales se logra manejar un gran número de procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, analizar y optimizar diversas unidades y plantas e incluso, realizar otras actividades, como planificación de mantenimiento, control de calidad, inventario, etc.


Independientemente de la tecnología, la evolución de las técnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la acción directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automáticos, sin embargo, existe una analogía muy clara entre estos últimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar

El tipo de proceso elegido para un determinado producto final dependerá de sus requerimientos de producción y cantidades. En cualquier caso, para el control del mismo es necesario tener un conocimiento acerca de la instrumentación utilizada y en general de los aspectos mecánicos relacionados al proceso.

El control óptimo sin embargo, no solamente está en función de los dispositivos, equipos y sistemas a emplear, sino fundamentalmente del conocimiento del proceso que se desee controlar.

2.- CLASIFICACION DE LOS INSTRUMENTOS

2.1.- En función del Instrumento

2.1.1.-Instrumentos ciegos

Son aquellos que cumplen una función reguladora en el proceso, pero que no tienen indicación visible de la variable. Ejemplo: Transmisores de flujo, presión, nivel y temperatura sin indicación, y termostatos.


2.1.2.-Instrumentos indicadores:

Son aquellos que como su nombre lo dice indican directamente el valor de la variable de proceso, los cuales disponen de un índice y escala graduada o pantalla de números digitales en la que puede leerse el valor de la variable.


2.1.3.-Instrumentos registradores:

Como es necesario en algunos casos hacer un registro histórico de la variable que se estudia en un determinado proceso precisamente son los que registran con un trazo continuo o a puntos la dicha variable.

2.1.4.-Los elementos primarios o transductores:

Son los que están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del mismo proceso para dar al sistema de medición una respuesta a la variación de la variable controlada.


TEMPERATURA FLUJO PRESION

ESPIRALPLACA DE ORIFIOFUELLEBOURDON HELICOIDAL FLOTADOR

2.1.5.-Los transmisores

Estos elementos captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de 3 a 15 psi, o electrónica de 4 a 20 ma.

2.1.6.-Los controladores

Este es uno de los elementos más importantes, ya que será el encargado de ejercer la Comparación del valor de la variable controlada


TEMPERATURAPRESIONNIVELFLUJONIVEL

(presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejerce una acción correctiva de acuerdo con la desviación.

2.1.7.-Los reguladores

Son instrumentos que proporcionan en forma constante presiones reducidas para una variedad de aplicaciones.

2.1.8.-Los convertidores


Son instrumentos que reciben una señal de entrada puede ser neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 ma c.c.) u otra procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejem:Un P/I (Presión a corriente) o un I/P. (corriente a presión)

2.1.9.-Elemento final (Válvulas de control)

Recibe la señal del controlador y modifica el valor del caudal del fluido o agente de control. Ejm. Válvula automática, neumática (3-15 o 6-30 psi). electrónica (4-20 ma c.c)., eléctrica (4-20 mA y 2-10 vac)


2.2.- En función de la Variable

De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en presión, flujo, nivel, temperatura, conductividad, PH, densidad, viscosidad, etc.

Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso.

De este modo, un transmisor neumático de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar; el aparato receptor de la señal neumática del transmisor anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumático lo podríamos considerar instrumento de presión, caudal, nivel o cualquier otra variable, según fuera la señal medida por el transmisor correspondiente; un registrador potenciométrico puede ser un instrumento de temperatura, de conductividad o de velocidad, según sean las señales medidas por los elementos primarios de termopar, etc.


Asimismo, esta clasificación es independiente del número y tipo de transductores existentes entre el elemento primario y el instrumento final. así ocurre en el caso de un transmisor electrónico de nivel de 4 a 20 ma c.c., un receptor controlador con salida de 4-20 ma c.c., un convertidor intensidad-presión (i/p) que transforma la señal de 4-20-ma c.c. a neumática de 3-15 psi y la válvula neumática de control; todos estos instrumentos se consideran de nivel.

En la designación del instrumento se utiliza en el lenguaje común las dos clasificaciones expuestas anteriormente. y de este modo, se consideran instrumentos tales como transmisores ciegos de presión, controladores registradores de temperatura, receptores indicadores de nivel, receptores controladores registradores de caudal, etc.

Instrumentos de campo.

Incluye los instrumentos locales situados en el proceso o en sus proximidades (es decir, en tanques, tuberías, secadores, etc.).


Instrumentos de panel:

Se refiere a los instrumentos montados en paneles, armarios o pupitres situados en salas aisladas o en zonas del proceso.

3.- SIMBOLOS Y NOMENCLATURAS

Un sistema de símbolos ha sido estandarizado por la ISA (Sociedad de Instrumentistas de América). La siguiente información es de la norma:

ANSI / ISA-S5.1-1985(R 1992).

Las necesidades de varios usuarios para sus procesos son diferentes. La norma reconoce estas necesidades, proporcionando métodos de simbolismo alternativos. Se mantienen varios ejemplos agregando la información o simplificando el simbolismo, según se desee.

Los símbolos de equipo en el proceso no son parte de esta norma, pero se incluyen para ilustrar aplicaciones de símbolos de la instrumentación

3.1- Aplicación

3.1.1.-Aplicación en la industria

La norma es conveniente para el uso en la química, petróleo, generación de poder, aire acondicionado, refinando metales, y otros numerosos procesos industriales.

Ciertos campos, como la astronomía, navegación, y medicina, usan instrumentos muy especializados, diferentes a los instrumentos de procesos industriales convencionales. Se espera que la norma sea flexible, lo bastante para encontrarse muchas de las necesidades de campos especiales.


3.1.2.- Aplicación en actividades de trabajo.

La norma es conveniente para usar siempre cualquier referencia de un instrumento o de una función de un sistema de control, para el propósito de simbolización e identificación. Dicha simbolización puede utilizarse, sin estar limitada para los siguientes usos:

Ejemplos de instrucción.

Papeles técnicos, literatura y discusiones.

Diagramas de sistemas de instrumentación, diagramas lógicos, etc.

Descripciones funcionales

Diagramas de flujo, Diagramas de Tuberías e Instrumentación

Dibujos de construcción

Especificaciones, órdenes de compra, manifiestos, y otras listas

Identificación (etiquetando) de instrumentos y funciones de control

Instalación, operación e instrucciones de mantenimiento, dibujos, y archivos

Se piensa que la norma proporciona la información suficiente para habilitar a cualquiera de los documentos del proceso de medida y control (quién tiene una cantidad razonable de conocimiento del proceso) para entender los medios de medida y mando del proceso. El conocimiento detallado de un especialista en la instrumentación no es un requisito previo a esta comprensión.

3.1.3.- Clases de instrumentación.

El simbolismo y métodos de identificación proporcionados en esta norma son aplicables a todas las clases de medida del proceso e instrumentación de control.

Ellos no sólo son aplicables a la descripción discreta de instrumentos y sus funciones, pero también para describir las funciones análogas de sistemas que son "despliegue compartido," "control compartido", "control distribuido" y "control por computadora".


3.2.- Código de identificación de Instrumentos

En instrumentación y control, se emplea un sistema especial de símbolos con el objeto de transmitir de una forma más fácil y específica la información. Esto es indispensable en el diseño, selección, operación y mantenimiento de los sistemas de control.

3.2.1.- Generalidades.

Cada instrumento debe identificarse con letras que lo clasifique funcionalmente. El número de letras funcionales para cada instrumento debe ser mínimo, no excediendo de cuatro. Cada lazo de instrumentos tiene un único número de identificación de lazo. Un instrumento común a dos o más lazos podría cargar la identificación del lazo al cual se le considere predominante.

La numeración de los lazos puede ser paralela o serial. La numeración paralela involucra el inicio de una secuencia numérica para cada primera letra nueva, por ejemplo: TIC-100, FRC-100, LIC-100, AL-100, etc. La numeración serial involucra el uso de secuencias simples de números para proyectar amplias secciones, ejemplo 001, 301 o 1201.

Si un lazo tiene más de un instrumento con la mismo identificación funcional, un sufijo puede ser añadido al número del lazo, por ejemplo: FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., o TE-25-1, TE-25-2, etc. Esto puede ser más conveniente o lógico en un instante dado para designar un par de transmisores de flujo, por ejemplo, como FT-2 y FT-3 en vez de FT-2A y FT-2B. Los sufijos pueden ser asignados de acuerdo a los siguientes puntos:

1) Se pueden usar sufijos tales como A, B, C, etc.

2) Para un instrumento tal como un multipunto que registra los números por puntos de identificación, el elemento primario puede ser numerado TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3, etc., correspondiendo al punto de identificación del número.


3) Las subdivisiones de un lazo pueden ser designadas alternadas con letras como sufijos y números.

Un instrumento que desempeña dos o más funciones puede ser designado por todas sus funciones, por ejemplo un registrador de flujo FR-2 con una presión PR-4 puede ser designado FR-2/PR-4. Y dos registradores de presión pueden ser PR-7/8, y una ventana como anunciador común para alarmas de altas y bajas temperaturas puede ser TAHL-21.

Las reglas para la identificación del lazo no necesitan ser aplicados a los instrumentos y accesorios. Un usuario u operador puede identificar a estos por otros medios.

La siguiente tabla muestra las diferentes letras que se utilizan para clasificar los diferentes tipos de instrumentos.

LETRAS DE IDENTIFICACION

1° Letra 2° Letra 3° Letra 4° LetraVariable medida (3) Letra de

ModificaciónFunción de

lectura pasivaFunción de

SalidaLetra de

Modificación

A. Análisis (4) Alarma B. Llama / combustión (quemador)

Libre (1) Libre (1) Libre (1)

C. Conductividad Control D. Densidad o Peso Esp.

Diferencial (3)

E. Tensión (Fem.) Elemento Primario F. Flujo ( Caudal ) Relación (3) G. Calibre Vidrio (8) H. Manual Alto (6)(12)(13)I. Corriente Elec. Indicación J. Potencia Exploración

(6)

K. Tiempo Estación de Control

L. Nivel Luz Piloto (9) Bajo (6)(12)(13)M. Humedad Medio o

intermedio (6)(12)

O. Libre Orificio P. Presión o vacío Punto de prueba Q. Cantidad Integración

(3)

R. Radiactividad Registro


S. Velocidad o frecuencia

Seguridad (7) Interruptor

T. Temperatura Transmisión o transmisor

U. Multivariable (5) Multifunción (10) Multifunción (10) Multifunción (10)

V. Viscosidad/Velocidad

Válvula

W. Peso o Fuerza Vaina X. Sin clasificar (2) Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificarY. Libre Convertidor,

Posic. Etc. (11)Sin clasificar

Z. Posición Elemento final de control sin clasificar

(1) Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el modelo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio.

(2) La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilizan solo una vez o un numero limitado de veces. Se recomienda que su significado figura en el exterior del circulo de identificación del instrumento. Ejemplo XR-3 Registrador de Vibración.

(3) Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (interpretación) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente.

(4) La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso.

(5) El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra, es opcional.

(6) El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es preferible pero opcional.

(7) El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). Por este motivo, una válvula autorreguladora de presión que regula la presión de salida de un sistema mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe se PCV, pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de


emergencia, se designa PSV. La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio.

(8) La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporciona una visión directa no calibrada del proceso.

(9) La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso, No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de ésta.

(10)Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva I. Por ejemplo, una luz piloto que indica un periodo de tiempo terminado se designara KI. Sin embargo, si se desea identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien alternativamente por una letra única I. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede identificarse. EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL. Suponiendo que la luz es excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L.

(11) El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras es opcional.

(12) Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.

(13) Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo.

(14) Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como sigue:

Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa.

Bajo: Denota que se acerca o está en la posición completamente cerrada.


3.2.2.- Símbolos y abreviaturas de Líneas:

La simbología de líneas representa la información única y critica de los diagramas de instrumentación y tuberías. Las líneas indican la forma en que se interconectan los diferentes instrumentos así como las tuberías dentro de un lazo de control.

Las líneas pueden indicar diferentes tipos de señales como son neumáticas, eléctricas, ópticas, señales digitales, ondas de radio etc.

Línea de proceso o alimentación de instrumentos.

Señal indefinida.

Señal Eléctrica o Electrónica.

Señal Hidráulica.

Señal Neumática.

Señal electromagnética o sónica.

Señal neumática binaria.

Señal eléctrica binaria.

Tubo capilar.

Enlace de sistema interno (software o enlace de información).

Enlace mecánico.

Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación (o bien de purga de fluidos):

AS Alimentación de aire.

ES Alimentación eléctrica.

GS Alimentación de gas.

HS Alimentación hidráulica.


NS Alimentación de nitrógeno.

SS Alimentación de vapor.

WS Alimentación de agua.


3.2.3.-Tabla de combinación típica de letrasControladores Dispositivos Interruptores y Transmisores Solenoides Dispositivo

de Lectura Dispositivos de Alarma* Relevadores Punto pozo de de

Primera Variable Dispositivos varios, Elem de o Visual.

Seguridad Elem.

Letra Medida Reg Indic Ciego Valvul. Regi. Indic Alto Bajo Combina Reg Indic Ciego Computac. Prim Prueba Sensor Cristal Final

A Análisis ARC AIC AC AR AI ASH ASL ASHL ART AIT AT AY AE AP AW AV

BQuemador

/CombustiónBRC BIC BC BR BI BSH BSL BSHL BRT BIT BT BY BE BW BG BZ

C Conductividad CRC CIC CC CR CI CSH CSL CSHL CRT CIT CT

D Densidad DRC DIC DC DR DI DSH DSL DSHL DRT DIT

E Voltaje ERC EIC EC ER EI ESH ESL ESHL ERT EIT ET EY EE EZ

F Flujo FRC FIC FC FVC FR FI FSH FSL FSHL FRT FIT FT FY FE FP FG FV

FICV

FQCantidad de

FlujoFQRC FQIC FQR FQI FQSH FQSL FQIT FQT FQY FQE FQV

FFRelación de

FlujoFFRC FFIC FFC FFR FFI FFSH FFSL FE FFV

GElección de

usuario

H Manual HIC HC HS HV

I Corriente IRC IIC IR II ISH ISL ISHL IRT IIT IT IY IE IZ

J Potencia JRC JIC JR JI JSH JSL JSHL JRT JIT JT JY JE JV

K Tiempo KRC KIC KC KCV KR KI KSH KSL KSHL KRT KIT KT KY KE KV

L Nivel LRC LIC LC LCV LR LI LSH LSL LSHL LRT LIT LT LY LE LW LG LV

M Humedad

NElección de

usuario

OElección de

usuario

P Presión / Vacío PRC PIC PC PCV PR PI PSH PSL PSHL PRT PIT PT PY PE PP PSVPV


PDDiferencial de

PresiónPDRC PDIC PDC PDCV PDR PDI PDSH PDSL PDRT PDIT PDT PDY PE PP PDV

Continuación........

Controladores Dispositivos Interruptores y Transmisores Solenoides Dispositivo

de Lectura Dispositivos de Alarma* Relevadores Punto pozo de de

Primera Variable Dispositivos varios, Elem de o Visual.

Seguridad Elem.

Letra Medida Reg Indic Ciego Valvul. Regi. Indic Alto Bajo Comb Reg Indic Ciego Computac. Prim Prueba Sensor Cristal Final

Q Cantidad QRC QIC QR QI QSH QSL QSHL QRT QIT QT QY QE QZ

R Radiación RRC RIC RC RR RI RSH RSL RSHL RRT RIT RT RY RE RW RZ

SVelocidad/ Frecuencia

SRC SIC SC SCV SR SI SSH SSL SSHL SRT SIT ST SY SE SV

T Temperatura TRC TIC TC TCV TR TI TSH TSL TSHL TRT TIT TT TY TE TP TW TSE TV

TDTemperaturaDiferencial

TDRC TDIC TDC TDCV TDR TDI TDSH TDSL TDRT TDIT TDT TDY TE TP TW TDV

U Multivariable UR UI UY UV

V Vibración/ VR VI VSH VSL VSHL VRT VIT VT VY VE VZ

W Peso/ Fuerza WRC WC WC WCV WR WI WSH WSL WSHL WRT WIT WT WY WE WZ

WDDiferencial de

pesoWDRC WDC WDC WDCV WDR WDI WDSH WDSL WDRT WDIT WDY WE WDZ

X No Clasificad

YEvento/ Estado/

PresenciaYIC YC YR YI YSH YSL YT YY YE YZ

ZPosición / Dimensión

ZRC ZIC ZC ZCV ZR ZI ZSH ZSL ZSHL ZRT ZIT ZT ZY ZE ZV

Otras combinaciones posibles:

FO (Orificio de Restricción) PFR (Relación)

FRK, HIK (Estaciones de Control) KQI (Indicador de Tiempo Avanzando)

FX (Accesorios) QQI (Indicador de Conteo)

TJR (Registro de Exploración)WKI

C(Controlador de Razón de Pérdida de Peso)


LLH (Luz Piloto)HM

S(Interruptor manual momentáneo)


3.2.4.- Símbolos de válvulas y actuadores:

Válvulas:

Globo, compuerta u otra, general Ángulo

Mariposa

Obturador rotativo o válvula de bola

Tres víasCuatro vías globo

Diafragma

Actuadores:

Diafragma con resorte.

Diafragma con resorte, posicionador y válvula piloto que presuriza al diafragma al actuar.

Preferido Opcional

Motor rotativo

Cilindro sin posicionador u otro piloto

Simple acción Doble acción


Preferido para cualquier cilindro

Actuador de alivio manual o de seguridad

Solenoide

Acción del actuador en caso de fallo de aire (potencia):

FO (Failure Open)

Abre en falla

FC (Failure Close)

Cierra en falla

Abre en falla a vía A-C

Abre en falla a vías A-C y D-B

FL (Se bloquea en falla)

FI (Posición indeterminada en falla)

3.2.5.- Símbolos y Números de Identificación

La indicación de los símbolos de varios instrumentos o funciones han sido aplicados en las típicas formas. Los tamaños de las etiquetas de las burbujas y de los símbolos de los misceláneos son los tamaños generalmente recomendados. Pero pueden variar dependiendo del diagrama y el número de caracteres.

Es común en la práctica para los diagramas de flujo de ingeniería omitir los símbolos de interconexión y los componentes de hardware que son realmente necesarios para un sistema de trabajo, particularmente cuando la simbolización eléctrica interconecta sistemas.


Un globo o círculo simboliza a un instrumento aislado o instrumento discreto, para el caso donde el círculo esta dentro de un cuadrado, simboliza un instrumento que comparte un display o un control. Los hexágonos se usan para designar funciones de computadora. Para terminar los controles lógicos programables PLC's se simbolizan con un rombo dentro de un cuadrado.

Instrumento Discreto o Aislado

Display Compartido, Control Compartido

Función de computadora

Control Lógico Programable

Los símbolos también indican la posición en que están montados los instrumentos:

Los símbolos con o sin líneas nos indican esta información. Las líneas son variadas como son: una sola línea, doble línea o líneas punteadas.

Montado en Tablero

Normalmente accesible al operador

Montado en Campo

Ubicación Auxiliar.

Normalmente accesible al operador.

Instrumento Discreto o Aislado

Display compartido, Control compartido.

Función de Computadora

Control Lógico Programable


Las líneas punteadas indican que el instrumento está montado en la parte posterior del panel el cual no es accesible al operador.

Instrumento Discreto

Función de ComputadoraControl Lógico Programable

Número de identificación del instrumento, etiqueta o tag.

Cada instrumento o función para ser designada, está diseñada por un código alfanumérico o etiquetas con números. La parte de identificación del lazo del número de etiqueta generalmente es común a todos los instrumentos o funciones del lazo. Un sufijo o prefijo puede ser agregado para completar la identificación.

NUMERO DE IDENTIFICACION TIPICO ( NUMERO TAG)TIC-103

103

TIC

T

IC

Identificación del instrumento o número de etiqueta

Número de lazo

Identificación de funciones

Primera letra

Letras Sucesivas

NUMERO DE IDENTIFICACION EXPANDIDO10-PAH-5A

10

A

Número de etiqueta

Prefijo opcional

Sufijo opcionalNota: Los guiones son optativos como separadores.


El número de lazo del instrumento puede incluir información codificada, tal como la designación del área de la planta que lo designe. Esto también es posible para series específicas de números para designar funciones especiales.

Cada instrumento puede ser representado en diagramas por un símbolo. El símbolo puede ser acompañado por un número de etiqueta.

4.- VARIABLES MÁS IMPORTANTES

La primera tarea de un sistema automatizado consiste en obtener la información del proceso que está controlando. El contar con dispositivos é instrumentos que se encarguen entonces de medir correctamente las variables; de estos procesos es fundamental para el óptimo control de los mismos.

Existen diversas variables cuyas formas de medición son también muy variadas. Sin embargo vamos a describir principalmente las que son consideradas las más importantes en la mayoría de los procesos industriales: presión, temperatura, nivel y flujo.

4.1.- Presión

Es toda fuerza que se ejerce sobre un área o superficie determinada y sus principales unidades de medición son: Kg/cm2, psi (libras por pulgada cuadrada, bar, atmósferas. Etc.

El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema.

Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en


el valor de las variables del proceso (como la composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con precisión de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación.

Existen varias formas de clasificar los elementos o dispositivos medidores de presión. Una de ellas, los divide en aquellos denominados de balance de gravedad, los que emplean dispositivos de deformación elástica y los que utilizan elementos que entregan una respuesta eléctrica representativa de la presión medida. El tipo de presión que generalmente se mide en los procesos industriales es la denominada presión manométrica que es la que tiene como referencia o punto de partida a la presión atmosférica. Para tal fin se emplean medidores llamados manómetros cuyas escalas están graduadas en diversas unidades. En la tabla siguiente podemos comparar las unidades más importantes:

4.1.1.-Dispositivos de balance de gravedad

Miden presiones desconocidas, balanceándolas en contra de la fuerza gravitacional de líquidos; a pesar de que son más usados en laboratorio, encuentran aplicaciones en plantas industriales.

Dentro de los más usados se encuentran los manómetros de tubo en "U", los de tubo inclinado, los de cubeta y los de cubeta de tubo inclinado. En estos casos, el líquido manométrico a utilizar es el mercurio, aunque el agua también se usa cuando se trata de medir presiones bajas. Adicionalmente a


estos dispositivos, se tienen la de tipo flotador y aquellos con líquido de sello que poco a poco van siendo dejados de lado por otros tipos de medidores.

4.1.2.-Elementos de Deformación Elástica

Son dispositivos que alteran su forma cuando son sometidos a presión. Dentro de estos, aparecen los tubos de Bourdon (en "C", en espiral y helicoidal), en donde la forma y tipo de material definen el rango de aplicación; también, se utilizan los denominados diafragmas,, cápsulas y fuelles, generalmente común en medición de presiones relativamente más bajas que para el caso de los tubos de Bourdon). Estos elementos han sido los más empleados en la fabricación de manómetros.

Manómetros

4.1.3.-Transductores Eléctricos de Presión

Cualquiera de los dispositivos de deformación elástica puede ser unido a un dispositivo eléctrico para formar un transductor eléctrico de presión. Estos, producen cambios de resistencia, inductancia o capacitancia. Dentro de los primeros se deben mencionar a las galgas extensiométricas (strain gagas). Una galga extensiométricas es simplemente un alambre muy fino formando una grilla la cual está pegada a un papel especial. Cuando la grilla es afectada por la presión, ocurre un cambio de resistencia.


Este tipo de transductor puede ser usado para detectar pequeños movimientos y por lo tanto pequeños cambios de presión. Las galgas extensiométricas utilizan circuitos con puente de Wheatstone para obtener una salida eléctrica. Otro tipo de transductor similar emplea un disco elástico en el cual, el elemento de deformación es de silicio y está sellado en un fluido con silicona y protegido por un diafragma.

Galgas extesisiométricas

4.1.4.-El Sensor Tipo Capacitivo

Consiste de dos placas conductivas y un dieléctrico. A medida que aumenta la presión, las placas tienden a apartarse, cambiando su capacitancia. El fluido que está: midiendo, sirve de dieléctrico.

Debido a que la medición de nivel y de flujo requiere en algunos casos medir presión diferencial, este tipo de presión es de gran importancia en los procesos industriales. Dentro de los dispositivos más utilizados se emplean algunos cuya salida normalizada, los convierte en transmisores, sean neumáticos o electrónicos. En ambos casos se trata de instrumentos en donde una cápsula de diafragma o sensor capacitivo sirve de sensor primario radicando desde luego la principal diferencia en la estructura de salida (transmisión).

4.2.- Flujo o Gasto


La medición de flujo constituye tal vez, el eje más alto porcentaje en cuanto a medición de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de esta, ya que sin mediciones de flujo, sería imposible el balance de materiales, el control de calidad y aún la operación de procesos continuos.

Existen muchos métodos para medir flujos, en la mayoría de los cuales, es imprescindible el conocimiento de algunas características básicas de los fluidos para una buena selección del mejor método a emplear. Estas características incluyen viscosidad, densidad, gravedad específica, compresibilidad, temperatura y presión, las cuales no vamos a detallar aquí.

Básicamente, existen dos formas de medir el flujo: el caudal y el flujo total. El caudal es la cantidad de fluido que pasa por un punto determinado en cualquier momento dado. El flujo total de la cantidad de fluido por un punto determinado durante un periodo de tiempo específico. Veamos a continuación algunos de los métodos empleados para medir caudal.

4.2.1.-Medición por Presión Diferencial

Utiliza dispositivos que originan una presión diferencial debido al paso de un fluido por una restricción. La razón de hacer esto es que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presiones entre dos puntos, antes y después de la restricción. Uno de estos elementos es la placa - orificio o placa perforada. Allí, el fluido sufre una disminución de su presión, la cual es mínima en el punto denominado "vena contracta". Si bien es cierto, la presión tiende a recuperarse, existe al final una pérdida de presión.

Una placa- orificio se coloca en una tubería, sujeta entre dos bridas. La forma y ubicación del agujero son el rasgo distintivo de tres tipos de este dispositivo: la placa concéntrica, la excéntrica y la segmental; la selección de algunas de éstas depende de las características del fluido a medir. Existen tres tipos de tomas de presiones a ambos lados del elemento primario: tomas de bridas, tomas de tubería y tomas de vena contracta. Igualmente, aquí las características del fluido influirán en la elección de alguna de estas.

Típicamente se utiliza un transmisor de presión diferencial para la toma de las presiones y el envío de una señal que represente al flujo. A esta señal sin embargo se le debe extraer la raíz cuadrada para obtener una respuesta


lineal con respecto al flujo. Antiguamente se empleaban instrumentos especiales para tal fin. Hoy, esta es una función de software en instrumentos digitales.

La placa perforada es finalmente, un elemento simple, barato, aunque no muy preciso, como otros dispositivos de presión diferencial. Aunque funcionalmente es sujeta a la erosión y daño, es fácil de reemplazar.

Medición con placa - orificio y transmisor de presión diferencial

Otra restricción de tubería para la medición del flujo es el tubo Venturi, el cual es especialmente diseñado a la longitud de la "tubería". Tiene la forma de dos embudos unidos por sus aberturas más pequeñas y se utiliza para tuberías grandes; es más preciso que la placa-orificio, pero es considerablemente más costoso y más difícil de instalar.


Figura: Principio Venturi

Un promedio entre la placa-orificio y el tubo Venturi es la tobera de flujo, la cual asemeja la mitad de un tubo Venturi por donde entra el fluido; este dispositivo es tan preciso como el tubo Venturi, pero no tan costoso ni difícil de instalar. Las tomas de presión utilizadas para el tubo Venturi, están situadas en los puntos de máximo y mínimo diámetro de tubería. Para el caso de la tobera, se ubican según recomendaciones del fabricante.

Otro elemento primario para medir flujo por el método de presión diferencial es el Tubo Pitot, el cual en su forma más simple, consiste en un tubo con un orificio pequeño en el punto de medición (impacto).

Cuando el fluido ingresa al tubo, su velocidad es cero y su presión es máxima. La otra presión para obtener la medida diferencial, se toma de un


punto cercano a la pared de la tubería. Realmente, e! tubo Pitot mide velocidad de fluido y no caudal y además no necesariamente el fluido debe estar encerrado en una tubería. Podría por ejemplo, ser usado para medir el flujo del agua de un río o flujo de aire al ser suspendido desde un avión.

4.2.2.-Medidores de Área Variable

Se distinguen de los anteriores en que en aquellos existe una variación de presión, mientras el área permanece constante. Aquí sin embargo, lo que permanece constante es la presión diferencial, gracias a la suficiente variación del área. Uno de estos es el rotámetro el cual consta de un tubo cónico vertical que encierra un flotador; éste, dependiendo del caudal, toma una posición en el tubo que aumenta o disminuye el tamaño del área y así mantiene la presión constante. Una escala graduada dentro del tubo, estará calibrada en unidades de presión y así tener una lectura directa de la misma.

Los rotámetros se pueden fabricar con tubos de vidrio, metal y plástico. Estos dos últimos se utilizan cuando el fluido es muy corrosivo o my oscuro para permitir la colocación de una escala interna. En esos casos se usa un seguidor magnético relacionado a un imán colocado en el flotador interno y así transmitir mecánicamente la variación del caudal a un indicador.


4.2.3.-Medidores Magnéticos

Utilizan la ley de inducción de Faraday, que establece que cuando una corriente pasa por un conductor y existe un campo magnético en dirección transversal al mismo, se crea un potencial eléctrico proporcional a la corriente.

En la aplicación para medir caudal, se coloca un tubo aislado eléctricamente con un par de electrodos montados a ambos lados del tubo y rasantes con el fluido. Unas bobinas eléctricas se colocan alrededor del tubo de modo tal de generar un campo magnético en un plano perpendicular, tanto al eje del cuerpo del voltaje de salida es proporcional a la velocidad promedio del fluido; no interesa si este es laminar o turbulento. Además, es independiente de la viscosidad, densidad, temperatura y presión.

Si bien es cierto, se requiere que el fluido tenga cierta conductividad mínima, la señal de salida no varía con el aumento de la conductividad, lo cual es una ventaja. En aplicaciones en donde es necesario medir flujo de masa, se puede lograr esto midiendo la densidad del fluido y multiplicando las dos señales.

Medidor magnético


4.2.4.-Medidor a Turbina

Un instrumento de este tipo consiste de una rueda de turbina de precisión, montada en cojinetes de una porción de tubería, y una bobina electromagnética colocada en la pared de la tubería, causa el giro de la turbina a una velocidad que varía directamente con el caudal del fluido de proceso. La interrupción del campo magnético, con cada paso de cada hoja de la turbina produce un pulso eléctrico. La frecuencia de estos pulsos determina la velocidad del fluido.

4.2.5.-Medidor de Vórtice

La forma de medición es parecida a la dé la turbina. Sin embargo, aquí un dispositivo fijo a la entrada de la tubería similar a una hélice, genera un movimiento rotatorio al fluido. Otro dispositivo, se encarga posteriormente de restablecer el caudal original al fluido. La oscilación de éste en el punto de medición, es proporcional al caudal. Estas oscilaciones producen variaciones de temperatura en un sensor colocado en el área, variaciones que luego se convierten en pulsos de voltaje qué son amplificados, filtrados y transformados en ondas cuadradas para ser luego ingresados a un contador electrónico.


Medidor vórtice

Existen otros medidores de caudal como son el de placa de impacto, que mide flujo, sumando la fuerza que el fluido desarrolla sobre un "blanco" que es una placa de disco; esta fuerza es proporcional a la raíz cuadrada del flujo, los de ultrasonido, que emplean un transmisor y un receptor (a veces instalados en el mismo receptáculo) para medir la desviación en frecuencia en la señal del transmisor, debido a la velocidad del fluido.

En los casos de medición de caudal en canales abiertos, se pueden mencionar la represa, la tobera abierta y los vertederos en donde básicamente se mide nivel de fluido, que varía; al pasar por estos dispositivos. Un pozo quieto adyacente al canal tiene un sensor de nivel (generalmente un flotador), cuya posición vertical varía en función del caudal.

4.2.6.-Medidores de Flujo Total

Dentro de este tipo de dispositivos se tienen los denominados medidores de desplazamiento positivo, los cuales, separan la corriente de flujo en incrementos volumétricos individuales y cuentan dichos incrementos.

Los medidores son fabricados de modo tal qué cada instrumento volumétrico es conocido en forma precisa y la suma de estos incrementos da una medida muy aproximada del volumen total que pasa a través del medidor. La


mayoría de los medidores de desplazamiento positivo son de tipo mecánico y son usados principalmente para medir cantidades totales del fluido a ser transferido y a menudo se asocian a otros dispositivos para lograr acciones de indicación, registro o control. Entre los más utilizados, figuran los de disco oscilante, pistón oscilante, cicloidal, oval, birrotor, etc.

Los medidores de flujo de masa en sus diversos tipos y los computadores de flujo, constituyen hoy en día una muestra del avance de la tecnología en la medición de esta variable. El medidor tipo Coriolis es un ejemplo de los primeros. Aquí el fluido fluyendo a través de un tubo vibrante causa una deflexión en el tubo proporciona! al flujo de masa. Estos medidores tienen gran exactitud.


4.3. Nivel

Los medidores de nivel pueden clasificarse en dos grupos generales: directos e indirectos. Los primeros aprovechan la variación de nivel del material (líquido o sólidos granulares) para obtener la medición. Los segundos, usan una variable, tal como presión, que cambia con el nivel del material. Para cada caso, existen instrumentos mecánicos y eléctricos disponibles.

4.3.1.-Medición Directa

Los primeros dispositivos usados para indicar nivel consistían de tubos de vidrio de modo tal que el operador viese el fluido de proceso. Con el correr del tiempo, los cristales planos del tipo reflex o transparente han reemplazado a los anteriores. En el caso de que el fluido sea peligroso (corrosivo, tóxico, etc.) como para emplear vidrio, se utilizan los de tipo Magnético, en los cuales un imán instalado en un flotador permite el desplazamiento de un seguidor y este mecánicamente mueve un indicador relacionado a una escala graduada.

El empleo de flotadores es muy común, generalmente para acciones de control (interruptores de nivel). Del mismo modo los desplazadores, tienen acciones similares a los flotadores o boyas, con la diferencia que su movimiento, es más restringido. Cuando el nivel de líquido cambia, la cantidad cubierta por el desplazador, va creciendo a medida que este es sumergido. La fuerza es transferida a un sistema neumático a través de un eje y de allí al indicador.


Flotadores y transmisores

El método de contacto puede ser empleado para sólidos granulares o para líquidos; en estos casos se emplea una pesa o un flotador respectivamente. El inicio de medida se da por un pulsador o un temporizador, para poner la pesa o flotador conectado a un cable, en reposo sobre el material. Lo que se sensa realmente es la variación de la tensión del cable cuando se entra en contacto con los sólidos granulares o el líquido a medir.

La indicación del nivel se da por intermedio de un circuito eléctrico asociado al motor que sube y baja el cable. Las sondas eléctricas propiamente dichas, emplean métodos conductivos, capacitivos y ultrasónicos para medición de nivel.

A causa de la distancia de los electrodos, la sonda de conductividad se asemeja a una bujía. Estos dispositivos son usados con líquidos conductores. Los electrodos se alimentan con corriente continua, siendo montados dentro del recipiente contenedor del líquido; cuando el líquido: toma contacto con cualquiera de los electrodos, una corriente eléctrica fluye entre el electrodo y tierra. Este método cuando se usa para algún tipo de control, es por lo general para actuar sobre una bomba.


Sensor de Nivel por conductividad

El método capacitivo utiliza una sonda como una de las placas de un condensador, siendo la otra placa el contenedor mismo. El material entre ellos, viene a ser dieléctrico. El cambio de nivel origina un cambio en la salida del circuito electrónico, proporcional al cambio de la capacidad por lo que este método es de indicación continua del nivel a diferencia del conductivo que sería entonces, uno discreto.

Sensor- Transmisor Capacitivo

Los medidores del tipo ultrasónico se usan tanto para medición continua, como discreta de nivel, aunque generalmente su uso está dado en acciones de alarma. En todos los diseños, se genera una señal en frecuencia y la


interrupción o detección de la señal generada es la base para una acción de control (detectores discretos). En medición continua, se mide el tiempo transcurrido entre la emisión de la señal y la recepción de la reflejada.

Medición por ultrasonido

4.3.2.-MEDICIÓN INDIRECTA

Varios tipos de dispositivos de medición indirecta de nivel son en efecto sensores de presión hidrostáticos. El más sencillo consiste en un manómetro ubicado en el nivel cero de un contenedor de líquido. Cualquier incremento de nivel causa un aumento de la presión hidrostática, la cual es medida con el manómetro. La escala del manómetro es graduada en unidades de nivel.

En el caso de método de burbujeo, se utiliza una tubería conectada verticalmente en el contenedor. El extremo con abertura de la tubería es ubicado en el nivel cero del contenedor. El extremo es conectado a un suministro de aire. Cuando se va a hacer la medición de nivel, el suministro de aire es regulado para que así la presión sea ligeramente más alta que la presión hidrostática. Este punto se encuentra al observar burbujas saliendo por el extremo inferior del tubo. Se lee entonces en el manómetro la indicación de nivel (pies, pulgadas, galones, etc.).


Un instrumento muy popular que utiliza el método por presión hidrostática es el transmisor de presión diferencial; en realidad, este envía una señal normalizada proporcional a la diferencia de dos presiones, una debida al líquido cuyo nivel se desea determinar (entrada alta) y otra debida a la presión atmosférica (entrada baja), siempre y cuando sea un sistema abierto (tanque abierto a la atmósfera). Para el caso de tanques cerrados, la entrada "baja" debe conectarse ya sea directamente en contacto con el gas encerrado en el extremo superior del depósito o utilizando un fluido de sello. En todo caso, la calibración adecuada permitirá una señal de salida (electrónica o neumática) proporcional al nivel.

Medición con transmisor de presión diferencial

Los dispositivos radiactivos también pueden ser utilizados tanto para medición discreta como continua de nivel. Se utilizan fundamentalmente cuando el material a ser medido es muy corrosivo, cuando las temperaturas en el punto de medición durante el proceso son muy altas, o en general, cuando la situación no permite la instalación de elementos primarios dentro del recipiente de almacenamiento. En la aplicación de medición discreta o


mejor dicho para detectar un determinado punto, la fuente radiactiva y su receptor, se montan a ambos lados del tanque al nivel deseado para la detección. Cuando el material se interpone entre el emisor y el receptor, se corta el suministro del material hacia el recipiente. En la aplicación que requiere una medición continua del nivel por este mismo método, se utilizan varias fuentes radiactivas y uno o más detectores.

Método por radiactividad

Otro método indirecto para determinar el nivel de los materiales es medir el peso de los mismos, en forma mecánica o eléctrica. Los sistemas eléctricos utilizan las llamadas celdas de cargas basadas en galgas extesisiométricas (ya mencionadas anteriormente). A medida que las celdas son comprimidas por el peso del material dentro del recipiente, también cambia la resistencia de las galgas y por lo tanto varía la señal eléctrica a la salida del puente de Wheatstone usado en la medición. La medición puede ser analógica o digital y la escala estará calibrada en unidades de nivel.

4.4. Temperatura

La temperatura es una variable, que a diferencia de otras, debe ser medida en términos de los efectos indirectos que tiene sobre las propiedades físicas de los materiales o en los cambios producidos en circuitos eléctricos (voltaje o resistencia). Cambios como estos, deben relacionarse con fenómenos


reproducibles en laboratorio, tales como los puntos de ebullición y congelación del agua. Los puntos de calibración en laboratorios son a menudo basados en las temperaturas en las cuales existe un equilibrio líquido - vapor de sustancias puras, como oxígeno, agua, sulfuro, plata y oro.

4.4.1.-Los Termómetros

Sobre un periodo de años, por lo menos cinco escalas de temperaturas diferentes se han usado en la medición de esta variable. Las dos más comúnmente usadas, Fahrenreit y Centígrada, usan alcances (span) arbitrarios de 180°F y 100°C respectivamente para los puntos de ebullición y congelación del agua. Otras dos escalas (RankSne y Keiwin) que tienen como referencia el cero absoluto.

Desde un punto de vista histórico, el primer dispositivo práctico para medir temperatura fue el termómetro de vidrio, es por eso que empezaremos por él para examinar las diversas formas que existen para medir temperatura.

Termómetros de Vidrios Las sustancias minerales se contraen o expanden una cierta cantidad por cada grado de cambio de temperatura. Este es el principio de la expansión térmica. Cuando se aplica calor a un termómetro de vidrio que contiene por ejemplo mercurio, éste se expande más que el bulbo de vidrio que lo contiene. La diferencia en expansión, obliga al mercurio a subir por un tubo capilar en forma uniforme con respecto al cambio de temperatura, de modo tal que con calibrar el tubo con una determinada escala, se tendrá una lectura directa de la temperatura. Los termómetros con mercurio se pueden usar desde 33°F a +800°C. Sin embargo, para temperaturas muy bajas se utilizan termómetros que contienen alcohol (-300°C a +600°C).

Termómetros Bimetálicos: La operación de estos dispositivos se basa en el principio de que los metales diferentes tienen diferentes coeficientes de expansión térmica. Si dos aleaciones metálicas diferentes son soldadas formando un espiral se tiene el elemento bimetálico. Cuando este conjunto es calentado, tiende a desarrollarse debido a la diferente expansión térmica de cada aleación. Si se conecta un puntero al espiral por medio de un eje, el puntero se moverá e indicará la temperatura sobre una escala circular calibrada.


Termómetros Bimetálicos

4.4.2.-Sistemas térmicos de llenado

Uno de los sistemas más antiguos para medir temperatura se basa en el uso de termómetros actuados por presión, que utiliza sistemas "de llenado" (sistemas llenos con líquido, gas o vapor) que responden a las variaciones de temperatura. Todos los fluidos, sean líquidos, vapores o gases, se expanden cuando son calentados y se contraen cuando son enfriados.

Este fenómeno se utiliza para expandir un elemento de presión, usualmente un tubo de Bourdon el cual transmite el movimiento a un indicador o asociados a otros elementos para transmitir o registrar. Son básicamente sistemas sencillos y robustos que sin embargo han ido desapareciendo dejando su lugar a otros tipos de formas de medición que veremos a continuación.

4.4.3.-Métodos eléctricos para medir temperatura

Existen varias formas de obtener una señal eléctrica que represente a la temperatura medida. Dentro de éstas podemos señalar a los sistemas de medición que emplean termocoples, RTD y otros.

Termocoples

El termocople es una de los más simples y comunes métodos usados para determinar la temperatura de procesos. Cuando se requiere una indicación remota o cuando se necesita observar la temperatura de varios puntos, este


método es el más apropiado. En 1821 TJ. Seebeck descubrió que cuando se aplicaba calor a la unión de dos metales distintos, se generaba una fuerza electromotriz, la cual puede ser medida en otra juntura (fría) de estos dos metales (conductores); estos conductores forman un circuito eléctrico y la corriente circula como consecuencia de la f.e.m. generada. Esto es válido siempre y cuando las temperaturas en las dos uniones sean distintas.

Termocople

Para una determinada combinación de materiales, el voltaje de salida (en milivoltios) varía en proporción directa a la diferencia de temperatura entre dichas uniones o junturas. Para que la medida corresponda a la temperatura real, la juntura fría (físicamente localizada a la entrada del instrumento receptor) debe mantenerse constante, comúnmente referida a cero grados centígrados. Para lograr han aparecido en el tiempo varios métodos, siendo actualmente utilizada la electrónica para tal fin. La juntura de medición (unión caliente) desde luego, estará ubicada en el lugar en donde se requiere medir temperatura.

Fig 3 - Efecto Seebeck


Para temperaturas moderadas (hasta alrededor de 260 °C), combinaciones de hierro y cobre, hierro y constantán (aleación de cobre y níquel) son usadas frecuentemente. A altas temperaturas (hasta alrededor de 1640 °C), los hilos son fabricados de platino o aleación de platino y rodio.

Diferentes tipos de termocoples

A los termocoples se les designa comúnmente con una letra. Así por ejemplo, una termocupla tipo J es de Hierro / Constantán (la barra de separación es para indicar los materiales de cada hilo) y una de tipo K es de Cromel / Alumel (el Cromel es una aleación de cromo y níquel y el Alumel es de aluminio y níquel).

Existen varias combinaciones usadas en la fabricación de termocoples y la selección adecuada de estos sensores depende de su rango de utilización, salida en mV /°C y los errores máximos en la medición, además de las características mecánicas deseadas. Los termocoples no siempre están en contacto directo con el proceso. A menudo se emplean elementos protectores que a la vez permiten remover un termocople sin interrumpir el proceso. Tal es el caso de los termopozos.


Termopozo

Detectores Resistivos de Temperatura (RTD's)

Estos han sido usados durante años y aún son muy populares en la actualidad. Se basan; en el aumento de resistencia de un hilo conductor con el incremento de la temperatura. La magnitud de este cambio con respecto al cambio de temperatura en él, se llama "coeficiente térmico de resistencia" del material conductor.

Para la mayoría de metales puros, este es constante sobre cierto rango de temperatura. Por ejemplo, el coeficiente del platino (a) es 0.00392 ohm / (ohm) (°C) sobre un rango de 0°C a 100°C, teniendo una resistencia de 100 ohmios para una temperatura de 0°C, por lo que recibe el nombre de Pt -100. Para la mayoría de conductores, el coeficiente mencionado (a) es positivo. Comúnmente los materiales empleados incluyen platino, níquel, cobre, níquel - hierro y tungsteno. Entre todos ellos, el platino es el más usado debido a su característica lineal sobre la mayor parte de su rango; también el níquel, por su gran coeficiente de resistencia, aunque no tiene una característica lineal.

Debido al diámetro tan pequeño del hilo utilizado en estos RTD (0.05 mm), su construcción incluye blindajes protectores contra choques mecánicos. A menudo las sondas de resistencia se fabrican con tres o cuatro hilos de salida con fines de eliminar los efectos de cambio de resistencia en los hilos de extensión por cambios de la temperatura ambiente. Los circuitos de medición comunes emplean puentes de Wheatstone.


Termistores

Son semiconductores hechos de carbón, germanio, silicio y mezclas de ciertos óxidos metálicos, que exhiben coeficientes de temperaturas elevadas, usualmente negativos (NTC). Su característica es no lineal y exhiben los cambios más grandes en rangos de temperatura criogénicos por debajo de 100°K. Su resistencia es una función de temperatura absoluta. Las precisiones de estos dispositivos varían con el rango de temperatura. Por ejemplo, un sensor de germanio puede tener una variación de + 0.005°K sobre un rango criogénico de 1.5° a 5°K y de ± 0.1°K sobre un rango de 40° a 100°K. Esto incluso puede variar con el tiempo de uso del sensor.

Adicionalmente, al uso de los termistores como dispositivos de temperatura, se usan en regulación de voltaje, control de nivel de potencia, compensación de otros sensores de temperatura, control de temperatura y como detectores en analizadores.

Sensores de estado solido

Son pequeños transductores que convierten una entrada de temperatura en una corriente de salida; proporcional a ella. Son especialmente utilizados en aplicaciones dentro del rango de -55°C a 150°C en donde se requieren gran confiabilidad, linealidad y exactitud. Una de las aplicaciones más importantes


es en la compensación de la juntura fría para sistemas de medición con termocople.

Los Pirómetros, sin contacto con el proceso

Son dispositivos que miden temperatura por encima del rango aplicable a los termocoples, a pesar: que ciertas aleaciones, permiten a estas últimas llegar a 3000°C aunque durante breves periodos. Algunos pirómetros pueden ser usados para medir temperaturas tan bajas como 0°C y tan altas como 5000°C con gran precisión.

Los pirómetros se clasifican en dos grupos; los denominados pirómetros de radiación total y los llamados pirómetros de radiación parcial. La pirometría de radiación usa la propiedad de la radiación térmica que es emitida por todos los materiales (excepto gases inertes) a una temperatura de cero absoluto. Es particularmente interesante debido a la no necesidad de contacto directo con el material cuya temperatura se quiere medir.

Los pirómetros de radiación más empleados actualmente son los infrarrojos que por la tecnología digital que poseen los hacen cada vez más versátiles que sus predecesores, permitiendo por ejemplo automáticamente hacer compensación; por variaciones de la temperatura ambiente, ajuste de emisividad, etc.


5. MEDICION DE VARIABLES

5.1 Instrumentos de Medición

Se denomina instrumento o aparato de medida a todo dispositivo destinado a realizar una medición sólo o en unión a otros dispositivos suplementarios.

Los instrumentos de medición se dividen en dos grupos: graduados y no graduados. Los dispositivos de medición graduados incluyen un conjunto de marcadores (llamados graduaciones) sobre una escala lineal o angular, contra la cual puede compararse la característica sujeta a medición del objeto. Los dispositivos de medición no graduados no poseen tal escala y se usan para hacer comparaciones entre las dimensiones o para transferir una dimensión y efectuar su medición mediante un dispositivo graduado.

Un requerimiento básico en la manufactura es que el producto y sus componentes cumplan las especificaciones establecidas por el ingeniero de diseño. Las especificaciones de diseño incluyen las dimensiones, las tolerancias y los acabados de las superficies de las partes individuales que comprenden el producto.

La medición:

Es un procedimiento en el cual se compara una cantidad desconocida con un estándar conocido, usando un sistema de unidades aceptado y consistente. La inspección es un procedimiento en el cual se examina alguna característica de una parte o producto, tal como una dimensión, para determinar si se apega o no a la especificación de diseño. Muchos procedimientos de inspección se basan en técnicas de medición, mientras que otros usan métodos de calibración. La calibración determina sencillamente si la característica de la parte cumple o no la especificación de diseño – si la parte pasa o no pasa la inspección.

La metrología:

Es la ciencia de la medición, y se relaciona con seis cantidades fundamentales: longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura y radiación luminosa. A partir de estas se derivan la mayoría de las otras cantidades físicas, tales como área, volumen, velocidad, fuerza, voltaje eléctrico, energía térmica, etc.


En la actualidad, la metrología tiene cada vez más determinante sobre las actividades industriales, científicas, comerciales y jurídicas en el mundo entero En todos los países industrializados se reconoce la necesidad de tener un estructura coherente a escala nacional en el interior de la cual se organizan los variados aspectos de la metrología. En numerosos países ya existe una red nacional que cubre la mayoría de las actividades metrológicas

5.2 Principios de Medición

Se aplican ciertos conceptos y principios en prácticamente todas las mediciones las más importantes son:

Exactitud.

La exactitud es el grado en que un valor medido coincide con el valor verdadero de la cantidad que nos interesa.

Un procedimiento de medición es exacto cuando no tiene errores sistemáticos. Los errores sistemáticos son desviaciones positivas o negativas del valor verdadero que son consistentes de una medición a la siguiente.

Precisión:

La precisión es el grado en que se puede repetir el proceso de medición. Una buena precisión significa que se reducen al mínimo los errores aleatorios en el procedimiento de medición.

Por lo general los errores aleatorios se asocian con la participación humana en el proceso de medición. Entre los ejemplos están las variaciones en la preparación, la lectura imprecisa de la escala, las aproximaciones redondeadas, etc. Entre los elementos no humanos que contribuyen al error aleatorio están los cambios de temperatura, el desgaste gradual y el desajuste en los elementos funcionales de un artículo y otras variables. Se supone que los errores aleatorios obedecen a una distribución estadística normal cuya medida es cero y cuya desviación estándar se proporciona mediante:

No es posible construir un instrumento de medición que tenga una exactitud perfecta (ningún error sistemático) y un precisión perfecta (ningún error aleatorio). La exactitud del instrumento se conserva mediante una calibración adecuada y regular. La precisión se obtiene seleccionando la tecnología de instrumento adecuada para la aplicación. Una pauta que se aplica con frecuencia para determinar el nivel de precisión correcto es la regla de 10, la cual declara que el dispositivo de medición debe ser 10 veces más preciso que la tolerancia especificada. Por tanto, si la tolerancia que se va a medir es ± 0.010 pulg (± 0.25 mm), el dispositivo de medición debe tener un precisión de ± 0.001 pulg (± 0.025 mm).


5.3 Estándares y Sistemas de Medición

Un aspecto común en cualquier procedimiento de medición es la comparación del valor desconocido con un estándar conocido. Son muy importantes dos aspectos de un estándar: 1) debe ser consistente y no cambiar con el tiempo y 2) debe basarse en un sistema de unidades que sea consistente y que acepten los usuarios. En la época moderna, los estándares para longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura y luz se definen en términos de fenómenos físicos, porque existe la confianza de que no se alterarán.

En el mundo han evolucionado principalmente dos sistemas de unidades:

El sistema usual de los Estados Unidos y

El sistema internacional de unidades o SI que lo manejan la mayoría de los países industrializados a excepción de los Estados Unidos. Sin embargo en forma gradual, también se está adoptando el SI.


La observación de un fenómeno es en general incompleta a menos a menos que dé lugar a una información cuantitativa. Para obtener dicha información se requiere la medición de una propiedad física. Así, la medición constituye una buena parte de la rutina diaria del físico experimental.

La medición es la técnica por medio de la cual se asigna un número a una propiedad física, como resultado de una comparación de dicha propiedad con otra similar tomada como patrón, la cual se ha adoptado como unidad.

Unidades SI básicas.

Magnitud Nombre Símbolo

Longitud metro m

Masa kilogramo kg

Tiempo segundo s

Intensidad de corriente eléctrica ampere A

Temperatura termodinámica kelvin K

Cantidad de sustancia mol mol

Intensidad luminosa candela cd

Unidad de longitud: metro (m)

El metro es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo.

Unidad de masa El kilogramo (kg) es igual a la masa del prototipo

internacional del kilogramo

Unidad de tiempo El segundo (s) es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

Unidad de intensidad de corriente eléctrica

El ampere (A) es la intensidad de una corriente constante que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2.10-7 newton


por metro de longitud. Unidad de temperatura termodinámica

El kelvin (K), unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Observación: Además de la temperatura termodinámica (símbolo T) expresada en kelvin, se utiliza también la temperatura Celsius (símbolo t) definida por la ecuación t = T - T0 donde T0 = 273,15 K por definición.

Unidad de cantidad de sustancia

El mol (mol) es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12.

Cuando se emplee el mol, deben especificarse las unidades elementales, que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos especificados de tales partículas.

Unidad de intensidad luminosa

La candela (cd) es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540·1012 hertz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 watt por estereorradián.

5.4 Características de los Sistemas de Medición

Otro aspecto de un instrumento de medición es su capacidad para captar diferencias muy pequeñas en la cantidad que interesa. La indicación de esta característica es la variación más pequeña de la cantidad que puede detectar el instrumento. En general se aplican los términos de resolución y sensibilidad para este atributo en un dispositivo de medición. Otras características deseables de un instrumento de medición incluye la facilidad de calibración, la estabilidad, la velocidad de respuesta, el rango de operación amplio, la alta confiabilidad y el bajo costo. La mayoría de los dispositivos de medición deben calibrarse en forma periódica. La calibración es un procedimiento de medición que se verifica contra un estándar conocido.

5.4.1.- Características estáticas de los instrumentos.

Las características estáticas o de estado estable describen las relaciones que pueden ocurrir entre la salida y la entrada de un instrumento, cuando la


entrada permanece en un valor constante o cambia lentamente. Algunas de las características pueden cuantificarse con precisión por medios matemáticos o gráficos otras por medios estadísticos.

Campo de medida o alcance (range)

Espectro o conjunto de valores de la variable de medida o señal de entrada que están comprendidas dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento. Se expresa estableciendo los dos valores extremos. Por ejemplo, el campo de medida de un termómetro es de 100 a 300 °C y un termopar puede tener un campo de medida de 100 a 250 °C y un campo de salida de 4 a 10 mV.

Intervalo (span)

Es la diferencia algebraica entre los dos límites del campo de medida del instrumento. Del ejemplo del termómetro anterior el intervalo o alcance es de 200 °C. Por ejemplo, el termopar anterior tiene un intervalo de entrada de 150 °C y un intervalo de salida de 6 mV.

Sensibilidad. Es la razón de cambio de la señal de salida respecto al cambio de la señal de entrada que lo ocasiona, una vez alcanzado el estado de reposo.

Linealidad.

Un instrumento es lineal si los valores correspondientes de entrada y salida están sobre una línea recta. Si esta relación no se cumple, se dice que el instrumento es no lineal. La no linealidad se expresa como la máxima desviación de la relación real a la aproximación lineal: La magnitud de la no linealidad depende de la línea recta ideal que se escoja en el proceso de calibración. Algunas relaciones típicas entre las señales de entrada y de salida son:

Logarítmicas Exponenciales Cuadráticas Polinomiales.


Saturación. Es el área en la cual el instrumento ha sobrepasado su capacidad máxima de operación por lo que se presenta un comportamiento distinto a la operación normal y por lo tanto, no confiable.

Histéresis.

Para un valor determinado de entrada, la señal de salida del instrumento puede ser diferente cuando se le aproxima al punto desde direcciones opuestas (aumentando o disminuyendo la señal de entrada). Por ejemplo: un termómetro en un objeto de 50ºC indica 49ºC cuando el objeto pasa de más frío a más caliente y 51ºC cuando pasa de caliente a más frío. En este caso la histéresis es 1ºC.

Resolución.

Algunos instrumentos se caracterizan por una salida que crece en una serie de escalones o saltos discretos en respuesta a un aumento continuo en la entrada. La resolución se define como el mayor cambio en la entrada (I) que puede ocurrir sin cambio correspondiente en la salida (O):

Zona muerta.

Es el área de valores de la señal de entrada que no hace variar la señal de salida o la indicación del instrumento, es decir, que no produce respuesta.

Bandas de error.

Los efectos de la no linealidad, la histéresis y la resolución en muchos instrumentos son tan reducidos que resulta difícil e inconveniente cuantificar cada efecto individual. En estos casos el fabricante define el desempeño en términos de bandas de error indicando que para cualquier valor de la señal de entrada, la señal de salida estará dentro de un valor h del valor de la línea recta ideal.

Repetibilidad.

Es la capacidad de producir la misma señal de salida con la misma señal de entrada en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de


variación, recorriendo todo el campo de medida.

Exactitud (accuracy)

Indica la desviación de la lectura o señal de salida respecto a una señal de entrada conocida. Se cuantifica en términos de error, o sea, se expresa como la razón de la máxima desviación de un valor indicado por el instrumento con respecto al valor ideal. Normalmente este valor se da en porcentaje. Por ejemplo, un sensor de desplazamiento lineal idealmente debería generar 1 mV por 1 mm de desplazamiento. Sin embargo, en un experimento, un desplazamiento de 10 mm produjo una salida de 10.5 mV. Considerando sólo este valor de mV se esperaría que el desplazamiento hubiera sido de 10.5 mm que es 0.5 mm más que la realidad. Esta desviación indica una exactitud de 5%. Al valor de la desviación se le llama error.

Precisión.

La precisión de un instrumento indica su capacidad para reproducir cierta lectura con una exactitud dada. Como ejemplo, se mide un voltaje conocido de 100 V con cierto voltímetro y se toman 5 lecturas. Los valores encontrados son 104, 103, 105, 103, 105. Dadas estas lecturas, ¿cuál es la exactitud y cuál es la precisión del instrumento? Respuesta: Ya que la desviación máxima del instrumento es 5 V de la entrada real de 100 V, se tiene una exactitud de 5%. La precisión del instrumento la da la máxima desviación de la media de las lecturas, en este caso, 1%.

Los límites de precisión incluyen los efectos de histéresis, banda muerta, calibración y errores de repetibilidad. Y son distintos para cada unidad.

La representación de la exactitud puede darse de diversas maneras: 1) Directamente en términos de valor medido. 2) En porciento de la escala completa (input span o full scale). 3) En términos de la señal de salida.

Efectos ambientales.

En general, la señal de salida de un instrumento no solo depende de la señal de entrada sino también de entradas ambientales tales como la presión atmosférica, la temperatura ambiente, la humedad relativa, etc. Por tal motivo, las características de operación suelen definirse a condiciones


ambientales "estándar" tales como: 25ºC de temperatura ambiente, 1000 mili bar de presión atmosférica, 80% de humedad relativa, etc.

Desgaste y envejecimiento.

Estos efectos pueden hacer que las características de un instrumento cambien lenta pero sistemáticamente en su periodo de duración. Por ejemplo, la rigidez de un resorte que decrece lentamente a causa del desgaste.

Condiciones de almacenamiento. Tiempo máximo y mínimo, humedad relativa máxima y mínima, presencia de gases, etc.

Estabilidad de largo plazo.

Se refiere al envejecimiento de los materiales que repercute en un cambio irreversible en las propiedades eléctricas, mecánicas, químicas o térmicas del sensor. Algunos instrumentos se pueden someter a envejecimiento acelerado para mejorar sus características.

Efectos térmicos.

Se suelen especificar por los límites de operación. Ejemplo: Exactitud: ± 1 % de 0 a 50°C. ± 2 % de - 20 a 0°C y de 50 a 100°C. ± 3 % fuera de esos límites.

Límites de operación. Valores extremos donde puede operar el instrumento. Por ejemplo, de - 40 a 150°C de temperatura.

Error de auto calentamiento.

Se especifica cuando una señal de excitación es absorbida por un sensor y su temperatura afecta de tal manera que varía la exactitud.

5.4.2.- Características dinámicas de los instrumentos.

Las características dinámicas muestran el comportamiento del instrumento


en función del tiempo. Algunas características con dependencia del tiempo son las siguientes.

Tiempo de calentamiento.

El tiempo que tarda el instrumento desde su excitación hasta que puede funcionar con la exactitud especificada. Respuesta en frecuencia.

Especifica qué tan rápido el sensor reacciona a un cambio en el estímulo de entrada. Una especificación típica es la caída de -3dB. Esto indica a que frecuencia la respuesta cae en 30%. Se puede especificar la frecuencia máxima, que sería la frecuencia más alta a la que el sensor responde.

Frecuencias de corte alta y baja

Alta: Indica que tan rápido el sensor reacciona al estímulo y frecuencia máxima de operación. Baja: Indica que tan lento puede ser el estímulo para que el sensor lo procese. Velocidad de respuesta. Esta es una especificación muy relacionada con la respuesta a la frecuencia, se especifica en unidades de estímulo / unidades de tiempo. El tipo de especificación que se provee depende del tipo de sensor, la aplicación y la preferencia del diseñador. Como para muchos sistemas ingenieriles, los instrumentos responden a los modelos matemáticos descritos por ecuaciones diferenciales ordinarias de coeficientes constantes, en su mayoría de primer y segundo orden:

6. DIAGRAMAS DE LAZOS DE INSTRUMENTACIÓN

Los diagramas de instrumentación del proceso, o diagramas de tubería e instrumentación (DTI's), son una buena fuente de información, incluyendo todas las variables del proceso en el sistema, como también la información de cada uno de los instrumentos en los lazos.Cuando se necesita una información más específica y detallada, es necesario utilizar otro tipo de diagramas, como es un diagrama de lazo de instrumentación. El diagrama de lazo nos permite una mejor comprensión


de cómo opera el lazo.Esta información nos permite identificar las conexiones entre los dispositivos, la acción de los componentes y las rutas de comunicación.El contenido del diagrama de lazo está compuesto por la representación de la información del lazo de instrumentación. Este contiene toda la información de las conexiones eléctricas y de tuberías asociadas. Todas las interconexiones de punto a punto están identificadas por medio de números o códigos de colores para identificar los conductores, multitubos neumáticos, y los tubos neumáticos e hidráulicos. Sumado a esto el diagrama nos puede indicar información de gran ayuda para identificar información especial como características especificas, funciones de apagado de seguridad y circuitos de seguridad. Suministros de energía, fuentes de energía, suministro de aire, suministro de fluido hidráulico, tensión, presión o cualquier parámetro aplicable.

6.1 Lectura de un Lazo de Control Simple

Es posible obtener gran información con solo observar el Diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID's). Para este diagrama tenemos por ejemplo, para el lazo que se presenta, tenemos un número de identificación (TAG) 301. Con este número y la primera letra “T” puede determinarse, que el propósito primario de este lazo, es la medición y control de temperatura, de un intercambiador de calor. Los instrumentos en el lazo incluyen un transmisor de temperatura, un controlador y una válvula. Cada una de estas


funciones, son designadas por la segunda o tercer letra de la identificación (TAG).Al observar el símbolo del transmisor nos revela que esta mondado en campo, esto se asume debido a que no tiene una línea dentro del círculo. La línea que contiene las X's nos indica que el transmisor está conectado al proceso por medio de un tubo capilar. La línea punteada indica que la señal del transmisor hacia el controlador es de tipo electrónica. La línea dentro del círculo del controlador indica que este instrumento está situado en un tablero.La señal eléctrica desde el controlador es recibida por un convertidor que convierte la señal. Este a su vez manda una señal al elemento final que es una válvula, que al observar la posición de la flecha nos indica que si la válvula pierde la señal automáticamente se cerrara la válvula.

6.2 Identificación del Símbolo para Suministro de Energía de un Lazo

Los diagramas de lazo también nos dan la información, acerca del suministro de energía del lazo. En un lazo neumático, el suministro de energía está representado por las letras AS (Air Supply) seguido por la cantidad de presión requerida para la operación del instrumento. Esta información está conectada por una línea sólida hacia el instrumento. En las figuras se muestra un suministro de energía de 20 Psig.

6.3 Identificación del Punto de Ajuste y Rango de Operación de un Instrumento


Por medio del diagrama de lazo de instrumentación, se puede identificar el punto de ajuste y rango de operación de los instrumentos.Para la información acerca del rango de operación del instrumento, se localiza dentro de un rectángulo horizontal cerca del instrumento, al que se está haciendo referencia, mientras que la información acerca del punto de ajuste o set point se muestra en un rombo ubicado cerca del controlador.

6.4 Identificación e Interpretación del Símbolo de Acción del Control

Otra importante información en el saber cómo responden los instrumentos. Es la acción del controlador la cual es mostrada normalmente por medio de una flecha apuntando hacia a arriba o hacia abajo. La flecha está localizada cerca del símbolo del instrumento o abajo del rectángulo que contiene la información sobre el rango de operación del instrumento.La flecha indicando hacia arriba, indica que al incrementarse, el valor de la señal de entrada, aumenta el valor de la salida también. Cuando la flecha apunta hacia abajo, funciona de forma contraria, el valor de la salida disminuye mientras el valor de entrada aumenta.

6.5 Lazos Electrónicos

Interpretación de los lazos electrónicos por medio de los símbolos de instrumentación:Una de las ventajas de los diagramas de lazo es el poder hacer un seguimiento lógico a través del lazo. Por lo regular el punto de inicio para leer un diagrama es por el lado izquierdo, el propósito es poder encontrar el elemento primario.


Por ejemplo el siguiente se refiere a un lazo diseñado para la medición del flujo por medio de una placa de orificio.El transmisor etiquetado como FT-101 sensa y mide la diferencia de presión causada por la placa de orificio. El transmisor también produce una señal que representa esta caída, la cual es proporcional al flujo promedio.Los puntos de conexión del transmisor son terminales eléctricas. Los signos positivo y negativo indican la polaridad de las terminales. Este transmisor transmite una señal de 4 a 20 mA. La flecha apuntando hacia arriba nos indica que es un instrumento que actúa directamente. El ovalo alrededor de las líneas de señal indica que esta blindada la señal para evitar interferencia eléctrica que pueda ocasionar una lectura errónea en los indicadores.

La señal del transmisor pasa a través de 3 cajas de conexión. Estas están ubicadas en el área del proceso, en el área de campo de conexión y en la sección de la parte detrás del tablero.Las cajas de conexión están mostradas en grupos de cuadros conectados verticalmente, etiquetadas con JB y con un número de identificación en la parte superior. En este lazo las etiquetas de las cajas son JB300, JB400 y


JB500. Los números dentro de los cuadros corresponden a los puntos de conexión. Las notas en el diagrama indican información específica del número de cable. Por ejemplo el cable 10 entra en JB400 y el cable 30 sale desde JB400.Utilizando la siguiente figura podemos observar que en el punto 22, el cable no. 1 va desde JB500 hasta el punto de conexión 8, el cual es mostrado en la sección frontal del panel.

En el punto 1 y 2 se puede observar que existe un suministro de energía eléctrica ES (Electrical Supply) y a su vez se indica la tensión y frecuencia del suministro. Por último observando el rectángulo podemos decir que el Controlador Indicador de Flujo FIC-101 convierte la señal eléctrica recibida a galones por minuto.

6.6 Lazos Neumáticos

Los diagramas de lazo están organizados de tal forma que puedan ser leídos indiferentemente de la fuente de suministro. Los diagramas lazos neumáticos son similares a los lazos electrónicos. La mayoría si no es que todos utilizan el mismo tipo de simbología. A continuación se muestra un ejemplo.


Interpretación de los lazos neumáticos por medio de los símbolos de instrumentación.

La información general se presenta en el titulo del dibujo mientras que las notas están en la parte inferior. Como en los lazos electrónicos, la información se lee generalmente de izquierda a derecha.

En este caso el elemento primario del lazo es un orificio, este está instalado en una tubería de 1 1/2 de pulgada. La identificación así como el radio están indicados en el dibujo. El material del proceso es agua. El transmisor, etiquetado como FT-301 tiene dos terminales de conexión, etiquetadas como S para suministro y O para el puerto de salida. El rango de operación del instrumento es de 0 a 100" H2O, lo cual está indicado en el rectángulo horizontal cercano al instrumento. El suministro de aire es de 20 psi. La flecha apuntando hacia arriba nos indica que es un transmisor que actúa directamente, esto es, si aumenta la señal de salida, la señal de entrada también aumenta.La señal neumática del transmisor pasa a través de una caja de empalme que está montada en campo (JB 100), del punto 1 continua a la caja JB-200 que esta situada en la parte posterior del panel. Cabe señalar que las cajas de empalme o conexión para los lazos neumáticos son cuadrados unidos verticalmente tales como los usados en los lazos electrónicos.La notación de la línea de identificación adyacente al JB100, indica que la línea es un tubo del no.28. Esta línea en particular es designada como 28-1, que quiere decir que es el primer tubo de la línea 28. De JB200 va conectada


a la parte posterior del panel, los tubos están conectados a los cuadros correspondientes al extractor etiquetado como FY-301. Este último tiene un suministro de aire.

Del extractor FY-301 la señal tiene dos ramificaciones, Es necesario seguir estas dos hasta llegar a la señal de línea principal. La primera ramificación se conecta a la entrada de un registrador etiquetado como FR-301. La segunda se controla a la entrada de un controlador designado como FIC-301. Este tiene un punto de ajuste de 80 gpm. Que es visto en el rombo cerca del controlador mientras que la flecha apuntando hacia abajo indica que actúa inversamente. En el rectángulo horizontal se muestra el rango de operación que es de 0 a 100 gpm. La salida del controlador es representada como 28-2. Los dos instrumentos tanto el registrador como el controlador tienen un suministro de aire de 20 psi.


Utilizando como referencia la figura inicial de los lazos neumáticos, se puede observar que la salida del controlador va conectada al elemento final el cual es una válvula con actuador de diafragma. Cuando el elemento final recibe una señal del controlador, la válvula ajusta el flujo para mantener el valor del punto de ajuste.

7. CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS

7.1 Generalidades

En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy aún existe este tipo de control en muchas fábricas); la labor de este operador consistía en observar lo que está sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y hacía algunos ajustes (como abrir la válvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador. Este lazo - proceso a sensor, a operador, a válvula, a proceso - se mantiene como un concepto básico en el control de procesos. En el control manual, sin embargo, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta persona estará siempre limitada por el número de variables que pueda manejar.

Por otro lado, la recolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, que ya está dedicando tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, que evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difíciles de manejar. El control automático a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales. Adicionalmente a esto, existen una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir con varias funciones, algo que


como se ha comentado, sería imposible de ser logrado por un operador con la precisión y eficiencia deseada.

Debido a que los procesos son de naturaleza dinámica, el objetivo del control automático de procesos es mantener el valor de operación de las variables de proceso (Temperatura, Presión, Flujos, Nivel) emprendiendo las acciones pertinentes, para que la calidad del producto y los índices de producción cumplan con las condiciones de diseño.

Los cuatro componentes básicos de los sistemas de control son: Los sensores, los trasmisores, los controladores y los elementos finales de control.

La importancia de estos componentes estriba en que realizan las tres operaciones básicas que deben estar presentes en todo sistema de control; estas operaciones son:

Medición (M): La medición de la variable que se controla se hace generalmente mediante la combinación de sensor y transmisor.

Decisión (D): Con base en la medición, el controlador decide qué hacer para mantener la variable en el valor que se desea.

Acción (A): Como resultado de la decisión del controlador se debe efectuar una acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por el elemento final de control.


Operaciones de un Sistema de Control

Estas tres operaciones, M, D Y A son obligatorias para todo sistema de control. En algunos sistemas, la toma de decisión es sencilla, mientras que en otros es más compleja; El ingeniero que diseña el sistema de control debe asegurarse que las acciones que se emprendan tengan su efecto en la variable controlada, es decir, que la acción emprendida repercuta en el valor que se mide, de lo contrario el sistema no controla y puede ocasionar más perjuicio que beneficio.

7.2 Función del Sistema de Control de Procesos

Industrialmente, los instrumentos se utilizan para monitorear y controlar variables de procesos. Dependiendo del tipo de procesos, se seleccionan los componentes del mismo. A continuación se muestra un diagrama en bloques de un sistema de control de lazo cerrado o realimentado. No es la única forma de controlar un proceso, pero nos va a servir para identificar las funciones de los principales instrumentos de campo y panel utilizados para medir y controlar variables industriales. Aquí el proceso puede ser físico o una reacción química o conversión de energía. Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso.


TRANSMISOR

CONDENSADO

ELEM. FINAL DE CONTROL

CONTROLADOR

PUNTO DESEADO

VAPOR

PROCESOOOVAPOR

La variable controlada, es el parámetro que se desea controlar hasta el valor deseado o referencia (set point). El sensor mide el valor de la variable controlada y el transmisor, cambia este valor en una señal normalizada que puede ser transmitida. Esta señal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la función de los instrumentos en este sistema tales como registro, indicación, control y activación de alarmas o enclavamiento.

Como ejemplo podríamos considerar un sistema con un intercambiador de calor, del cual la corriente de agua fría del proceso se calentara mediante vapor de condensación proveniente de otro sistema.


Figura 1-2

Teniendo una temperatura dada de entrada Te, a cierta temperatura de salida, Ts, que se desea.

La energía que gana el fluido en proceso es igual al calor que libera el vapor, siempre y cuando no haya pérdidas de calor en el entorno, esto es, el intercambiador de calor y la tubería tienen un aislamiento perfecto; en este caso, el calor que se libera es el calor latente en la condensación del vapor.

El objetivo es controlar la temperatura de salida, para mantenerla al calor deseado ya que existen factores externos cambiantes que pueden modificar este valor.

Esto se logra midiendo la temperatura (Ts), se compara con el valor deseado y en base a esta comparación decidir como corregir la desviación.

Si la temperatura está por arriba del valor deseado, entonces se puede cerrar la válvula de vapor para cortar el flujo del mismo (energía) hacia el intercambiador de calor.

Si la temperatura está por abajo del valor que se desea, entonces se puede abrir un poco más la válvula de vapor para aumentar el flujo de vapor (energía) hacia el intercambiador.

Todo esto lo puede hacer manualmente el operador y puesto que el proceso es bastante sencillo no debe representar ningún problema.

Sin embargo, en la mayoría de las plantas de proceso existen cientos de variables que se deben mantener en algún valor determinado y con este procedimiento de corrección se requeriría una cantidad tremenda de operarios, por ello, sería preferible realizar el control de manera automática,


es decir, contar con instrumentos que controlan las variables sin necesidad de que intervenga el operador.

Esto es lo que significa el control automático de proceso.

Para lograr este objetivo se debe diseñar e implementar un sistema de control. En la figura se muestra un sistema de control y sus Componentes básicos.

El primer paso es medir la temperatura de salida de la corriente del proceso, esto se hace mediante un sensor (termopar, dispositivo de resistencia térmica, termómetros de sistema lleno, termistores, etc.). El sensor se conecta físicamente al transmisor el cual capta la salida del sensor y la convierte en una señal lo suficientemente intensa como para transmitirla al controlador. El controlador recibe la señal, que está en relación con la temperatura, la compara con el valor que se desea y, según el resultado de la comparación. Decide qué hacer para mantener la temperatura en el valor deseado. Con base en la decisión del controlador envía otra señal al elemento final de control, el cual, a su vez, maneja el flujo de vapor.

Desde luego, no todos los sistemas de control automático tienen exactamente este modelo (llamado de realimentación); existen variaciones como por ejemplo, él control pre-alimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre éstos, etc. basados en instrumentos de tecnologías antiguas o modernas; de todas estas tecnologías, vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos de regulación automática.

7.3 Componentes Básicos de Sistemas de Control

Veamos ahora algunas consideraciones relacionadas a los componentes del diagrama anterior, desde los sensores hasta los elementos finales de control, mencionando también aspectos de otros instrumentos no considerados en aquel diagrama, pero que también tienen importancia en algunos lazos de control.

7.3.1 Sensores


Son los elementos que detectan o censan cambios en el valor de la variable controlada. A menudo se denominan elementos primarios y en algunos casos forman parte de un bloque con el llamado transmisor o aquel que recibe la salida del sensor y adapta esta señal con fines de transmitirla; a este conjunto se la denomina transductor.

En general, la respuesta de un sensor determina cuán bien se va efectuar la medición, el registro o control de una variable; y su selección es el resultado de conocer bien las características de un proceso. Algunas de las características más importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolución, etc. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entregue la información final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendrá un mejor control del proceso

Los retardos de medición implican errores mientras el proceso está cambiando. La medición no es sólo tardía, sino también inexacta, debido a que sigue cambiando, aún teniendo ya una lectura disponible. A más lentitud en la respuesta, más inexactitud en la medición cuando sea recibida. Un disturbio de corta duración, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duración es corta comparada con el retardo de medición. En ese caso, probablemente el disturbio tendrá mínimo efecto en el proceso

7.3.2 Transmisores

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las electrónicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a las neumáticas como señales aplicadas a estos equipos; las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.

Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 -100% de la variable.


Esta señal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumáticos en Estados Unidos. En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2-1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las señales neumáticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como señales de entrada a válvulas de control o a sus posicionadores.

Los transmisores electrónicos generan varios tipos de señales eléctricas de corriente continua y señales digitales. Entre las primeras, las más empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La señal electrónica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas, emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliamperímetros, potenciómetros, calculadores analógicos, etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la señal. El "cero vivo" con el que empieza la señal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avería por corte de un hilo (la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavía más el "ruido" de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo.

Los transmisores electrónicos se pueden catalogar en analógicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analógicos están hoy prácticamente en desuso y debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

La tecnología actual, ha hecho que los transmisores electrónicos, no sólo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que además, tengan posibilidades de control (PID) sobre e! elemento final de control.

A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analógicos como veremos más adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor de señales digitales en estos transmisores determinará en algún momento la estandarización de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la señal analógica de 4-20 mA.


Transmisores Digitales

7.3.2 Controladores

Tal como se ha comentado, el controlador es el que determina las acciones necesarias para mantener las variables de un proceso en el valor deseado (controlador de procesos) ó también puede ser aquel que asegura las secuencias necesarias de producción en base a un programa preestablecido (PLC). Vamos a referirnos aquí al primero de ellos.

Un controlador de procesos (ó regulador), puede ser definido como un dispositivo que compara el valor de una variable medida (señal de entrada) al valor deseado (set point) para producir una señal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia para manipular la variable controlada. La tecnología de estos equipos ha variado desde neumáticos, hidráulicos hasta electrónicos, que son los empleados actualmente.

Anteriormente, se mostró un típico lazo de control automático con los componentes básicos: el elemento de detección (sensor) el elemento de medición (transmisor), el elemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (válvula u otro). Es de destacar que dos o más de estos elementos pueden estar formando un solo bloque, pero no es lo más usual.


Controladores Digitales

Durante muchos, años se emplearon controladores neumáticos actuando con las señales neumáticas estándares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrónicos analógicos y digitales. Los primeros, prácticamente ya no se fabrican (aunque todavía se utilizan) y han sido reemplazados por los últimos, los cuales están basados en microprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores.

7.3.2 Elemento Final de Control

El elemento final de control es aquel que finalmente modifica alguna característica del proceso según lo ordenado por el controlador.

Dependiendo del tipo de proceso y de los objetivos, se tienen una variedad de estos elementos. Desde dispositivos que reciben señales de control del tipo discreto hasta otros que actúan regulando la variable de interés dentro de cierto rango como por ejemplo el flujo de un fluido a través de una válvula de control, la velocidad de un motor por medio de un variador de velocidad o la temperatura de un horno eléctrico utilizando una resistencia calefactora.

En la mayoría de los procesos las válvulas de control, son las usadas, si se trata de: controlar variables como flujo, presión, nivel, temperatura o mezcla de componentes. La mayoría de los flujos de fluidos son controlados por válvulas neumáticas o eléctricas, en otros casos se emplean bombas; para servicios de gases a menudo se emplean válvulas especiales y para sólidos es común hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidad electrónico.


Válvula de control neumática

7.4 Tipo y Modos de Control

A medida que avanza la tecnología aplicada en la fabricación de los instrumentos industriales, los usuarios tienen en sus manos cada día herramientas más poderosas para fabricar los productos con mayor calidad a costos bajos y tiempos de entrega más cortos.

Implementar una técnica de control a un proceso dado, implica un conocimiento amplio sobre la dinámica del proceso y de todas las variables que intervienen en el, además de tener presente los algoritmos de control de cada lazo.

Estas estrategias, se aplican con el fin de lograr un control regulatorio óptimo sobre la variable o variables de interés, las cuales toman estados inestables en la operación normal del proceso, como resultado de las perturbaciones internas y externas al proceso.


En consecuencia, el funcionamiento correcto de un sistema de control está determinado por la naturaleza del proceso y de las características de los lazos de control

7.4.1 Sistemas de control

Algunas aplicaciones de los instrumentos de medida pueden caracterizarse por tener esencialmente una función de monitorización. Todos estos elementos de medición reportan beneficios, pero no sirven para poder controlar procesos dinámicos como lo que se emplean hoy en cualquier industria.

En este caso, al sistema de control se le llama de lazo abierto, ejemplificado en la siguiente figura, en donde el elemento final de control puede ser una válvula que se abre o cierra cuando se debe controlar el fluido.

Cuando deseamos controlar un proceso, se debe de realizar una comparación de las medidas de salida (variable controlada) con las referencias deseadas y ajustar las variables de entrada para poder alcanzar la meta deseada, esto es lo que llamamos un ciclo de lazo cerrado, el cual se muestra en la siguiente imagen.


Control retroalimentado o realimentado.

Este tipo de control tiene como objetivo mantener constante una variable en un valor deseado o variable a través del tiempo.

El control retroalimentado, es la forma más simple de aplicar un control en lazo cerrado. El problema en este tipo de control, es que la corrección se hace después de que se presentó el problema y una cantidad del producto no lleva la calidad deseada, ya que la corrección llega un tiempo después.

Control anticipatorio o pre-calculado.

Es el que mide la perturbación de una variable, antes de afectar al proceso y tomar la acción correctiva para evitar un efecto dañino al producto. En los procesos que tienen tiempos muertos muy grandes, se presentan


desviaciones en magnitud variables, la señal de error se detecta un tiempo después de que se produjo el cambio en la carga y ha sido afectado el producto, y como consecuencia la corrección actúa cuando ya no es necesario.

El control anticipativo es capaz de seguir rápidamente los cambios dinámicos, pero puede presentar un error estático considerable. Por tal motivo, regularmente se aplica combinado con el control retroalimentado.

7.4.2.- Modos de control.

La primera y más básica característica de la respuesta del controlador ha sido indicada como la acción directa o inversa. Una vez que esta distinción se ha llevado a cabo, existen varios tipos de respuestas que pueden ser usadas para controlar un proceso. Estas son:

Control de dos posiciones:

Control proporcional:

Control integral (reset):

Control derivativo:

7.4.1.- El Control de dos Posiciones:

Es la forma de control más simple y más económico

• Todo-nada

• Abierto-cerrado

• On - off

El elemento final de control solamente tiene dos estados, abierto o cerrado


Para un controlador de acción inversa y una válvula del tipo presión-para-cerrar. El controlador On/Off tiene dos salidas que son para máxima apertura y para mínima apertura.

Para este sistema se ha determinado que cuando la medición cae debajo del valor de consigna, la válvula debe estar cerrada para hacer que se abra; así, en el caso en que la señal hacia el controlador automático esté debajo del valor de consigna, la salida del controlador será del 100%. A medida que la medición cruza el valor de consigna la salida del controlador va hacia el 0%. Esto eventualmente hace que la medición disminuya y a medida que la medición cruza el valor de consigna nuevamente, la salida vaya a un máximo. Este ciclo continuará indefinidamente, debido a que el controlador no puede balancear el suministro contra la carga. La continua oscilación puede no ser aceptable, dependiendo de la amplitud y longitud del ciclo. Un ciclo rápido causa frecuentes alteraciones en el sistema de suministro de la planta y un excesivo desgaste de la válvula.

7.4.2.-Control proporcional:

En el control proporcional el elemento de control final se desplaza a una posición proporcional a la desviación del valor de la variable controlada del punto de ajuste. La posición del elemento de control final es una función lineal del valor de la variable controlada


La respuesta proporcional es la base de los tres modos de control, si los otros dos, acción integral (reset) y acción derivativa están presentes, éstos son sumados a la respuesta proporcional. “Proporcional” significa que el cambio presente en la salida del controlador es algún múltiplo del porcentaje de cambio en la medición.

Este múltiplo es llamado “ganancia” del controlador. Para algunos controladores, la acción proporcional es ajustada por medio de tal ajuste de ganancia, mientras que para otros se usa una “banda proporcional”. Ambos tienen los mismos propósitos y efectos.

La figura 7 ilustra la respuesta de un controlador proporcional por medio de un indicador de ent./sal. Pivotando en una de estas posiciones. Con el pívot en el centro entre la entrada y la salida dentro del gráfico, un cambio del 100% en la medición es requerido para obtener un 100% de cambio en la salida, o un desplazamiento completo de la válvula. Un controlador ajustado para responder de ésta manera se dice que tiene una banda proporcional del 100%. Cuando el pívot es hacia la mano derecha, la medición de la entrada debería tener un cambio del 200% para poder obtener un cambio de salida


20 21 22 23 24

100%Abierto50%Abierto

Cerrado

Punto de Control (° C)Rango de Control

Posición Final delElemento de Control

Ganancia 1 Ganancia 1/2

completo desde el 0% al 100%, esto es una banda proporcional del 200%. Finalmente, si el pívot estuviera en la posición de la mano izquierda y si la medición se moviera sólo cerca del 50% de la escala, la salida cambiaría 100% en la escala.

Esto es un valor de banda proporcional del 50%. Por lo tanto, cuanto mas chica sea la banda proporcional, menor será la cantidad que la medición debe cambiar para el mismo tamaño de cambio en la medición. O, en otras palabras, menor banda proporcional implica mayor cambio de salida para el mismo tamaño de medición.

Idealmente, la banda proporcional correcta producirá una amortiguación de amplitud de cuarto de ciclo en cada ciclo, en el cual cada medio ciclo es ½ de la amplitud de del medio ciclo previo. La banda proporcional que causará una amortiguación de onda de un cuarto de ciclo será menor , y por lo tanto alcanzará un control mas ajustado sobre la variable medida , a medida que el tiempo muerto en el proceso decrece y la capacidad se incrementa.

Una consecuencia del control proporcional en un lazo de control es el offset (desviación sostenida). Es una desviación que el controlador no podrá corregir entre el valor de consigna y la variable de control.

Si es esencial que no haya una diferencia de estado estable, entre la medición y el valor de consigna, deberá ser agregada al controlador una función adicional.

7.4.3.- Acción Integral (reset):


Ganancia 2

La respuesta del controlador es proporcional a la duración de la señal de error o desviación

Cuando se trabaja en modo manual o lazo abierto, se debe desconectar el reset.

La constante de proporcionalidad Ki representa el número de veces por minuto que la acción integral hace una corrección igual en magnitud a la corrección de la acción proporcional, se expresa en repeticiones por minuto

Esta función es llamada acción integral o reset.

La respuesta del lazo abierto del modo reset es mostrada en la figura 10, que indica un escalón de cambio en algún instante en el tiempo. En tanto que la medición estuviera en su valor de consigna, no existiría ningún cambio en la salida debido al modo de reset en el controlador.

Sin embargo, cuando cualquier error exista entre la medición y el valor de consigna, la acción de reset hace que la salida comience a cambiar y continúe cambiando en tanto el error exista. Esta respuesta es agregada a la banda proporcional del controlador.


7.4.3.- Control Proporcional Integral

En el modo con control proporcional-integral (PI), el restablecimiento del punto de control es automático. El control PI elimina virtualmente la divergencia y hace que la banda proporcional sea casi invisible. Tan pronto como la variable controlada se desvía por arriba o por debajo del punto de ajuste y se produce divergencia, la banda proporcional cambia de manera gradual y automática, y la variable regresa al punto de ajuste.

La principal diferencia entre el control proporcional y el control PI es que el control proporcional está limitado a una sola posición del elemento de control final para cada valor de la variable controlada. El control PI cambia la posición del elemento de control final para acomodar cambios de carga y, al mismo tiempo, mantiene el punto de control en el punto de ajuste o muy cerca de él.

La salida del controlador está constantemente cambiando mientras existe error, lo cual permite eliminar este error.

7.4.4.- Acción derivativa

La respuesta del controlador es proporcional a la velocidad de cambio de la señal de error.

La constante de proporcionalidad es Td la cual se expresa en minutos y representa la diferencia de tiempo en obtener un cambio en la salida con solo acción proporcional y con la acción derivada


Así como la respuesta proporcional responde al tamaño del error y el reset responde al tamaño y duración del error, el modo derivativo responde anticipadamente al cambio del error. En la figura 12. Dos respuestas derivativas son mostradas.

La primera es una respuesta a un corte en la medición alejada del valor de consigna. Para un escalón, la medición cambia en forma infinitamente rápida, y el modo derivativo del controlador produce un cambio muy grande y repentino en la salida, que muere inmediatamente debido a que la medición ha dejado de cambiar luego del escalón. La segunda respuesta muestra la respuesta del modo derivativo a una medición que está cambiando a un régimen constante. La salida derivativa es proporcional al régimen de cambio de éste error. Cuanto mayor sea el cambio, mayor será la salida debido a la acción derivativa. La acción derivativa mantiene ésta salida mientras la medición esté cambiando. Tan pronto como la medición deja de cambiar, esté o no en el valor de consigna, la respuesta debido a la acción derivativa cesará. Entre todas las marcas de controladores, la respuesta derivativa es comúnmente medida en minutos.

El tiempo derivativo en minutos es el tiempo que la respuesta proporcional del lazo abierto mas la respuesta derivativa está delante de la respuesta resultante del valor proporcional solamente.

La acción derivativa en los controladores ayuda a controlar procesos con constantes de tiempo especialmente grandes y tiempo muerto significativo (temperatura), la acción derivativa es innecesaria en aquellos procesos que responden rápidamente al movimiento de la válvula de control, y no puede ser usado en absoluto en procesos con ruido en la señal de medición, tales como caudal, ya que la acción derivativa en el controlador responderá a los cambios bruscos en la medición que el mismo observa en el ruido. Esto causará variaciones rápidas y grandes en la salida del controlador, lo que hará que la válvula esté constantemente moviéndose hacia arriba o hacia abajo, produciendo un desgaste innecesario en la misma.


7.4.5.- Control Proporcional derivativo.

El propósito del modo derivativo es aumentar la velocidad de la respuesta del lazo cerrado.

Es adecuado en sistemas con grandes cantidades de inercia o retardos como ocurre con la temperatura y no es adecuado en procesos ruidosos como el flujo

Esta acción es inversa a la integral en el sentido que acelera en vez de retardar

7.4.6.- Control Proporcional Integral derivativo.

El control Proporcional-Integral-Derivativo (PID) añade la función derivada al control PI. Esta función opone cualquier cambio y es proporcional al rango de cambio. Cuanto más rápido cambia el punto de control, mayor acción correctiva proporciona el sistema PID.

Si el punto de control se aleja del punto de ajuste, la función derivada emite una acción correctiva para que el punto de control regrese más rápido que a través de la acción integral por sí sola. Si el punto de control se acerca al punto de ajuste, la función derivada reduce la acción correctiva para que se acerque de manera más lenta al punto de ajuste, lo cual reduce la posibilidad de sobrecalentamiento.

Es adecuado en aquellos sistemas difíciles de controlar

La acción derivada tiene el efecto de eliminar los sobre picos que aparecen cuando se añade la acción integral a la acción proporcional. Actúa cuando se presenta algún cambio en la entrada del controlador, quedando de lado luego para permitir a las acciones proporcional e integral eliminar el error remanente


8. INFORMACION COMPLEMENTARIA

8.1 Caso Práctico

Instrumentación industrial.-

ANTONIO CREUS SOLE.

Editorial alfa-omega (Marcombo), 6ª edición 1999


Manual de Instrumentacion y Control Rev4b

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