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Instrumentación y control de procesos

Control de proceso de temperatura

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INSTRUMENTACiÓN Y CONTROL DE PROCESOS

CONTROL DE PROCESO DE TEMPERATURA

por el personal de Lab-Volt (Quebec) Ltda.

Copyright © 2005 Lab-Volt Ltda. Todos los derechos reservados. Ninguna parte de esta publicación puede ser reproducida, de ninguna forma ni por ningún medio, sin la previa autorización escrita de Lab-Volt Quebec Ltda.

Depósito legal - Primer trimestre de 2005 ISBN 2-89289-764-5

PRIMERA EDICiÓN, FEBRERO DE 2005

Impreso en Canadá Febrero de 2005

Prólogo El creciente uso del control de procesos en la industria, surge de la necesidad de lograr medios de producción rápidos y a bajo costo que mejoren la calidad, disminuyan el desperdicio y aumenten el rendimiento. El control de procesos provee muchas otras ventajas, tales como una alta confiabilidad y precisión a un bajo costo. Gracias a la informática, los controladores son más eficientes y sofisticados que antes. Para trabajar y detectar fallas de manera exitosa en los sistemas de control de procesos, se requiere una capacitación efectiva en los mismos. El objetivo de este curso es enseñar cómo medir y controlar los procesos de temperatura, con el uso del Sistema didáctico en control de procesos de Lab-Volt, modelo 6090. El curso enseña los principios de operación de los dispositivos comunes usados para la medición de temperatura. Además, los estudiantes obtienen una amplia experiencia en el reglaje de los procesos de temperatura en lazo cerrado, mediante el uso de métodos industriales encontrados frecuentemente. Los procesos de temperatura del sistema didáctico se pueden controlar usando el Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM), modelo 3674, o cualquier otro controlador PI D convencional que sea compatible con señales de 0-5 Vade 4-20 mA. Para mayor simplicidad, los ejercicios del manual han sido escritos para un controlador que trabaja con señales de 0-5 V, que es el caso del controlador LVPROSIM. El apéndice F del manual resume las características esenciales del Software de simulación y de control de procesos (L VPROSI M) y puede,usarSe como referencia rápida si el controlador usado es el LVPROSIM. El manuarde Lab-Volt Fundamentos del control de procesos usando el programa L VPROSIM (N/P 30884-02) también se puede usar como referencia. La guía del profesor Control de proceso de temperatura (número de parte 33336-12) de Lab-Volt, provee las respuestas a todos los pasos del procedimiento y a las preguntas de revisión encontradas en cada ejercicio de este manual.

111

IV

Índice Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. VII

Unidad 1

Introducción al control de procesos de temperatura ... . .. 1-1 Definición de energía térmica y temperatura. Principios básicos de la transferencia de energía térmica (calor). Mecanismos de transferencia de energía térmica: conducción, convección y radiación. Ej. 1-1

Familiarización con el sistema didáctico . ........ 1-5 Los modos de control de procesos de temperé;1tura: calefacción y refrigeración. Familiarización con los componentes del Sistema didáctico en control de procesos que son utilizados para la medición y control de la temperatura.

Unidad 2

Medición de temperatura . ... .... ......... . ........... 2-1 Escalas de temperatura. Conversión entre Celsius y Fahrenheit. Tipos de dispositivos de medición de temperatura utilizados comúnmente en procesos industriales. Características estáticas y dinámicas de dispositivos de medición de temperatura. Ej. 2-1

Detectores de temperatura resistiv9s (DTR) .. .... 2-9 Construcción y funcionamiento de los DTR. Comparación de las relaciones entre resistencia y temperatura de los tipos de OTR más comunes. Resistencia nominal, coeficiente de temperatura y sensibilidad. Medición del voltaje producido por un DTR con un puente Wheatstone.

Ej. 2-2

Termopares .. ........ ..... ........ . ... .. . . 2-31 El efecto Seebeck. Construcción y funcionamiento de los termopares. Comparación de las relaciones entre voltaje y temperatura de los tipos de termopares más comunes. Compensación de la juntura en frío. Sensibilidad del termopar ante el ruido.

Ej. 2-3

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2-45 Medición de energía térmica. Capacidad térmica específica. Conversión de energía en un proceso de temperatura. Equilibrio de energía térmica. Determinación de la tasa a la cual el agua gana o pierde energía térmica en un proceso de temperatura en equilibrio térmico.

v

Índice (cont.) Unidad 3

Caracterización de procesos de temperatura . . ... .. . ..... 3-1 Los métodos de Ziegler-Nichols y 28,3%-63,2% para la caracterización de procesos. Ej. 3-1

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción ........ . . . ............ 3-7 Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción usando el método de Ziegler-Nichols para la caracterización de procesos.

Ej. 3-2

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración .................... . 3-17 Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración usando el método 28,3%-63,2% para la caracterización de procesos.

Unidad 4

Control PI de procesos de temperatura . ... . . . ... . . .. . ... 4-1 Control de temperatura en los modos de calefacción y refrigeración, en un proceso de conversión química. Ej. 4-1

Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción ... . ......... .... ...... .. 4-5 Repaso de los principios del método del periodo último para el reglaje del controlador PI. Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción.

Ej. 4-2

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración ... . .................. . 4-19 Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración. Cálculo y reglaje de las constantes P e I del controlador, basándose en las características del proceso medidas en el ejercicio 3-2 con el método 28,3%-63,2% para la caracterización de procesos.

Apéndices

A Tabla de utilización de los equipos ..... .. ......... A-1 B Diagramas de conexión ......................... B-1 C Símbolos de instrumentación I.S.A (Significado de los códigos de letra usados en números identificadores) .. C-1 D Guía de selección para los elementos medidores de temperatura ....................... D-1 E Factores de conversión . ........................ E-1 F Uso del Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) ............. . . F-1

Bibliografía ¡Nosotros valoramos su opinión! VI

Introducción Este manual provee capacitación en la medición y control de procesos de temperatura en los modos de calefacción y de refrigeración. El manual está dividido en cuatro unidades: La unidad 1 presenta a los estudiantes los componentes del Sistema didáctico en control de procesos que se utilizan para el control de procesos de temperatura. La unidad 2 expone lo relativo a la medición en procesos de temperatura con dos tipos comunes de dispositivos medidores: el detector de temperatura resistivo (DTR) y el termopar. Esta unidad también presenta a los estudiantes los principios de la transferencia de energía térmica y del equilibrio térmico en un proceso de temperatura. La unidad 3 expone la caracterización de procesos de temperatura en los modos de calefacción y de refrigeración, usando el método de respuesta escalón en lazo abierto. La unidad 4 presenta el control PI en procesos de temperatura en los modos de calefacción y de refrigeración .

Los ejercicios en cada unidad suministran medios sistemáticos y realistas para el aprendizaje del tema de estudio. Cada ejercicio contiene Unos Objetivos del ejercicio claramente definidos; Unos Principios de la teoría correspondiente; Un Resumen del procedimiento que establece un puente entre los Principios teóricos y el Procedimiento de laboratorio. Un Procedimiento de laboratorio detallado paso a paso en el cual el estudiante realiza las manipulaciones y observa o mide los fenómenos importantes. Las figuras facilitan la conexión del sistema y pueden guiar las observaciones del estudiante. Unas tablas bien organizadas facilitan la realización de los cálculos. Las preguntas orientan el proceso de aprendizaje del estudiante y facilitan el entendimiento de los principios abarcados. Una Conclusión para confirmar que los objetivos han sido alcanzados. Unas Preguntas de revisión que verifican que el material ha sido bien asimilado.

VII

VIII

Unidad

1

Introducción al control de procesos de temperatura OBJETIVO DE LA UNIDAD Cuando complete esta unidad, estará familiarizado Coh los componentes usados para el control de procesos de temperatura en el Sistema didáctico en control de procesos. Además, será capaz de describir la relación entre la energía térmica y la temperatura, y podrá establecer los principios básicos de la transferencia de energía térmica. Finalmente, sabrá describir los mecanismos de transferencia de energía térmica.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Energía Energía es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. La energ ía existe en dos formas , potencial y cinética: •

La energía potencial es aquélla que posee un cuerpo debido a su posición, o a su estado físico o químico particular.

•

La energía cinética es aquélla que posee un cuerpo debido a su movimiento.

Dependiendo del contexto en el cual se utilice, produzca o analice, la energía se puede describir como nuclear, gravitacional, mecánica, eléctrica, térmica, química, etc. Sin embargo, en cualquier caso, la energía está compuesta de energía potencial o cinética o de ambos tipos de energía, como lo muestra la tabla 1-1. Por ejemplo, la energía térmica está compuesta de energía potencial y energía cinética.

TIPO DE ENERGíA

FORMA

Nuclear

Potencial

Gravitacional

Potencial

Mecánica

Potencial si la masa está en reposo, cinética si la masa está en movimiento

Térmica

Potencial y cinética

Eléctrica

Potencial cuando no se usa, cinética cuando se usa

Química

Potencial Tabla 1-1. La energía existe en dos formas, cinética y potencial.

1-1

Introducción al control de procesos de temperatura

Energía térmica La energía térmica está asociada con el movimiento aleatorio o desorganizado de las partículas que constituyen un cuerpo: •

En fluidos ideales, las partículas se mueven aleatoriamente y no ejercen fuerza las unas sobre las otras, así que la energía térmica es toda energía cinética.

•

En los sólidos, sin embargo, las partículas se mueven aleatoriamente alrededor de posiciones de equilibrio, como si se mantuvieran juntas mediante resortes diminutos. Como consecuencia, la energía de las partículas cambia constantemente entre cinética y potencial. Por tanto, la energía térmica, es una combinación de energía cinética y energía potencial.

Observe que el término calor se utiliza a menudo para indicar lo mismo que energía térmica, lo cual es una práctica común pero errónea. El calor es sólo una sensación arbitrariamente sentida por los animales y seres humanos que no está relacionada con la naturaleza intrínseca de la energía térmica.

Temperatura La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas que constituyen un cuerpo. Entre más grande es la energía cinética de las partículas, mayor será la temperatura del cuerpo.

,

La temperatura se mide sobre una escala de temperatura. Actualmente se usan cuatro escalas de temperatura: Celsius, Kelvin, Fahrenheit y Rankine. Esto se expondrá en detalle en el ejercicio siguiente.

Principios básicos de la transferencia de energía térmica Siempre que dos cuerpos de diferentes temperaturas se juntan, las partículas de los mismos colisionarán debido a su movimiento aleatorio. Las partículas del cuerpo más caliente, el cual tiene mayor energía cinética, disminuirán su velocidad debido a las colisiones, mientras que las partículas más lentas del cuerpo más frío se moverán más rápido. Como resultado de estas colisiones, la energía térmica del cuerpo más caliente será transferida al cuerpo más frío. Esto causará que la temperatura del cuerpo más caliente disminuya y que la temperatura del cuerpo más frío aumente. Este fenómeno se conoce como transferencia de energía térmica. La transferencia de energía térmica, dejándose por sí sola, continuará hasta que las partículas de los dos cuerpos tengan la misma energía térmica. Cuando esto ocurre, los dos cuerpos han alcanzado la misma temperatura y se dice que están en equilibrio térmico. Una vez que se logra el equilibrio térmico, se termina la transferencia de energía térmica.

1-2

Introducción al control de procesos de temperatura La tasa a la cual ocurre la transferencia de energía térmica varía en proporción directa a la conductividad térmica de los dos cuerpos, a la superficie de transferencia de energía térmica entre ellos y a la diferencia en la temperatura de ambos. Observe que el término transferencia de calor se usa frecuentemente para indicar lo mismo que transferencia de energía térmica. Desafortunadamente, el término transferencia de calor es engañoso porque da la idea errónea de que el calor es una sustancia que puede almacenarse o moverse de un lugar a otro. Sin embargo, dicho término se acepta comúnmente en el mundo de la instrumentación y el control porque brinda un entendimiento intuitivo del fenómeno. Siempre que se utilice el término, lo importante es recordar que la energía térmica siempre se transfiere desde un cuerpo más caliente hasta uno más frío. Ésta es la razón por la que nunca observaremos a un cuerpo frío calentar a un cuerpo caliente.

Mecanismos de transferencia de energía térmica Hay tres mecanismos mediante los cuales ocurre la transferencia de energía térmica: conducción, convección y radiación: •

Conducción: la energía térmica es transferida mediante contacto directo entre las partículas de un único cuerpo, o entre las partículas de dos (o más) cuerpos que tengan buen contacto térmico el uno con el otro. Por ejemplo, un pedazo de metal con un extremo en el fuego se pondrá caliente muy pronto de extremo a extremo. La transferencia de energía térmica por conducción es más efectiva en los metales, los cuales son buenos conductores térmicos y es menos efectiva en los gases, los cuales son pobres conductores térmicos.

•

•

Convección: la energía térmica es transferida entre las partículas de un fluido. La convección puede ser natural o forzada: -

La convección natural causa que el fluido calentado se haga más liviano y se eleve a una región más fría y más densa. Por ejemplo, el aire caliente sube al techo de un cuarto por convección natural y es reemplazado por aire más frío. La transferencia de energía térmica por convección natural ocurre solamente en el campo gravitacional y no puede darse en sólidos.

-

La convección forzada es la circulación forzada de un fluido por medio de un dispositivo mecánico tal como un ventilador o una bomba que resulta en una tasa aumentada de transferencia de energía térmica entre las partículas del fluido.

Radiación: la energía térmica es transferida a través de los efectos de la radiación electromagnética. Por ejemplo, el efecto de la radiación del sol calentando su cara mientras que el aire circundante está relativamente frío.

1-3

Introducción al control de procesos de temperatura

Relación entre energía térmica y temperatura Hasta aquí se ha asumido que un aumento en la energía térmica de un cuerpo resulta en un aumento en la temperatura del mismo y que una reducción en la energía térmica del cuerpo resulta en una reducción en la temperatura. Realmente, hay una excepción a esta regla: siempre que un cuerpo cambia de fase , pasando, por ejemplo, de sólido a líquido o de líquido a vapor, un cambio en la energía térmica del cuerpo no necesariamente resultará en un cambio en la temperatura del mismo. Por ejemplo, la figura 1-1 muestra la relación entre la energía térmica y la temperatura de alguna sustancia. Según se muestra, los puntos de fusión y ebullición son segmentos planos donde un aumento o reducción en la energía térmica no produce un cambio en la temperatura. Esto ocurre porque cuando un cuerpo cambia de fase , la energía térmica que gana o pierde se asocia con el cambio de la energía potencial de sus partículas, no de su energía cinética. Debido a que la temperatura es una medida de la energía cinética de las partículas, ésta permanece invariable cuando sólo hay una ganancia o pérdida de energía potencial. La energía térmica ganada o perdida por un cuerpo durante un cambio de fase es llamada usualmente energía latente (o de manera equivocada, calor latente) porque no produce ningún cambio en la temperatura del cuerpo. Esto ilustra el hecho de que la energía térmica no se debe confundir con calor. Así, se puede adicionar a un cuerpo tanta energía térmica como se quiera durante un cambio de fase pero su temperatura no aumentará.

TEMPERATURA

GAS PUNTO DE EBULLICiÓN

LÍQUIDO PUNTO DE FUSiÓN SÓLIDO ENERGíA TÉRMICA

Figura 1-1 . Relación entre la energía térmica y la temperatura de alguna sustancia.

1-4

Ejercicio

1-1

Familiarización con el sistema didáctico OBJETIVO DEL EJERCICIO •

Familiarizarse con los componentes del Sistema didáctico en control de procesos que son utilizados para la medición y control de la temperatura.

PRINCIPIOS

Procesos de temperatura Un proceso de temperatura se puede definir como la operación u operaciones usadas para crear un cambio en la temperatura de un cuerpo. El cuerpo puede ser, por ejemplo, una sustancia o un material. Los procesos de temperatura pueden funcionar en modo de calefacción o de refrigeración: •

En el modo de calefacción, se adiciona energía térmica a un cuerpo con el fin de aumentar su temperatura.

•

En el modo de refrigeración, se retira energía térmica de un cuerpo con el fin de disminuir su temperatura.

En cualquier caso, alguna clase de dispositivo de intercambio de calor se debe usar para transferir energía térmica de un cuerpo a otro.

Dispositivos de intercambio de calor del Sistema didáctico en control de procesos El Sistema didáctico en control de procesos viene con dos tipos de dispositivos de intercambio de calor: una Unidad de calefacción y una Unidad de refrigeración.

Unidad de calefacción La figura 1-2 muestra la Unidad de calefacción del Sistema didáctico en control de procesos. Esta unidad se utiliza para adicionar energía térmica al agua del proceso. La Unidad de calefacción consta de un tubo de cobre doblado en forma de serpiente a través del cual se conduce el agua. Dentro del tubo hay un calefactor hecho de dos conductores eléctricos que convierten energía eléctrica en energía térmica. Esta energía térmica se transfiere al agua que fluye a través del tubo mediante conducción y convección forzada. Por consiguiente, el agua abandona el tubo a una mayor temperatura.

1-5

Familiarización con el sistema didáctico

6

7

8

Figura 1-2. Unidad de calefacción del Sistema didáctico en control de procesos.

1-6

CD : Perilla de control manual

® : Entrada de agua fría

@ : Terminales de la entrada de control

® : Salida de agua caliente

@ : Cable de la línea ca

® : Tubo de cobre serpentino

® : Interruptor S1

® : Reinicio manual

CID : Calefactor eléctrico

@J : Interruptor de desconexión cíclico

Familiarización con el sistema didáctico Hay dos formas de controlar la cantidad de potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción: •

Usando la perilla de control manual en el panel frontal de la Unidad de calefacción ((D en la figura 1-2).

•

Usando un controlador externo de 0-5 V o 4-20 mA, en cuyo caso la salida del controlador se debe conectar a los terminales apropiados de la entrada de control en el panel frontal de la Unidad de calefacción.

La selección entre estas dos opciones se hace mediante el interruptor S1 en el panel frontal de la Unidad de calefacción (@ en la figura 1-2). El calefactor de la Unidad de calefacción está protegido contra sobrecalentamiento mediante dos interruptores de desconexión de alta temperatura. Los interruptores retirarán la potencia eléctrica del calefactor si el flujo de agua a través de la unidad se hace demasiado pequeño y la temperatura del agua se hace muy alta. La temperatura para la desconexión es aproximadamente 55°C (131 °F). •

Uno de los interruptores es cíclico y se reiniciará automáticamente cuando la temperatura del agua descienda.

•

El otro interruptor, cuando se dispara, necesita ser reiniciado manualmente pulsando un botón en la parte superior del mismo. Este interruptor se utiliza como respaldo en el caso en que el interruptor cíclico falle. Sólo se disparará en circunstancias excepcionales.

En cualquier caso, se escuchará un chasquido cuando se dispare el interruptor. Además, se escuchará un chasquido cuando el interruptor cíclico se restaure.

iADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefacción está protegida contra sobrecalentamiento, no debe aplicarse potencia eléctrica al calefactor en ausencia de flujo de agua a través de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe girarse completamente en sentido antihorario, o que el voltaje o corriente aplicado por el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mínimo (O V o 4 mAl en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podría causar que la Unidad de calefacción se desgaste prematuramente.

Unidad de refrigeración

La figura 1-3 muestra la Unidad de refrigeración del Sistema didáctico en control de procesos. Esta unidad se utiliza para retirar energía térmica del agua del proceso. La Unidad de refrigeración consta de un tubo de cobre doblado en forma de serpiente a través del cual se conduce el agua: •

Mientras el agua fluye a través del tubo, la energía térmica del agua se transfiere al tubo mediante convección forzada y conducción. 1-7

Familiarización con el sistema didáctico •

La energía térmica luego se transfiere desde el tubo hacia el aire que fluye a través del tubo por convección, causando que la temperatura del agua disminuya. Esta convección es forzada por dos ventiladores de hélice. Los ventiladores inducen una corriente continua de aire fresco a través del tubo, lo cual mantiene una diferencia de temperatura sustancial entre el tubo y el aire. Entre mayor sea la velocidad de rotación de los ventiladores, más rápida es la circulación de aire fresco y por tanto, mayor será la tasa de transferencia de energía térmica entre el tubo y el aire.

•

Adherida al tubo en forma de serpiente hay una hoja de aletas metálicas delgadas que aumentan la superficie de transferencia de energía térmica entre el tubo y el aire circundante, la cual además aumenta la tasa de transferencia de energía térmica por convección forzada.

(a) Vista frontal

(b) Vista lateral

Figura 1-3. Unidad de refrigeración del Sistema didáctico en control de procesos.

CD : Entrada de agua caliente

@: Aletas

@ : Salida de agua fría

@ : Tubo de forma serpentina

@ : Perilla de control manual

® : Ventiladores de hélice

® : Terminales de la entrada de control

1-8

Familiarización con el sistema didáctico Hay dos formas de controlar la velocidad de rotación de los motores del ventilador de la Unidad de refrigeración: •

Usando la perilla de control manual en el panel frontal de la Unidad de refrigeración (@ en la figura 1-3).

•

Usando un controlador externo de 0-5 V o 4-20 mA, en cuyo caso la salida del controlador se debe conectar a los terminales apropiados de la entrada de control en el panel frontal de la Unidad de refrigeración (@ en la figura 1-3).

La selección entre estas dos opCiones se hace mediante el interruptor S1 en el panel frontal de la Unidad de refrigeración. Un segundo interruptor, S2, se utiliza para seleccionar el modo de control de la velocidad de rotación de los motores de los ventiladores, el cual puede ser directo o inverso: •

Cuando S2 se lleva a la posición" Ir " (modo directo), la velocidad de rotación de los motores de los ventiladores variará en proporción directa al voltaje o corriente de control aplicado a los terminales de la entrada de control. Entre mayor sea el voltaje o corriente de control, mayor será la velocidad de rotación. Si la perilla de control manual se utiliza para controlar la velocidad de rotación de los motores de los ventiladores, al girar la ' perilla en sentido horario se aumenta la velocidad de rotación.

•

Por el contrario, cuando S2 se lleva a la posición" il " (modo inverso), la velocidad de rotación de los motores de los ventiladores variará en proporción inversa al voltaje o corriente de control aplicado a los terminales de la entrada de control. Entre mayor sea el voltaje o corriente de control, menor será la velocidad de rotación. Si la perilla de control manual se utiliza para controlar la velocidad de rotación de los motores de los ventiladores, al girar la perilla en sentido horario se reduce la velocidad de rotación.

Resumen del procedimiento En este ejercicio se familiarizará con los componentes del Sistema didáctico en control de procesos que son utilizados para la medición y control de la temperatura.

EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilización de los equipos, en el apéndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio.

1-9

Familiarización con el sistema didáctico PROCEDIMIENTO

D

1. La figura 1-4 muestra los componentes del Sistema didáctico en control de procesos que son utilizados para medir y controlar la temperatura. Tome estos componentes de su lugar de almacenamiento y colóquelos sobre la Superficie de trabajo.

Unidad de calefacción

D

2. Examine la Unidad de calefacción, modelo 6530. Según se mencionó anteriormente, este dispositivo se utiliza para aumentar la temperatura del agua del proceso. El agua se pasa a través de un tubo de forma serpentina donde gana la energía térmica producida por un calefactor. Dibuje debajo el símbolo de instrumentación loSA de la Unidad de calefacción, como aparece impreso en el panel frontal de esta unidad al lado del interruptor S1.

D

3. De acuerdo con los sentidos de las flechas en el símbolo de la Unidad de calefacción, ¿cuál puerto de manguera (izquierdo / derecho) de la unidad corresponde a la entrada de agua fría? ¿Cuál a la salida de agua caliente?

iADVERTENCIA! No aplique potencia eléctrica al calefactor de la Unidad de calefacción en ausencia de flujo de agua a través de la misma. El omitir esto podría causar que la Unidad de calefacción se desgaste prematuramente.

1-10

Familiarización con el sistema didáctico

o

•

UNIDAD DE REFRIGERACiÓN , MODELO 6531

UNIDAD DE CALEFACCiÓN, MODELO 6530

TRANSMISOR DE TEMPERATURA A OTR

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TRANSMISOR DE TEMPERATURA A DTR CON SONDA DTR TRI FILAR, MODELO 6543

TRANSMISOR DE TEMPERATURA A TERMOPAR CON SONDAS DE TERMOPAR , MODELO 6541

Figura 1-4. Componentes utilizados para medir y controlar la temperatura.

Unidad de refrigeración

D

4. Examine la Unidad de refrigeración , modelo 6531. Según se mencionó anteriormente, este dispositivo se usa para disminuir la temperatura del agua del proceso. El agua se pasa a través de un tubo de forma serpentina donde es enfriada por la corriente de aire producida por dos ventiladores.

1-11

Familiarización con el sistema didáctico Dibuje debajo los símbolos de instrumentación i.S.A. del tubo de forma serpentina, del mando del motor del ventilador, del motor del ventilador y de los ventiladores de la Unidad de refrigeración, tal y como aparecen impresos entre los dos puertos de manguera en el panel frontal de esta unidad. Tubo de forma serpentina: _ _ _ _ _ _ __ Mando del motor del ventilador, motor del ventilador y ventiladores: _ _ _ _ _ _ __

D

5. Haga los siguientes ajustes en la Unidad de refrigeración: Interruptor S1 . .. . .... .. ...................... . . . ..... 2 Perilla de control manual . . . . completamente en sentido antihorario Interruptor S2 ............................ . .. ... ...... TT

D

6. Energice la Unidad de refrigeración. Para hacerlo, conecte los terminales de la entrada de energía de 24 V de esta unidad a la Fuente de alimentación cc de 24 V, modelo 6360.

ce

Encienda la Fuente de alimentación cc de 24 V.

D

7. Observe que los ventiladores de la Unidad de refrigeración están rotando a una velocidad baja mínima, que corresponde al ajuste actual de la perilla de control manual de esta unidad.

D

8. Gire la perilla de control manual de la Unidad de refrigeración completamente en sentido horario. ¿Qué pasa con la velocidad de los ventiladores?

D

9. Lleve interruptor S2 de la Unidad de refrigeración a la posición" il pasa con la velocidad del ventilador?

". ¿Qué

D 10. Gire la perilla de control manual de la Unidad de refrigeración completamente en sentido antihorario. ¿Qué pasa con la velocidad del ventilador?

D 11. Desconecte la Unidad de refrigeración de la Fuente de alimentación cc de 24 V para detener los ventiladores. 1-12

Familiarización con el sistema didáctico

Sonda aTR y Transmisor de temperatura a aTR

o

12. Examine la sonda DTR y el Transmisor de temperatura a DTR, modelo 6543. Estos dispositivos están propuestos para ser usados en conjunto para medir la temperatura del agua en la Columna del Sistema didáctico. La sonda DTR contiene un elemento primario de medición de temperatura llamado detector de temperatura resistivo, o DTR. Cuando la sonda DTR está conectada a la entrada DTR 100 (2 delTransrn,isor de temperatura a DTR, suministra al transmisor una señal eléctrica proporcional a la temperatura de su punta. El transmisor convierte esta señal a un voltaje y a una corriente de rango normalizado que están disponibles en las SALI DAS 0-5 V Y 4-20 mA del transmisor. El transmisor también tiene una salida calibrada, denotada "CAL." , que provee un voltaje fijo de 100 mV por grado Celsius medido por encima de O°C (o 56 mV por grado Fahrenheit medido por encima de 32 °F).

o

13. Energice el Transmisor de temperatura a p TR.; Para hacerlo, conecte los terminales de ALlMENTACION de esté . transmisor a la Fuente de alimentación cc de 24 V.

o

14. Conecte la sonda DTR a la entrada DTR 100 (2 del Transmisor de temperatura a DTR . Para hacer esto, conecte el conector rojo de la sonda al terminal rojo de la entrada DTR 100 (2 y los conectores negros de la misma a los terminales negros de esta entrada. Deje que la punta de la sonda descanse sobre la Superficie de trabajo.

o

15. En el Transmisor de temperatura a DTR, ubique el interruptor SELECTOR DE ENTRADA en la opción DTR. Conecte un voltímetro CC a la salida CAL. del Transmisor de temperatura a DTR.

o

16. De acuerdo con la lectura del voltímetro, ¿cuál es la temperatura ambiente medida por la sonda DTR?

o

17. Apriete fuertemente su mano alrededor de la punta de la sonda DTR. La energía térmica de su mano que está siendo transferida a la punta debe producir un aumento visible en la lectura del voltímetro. ¿Observa esto? 1-13

Familiarización con el sistema didáctico

D Sí

D No

Sondas de termopar y Transmisor de temperatura

a termopar

D 18. Ahora examine el Transmisor de temperatura a termopar, modelo 6541. Este módulo consta realmente de cuatro transmisores de temperatura, denotados TT1 hasta TT4. Cada transmisor está diseñado para ser usado junto con una sonda de termopar para medir la temperatura del agua en los puertos de presión en los componentes del Sistema didáctico.

D 19. Examine una de las cuatro sondas de termopar. Como lo muestra la figura 1-5, la sonda tiene un conector rectangular polarizado que se adapta en la entrada TERMOPAR de cualquiera de los cuatro transmisores de temperatura a termopar. El otro extremo de la sonda, que tiene un ajuste macho de rápida conexión, se puede conectar a los puertos de presión en los componentes del Sistema didáctico. Observe que el ajuste de rápida conexión está terminado en un tubo de aleación angosto. Este tubo, llamado termopozo, contiene un elemento de medición de temperatura llamado juntura de termopar. El termopozo permite que se inserte la juntura de termopar a un puerto de presión sin esfuerzo mecánico ni daño químico.

D 20. Energice el móduloTransmisor de temperatura a termopar. Para hacerlo, conecte los terminales de ALI MENT ACiÓN de este módulo a la Fuente de alimentación cc de 24 V.

D 21. Conecte una sonda de termopar al transmisor TT1 del módulo Transmisor de temperatura a termopar. Deje que el ajuste de rápida conexión de la sonda descanse sobre la Superficie de trabajo.

D 22. Ubique el interruptor SELECTOR DE ENTRADA del transmisor TT1 en la opción TERMOPAR. Conecte un voltímetro CC a la salida CAL. de este transmisor.

1-14

Familiarización con el sistema didáctico ALAMBRE DE TERMOPAR

CONECTOR POLARIZADO

AJUSTE DE RÁPIDA CONEXiÓN

TERMOPOZO

JUNTURA DE TERMOPAR

Figura 1-5. Sonda de termopar.

D 23. De acuerdo con the lectura del voltímetro, ¿cuál es la temperatura ambiente medida por la sonda de termopar? Nota: Es aceptable una diferencia de ± 1 °C (1,8 °F) entre la temperatura ambiente medida con el Transmisorde temperatura a termopar y la que se midió anteriormente en el paso 16 del procedimiento con el Transmisor de temperatura a OTR.

D 24. Apague la Fuente de alimentación cc de 24 V. Regrese todos los componentes y alambres a su lugar de almacenamiento.

CONCLUSiÓN

En este ejercicio usted se familiarizó con los componentes del Sistema didáctico er:l control de procesos que son utilizados para medir y controlar la temperatura.

1-15

Familiarización con el sistema didáctico PREGUNTAS DE REVISiÓN

1-16

1.

¿Qué es temperatura?

2.

¿Qué significa "transferencia de energía térmica"?

3.

¿Qué es equilibrio térmico?

4.

¿Cuáles son los tres factores que determinan la tasa a la cual ocurre una transferencia de energía térmica entre dos cuerpos?

5.

Describa brevemente los tres mecanismos mediante los cuales ocurre una transferencia de energía térmica.

Examen de la unidad 1.

La energía térmica se compone de a. energía cinética en gases. b. energía cinética y potencial en líquidos. c. energía cinética y potencial en sólidos. d. todas las anteriores

2.

La temperatura es una medida de a. b. c. d.

la energía potencial de las partículas que constituyen un cuerpo. la energía cinética de las partículas que constituyen un cuerpo. la energía potencial y cinética de las partículas que constituyen un cuerpo. la energía térmica de las partículas que constituyen un cuerpo.

3. Siempre que se juntan dos cuerpos de diferentes temperaturas, la energía térmica se transfiere a. b. c. d.

4.

desde el cuerpo más frío al más caliente. desde el cuerpo más cal iente al más frío. mientras exista equilibrio térmico entre los dos cuerpos. Ninguna de las anteriores

La tasa de transferencia de energía térmica entre dos cuerpos disminuirá a. si se aumenta la superficie de transferencia de energía térmica entre ellos. b. si se aumenta la conductividad térmica de los cuerpos. c. si disminuye la diferencia en la temperatura entre los cuerpos. d. (a) y (b)

5.

Cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico, a. sus partículas poseen igual cantidad de energía potencial. b. sus partículas poseen iguales cantidades de energía térmica. c. no puede ocurrir transferencia de energía térmica entre los dos cuerpos. d. (b) Y (c)

6.

La convección causa que la energía térmica sea transferida a. b.

c. d.

por medio de un fluido, tal como el aire. por contacto directo entre las partículas de un único cuerpo, o entre las partículas de dos o más cuerpos que tengan buen contacto térmico los unos con los otros. por medio de ondas electromagnéticas sin necesidad de contacto físico entre los cuerpos. Ninguna de las anteriores

1-17

Examen de la unidad (cont.) 7.

La conducción causa que la energía térmica sea transferida a. b.

por medio de un fluido, tal como el aire. por contacto directo entre las partículas de un único cuerpo, o entre las partículas de dos o más cuerpos que tengan buen contacto térmico los unos con los otros. c. por medio de ondas electromagnéticas sin necesidad de contacto físico entre los cuerpos. d. Ninguna de las anteriores

8.

La radiación causa que la energía térmica sea transferida a. por medio de un fluido, tal como el aire. b. por contacto directo entre las partículas de un único cuerpo, o entre las partículas de dos o más cuerpos que tengan buen contacto térmico los unos con los otros. c. por medio de ondas electromagnéticas sin necesidad de contacto físico entre los cuerpos. d. Ninguna de las anteriores

9.

Cuando fluye agua caliente a través del tubo de forma serpentina de la Unidad de refrigeración del Sistema didáctico, la energía térmica se transfiere a. b. c. d.

desde el agua hacia el tubo de forma serpentina, por conducción . desde el tubo hacia el agua, por convección. desde las aletas y el tubo hacia el aire, por convección forzada. (a) y (c)

10. Los dos ventiladores de la Unidad de refrigeración aumentan la tasa de transferencia de energía térmica entre el tubo y el aire. Para ello, inducen una corriente continua de aire fresco a través del tubo, con lo cual a. b. c. d.

1-18

aumentan la conductividad térmica del tubo. mantienen una diferencia de temperatura sustancial entre el tubo y el aire a través de él. mantienen al tubo a una temperatura constante. disminuyen la conductividad térmica del aire calentado.

Unidad

2

Medición de temperatura OBJETIVOS DE LA UNIDAD

Cuando complete esta unidad, será capaz de medir temperatura con un transmisor de temperatura a DTR y con un transmisor de temperatura a termopar. Podrá explicar cómo ocurre la transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura. Finalmente, mientras un fluido corre entre dos puntos de un proceso de temperatura en equilibrio térmico, podrá determinar la tasa a la cual un fluido gana o pierde energía térmica.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Escalas de temperatura

Según se mencionó, la temperatura se mide sobre una escala de temperatura. Hay cuatro escalas de temperatura actualmente en USC;{ •

la escala Celsius;

•

la escala Kelvin;

•

la escala Fahrenheit y

•

la escala Rankine.

Cada escala debe su nombre al científico que la creó. Para formar su escala, todos los científicos usaron el siguiente método: •

Primero seleccionaron arbitrariamente dos puntos fijos para establecer los extremos inferior y superior de su escala. Cada punto fijo corresponde a un fenómeno físico que puede ser reproducido fácilmente y que implica una cantidad de energía térmica bien conocida y constante, tal como la condición cuando dos fases de la misma sustancia coexisten en equilibrio (p.e. el punto de fusión del hielo).

•

Luego dividieron el espacio entre los dos puntos fijos en un número arbitrario de divisiones iguales llamadas grados de temperatura.

La figura 2-1 muestra una comparación de las cuatro escalas. Las escalas Celsius y Kelvin se usan en el sistema S.I. de unidades. Por su parte, las escalas Fahrenheit y Rankine se usan en el sistema E.U. de unidades.

2-1

Medición de temperatura PUNTO DE EBULLICiÓN 100 DEL AGUA ------

373,15

212

671,7

o

273,15

32

491 ,7

-273,15

o

-459,7

o

PUNTO DE FUSiÓN DEL HIELO

CERO TERMODINÁMICO

ESCALA CELSIUS fCJ

ESCALA KELVIN (K)

ESCALA FAHRENHEIT fF)

ESCALA RANKINE fR)

Figura 2-1. Comparación de las escalas Celsius, Kelvin, Fahrenheit y Rankine.

La escala Celsius Esta escala fue creada por un astrónomo sueco llamado Anders Celsius, basado en el siguiente criterio:

2-2

•

Punto fijo inferior: punto de congelación del agua pura, también conocido como punto de fusión del hielo.

•

Punto fijo superior: punto de ebullición del agua pura bajo presión atmosférica normal.

•

Número de divisiones entre los dos puntos fijos: 100

Medición de temperatura •

Una división de escala = un grado Celsius (1 °C).

Observe que la escala Celsius fue llamada antiguamente escala Centígrado.

La escala Kelvin

Esta escala fue creada por un físico y matemático escocés llamado William Thomson, Baron Kelvin. La escala Kelvin también es llamada escala Celsius absoluta. •

Punto fijo inferior: cero absoluto (-273,15 OC); punto hipotético caracterizado por una ausencia completa de actividad molecular, y por tanto, de energía térmica.

•

Punto fijo superior: punto triple del agua pura (0,01 oC) ; punto en el cual las formas sólida, líquida y gaseosa del agua pueden coexistir en equilibrio.

•

Número de divisiones entre los dos puntos fijos: 273,16, que corresponde a la diferencia en grados Celsius entre estos puntos.

•

Una división de escala

= un Kelvin (1

K).

Nota: Las divisiones en la escala Kelvin son los kelvins, NO los grados kelvin; es decir, se deja sólo el símbolo (K) sin ningún símbolo de grado. ,

Observe que los incrementos en la escala Kelvin corresponden con los incrementos en la escala Celsius. Como consecuencia, una variación de 1 K corresponde a una variación de 1°C. Sin embargo, observe que una temperatura de cero en la escala Kelvin (O K) corresponde a una ausencia total de energía térmica, lo cual no es el caso de una temperatura de cero en la escala Celsius (O °C) .

La escala Fahrenheit

Esta escala fue creada por un físico alemán llamado Gabriel Daniel Fahrenheit. •

Punto fijo inferior: temperatura más baja que puede ser alcanzada por una solución de sal (cloruro de sodio) yagua.

•

Punto fijo superior: temperatura normal del cuerpo humano.

•

Número de divisiones entre los dos puntos fijos: 96

•

Una división de escala = un grado Fahrenheit (1 °F).

La escala Fahrenheit se usa principalmente en los Estados Unidos.

2-3

Medición de temperatura La escala Rankine

Esta escala fue creada por un físico escocés llamado William John Macquorn Rankine. La escala Rankine también es llamada escala Fahrenheit absoluta. •

Punto fijo inferior: el cero absoluto (-459,rF).

•

Punto fijo superior: punto triple del agua pura (32,02 °F).

•

Número de divisiones entre los dos puntos fijos: 491,7, que corresponde a la diferencia en grados Fahrenheit entre estos puntos.

•

Una división de escala = un grado Rankine (1 °R).

Observe que los incrementos en la escala Rankine corresponden con los incrementos en la escala Fahrenheit. Como consecuencia, una variación de 1°R corresponde a una variación de 1 ° F. También observe que la temperatura de cero en la escala Rankine (O OR) corresponde a una ausencia total de energía térmica, lo cual no es el caso de una temperatura de cero en la escala Fahrenheit (O °F) .

Conversión entre Celsius y Fahrenheit En la industria de procesos, las escalas de temperatura de mayor importancia son las escalas relativas Celsius y Fahrenheit. Como consecuencia, es a menudo necesario hacer la conversión entre estas dos. Entre el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua, hay 100 grados en la escala Celsius y 180 grados en la escala Fahrenheit. Como consecuencia, la relación entre estas dos escalas es como sigue: rango Fahrenheit _ 180° rango Celsius 100 °

9 5

Entonces un grado Fahrenheit es 9/5 de grado Celsius y, por el contrario, un grado Celsius es 5/9 de grado Fahrenheit. •

Por tanto, para convertir una temperatura Celsius a una temperatura Fahrenheit, se multiplica la temperatura Celsius por 9/5 (o 1,8) Y luego de suman 32 °F, ya que O°C corresponden a 32 °F.

•

Para convertir una temperatura Fahrenheit a una temperatura Celsius, se restan 32 °F de la temperatura Fahrenheit y luego se multiplica el resultado por 5/9 (o 0,56).

Por ejemplo, para convertir 90 °C a °F: T (OF) = (1 ,8 °F/oC . 90 OC) 162 °F + 32 °F = 194 °F 2-4

+

32 °F

Medición de temperatura o para convertir 7rF a oC: T (OC)

= 0,56 °C¡OF (77 °F - 32 °F) = 0,56 °C¡OF . 45 °F = 25,2 oC

Medición de temperatura La temperatura no puede medirse directamente. De hecho, la temperatura se debe inferir basándose en el efecto que tienen sus cambios 'sobre una cantidad termométrica, es decir, una cantidad que varía con la temperatura. La cantidad termométrica puede ser, por ejemplo, la expansión lineal de un liquido o la resistencia eléctrica de un metal. La figura 2-2 enuncia los dispositivos usados más comúnmente para medir la temperatura en procesos industriales: •

Los termómetros proveen una lectura visual directa de la temperatura. Los termómetros de tubo suministran una indicación de la temperatura basándose en la expansión y contracción de un fluido con la temperatura. Los termómetros de bulbo proveen una indicación de la temperatura basándose en la variación en la presión de un fluido con la temperatur~ Los' termómetros bimetálicos proveen una indicación de la temperatura basándose en la expansión y contracción debida a la temperatura de dos piezas de metal unidas. Los termómetros están limitados en su uso como indicadores locales ya que no pueden usarse normalmente para el control PI D en lazo cerrado de la temperatura.

•

Los termopares producen un voltaje eléctrico proporcional a la temperatura. Constan de dos alambres hechos de metales o aleaciones diferentes que están unidos en un extremo para formar una juntura. Los dos extremos no conectados de los alambres generan un voltaje proporcional a la temperatura de la juntura.

•

Los resistores sensibles a la temperatura producen un cambio en la resistencia eléctrica proporcional a la temperatura. Por ejemplo, la resistencia de un DTR aumentará mientras la temperatura aumenta. Por el contrario, la resistencia de un termistor disminuirá mientras la temperatura aumenta.

•

Los pirómetros de radiación miden la temperatura de un cuerpo basándose en el tipo o cantidad de energía electromagnética radiada por el cuerpo. No requieren contacto directo con el cuerpo. Se usan principalmente en aplicaciones donde se experimentan altas temperaturas, como en cuartos crematorios o incineradores.

2-5

Medición de temperatura TERMÓMETROS

TERMOPARES

RESISTORES SENSIBLES A LA TEMPERATURA

PIRÓMETROS DE RADIACiÓN

DE TUBO DE BULBO

TIPOJ

TERMISTORES

ÓPTICO

BIMETÁLlCO

TIPO K

DTR

BANDA ANCHA y ANGOSTA

TIPOT TIPOS R Y S

Figura 2-2. Tipos comunes de dispositivos de medición de temperatura.

Características estáticas y dinámicas de un dispositivo de medición de temperatura La decisión de cuál dispositivo de medición de temperatura se debe usar para una aplicación particular depende de las características estáticas y dinámicas del dispositivo.

Características estáticas , "

t

Las características estáticas expresan la calidad del dispositivo de medición de temperatura bajo condiciones de estado de régimen estacionario. Entre ellas se incluyen , por ejemplo, la exactitud, la resolución, la sensibilidad y la banda muerta. •

La exactitud es una indicación de cuán cerca está la señal producida por el dispositivo de medición de temperatura a la temperatura real que está siendo medida.

•

La resolución es el intervalo más pequeño que puede discriminar el dispositivo de medición de temperatura.

•

La sensibilidad es una medida del cambio en la señal de temperatura provista por el dispositivo para un cierto cambio en la temperatura medida.

•

Finalmente, la banda muerta es el rango sobre el cual puede variar la temperatura medida sin causar ningún cambio notable en la señal de salida del dispositivo de medición de temperatura.

Características dinámicas Las características dinámicas expresan la calidad del dispositivo de medición de temperatura bajo condiciones transitorias. Describen qué tan rápido reaccionará el dispositivo ante un cambio escalón de la temperatura medida. Entre las características dinámicas se encuentran el tiempo muerto, la constante de tiempo y el tiempo de elevación.

2-6

Medición de temperatura Las características dinámicas de un dispositivo de medición de temperatura se pueden determinar creando un cambio repentino (escalón) en la temperatura medida. El nivel de la señal producida por el dispositivo de medición de temperatura se registra luego con respecto al tiempo. La figura 2-3 muestra un ejemplo de la respuesta dinámica de un dispositivo de medición de temperatura con respecto al tiempo: •

El tiempo muerto es el intervalo de tiempo entre el instante en el que ocurre el cambio escalón (to) Y el instante en el que el nivel de la señal generada por el dispositivo de medición de temperatura comienza a cambiar.

•

La constante de tiempo (T) es el tiempo que se requiere para que el nivel de la señal generada por el dispositivo de medición de temperatura alcance el 63,2% del cambio total que sigue al cambio escalón en la temperatura. El nivel alcanza el valor de estado de régimen estacionario final después de cinco constantes de tiempo.

•

Finalmente, el tiempo de elevación (te) es el tiempo que se requiere para que el nivel de la señal generada por el dispositivo de medición de temperatura pase desde el 10 hasta el 90% del valor final de estado estacionario.

En las plantas industriales modernas, las características dinámicas de un dispositivo de medición de temperatura son usualmente críticas. Por ejemplo, cuando se realiza el control en lazo cerrado de un proceso de temperatura, el dispositivo de medición de temperatura debe ser lo suficientemente rápido para detectar cambios rápidos en la temperatura, de otro modo aumentará el tiempo requerido para que el lazo de control regrese a estado de régimen estacionario, causando que la operación de lazo sea abrupta o inestable. Hablando en términos generales, el dispositivo de medición de temperatura debe ser capaz de detectar cualquier cambio en la temperatura en menor tiempo que el equivalente a una constante de tiempo del proceso.

2-7

Medición de temperatura NIVEL

100%

__________________

--------------------------------------:=-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~-_-=_-_-

-

VALOR DE ESTADO DE

~;:~

RÉGIMEN ESTACIONARIO

90%

63,2%

10 % 0%

-------------

~tm--~~~:~.~t~ I I I I I I I

I

I

L---T'----------I~----~I--------------------------------------------------------------~~TIEMPO

t o: tiempo en que ocurrió un cambio escalón en la entrada t m: tiempo muerto t

:

constante de tiempo

te : tiempo de elevación

Figura 2-3. Respuesta dinámica de un dispositivo de medición de temperatura con respecto al tiempo.

2-8

Ejercicio

2 -1

Detectores de temperatura resistivos (DTR) OBJETIVO DEL EJERCICIO • • • •

Explicar cómo funcionan los detectores de temperatura resistivos (DTR); Describir la relación entre la temperatura y la resistenciaeléctrica de los tipos de DTR más comunes; " Definir los siguientes términos: resistencia nominal, coeficiente de temperatura y sensibilidad. Explicar cómo puede usarse un puente Wheatstone para medir el voltaje producido sobre un DTR.

PRINCIPIOS Resistencia eléctrica Una característica importante de todos los metales es su resistencia eléctrica. La resistencia eléctrica es la oposición del metal al flujo de corriente eléctrica. La resistencia eléctrica se mide en ohmios (O) en ambOs , sistemas de unidades: S.I. y E.U. La resistencia eléctrica de un metal depende de la temperatura a la que se encuentre. Por ejemplo, la figura 2-4 muestra qué le pasa a la resistencia relativa de diferentes metales mientras su temperatura aumenta. La resistencia relativa es el cociente entre la resistencia a la temperatura aplicada y la resistencia a la temperatura de referencia de QOG (32 °F). Goma lo muestra la figura, la resistencia relativa de los metales aumenta mientras su temperatura se hace mayor. Además, la resistencia relativa aumenta casi linealmente con la temperatura, al menos sobre un rango sustancial de temperaturas. También, la resistencia relativa del níquel aumenta más severamente con la temperatura que la del cobre o platino.

2-9

Detectores de temperatura resistivos (DTR) RESISTENCIA RELATIVA [O/Q @ O' C (32 ·Fl]

NíQUEL

~

5,0

[o: = 0,00672 ·C ', (0,00373 ·F" l]

COBRE

~

[0:= 0,0038 ·C " (0,00211 F')]

~

[o:: = 0,00392 ·C' (O,00218 ' F " l]

PLATINO

4,0

3,0

2,0

-r-

0,392

1

,O

o 32

100 212

200

400

500

600 1000

800

rCl

1500

rFl

TEMPERATURA

Figura 2-4. Relación de resistencia relativa en función de la temperatura para diferentes metales.

Coeficiente de temperatura

Todos los metales tienen un coeficiente de temperatura específico que indica su cambio promedio en la resistencia relativa por unidad de temperatura entre O y 100°C (entre 32 y 212 °F) . El coeficiente de temperatura se simboliza mediante la letra griega alfa (a) . Se mide usualmente en ohmios por ohmio grado Celsius (OC") o en ohmios por ohmio grado Fahrenheit (OF"). La figura 2-4, por ejemplo, indica que el coeficiente de temperatura del platino es 0,00392 °C" (0,00218 °F'l Como consecuencia, la resistencia relativa del platino varía por 0,392 entre O y 100°C (32 y 212 °F). Más allá de 100°C (212 °F), la forma de la curva del platino indica que el coeficiente de temperatura disminuye ligeramente mientras la temperatura se hace mayor.

2-10

Detectores de temperatura resistivos (DTR) Detectores de temperatura resistivos Un detector de temperatura resistivo (OTR) es un elemento primario que se utiliza para medir temperatura. El OTR trabaja sobre el principio de que la resistencia eléctrica de los metales cambia con la temperatura. El OTR consta de un conductor metálico usualmente enrollado en una bobina. El OTR se conecta a un circuito eléctrico para hacer que una corriente de excitación constante fluya a través de él. Mientras la temperatura aumenta, la resistencia eléctrica del conductor metálico aumenta y por tanto, .el voltaje sobre el OTR aumenta. Como consecuencia, midiendo el voltaje sobre el OTR, se puede obtener una señal proporcional a la temperatura del mismo. Esta señal se puede acondicionar en una corriente, voltaje o presión con un rango normalizado que sea adecuada para instrumentación y control, formándose así un transmisor de temperatura por la combinación del OTR y el circuito de acondicionamiento.

Metales DTR La selección de un metal para usarse como OTR depende de varios factores. Entre éstos, los más importantes son la capacidad de seguir rápidamente los cambios en la temperatura, una buena linealidad, una buena r~producibilidad y un cambio de resistencia relativamente alto para un cambio dado en la temperatura (e.d. un coeficiente de temperatura alto) . Los metales usados más comúnmente para los OTR son platino, níquel y cobre (consulte la figura 2-4): •

El platino es el metal preferido para los OTR. Se ha escogido como el metal estándar internacional para la medición de la temperatura en OTR. El platino tiene una relación resistencia contra temperatura aproximadamente lineal sobre un amplio rango de temperatura. El platino ofrece buena estabilidad y reproducibilidad. Es adecuado para la medición de altas temperaturas hasta 650 °C (1200 °F) .

•

El níquel es el segundo metal más usado para los OTR. Es menos costoso que el platino y es más sensible por su alto coeficiente de temperatura. Sin embargo, el níquel tiene un rango de medida más angosto que el platino y está limitado a la medición de las temperaturas por debajo de 300 °C (570 °F) .

•

El cobre es el menos costoso de los tres metales y tiene la relación más lineal. Al igual que el platino, el cobre es adecuado para la medición de altas temperaturas. Sin embargo, el cobre está sujeto a la oxidación y tiene estabilidad y reproducibilidad más pobre que el platino.

2-11

Detectores de temperatura resistivos (DTR) Características de los OTRs

Dos importantes características de los DTR son su resistencia nominal y su coeficiente de temperatura: •

La resistencia nominal es la resistencia del DTR a una temperatura de referencia dada, según lo especifique el fabricante. Los DTR de platino, por ejemplo, están diseñados usualmente tal que su resistencia nominal sea 100 O al punto de referencia del hielo de O°C (32 °F) .

•

El coeficiente de temperatura es el cambio medio en la resistencia relativa del metal por unidad de temperatura entre Oy 100°C (32 Y 212 °F) , como se explicó anteriormente.

La resistencia nominal y el coeficiente de temperatura de un DTR determinan la sensibilidad del mismo dentro del rango de temperatura O-100°C (32-212 °F) . La sensibilidad es la cantidad por la cual cambiará la resistencia del DTR por unidad de temperatura, en OJ°C (o OJ°F). Por ejemplo, un DTR de platino que tiene una resistencia nominal de 100 O a O°C (32 °F) y un coeficiente de temperatura de 0,00392 °C· 1 (0,00218 °F·1) tendrá una sensibilidad de 0,392 OJ°C (0,218 OJ oF) dentro del rango de temperatura O-100 °C (32-212 °F) .

Medición del voltaje en un OTR

Como se mencionó anteriormente, el voltaje producido en un DTR, el cual es directamente proporcional a la temperatura, se puede usar para instrumentación y control de procesos. El método tradicional de medición de voltaje en un DTR es utilizando un puente Wheatstone, como lo muestra la figura 2-5 (a). •

El DTR Y sus dos alambres aislados constituyen un circuito derivado del puente. Los resistores R1 y R2 tienen igual resistencia, mientras que el resistor R3 es ajustable y se usa como referencia.

•

Una fuente de voltaje CC suministra una corriente de excitación al DTR.

•

Un amplificador diferencial produce un voltaje Vs proporcional al voltaje de salida del puente (medido entre los puntos a y b) .

Con el DTR colocado en un baño de hielo a O°C (32 °F) , el resistor R3 se ajusta inicialmente para obtener un voltaje nulo (O V) a la salida del amplificador diferencial. En esta condición, se dice que el puente tiene balanceo nulo. Una vez que el puente tiene balanceo nulo, el voltaje de salida del amplificador variará en proporción directa a la temperatura del DTR.

2-12

Detectores de temperatura resistivos (DTR) AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Vo

Vo

SALIDA DEL PUENTE

ALAMBRE AISLADO 1

a

b

ALAMBRE AISLADO 1

t' DTR

r DTR

ALAMBRE AISLADO 2

ALAMBRE AISLADO 2

ALAMBRE AISLADO 3

(a) Con DTR bifilar

(b) Con DTR trifilar

Figura 2-5. Medición del voltaje en un OTR.

Si los dos alambres que conectan el DTR con el puente son más largos que unos pocos centímetros (pulgadas), introducirán un error en la,medición de la temperatura. Esto ocurre porque la resistencia de los alambre~ contribuirá al voltaje producido a la salida del puente, causando que la temperatura detectada sea mayor que la medida realmente. Para minimizar este error, los DTR están disponibles en una versión trifilar. El alambre extra se utiliza para cancelar las resistencias de los alambres aislados 1 y 2 mediante el balanceo del puente, como lo muestra la figura 2-5 (b) . Esto tiene el efecto de eliminar el error producido por los alambres aislados 1 y 2 mientras los alambres tengan la misma resistencia (e.d. igual longitud y temperatura).

Ventajas y limitaciones de los OTR Los DTR tienen las siguientes ventajas: proveen una buena sensibilidad, una buena reproducibilidad y una buena estabilidad. También brindan una alta exactitud; algunos DTR de platino son capaces de medir unas pocas milésimas de grado. Sin embargo, los DTR son relativamente costosos y tienen un tiempo de respuesta más lento que los termopares. Además, la exactitud de la medición de los DTRs depende de la estabilidad térmica de los resistores y de la fuente de alimentación usada en el puente Wheatstone.

Sonda OTR Y Transmisor de temperatura a OTR del Sistema didáctico en control de procesos El Sistema didáctico en control de procesos viene con una sonda DTR trifilar que: usa un DTR de platino de 100 n a O°C (32 °F). La sonda DTR se propone para ser usada con el Transmisor de temperatura a DTR para medir la temperatura del agua en la Columna del Sistema didáctico, como lo muestra la figura 2-6. 2-13

Detectores de temperatura resistivos (DTR) La punta de la sonda DTR, se debe insertar dentro de la Columna a través de la abertura del Conmutador de flotador. El otro extremo de la sonda DTR, el cual contiene tres alambres aislados, es para conectarse a los terminales "DTR 100 0" del Transmisor de temperatura a DTR. El Transmisor de temperatura a DTR produce una corriente de excitación a través del DTR y mide el voltaje resultante producido en el DTR. Este voltaje, que es proporcional a la temperatura del DTR, es acondicionado en voltajes y corrientes normalizadas que están disponibles a las SALIDAS del transmisor. El transmisor también contiene una fuente de calibración que se puede usar para simular el voltaje producido sobre el DTR para cualquier temperatura DTR comprendida entre Oy 100°C (32 y 212 °F). La fuente elimina la necesidad de llevar el DTR a una temperatura bien conocida cuando se realiza la calibración de las SALI DAS del transmisor. La siguiente es una descripción detallada de los terminales y ajustes del Transmisor de temperatura a DTR (consulte la figura 2-6):

(!)

Terminales de ALIMENTACiÓN: utilizados para energizar al transmisor con un voltaje CC de 24 V.

@

Perilla de ajuste FUENTE DE CALIBRACiÓN: ajusta la temperatura de la sonda a ser simulada por la señal de la fuente de calibración. Esta temperatura se puede ajustar entre O y 100°C (32 Y 212 °F).

@

SELECTOR DE ENTRADA: selecciona entre la señal de la sonda real o la señal de la sonda simulada producida por la fuente de calibración.

@

Interruptor SELECTOR DE CALIBRACiÓN: coloca las SALIDAS 0-5 V Y 4-20 mA en modo de calibración fijo o modo de calibración variable.

®

Perillas de ajuste CERO y GAMA: usadas en el modo de calibración variable (interruptor SELECTOR DE CALIBRACiÓN en VARIABLE) para establecer el rango de temperatura para el cual las SALI DAS 0-5 V Y 4-20 mA pasarán de mínimo a máximo: -

La perilla CERO establece la temperatura para la cual las salidas serán mínimas (O V Y 4 mA), e.d. la temperatura mínima a detectarse. La temperatura mínima se puede ajustar entre O y 50 °C (32 Y 122°F).

-

La perilla GAMA establece la temperatura para la cual las salidas serán máximas (5 V Y 20 mA), e.d. la temperatura máxima a detectarse. La temperatura máxima se puede ajustar entre 15 y 30 ° C (27 y 54 ° F) por encima de la temperatura mínima ajustada con la perilla CERO.

2-14 /

Detectores de temperatura resistivos (DTR)

Iq4·~®

TRANSMIS R DE TEMPERA URA A DTR

6543-00

FUENTE DE CALIBRACiÓN

r-ENT

ADA~

O

2

MiN.

,

CALIBRACiÓN

CERO

GAMA

MÁX.

0-100 ·C /32-212·F

DTR

FIJO 0-100 ·C (32-212 ·F)

5

ALIMENTACiÓN

DTR 100 n

r 24V-=

@---MISMO COLOR

,

SALIDAS

/

0-5 V

4-20mA

CAL. 100 mV i"C 56 mV i" F

@ 0-10

6

v

MISMO COLOR

SONDA DTR

PUNTA

Figura 2-6. Sonda DTR y Transmisor de temperatura a DTR del Sistema didáctico.

@

SALIDA CAlibrada: provee un voltaje proporcional a la temperatura medida por la sonda o por la señal de la sonda simulada producida por la fuente de calibración, dependiendo de la posición del interruptor SELECTOR DE ENTRADA.

2-15

Detectores de temperatura resistivos (DTR) Esta salida tiene una calibración fija de 100 mV por oC medido por encima de O°C (o 56 mV por °F medido por encima de 32 °F). Pasará desde O hasta 10 V cuando la temperatura real o simulada cambie desde O hasta 100°C (32 hasta 212 °F) .

®

Terminales de las SALIDAS 0-5 V Y 4-20 mA: proveen un voltaje y una corriente proporcional a la temperatura medida por la sonda o a la temperatura de la señal de la sonda simulada por la fuente de calibración, dependiendo de la posición del interruptor SELECTOR DE ENTRADA. La calibración de las SALIDAS 0-5 V Y 4-20 mA puede ser fija o variable, dependiendo de la posición del interruptor SELECTOR DE CALIBRACiÓN:

®

-

En el modo de calibración fijo (interruptor SELECTOR DE CALI BRACIÓN en FIJO) , el rango de temperatura para el cual las salidas pasarán de mínimo a máximo está fijo entre O-100 °C (32-212 °F).

-

En el modo de calibración variable (interruptor SELECTOR DE CALIBRACiÓN en VARIABLE), el rango de temperatura para el cual las salidas pasarán de mínimo a máximo se puede ajustar por medio de las perillas de ajuste CERO y GAMA.

Terminales de entrada DTR 100 Q: usados para conectar la sonda DTR al transmisor.

Resumen del procedimiento En la primera parte del ejercicio, se familiarizará con el funcionamiento de un Transmisor de temperatura a DTR en el modo de calibración fijo. En la segunda parte del ejercicio, se familiarizará con el funcionamiento de un Transmisor de temperatura a DTR en el modo de calibración variable. En la tercera parte del ejercicio, hará el montaje y operará un proceso de temperatura. Usará un Transmisor de temperatura a DTR para medir la temperatura del agua en una columna.

EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilización de los equipos, en el apéndice A de este manual , para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio.

2-16

Detectores de temperatura resistivos (DTR) PROCEDIMIENTO

Funcionamiento del Transmisor de temperatura a DTR en el modo de calibración fijo

o

1. Tome el Transmisor de temperatura a DTR y la Fuente de alimentación cc de 24 V de su lugar de almacenamiento. Monte estos componentes sobre la Superficie de trabajo principal.

o

2. Energice el Transmisor de temperatura a DTR.

o

3. Tome la sonda DTR de su lugar de almacenamiento y conéctela a la entrada DTR 100 {2 del Transmisor de temperatura a DTR. Deje que la punta de la sonda descanse sobre la Superficie de trabajo.

o

4. Haga los siguientes ajustes en el Transmisor de ter;nperatura a DTR: SELECTOR DE ENTRADA . . ......... .' . . . . . . . . . . . . . . . DTR SELECTOR DE CALIBRACiÓN ... .. .. ... .. . ... . . . ... . FIJO Esto selecciona la señal de la sonda DTR como la señal de entrada del transmisor y coloca las SALIDAS del transmisor en el modo de calibración fijo .

o

5. Conecte un voltímetro CC a la SALI DA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR. Debido a que esta salida está en el modo de calibración fijo, genera un voltaje fijo de 50 mV por oC medido por encima de O°C (o 28 mV por °F medido por encima de 32 °F) . De acuerdo con la lectura del voltímetro, ¿cuál es la temperatura ambiente?

o

6. Experiencia adicional con el funcionamiento del transmisor en el modo de calibración fijo: Llene un contenedor apropiado con agua helada (mezcla de cubos de hielo yagua) . -

Sumerja la punta de la sonda DTR en el agua helada. El voltaje de la SALIDA 0-5 V debe disminuir y estabilizarse en aproximadamente 2-17

Detectores de temperatura resistivos (DTR) 0,0 v, el cual, en el modo de calibración fijo, corresponde a una temperatura DTR de O°C (32°F). Llene un contenedor apropiado con agua hirviendo calentada por una olla eléctrica o por un horno microondas. Sumerja la punta de la sonda DTR en el agua hirviendo. El voltaje de la SALIDA 0-5 V debe aumentar y estabilizarse en aproximadamente 5,0 V, el cual, en el modo de calibración fijo, corresponde a una temperatura DTR de 100°C (212 °F) . Nota: La SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR se estabilizará en un voltaje inferior a 5, O V si la presión atmosférica está por debajo de 101,3 kPa absolutos (14,7 psia).

Anote sus observaciones debajo.

Funcionamiento del Transmisor de temperatura a DTR en el modo de calibración variable Nota: En los siguientes pasos, se usará la fuente de calibración del Transmisor de temperatura a DTR para calibrar su SALIDA 0-5 V de tal forma que el voltaje en ésta pase desde O, O hasta 5,00 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibración pase desde 25 hasta 55 oC (77 hasta 131 °F), respectivamente.

o

7. Haga los siguientes ajustes en el Transmisor de temperatura a DTR: SELECTOR DE SELECTOR DE Perilla de ajuste Perilla de ajuste

ENTRADA .............. . . FUENTE DE CAL. CALIBRACiÓN . .. . . . ...... . . . .. . VARIABLE CERO ...................... . . .. .. .. MÁX. GAMA .. ...... . . . ... . .. .. ... . ... ... . MÁX.

Esto selecciona la señal de la fuente de calibración como la señal de entrada del transmisor y coloca las SALIDAS del transmisor en el modo de calibración variable.

o

8. Ajuste la temperatura de la sonda a ser simulada por la fuente de calibración del transmisor en 25 °C (7rF) . Para hacerlo, ajuste la perilla FUENTE DE CALIBRACiÓN del transmisor hasta que obtenga un voltaje de 2,5 V a la SALI DA CAL. del transmisor.

2-18

Detectores de temperatura resistivos (DTR) o

9. Mientras supervisa el voltaje a la SALIDA 0-5 V del transmisor, gire la perilla de ajuste CERO en sentido antihorario y deje de hacerlo tan pronto como el voltaje deje de disminuir, lo cual debe ocurrir alrededor de 0,01 V. Luego gire muy lentamente la perilla en la dirección de sentido horario y deténgala tan pronto como el voltaje comience a aumentar. Esto establece la temperatura mínima a detectarse en 25 °C (7rF) aproximadamente.

o

10. Ahora ajuste la temperatura de la sonda a ser simulada por la fuente de calibración del transmisor en 55 °C (131 °F). Para hacerlo, ajuste la perilla FUENTE DE CALIBRACiÓN del transmisor hasta que obtenga un voltaje de 5,5 V en la SALIDA CAL. del mismo.

o

11 . Ajuste la perilla GAMA para obtener un voltaje de 5,00 V en la SALIDA 0-5 V del transmisor. Esto establece la temperatura máxima a detectarse en 55 °C (131 °F) aproximadamente.

o

12. Ahora que el Transmisor de temperatura a DTR está calibrado, proceda a la próxima parte del ejercicio.

Medición de temperatura con un DTR Montaje preliminar

o

13. Tome la Superficie de trabajo adicional de su lugar de almacenamiento y móntela verticalmente (a un ángulo de 90 °) a la Superficie de trabajo principal , si esto no ha sido hecho todavía.

o

14. Conecte el sistema mostrado en la figura 2-7, teniendo cuidado de no modificar los ajustes de calibración recién hechos en el Transmisor de temperatura a DTR. La figura 2-8 muestra el montaje sugerido. La velocidad del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo será controlada con un controlador, FIC1, colocado en modo manual (lazo abierto). Las unidades de calefacción y de refrigeración serán controladas manualmente. (Ésta es la razón por la que no hay controlador de temperatura, o símbolo de instrumentación "CT" mostrado al lado de estas unidades en el diagrama de flujo de la figura 2-7.) La Columna será trabajada primero en el modo presurizado con el fin de limpiar el aire de los componentes corriente abajo de la Columna. Como consecuencia, por ahora deje que la punta de la sonda DTR descanse sobre la Superficie de trabajo. 2-19

Detectores de temperatura resistivos (DTR) Nota: Asegúrese de montar la Unidad de calefacción en la ubicación lo más alta posible en la Superficie de trabajo adicional, para que esta unidad esté por encima de los otros componentes del proceso, como lo muestra la figura 2-8. El omitir esto puede causar que el agua entre a la Unidad de calefacción en la desconexión de las mangueras, lo cual a su vez puede dañar la unidad.

Además, monte la Fuente de alimentación cc de 24 V Y el Transmisorde temperatura a OTR de tal manera que el agua no pueda entrar a estos componentes ni a sus terminales eléctricos cuando las mangueras estén desconectadas. La Unidad de calefacción se debe conectar de acuerdo a la dirección de flujo indicada por las flechas en el símbolo de su panel frontal Por otra parte, la Unidad de refrigeración funcionará independientemente de la dirección del flujo de agua a través de ella. Sin embargo, para minimizar el riesgo de cavitación causado por la succión de aire dentro de la bomba cuando el agua se calienta, conecte la Unidad de refrigeración según lo indica la figura 2-8, es decir, con su puerto superior como entrada de agua caliente y su puerto inferior como salida de agua fría. Por la misma razón, monte la Columna en la ubicación más alta posible en la Superficie de trabajo adicional con el fin de crear una cabeza sustancial de corriente de agua arriba de la Unidad de refrigeración. Nota: Si el controlador que usted está usando como controlador de flujo FIC1 es el Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, usted puede consultar la figura 8-1 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM al mando de velocidad variable (SC1) de la Unidad de bombeo.

2-20

Detectores de temperatura resistivos (DTR)

UNIDAD DE REFRIGERACiÓN

TRANSMISOR DE (TT\1 TEMPERATURA A DTR

Y

CONECTOR

1------lCONECTOR

PUNTA DE LA SONDA DTR (NO INSERTAR DENTRO DE LA COLUMNA POR AHORA)

MANDO DE VELOCIDAD VARIABLE I I I

CONTROLADOR

~

Figura 2-7. Medición de temperatura con un transmisor de temperatura a OTR.

2-21

Detectores de temperatura resistivos (DTR)

Figura 2-8. Montaje sugerido para el diagrama de la figura 2-7 (consulte la tabla en la próxima página para la ubicación de los componentes).

2-22

Detectores de temperatura resistivos (DTR)

o

G): Columna

@ : Unidad de refrigeración

@ : Unidad de calefacción

@: Sonda OTR

@ : Transmisor de caudal a turbina

® : Transmisor de temperatura a OTR

@ : Unidad de bombeo

® : Fuente de alimentación cc

15. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefacción: Interruptor S1 . ... .. . . . . . . . .. ...... ... .. . ... .. .. .. . 2 Perilla de control manual . . . . . . . . . . . . completamente girada en sentido antihorario

En la Unidad de refrigeración: Interruptor S1 . . . . . . .. .. ... . 1 . . . i . . . . . . . ..... . ..... 2 Perilla de control manual ..... . : ., .... completamente girada en sentido antihorario Interruptor S2 .. .. . .. ............. ..... ........... ji

En el Transmisor de temperatura a OTR: Interruptor SELECTOR ........... .... .. .. ........ OTR

Nota: La SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR aún debe estar calibrada para un rango de medición de temperatura de 25-55 oC (77-131 °F) de acuerdo a lo realizado en la primera parte del ejercicio.

o

16. Energice la Unidad de calefacción: Conecte el cable de la línea ca de esta unidad a un toma de corriente. Lleve el interruptor ALIMENTACiÓN a la posición 1.

o

17. Energice la Unidad de refrigeración y el Transmisor de caudal a turbina conectando sus terminales de ALI M ENT ACiÓN a la fuente de alimentación de 24 V CC.

2-23

Detectores de temperatura resistivos (DTR) Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna

D 18. Verifique que el controlador de flujo FIC1 esté en modo manual (lazo abierto). Lleve la salida de este controlador a 0% (O V).

D 19. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador esté apretada firmemente.

D 20. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviación esté instalada correctamente en la parte inferior del tanque.

D 21. Encienda la Unidad de bombeo llevando el interruptor ALIMENTACiÓN a la posición l.

D 22. En la Unidad de bombeo, ajuste las válvulas HV1 hasta HV3 como sigue: HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario).

D 23. Haga que el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo rote a velocidad máxima: con el controlador FIC1 en modo manual (lazo abierto), lleve la salida del controlador a 100% (5 V).

D 24. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algún nivel intermedio. Esto forzará al aire para que salga de los componentes corriente abajo de la Columna. Nota: Si la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador en la Columna no ha sido apretada firmemente, el aire podrá escaparse de la Columna y el nivel de agua no se estabilizará en la misma. Si esto ocurre, detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Abra las válvulas HV1 y HV2 de la Unidad de bombeo para drenar la Columna hacia el tanque. Cuando la Columna esté vacía, apriete la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador en la Columna con más fuerza. Luego reinicie el procedimiento desde el paso 22.

Colocación del sistema en modo de recirculación de agua

2-24

Detectores de temperatura resistivos (DTR) Nota: En los siguientes pasos, usted colocará el sistema en modo de recirculación de agua mediante el ajuste de las válvulas de la Unidad de bombeo de tal forma que dirijan el flujo de retorno directamente hacia la entrada de la bomba y no hacia el tanque. Esto reducirá el tiempo requerido para aumentar o disminuir la temperatura del agua del proceso. Por la misma razón, el nivel de agua en la Columna se ajustará a un nivel bajo y mínimo de 7,5 cm (3 pulg.).

o

25. En la Unidad de bombeo cierre la válvula HV1 , lo cual causará que el nivel de agua aumente adiciOnalmente en la Columna. Luego ajuste la válvula HV3 para dirigir el flujo de retorno directamente hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario).

o

26. En la Columna, retire la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna. (El nivel de agua en la Columna permanecerá estable).

o

27. En la Unidad de bombeo, abra la válvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta válvula.

o

28. Reajuste la salida del controlador FIC1 hasta que obtenga una lectura de 4,0 V aproximadamente en la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustará el caudal en aproximadamente 4 I/min (1,1 galEU/min). Nota: Son normales algunas pequeñas variaciones continuas de unas pocas décimas de voltios alrededor del valor medio ajustado de 4,0 Ven la salida del transmisor de caudal. Sin embargo, grandes variaciones de uno o más voltios son anormales e indican que ha entrado aire al sistema a través de un conector o componente desapretado en el lado de succión de la bomba. Si ocurre esto, detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para drenar la columna hacia el tanque. Cuando la Columna esté vacía, revise el interior del conector en la manguera de la línea de retorno de la Unidad de bombeo para verificar que no haya mugre o partículas. También, revise los anillos tipo "o" (O-rings) en los dos conectores de manguera de la Unidad de refrigeración por si tienen alguna fisura o están quebrados. Una vez haya localizado y eliminado la causa del escape, reconecte el sistema como se muestra en la figura 2-7 y reinicie el procedimiento desde el paso 19.

2-25

Detectores de temperatura resistivos (DTR) Medición de temperatura con el DTR

D 29. Inserte la sonda DTR completamente dentro de la Columna para que su punta sea sumergida en el agua.

D 30. Pinte sobre el registrador del controlador FIC1 la señal a la SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR. Ajuste la tasa de actualización del registrador (intervalo de muestreo) con el fin de poder supervisar la señal del transmisor, sobre un periodo de 10 minutos aproximadamente. Nota: Si el controlador que usted está usando como controlador FIC1 es el Software de simulación y de control de procesos (L VPROSIM) de Lab- Volt, modelo 3674, consulte la figura 8-5 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM al Transmisor de temperatura a DTR. En la Interfaz E/S, verifique que el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALÓGICA 1 esté ajustado en 5 V. En el L VPROSIM, seleccione la entrada analógica 1 de la lista de selección del Registrador para que la señal del Transmisor de temperatura a DTR sea dibujada sobre el registrador. Ajuste el intervalo de muestreo del L VPROSIM en 1500 ms. Acceda a la ventana Configuración de las entradas analógicas yajuste los valores mínimo y máximo del rango de la entrada analógica 1 en 25 y 55 oC (77 y 131°F), respectivamente, lo cual corresponde al rango de medición actual del Transmisor de temperatura a DTR. Ajuste la constante de tiempo del filtro de esta entrada en 0,5 segundos. Verifique que no esté seleccionada la función de extracción de la raíz cuadrada. Acepte la configuración y regrese a la pantalla principal.

D 31. En el registrador, observe la señal de salida del Transmisor de temperatura a DTR. Debido a que no se aplica potencia eléctrica al calefactor de la Unidad de calefacción, teóricamente el agua en la Columna debe estar a temperatura ambiente. Asumiendo que la temperatura ambiente está por debajo de 25°C (7JOF), el nivel de la señal del Transmisor de temperatura a DTR debería estar al 0% de la gama en el registrador, ya que la temperatura mínima que el transmisor puede detectar ha sido ajustada a 25°C (7JOF). Aún así, se puede observar que la señal del Transmisor de temperatura a DTR está en algún nivel más alto, debido a que un poco de energía térmica es transferida hacia el agua de circulación principalmente desde la resistencia de rozamiento de las partes internas de la bomba.

2-26

Detectores de temperatura resistivos (DTR) o

32. En la Unidad de calefacción, lleve la perilla de control manual a la posición media. En el registrador, observe qué le pasa a la temperatura del agua en la Columna. Ahora que se aplica potencia eléctrica al calefactor de la Unidad de calefacción, la energía térmica se transfiere desde este elemento hacia el agua de circulación. Como consecuencia, la temperatura del agua debe aumentar en la Columna. ¿Observa esto?

o Sí o

O No

33. Deje que la temperatura del agua en la Columna aumente hasta aproximadamente 45 °C (113 °F) o 67% de la gama, luego gire la perilla de control manual de la Unidad de calefacción completamente en sentido antihorario para detener la entrega de potencia eléctrica a el calefactor. De acuerdo con la señal de salida del Transmisor de temperatura a DTR en el registrador, ¿aumentó linealmente con el tiempo la temperatura del agua en la Columna? ¡

¿Cuánto le tomó a la temperatura aumentar desde la temperatura inicial hasta la temperatura final de 45 °C (113 °F)?

o

34. En la Unidad de refrigeración, gire la perilla de control manual completamente en sentido antihorario. ¿Qué le pasa a la temperatura del agua en la Columna?

o

35. Permita que la temperatura del agua en la Columna disminuya. De acuerdo con la señal de salida del Transmisor de temperatura a DTR, ¿disminuye linealmente con el tiempo la temperatura del agua en la Columna? Explique.

o

36. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando la salida del controlador FIC1 a 0%.

2-27

Detectores de temperatura resistivos (DTR) o

37. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefacción y la Fuente de alimentación cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiÓN a la posición O.

o

38. Abra completamente la válvula HV1 de la Unidad de bombeo y permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque. La Columna también se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeración y reconectándolo a cualquiera de los puertos de retorno auxiliares en la Unidad de bombeo.

o

39. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento. iADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras

y componentes. Durante la desconexión de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los componentes eléctricos o a sus terminales.

o

40. Seque todos los residuos de agua en el piso yen el Sistema didáctico en control de procesos.

CONCLUSiÓN En este ejercicio, se familiarizó con el funcionamiento de un transmisor de temperatura a DTR en los modos de calibración fijo y variable. Aprendió que en el modo de calibración fijo, el rango de medición de temperatura es fijo e igual a 0-1Q0 °C (32-212 °F). Que en el modo de calibración variable, el rango de medición de temperatura se puede ajustar y obtener una gama máxima de 30 °C (54 °F). Debido a que esta gama es más angosta que la gama de 100 °C (180 ° F) del modo de calibración fijo, el modo de calibración variable provee mayor exactitud en la medición para cualquier rango dado de salida del transmisor.

PREGUNTAS DE REVISiÓN

2-28

1.

¿Qué es un DTR? ¿Cómo funciona?

2.

¿Cuáles son los tres metales comúnmente usados para los DTR? ¿Cuáles son las ventajas y limitaciones de cada metal?

Detectores de temperatura resistivos (DTR)

3. Enuncie y describa dos importantes características de los OTR.

4.

¿Cómo se mide tradicionalmente el voltaje producido en un OTR?

5.

¿Por qué los OTR están disponibles en versión trifilar? Explique.

2-29

2-30

Ejercicio

2-2

Termopares OBJETIVO DEL EJERCICIO • • •

Explicar cómo funcionan los termopares; Describir la relación entre la temperatura y el voltaje gener~do por un termopar; Definir los siguientes términos: efecto Seebeck, juntura el) frío, juntura de referencia y compensación de la juntura en frío.

PRINCIPIOS El efecto Seebeck En el siglo 19, un científico alemán llamado Thomas Seebeck realizó la siguiente observación: Si dos alambres hechos de metales diferentes se unen en ambos extremos y una de las junturas es calentada, fluirá una corriente a través de los mismos. ~

;.

,

Este fenómeno, llamado efecto Seebeck, se ilustra en la figura 2-9.

ALAMBRE DE COBRE (CU)

JUNTURA CALENTADA (CALIENTE)

JUNTURA NO CALENTADA (FRíA)

ALAMBRE DE CONSTANTAN (C)

Figura 2-9. El efecto Seebeck.

Si se abre el circuito en la juntura en frío (no calentada), aparecerá un voltaje, llamado voltaje de Seebeck, en los extremos abiertos de los alambres, como lo muestra la figura 2-1 O. Entre mayor sea la diferencia de temperatura entre la juntura caliente (calentada) y los extremos abiertos de los alambres, mayor será el voltaje de Seebeck.

2-31

Termopares EXTREMOS ABIERTOS

CU

r------- ~--+----------------------------1 1

1+

VOLTAJE DESEEBECK

Q

JUNTURA CALENTADA (CALIENTE)

V 1 1 1 - -- -- ---~-------------------------------/

C

Figura 2-10. Voltaje de Seebeck.

El efecto Seebeck es un principio importante de la medición de temperatura: forma la base para el uso de los termopares.

Termopares Un termopar es un elemento primario que se utiliza para medir temperatura. El termopar consta de un par de alambres hechos de metales o aleaciones diferentes que están unidos en un extremo para formar una juntura. Cuando existe un diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres, se genera un pequeño voltaje de unos pocos milivoltios en tales extremos debido al efecto Seebeck. La magnitud del voltaje generado depende de la diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres, y de la composición de los alambres.

Tipos de termopares Hay varios tipos de termopares usados en la industria. Cada tipo se identifica por una letra que indica una relación específica entre el voltaje y la temperatura. La figura 2-11 , por ejemplo, muestra la relación entre la temperatura de la juntura y el voltaje generado para los tipos de termopares más comunes. La temperatura de la juntura se mide con respecto a una temperatura de referencia de QOC (32 °F), la cual corresponde al punto de fusión del hielo.

2-32

•

En todos los tipos de termopares , la magnitud del voltaje generado varía en proporción directa a la temperatura de la juntura.

•

Los termopares tipo J y K son más sensibles que los termopares tipo R y S. Esto implica que el voltaje generado por los tipos J y K variará más que el generado por los tipos R y S ante una variación dada en la temperatura de la juntura. Sin embargo, los tipos J y K tienen un rango de medición de temperatura más angosto que los tipos R y S.

Termopares •

El termopar tipo T tiene el rango de medición de temperatura más angosto, pero tiene una relación voltaje contra temperatura muy lineal.

VOLTAJE (mV)

80 ... TIPO"J"

70 60

TIPO "K"

50

40 30 TIPO"R"

20 10 1000

1500

CC)

O+---~~------~,---------~-,--------L--,----~~

1000

32

2000

3000

CF)

TEMPERATURA DE LA JUNTURA

Figura 2-11. Relación de voltaje en función de la temperatura para los tipos de termopares comunes.

Como lo muestra la tabla 2-1 , es una práctica común asociar cada tipo de termopar con una composición de alambre particular, aunque hablando en sentido estricto, un tipo de termopar más bien se refiere a una relación voltaje contra temperatura específica. TIPO DE TERMOPAR

COMPOSICiÓN DE LOS DOS ALAMBRES

J

Hierro-constantan

K

Cromo-aluminio

RoS

Platino-platino/rodio

T

Cob re-constantan

Tabla 2-1. Tipos comunes de termopares usados en la industria.

2-33

Termopares Protección del termopar

Los alambres del termopar están cubiertos usualmente por un material de aislamiento térmico y una envoltura para evitar que los mismos estén expuestos al ambiente del proceso. Como consecuencia, sólo la juntura del termopar está expuesta al proceso. La juntura del termopar está diseñada de tres formas diferentes que son: al descubierto, con conexión a tierra y sin conexión a tierra. •

Con el diseño al descubierto, la juntura del termopar se sale de la punta de la envoltura, así que queda directamente expuesta al proceso. Este diseño provee el mejor tiempo de respuesta, pero no protege la juntura de materiales peligrosos o corrosivos. Además, este diseño no se puede usar con fluidos de proceso conductivos.

•

Con el diseño sin conexión a tierra, la juntura del termopar está cubierta por la envoltura, pero está aislada de la misma mediante un material de aislamiento. Este diseño se puede usar en procesos corrosivos, pero provee un tiempo de respuesta más lento que el diseño al descubierto.

•

Con el diseño con conexión a tierra, la juntura del termopar está cubierta por la envoltura y la toca, lo cual asegura buena transferencia de energía térmica entre el proceso y la juntura. Este diseño se puede usar en procesos corrosivos y provee un tiempo de respuesta más rápido que el diseño sin conexión a tierra.

Los termopares se instalan algunas veces en un tubo de protección angosto hecho de acero o aleación de acero inoxidable que es denominado termopozo. El termopozo permite que el termopar sea insertado o retirado fácilmente del proceso sin necesidad de esfuerzo mecánico y sin abrir el proceso. Además, el termopozo protege al termopar contra materiales corrosivos o peligrosos. Observe, sin embargo, que el termopozo tiende a aumentar el tiempo de respuesta del termopar, debido a la resistencia térmica de la envoltura entre la juntura del termopar y el ambiente.

Medición del voltaje generado por un termopar Mediante la medición del voltaje producido por un termopar se puede obtener una señal proporcional a la temperatura de la juntura del termopar. Esta señal se puede acondicionar en una corriente, voltaje o presión de rango normalizado que sea adecuada para instrumentación y control. Además, cualquier voltaje dado producido por un termopar se puede relacionar con una temperatura específica de la juntura usando ecuaciones matemáticas o consultando la relación voltaje contra temperatura del termopar. La mayoría de los fabricantes publican curvas o tablas que muestran esta relación. Desafortunadamente, la medición del voltaje producido por un termopar no es tan simple como parece. Esto se debe a que la conexión de un voltímetro, de manera directa o por intermedio de alambres de extensión, sobre una juntura del termopar,

2-34

Termopares crea dos junturas adicionales que se traducen en voltajes parásitos no deseados cuando los metales o aleaciones que se encuentran en estas junturas son diferentes. La figura 2-12 muestra un ejemplo, en el cual un voltímetro está conectado directamente a través de un termopar tipo T. El objetivo es medir el voltaje V, con el fin de determinar la temperatura exacta a la cual está la juntura del termopar J,. Los alambres del termopar están hechos de cobre (CU) y constantan (c), mientras que los terminales del voltímetro están ambos hechos de cobre. Los puntos donde los terminales del voltímetro y los alambres del termopar se ~ncuentran producen dos junturas adicionales, J 2 y J 3 : •

La juntura J 2 es una juntura cobre cobre, así que no produce voltaje parásito indeseado. Como consecuencia, V2 = O.

•

La juntura J 3 , sin embargo, es una juntura cobre constantan y por tanto produce un voltaje parásito indeseado, V3' debido al efecto Seebeck. Este voltaje se resta del voltaje V" causando que la lectura del voltímetro sea V, - V3 y no solamente V,. Como consecuencia, la lectura del voltímetro es proporcional a la diferencia de temperatura entre J, y J 3 Y no sólo a la temperatura de J,.

TERra,OPAR TIPO T

r-- ----------- ---------------¡ CU

I

CU

I I I

I I

+ TERMINALES DEL VOLTíMETRO

VOLTíMETRO

~+V3 -

,-------~--------------~

CU

I I

v,

e

J,

I

01

L _____ ___ __ _ ______ _____ ______

~

Figura 2-12. Medición del voltaje generado por un termopar.

Una forma de resolver el problema es determinando primero la temperatura exacta de J 3 . Basándose en la relación voltaje contra temperatura para J 3 , la contribución de voltaje de esta juntura se puede determinar y sumar al voltaje medido para encontrar el voltaje generado sólo por J,. Sin embargo, este método no es muy práctico y, por tanto, rara vez es usado. Una aproximación más popular consiste en establecer J 3 como la juntura de referencia, lo cual puede hacerse usando uno de los siguientes métodos: •

Un método es forzar la juntura J 3 a una temperatura constante bien conocida. Esto se hace usualmente colocando a J 3 dentro de un baño de hielo a O°C (32 °F) , como lo muestra la figura 2-13 (a). De esta forma, la lectura del ' voltímetro está referenciada a O°C (32 °F) y se puede convertir directamente en temperatura consultando la relación voltaje contra temperatura del termopar, la cual , según se estableció previamente, también está referenciada a O°C (32 °F). 2-35

Termopares Debido a la práctica común de mantener J 3 a la referencia del punto de hielo de QOC (32 °F) , J 3 se conoce usualmente como la juntura en frío. Si por alguna razón J3 no se puede llevar a esta temperatura, la relación voltaje contra temperatura aún puede usarse aplicando un factor de corrección a la lectura del voltímetro. •

Otro método consiste en usar una fuente de voltaje CC variable para simular electrónicamente una referencia del punto de hielo en J3 , como lo muestra la figura 2-13 (b). La temperatura de J3 es medida por un DTR o un termistor. Basándose en la temperatura medida, la fuente genera el voltaje de compensación requerido para que la lectura del voltímetro esté referenciada a QOC (32°F), como si J 3 estuviera colocada en un baño de hielo. De esta manera, la lectura del voltímetro se puede convertir directamente en temperatura consultando la relación voltaje contra temperatura del termopar. Este método se conoce usualmente como compensación electrónica de la juntura en frío.

cu

cu

cu

CU

+

J2

J, + V3

-

+

e

e

cu

BAÑO DE HIELO

(b) Compensación electrónica de la juntura en frío

(a) Método baño de hielo

Figura 2-13. Establecimiento de J 3 como juntura de referencia.

Sensibilidad del termopar ante el ruido Debido a que el voltaje generado por un termopar es muy pequeño, es muy sensible al ruido. Además, los alambres del termopar actúan como dos antenas que recogen ruido del ambiente. Como consecuencia, los niveles de ruido típico de las fuentes de ruido tales como cableado eléctrico cercano y tierras capacitivas, pueden afectar seriamente las mediciones de temperatura. Por consiguiente, es importante que el circuito usado para acondicionar la señal del termopar esté bien blindado y sea de bajo ruido. Para reducir el ruido adicionalmente, la señal del termopar se puede pasar a través de un filtro RC de paso bajo con una frecuencia de corte apropiada. Por ejemplo, un filtro de 4 Hz puede ser útil para eliminar el ruido de la línea de energía que puede ocurrir en plantas y laboratorios.

2-36

Termopares Ventajas y limitaciones de los termopares Los termopares se utilizan ampliamente en maquinaria de control de procesos como elementos de medición de temperatura para incineradores y hornos. Los termopares son simples, robustos y relativamente económicos. Usualmente tienen un rango de temperatura más amplio y un tiempo de respuesta más rápido que los DTR. Sin embargo, los termopares son más sensibles al ruido,que los DTR. Además, los termopares necesitan una referencia para mediciones .de temperatura exactas porque los alambres aislados del medidor que tienen contácto con los alambres del termopar forman dos junturas adicionales que pueden prodúcir voltajes parásitos indeseados.

Sondas de termopar y módulo Transmisor de temperatura a termopar del Sistema didáctico en control de procesos El Sistema didáctico en control de procesos viene con cuatro sondas de termopar del tipo J. Estas sondas se proponen para usarse en conjunto con los cuatro transmisores en el módulo Transmisor de temperatura a termopar, como lo muestra la figura 2-14. Cada sonda de termopar tiene un conector polarizado que se adapta a la entrada TERMOPAR de cualquiera de los cuatro transmisorés. El otro extremo de la sonda, que tiene un ajuste macho de rápida conexión, contiene la juntura del termopar y está diseñado para ser conectado a cualquiera de los puertos de presión en los componentes del Sistema didáctico para poder medir la temperatura del agua en éstos. Cuando está conectada a un puerto de presión, la sonda de termopar produce un voltaje de Seebeck proporcional a la temperatura del agua en ese puerto. El transmisor de temperatura a termopar al cual se conecta la sonda, mide el voltaje de Seebeck y lo convierte en voltajes y corrientes normalizados que quedan disponibles a las SALIDAS del transmisor. Observe que cada transmisor de temperatura a termopar tiene un circuito electrónico que compensa automáticamente los voltajes parásitos creados por la conexión de una sonda de termopar a la entrada TERMOPAR del transmisor. Además, cada transmisor se puede calibrar por medio de una fuente de calibración interna que simula el voltaje producido por una sonda de termopar para cualquier temperatura comprendida entre O y 100°C (32 Y 212 °F) . La fuente elimina la necesidad de llevar la sonda de termopar a una temperatura bien conocida cuando se realiza la calibración de las SALIDAS del transmisor. La descripción de los terminales y ajustes de cada transmisor de temperatura a termopar es idéntica a la dada en la sección PRINCIPIOS del ejercicio 2-1 para el Transmisor de temperatura a DTR, excepto en el caso de la entrada TERMOPAR.

2-37

Termopares

o FUENTE DE

, , - ENTRADA -...

CAlIBRACION SELECTOR

"OMAA

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TERMOPAR

. - CALlBRACIÓN - - . .

CERO

GAMA

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TERMOPAR

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C~aRAC~N --..

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TRANSM ISOR DE TEMPERATURA A TERMOPAR

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TERMOPAR

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®----@--@@

o AJUSTE MACHO DE RÁPIDA CONEXiÓN

SONDA DE TERMOPAR

Figura 2-14. Sondas de termopar y Transmisor de temperatura a termopar del Sistema didáctico.

2-38

Termopares Nota: No se recomienda usar una sonda de termopar y el Transmisor de temperatura a termopar para medir la temperatura del agua en la Columna del Sistema didáctico. La razón de esto es que es probable que resulten mediciones de temperatura inexactas de la conexión de una sonda de termopar con el puerto de presión inferior de la Columna, debido a un flujo de agua insuficiente en ese punto. En vez de eso se prefiere que sean usados la sonda DTR y el Transmisor de temperatura a DTR para medir la temperatura del agua en la Columna.

Resumen del procedimiento En este ejercicio, se comparará la constante de tiempo de un Transmisor de temperatura a DTR con la de un Transmisor de temperatura a termopar. Esto permitirá determinar cuál de estos transmisores responde más rápidamente ante cambios abruptos (repentinos) en la temperatura. Nota: Para repasar cómo determinar la constante de tiempo de un dispositivo de medición de temperatura, consulte "características dinámicas" en la sección "PRINCIPIOS FUNDAMENTALES" de la Unidad 2.

EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilización de los equipos, en el apéndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio.

PROCEDIMI ENTO

Montaje preliminar

D

1. Monte el módulo Transmisor de temperatura a termopar, el Transmisor de temperatura a DTR y la Fuente de alimentación cc de 24 V sobre la Superficie de trabajo.

D

2. Energice la Fuente de alimentación cc, el módulo Transmisor de temperatura a termopar y el Transmisor de temperatura a DTR.

D

3. Conecte la sonda DTR al Transmisor de temperatura a DTR.

D

4. Conecte una sonda de termopar al transmisor TT1 del módulo Transmisor de temperatura a termopar. Deje que las puntas de la sonda DTR y de la sonda de termopar descansen sobre la Superficie de trabajo.

2-39

Termopares o

5. Haga los siguientes ajustes En el Transmisor de temperatura a termopar TT1: SELECTOR DE ENTRADA .. ... .... ... . .... TERMOPAR SELECTOR DE CALIBRACiÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. FIJO

En el Transmisor de temperatura a DTR: SELECTOR DE ENTRADA ....................... DTR SELECTOR DE CALIBRACiÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. FIJO

o

6. Grafique sobre el registrador de un controlador las señales a la SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR y a la SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a termopar TT1. Ajuste la tasa de actualización del registrador a una velocidad alta. Nota: Si el controlador que usted está usando es el Software de simulación y de control de procesos (L VPROSIM) de Lab- Volt, modelo 3674, realice los siguientes pasos para graficar las señales de salida del transmisor de temperatura sobre el registrador del controlador:

Conecte la SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR a la entrada analógica 1 de la Interfaz E/ S, modelo 9065. Luego conecte la SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a termopar TT1 a la entrada analógica 2 de esta interfaz. En la Interfaz E/S, verifique que los interruptores RANGO de las entradas analógicas 1 y 2 estén en 5 V. En el L VPROSIM, seleccione las entradas analógicas 1 y 2 de la lista de selección del Registrador. Ajuste el intervalo de muestreo del L VPROSIM en 250 ms. Acceda a la ventana Configuración de las entradas analógicas y ajuste los valores mínimo y máximo del rango de las entradas analógicas 1 y 2 en O y 100 °C (32 Y 212 °F) , respectivamente, lo cual corresponde al rango de medición actualmente calibrado en los transmisores. Lleve la constante de tiempo del filtro de las entradas analógicas 1 y 2 a O segundos. Verifique que la función de extracción de la raíz cuadrada de la entrada analógica 1 no esté seleccionada. Acepte la configuración y regrese a la pantalla principal.

Medición de las constantes de tiempo del Transmisor de temperatura a DTR

y del Transmisor de temperatura a termopar

o

2-40

7. Permita que el nivel de las señales de los dos transmisores de temperatura se estabilicen en el registrador.

Termopares Nota: Es aceptable una diferencia de ± 1°C (1,8 °F) entre la temperatura ambiente medida por los dos transmisores.

o

8. Sumerja simultáneamente las puntas de la sonda DTR y de la sonda de termopar en un contenedor lleno con agua caliente (aproximadamente a 50 °C o 122°F).

o

9. Una vez que el nivel de las señales de salida del transmisor de temperatura se ha estabilizado, ponga en pausa el registrador. .

o

10. Usando la traza del registrador, determine la constante de tiempo aproximada, T, de cada transmisor de temperatura, en segundos. Anote sus resultados en la tabla 2-2. TRANSMISOR

CONSTANTE DE TIEMPO

Transmisor de temperatura a DTR Transmisor de temperatura a termopar t

Tabla 2-2. Comparación de las constantes de tiempo dEl los dos transmisores.

o

11. ¿Cuánto más pequeña es la constante de tiempo del Transmisor de temperatura a termopar que la del Transmisor de temperatura a DTR?

o

12. Asumiendo que el proceso de temperatura del Sistema didáctico en control de procesos tiene una constante de tiempo aproximada de 400 segundos en modo de calefacción o de refrigeración, ¿serían el Transmisor de temperatura a DTR y el Transmisor de temperatura a termopar apropiados como elementos de medición de temperatura para realizar el control en lazo cerrado del proceso? Explique.

o

13. Reajuste la tasa de actualización del registrador para poder supervisar la respuesta de las señales de salida del transmisor sobre un periodo de 10 minutos aproximadamente. Nota: Si el controlador que usted está usando es el L VPROSIM, aumente su intervalo de muestreo a 1500 ms.

2-41

Termopares o

14. Retire simultáneamente las puntas de la sonda DTR y de la sonda de termopar del agua caliente y colóquelas sobre la Superficie de trabajo. Compare las curvas de respuesta de las señales de salida de los dos transmisores en términos de la pendiente y del tiempo de estabilización.

o

15. Apague la Fuente de alimentación cc de 24 V.

o 16. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres y componentes a su lugar de almacenamiento.

CONCLUSiÓN En este ejercicio, se observó la diferencia en las constantes de tiempo entre un Transmisor de temperatura a DTR y un Transmisor de temperatura a termopar. Se vio que el Transmisor de temperatura a termopar tiene un tiempo de respuesta más rápido que el Transmisor de temperatura a DTR. Una de las razones por las que esto ocurre es que la sección de medición del DTR es más grande que la del termopar, causando que dicha sección tome más tiempo en aumentar o disminuir su temperatura. También se observó que las constantes de tiempo de los dos transmisores no son significativas con respecto a la del proceso de temperatura del Sistema didáctico en control de procesos.

PREGUNTAS DE REVISiÓN 1. ¿Qué es el efecto Seebeck?

2.

2-42

¿Qué es un termopar? ¿Cómo funciona?

Termopares 3.

Enuncie los tipos de termopares usados en la industria y la composición de alambre asociada con cada uno de ellos.

4.

¿Por qué la medición del voltaje producido por un termopar no es tan simple como parece?

5.

¿Qué significa compensación de la juntura en frío? Describa dos métodos de realizar la compensación de la juntura en frío. .

2-43

2-44

Ejercicio

2-3

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura OBJETIVO DEL EJERCICIO

• •

Determinar la tasa a la cual el agua gana o pierde energía térmica en un proceso de temperatura. Definir los siguientes términos: capacidad térmica específica y equilibrio de energía térmica.

PRINCIPIOS Medición de energía térmica

Como se mencionó anteriormente, la energía térmica está asociada con el movimiento aleatorio o desorganizado de las partículas que constituyen un cuerpo. En fluidos ideales, la energía térmica es toda energía cin~tica. En los sólidos, la energía térmica es una combinación de energía ciné~ ca y potencial. ,. •

En el sistema S.1. de unidades, la energía térmica, al igual que todas las "formas" de energía, se mide en julios (J). Debido a que el julio es una unidad relativamente pequeña, es más frecuentemente usado el kilojul io (kJ).

•

En el sistema E.U. de unidades, la energía térmica se mide en unidades térmicas británicas (Btu). 1 Btu es igual a 1054 J o 1,054 kJ.

Capacidad térmica específica

Cualquier cuerpo se puede caracterizar por su capacidad térmica específica. La capacidad térmica específica se define como la energía térmica que el cuerpo debe ganar para que su temperatura aumente un grado, a una temperatura dada y para una presión o volumen dado. •

En el sistema S.I. de unidades, la capacidad térmica específica se mide en julios por gramo grado Celsius (J/g .0C).

•

En el sistema E.U. de unidades, la capacidad térmica específica se mide en unidades térmicas británicas por libra grado Fahrenheit (Btu/lbm .oF) .

La capacidad térmica específica de un cuerpo es una indicación de su facultad para almacenar energía térmica. Entre más grande sea la capacidad térmica específica, mayor será la facultad del cuerpo para almacenar energía térmica.

2-45

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura Energía térmica ganada o perdida por un cuerpo Siempre que ocurre una transferencia de energía térmica entre dos cuerpos, el cuerpo más caliente pierde energía térmica mientras que el más frío gana energía térmica. Esto produce que la temperatura de los dos cuerpos cambie, asumiendo que no hay cambio de fase . . La cantidad de energía térmica ganada o perdida por un cuerpo para cualquier cambio en la temperatura del mismo se puede determinar usando la siguiente fórmula:

E = m . llT . C p donde E m

llT Cp

=energía térmica ganada o perdida (J o Btu); =masa del cuerpo (g o Ibm); =cambio de temperatura, igual a Ttinal - Tincial (OC o °F);

= capacidad térmica específica del cuerpo (J/g .oC o Btu/lbm

°F).

El signo de E en la fórmula anterior determina si el cuerpo ha ganado o perdido energía térmica. Cuando E es positivo (debido a que llT es positivo), el cuerpo ha ganado energía térmica y cuando E es negativo (debido a que llT es negativo), el cuerpo ha perdido energía térmica. La fórmula indica que entre mayor sea la masa de un cuerpo, mayor es la cantidad de energía térmica que el cuerpo debe ganar para que su temperatura aumente una cantidad dada.

Potencia En el contexto de transferencia de energía térmica, la potencia se puede definir como la tasa a la cual la energía térmica está siendo ganada o perdida por un cuerpo. La potencia es simplemente la energía dividida por el tiempo. •

En el sistema S.I . de unidades, la potenciase mide en vatios (W). Un vatio (1 W) es igual a un julio por segundo (1 J/s).

•

En el sistema E.U. de unidades, la potencia se mide en unidades térmicas británicas por segundo (Btu/s) cuando el tipo de energía involucrada es la térmica. 1 Btu/s es igual a 1054 W o 1,054 kW.

La fórmula para calcular la potencia, en el contexto de transferencia de energía térmica, es la siguiente: p

2-46

E

m . llT . C p

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura donde P

= potencia,

e.d. tasa de pérdida o absorción de energía térmica (Wo Btu/s); E = energía perdida o ganada (J o Btu); = tiempo (s); m = masa del cuerpo (g o Ibm); 6T = cambio de temperatura (OC o °F); Cp = capacidad térmica específica del cuerpo (J/g .o C o Btu/lbm·oF).

La fórmula muestra que, para cualquier tasa dada de pérdida o absorción de energía térmica, entre mayor sea la masa de un cuerpo, mayor es el tiempo que toma a la temperatura del cuerpo cambiar una cantidad dada,

Conversión de energía en un proceso de temperatura Todos los procesos requieren energía en alguna forma para realizar sus funciones. En un proceso de temperatura controlado en modo de calefacción, por ejemplo, se requiere energía en forma térmica para aumentar la temperatura del mismo. Una forma común de energía disponible en plantas es la eléctrica. Como consecuencia, con frecuencia es necesario algún tipo de dispositivo convertidor de energía para transformar esta energía eléctrica en otra forma de energía. ~

Como ejemplo, considere el proceso de temperatura d¡:¡1 Sistema didáctico ilustrado en la sección superior de la figura 2-15. El proceso implica una fase de calefacción y una de refrigeración. •

La fase de calefacción consiste en adicionar energía térmica al agua, con el uso de una Unidad de calefacción. En ese punto, la energía eléctrica es convertida en energía térmica por la Unidad de calefacción.

•

La fase de refrigeración consiste en retirar energía térmica del agua, con el uso de una Unidad de refrigeración. En ese punto, los motores de los ventiladores de la Unidad de refrigeración convierten la energía eléctrica suministrada por el mando de velocidad variable en energía mecánica para hacer que los ventiladores roten. Los ventiladores convierten la energía mecánica en energía cinética. La energía cinética se transmite a las partículas de aire en los alrededores de la Unidad de refrigeración, creando una corriente de aire a través de la misma.

Siempre que la energía se convierte de una forma a otra, la salida de energía útil es menor que la entrada de energía porque todos los dispositivos convertidores de energía tienen pérdidas. En el proceso de la figura 2-15, por ejemplo, •

La energía térmica producida por la Unidad de calefacción no es transferida toda al agua, ya que parte de esta energía está siendo perdida por conducción y convección natural en el aire.

•

De manera similar, la energía eléctrica tomada por los motores de los ventiladores de la Unidad de refrigeración no se convierte toda en energía mecánica y la energía mecánica usada por los ventiladores no se convierte toda en energía cinética.

¡

2-47

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura

,

PÉRDIDA DE ENERGíA TÉRMICA

~

T.

t

\!f

~ PÉRDIDA DE ENERGíA TÉRMICA

T

t t t

PÉRDIDA DE ENERGíA TÉRMICA

ENERGíA CINÉTICA ENERGíA MECÁNICA ~ ~

ENERGíA ELÉCTRICA

GANANCIA DE ENERGíA TÉRMICA T2

-.

~ PÉRDIDA ---- DE ENERGí -.... TÉRMICA

ENERGíA ELÉCTRICA I I I

0D NIVEL DE SALIDA DEL TRANSMISOR DE TEMPERATURA

EQUILIBRIO TÉRMICO

TRANSMISOR

T2

TRANSMISOR

Ta

TRANSMISOR

T. T1

TRANSMISOR

CONDICiÓN INICIAL TIEMPO

Figura 2-15. Proceso de temperatura del Sistema didáctico

2-48

PÉR DE E TÉRI

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura Equilibrio de energía térmica Se dice que un proceso de temperatura está en equilibrio térmico o en equilibrio de energía térmica cuando la cantidad total de energía térmica que gana es igual a la cantidad total de energía térmica que pierde, de acuerdo con la siguiente relación de equilibrio de energía: E ganada

= E perdida

donde E ganada = Energía térmica ganada (J o Btu); E perdida = Energía térmica perdida (J o Btu). Como ejemplo, considere nuevamente el proceso de temperatura de la figura 2-15: •

Cuando el sistema arranca inicialmente, el agua almacena una cierta cantidad de energía térmica que produce que la masa de agua esté a temperatura ambiente aproximadamente. Como consecuencia, las salidas de los cuatro transmisores de temperatura, TT1 hasta TT 4, están todos en el mismo nivel , como lo muestra la gráfica en la sección inferior de la figura 2-15.

•

Como el agua circula a través del circuito, gana energía térmica mediante la Unidad de calefacción y también mediante las partes internas de la bomba. De otro lado, pierde energía térmica a través de la UniGlad de refrigeración y también a través de las mangueras debido a la conJ€pción forzada dentro de las mismas y a la convección natural en el aire. Debido a que la cantidad total de energía térmica ganada por el agua es mayor que la cantidad total de energía térmica perdida por sí misma, la energía térmica es almacenada en ella, causando que su temperatura aumente en los cuatro transmisores de temperatura. La cantidad total de energía térmica almacenada por el agua en cualquier tiempo dado está determinada por la siguiente relación de equilibrio de energía: E almacenada

=

E ganada - E perdida

donde Ealmacenada = Energía térmica almacenada (J o Btu) ; Eganada = Energía térmica ganada (J o Btu) ; Eperdida = Energía térmica perdida (J o Btu). •

Mientras el tiempo pasa, cada vez se pierde más energía térmica hacia el aire circundante debido al diferencial de temperatura en aumento entre el agua y el aire circundante. Como consecuencia, cada vez menos energía térmica es almacenada por el agua, causando que la temperatura del agua aumente a una tasa decreciente en los cuatro transmisores de temperatura.

•

Si el proceso fuera abandonado, al final llegaría a un estado de equilibrio térmico tal que la cantidad total de energía térmica ganada por el agua se hiciera igual a la cantidad total de energía térmica perdida por la misma. En ese punto, el agua deja de almacenar energía térmica, causando que la temperatura del agua deje de aumentar y se estabilice en los cuatro transmisores de temperatura.

2-49

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura En equilibrio, es posible determinar experimentalmente la tasa a la cual la energíé térmica está siendo ganada o perdida por el agua entre dos puntos cualesquiera de circuito. Esto requiere que la temperatura del agua sea medida en los dos punto! deseados y que se use la siguiente fórmula. Esta fórmula es una variación de lé fórmula anterior para el cálculo de la potencia:

Sistema 5./. de unidades (con e/ caudal expresado en unidades métricas de //min)

P = donde

p . Q . LlT . Cp 60 s/min . 1000 11m 3

P = tasa a la cual se gana o pierde energía térmica (W) ; p = densidad de masa del agua (g/m 3 ) ; Q = caudal volumétrico del agua (1/min); LlT = diferencia de temperatura entre los dos puntos (oC) ; C p = capacidad térmica específica del agua (J/g OC) .

Sistema E. U. de unidades:

p . Q . LlT . C

p P = --------------~---3

60 s/min . 7,48 gal EU/pies

donde P = tasa a la cual se gana o pierde energía térmica (Btu/s) ; p = densidad de masa del agua (lbm/pies3 ); Q = caudal volumétrico del agua (gal EU/min); LlT = diferencia de temperatura entre los dos puntos (OF) ; C p = capacidad térmica específica del agua (Btu/lbm °F). Por ejemplo, suponga que se quiere determinar la tasa a la cual la energía térmica es ganada por el agua mientras fluye a través de la Unidad de calefacción. En equilibrio, la temperatura del agua a la entrada de esta unidad, T 1 , es 50 °C (122 °F), mientras que la temperatura del agua a la salida, T 2 , es 55 °C (131 °F) . El caudal de agua es 2,0 I/min (0,528 gal EU/min), la densidad de masa del agua es 1000 kg/m 3 (62,42 Ibm/ft3 ) y la capacidad térmica específica del agua es 4,19 J/g . oC (1 ,00 Btu/lbm .oF). Como consecuencia,

Sistema 5./. de unidades:

= 1000000 g/m 3· 2,0 I/min . 5 oC· 4,19 J/g . oC

P

60 s/min . 1000 11m 3

(W)

= 698W

2-50

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura Sistema E. U. de unidades:

P

=

(Btu/s)

=

62,42 Ibm/ft 3 . 0,528 gal EU/min ·9 °F· 1,00 Btu/lbm· °F 60 s/min . 7,48 gal EU/min 0,66 Btu/s

Asumiendo que la Unidad de calefacción está tomando la máxima potencia eléctrica (nominal) de 1060 W (1,00 Btu/s), el resultado anterior indicaría que cerca de un 66% de la energía térmica producida por la Unidad de calefacción es absorbida por el agua y que el resto se pierde por convección en el aire circundante.

Resumen del procedimiento

En este ejercicio, se medirá la temperatura del agua en diferentes puntos de un proceso de temperatura mientras que el proceso esté en un estado de equilibrio térmico. Esto permitirá determinar la tasa a la cual la energía térmica es ganada o perdida por el agua mientras fluye a través de los componentes del circuito.

EQUIPO REQUERIDO

Consulte la tabla de utilización de los equipos, en el éilpéndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar .este ejercicio.

PROCEDIMIENTO

Montaje preliminar y calibración de los transmisores de temperatura

o

1. Conecte el sistema mostrado en la figura 2-16. La potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción será controlada con un controlador, TIC1, colocado en modo manual (lazo abierto). La velocidad de rotación de los ventiladores de la Unidad de refrigeración será controlada manualmente. Para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, se puede usar un segundo controlador (FIC1) colocado en modo manual (lazo abierto) o una fuente de voltaje CC de 0-5 V conectada a la entrada 0-5 V de este mando. Use los cuatro transmisores de temperatura a termopar para TT1, TT2, TT3 Y TT4. Nota: Si el controlador que usted está usando como controlador TlC1 es el Software de simulación y de control de procesos (L VPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, consulte la figura 8-3 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM a la Unidad de calefacción.

2-51

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura Observe que se puede usar el generador de funciones de este software como una fuente de voltaje ce de 0-5 Vpara controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Para hacer esto, conecte la computadora L VPROSIM a la entrada 0-5 V de este mando a través de la salida analógica 2 de la Interfaz E/S, modelo 9065, como se indica en la figura 8-2 del apéndice B. El generador de funciones L VPROSIM luego se puede ajustar para producir un voltaje de control ce entre O y 5 V, según se explica en la sección Generador de funciones del apéndice F.

G)

(f)

I

I

I I

I I I I

I I I

I I

I I

I I

I I I I I I I I I I I

CONECTOR

C1 J---,I---'CONECTOR

I

I I I I I I I

I I

I I I

I

I I I I I

d)

I I

I I I I I

I I I

I

I I

I

I I

(1)

Cf)

@

Figura 2-16. Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura.

o

2. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefacción: Interruptor S1 ........... . ......................... 1

2-52

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura En la Unidad de refrigeración: Interruptor S1 . . ..... . ................ ..... .... .... 2 Perilla de control manual . ....... . . .. completamente girada en sentido antihorario Interruptor S2 . . .................. ... ..... . . . ..... TT

En cada Transmisor de temperatura a termopar: SELECTOR DE SELECTOR DE Perilla de ajuste Perilla de ajuste

ENTRADA. . . . . . . . . . . . . FUENTE DE CAL. CALIBRACiÓN ............... VARIABLE CERO . . ... . . .. . . .. . .. . . . .. . .... MÁX. GAMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. MÁX.

o

3. Verifique que el controlador TIC1 esté en modo manual (lazo abierto). Lleve la salida de este controlador a 0% (O V) .

o

4. Verifique que el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo sea O V. Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la amplitud del generador en O y la desviación en 0%.

o

5. Energice la Fuente de alimentación cc, la Unidad de calefacción, la Unidad de refrigeración, el Transmisor de caudal a turbina y el módulo Transmisor de temperatura a termopar.

o

6. Calibre la SALIDA 0-5 V de cada uno de los cuatro Transmisores de temperatura a termopar de tal forma que el voltaje en ésta pase desde 0,0 hasta 5,00 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibración aumente desde 25 hasta 55 °C (77 hasta 131 °F), respectivamente. Nota: Utilice el método descrito en los pasos 8 hasta 11 del procedimiento del ejercicio 2-1 para calibrar la SALIDA 0-5 V de los transmisores usando su fuente de calibración.

o

7. Ahora que los cuatro Transmisores de temperatura a termopar están calibrados, lleve el interruptor SELECTOR DE ENTRADA de cada transmisor a TERMOPAR.

2-53

TransterenCla ae energla Ierrnlca en un proceso de temperatura Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna

o

8. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador esté apretada firmemente.

o

9. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviación esté instalada correctamente en la parte inferior del tanque.

o

10. Encienda la Unidad de bombeo llevando su interruptor ALIMENTACiÓN a la posición l.

o

11. En la Unidad de bombeo, ajuste las válvulas HV1 hasta HV3 como sigue: -

o

HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario).

12. Aplique un voltaje CC de 5 V a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para hacer que éste rote a velocidad máxima. Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la desviación del generador en 100%.

o

13. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algún nivel intermedio. Esto forzará al aire para que salga de los componentes corriente abajo de la Columna.

Colocación del sistema en modo de recirculación de agua

2-54

o

14. En la Unidad de bombeo, cierre la válvula HV1. Luego ajuste la válvula HV3 para dirigir el flujo de retorno hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario).

o

15. En la Columna, retire la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna.

o

16. En la Unidad de bombeo, abra la válvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta válvula.

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura o

17. Reajuste el voltaje CC aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo hasta que obtenga una lectura de 2,0 V aproximadamente en la salida uF (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustará el caudal en aproximadamente 2 I/min (0,53 gal EU/min). Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar el mando de velocidad variable, ajuste la desviación del generador para obtener una lectura de 2,0 Ven la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina.

Medición de temperatura en equilibrio

o

18. Grafique la señal de salida de cada Transmisor de temperatura a termopar (TT1 hasta TT 4 en la figura 2-16) sobre el registrador del controlador TIC1. Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, esto puede hacerse realizando los siguientes pasos:

Conecte la SALIDA 0-5 V de los Transmisores de temperatura a termopar TT1 hasta TT4 a las entradas analógicas 1 hasta 4 de la Interfaz E/S, modelo 9065. En esta interfaz, verifique que los interruptores RANGO de las. entradas analógicas 1 hasta 4 estén en 5 V. En el L VPROSIM, seleccione las entradas analógicas 1 hasta 4 de la lista de selección del Registrador. Ajuste el intervalo de muestreo del L VPROSIM en 1250 ms. Acceda a la ventana Configuración de las entradas analógicas y ajuste los valores mínimo y máximo del rango de las entradas analógicas 1 hasta 4 en 25 y 55 oC (77 y 131 °F), respectivamente. Ajuste la constante de tiempo del filtro de cada una de estas entradas en 3 segundos. Verifique que no esté seleccionada la función de extracción de la raíz cuadrada en la entrada analógica 1. Acepte la configuración y regrese a la pantalla principal.

o

19. En la Unidad de refrigeración, lleve la perilla de control manual a la posición media.

o

20. Ajuste la salida del controlador TIC1 en 100% para aplicar la máxima potencia eléctrica al calefactor de la Unidad de calefacción. Permita que las señales de los cuatro transmisores de temperatura aumenten en el registrador. Nota: Si la temperatura ambiente es inferior a 25 oC (7rF), las señales del transmisor permanecerán en el 0% de la gama durante algún tiempo antes que comiencen a aumentar en el registrador, ya que la temperatura mínima que ellas pueden detectar ha sido ajustada a 25 oC (77 °F).

2-55

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura o

21. Una vez que la temperatura a la salida de la Unidad de calefacción (indicada por el transmisor de temperatura TT2) ha alcanzado cerca del 90% de la gama (52 °C/126 °F) en el registrador, reajuste la salida del controlador TIC1 para que esta temperatura deje de aumentar y se estabilice en dicho valor. Anote debajo el nivel de salida del controlador TIC1 requerido para que la temperatura a la salida de la Unidad de calefacción se estabilice en aproximadamente el 90% de la gama. Nivel de salida del controlador TIC1: ___ % de la gama

o

22. Ahora que la temperatura a la salida de la Unidad de calefacción está estable en aproximadamente 90% de la gama, las señales de los transmisores de temperatura TT1 hasta TT 4 deben estar todas estables en el registrador, indicando que el proceso está en un estado de equilibrio térmico. Anote debajo las temperaturas medidas por TT1 hasta TT 4 en el estado de equilibrio. TRANSMISOR DE TEMPERATURA

TEMPERATURA

TT1 TT2 TT3 TT4 Tabla 2-3. Temperaturas medidas por TT1 hasta TT4 en equilibrio.

o

23. Basándose en las temperaturas anotadas en la tabla 2-3, calcule la tasa a la cual la energía térmica está siendo ganada o perdida por el agua mientras fluye a través de la Unidad de calefacción, a través de la Unidad de refrigeración y a través de los componentes (Columna y mangueras) entre estas dos unidades. Nota: Asuma que la densidad de masa del agua es 1000 kg/f7i3 (62,42 Ibm/pies'3) y que su capacidad térmica específica es 4, 19 J/g . oC (1 ,00 Btu/lbm .oF).

En la Unidad de calefacción:

2-56

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura En la Unidad de refrigeración:

En los componentes (Columna y mangueras) entre la salida de la Unidad de calefacción y la entrada de la Unidad de refrigeración:

D 24. De acuerdo con los resultados obtenidos en el paso 23, ¿es la tasa a la cual la energía térmica es ganada en la Unidad de calefacción aproximadamente igual a la tasa a la cual la energía térmica es perdida en la Unidad de refrigeración y en los componentes entre la Unidad de calefacción y la Unidad de refrigeración? Explique.

D 25. Basándose en el nivel de salida del controlador TIC1 anotado en el paso 21, determine la cantidad de potencia eléctrica actualmente aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción, teniendo en cuenta que un nivel de salida del controlador de 100% significa que se aplica al calefactor la máxima potencia eléctrica (nominal) de 1060 W (1,00 Btu/s). Nota: Asuma que existe una relación lineal entre el nivel de salida del controlador TlC1 y la potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción.

D 26. Asumiendo que la eficiencia de conversión de energía de eléctrica a térmica es 100% en la Unidad de calefacción, ¿cuánta de la energía térmica producida por esta unidad no es absorbida por el agua? ¿A dónde va esta energía?

2-57

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura o

27. ¿Pierde el agua energía térmica mientras fluye a través de los componentes entre la salida de la Unidad de calefacción y la entrada de la Unidad de refrigeración? Si esto pasa, ¿a dónde va esta energía?

o

28. Ajuste la salida del controlador TIC1 en 0%.

o

29. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de este mando a 0%. Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la desviación del generador en 0%. iADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefacción está protegida contra sobrecalentamiento, no debe aplicarse potencia eléctrica al calefactor en ausencia de flujo de agua a través de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe girarse completamente en sentido antihorario o que el voltaje o corriente aplicado por el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mínimo (O V o 4 mA) en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podría causar que la Unidad de calefacción se desgaste prematuramente.

o

30. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefacción y la Fuente de alimentación cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiÓN a la posición O.

o

31 . Abra completamente la válvula HV1 de la Unidad de bombeo y permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque. Nota: La Columna también se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeración y reconectándolo a un puerto de retorno auxiliar en la Unidad de bombeo.

o

2-58

32. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento.

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura iADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras

y componentes. Durante la desconexión de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los componentes eléctricos o a sus terminales.

D 33. Seque todos los residuos de agua en el piso y en el Sistema didáctico en control de procesos.

CONCLUSiÓN En este ejercicio, se midió la temperatura del agua en diferentes puntos de un proceso de temperatura en equilibrio térmico. Esto permitió determinar la tasa a la cual la energía térmica fue ganada o perdida por el agua mientras fluía a través de los componentes del circuito. Se vio que la tasa a la cual la energía térmica fue ganada por el agua fue aproximadamente igual a la tasa a la cual la energía térmica fue perdida por la misma. Esto ocurrió porque el proceso estaba en equilibrio térmico. Una función fundamental del control de procesos de temperatl,!lra es actuar en el equilibrio térmico del proceso para mantener la temperatura dentro de límites predeterminados, como se verá en la unidad 4.

PREGUNTAS DE REVISiÓN 1. ¿Qué significa "capacidad térmica específica"?

2.

Calcule la cantidad de energía térmica que una masa de 1 kg (2,205 Ibm) de agua debe ganar para que su temperatura aumente por un 1°C (1 ,8 °F), dada una capacidad térmica específica de 4,19 J/g .oC (1,00 Btu/lbm .oF).

3.

¿Qué significa "equilibrio de energía térmica" en el contexto de un proceso de temperatura?

2-59

Transferencia de energía térmica en un proceso de temperatura

2-60

4.

Siempre que la energía es convertida de una forma a otra, ¿por qué la salida de energía útil es menor que la entrada de energía?

5.

En el proceso de temperatura de la figura 2-15, ¿por qué la temperatura del agua aumenta a una tasa decreciente mientras el proceso de temperatura se aproxima al estado de equilibrio térmico?

Examen de la unidad 1.

El coeficiente de temperatura de un metal es a. b.

simbolizado por la letra griega alfa (o). el cambio promedio en su resistencia relativa por unidad de temperatura entre O y 100°C (32 y 212 °F). c. usualmente medido en ohmios por ohmio grado Celsius (OC .,) o en ohmios por ohmio grado Fahrenheit (OF "). d. Todas las anteriores

2.

La resistencia eléctrica de un DTR a. b.

c. d.

3.

varía en proporción inversa a la temperatura. varía en mayor proporción con la temperatura cuando el metal usado es platino que cuando el metal usado es níquel o cobre, a temperaturas superiores a 200 °C (392 °F) . es usualmente 100 (2 a O°C (32 ° F), a menos que el fabricante especifique otra cosa. aumenta de manera perfectamente lineal sobre cualquier rango de temperaturas.

Cuando un puente Wheatstone se utiliza para medir el voltaje en un DTR,

a. b. c.

d.

el puente primero debe tener balanceo nulo ajustando el DTR a O°C (32 °F). losresistores y fuente de alimentación utilizados en el puente deben tener una buena estabilidad térmica para obtener mediciones exactas. la resistencia de los alambres aislados que conectan el DTR con el puente debe ser compensada si los alambres tienen una longitud superior a unos pocos centímetros (pulgadas) . Todas las anteriores

4. Cuando dos alambres son unidos en un extremo para formar una juntura, aparecerá un voltaje en los extremos abiertos de los alambres si a. b. c. d.

los alambres están hechos de metales similares y existe una diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres. los alambres están hechos de metales diferentes y existe una diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres. los alambres están hechos de metales similares y no existe diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres. los alambres están hechos de metales diferentes y no existe una diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres.

2-61

Examen de la unidad (cont.) 5.

La relación voltaje contra temperatura de un termopar a. b. c. d.

6.

En comparación con los tipos de termopares R y S, los tipos de termopares J yK a. b. c. d.

7.

indica que el voltaje generado por un termopar aumenta mientras la temperatura de su juntura aumenta. está usualmente referenciada a O°C (32 °F). se puede usar para relacionar el voltaje generado por el termopar con una temperatura específica. Todas las anteriores

son más sensibles. tienen un rango de medición de temperatura más amplio. son menos sensibles. (b) Y (c)

Si un voltímetro ideal (impedancia muy baja) con terminales de cobre se conecta a través de un termopar tipo T, a. se producirán voltajes parásitos en ambos puntos de conexión. b. un voltaje parásito se restará del voltaje producido por la juntura del termopar. c. un voltaje parásito se sumará al voltaje producido por la juntura del termopar. d. la lectura del voltímetro será proporcional a la temperatura de la juntura del termopar solamente.

8.

Para cualquier tasa dada de pérdida o absorción de energía térmica, el duplicar la masa de un cuerpo causará que el tiempo requerido para que la temperatura del cuerpo cambie una cantidad dada a. b. c. d.

9.

¿Cuál será la temperatura de 1 kg (2,205 Ibm) de agua a 60 °C (140 °F) si pierde 125,7 kJ (119,3 Btu) de energía térmica? a. b. c. d.

2-62

aumente por cuatro. aumente el doble. disminuya a la mitad. disminuya a la cuarta parte.

10°C 20 °C 30 °C 40 °C

(50 °F) (68 °F) (86 °F) (104°F)

Examen de la unidad (cont.) 10. Si una unidad de calefacción de agua entrega una potencia eléctrica de 3500 W (3,32 Btu/s), ¿cuánta de la energía térmica producida por esta unidad es absorbida por el agua por unidad de tiempo, si el aumento en la temperatura del agua es 10°C (50 °F) y el caudal de agua es 4,0 I/min (1,06 gal EU/min)?

a. 95% b.

c. d.

88% 80% 75%

2-63

Unidad

3

Caracterización de procesos de temperatura OBJETIVOS DE LA UNIDAD

Cuando haya completado esta unidad, usted será capaz de caracterizar un proceso de temperatura en los modos de calefacción y de refrigeración. '

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Determinación de las características dinámicas de un proceso

Método de Ziegler-Nichols (gráfico) Un método para caracterizar un proceso es el método de Ziegler-Nichols , o método gráfico, desarrollado en 1942 por John G. Ziegler y Nathaniel B. Nichols. Este método fue expuesto en detalle en las secciones PRINCIPIOS de los ejercicios 2-4 y 5-5 del manual Lab-Volt del estudiante titulado Control de procesos dff. presión, caudal y nivel, número de parte 32621-02, y es resumido a continuación para su beneficio. El método de Ziegler-Nichols consiste en determinar las características dinámicas de un proceso, mediante el análisis de la curva de respuesta de la variable controlada ante un cambio escalón en la variable manipulada. La curva de respuesta de la variable controlada se obtiene de la siguiente forma: con el proceso en modo de lazo abierto, se genera un cambio repentino (escalón) en la variable manipulada y se registra la reacción de la variable controlada como función del tiempo. La figura 3-1 muestra las curvas de respuesta típicas de un proceso de primer orden y uno de segundo orden. En ambos procesos, un cierto intervalo transcurre antes de que la variable controlada alcance el valor final o de estado de régimen estacionario. •

Con el proceso de primer orden , sin embargo, la máxima pendiente de la curva de respuesta ocurre inmediatamente después de que la variable controlada comienza a aumentar.

•

Por su parte, en el proceso de segundo orden, la máxima pendiente ocurre después de que la variable controlada ha comenzado a aumentar, dando la curva el aspecto de una "S" exagerada, como lo muestra la figura 3-1.

Dibujando una tangente al punto de inflexión de la curva se pueden determinar las principales características del proceso que son: el tiempo muerto, la constante de tiempo y la ganancia del proceso.

3-1

Caracterización de procesos de temperatura •

El tiempo muerto, tm, es el periodo de tiempo que transcurre antes de que la variable controlada responda al cambio escalón en la variable manipulada. La longitud del tiempo muerto depende de la velocidad con la cual el cambio escalón es recibido, procesado y ejecutado por los instrumentos y por el(los) elemento(s) de control, y también depende de la distancia sobre la cual ocurre el cambio escalón.

•

La constante de tiempo, T, es el tiempo que le toma a la variable controlada alcanzar el 63,2% del aumento o reducción total que sigue al cambio escalón en la variable manipulada. La variable controlada alcanza su valor de estado de régimen estacionario después de cinco constantes de tiempo. La magnitud de la constante de tiempo depende de los retardos de tiempo causados por la(s) capacitancia(s) y resistencia(s) del proceso. Entre mayores son la capacitancia(s) y resistencia(s) , mayor será (más lento) la constante de tiempo.

•

La ganancia del proceso, K, indica cuánto cambia la variable controlada ante un cambio dado en la variable manipulada. Se calcula dividiendo el cambio en la variable controlada por el cambio en la variable manipulada: . Ganancia del proceso

=

Cambio en la variable controlada (0;'

°

Cambio en la variable manipulada

de la gama)

(% de la gama)

Debido a que los cambios en las variables controlada y manipulada están expresados en las mismas unidades, usualmente como un porcentaje de la gama, la ganancia del proceso es un número sin dimensiones que permite comparar las ganancias para procesos con diferentes rangos de operación. El método de Ziegler-Nichols es valioso usualmente para el estudio de procesos y para determinar las constantes de reglaje del controlador PI D requeridas para realizar el control en lazo cerrado del proceso.

Método de respuesta escalón en lazo abierto 28,3%-63,2 %

Cuando el tiempo muerto del proceso es muy corto, puede ser difícil medirlo exactamente usando el método de Ziegler-Nichols. Como consecuencia, otro método, llamado el método 28,3%-63,2%, se utiliza en algunas ocasiones para determinar las características dinámicas del proceso. La figura 3-2 ilustra este método para un proceso de primer orden : •

3-2

De manera similar al método de Ziegler-Nichols, el método 28,3%-63,2% consiste en analizar la curva de respuesta de la variable controlada ante un cambio escalón en la variable manipulada.

Caracterización de procesos de temperatura

CAMBIO ESCALÓN

TIEMPO

100%

«

o

:5 ocr:

63,2 %

PROCESO DE PRIMER ORDEN CON TIEMPO MUERTO

f-

Z

o u

w

-'

al

« «

¡¡:

>

0%

VALOR INICIAL

/I / I

Iho tm

I

100%

« o « -'

ocr:

63,2%

f-

~ONs~;rl DE TIEMPO

TIEMPO

MUERTO

I VALOR DE ESTADO DE RÉGIMEN ESTACIONARIO - - - - - - - - . . I -~-------------- 7------------I / I 'o, I

--t-----------I I I I I

Z

o u w

-' al

« «

¡¡:

>

TIEMPO

PROCESO DE SEGUNDO ORDEN CON TIEMPO MUERTO

PUNTO DE INFLEXiÓN

0%

VALOR INICIAL

~~

~OMUERTO

lo

tm

TIEMPO

[

CONSTANTE DE TIEMPO

Figura 3-1. Método de Ziegler-Nichols para la caracterización de procesos.

3-3

Caracterización de procesos de temperatura •

Sin embargo, a diferencia del método de Ziegler-Nichols, el método 28,3%-63,2% no requiere que sea dibujada una línea tangente en el punto de inflexión de la curva. En lugar de eso, requiere que sea medido el tiempo tomado por la variable controlada para alcanzar el 28,3% y el 63,2% del cambio total que sigue al cambio escalón en la variable manipulada, como lo muestra la figura 3-2.

~ CAMBIO ESCALÓN

TIEMPO

I I _ 100 %

« o

5 oa:

63.2 %

>-

z

o ü W

..J ID

« ~ «

28.3%

>

0%

_ : ___

~':~~:A:: RÉ:~N ::C:N:I~

I I I --t---I I --.\-I I I

-j------1-L-I-

I I t28.3%t W

~

______

PROCESO DE PRIMER ORDEN CON TIEMPO MUERTO

I I I I I

-- - --

I

VALOR INICIAL

I

I

TIEMPO

~t:32%~ Figura 3-2. Método 28,3%-63,2% para la caracterización de procesos.

•

La constante de tiempo, T y el tiempo muerto, tm, del proceso se pueden calcular de la siguiente forma: T

tm

= 1,5 . (t 63.2% - t 28 .3%) =

t 63 •2 %

-

T

Si se usa el método de Ziegler-Nichols o el método 28,3%-63,2%, es importante observar que el dispositivo de medición utilizado para medir la variable controlada debe ser lo suficientemente rápido para detectar cambios rápidos en la variable 3-4

Caracterización de procesos de temperatura controlada. De otra manera, hay una gran posibilidad de que la curva de respuesta del proceso sea la del canal de medición, lo cual resulta en una caracterización incorrecta. Hablando en términos generales, el dispositivo de medición debe ser capaz de detectar cualquier cambio en la variable controlada en menor tiempo que el equivalente a una constante de tiempo del proceso. También observe que los controladores actuales tienen usualmente una función de almacenamiento de datos que permite que los datos usados para dibujar las curvas de respuesta de la variable manipulada y la variable controlada s.ean guardados en memoria e importados dentro de un programa de hoja de cálculo. Esta función se puede usar para medir las características dinámicas del proceso.

3-5

3-6

Ejercicio

3-1

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción

OBJETIVO DEL EJERCICIO

• Caracterizar un proceso de temperatura en modo de calefacción usando el método de Ziegler-N ichols para la caracterización de procesos.

PRINCIPIOS

En este ejercicio, se va a caracterizar el proceso de temperatura del Sistema didáctico usando el método de Ziegler-Nichols descrito en la sección introductora de la unidad. El proceso de temperatura estará en modo de calefacción, como lo muestra la figura 3-3. La potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción será controlada con un controlador, TIC1 . La velocidad de rotación de los ventiladores de la Unidad de refrigeración será ajustada nléjinualmente a un valor fijo. La variable manipulada será la energía térmica producida por el calefactor de la Unidad de calefacción. La variable controlada será la temperatura del agua en la Columna. El controlador TIC1 se coloca en modo manual (lazo abierto) y su salida será cambiada de repente con el fin de generar un cambio escalón en la potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción y por consiguiente, en la energía térmica producida por el mismo. La reacción de la temperatura del agua en la Columna (señal de salida del transmisor TT1) será registrada como función del tiempo y la función de almacenamiento de datos del controlador TIC se usará para determinar las características del proceso.

3-7

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción

CONECTOR

'------1..c

?

1-----lCONECTOR

PUNTA DE LA SONDA DTR (NO INSERTAR DENTRO DE LA COLUMNA POR AHORA) I I

I

~ Figura 3-3. Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción.

EQUIPO REQUERIDO

Consulte la tabla de utilización de los equipos, en el apéndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio.

PROCEDIMIENTO

Montaje preliminar y calibración del transmisor de temperatura

o

1. Conecte el sistema mostrado en la figura 3-3. Como se mencionó anteriormente, la potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción será controlada con un controlador, TIC1. La velocidad de rotación de los ventiladores de la Unidad de refrigeración será controlada manualmente. Para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, se puede usar un segundo controlador (FIC1) colocado en modo manual (lazo abierto) o una fuente de voltaje CC de 0-5 V conectada a la entrada 0-5 V de este mando.

3-8

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción Debido a que la Columna funcionará primero en modo presurizado, deje por ahora que la punta de la sonda DTR descanse sobre la Superficie de trabajo. Nota: Si el controlador que usted está usando como controlador TlC1 es el Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, consulte la figura 8-3 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM a la Unidad de calefacción. Además observe que usted puede usar el generador de funciones de L VPROSIM como una fuente de voltaje CC de 0-5 V para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Para hacer esto, conecte la computadora L VPROSIM a la entrada 0-5 V de este mando a través de la salida analógica 2 de la Interfaz E/S, modelo 9065, como se indica en la figura 8-2 del apéndice 8. El generador de funciones L VPROSIM luego se puede ajustar para producir un voltaje de control CC entre Oy 5 V, según se explica en la sección Generador de funciones del apéndice F.

o

2. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefacción: Interruptor S1

. . ... . . . . . . . . .. .............. .. ...... 1

En la Unidad de refrigeración: Interruptor S1 ........... . ........ .... ... ... .... . .. 2 Perilla de control manual . . . . . . . . . . . . completamente girada en sentido antihorario Interruptor S2 .. . .. . ....... .. ....... . ... .. . . .. . ... TT

En el Transmisor de temperatura a DTR (TT1): SELECTOR DE ENTRADA . . . . . . . . . . . .. FUENTE DE CAL. SELECTOR DE CALIBRACiÓN ........ .. ... . . VARIABLE Perilla de ajuste CERO .. . . . ...... . .... . .. . .. .. .. MÁX. Perilla de ajuste GAMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MÁX.

o

3. Verifique que el controlador TIC1 esté en modo manual (lazo abierto) . Lleve la salida de este controlador a 0% (O V) .

o

4. Verifique que el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo sea O V.

3-9

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la amplitud del generador en O y la desviación en 0%.

o

5. Energice la Fuente de alimentación ce, la Unidad de calefacción, la Unidad de refrigeración, el Transmisor de caudal a turbina y el Transmisor de temperatura a DTR.

o

6. Calibre la SALI DA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR de tal forma que el voltaje en ésta pase desde 0,0 hasta 5,00 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibración sea aumentada desde 25 hasta 55 °C (77 hasta 131 °F) , respectivamente. Nota: Utilice el método descrito en los pasos 8 hasta 11 del procedimiento del ejercicio 2-1 para calibrar la SALIDA 0-5 V del transmisor usando su fuente de calibración.

o

7. Ahora que el Transmisor de temperatura a DTR está calibrado, lleve el interruptor SELECTOR DE ENTRADA de este transmisor a DTR.

Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna

D

8. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador esté apretada firmemente.

o

9. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviación esté instalada correctamente en la parte inferior del tanque.

o

10. Encienda la Unidad de bombeo llevando su interruptor ALIMENTACiÓN a la posición l.

o

11. En la Unidad de bombeo, ajuste las válvulas HV1 hasta HV3 como sigue: HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario).

o

3-10

12. Aplique un voltaje CC de 5 V a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para hacer que éste rote a velocidad máxima.

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la desviación del generador en 100%.

o

13. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algún nivel intermedio. Esto forzará al aire para que salga de los componentes corriente abajo de la Columna.

Colocación del sistema en modo de recirculación de agua

o

14. En la Unidad de bombeo, cierre la válvula HV1. Luego ajuste la válvula HV3 para dirigir el flujo de retorno completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario).

o

15. En la Columna, retire la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna.

o

16. En la Unidad de bombeo, abra la válvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta válvula .

•

o

17. Reajuste el voltaje CC aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo hasta que obtenga una lectura de 4,0 V aproximadamente en la salida "C (caL)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustará el caudal en aproximadamente 4 I/min (1,1 gal EU/min). Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar el mando de velocidad variable, ajuste la desviación del generador para obtener una lectura de 4,0 Vaproximadamente en la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina.

Caracterización del proceso de temperatura

o

18. Inserte la sonda DTR enteramente dentro de la Columna para que su punta sea sumergida en el agua.

o

19. Grafique las siguientes señales en el registrador del controlador TIC1: Salida del Transmisor de temperatura a DTR (TT1); Salida del controlador TIC1.

3-11

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, consulte la figura 8-5 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM al Transmisor de temperatura a DTR TT1. En la Interfaz E/S, verifique que el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALÓGICA 1 esté ajustado en 5 V. En el L VPROSIM, seleccione la entrada analógica 1 de la lista de selección del Registrador para graficar la señal de salida del Transmisor de temperatura a DTR TT1. Luego seleccione la salida analógica 1 de esta lista para graficar la señal de salida del controlador. Acceda a la ventana Configuración de las entradas analógicas y establezca los valores del rango de salida mínimo y máximo de la entrada analógica 1 en 25 y 55 oC (77 y 131 °F), respectivamente, lo cual corresponde al rango de medición actualmente calibrado en el transmisor TT1 . Ajuste la constante de tiempo del filtro de esta entrada en 0,5 segundos. Verifique que la función de extracción de la raíz cuadrada de esta entrada no esté seleccionada y luego acepte y regrese a la pantalla principal del L VPROSIM.

D 20. Ajuste el intervalo de muestreo del controlador TIC1 en 1000 ms.

D 21. En la Unidad de refrigeración, lleve la perilla de control manual a la posición media.

D 22. Ajuste la salida del controlador TIC1 en 20% para aplicar potencia eléctrica al calefactor de la Unidad de calefacción.

D 23. Espere hasta que el Transmisor de temperatura a DTR TT1 se estabilice en el registrador del controlador TIC1, lo cual podría tomar hasta 20 minutos. Una vez se ha estabilizado, anote debajo el nivel de esta señal, medido como porcentaje de la gama (5 V). Éste será el nivel inicial. Nivel inicial: ___ % de la gama

o

24. En el controlador TIC1, inicie el almacenamiento de datos para comenzar a guardar en memoria los datos usados para graficar la salida del controlador y las señales de salida del transmisor de temperatura. Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, comience el almacenamiento de datos haciendo clic en el cuadro junto al icono de disco en la esquina superior izquierda del área de visualización del registrador.

3-12

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción o

25. Aumente repentinamente la salida del controlador TIC1 desde 20% hasta 40% para generar un aumento escalón en la potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción. Permita que la señal del Transmisor de temperatura a DTR TT1 se estabilice en el registrador, lo cual debe tomar alrededor de 30 minutos, y luego detenga el almacenamiento de datos en el controlador. Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, detenga el almacenamiento de datos 30 minutos después de hacer el cambio escalón en la salida del cohtrolador quitando la selección del cuadro junto al icono de disco.

o

26. Ahora que el nivel de la señal del Transmisor de temperatura a DTR TT1 está estable, anótelo debajo en función del porcentaje de la gama (5 V). Éste es el nivel final. Nivel final: ___ % de la gama

o

27. Detenga (ponga en pausa) el registrador.

o

28. Importe los datos almacenados dentro de un programa de hoja de cálculo, para poder determinar las características del proceso. Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, los datos almacenados están en el archivo Trendrec. txt bajo su carpeta de aplicación L VPROSIM.

o

29. Determine el cambio total en la señal de salida del Transmisor de temperatura a DTR que siguió al cambio escalón en la salida del controlador, midiéndolo sobre el porcentaje de la gama. Cambio total: ___ % de la gama

o

30. Calcule la ganancia del proceso dividiendo el valor obtenido en el paso 29 por 20%, el cual fue el cambio en la salida del controlador TIC1 y por tanto, en la variable manipulada. Anote la ganancia en la tabla 3-1.

Ganancia del proceso =

Cambio en la salida del transmisor TT1

(% de la gama)

---------------~=-=-=-=~

Cambio en la salida del controlador

(% de la gama)

3-13

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción CARACTERíSTICAS DEL PROCESO DE TEMPERATURA (modo de calefacción)

Ganancia del proceso, K Constante de tiempo, T Tiempo muerto, tm Tabla 3-1. Características del proceso de temperatura en modo de calefacción.

o

31. Determine la constante de tiempo del proceso, midiendo el tiempo que le tomó al nivel de la señal del Transmisor de temperatura a DTR alcanzar aproximadamente el 63% del cambio total que siguió al cambio escalón en la salida del controlador. Anote esta constante en la tabla 3-1.

o

32. Si es posible, determine el tiempo muerto del proceso midiendo la diferencia de tiempo entre cuando la salida del controlador fue cambiada y cuando el nivel de la señal del Transmisor de temperatura a DTR comenzó a cambiar. Anote este tiempo en la tabla 3-1.

o

33. Determine si el proceso de temperatura es de primer o de segundo orden. Explique.

o

34. Ajuste la salida del controlador TIC1 en 0%.

o

35. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de este mando a 0%. iADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefacción está protegida contra sobrecalentamient.o, no d~be aplicarse potencia eléctrica al c~lef~~tor en ausencia de fluJo de agua a través de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe girarse completamente en sentido antihorario o que el voltaje o corriente aplicado P?r el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mínimo (O V 04 mA) en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podría causar que la Unidad de calefacción se desgaste prematuramente.

3-14

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción o

36. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefacción y la Fuente de alimentación cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiÓN a la posición O.

o

37. Abra completamente la válvula HV1 de la Unidad de bombeo y permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque de esta unidad. Nota: La Columna también se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeración y reconectándolo a un puerto de retorno auxiliar en la Unidad de bombeo.

o

38. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento. ¡ADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras

y componentes. Durante la desconexión de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los componentes eléctricos o a sus terminales.

o

39. Seque todos los residuos de agua en el piso y en el Sistema didáctico en control de procesos.

CONCLUSiÓN

En este ejercicio, se caracterizó un proceso de temperatura en modo de calefacción , usando el método de Ziegler-Nichols para la caracterización de procesos. Pudo haber sido difícil medir el tiempo muerto del proceso exactamente, ya que éste es relativamente corto comparado con la constante de tiempo del proceso. Es importante conocer las características dinámicas de un proceso. Éstas se pueden usar para calcular las constantes P, I Y D del controlador requeridas para obtener la respuesta de amortiguamiento cuarto de amplitud cuando se real iza el control en lazo cerrado del proceso. Observe, sin embargo, que este método de reglaje del controlador (determinación de las constantes del controlador basándose en las características del proceso) dará resultados satisfactorios sólo cuando el tiempo muerto del proceso es exactamente conocido y además es mucho más corto que la constante de tiempo.

3-15

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de calefacción PREGUNTAS DE REVISiÓN

3-16

1.

¿Cuál hubiera sido el efecto sobre la constante de tiempo del proceso, si se hubiera ajustado el nivel de agua en la Columna a un nivel superior?

2.

¿Cuál hubiera sido el efecto sobre la ganancia del proceso, si se hubiera usado una Unidad de calefacción de mayor potencia eléctrica nominal?

3.

¿Cuál hubiera sido el efecto sobre la ganancia del proceso, si se hubiera llevado la velocidad de rotación de los ventiladores de la Unidad de refrigeración a una velocidad mayor?

4.

¿Qué efecto tendría sobre la ganancia del proceso una reducción en la eficiencia de conversión de energía eléctrica a térmica dentro de la Unidad de calefacción?

5.

¿Sería la ganancia del proceso afectada por un aumento en la temperatura ambiente? Explique.

Ejercicio

3-2

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración

OBJETIVO DEL EJERCICIO • Caracterizar un proceso de temperatura en modo de refrigeración usando el método 28,3%-63,2% para la caracterización de procesos.

PRINCIPIOS En el ejercicio anterior, se caracterizó el proceso de temperatura del sistema didáctico en modo de calefacción usando el método de Ziegler-Nichols para la caracterización de procesos . Pudo haber sido difícil medir el tiempo muerto del proceso exactamente , ya que este tiempo fue algo corto comparado con la constante de tiempo. La caracterización del proceso de temperatura del sistema didáctico en modo de refrigeración podría presentar el mismo problema, ya que el tiempo muerto de este proceso es algo corto comparado con la constante de tiempo del mismo. Como consecuencia, en este ejercicio se probará el método 28,3%-63,2% para la caracterización de procesos para caracterizar el proceso de temperatura en modo de refrigeración. Como lo muestra la figura 3-4, la velocidad de rotación de los ventiladores de la Unidad de refrigeración será controlada con un controlador, TIC1 . La potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción será ajustada manualmente a un valor fijo. La variable manipulada será la diferencia de temperatura entre el tubo aletada de la Unidad de refrigeración y el aire que es forzado por los ventiladores de la unidad a circular a través de dicho tubo. La variable controlada será la temperatura del agua a la salida de la Unidad de refrigeración. El controlador TIC1 se coloca en modo manual (lazo abierto) y su salida será cambiada de repente con el fin de generar un cambio rápido en la potencia eléctrica aplicada a los ventiladores de la Unidad de refrigeración y por consiguiente, en la velocidad de rotación de los mismos. La reacción de la temperatura del agua a la salida de la Unidad de refrigeración será registrada como función del tiempo y la función de almacenamiento de datos del controlador TIC1 se usará para determinar las características dinámicas del proceso.

3-17

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración

I

éD CONECTOR

C1 f-------J CONECTOR

I I I

0D Figura 3-4. Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración.

EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilización de los equipos, en el apéndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio.

3-18

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración PROCEDIMIENTO

Montaje preliminar y calibración del transmisor de temperatura

o

1. Conecte el proceso mostrado en la figura 3-4. Como se mencionó anteriormente, la velocidad de rotación de los ventiladores de la Unidad de refrigeración será controlada con un controlador, TIC1. La potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción será controlada manualmente. Para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, se puede usar un segundo controlador (FIC1) colocado en modo manual (lazo abierto) o una fuente de voltaje CC de 0-5 V conectada a la entrada 0-5 V de este mando. Nota: Si el controlador que usted está usando como controlador TlC1 es el Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, consulte la figura 8-4 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM a la Unidad de refrigeración.

Además observe que usted puede: usar el generador de funciones de este software como una fáente de voltaje CC para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Para hacer esto, conecte la computadora L VPROSIM a la entrada 0-5 V de este mando a través de la salida analógica 2 de la Interfaz E/S, modelo 9065, como se indica en la figura 8-2 del apéndice B. El generador de funciones L VPROSIM luego se puede ajustar para producir un voltaje de control CC entre O y 5 V, según se explica en la sección Generador de funciones del apéndice F.

o

2. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefacción : Interruptor S1 .. . . ...... . . . ... . . ... . .. . . ....... . ... 2 Perilla de control manual ........... . completamente girada en sentido antihorario En la Unidad de refrigeración: Interruptor S1 .. . . . . . ..... ... . . . . ... . .. .. . . . .. . . . .. 1 Interruptor S2 .. ... .. ....... .... .. . . . . . . . .. . ... . .. Ti

3-19

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración En el Transmisor de temperatura a termopar TT1: SELECTOR DE ENTRADA ............. FUENTE DE CAL. SELECTOR DE CALIBRACiÓN . . . . . . . . . . . . . .. VARIABLE Perilla de ajuste CERO ... ..... .. . ..... ... ........ MÁX. Perilla de ajuste GAMA ........... .. .... . ......... MÁX.

o

3. Verifique que el controlador TIC1 esté en modo manual (lazo abierto). Lleve la salida de este controlador a 0% (O V).

o

4. Verifique que el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo sea O V. Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la amplitud del generador en O y la desviación en 0%.

o

5. Energice la Fuente de alimentación ce, la Unidad de calefacción, la Unidad de refrigeración, el Transmisor de caudal a turbina y el módulo Transmisor de temperatura a termopar.

o

6. Calibre la SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a termoparTT1 de tal forma que el voltaje en ésta pase desde 0,0 hasta 5,0 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibración sea aumentada desde 25 hasta 55 °C (77 hasta 131 °F), respectivamente. Nota: Utilice el método descrito en los pasos 8 hasta 11 del procedimiento del ejercicio 2-1 para calibrar la SALIDA 0-5 V del transmisor usando su fuente de calibración.

o

7. Ahora que el Transmisor de temperatura a termopar TT1 está calibrado, lleve el interruptor SELECTOR DE ENTRADA de este transmisor a TERMOPAR.

Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna

3-20

o

8. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador esté apretada firmemente.

o

9. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviación esté instalada correctamente en la parte inferior del tanque.

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración D

10. Encienda la Unidad de bombeo llevando su interruptor ALI MENT ACiÓN a la posición 1.

D

11. En la Unidad de bombeo, ajuste las válvulas HV1 hasta HV3 como sigue: HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario).

D

12. Aplique un voltaje CC de 5 V a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para hacer que éste rote a velocidad máxima. Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la desviación del generador en 100%.

D

13. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algún nivel intermedio. Esto forzará al aire para que salga de los componentes corriente abajo de lá 90lumna.

Colocación del sistema en modo de recirculación de agua D

14. En la Unidad de bombeo, cierre la válvula HV1. Luego ajuste la válvula HV3 para dirigir el flujo de retorno completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario).

D

15. En la Columna, retire la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna.

D

16. En la Unidad de bombeo, abra la válvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta válvula.

D

17. Reajuste el voltaje CC aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo hasta que obtenga una lectura de 4,0 V aproximadamente en la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustará el caudal en aproximadamente 4 I/min (1 ,1 gal EU/min) . Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la desviación del generador para obtener una lectura de 4, O V aproximadamente en la salida "e (cal.) " del Transmisor de caudal a turbina.

3-21

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración Caracterización del proceso de temperatura

o

18. Grafique las siguientes señales sobre el registrador del controlador TIC1 : Salida del Transmisor de temperatura a termopar TT1; Salida del controlador TIC1. Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, consulte la figura 8-6 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM al Transmisor de temperatura a termopar IT1 . En la Interfaz E/S, verifique que el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALÓGICA 1 esté ajustado en 5 V.

En el L VPROSIM, seleccione la entrada analógica 1 de la lista de selección del Registrador para graficar la señal de salida del Transmisor de temperatura a termopar IT1 . Luego seleccione la salida analógica 1 de esta lista para graficar la señal de salida del controlador sobre el registrador. Acceda a la ventana Configuración de las entradas analógicas y establezca los valores del rango de salida mínimo y máximo de la entrada analógica 1 en 25 y 55 oC (77 y 131 °F), respectivamente, lo cual corresponde al rango de medición calibrado del transmisor IT1. Ajuste la constante de tiempo del filtro de esta entrada en 3 segundos. Verifique que la función de extracción de la raíz cuadrada de esta entrada no esté seleccionada y luego acepte y regrese a la pantalla principal del L VPROSIM.

o

19. En la Unidad de calefacción, lleve la perilla de control manual a la posición completamente en sentido horario para aplicar la máxima potencia eléctrica al calefactor de esta unidad.

o

20. Permita que la señal del Transmisor de temperatura a termopar TT1 aumente hasta aproximadamente el 80% de la gama [o 49 °C (120 °F)] en el registrador del controlador TIC1; luego reajuste la perilla de control manual de la Unidad de calefacción para que esta señal deje de aumentar y se estabilice en el 80% de la gama aproximadamente. [El ajuste requerido de la perilla debe estar alrededor de la posición media a una temperatura ambiente de 21 °C (70 °F)]. El 80% de la gama será la máxima temperatura que el proceso puede alcanzar y será el nivel inicial de la señal del Transmisor de temperatura a termopar TT1 .

3-22

o

21. Ajuste el intervalo de muestreo del controlador TIC1 en 1000 ms.

o

22. En el controlador TIC1, inicie el almacenamiento de datos para comenzar a guardar en memoria los datos usados para dibujar la salida del controlador y las señales de salida del transmisor de temperatura.

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración Nota: Si el controlador que usted está usando como T/C1 es el L VPROSIM, comience el almacenamiento de datos haciendo clic en el cuadro junto al icono de disco en la esquina superior izquierda del área de visualización del registrador.

D 23. Aumente repentinamente la salida del controlador TIC1 desde 0% hasta 25% para generar un aumento escalón en la velocidad de rotación de los ventiladOres de la Unidad de refrigeración. Permita que la señal del Transmisor de temperatura a termopar TT1 se estabilice en el registrador del controlador TIC1 , lo cual podría tomar hasta 30 minutos, y luego detenga el almacenamiento de datos en este controlador. Nota: Si el controlador que usted está usando como T/C1 es el L VPROSIM, de tenga el almacenamiento de datos 30 minutos después de hacer el cambio escalón en la salida del controlador quitando la selección del cuadro junto al icono de disco.

D 24. Ahora que el nivel de la señal del Transmisor de temperatura a termopar TT1 está estable, anótelo debajo en función del porcentaje de la gama (5 V). Éste es el nivel final. Nivel final: ___ % de la gama

D 25. Detenga (ponga en pausa) el registrador.

D 26. Importe los datos almacenados dentro de un programa de hoja de cálculo para poder determinar las características del proceso. Nota: Si el controlador que usted está usando como T/C1 es el L VPROSIM, los datos almacenados están en el archivo Trendrec.txt bajo su carpeta de aplicación LVPROSIM.

D 27. Determine el cambio total en la señal de salida del transmisor TT1 que siguió al cambio escalón en la salida del controlador, midiéndolo como porcentaje sobre la gama. Cambio total : ___ % de la gama

D 28. Calcule la ganancia del proceso dividiendo el valor obtenido en el paso 27 por 25%, el cual fue el cambio en la salida del controlador TIC1 y por tanto, en la variable manipulada. Anote la ganancia en la tabla 3-2.

Ganancia del proceso

Cambio en la salida del transmisor TT1

(% de la gama)

= -----------------'..:.=-=-=-=:=!. Cambio en la salida del controlador

(% de la gama)

3-23

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración CARACTERíSTICAS DEL PROCESO DE TEMPERATURA (modo de refrigeración)

Ganancia del proceso, K Constante de tiempo, T Tiempo muerto, tm Tabla 3-2. Características del proceso de temperatura en modo de refrigeración.

o

29. Mida el tiempo que le tomó a la señal de salida del transmisor TT1 alcanzar el 28,3% de la reducción total que siguió al cambio escalón en la salida del controlador. t

o

28,3%

=

S

30. Ahora mida el tiempo que le tomó a la señal de salida del transmisor TT1 alcanzar el 63,2% de la reducción total que siguió al cambio escalón en la salida del controlador.

t 63,2%

=

S

o 31. Basándose en sus respuestas de los pasos 29 y 30, Y en la siguiente fórmula, determine la constante de tiempo del proceso y anótela en la tabla 3-2. T

= 1,5 . (t 63 •2 %

-

t 28 .3 % )

o 32. Basándose en sus respuestas de los pasos 30 y 31 , Y en la siguiente fórmula, determine el tiempo muerto del proceso y anótelo en la tabla 3-2. tm

3-24

=t 63 •2 %

-

T

o

33. Determine si el proceso de temperatura es de primer o de segundo orden. Explique.

o

34. En la Unidad de calefacción, lleve la perilla de control manual a la posición completamente en sentido antihorario.

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración o

35. Ajuste la salida del controlador TIC1 en 0%.

o

36. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de este mando a 0%. iADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefacción está protegida contra sobrecalentamiento, no debe aplicarse potencia eléctrica al calefactor en ausencia de flujo de agua a través de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe girarse completamente en sentido antihorario o que el voltaje o corriente aplicado por el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mínimo (O V o 4 mA) en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podría causar que la Unidad de calefacción se desgaste prematuramente.

o

37. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefacción y la Fuente de alimentación cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiÓN a la posición O.

o

38. Abra completamente la válvula HV1 de la Unidad de bombeo y 'permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque. Nota: La Columna también se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeración y reconectándolo a un puerto de retorno auxiliar en la Unidad de bombeo.

o

39. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento. iADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras y componentes. Durante la desconexión de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los componentes eléctricos o a sus terminales.

o

40. Seque todos los residuos de agua en el piso y en el Sistema didáctico en control de procesos.

CONCLUSiÓN En este ejercicio, se caracterizó un proceso de temperatura en modo de refrigeración, usando el método 28,3%-63,2% para la caracterización de procesos. Este método puede suministrar mayor exactitud en la medición del tiempo muerto

3-25

Caracterización de un proceso de temperatura en modo de refrigeración que el método de Ziegler-Nichols cuando dicho tiempo es corto comparado con la constante de tiempo del proceso. Es importante conocer las características de un proceso, pues éstas se pueden usar para calcular las constantes de reglaje del controlador cuando el tiempo muerto del proceso es exactamente conocido y cuando éste es mucho más corto que la constante de tiempo.

PREGUNT AS DE REVISiÓN

3-26

1.

¿Cuál hubiera sido el efecto sobre la constante de tiempo del proceso, si se hubiera usado una Unidad de refrigeración con ventiladores más grandes?

2.

¿Qué efecto tendría sobre la ganancia del proceso una reducción en la eficiencia de conversión de energía eléctrica a mecánica por los motores de los ventiladores de la Unidad de refrigeración?

3.

¿Sería la ganancia del proceso afectada por un aumento en la temperatura ambiente? Explique.

4.

Compare los métodos de Ziegler-Nichols y 28,3%-63,2% para la caracterización de procesos.

Examen de la unidad 1.

Los métodos de Ziegler-Nichols y 28,3%-63,2% para la caracterización de procesos consisten en generar, en el modo de lazo abierto, un cambio escalón en a. la variable controlada y luego registrar la reacción de la variable manipulada como función del tiempo. b. la variable manipulada y luego registrar la reacción de la variable controlada como función del tiempo. c. la variable manipulada y luego registrar la reacción de la señal de salida del controlador como función del tiempo. d. la variable medida y luego registrar la reacción de la variable manipulada · como función del tiempo.

2.

La magnitud del tiempo muerto de un proceso depende de a. b.

la(s) resistencia(s) del proceso. la velocidad con la cual es ejecutado el cambio escalón y la distancia sobre la cual ocurre. c. la(s) capacitancia(s) del proceso. d. Todas las anteriores

3. La constante de tiempo de un proceso es a. b.

determinada por la(s) resistencia(s) y capacitancia(s) del proceso. la velocidad con la cual es ejecutado el cambio escalón y la distancia sobre la cual ocurre. c. el tiempo que le toma a la variable controlada alcanzar el valor final de estado de régimen estacionario. d. Todas las anteriores

4.

El valor final de estado de régimen estacionario se alcanza después de a. b. c. d.

5.

una constante de tiempo. dos constantes de tiempo. tres constantes de tiempo. cinco constantes de tiempo.

La ganancia del proceso a. b. c.

d.

no tiene dimensiones. permite la comparación de las ganancias para procesos con diferentes rangos de operación. se determina dividiendo el cambio en la variable controlada por el cambio en la variable manipulada, siguiendo un cambio escalón en la variable manipulada. Todas las anteriores

3-27

Examen de la unidad (cont.) 6. Entre mayores son la(s) capacitancia(s) y la(s) resistencia(s) de un proceso, a. b. c. d.

7.

más pequeña es la constante de tiempo. mayor es la ganancia del proceso. más grande es la constante de tiempo. menor es la ganancia del proceso.

Hablando en términos generales, el canal de medición de un proceso debe ser lo suficientemente rápido para detectar cualquier cambio en la variable controlada en menor tiempo que a. b. c. d.

una constante de tiempo del proceso. dos constantes de tiempo del proceso. tres constantes de tiempo del proceso. cinco constantes de tiempo del proceso.

8. En un proceso de primer orden, la máxima curva de la respuesta del proceso ocurre a. antes de que la variable controlada haya comenzado a cambiar. b. inmediatamente después de que la variable controlada comienza a c. d.

cambiar. después de que la v~riable controlada ha comenzado a cambiar. Ninguna de las anteriores

9. En un proceso de segundo orden, la máxima curva de la respuesta del proceso ocurre a. b.

antes de que la variable controlada haya comenzado a cambiar. inmediatamente después de que la variable controlada comienza a

cambiar. c. después de que la variable controlada ha comenzado a cambiar. d. Ninguna de las anteriores

1Q. Un proceso de segundo orden se puede aproximar como a. un proceso de primer orden con tiempo muerto nulo. b. un proceso de primer orden con tiempo muerto puro. c. un proceso de prime~ orden con tiempo muerto extendido. d. Ninguna de las antenores

3-28

Unidad

4

Control PI de procesos de temperatura OBJETIVOS DE LA UNIDAD Cuando complete esta unidad, usted será capaz de realizar el control PI de un proceso de temperatura en los modos de calefacción y de refrigeración.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Control de temperatura El control de temperatura es esencial en los procesos industriales. Esto se debe a que las características físicas y químicas de la mayoría de las sustancias cambia cuando cambia su temperatura. Así, calentar o enfriar una sustancia causará que cambien su densidad de masa, su viscosidad y su presión. Como consecuencia, el control de temperatura puede aumentar la calidad del producto final y la seguridad del proceso. Por ejemplo, considere el proceso de conversión química mos(rado en la figura 4-1. El propósito del proceso es combinar un re actante líquido, A, y un reactante gaseoso, B, para formar un tercer producto líquido, C. •

Los reactantes A y B primero se cargan dentro del reactor. En el momento de entrar al reactor, el re actante A es calentado hasta una temperatura a la cual comienzan las reacciones consecutivas.

•

Luego tiene lugar una reacción exotérmica en el reactor, provocando que la energía térmica sea liberada. Para obtener la máxima conversión de los reactantes, la temperatura del lazo 4 mantiene la temperatura del producto líquido constante mediante la variación de la tasa de calentamiento del re actante A.

•

El producto líquido se retira posteriormente de la parte inferior del reactor y se pasa a través de un evaporador. Mientras fluye a través del evaporador, el producto líquido pierde energía térmica, causando que su temperatura disminuya y que la reacción se detenga. Para asegurar que la reacción es detenida correctamente, el lazo 7 de temperatura mantiene la temperatura del producto líquido constante mediante la variación de la velocidad del ventilador en el evaporador.

4-1

Control PI de procesos de temperatura

EVACUACiÓN DE GAS

:-----------------~-----l ~

______

LAZO 2

: \i/

.---

1 1

:

W-------

NIVEL

1

___

CAUDAL LAZOS

CAUDAL LAZO 1

1 1 1 1

1

1 1 1

1

1

1..,

,.-

.-

1

1 1

1 1

1 1

1

1

J J

1

1 1 1

1

1

J

1

1

1 1

1

~PHLAZ06

J

J

J

J

1

I I

1 1

1 1

1 1

CV

--------------W-------?r-----?"r --: PRESiÓN LAZO 3

:

:

1

L

1 1 1 1 1

r------- J

1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1

1

1

1

1 1 1 1 1

PRODUCTO C HACIA EL SEPARADOR

1

~--®---(f)-

EVAPORADOR

TEMPERATURA LAZO 4

1 1

TEMPERATURA LAZO 7

~: ~ 7

1 1

,

1

1

1

L--(V

Figura 4-1. Proceso de conversión química.

Como puede verse, se requieren dos lazos de temperatura en este ejemplo: uno para controlar la calefacción del reactante A y uno para controlar la refrigeración del 4-2

Control PI de procesos de temperatura producto C. Esto ilustra el hecho de que los procesos industriales con frecuencia requieren que una sustancia sea calentada o enfriada durante varias etapas de la producción. En esta unidad, se realizará el control PI de un proceso de temperatura en los modos de calefacción y de refrigeración. Los lazos de temperatura que se usarán serán similares a los de la figura 4-1 .

4-3

4-4

Ejercicio

4-1

Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción

OBJETIVO DEL EJERCiCIO • •

Realizar el control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción. Utilizar el método del periodo último para el reglaje del controlador.

PRINCIPIOS Nota: A continuación se presenta un recordatorio de cómo usar el método del periodo último para el reglaje del controlador PID. Se puede encontrar una explicación adicional sobre este método en la sección PRINCIPIOS del ejercicio 5-2 en el manual del estudiante de Lab-Volt Control de procesos de presión, caudal y nivel, número de parte 32621 . ,

Método del periodo último para el reglaje del controlador El método del periodo último para el reglaje del controlador permite al operador calcular las constantes de reglaje P, I Y D requeridas para el control PI o PI D de un proceso basándose en la banda proporcional que lleva al proceso a una oscilación continua y sostenida, y en el periodo de oscilación con esa banda proporcional. Este método está diseñado para producir una respuesta de amortiguamiento cuarto de amplitud en la respuesta de la variable controlada ante un cambio escalón en la variable manipulada. El método de reglaje del periodo último requiere el siguiente procedimiento: 1. Con el controlador en modo manual, apague sus acciones integral y derivativa. 2. Lleve la banda proporcional Bp a un valor arbitrario pero lo suficientemente alto, tal como 150%. 3. Coloque el controlador en modo automático (lazo cerrado) y observe la respuesta del proceso (variable controlada y señal de salida del controlador) en el registrador. 4. Si el proceso comienza a oscilar por sí mismo, vaya al paso 7. De lo contrario, genere un cambio escalón en la referencia. El cambio en esta última debe ser típico al uso esperado del sistema. 5. Si el proceso no oscila, disminuya la banda proporcional por un factor de 2. 6. Repita los pasos 4 y 5 hasta que la respuesta del proceso se vuelva oscilatoria.

4-5

Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción 7. Determine si la oscilación es sostenida-e.d . si continúa con la misma amplitud sin aumentar ni disminuir, como en la figura 4-2 (c). Si no lo es, haga pequeños cambios en la banda proporcional hasta que se logre una oscilación sostenida.

Nota: No es necesario que la oscilación del proceso tenga una alta amplitud. Para determinar si la oscilación es sostenida, usted puede simplemente observar la salida de la señal del controlador.

8. Encuentre la banda proporcional a la cual la oscilación sostenida apenas comienza, sin causar saturación de la salida del controlador. Anote la banda proporcional a la cual se produce esta oscilación. Ésta es la banda proporcional última, Bpu. Luego anote el periodo de la oscilación, según se muestra en la figura 4-2 (d). Éste es el periodo último, Tu. 9. Usando la banda proporcional última y el periodo último, calcule las constantes de reglaje del controlador como sigue : •

Para el control PI del proceso: Banda proporcional, Bp

(%)

Tiempo de integración, TI

•

= 2 ,22 x

Bpu(%)

0,833 x Tu (min/rpt)

(5)

60s/min

Para el control PI D del proceso: Banda proporcional , Bp

(%)

Tiempo de integración, TI

1,33 x Bpu(%) 0,625 (min/rpt)

x Tu (5)

60s/min

. . ., _ 0,1 x Tu (5) Tiempo de denvaclon, T o (min) . 60 s/mm Es importante observar que las fórmulas dadas anteriormente sólo aplican para controladores ideales no interactivos. Se deben utilizar otras fórmulas para los controladores en serie o en paralelo no interactivos. Una vez que las constantes de reglaje del controlador se ajustan a los valores calculados y el controlador se regresa al modo automático (lazo cerrado), los cambios en la referencia deben producir una respuesta de amortiguamiento cuarto de amplitud. La optimización del ajuste del controlador puede requerir un reglaje fino adicional. En algunos procesos se requerirá una respuesta sobreamortiguada, mientras que en otros será satisfactoria una respuesta subamortiguada.

4-6

Control PI de un proceso de temperatura

SALIDA DEL CONTROLADOR

o

TIEMPO

(a) Amplitud en aumento

SALIDA DEL CONTROLADOR

TIEMPO

(b) Amplitud en disminución

SALIDA DEL CONTROLADOR

TIEMPO

(e) Oscilación sostenida

I

~

I

I ~

I

Tu (TIEMPO ENTRE DOS PICOS SUCESIVOS)

SALIDA DEL CONTROLADOR

o

TIEMPO

(d) Medición del periodo de oscilación , Tu

Figura 4-2. Determinación del periodo de una oscilación sostenida.

4-7

Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción Como lo muestra la figura 4-3, Una respuesta sobreamortiguada implica un lento retorno a la referencia después de un cambio escalón en el error, pero sin sobrepaso antes de la estabilización. Una respuesta que es demasiado sobreamortiguada puede causar que el controlador sea incapaz de eliminar un error antes de que ocurra el próximo. Una respuesta subamortiguada implica un rápido retorno a la referencia siguiendo un cambio escalón en el error, pero uno o más sobrepasos antes de la estabilización. El subamortiguamiento significa que el controlador trabaja muy agresivamente para corregir el error rápidamente, y por tanto lo sobrexcede. Una respuesta que es demasiado subamortiguada puede causar que el proceso caiga en oscilación.

VARIABLE REFERENCIA ' ; CONTROLADA

NIVEL (% DE LA GAMA) 100 90 80 70

60 50 40 30

20 10

;

/

I I

/

/

/

/

/ SOBREPASO,

/ /

/

/

Ir \

1/" 11 \

,

1, 1\.

BIEN AJUSTADO

""

I1 \1

v

v

I~

~

'"

111 AA

\ "

"

"'\

\ SOBREAMORTIGUADO

"v

"\....,

r

n

~

Ji

/

'""".

BIEN AJUSTADO SUBAMORTIGUADO

~

'"

~

SUBAMORTIGUADO

'"

~

OSCILATORIO

Figura 4-3. En algunas aplicaciones de proceso, se requerirá una respuesta sobreamortiguada, mientras que en otras, será satisfactoria una respuesta subamortiguada.

Resumen del procedimiento En este ejercicio, se realizará el control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción. Se usará el método de reglaje del periodo último para poner a punto al controlador PI. Nota: El método de respuesta escalón en lazo abierto para el reglaje del controlador, que consiste en determinar sus constantes de reglaje basándose en las características dinámicas del proceso, no se puede usar correctamente para poner a punto al controlador cuando se realiza el control PI del proceso de temperatura del sistema didáctico en modo de calefacción. Esto ocurre porque el tiempo muerto del proceso, el cual es relativamente corto comparado con la constante de tiempo, es difícil de medir de manera exacta usando el método de Ziegler-Nichols o el 28,3%-63,2 % para la caracterización de procesos. Como consecuencia, el método de reglaje del periodo último se usará para poner a punto al controlador en este ejercicio.

4-8

Control PI de un proceso de temperatura EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilización de los equipos, en el apéndice A de este manual , para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio.

PROCEDIMIENTO

Montaje del sistema y calibración del transmisor de temperatura D

1. Conecte el sistema mostrado en la figura 4-4. La potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción será controlada con un controlador, TIC1 . La velocidad de rotación de los ventiladores de la Unidad de refrigeración será controlada manualmente.

CONECTOR

f------'CONECTOR

r r r r r

r r

CV

®

PUNTA DE LA SONDA DTR (NO INSERTAR DENTRO DE LA COLUMNA POR AHORA)

r

Figura 4-4. Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción.

Para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, se puede usar un segundo controlador (FIC1) colocado en modo manual (lazo abierto) o una fuente de voltaje CC de 0-5 V conectada a la entrada 0-5 V de este mando.

4-9

Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción Debido a que la Columna funcionará primero en el modo presurizado, deje por ahora que la punta de la sonda DTR descanse sobre la Superficie de trabajo. Nota: Si el controlador que usted está usando como controlador TlC1 es el Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, consulte la figura 8-3 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM a la Unidad de calefacción. Puede usar el generador de funciones de L VPROSIM como una fuente de voltaje CC de 0-5 V para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Para hacer esto, conecte la computadora L VPROSIM a la entrada 0-5 V de este mando a través de la salida analógica 2 de la Interfaz E/S, modelo 9065, como se indica en la figura 8-2 del apéndice B. El generador de funciones L VPROSIM luego se puede ajustar para producir un voltaje de control CC entre O y 5 V, según se explica en la sección Generador de funciones del apéndice F.

o

2. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefacción: Interruptor S1 .. .... ... ... . .... .. .. .. .. . ... . .... .. .

En la Unidad de refrigeración: Interruptor S1 ....... .. ..... . . ... . . . ... .. . ... ... . .. 2 Perilla de control manual ..... .. .... completamente girada en sentido antihorario Interruptor S2 ........ . ....... . ..... . . ... .. . . ... ... TT

En el Transmisor de temperatura a DTR (TT1): SELECTOR DE ENTRADA . . ..... . . .... FUENTE DE CAL. SELECTOR DE CALIBRACiÓN . ... . .... . . . . . . VARIABLE Perilla de ajuste CERO .. . . . . . .. . .. ....... ... . .. .. MÁX. Perilla de ajuste GAMA . . .. . ... . .. ... . . . ...... ... . MÁX.

4-10

o

3. Verifique que el controlador TIC1 esté en modo manual (lazo abierto) . Lleve la salida de este controlador a 0% (O V) .

o

4. Verifique que el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo sea O V.

Control PI de un proceso de temperatura Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la amplitud del generador en O y la desviación en 0%.

o

5. Energice la Fuente de alimentación cc, la Unidad de calefacción, la Unidad de refrigeración , el Transmisor de caudal a turbina y el Transmisor de temperatura a DTR.

o

6. Calibre la SALI DA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR de tal forma que el voltaje en ésta pase desde 0,0 hasta 5,00 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibración aumente desde 25 hasta 55 °C (77 hasta 131 °F), respectivamente. Nota: Utilice el método descrito en los pasos 8 hasta 11 del procedimiento del ejercicio 2-1 para calibrar la SALIDA 0-5 V del transmisor usando su fuente de calibración.

o

7. Ahora que el Transmisor de temperatura a DTR está calibrado, lleve el interruptor SELECTOR DE ENTRADA de este transrgiso( a DTR.

Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna

o

8. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador esté apretada firmemente.

o

9. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviación esté instalada correctamente en la parte inferior del tanque.

o

10. Encienda la Unidad de bombeo llevando su interruptor ALIMENTACiÓN a la posición l.

o

11 . En la Unidad de bombeo, ajuste las válvulas HV1 hasta HV3 como sigue: HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario).

o

12. Aplique un voltaje CC de 5 V a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para hacer que éste rote a velocidad máxima.

4-11

Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la desviación del generador en 100%.

o

13. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algún nivel intermedio. Esto forzará al aire para que salga de los componentes corriente abajo de la Columna.

Colocación del sistema en modo de recirculación de agua

o

14. En la Unidad de bombeo, cierre la válvula HV1. Luego ajuste la válvula HV3 para dirigir el flujo de retorno completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario).

o

15. En la Columna, retire la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna.

o

16. En la Unidad de bombeo, abra la válvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta válvula.

o

17. Reajuste el voltaje CC aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo hasta que obtenga una lectura de 4,0 V aproximadamente en la salida "C (caL)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustará el caudal en aproximadamente 4 I/min (1,1 gal EU/min). Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar el mando de velocidad variable, ajuste la desviación del generador para obtener una lectura de 4,0 Vaproximadamente en la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina.

Control PI del proceso de temperatura

o

18. Inserte la sonda DTR completamente dentro de la Columna para que su punta sea sumergida en el agua.

o

19. En la Unidad de refrigeración, lleve la perilla de control manual a la posición media.

o

20. Grafique las siguientes señales sobre el registrador del controlador TIC1: Referencia; Salida del Transmisor de temperatura a DTR (TT1) ; Salida del controlador TIC1.

4-12

Control PI de un proceso de temperatura Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, consulte la figura 8-5 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM al Transmisor de temperatura a DTR TT1. En la Interfaz E/S, verifique que el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALÓGICA 1 esté ajustado en 5 V.

En el L VPROSIM, seleccione la entrada analógica 1 de la lista de selección del Registrador para graficar la señal de salida del Transmisor de temperatura a DTR TT1 . Además, seleccione Referencia de esta lista para también graficar la señal de referencia. Finalmente, seleccione la salida analógica 1 de la misma lista para que la señal de salida del controlador TlC1 sea graficada sobre el registrador. Acceda a la ventana Configuración de las entradas analógicas y establezca los valores del rango de salida mínimo y máximo de la entrada analógica 1 en 25 y 55 oC (77 y 131 °F), respectivamente, lo cual corresponde al rango de medición actualmente calibrado en el transmisor TT1 . Ajuste la constante de tiempo del filtro de esta entrada en 0,5 segundos. Verifique que la función de extracción de la raíz cuadrada de esta entrada no esté seleccionada y luego acepte y regrese a la pantalla principal del L VPROSIM.

D 21. Ajuste el intervalo de muestreo del controlador TIC1 en 1000 ms.

D 22. Verifique que el controlador TIC1 esté dispuesto para una acción inversa, para garantizar que una realimentación negativa ocurra cuando el controlador se coloque en modo de lazo cerrado . Por ejemplo, una disminución en la temperatura medida por el Transmisor de temperatura a DTR TT1 debe producir un aumento en la salida del controlador. Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, seleccione Inverso de la lista de selección del controlador.

D 23. Ajuste las constantes de reglaje del controlador TIC1 como se indica debajo. Esto establecerá la banda proporcional en un valor relativamente alto, considerando la ganancia relativamente baja del proceso de temperatura. Esto también eliminará del controlador todas las acciones integrales y derivativas. Banda proporcional en 10%; Tiempo de integración en APAGADO; Tiempo de derivación en 0,0000 mino

D 24. Lleve la referencia del controlador TIC1 a 30% .

D 25. Coloque el controlador TIC1 en modo automático (lazo cerrado).

4-13

Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el LVPROSIM, ajuste la componente integral (desviación) en 0,00%.

o

26. Si el proceso comienza a oscilar por sí mismo, vaya inmediatamente al paso 27. En caso contrario, deje que el proceso se estabilice y luego genere un cambio escalón en la referencia desde 30 hasta 60% y observe la respuesta del proceso (señales de salida del transmisor de temperatura y del controlador) . Si el proceso oscila continuamente, vaya al paso 27. En caso contrario, reduzca la banda proporcional del controlador TIC1 por factores de 2, haciendo un cambio en la referencia de 30-60% después de cada nuevo ajuste en la banda proporcional (si el proceso no comienza a oscilar por sí mismo), hasta que la respuesta del proceso se vuelva oscilatoria.

o

27. Determine si la oscilación es sostenida, e.d., si continúa en la misma amplitud sin aumentar ni disminuir. Si no lo es, haga pequeños cambios en la banda proporcional del controlador TIC1 hasta que se logre una oscilación sostenida. Para determinar si la oscilación es sostenida, observe la señal de salida del controlador. No es necesario que la oscilación tenga gran amplitud. Sin embargo, es necesario esperar para que se completen los diversos ciclos antes de que se pueda determinar si la amplitud de la oscilación realmente permanece constante, sin aumentar ni disminuir. Ahora afine la banda proporcional para encontrar el valor al cual la oscilación sostenida apenas comienza, sin causar saturación en la salida del controlador. Anote la banda proporcional , Bpu ' que produce tal oscilación. Luego anote el periodo de la oscilación, Tu. Banda proporcional última, Bpu : Periodo último, Tu:

o

%

28. Usando la banda proporcional última y el periodo último encontrados en el paso 27, calcule las constantes de reglaje del controlador para el control PI del proceso de temperatura:

T,:

4-14

%

min/rpt

Control PI de un proceso de temperatura o

29. Ajuste las constantes de reglaje del controlador para el control PI del proceso de temperatura de acuerdo con los valores calculados en el paso 28.

o 30. Genere un cambio escalón de 30-60% en la referencia y observe la respuesta de la señal de salida del transmisor de temperatura. Describa la respuesta de esta señal en términos del tiempo de estabilización y del sobrepaso.

Nota: En los pasos siguientes, usted tendrá que comparar la respuesta del proceso ante un cambio en la referencia para diferentes ajustes del controlador PI. Como consecuencia, se recomienda que almacene las señales obtenidas para comparar/as posteriormente en caso que el registrador de su controlador no se pueda correr hacia atrás o hacia delante en el tiempo.

o

31. Ajuste finamente las constantes Pe I del controlador para reducir el tiempo de estabilización y el sobrepaso de la señal de salida del transmisor de temperatura siguiendo un cambio escalón de 1O:Ó 20"% en la referencia. Pruebe con diferentes valores de referencia y determine si el reglaje del controlador permanece aceptable para un amplio rango de los mismos. Anote sus resultados debajo.

o 32. Lleve la referencia del controlador a 60% y permita que la señal de salida del transmisor de temperatura se estabilice en este valor.

o

33. Simule un aumento en la carga de calefacción del proceso aumentando el caudal al máximo. Para hacer esto, aumente el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo a 5,OV.

¿ Es el controlador capaz de compensar rápidamente el aumento en la carga de calefacción? Explique.

o

34. Aumente adicionalmente la carga de calefacción del proceso aumentando el nivel de agua en la Columna. Para hacer esto, lleve momentáneamente la manija de la válvula HV3 de la Unidad de bombeo a la dirección 4-15

Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción completamente en sentido horario, luego regrésela a la posición completamente en sentido antihorario. ¿Es el controlador capaz de compensar rápidamente el aumento en la carga de calefacción causado por el aumento en el nivel de agua? Explique.

o

35. Regrese el controlador TIC1 al modo de lazo abierto (manual). Lleve la salida de este controlador a 0%.

o

36. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de este mando a 0%. iADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefacción está protegida contra sobrecalentamiento, no debe aplicarse potencia eléctrica al calefactor en ausencia de flujo de agua a través de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe girarse completamente en sentido antihorario o que el voltaje o corriente aplicado por el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mínimo (O V o 4 mA) en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podría causar que la Unidad de calefacción se desgaste prematuramente.

o 37. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefacción y la Fuente de alimentación cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiÓN a la posición O.

o 38. Abra completamente la válvula HV1 de la Unidad de bombeo y permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque de esta unidad. Nota: La Columna también se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeración y reconectándolo a un puerto de retorno auxiliar en la Unidad de bombeo.

o 39. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento.

4-16

Control PI de un proceso de temperatura iADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras

y componentes. Durante la desconexión de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los componentes eléctricos o a sus terminales.

D 40. Seque todos los resi.duos de agua en el piso y en el Sistema didáctico en control de procesos.

CONCLUSiÓN En este ejercicio, se realizó el control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción. Se utilizó el método del periodo último como punto de arranque para el reglaje del controlador, luego se ajustó finamente el controlador para reducir el tiempo de estabilización y el sobrepaso del proceso al mínimo. La acción derivativa no fue necesaria en este proceso porque los cambios en la carga de calefacción fueron algo lentos y porque el proceso fue inherentemente un proceso de rápida respuesta, siendo el calefactor de la Unidad de calefacción capaz de calentar el agua que fluye a través de ella muy rápidamente. Observe sin embargo, que con frecuencia se requiere la acción derivativa en aplicaciones de procesos de temperatura industriales para compensar los lárgos tiempos muertos típicos en los mismos.

PREGUNTAS DE REVISiÓN 1.

¿Por qué reducir la banda proporcional del controlador a un valor extremadamente bajo causa que el proceso de temperatura se vuelva inestable? Explique.

2.

¿Se mejora la estabilidad del proceso de temperatura cuando la amplitud del primer sobrepaso de la señal del transmisor es más pequeña y la señal deja de oscilar alrededor de la referencia antes de estabilizarse?

3.

Si la señal del transmisor de temperatura responde rápidamente ante un cambio en la referencia, pero luego toma un largo tiempo para estabilizarse, ¿se debe aumentar o disminuir la acción integral del controlador?

4-17

Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefacción 4.

¿Cuál(es) característica(s) del proceso determina(n) la necesidad de adicionar acción derivativa en el controlador para lograr un buen control de proceso?

5. Con el proceso de temperatura del Sistema didáctico en modo de calefacción, ¿por qué es innecesaria la acción derivativa?

4-18

Ejercicio

4-2

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración

OBJETIVOS DEL EJERCICIO ' • •

Realizar el control PI de un proceso de teriiperatura en modo de refrigeración. Utilizar el método de respuesta escalón en lazo abierto para el reglaje del controlador.

PRINCIPIOS

Método de respuesta escalón en lazo abierto para el reglaje del controlador El método de respuesta escalón en lazo abierto para el reglaje del controlador habilita al operador para calcular las constantes de reglaje P, I Y O requeridas para el control PI o PIO del proceso, basándose en sus características dinámicas (ganancia, constante de tiempo y tiempo muerto). " Como se explicó anteriormente en la sección de introducción de la unidad 3, las características dinámicas de un proceso se pueden determinar generando, en el modo de lazo abierto, un cambio escalón en la variable manipulada y registrando la reacción de la variable controlada como función del tiempo. Basándose en la curva de respuesta de la variable controlada, las características dinámicas se pueden determinar usando, entre otros, el método de Ziegler-Nichols (gráfico) o el método 28,3%-63,2%. Usando las características del proceso, las constantes de reglaje del controlador se pueden calcular usando las siguientes fórmulas, las cuales aplican para controladores configurados idealmente no interactivos: •

Para el control PI del proceso: Bnda proporcional, Bp

0,9 .

Tiempo de integración, TI

•

x 100

K

td (s) .

(%)

T (s)

3,33 . t

(min/rpt)

(s)

d = _ _---..:::....l.=!.

60s/min

Para el control PIO del proceso: Banda proporcional, Bp

(%)

td (s) 1,5 .

.

K x 100 T(S)

4-19

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración Tiempo de integración , TI

(min/rpt)

Tiempo de derivación, T D (min)

2,5 . t d

(5)

60s/min 0,4 . td

(5)

60s/min

Resumen del procedimiento En este ejercicio, se realizará el control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración. Se determinarán las constantes de reglaje del controlador basándose en las características del proceso medidas en el ejercicio 3-2 usando el método 28,3%-63,2% para la caracterización de procesos. Nota: Si lo desea, usted puede intentar determinar las constantes de reglaje del controlador PI midiendo las características del proceso con el método deZiegler-Nichols (gráfico) en vez del método 28,3%-62,3%. Sin embargo, el método de Ziegler-Nichols muy probablemente podría conducir a resultados de control insatisfactorios porque el tiempo muerto del proceso, el cual es relativamente corto comparado con la constante de tiempo, es difícil de medir exactamente con este método.

EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilización de los equipos, en el apéndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio.

PROCEDIMIENTO

Cálculos preliminares D

1. Consultando la tabla 3-2 del ejercicio 3-2, anote debajo las características del proceso de temperatura en modo de refrigeración. Ganancia, K: _ __ Constante de tiempo, r: Tiempo muerto, t m:

D

4-20

segundos segundos

2. Usando las fórmulas de reglaje en lazo abierto apropiadas para la configuración del controlador que se está usando, calcule los parámetros del controlador para el control PI del proceso de temperatura en modo de refrigeración.

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración Nota: Si el controlador que usted está usando es el Software de simulación y de control de procesos (L VPROSIM) de Lab- Volt, utilice las fórmulas dadas en la sección PRINCIPIOS del ejercicio.

TI:

min/rpt

Montaje del sistema y calibración del transmisor de temperatura

o

3. Conecte el proceso mostrado en la figura 4-5. La velocidad de rotación de los ventiladores de la Unidad de refrigeración será controlada con el controlador TIC1. La potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción será controlada manualmente. Para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, se puede usar un segundo controlador (FIC1) colocado en modo manual (lazo abierto) o una fuente de voltaje CC de 0-5 V conectada a la entrada 0-5 V de este mando. Nota: Si el controlador que usted está usa~do como controlador TIC 1 es el L VPROSIM, consulte la figura 8-4 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM a la Unidad de refrigeración.

Usted puede usar el generador de funciones de este software como una fuente de voltaje CC para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Para hacer esto, conecte la computadora L VPROSIM a la entrada 0-5 V de este mando a través de la salida analógica 2 de la Interfaz E/S, modelo 9065, como se indica en la figura 8-2 del apéndice 8 . El generador de funciones L VPROSIM luego se puede ajustar para producir un voltaje de control CC entre Oy 5 V, según se explica en la sección Generador de funciones del apéndice F.

o

4. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefacción: Interruptor 81 ..................................... 2 Perilla de control manual . . . . . . . . . . . . completamente girada en sentido antihorario En la Unidad de refrigeración: Interruptor 81 .. ...... ......... . ................... 1 Interruptor 82 ... . ........... . ........... . .. . . ... . n

4-21

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración En el Transmisor de temperatura a termopar TT1: SELECTOR DE SELECTOR DE Perilla de ajuste Perilla de ajuste

ENTRADA . . . . ... . CALIBRACiÓN . . . . . CERO .... . . . . . .. . GAMA .. . . .. . . . . ..

. . .. . FUENTE DE CAL. . . . . . . . . .. VARIABLE . . .. .. ... .. . . . . MÁX. . . .. .. . ... . .... MÁX.

I

CV CONECTOR Cl

I

I I

c:v Figura 4-5. Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración.

4-22

D

5. Verifique que el controlador TIC1 esté en modo manual (lazo abierto) . Lleve la salida de este controlador a 0% (O V).

D

6. Verifique que el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo sea O V.

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la amplitud del generador en O y la desviación en 0%.

o

7. Energice la Fuente de alimentación cc, la Unidad de calefacción, la Unidad de refrigeración, el Transmisor de caudal a turbina y el módulo Transmisor de temperatura a termopar.

o

8. Calibre la SALI DA 0-5 V del Transmisor de temperatura a termopar TT1 de tal forma que el voltaje en ésta pase desde 0,0 hasta 5,00 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibración aumente desde 25 hasta 55 °C (77 hasta 131 °F) , respectivamente. Nota: Utilice el método descrito en los pasos 8 hasta 11 del procedimiento del ejercicio 2-1 para calibrar la SALIDA 0-5 V del transmisor usando su fuente de calibración.

o

9. Ahora que el Transmisor de temperatura a termopar TT1 está calibrado, lleve el interruptor SELECTOR DE ENTRADA de este transmisor a TERMOPAR .

Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna

o

10. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador esté apretada firmemente.

o

11. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviación esté instalada correctamente en la parte inferior del tanque.

o

12. Encienda la Unidad de bombeo llevando su interruptor ALIMENTACiÓN a la posición l.

o

13. En la Unidad de bombeo, ajuste las válvulas HV1 hasta HV3 como sigue: HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario).

o

14. Aplique un voltaje CC de 5 V a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para hacer que éste rote a velocidad máxima. 4-23

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable, ajuste la desviación del generador en 100%.

D

15. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algún nivel intermedio. Esto forzará al aire para que salga de los componentes corriente abajo de la Columna.

Colocación del sistema en modo de recirculación de agua D

16. En la Unidad de bombeo, cierre la válvula HV1. Luego ajuste la válvula HV3 para dirigir el flujo de retorno completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario).

D

17. En la Columna, retire la tapa de la abertura de inserción del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna.

D

18. En la Unidad de bombeo, abra la válvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta válvula.

D

19. Reajuste el voltaje CC aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo hasta que obtenga una lectura de 4,0 V aproximadamente en la salida "C (caL)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustará el caudal en aproximadamente 4 I/min (1 ,1 gal EU/min) . Nota: Si usted está usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de ve/Deidad variable, ajuste la desviación del generador para obtener una lectura de 4, O V aproximadamente en la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina.

Control PI del proceso de temperatura D

20. Grafique las siguientes señales sobre el registrador del controlador TIC1: Referencia; Señal del Transmisor de temperatura a termopar (TT1). Aplique un filtro de paso bajo de 3 segundos sobre esta señal. Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, consulte la figura 8-6 del apéndice 8 para obtener detalles de cómo conectar la computadora L VPROSIM al Transmisor de temperatura a termopar TT1. En la Interfaz E/S, verifique que el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALÓGICA 1 esté ajustado en 5 V.

4-24

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración En el L VPROSIM, seleccione la entrada analógica 1 de la lista de selección del Registrador para graficar la señal de salida del Transmisor de temperatura a termopar TT1 . Además, seleccione Referencia de esta lista para también graficar la señal de referencia. Acceda a la ventana Configuración de las entradas analógicas y establezca los valores del rango de salida mínimo y máximo de la entrada analógica 1 en 25 y 55 oC (77 y 131 °F), respectivamente, lo cual corresponde al rango de medición actualmente calibrado en el transmisOr TT1 . Ajuste la constante de tiempo del filtro de esta entrada en 3 segundos: Verifique que la función de extracción de la raíz cuadrada de estél entrada no esté seleccionada y luego acepte y regrese a la pantalla principal del L VPROSIM. '

o

21. Ajuste el intervalo de muestreo del controlador TIC1 en 1000 ms.

o

22. En la Unidad de calefacción , lleve la perilla de control manual a la posición completamente en sentido horario para aplicar la máxima potencia eléctrica al calefactor de esta unidad.

o

23. Permita que la señal del Transmisor de temReratBra a termopar TT1 • aumente hasta aproximadamente el 80% de la gqma en el registrador del controlador TIC1, luego reajuste la perilla de control manual de la Unidad de calefacción para que esta señal deje de aumentar y se estabilice en el 80% de la gama aproximadamente. El ajuste requerido de la perilla debe estar alrededor de la posición media a una temperatura ambiente de 21 °C (70 °F) .

o

24. Ahora ajuste las constantes de reglaje del controlador TIC1 para el control PI del proceso de temperatura, de acuerdo con los valores calculados en el paso 2.

o

25 . Lleve la referencia del controlador TIC1 al 70%.

o

26. Verifique que el controlador esté dispuesto para acción directa para que una realimentación negativa ocurra cuando el controlador se coloque en modo de lazo cerrado. Por ejemplo, una disminución en la temperatura medida por el Transmisor de temperatura a termopar TT1 debe causar una reducción en la salida del controlador y viceversa. Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, seleccione Directo de la lista de selección del controlador.

4-25

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración Además, si usted está usando otro tipo de controlador que funciona únicamente en modo de acción inversa, lleve el interruptor S2 de la Unidad de refrigeración a la posición "lJ".

D 27. Coloque el controlador TIC1 en modo automático (lazo cerrado). Nota: Si el controlador que usted está usando como TlC1 es el L VPROSIM, ajuste la componente integral (desviación) en 0,00%.

D 28. Deje que la señal del Transmisor de temperatura a termopar TT1 se estabilice, observando esto en el registrador del controlador TIC1 . Genere un cambio escalón en la referencia desde 70 hasta 60% y observe la respuesta de la señal del transmisor de temperatura. ¿Tiene este voltaje un amortiguamiento cuarto de amplitud? Explique.

Nota: En los pasos siguientes, usted tendrá que comparar la respuesta del proceso para diferentes ajustes del controlador PI después de un cambio en la referencia. Como consecuencia, se recomienda que almacene las señales obtenidas para compararlas posteriormente en caso de que el registrador del controlador no se pueda correr hacia atrás o hacia delante en el tiempo.

D 29. Si es necesario, intente ajustar finamente las constantes P e I del controlador para reducir el tiempo de estabilización y el sobrepaso de la señal del transmisor de temperatura, siguiendo un cambio 70-60% en la referencia. Una vez el controlador esté bien ajustado, pruebe diferentes valores de referencia disminuyendo la señal de referencia mediante cambios escalones de 10% o 20%. Ajuste finamente si es posible. Anote sus resultados. ¿Permanece correcto el reglaje del controlador sobre un amplio rango de valores de referencia?

D 30. ¿Puede el agua del proceso enfriarse hasta la temperatura ambiente? Explique.

4-26

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración o

31. Ajuste la referencia del controlador en 60% y permita que la señal del transmisor de temperatura se estabilice para este valor.

o

32. Simule una reducción en la carga de refrigeración del proceso disminuyendo el caudal hasta aproximadamente 1,51/min (0,4 gal EU/min). Para hacer esto, disminuya hasta la mitad el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Describa la respuesta de la señal del transmisor dE;) temperatura en términos del tiempo de estabilización y del sobrepaso.

o

33. Ahora simule un aumento en la carga de refrigeración del proceso aumentando el caudal al máximo. Para hacer esto, aumente el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de la Unidad de bombeo hasta 5,0 V.

¿ Es el controlador capaz de compensar un aumento en la carga de refrigeración causado por el aumento en el caudal? Ej(plique. l

o

34. En la Unidad de calefacción, lleve la perilla de control manual a la posición completamente en sentido antihorario.

o

35. Regrese el controlador TIC1 al modo de lazo abierto (manual). Lleve la salida de este controlador a 0%.

o

36. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de este mando a 0%. ¡ADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefacción está protegida contra sobrecalentamiento, no debe aplicarse potencia eléctrica al calefactor en ausencia de flujo de agua a través de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe gi rarse completamente en sentido antihorario o que el voltaje o corriente aplicado por el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mínimo (O V o 4 mA) en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podría causar que la Unidad de calefacción se desgaste prematuramente.

4-27

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración o

37. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefacción y la Fuente de alimentación cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiÓN a la posición O.

o

38. Abra completamente la válvula HV1 de la Unidad de bombeo ypermita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque. Nota: La Columna también se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeración y reconectándolo a un puerto de retorno auxiliar en la Unidad de bombeo.

o 39. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento. iADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras

y componentes. Durante la desconexión de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los componentes eléctricos o a sus terminales.

o

40. Seque todos los residuos de agua en el piso control de procesos.

y en el Sistema didáctico en

CONCLUSiÓN En este ejercicio, se realizó el control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración. Se utilizó el método de respuesta escalón en lazo abierto como punto de arranque para el reglaje del controlador. Para lagar realimentación negativa, la acción del controlador tuvo que establecerse en directa.

PREGUNTAS DE REVISiÓN

4-28

1.

¿Por qué se dispuso el controlador PI para acción directa?

2.

¿Por qué aumentó la carga de refrigeración del proceso cuando se aumentó el caudal del agua?

Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeración 3.

Si fuera disminuida la calibración de la gama del transmisor de temperatura TT1 , ¿tendría que ser modificado el ajuste del controlador PI? Explique.

~.

4-29

4-30

Examen de la unidad 1.

El método del periodo último para el reglaje del controlador PI consiste en determinar las constantes de reglaje P, I Y D del controlador a. b. c. d.

2.

Una respuesta sobreamortiguada de la variable controlada siguiendo un cambio escalón en el error implica . a. b. c. d.

3.

basándose en el características del proceso-ganancia, tiempo muerto y constante de tiempo. basándose en la banda proporcional última y el periodo último. ajustando las constantes hasta que se obtenga una respuesta satisfactoria. usando un modelo matemático del proceso.

un lento retorno a la referencia, pero muchas oscilaciones antes de la estabilización. un lento retorno a la referencia, pero muy pocas oscilaciones antes de la estabilización . un rápido retorno a la referencia, pero muchas oscilaciones antes de la estabilización. un rápido retorno a la referencia, pero muy pocas oscilaciones antes de la estabilización.

Una respuesta subamortiguada de la variable controlada siguiendo un cambio escalón en el error implica un lento retorno a la referencia, pero muchas oscilaciones antes de la estabilización. b. un lento retorno a la referencia, pero muy pocas oscilaciones antes de la estabilización . c. un rápido retorno a la referencia, pero muchas oscilaciones antes de la estabilización. d. un rápido retorno a la referencia, pero muy pocas oscilaciones antes de la estabilización.

a.

4.

5.

La reacción inicial del controlador siguiendo un cambio escalón en el error está determinada esencialmente por a. b. c.

la acción proporcional. la acción integral. la acción derivativa

d.

(a) y (c)

Un proceso que demuestra estabilidad condicional es estable sobre algún rango intermedio de bandas proporcionales, pero es a. b. c.

d.

inestable a bandas proporcionales más bajas. inestable a ganancias proporcionales equivalentes. inestable a bandas proporcionales más altas. (a) y (c)

4-31

Examen de la unidad (cont.) 6. Si la variable controlada responde rápidamente ante un cambio en la referencia, pero luego toma un largo tiempo para estabilizarse, a. b. c. d.

7.

¿Cuál característica del proceso determina la necesidad de adicionar acción derivativa en el controlador para lograr un buen control de proceso? a. b. c. d.

8.

la banda proporcional debe ser disminuida. el tiempo de integración debe ser disminuido. el tiempo de derivación debe ser disminuido. Ninguna de las anteriores

La ganancia del proceso La constante de tiempo del proceso El tiempo muerto del proceso La banda proporcional última del proceso

Realimentación negativa implica que a. se seleccionó el tipo de acción correcta del controlador, la cual puede ser directa o inversa. b. la salida del controlador actúa de manera que disminuye el error en vez de aumentarlo. c. el lazo de control es estable. d. Todas las anteriores

9.

¿Cuál de las siguientes describe la acción directa del controlador? a. b. c. d.

La salida del controlador aumenta cuando la variable medida disminuye. La salida del controlador disminuye cuando la variable medida aumenta. La salida del controlador aumenta cuando la variable medida aumenta. Ninguna de las anteriores

10. Si se reduce la calibración de la gama de un transmisor en un lazo de realimentación, a. la salida del transmisor variará más para cualquier variación dada en la variable controlada. b. la ganancia del proceso aumentará. c. la ganancia total del controlador se debe disminuir para que la respuesta del proceso encuentre los mismos requerimientos en términos del tiempo de estabilización y de sobrepaso. d. Todas las anteriores

4-32

Apéndice

A

Tabla de utilización de los equipos Se requiere el siguiente equipo Lab-Volt para realizar los ejercicios en este manual.

EQUIPO MODELO

DESCRIPCiÓN

EJERCICIO

1-1

2-1

2-2

2-3

3-1

3-2

4-1

4-2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

6301

Superficie de trabajo

1

1

6302

Superficie de trabajo adicional (grande)

1

1

6360

Fuente de alimentación ce de 24 V

1

1

6510

Unidad de bombeo

1

1

1

1

1

1

6511

Columna

1

1

1

1

1

1

6530

Unidad de calefacción

1

1

1

1

1

1

1

6531

Unidad de refrigeración

1

1

1

1

1

1

1

6541

Transmisor de temperatura a termopar

1

1

1

1

1;

"1

6542

Transmisor de caudal a turbina

1

1 1

1

1

1

6543

Transmisor de temperatura a DTR

1

1

1

6590

Equipo de accesorios y mangueras

1

1

1

1

1

1

1

Software de simulación y de control de pr

1

1

1

1

1

1

1

Interfaz E/S

1

1

1

1

1

1

1

3674 ' 9065

1. 2.

2

1

,

1

1

Podría usarse cualquier otro controlador PIO convencional que trabaje con señales de 0-5 V o 4-20 mA. Se requiere si se utiliza el Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM), modelo 3674.

A-1

A-2

Apéndice

B

Diagramas de conexión Este apéndice provee los diagramas de conexión eléctrica de los componentes usados para medir y controlar el proceso de temperatura del Sistema didáctico en control de procesos de Lab-Volt. El controlador usado en los diagramas es el Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674. También se presenta como ejemplo el diagrama- detallado de las conexiones de tubería y eléctricas requeridas para el control en lazo cerrado del proceso de temperatura funcionando en modo de calefacción. El controlador usado en el diagrama es el Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674.

8-1

Diagramas de conexión VOLTAJE DE LíNEA CA

o ADAPTADOR DE 24 VCA

COMPUTADORA LVPROSIM

PUERTO SERIE

L

CABLE RS-232 -:

--'r

IPUERTO

L -_ _ _ _ _ _ _

ENTRADA DE ALIMENTACiÓN DE 24 VCA

: SERIE I DB-9

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INTERFAZ E/S

·~: o SALIDA DEL CONTROLADOR

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@@@@@@ SA.UOAS

ENTI'IAO¡\S

SALIDAS

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UNIDAD DE BOMBEO

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TERMINALES DE LA ENTRADA DE CONTROL DEL MANDO DE VELOCIDAD VARIABLE

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I I

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Figura 8-1. Detalle de la conexión del controlador LVPROSIM y la Unidad de bombeo (cuando la salida del controlador se utiliza para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo).

8-2

Diagramas de conexión VOLTAJE DE LÍNEA CA

o COMPUTADORA LVPROSIM

ADAPTADOR DE 24 VCA

PUERTO

L

CABLE RS-232

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SERIE '--_______ --11

IPUERTO

ENTRADA DE ALIMENTACiÓN DE24 VCA

: SERIE I DB-9

INTERFAZ E/S

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SALIDAS

DIGITALES

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UNIDAD DE BOMBEO

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TERMINALES DE LA ENTRADA DE CONTROL DEL MANDO DE VELOCIDAD VARIABLE

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Figura 8-2. Detalle de la conexión del controlador LVPROSIM y la Unidad de bombeo (cuando el generador de funciones de LVPROSIM se utiliza para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo).

B-3

Diagramas de conexión VOLTAJE DE lÍNEA CA

I COMPUTADORA LVPROSIM

I

ADAPTADOR DE 24 VCA

PUERTO SERIE

I

CABLE RS-232

I

PUERTO SERIE DB-9

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INTERFAZ E/S

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ENTRA DA DE ALlMEN TACIÓN DE 24 VCA

EN'mAOAS.vw.OGICAS - _

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SALIDA DEL CONTROLADOR

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Figura 8-3. Detalle de la conexión del controlador LVPROSIM y la Unidad de calefacción.

8-4

Diagramas de conexión VOLTAJE DE lÍNEA CA

I I

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ADAPTADOR DE 24 VCA

COMPUTADORA LVPROSIM

PUERTO SERIE

FUENTE DE ALIMENTACiÓN DE24 VCC

I

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CABLE RS-232

I

ENTRADA DE ALlMEN TACIÓN DE 24 VCA

PUERTO SERIE DB-9

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INTERFAZ E/S

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SALIDA DEL

CONTROLADOR~

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1 1 1 L ________________________ _ _

TRANSMISOR OE TEMPERATURA A TERMOPAR

1

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Figura 8·6. Detalle de la conexión del controlador LVPROSIM y el Transmisor de temperatura a termopar TT1.

8-7

Diagramas de conexión UNIDAD DE REFRIGERACiÓN

Q 1

TRANSMISOR DE TEMPERATURA A DTR

1 1 1

:

ATMÓSFERA

1

SONDA DTR

I

VOLTAJE DE LÍNEA CA

9

7 ,5cm (3 pulg.)

CONECTOR

1

ADAPTADOR DE 24 VCA CABLE RS-232

r--------1

1

1 ENTRADA DE 1 PUERTO :ALlMENTACIÓN 1 SERIE 1 DE 24 VCA 1 DB-9

: 1

1

: 0o o

1 1

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UNIDAD DE CALEFACCiÓN

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FUENTE DE ALIMENTACiÓN DE24 VCC

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1 1

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UNIDAD DE REFRIGERACiÓN

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COMPUTADORA LVPROSIM

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SONDA DTR

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Figura 8-7. Diagrama detallado de las conexiones de tubería y eléctricas requeridas para el control en lazo cerrado del proceso de temperatura en modo de calefacción. (El controlador LVPROSIM se usa como controlador de temperatura TIC1, mientras que el generador de funciones de LVPROSIM se utiliza para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo.)

8-8

Apéndice

e

Símbolos de instrumentación I.S.A. Significado de los códigos de letra usados en números identificadores La siguiente tabla enuncia las variables y funciones asociadas con la primera y demás letras de los números identificadores que acompañan a los símbolos de instrumentación de la Sociedad de Instrumentos de América (loSA) . Los números dentro de paréntesis se refieren a notas explicativas específicas de la pagina C-2 y siguientes.

LETRAS SUBSIGUIENTES (2)

PRIMERA LETRA (1) VARIABLE MEDIDA o DE INICIALIZACiÓN

MODIFICADOR

FUNCiÓN PASIVA o DE LECTURA

A

Análisis (3)

Alarma

B

Quemador, combustión

De escogencia del usuario (4)

C

De escogencia del usuario (4)

FUNCiÓN DE SALIDA

De escogencia del usuario (4) Control (5)

MODIFICADOR

De escogencia del usuario (4)

.

,

D

De escogencia del usuario (4)

Diferencial (1)

E

Voltaje

F

Caudal

G

De escogencia del usuario (4)

H

Manual

I

Corriente (eléctrica)

J

Potencia

Exploración (7)

K

Tiempo, horario

Tasa de tiempo de cambio (1)

L

Nivel

M

De escogencia del usuario (4)

N

De escogencia del usuario (4)

De escogencia del usuario (4)

O

De escogencia del usuario (4)

Orificio, restricción

Sensor (elemento primario) Razón (fracción) (1) Dispositivo visualizador de vidrio (6) Alto (7, 8, 9) Indicar (10)

Estación de control Luz (11)

Bajo (7, 8, 9)

Momentáneo (1 )

Medio, intermedio (7, 8) De escogencia del usuario (4)

De escogencia del usuario (4)

C-1

Símbolos de instrumentación I.S.A. PRIMERA LETRA (1) VARIABLE MEDIDA o DE INICIALIZACiÓN

MODIFICADOR

LETRAS SUBSIGUIENTES (2) FUNCiÓN PASIVA O DE LECTURA

FUNCiÓN DE SALIDA

P

Presión, vacío

Q

Cantidad

R

Radiación

S

Velocidad , frecuencia

T

Temperatura

U

Multivariable (14)

V

Vibración , análisis mecánico

W

Peso, fuerza

X

No clasificado (16)

Eje X

Y

Evento, estado o presencia

Eje Y

Relé , computar, convertir (5, 17)

Z

Posición , dimensión

Eje Z

Mando, actuador, elemento de control final no clasificado

MODIFICADOR

Punto (de prueba) , conexión Integrar, totalizar (1) Registrar (12) Seguridad (13)

Interruptor (5) Transmitir Multifunción (15)

Multifunción (15)

Multifunción (15)

Válvula, amortiguador, lumbrera (5) Fluir No clasificado (16)

No clasificado (16)

No clasificado (16)

Tabla C-1. Códigos de letra usados en números rotulados.

NOTAS EXPLICATIVAS PARA LA TABLA C-1

C-2

(1)

Cualquier primera letra, si se utiliza en combinación con las letras modificadoras O (diferencial) , F (razón), M (momentáneo) , K (tasa de tiempo de cambio), Q (integrar o totalizar) o cualquier combinación de éstas, se propone para representar una variable medida nueva y separada y la combinación se trata como una entidad primera letra. Por ejemplo, los instrumentos TD1 y T1 indican dos variables diferentes , llamadas, temperatura diferencial y temperatura. Las letras modificadoras se utilizan cuando sea aplicable.

(2)

La forma gramatical de los significados de las letras siguientes se puede modificar según se requiera. Por ejemplo, "indicar" se puede aplicar como "indicador" o "de indicación" , "transmitir" como "transmisor" o "de transmisión" , etc.

(3)

La primera letra A (análisis) abarca todos los análisis no descritos por una letra "de escogencia del usuario" . Se espera que el tipo de análisis sea definido por fuera de una burbuja de rótulo.

Símbolos de instrumentación I.S.A. (4)

Una letra de escogencia del usuario se propone para abarcar significados no enunciados que serán usados repetitivamente en una aplicación particular.

(5)

Un dispositivo que conecta, desconecta o transfiere uno o más circuitos puede ser un interruptor, un relé, un controlador ENCENDIDO-APAGADO o una válvula de control, dependi'endo de la aplicación.

(6)

La función pasiva G aplica a instrumentos o dispositivos que proveen una visualización no calibrada, tales como vidrios de nivel y monitores de televisión.

(7)

El uso de los términos modificadores "alto", "bajo" , "medio" o "intermedio" y "exploración" es opcional.

(8)

Los términos modificadores "alto" y "bajo", y "medio" o "intermedio" corresponden a valores de la variable medida, no a valores de la señal, a menos que se especifique otra cosa.

(9)

Los términos "alto" y "bajo", cuando aplican a las posiciones de las válvulas y de otros dispositivos de abrir y cerrar, están definidos como sigue: "alto" denota que la válvula está abierta o aproximándose a la posición completamente abierta y "bajo" denota que está cerrada o ap¡ oxiniándose a la posición completamente cerrada.

(10) "Indicar" aplica normalmente a la lectura-analógica o digital-de una medición. (11) Una luz indicadora que hace parte del lazo de un instrumento debe ser designada por una primera letra seguida por la letra L. (12) El término "registrar" aplica a cualquier forma de almacenamiento de información permanente que permite su recuperación por cualquier medio. (13) El término "seguridad" aplica únicamente a elementos primarios de protección contra emergencia y a elementos de control final de protección contra emergencia. (14) El uso de la primera letra U para "multivariable" en lugar de una combinación de primeras letras es opcional. (15) El uso de una letra subsiguiente U para "multifunción" en vez de una combinación de otras letras funcionales es opcional. (16) La letra no clasificada X se propone para abarcar significados no enunciados que serán usados sólo una vez o para un alcance limitado. (17) Se espera que las funciones asociadas con el uso de la letra subsiguiente Y sean definidas por fuera de un pequeño cuadro encerrado sobre un diagrama cuando se considere necesario una definición adicional. La tabla C-2 da los símbolos de función usados más comúnmente.

e-3

Símbolos de instrumentación I.S.A. SíMBOLO

FUNCiÓN

LoSUMA

Suma o totaliza

fj.o DIF

Resta

PRO

Promedio

x

Multiplica Divide

{

Extrae raíz cuadrada

IIP

Convierte corriente eléctrica en señal neumática

Tabla C-2. Símbolos de función usados más comúnmente.

C-4

Apéndice

O

Guía de selección para los elementos medidores de temperatura La siguiente tabla puede ayudar al lector en la selección de un tipo específico de elemento primario para medición de temperatura. Ésta no es de ninguna manera una tabla exhaustiva pero brinda una indicación de los diferentes diseños disponibles en el mercado.

ELEMENTOS DE MEDICiÓN DE TEMPERATURA

TIPO DE DISEÑO

RANGO(S) DE TEMPERATURA

CARACTERíSTICAS

Termómetro bimetálico

Oesde -70 hasta 50 °C (-100 hasta 125°F) al límite de 100 hasta 550 °C (200 hasta 1000°F)

Provee una lectura visual directa de la temperatura. Puede ser acoplado mecánicamente a un lapicero de anotación. Fácil de usar, relativamente económico. Más fácil de leer que el termómetro de bulbo. Menos exacto que el termómetro de tubo.

Termómetros de tubo y de bulbo

Oesde -40 hasta 40 ° C (-40 hasta 110°F) al límite de 10 hasta 400 °C (50 hasta 750 °F)

Proveen una lectura visual dire.c;ta dé la temperatura. Relativamente económicos, fáciles de usar. El termómetro de tubo puede ser difícil de leer y está sujeto a rompimiento. El termómetro de bulbo provee una exactitud aceptable, pero tiende a ser voluminoso y a tener una lenta velocidad de respuesta.

Detector de temperatura resistivo (DTR)

-220 hasta 850 °C (-360 hasta 1560°F) para OTR de platino, -200 hasta 320 °C (-330 hasta 600 °F) para OTR de níquel

Produce un cambio en la resistencia eléctrica proporcional a la temperatura. Es uno de los elementos de medición de temperatura más exactos, estables y sensibles. El diseño OTR de cobre minimiza el error causado por los voltajes parásitos de Seebeck que ocurren cuando alambres aislados de cobre convencional son conectados a través del OTR. El OTR es más costoso, más frágil, más largo en tamaño y más lento para responder a cambios de temperatura que el termopar. Los errores en la medición pueden ocurrir si hay humedad en la envoltura. La exactitud de la medición depende de la estabilidad térmica del equipo usado para medir la resistencia del OTA.

Termistor

-101 hasta 316 °C (-150 hasta 600 °F) para termistores de metal oxido

Produce un cambio en la resistencia eléctrica proporcional a la temperatura. Económico, pequeño, rápida velocidad de respuesta y muy alta sensibilidad. No necesita compensación de la juntura en frío. No lineal, frágil e inadecuado para requerimientos de gama amplia. No puede ser intercambiado sin recalibración de los circuitos asociados. Carente de estabilidad a muy altas temperaturas.

0-1

Guía de selección para los elementos medidores de temperatura TIPO DE DISEÑO

RANGO(S) DE TEMPERATURA

CARACTERíSTICAS

Termopar

-184 hasta 400 °C (-300 hasta 750 °F) para diseños tipo T, O hasta 1760°C (32 hasta 3200 °F) para diseños tipo S

Produce un pequeño voltaje proporcional a la temperatura. Económico, pequeño, robusto, de amplio rango, estable, exacto y rápido. Requiere una referencia para proveer mediciones de temperatura exactas ya que la conexión del medidor puede producir voltajes parásitos de Seebeck. Sensible a niveles de ruido típicos de fuentes de ruido comunes tales como cableado eléctrico cercano y tierras capacitivas.

Pirómetro de radiación

760 hasta 3500 °C (1400 hasta 6300 °F) para diseños ópticos, -40 hasta 4000 °C (-40 hasta 7000 °F) para diseños de banda ancha y angosta

Mide temperatura basándose en la radiación emitida por un cuerpo caliente. No requiere contacto directo con el cuerpo. Rápida velocidad de respuesta, puede medir muy altas temperaturas. Frágil y costoso, no lineal, su gama de temperatura mínima es relativamente amplia.

Tabla D-1. Elementos de medición de temperatura

D-2

Apéndice

E

Factores de conversión Utilice los siguientes factores de conversión para convertir las mediciones S.I. o métricas en mediciones E.U. y viceversa. UNIDADS.I.

o MÉTRICA

FACTOR

UNIDADE.U.

FACTOR

UNIDAD S.I.

o MÉTRICA

Longitud Centímetros (cm)

x 0,394

Metros (m)

x 3,281

=Pulgadas (pulg.) =Pies (ft)

Centímetros cuadrados (cm 2 )

x

=Pulgadas cuadradas

Metros cuadrados (m 2)

x 10,76

-"

x 0,305

=Ceritímetrqs (cm) =Metros (m)

x 6,452

=Centímetros cuadrados

x 2,54

Área 0,155

(pulg. 2)

=Pies cuadrados (ft

(cm 2) 2

)

x 0,093

=Metros cuadrados (m z,

Volumen (capacidad)

x 0,028

x 0,264

x 3,785

=Metros cúbicos (m 3 ) =Metros cúbicos (m 3 ) =Litros (1)

x 2,205

=Libras (lb o Ibm)

x 0,454

=Kilogramos (kg)

x 0,225

=Libras fuerza (lb; Ibf)

x 4,448

=Newtons (N)

Grados Celsius (oC)

x 1,8 + 32

Kelvin (K)

x 1,8

=Grados Fahrenheit (OF) - 32 x 0,55 =Grados Celsius (oC) =Grados Rankine (OR) x 0,556 =Kelvins (K)

x 35,31

Metros cúbicos (m 3 )

x 264

Litros (1)

x 0,0038

)

...

=Pies cúbicos (ft3) =Galones EU (gal EU) =Galones EU (gal EU)

Metros cúbicos (m 3 )

2

Masa Kilogramos (kg)

Fuerza Newtons (N)

Temperatura

Velocidad Metros por segundo (mIs)

x 3,281

Centímetros por minuto (cm/min)

x 0,394

=Pies por segundo (ftls) =Pulgadas por minuto (pulg./min)

x 0,305 x 2,538

=Metros por segundo (mIs) =Centímetros por minuto (cm/min)

E-1

Factores de conversión UNIDAD S.1.

o MÉTRICA

FACTOR

UNIDADE.U.

FACTOR

UNIDAD S.I. O MÉTRICA

Energía térmica

x 0,00095

= Unidades térmicas britá- x 1054 nicas (Btu)

x 0,00095

= (Btu/s)

x 1054

= Vatios (W)

Kilopascales (kPa)

x 0,145

= Libras fuerza por pulgada cuadrada (psi; Ibf/pulg. 2 )

x 6,895

= Kilopascales (kPa)

Kilopascales (kPa)

x 4,018

= Pulgadas de agua @ 60 °F (pulg.HP)

x 0,249

= Kilopascales (kPa)

Bares (bar)

x 14,5

= Libras fuerza por pulgada cuadrada (psi; Ibf/pulg.2 )

x 0,069

= Bares (bar)

Milímetros de mercurio @ OOG (mmHg)

x 0,536

= Pulgadas de agua @ 60 °F (pulg.H 2 O)

x 1,866

= Milímetros de mercurio @ OOG (mmHg)

Metros cúbicos por segundo (m 3/s)

x 15845

= Galones EU por minuto (gal EU/min)

x 0,000063 = Metros cúbicos por

Metros cúbicos por minuto (m 3/min)

x 4,402

= Galones EU por minuto (gal EU/min)

x 0,227

= Metros cúbicos por minuto (m 3/min)

Litros por minuto (I/min)

x 0,264

= Galones EU por minuto (gal EU/min)

x 3,785

= Litros por minuto (I/min)

Litros por minuto (I/min)

x 0,0353

= Pies cúbicos por minuto (ft3/min)

x 28,317

= Litros por minuto (I/min)

x 0,672

= Libras fuerza por pie segundo (Ibf/ft·s)

x 1,488

= Pascal es segundo (Pa·s)

Julios (J)

= Julios (J)

Potencia Vatios (W)

Presión

Caudal volumétrico segundo (m 3/s)

Viscosidad dinámica Pascales segundo (Pa·s)

Tabla E-l. Factores de conversión

E-2

Apéndice

F

Uso del Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) Introducción El Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, se puede usar para controlar--el Sistema didáctico en control de procesos, modelo 6090, o se puede configurar para simular un proceso genérico con ganancia, constante de tiempo y tiempo muerto ajustables, así como la constante de tiempo de la perturbación. Este apéndice es un resumen de cómo usar el LVPROSIM para realizar el control del Sistema didáctico en control de procesos.

Conexión del sistema La figura F-1 muestra cómo conectar la computadora LVPROSIM al Sistema didáctico en control de procesos, a través de la Interfaz E/S, modelo 9065. z ,

•

La entrada analógica 1 de la Interfaz E/S está dedicada a la entrada de realimentación del controlador LVPROSIM. Así, la Interfaz E/S convierte el voltaje suministrado por el transmisor del proceso a una señal RS-232 que es aplicada a la entrada de realimentación del controlador. Debido a que el LVPROSIM acepta voltajes de entrada con un rango entre Oy 5 V, el interruptor RANGO de la Interfaz E/S de la entrada analógica 1 debe ser llevado a la posición 5 V.

•

La salida analógica 1 de la Interfaz E/S está dedicada a la salida del controlador LVPROSIM. Así, la Interfaz E/S convierte la señal RS-232 de la salida del controlador a un voltaje que se puede usar para controlar, por ejemplo, la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, modelo 6510; la potencia eléctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefacción, modelo 6530; o la velocidad de rotación de los ventiladores de la Unidad de refrigeración, modelo 6531. Una variación de 0-1 00% de la salida del controlador LVPROSIM resulta en una variación de 0-5 V en la salida analógica 1.

F-1

Uso del Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) INTERFAZ E/S

COMPUTADORA LVPROSIM

PUERTO SERIE ' --

- --

-

SISTEMA DIDÁCTICO EN CONTROL DE PROCESOS

(9065)

L~~Ñ_A_L~~ ~~.=.2~~

í

----'

(6090)

ENTRADA ANALÓGICA 1 VARIABLE DE5V MEDIDA (REALIMENTACIÓN) - - - - - - - - - - - - PUERTO SERIE SALIDA ANALÓGICA 1 DE 5V

SALIDA DEL TRANSMISOR

SALIDA DEL CONTROLADOR

-------- ----.

ELEMENTO DE CONTROL

ADAPTADOR DE 24 VCA I I

6 VOLTAJE DE lÍNEA CA

Figura F-1. Control del Sistema didáctico en control de procesos de Lab-Volt con el Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM).

Cuando el software LVPROSIM es ejecutado por primera vez Cuando el software LVPROSIM es ejecutado por primera vez, Inicia en su configuración predeterminada de simulador genérico. Para implementar el control LVPROSIM del Sistema didáctico en control de procesos, siga los siguientes pasos: 1.

Seleccione Proceso de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Utilización del Equipo Didáctico en Control de Procesos y luego, Continuar.

2.

Seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSI M, seguido del Puerto de Como apropiado (1 ó 2).

3.

Después de seleccionar el puerto apropiado, seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido del número de modelo de la Interfaz E/S que está usando, que puede ser 9065-00 ó 9065-10.

4.

Después de seleccionar el número de modelo apropiado de la Interfaz E/S, establezca la comunicación entre ésta y la computadora LVPROSI M seleccionando Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM , seguido de Establecer la comunicación.

Si la comunicación con la Interfaz E/S no se puede establecer o aparece un mensaje de error de comunicación sobre la pantalla del LVPROSIM , verifique que la Interfaz E/S está correctamente energizada y que está conectada al puerto serie de la PC. La revisión de la Interfaz E/S se puede hacer como sigue: 1. Conecte un alambre aislado entre la salida analógica 1 y la entrada analógica 1 de la Interfaz E/S. F-2

Uso del Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) 2.

Lleve el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALÓGICA 1 de la Interfaz E/S a la posición 5 V.

3.

Verifique que la Interfaz E/S esté energizada. Ejecute el software LVPROSIM.

4. Seleccione Proceso de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Utilización del Equipo Didáctico en Control de Procesos y luego seleccione Continuar. 5.

Seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSI M, seguiQo del Puerto de Com apropiado (1 ó 2). .

6.

Seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido del número de modelo de la Interfaz E/S que está usando, que puede ser 90.65-0.0. ó 90.65-10..

7. Seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Establecer la comunicación. 8.

El controlador está ahora en modo manual (lazo abierto). Colóquelo en modo automático (lazo cerrado) llevando el interruptor AUTO/MANUAL a AUTO. Si la comunicación entre el LVPROSIM y la Interfaz E/S es correcta, se verán cambiar los valores en los campos Variable controlada y Salida del controlador.

•

Generador de funciones El software LVPROSI M está provisto con un generador de funciones que se puede usar como una fuente de voltaje CC de 0.-5 V para controlar manualmente la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Esto elimina la necesidad de usar una fuente de voltaje CC externa o un segundo controlador para controlar la velocidad de rotación de este mando cuando el controlador LVPROSIM es usado para controlar la Unidad de calefacción o la Unidad de refrigeración. Con el fin de usar el generador de funciones LVPROSIM para controlar la velocidad de rotación del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, conecte la entrada de control 0.-5 V de este mando a la computadora LVPROSIM a través de la salida analógica 2 de la Interfaz E/S, de acuerdo con la figura B-2 del apéndice B. El generador de funciones LVPROSIM luego se puede ajustar para producir un voltaje CC entre o. y 5 V, de acuerdo con los siguientes pasos: 1. Seleccione Gen . de funciones de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Ajuste. 2.

Ajuste la Amplitud del generador en o. para producir un voltaje CC a la salida del generador. Luego ajuste el voltaje CC entre o. y 5 V, usando las flechas de la Desviación. 0.% corresponde a o. V, mientras que 10.0.% corresponde a 5 V. Nota: Los ajustes de la frecuencia, multiplicador de frecuencia y tipo de forma de onda no importan, ya que una amplitud del generador de 0% causa que la salida del mismo sea un voltaje CC.

F-3

Uso del Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) 3.

Haga clic sobre ACEPTAR para regresar a la pantalla principal del LVPROSIM.

4.

Seleccione Gen. de funciones de la pantalla principal, seguido de Conectar a la Salida analógica Canal 2.

Registrador El registrador es el área de visualización en el centro de la pantalla principal del LVPROSIM. El registrador se puede usar para graficar como función del tiempo cualquiera de las variables que se enuncian bajo la lista de selección Registrador. Estas variables incluyen • •

• •

Las variables conectadas a las entradas analógicas 1 hasta 6 de la Interfaz E/S. Las dos variables de salida del LVPROSI M (la salida analógica 1 siendo la salida del controlador y la salida analógica 2 siendo la salida del Generador de funciones). La referencia del controlador. Las señales de las secciones del controlador de modo proporcional, integral y derivativo.

El registrador se puede hacer avanzar o retroceder en el tiempo con el uso de las dos flechas en la parte inferior izquierda. Cuando se hace clic sobre cualquiera de las flechas, el registrador se pone en modo de pausa automáticamente. Observe que el registrador sigue contando el tiempo que pasa aún cuando se hace el corrimiento. Cuando el registrador es reactivado haciendo clic sobre el botón Pausa, la gráfica y el tiempo se reinician en el punto en donde se inició el corrimiento. El botón Borrar se usa para despejar el registrador. Una vez despejado, la gráfica no se pueden recuperar. El botón Parar detiene el temporizador del reloj pero no la simulación, mientras que el botón Reiniciar comienza nuevamente el temporizador del reloj desde cero. Observe que el reloj se puede reiniciar y detener con las selecciones del disparo del reloj . El botón Pausa detiene la simulación y en consecuencia el reloj.

El algoritmo del controlador El controlador LVPROSIM usa un algoritmo ideal no interactivo. Así, la ecuación que describe la salida del controlador LVPROSI M en cualquier tiempo específico, t, está dada por:

e (t) +

~TI fe (t) dt

+

T o de (t) dt

1+ C s (lo)

lo

donde C s (t) F-4

= salida del controlador en un tiempo específico;

Uso del Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) e

(t) Kc TI TD

Cs (10)

= = = = =

error en un tiempo específico; ganancia del controlador (recíproca de la banda proporcional); tiempo de integración; tiempo de derivación; salida del controlador en el tiempo en que la observación comienza (t = O).

•

La ganancia del controlador, Kc , determina la magnitud de la acción proporcional. Esta ganancia es el recíproco de la banda proporcional, Bp (%). Cuando se ajustan las constantes de reglaje del controlador, la acción proporcional es ajustada en términos de la banda proporcional. Entre más baja (o más angosta) es la banda proporcional , mayor será la acción proporcional.

•

El tiempo de integración, TI ' determina la magnitud de la acción integral. El tiempo de integración corresponde con el tiempo necesario para que la acción integral repita la acción de control proporcional, asumiendo que el error es constante. Entre más corto es el tiempo de integración, mayor será la acción integral. Observe que el algoritmo del controlador contiene una función de "anti cierre de reposición". Esta función apaga la acción integral tan pronto como la salida del controlador alcanza su límite de salida (O o 100 %) , lo cual minimiza el sobrepaso de la variable controlada siguiendo un cambi9 eS0"alón en la señal de error. ;

•

Finalmente, el tiempo de derivación, T D' determina la magnitud de la acción derivativa. El tiempo de derivación corresponde al tiempo para el cual la acción derivativa produce el efecto de la acción proporcional. Entre más largo es el tiempo de derivación, mayor será la acción derivativa. Observe que la acción derivativa se puede implementar en el error o en el proceso. El ajuste predeterminado es Acción derivativa sobre error. Cuando la acción derivativa está implementada sobre el error, los cambios en la referencia causarán que la acción derivativa produzca una salida. Esto podría conducir a oscilaciones erráticas en la salida del controlador con las subsecuentes oscilaciones del proceso. Implementando la acción derivativa sobre el proceso, se producirá una salida sólo cuando la variable medida esté cambiando y no ocurrirá ninguna acción derivativa debido únicamente a un cambio en la referencia. Para implementar la acción derivativa en el proceso, seleccione Controlador en la pantalla principal , seguido de Constantes de reglaje. Quite la selección del cuadro Acción derivativa sobre error para conmutar a acción derivativa sobre proceso.

Intervalo de muestreo El intervalo de muestreo y el tiempo de actualización de la pantalla son los mismos y se pueden cambiar seleccionando Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM , seguido de Ajuste del intervalo de muestreo. Si se selecciona un intervalo que es demasiado rápido para el procesador de su computadora, el programa procesará tan rápido como le sea posible (dependiendo de la velocidad del procesador) . El intervalo de muestreo predeterminado es de 500 ms.

F-5

Uso del Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) 3.

Haga clic sobre ACEPTAR para regresar a la pantalla principal del LVPROSI M.

4.

Seleccione Gen. de funciones de la pantalla principal , seguido de Conectar a la Salida analógica Canal 2.

Registrador El registrador es el área de visualización en el centro de la pantalla principal del LVPROSIM. El registrador se puede usar para graficar como función del tiempo cualquiera de las variables que se enuncian bajo la lista de selección Registrador. Estas variables incluyen • •

• •

Las variables conectadas a las entradas analógicas 1 hasta 6 de la Interfaz E/S. Las dos variables de salida del LVPROSI M (la salida analógica 1 siendo la salida del controlador y la salida analógica 2 siendo la salida del Generador de funciones). La referencia del controlador. Las señales de las secciones del controlador de modo proporcional , integral y derivativo.

El registrador se puede hacer avanzar o retroceder en el tiempo con el uso de las dos flechas en la parte inferior izquierda. Cuando se hace clic sobre cualquiera de las flechas, el registrador se pone en modo de pausa automáticamente. Observe que el registrador sigue contando el tiempo que pasa aún cuando se hace el corrimiento. Cuando el registrador es reactivado haciendo clic sobre el botón Pausa, la gráfica y el tiempo se reinician en el punto en donde se inició el corrimiento. El botón Borrar se usa para despejar el registrador. Una vez despejado, la gráfica no se pueden recuperar. El botón Parar detiene el temporizador del reloj pero no la simulación, mientras que el botón Reiniciar comienza nuevamente el temporizador del reloj desde cero. Observe que el reloj se puede reiniciar y detener con las selecciones del disparo del reloj. El botón Pausa detiene la simulación y en consecuencia el reloj .

El algoritmo del controlador El controlador LVPROSIM usa un algoritmo ideal no interactivo. Así, la ecuación que describe la salida del controlador LVPROSI M en cualquier tiempo específico, t, está dada por:

e (t)

+

J.TI

fe (t) dt

+

T o de (t) dt

1+

C s (lo)

lo

donde Cs (t) F-4

= salida del controlador en un tiempo específico;

Uso del Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) e

(t)

Kc TI TD

Cs

(10)

= = = = =

error en un tiempo específico; ganancia del controlador (recíproca de la banda proporcional) ; tiempo de integración; tiempo de derivación; salida del controlador en el tiempo en que la observación comienza (t = O).

•

La ganancia del controlador, Kc, determina la magnitud de la acción proporcional. Esta ganancia es el reCíproco de la banda proporcional, Bp (%) . Cuando se ajustan las constantes de reglaje del controlador, la acción proporcional es ajustada en términos de la banda proporcional. Entre más baja (o más angosta) es la banda proporcional, mayor será la acción proporcional.

•

El tiempo de integración, TI' determina la magnitud de la acción integral. El tiempo de integración corresponde con el tiempo necesario para que la acción integral repita la acción de control proporcional, asumiendo que el error es constante. Entre más corto es el tiempo de integración, mayor será la acción integral. Observe que el algoritmo del controlador contiene una función de "anti cierre de reposición". Esta función apaga la acción integral tan pronto como la salida del controlador alcanza su límite de salida (O o 100 %), lo cual minimiza el sobrepaso de la variable controlada siguiendo un cambio escalón en la señal •' de error.

•

Finalmente, el tiempo de derivación, T D' determina la magnitud de la acción derivativa. El tiempo de derivación corresponde al tiempo para el cual la acción derivativa produce el efecto de la acción proporcional. Entre más largo es el tiempo de derivación, mayor será la acción derivativa. Observe que la acción derivativa se puede implementar en el error o en el proceso. El ajuste predeterminado es Acción derivativa sobre error. Cuando la acción derivativa está implementada sobre el error, los cambios en la referencia causarán que la acción derivativa produzca una salida. Esto podría conducir a oscilaciones erráticas en la salida del controlador con las subsecuentes oscilaciones del proceso. Implementando la acción derivativa sobre el proceso, se producirá una salida sólo cuando la variable medida esté cambiando y no ocurrirá ninguna acción derivativa debido únicamente a un cambio en la referencia. Para implementar la acción derivativa en el proceso, seleccione Controlador en la pantalla principal , seguido de Constantes de reglaje. Quite la selección del cuadro Acción derivativa sobre error para conmutar a acción derivativa sobre proceso.

Intervalo de muestreo

El intervalo de muestreo y el tiempo de actualización de la pantalla son los mismos y se pueden cambiar seleccionando Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM , seguido de Ajuste del intervalo de muestreo. Si se selecciona un intervalo que es demasiado rápido para el procesador de su computadora, el programa procesará tan rápido como le sea posible (dependiendo de la velocidad del procesador). El intervalo de muestreo predeterminado es de 500 ms.

F-5

Uso del Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) El intervalo de muestreo afecta tanto al algoritmo del controlador como al tiempo de actualización del registrador. La exactitud del registrador aumenta mientras el intervalo de muestreo disminuye. Así, un intervalo de muestreo más corto dará un tiempo de visualización más corto y por tanto, una mayor exactitud en el registrador.

Función de extracción de la raíz cuadrada La señal de la variable medida que entra a la entrada analógica 1 de la Interfaz E/S (entrada de realimentación del controlador LVPROSIM) se puede hacer lineal cuando la variable medida es no lineal, e.d. no es de primer grado con respecto a una o más variables. Para activar la función de extracción de la raíz cuadrada en esta entrada, seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Configuración de las entradas analógicas. Seleccione la casilla de verificación Extraer raíz cuadrada en la sección de la Entrada analógica 1, luego acepte y regrese a la pantalla principal.

Función de almacenamiento de datos Los datos usados para dibujar las variables de las entradas y salidas analógicas en el registrador se pueden guardar en un disco como un archivo de formato tipo .TXT y pueden ser importados a un programa de hoja de cálculo para un análisis detallado. Por ejemplo, esta función se puede usar para experiencias tales como la determinación de las características dinámicas de un proceso desde su curva de respuesta escalón en lazo abierto. Para guardar en disco los datos dibujados, use el cuadro aliado del icono de disco en la esquina superior izquierda del área de visualización del registrador. Cuando se hace clic en dicho cuadro comienza el almacenamiento de datos. Cuando se quita la selección del cuadro se detiene el almacenamiento de datos. Los datos almacenados se guardan en el archivo Trendrec.txt, disponible bajo la carpeta de aplicación LVPROSIM. Si quiere mantener este archivo para sus registros, debe guardarlo con un nuevo nombre, ya que el archivo Trendrec.txt será sobrescrito la próxima vez que se inicie la función de almacenamiento de datos.

Cronómetro con disparo El cronómetro de LVPROSIM se utiliza para medir la duración de tiempo para las experiencias tales como la generación de una curva de reacción de proceso. El cronómetro se puede disparar (reiniciar en O y empezar el conteo) porque se excede un cierto nivel en la perturbación o en la salida del controlador. También se puede ajustar para que se detenga cuando la variable controlada excede un cierto nivel. El cronómetro también se puede reiniciar o detener manualmente haciendo clic sobre el botón apropiado. El disparo del cronómetro se puede ajustar seleccionando Registrador de la pantalla principal, seguido de Ajuste del disparo del reloj .

F-6

Uso del Software de simulación y de control de procesos (LVPROSIM) Seguimiento de la referencia Esta función se usa para una transferencia suave y sin variación repentina entre los modos de control manual (lazo abierto) y automático (lazo cerrado). Cuando se habilita esta función y el controlador está en modo manual , la señal de referencia seguirá a la variable medida, de tal forma que en el instante de la transferencia hacia el modo automático, la variable medida se mantendrá en su último valor. Para habilitar la función seguimiento de la referencia, seleccione Controlador de la pantalla principal seguido de Referencia, luego seleccione la casilla de v.erificación Seguimiento de la referencia.

Control en cascada

El controlador LVPROSI M se puede usar como esclavo en las aplicaciones de control en cascada. Para hacer esto, conecte la salida del controlador maestro a la entrada analógica 3 de la Interfaz E/S del controlador LVPROSI M que usted quiere que sea el esclavo. En esta interfaz, verifique que el interruptor RANGO de la entrada analógica 3 esté ajustado en 5 V. Seleccione Controlador de la pantalla principal del LVPROSI M esclavo, seguido de Referencia, luego seleccione la casilla de verificación Referencia remota (Canal 3). La salida del cOl1trolador maestro se usa ahora como referencia para el controlador LVPROSIM esqlavo.

F-7

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INSTRUMENTACiÓN Y CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE PROCESO DE TEMPERATURA 33336-02 Primera edición: Febrero de 2005 Impreso: Febrero de 2005

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Muy largos

D

Adecuados

D

Muy cortos '

¿Qué piensa de la información cubierta por los principios? D

Muy poca

D

Suficiente

D

Mucha

¿Cuál es el nivel de dificultad de las secciones de procedimiento? D

Muy difícil

D

Adecuado

D

Muy fácil

¿Cuál es el nivel de utilidad de las secciones de resumen del procedimiento? D

Poco útiles

D

Útiles

D

Muy útiles.;

D

3 o más

¿Cuántas horas se requirieron por ejercicio?

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D 2

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