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UNIDAD

Tecnologías en la Instrumentación Digital

I

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales

Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. GENERALIDADES.............................................................................................. 1 2.2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA ................................................................................... 3

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales

UNIDAD I TECNOLOGÍAS EN INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL"

1. INTRODUCCIÓN Como se ha comentado anteriormente, han habido en estas últimas décadas avances considerables en la tecnología de fabricación de los dispositivos, equipos y sistemas de instrumentación y control industrial. Hagamos ahora una breve reseña de como se ha dado este desarrollo para tener una idea general de las posibilidades actuales. 2. OBJETIVOS • •

Revisar los conceptos de control manual y control automático de procesos. Identificar las diversas tecnologías existentes en la instrumentación industrial.

2.1. GENERALIDADES En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy aún existe este tipo de control en muchas fábricas); la labor de este operador consistía en observar lo que está sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y hacía algunos ajustes (como abrir la válvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador. Este lazo – proceso a sensor, a operador, a válvula, a proceso - se mantiene como un concepto básico en el control de procesos. En el control manual, sin embargo, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta persona estará siempre limitada por el número de variables que pueda manejar. Por otro lado, la recolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, que ya está dedicando tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, que evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difíciles de manejar. El control automático a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales. Adicionalmente a esto, existen una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir con varias funciones, algo que como se ha comentado, sería imposible de ser logrado por un operador con la precisión y eficiencia deseados.

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Telefonía Básica

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Válvula manual

Indicador

Instrumentista

Reservorio

Figura 1 : Control manual

Válvula de control

Controlador Sensor

Reservorio Figura 2 : Control automático

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2.2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA El control de los primeros procesos industriales se basó en la habilidad de los operadores (control manual). En los años siguientes, la aparición de los controladores locales permitió al operador manejar varios lazos de control, pero subsistía aún el problema de recolección de datos. Los controladores locales son aún muy útiles, así como también resistentes y simples. Sin embargo, debido a que están directamente relacionados con el proceso y por lo tanto están diseminados a través de toda la planta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demande mucho tiempo. El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente marcó un mayor avance en el control de procesos. Aquí las variables pueden ser convertidas en señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos. Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumático realizaba simples cálculos basados en una señal de referencia (set point) y la variable del proceso y ajustar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que el operador podía controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radicaban en la lentitud de la respuesta del sistema de control de cambios rápidos y frecuentes y a su inadecuada aplicación en situaciones en que los instrumentos estén demasiado alejados (pérdidas). Alrededor de los 60, los dispositivos electrónicos aparecieron como alternativa de reemplazo a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos para un lazo cerrado, son rápidos, precisos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operación con respecto a los neumáticos era relativamente pequeña y además la recopilación de datos, aún no muy fácil de manejar. Algún tiempo después de la aparición de los sistemas de control electrónicos analógicos, el desarrollo de los microprocesadores permitió el surgimiento de los transmisores y controladores digitales, así como de los controladores lógicos programables (PLC), además, de sistemas especializados como por ejemplo, las máquinas de control numérico computarizado (CNC). El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicación, aparecen los sistemas de control digital directo (DDC), hasta los sistemas de supervisión y control actuales, con los cuales se logra manejar un gran número de procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, analizar y optimizar diversas unidades y plantas e incluso, realizar otras actividades, como planificación de mantenimiento, control de calidad, inventario, etc. Independientemente de la tecnología, la evolución de las técnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la acción directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automáticos, sin embargo, existe una analogía muy clara entre estos últimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar.

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Telefonía Básica

Tecsup Virtu@l Impresión sensorial

Sentidos

Raciocinio

Cerebro

Acción

Manos, voz

Figura 3 Ser Humano

Información

Decisión

Acción

Sensores

Unidad de control

Actuadores

Figura 4 Sistema automático

FIN DE LA UNIDAD

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Componentes de un Sistema de Control

II

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Indice

Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. SISTEMA DE CONTROL REALIMENTADO............................................................ 1 2.2. SENSORES ....................................................................................................... 2 2.3. TRANSMISORES ............................................................................................... 3 2.4. CONTROLADORES ............................................................................................ 5 2.5. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL .................................................................. 5 2.6. OTROS ELEMENTOS ......................................................................................... 6

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UNIDAD II "COMPONENTES DE UN SISTEMA DE CONTROL" 1. INTRODUCCIÓN Al hablar de sistemas de control, es necesario hacer una diferencia entre lo que es un sistema de mando y otro de regulación. El primero está relacionado principalmente con procesos de manufactura, en los cuales, la repetición de secuencias es la característica fundamental. El segundo, tiene que ver con procesos en los que es necesario mantener constante el valor de una o más variables, como sucede en un sistema realimentado. En este curso nos vamos a dirigir hacia el segundo tipo. 2. OBJETIVOS • •

Identificar los componentes que forman parte de un típico sistema de control realimentado Conocer las funciones y características generales de estos componentes

2.1. SISTEMA DE CONTROL REALIMENTADO Con el fin de ver más claramente la relación de los componentes típicos de un sistema automático, se muestra en la figura 1 un diagrama en bloques de un sistema de control de lazo cerrado o realimentado. Cada bloque representa a un elemento cuyas características definen, en conjunto con los demás, el funcionamiento adecuado de determinado proceso en particular. Aquí el proceso puede ser físico o una reacción química o conversión de energía. Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso. La variable controlada, es el parámetro que se desea controlar hasta el valor deseado o referencia (set point). El sensor mide el valor de la variable controlada y el transmisor, cambia este valor en una señal normalizada que puede ser transmitida. Esta señal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la función de los instrumentos en el sistema tales como registro, indicación, control y activación de alarmas o enclavamiento. En el caso del controlador que viene a ser el corazón del sistema, esta señal (variable medida) es comparada con el set point y la diferencia (desviación) sirve para el elemento final de control (comúnmente una válvula) para ajustar el valor de la variable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variable controlada se dirija hacia el de la referencia. Desde luego, no todos los sistemas de control automático tienen exactamente este modelo (llamado de realimentación); existen variaciones como por ejemplo, el control prealimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre estos, etc. basados en instrumentos de tecnologías antiguas o modernas; de todas estas tecnologías, vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos de regulación automática, como veremos más adelante.

Unidad II

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PROCESO ENTRADA

SALIDA LAZO ABIERTO

VARIABLE CONTROLADA

VARIABLE MANIPULADA PROCESO

SALIDA

ENTRADA

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

SENSOR

VARIABLE SET POINT

MEDIDA CONTROLADOR

TRANSMISOR

REGISTRADOR INDICADOR ALARMAS ENCLAVAMIENTOS

LAZO CERRADO

Figura 1 : Sistema de control realimentado Veamos ahora algunas consideraciones relacionadas a los componentes del diagrama anterior, desde los sensores hasta los elementos finales de control, mencionando también aspectos de otros instrumentos no considerados en aquel diagrama, pero que también tienen importancia en algunos lazos de control. 2.2. SENSORES Son los elementos que detectan o sensan cambios en el valor de la variable controlada. A menudo se denominan elementos primarios y en algunos casos forman parte de un bloque con el llamado transmisor o aquel que recibe la salida del sensor y adapta esta señal con fines de transmitirla; a este conjunto se la denomina transductor. En general, la respuesta de un sensor determina cuan bien se va efectuar la medición, el registro o control de una variable; y su selección es el resultado de conocer bien las características de un proceso.

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Algunas de las características más importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolución, etc., términos incluidos en el glosario incluido en el Apéndice I. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entregue la información final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendrá un mejor control del proceso. Los retardos de medición implican errores mientras el proceso está cambiando. La medición no es sólo tardía, sino también inexacta, debido a que sigue cambiando, aún teniendo ya una lectura disponible. A más lentitud en la respuesta, más inexactitud en la medición cuando sea recibida. Un disturbio de corta duración, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duración es corta comparada con el retardo de medición. En ese caso, probablemente el disturbio tendrá mínimo efecto en el proceso. La capacidad térmica de un sensor es función de su tamaño, forma y material. La resistencia al flujo de calor, sin embargo, depende de la naturaleza del fluido y de su velocidad. Como ejemplo, la curva de respuesta de una termocupla expuesta colocada en un fluido a temperatura, es una curva exponencial que llega al 83% de su amplitud final en un tiempo menor que al de una termocupla dentro de un termopozo. La diferencia en retardo se debe a la mayor capacidad (aumento de masa) del segundo sensor. En general, para cualquier variable a ser medida, estas consideraciones acerca del tiempo de respuesta son gravitantes en la respuesta de los otros elementos e instrumentos que existen en un determinado sistema de control. 2.3. TRANSMISORES Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las electrónicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a las neumáticas como señales aplicadas a estos equipos; las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor. Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 -100% de la variable. Esta señal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumáticos en Estados Unidos. En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2-1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las señales neumáticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como señales de entrada a válvulas de control o a sus posicionadores. Los transmisores electrónicos generan varios tipos de señales eléctricas de corriente continua y señales dgitales. Entre las primeras, las más empleadas son 4-20 mA y 020 mA y en panel 1 a 5 V. La señal electrónica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo.

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Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas, emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliamperímetros, potenciómetros, calculadores analógicos, etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la señal. El “cero vivo” con el que empieza la señal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avería por corte de un hilo (la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavía más el “ruido” de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo.

Figura 2 : Transmisores digitales (cortesía de Yokogawa) Los transmisores electrónicos se pueden catalogar en analógicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analógicos están hoy prácticamente en desuso y debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones. La tecnología actual, ha hecho que los transmisores electrónicos, no sólo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que además, tengan posibilidades de control (PID) sobre el elemento final de control. A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analógicos como veremos más adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor de señales digitales en estos transmisores determinará en algún momento la estandarización de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la señal analógica de 4-20 mA.

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2.4. CONTROLADORES Un controlador puede ser definido como un dispositivo que compara el valor de una variable medida (señal de entrada) al valor deseado (set point) para producir una señal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia para manipular la variable controlada. La tecnología de estos equipos ha variado desde neumáticos, hidráulicos hasta electrónicos, que son los empleados actualmente. Anteriormente, se mostró un típico lazo de control automático con los componentes básicos: el elemento de detección (sensor) el elemento de medición (transmisor), el elemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (válvula u otro). Es de destacar que dos o más de estos elementos pueden estar formando un solo bloque, pero no es lo más usual.

Figura 3 : Controladores digitales (cortesía de Honeywell) En este lazo, el controlador el controlador responde como se ha dicho, a la diferencia entre el set point y la variable medida y en base al tipo de control elegido, entrega una señal de control al elemento final. Durante muchos, años se emplearon controladores neumáticos actuando con las señales neumáticas estándares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrónicos analógicos y digitales. Los primeros, prácticamente ya no se fabrican (aunque todavía se utilizan) y han sido reemplazados por los últimos, los cuales están basados en microprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores. 2.5. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL Son aquellos que finalmente responden, dentro de un lazo de control para realizar un cambio en la variable controlada. En la mayoría de los procesos las válvulas de control, son las usadas, si se trata de controlar variables como flujo, presión, nivel, temperatura o mezcla de componentes. La mayoría de los flujos de fluidos son controlados por válvulas neumáticas o eléctricas, en otros casos se emplean bombas; para servicios de gases a menudo se emplean válvulas especiales y para sólidos es común hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidad electrónico. Debido a que las válvulas son los elementos finales de control más utilizados, estudiaremos sus características en el módulo correspondiente.

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2.6. OTROS ELEMENTOS Dentro de este grupo podemos citar algunos dispositivos e instrumentos que realizan otro tipo de funciones como indicadores, registradores, conversores, alarmas e interruptores y elementos de funciones especiales. En lo respecta a indicadores, se incluyen elementos que tienen escalas graduadas que pueden ser lineales o no; los indicadores pueden ser analógicos (con aguja indicadora o incluso con barras verticales de diferente color) o digitales que presentan la variable medida en forma numérica. Los registradores proveen registros continuos de las variables medidas con respecto al tiempo, las cartas registradoras, usan esencialmente las mismas escalas que los instrumentos indicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo: pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Las velocidades de registro varían desde varios minutos por revolución hasta varios días por revolución, en el caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo a centímetros por hora, para los de carta de cinta. Los registradores multi-punto son usados cuando se necesita más de una variable. Actualmente se dispone también de los llamados registradores inteligentes (basados en microprocesadores) que van mucho más allá de registrar las tendencias de las variables (es posible hacer análisis, reportes, etc.) siendo la tendencia a dejar de emplear papel y más bien guardar los datos en memoria (acción hasta hace poco realizada solamente por los llamados data loggers) y mostrarlos en una pantalla de cristal líquido (LCD) o a través de una computadora. El desarrollo de controladores electrónicos creó la necesidad de contar con dispositivos que convirtiesen señales de un tipo de energía a otro y de un nivel de señal a otro, como el conversor de corriente a presión para actuar sobre las válvulas neumáticas. A menudo se requiere convertir señales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrónicos que reciben señales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envían señales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizaría un conversor de corriente a corriente aunque ya hoy en día, esto constituye una opción de software y no de hardware, como también ha sucedido con los extractores de raíz cuadrada y otros dispositivos de cálculo debido al desarrollo de la tecnología digital. Las funciones de alarma e interrupción, se utilizan ante condiciones anormales de un proceso. Los dispositivos empleados para estas funciones, pueden simplemente indicar o también realizar alguna acción de control. Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversas aplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, válvulas-solenoide, programadores, etc. cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo.

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Figura 4 : Registradores (cortesía de Endress + Hauser)

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Medición de Presión

III

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Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. UNIDADES DE PRESIÓN ................................................................................... 1 2.2. DISPOSITIVOS DE BALANCE DE GRAVEDAD ...................................................... 2 2.3. ELEMENTOS DE DEFORMACIÓN ELÁSTICA ........................................................ 2 2.4. TRANSDUCTORES ELÉCTRICOS DE PRESIÓN..................................................... 2

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UNIDAD III “MEDICION DE PRESION” 1. INTRODUCCIÓN El término presión puede ser definido como la acción de una fuerza contra otra en sentido opuesto. Usualmente es medida como fuerza por unidad de área. Las unidades más usadas industrialmente incluyen al bar, libra por pulgada cuadrada (psi), atmósfera, pulgadas de agua y mercurio etc. Existen varias formas de clasificar los elementos o dispositivos medidores de presión. Una de ellas, los divide en aquellos denominados de balance de gravedad, los que emplean dispositivos de deformación elástica y los que utilizan elementos que entregan una respuesta eléctrica representativa de la presión medida. 2. OBJETIVOS • •

Identificar las diversas formas de medir presión en la Industria. Conocer las características de los dispositivos más empleados para medir esta variable.

2.1. UNIDADES DE PRESIÓN El tipo de presión que mayormente se mide en los procesos industriales es la denominada presión manométrica que es la que tiene como referencia o punto de partida a la presión atmosférica. Para tal fin se emplean medidores llamados manómetros cuyas escalas están graduadas en diversas unidades. En la tabla siguiente podemos comparar las unidades más importantes: psi

kg/cm2

psi

1

0,07031

kg/cm2

14,2233

1

bar

14,5038

1,01971

1

kPa

0,14504

0,01019

0,01

“H2O

0,03613

0,00252

0,00249 0,24909

14,696

1,03322

1,01325 101,325 406,784

(1)

bar

kPa

“H2O

atm

0,06894 6,89475

27,68

0,06805

0,98067 98,0665

393,702

0,96785

100

401,465

0,98692

1

4,01465

0.00987

1

0,00246

nidad

(i)

1

tm Tabla 1 : Comparación de unidades de presión

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2.2. DISPOSITIVOS DE BALANCE DE GRAVEDAD Miden presiones desconocidas, balanceándolas en contra de la fuerza gravitacional de líquidos; a pesar de que son más usados en laboratorio, encuentran aplicaciones en plantas industriales. Dentro de los más usados se encuentran los manómetros de tubo en "U", los de tubo inclinado, los de cubeta y los de cubeta de tubo inclinado. En estos casos, el líquido manométrico a utilizar es el mercurio, aunque el agua también se usa cuando se trata de medir presiones bajas. Adicionalmente a estos dispositivos, se tienen la de tipo flotador y aquellos con líquido de sello que poco a poco van siendo dejados de lado por otros tipos de medidores. 2.3. ELEMENTOS DE DEFORMACIÓN ELÁSTICA Son dispositivos que alteran su forma cuando son sometidos a presión. Dentro de estos, aparecen los tubos de Bourdon (en "C", en espiral y helicoidal), en donde la forma y tipo de material definen el rango de aplicación; también, se utilizan los denominados diafragmas, cápsulas y fuelles, generalmente común en medición de presiones relativamente más bajas que para el caso de los tubos de Bourdon). Estos elementos han sido los más empleados en la fabricación de manómetros.

Figura 1 : Manómetros (cortesía de Dwyer) 2.4. TRANSDUCTORES ELÉCTRICOS DE PRESIÓN Cualquiera de los dispositivos de deformación elástica puede ser unido a un dispositivo eléctrico para formar un transductor eléctrico de presión. Estos, producen cambios de resistencia, inductancia o capacitancia. Dentro de los primeros se deben mencionar a las galgas extensiométricas (strain gages). Una galga extensiométrica es simplemente un alambre muy fino formando una grilla la cual está pegada a un papel especial. Cuando la grilla es afectada por la presión, ocurre un cambio de resistencia de acuerdo a la siguiente fórmula:

En donde ρ es la resistividad del alambre, L la longitud del mismo y A, el área de la sección recta.

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Este tipo de transductor puede ser usado para detectar pequeños movimientos y por lo tanto pequeños cambios de presión. Las galgas extensiométricas utilizan circuitos con puente de Wheatstone para obtener una salida eléctrica. Otro tipo de transductor similar emplea un disco elástico en el cual, el elemento de deformación es de silicio y está sellado en un fluido con silicona y protegido por un diafragma. El sensor tipo capacitivo consiste de dos placas conductivas y un dieléctrico. A medida que aumenta la presión, las placas tienden a apartarse, cambiando su capacitancia. El fluido que está midiendo, sirve de dieléctrico. Debido a que la medición de nivel y de flujo requieren en algunos casos medir presión diferencial, este tipo de presión es de gran importancia en los procesos industriales. Dentro de los dispositivos más utilizados se emplean algunos cuya salida normalizada, los convierte en transmisores, sean neumáticos o electrónicos. En ambos casos se trata de instrumentos en donde una cápsula de diafragma o sensor capacitivo sirve de sensor primario radicando desde luego la principal diferencia en la estructura de salida (transmisión).

Figura 2 : Transductores de presión (cortesía de Endress + Hauser)

FIN DE LA UNIDAD

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IV

Medición de Temperatura

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Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. TERMÓMETROS................................................................................................ 1 2.2. SISTEMAS TÉRMICOS DE LLENADO................................................................... 2 2.3. MÉTODOS ELÉCTRICOS .................................................................................... 2 2.3.1. TERMOCUPLAS ...................................................................................... 2 2.3.2. RTD ...................................................................................................... 3 2.3.3. TERMISTORES....................................................................................... 4 2.3.4. SENSORES DE ESTADO SÓLIDO ............................................................. 4 2.3.5. PIRÓMETROS ........................................................................................ 4

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UNIDAD IV “MEDICION DE TEMPERATURA” 1. INTRODUCCIÓN La temperatura es una variable, que a diferencia de otras, debe ser medida en términos de los efectos indirectos que tiene sobre las propiedades físicas de los materiales o en los cambios producidos en circuitos eléctricos (voltaje o resistencia). Cambios como estos, deben relacionarse con fenómenos reproducibles en laboratorio, tales como los puntos de ebullición y congelación del agua. Los puntos de calibración en laboratorios son a menudo basados en las temperaturas en las cuales existe un equilibrio líquido – vapor de sustancias puras, como oxígeno, agua, sulfuro, plata y oro. 2. OBJETIVOS • •

Identificar las diversas formas de medir temperatura en la Industria Conocer las características de los dispositivos más empleados para medir esta variable

2.1. TERMÓMETROS Sobre un periodo de años, por lo menos cinco escalas de temperaturas diferentes se han usado en la medición de esta variable. Las dos más comúnmente usadas, Fahrenreit y Centígrada, usan alcances (span) arbitrarios de 180°F y 100°C respectivamente para los puntos de ebullición y congelación del agua. Otras dos escalas (Rankine y Kelvin) que tienen como referencia el cero absoluto. Desde un punto de vista histórico, el primer dispositivo práctico para medir temperatura fue el termómetro de vidrio, es por eso que empezaremos por él para examinar las diversas formas que existen para medir temperatura: Termómetros de Vidrio: Las sustancias minerales se contraen o expanden una cierta cantidad por cada grado de cambio de temperatura. Este es el principio de la expansión térmica. Cuando se aplica calor a un termómetro de vidrio que contiene por ejemplo mercurio, éste se expande más que el bulbo de vidrio que lo contiene. La diferencia en expansión, obliga al mercurio a subir por un tubo capilar en forma uniforme con respecto al cambio de temperatura, de modo tal que con calibrar el tubo con una determinada escala, se tendrá una lectura directa de la temperatura. Los termómetros con mercurio se pueden usar desde 33°F a +800°C. Sin embargo, para temperaturas muy bajas se utilizan termómetros que contienen alcohol (-300°C a +600°C). Termómetros Bimetálicos: La operación de estos dispositivos se basa en el principio de que los metales diferentes tienen diferentes coeficientes de expansión térmica. Si dos aleaciones metálicas diferentes son soldadas formando un espiral se tiene el elemento bimetálico. Cuando este conjunto es calentado, tiende a desarrollarse debido a la diferente expansión térmica de cada aleación. Si se conecta un puntero al espiral por medio de un eje, el puntero se moverá e indicará la temperatura sobre una escala circular calibrada.

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2.2. SISTEMAS TÉRMICOS DE LLENADO Uno de los sistemas más antiguos para medir temperatura se basa en el uso de termómetros actuados por presión, que utiliza sistemas "de llenado" (sistemas llenos con líquido, gas o vapor) que responden a las variaciones de temperatura. Todos los fluidos, sean líquidos, vapores o gases, se expanden cuando son calentados y se contraen cuando son enfriados. Este fenómeno se utiliza para expandir un elemento de presión, usualmente un tubo de Bourdon el cual transmite el movimiento a un indicador o asociados a otros elementos para transmitir o registrar. Son básicamente sistemas sencillos y robustos que sin embargo han ido desapareciendo dejando su lugar a otros tipos de formas de medición que veremos a continuación. 2.3. MÉTODOS ELÉCTRICOS Existen varias formas de obtener una señal eléctrica que represente a la temperatura medida. Dentro de éstas podemos señalar a los sistemas de medición que emplean termocuplas, RTD y otros. 2.3.1.

TERMOCUPLAS La termocupla es una de los más simples y comunes métodos usados para determinar la temperatura de procesos. Cuando se requiere una indicación remota o cuando se necesita displayar la temperatura de varios puntos, este método es el más apropiado. En 1821 T.J. Seebeck descubrió que cuando se aplicaba calor a la unión de dos metales distintos, se generaba una fuerza electromotriz, la cual puede ser medida en otra juntura (fría) de estos dos metales (conductores); estos conductores forman un circuito eléctrico y la corriente circula como consecuencia de la f.e.m. generada. Esto es válido siempre y cuando las temperaturas en las dos uniones sean distintas.

Figura 1 : Efecto Seebeck Para una determinada combinación de materiales, el voltaje de salida (en milivoltios) varía en proporción directa a la diferencia de temperatura entre dichas uniones o junturas. Para que la medida corresponda a la temperatura real, la juntura fría (físicamente localizada a la entrada del instrumento receptor) debe mantenerse constante, comúnmente referida a cero grados centígrados. Para lograr han aparecido en el tiempo varios métodos, siendo actualmente utilizada la electrónica para tal fin. La juntura de medición (unión caliente) desde luego, estará ubicada en el lugar en donde se requiere medir temperatura.

Figura 2 : Medición con Termocupla

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales Para temperaturas moderadas (hasta alrededor de 260 ºC), combinaciones de hierro y cobre, hierro y constantán (aleación de cobre y níquel) son usadas frecuentemente. A altas temperaturas (hasta alrededor de 1640 ºC), los hilos son fabricados de platino o aleación de platino y rodio. A las termocuplas se les designa comúnmente con una letra. Así por ejemplo, una termocupla tipo J es de hierro / constantán (la barra de separación es para indicar los materiales de cada hilo) y una de tipo K es de cromel / alumel (el cromel es una aleación de cromo y níquel y el alumel es de aluminio y níquel); mayores datos técnicos acerca de las termocuplas se pueden observar en el Apéndice II. Existen varias combinaciones usadas en la fabricación de termocuplas y la selección adecuada de estos sensores depende de su rango de utilización, salida en mV /°C y los errores máximos en la medición, además de las características mecánicas deseadas. Las termocuplas no siempre están en contacto directo con el proceso. A menudo se emplean elementos protectores que a la vez permiten remover una termocupla sin interrumpir el proceso. Tal es el caso de los termopozos.

Figura 3 : Termopozos (cortesía de Omega) 2.3.2.

RTD Estos dispositivos cuyas siglas en inglés significan detectores resistivos de temperatura, han sido usados durante años y aún son muy populares en la actualidad. Se basan en el aumento de resistencia de un hilo conductor con el incremento de la temperatura. La magnitud de este cambio con respecto al cambio de temperatura en él, se llama "coeficiente térmico de resistencia" del material conductor. Para la mayoría de metales puros, este es constante sobre cierto rango de temperatura. Por ejemplo, el coeficiente del platino (α )es 0.00392 ohm / (ohm) (°C) sobre un rango de 0°C a 100°C, teniendo una resistencia de 100 ohmios para una temperatura de 0°C, por lo que recibe el nombre de Pt 100. Para la mayoría de conductores, el coeficiente mencionado (α) es positivo. Comúnmente los materiales empleados incluyen platino, níquel, cobre, níquel – hierro y tungsteno. Entre todos ellos, el platino es el más usado debido a su característica lineal sobre la mayor parte de su rango; también el níquel, por su gran coeficiente de resistencia, aunque no tiene una característica lineal.

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales Para el Pt – 100, se puede utilizar la siguiente fórmula para obtener la respuesta aproximada del sensor para una temperatura dada: R = 100 (1 + α T) Debido al diámetro tan pequeño del hilo utilizado en estos RTD (0.05 mm), su construcción incluye blindajes protectores contra choques mecánicos. A menudo las sondas de resistencia se fabrican con tres o cuatro hilos de salida con fines de eliminar los efectos de cambio de resistencia en los hilos de extensión por cambios de la temperatura ambiente. Los circuitos de medición comunes emplean puentes de Wheatstone.

2.3.3.

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

2.3.4.

SENSORES DE ESTADO SÓLIDO Son pequeños transductores que convierten una entrada de temperatura en una corriente de salida proporcional a ella. Son especialmente utilizados en aplicaciones dentro del rango de –55°C a 150°C en donde se requieren gran confiabilidad, linealidad y exactitud. Una de las aplicaciones más importantes es en la compensación de la juntura fría para sistemas de medición con termocupla.

2.3.5.

PIRÓMETROS Son dispositivos que miden temperatura por encima del rango aplicable a las termocuplas, a pesar que ciertas aleaciones, permiten a estas últimas llegar a 3000°C aunque durante breves periodos. Algunos pirómetros pueden ser usados para medir temperaturas tan bajas como 0°C y tan altas como 5000°C con gran precisión. Los pirómetros se clasifican en dos grupos; los denominados pirómetros de radiación total y los llamados pirómetros de radiación parcial. La pirometría de radiación usa la propiedad de la radiación térmica que es emitida por todos los materiales (excepto gases inertes) a una temperatura de cero absoluto. Es particularmente interesante debido a la no necesidad de contacto directo con el material cuya temperatura se quiere medir.

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

Figura 4 : Pirómetro de Radiación (cortesía de Omega)

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Unidad IV

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V

Medición de Nivel y Flujo

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Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. MEDIDORES DE NIVEL ..................................................................................... 1 2.1.1. MEDICIÓN DIRECTA .............................................................................. 1 2.1.2. MEDICIÓN INDIRECTA........................................................................... 3 2.2. MEDIDORES DE FLUJO ..................................................................................... 5 2.2.1. MEDICIÓN POR PRESIÓN DIFERENCIAL.................................................. 5 2.2.2. MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE ............................................................ 6 2.2.3. MEDIDORES MAGNÉTICOS..................................................................... 7 2.2.4. MEDIDOR A TURBINA ............................................................................ 7 2.2.5. MEDIDOR DE VÓRTICE .......................................................................... 7 2.2.6. MEDIDORES DE FLUJO TOTAL ............................................................... 8

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UNIDAD V “MEDICION DE NIVEL Y FLUJO” 1. INTRODUCCIÓN Existe una gran variedad de dispositivos de medición de nivel y flujo según las necesidades de la industria. En algunos casos la precisión es relativa y basta con tener una idea aproximada de la variable o conocer cuando se llega a un límite preestablecido. En otros casos, se necesita un control preciso de estas variables por su efecto significativo en la calidad del proceso, controlabilidad o aún costo. 2. OBJETIVOS • •

Identificar las diversas formas de medir nivel y flujo en la Industria Conocer las características de los dispositivos más empleados para medir estas variables

2.1. MEDIDORES DE NIVEL Los medidores de nivel pueden clasificarse en dos grupos generales: directos e indirectos. Los primeros aprovechan la variación de nivel del material (líquido o sólidos granulares) para obtener la medición. Los segundos, usan una variable, tal como presión, que cambia con el nivel del material. Para cada caso, existen instrumentos mecánicos y eléctricos disponibles. 2.1.1.

MEDICIÓN DIRECTA Los primeros dispositivos usados para indicar nivel consistían de tubos de vidrio de modo tal que el operador viese el fluido de proceso. Con el correr del tiempo, los cristales planos del tipo reflexivo o transparente han reemplazado a los anteriores. En el caso de que el fluido sea peligroso (corrosivo, tóxico, etc.) como para emplear vidrio, se utilizan los de tipo magnético, en los cuales un imán instalado en un flotador permite el desplazamiento de un seguidor y este mecánicamente mueve un indicador relacionado a una escala graduada. El empleo de flotadores es muy común, generalmente para acciones de control (interruptores de nivel). Del mismo modo los desplazadores, tienen acciones similares a los flotadores o boyas, con la diferencia que su movimiento, es más restringido. Cuando el nivel de líquido cambia, la cantidad cubierta por el desplazador, va creciendo a medida que este es sumergido. La fuerza es transferida a un sistema neumático a través de un eje y de allí al indicador. El método de contacto puede ser empleado para sólidos granulares o para líquidos; en estos casos se emplea una pesa o un flotador respectivamente. El inicio de medida se da por un pulsador o un temporizador, para poner la pesa o flotador conectado a un cable, en reposo sobre el material. Lo que se sensa realmente es la variación de la tensión del cable cuando se entra en contacto con los sólidos granulares o el líquido a medir. La indicación del nivel se da por intermedio de un circuito eléctrico asociado al motor que sube y baja el cable.

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales Los sondas eléctricas propiamente dichas, emplean métodos conductivos, capacitivos y ultrasónicos para medición de nivel. A causa de la distancia de los electrodos, la sonda de conductividad se asemeja a una bujía. Estos dispositivos son usados con líquidos conductores. Los electrodos se alimentan con corriente continua, siendo montados dentro del recipiente contenedor del líquido; cuando el líquido toma contacto con cualquiera de los electrodos, una corriente eléctrica fluye entre el electrodo y tierra. Este método cuando se usa para algún tipo de control, es por lo general para actuar sobre una bomba.

Figura 1 : Medición por conductividad (cortesía de Endress + Hauser) El método capacitivo utiliza una sonda como una de las placas de un condensador, siendo la otra placa el contenedor mismo. El material entre ellos, viene a ser dieléctrico. El cambio de nivel origina un cambio en la salida del circuito electrónico, proporcional al cambio de la capacidad (figura 6), por lo que este método es de indicación continua del nivel a diferencia del conductivo que sería entonces, uno discreto.

Figura 2 : Método capacitivo (cortesía de Endress + Hauser) Los medidores del tipo ultrasónico se usan tanto para medición continua, como discreta de nivel, aunque generalmente su uso está dado en acciones de alarma.

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales En todos los diseños, se genera una señal en frecuencia y la interrupción o detección de la señal generada es la base para una acción de control (detectores discretos). En medición continua, se mide el tiempo transcurrido entre la emisión de la señal y la recepción de la reflejada.

Figura 3 : Medición por ultrasonido (cortesía de Endress + Hauser) 2.1.2.

MEDICIÓN INDIRECTA Varios tipos de dispositivos de medición indirecta de nivel son en efecto sensores de presión hidrostáticos. El más sencillo consiste en un manómetro ubicado en el nivel cero de un contenedor de líquido. Cualquier incremento de nivel causa un aumento de la presión hidrostática, la cual es medida con el manómetro. La escala del manómetro es graduada en unidades de nivel. En el caso de método de burbujeo, se utiliza una tubería conectada verticalmente en el contenedor. El extremo con abertura de la tubería es ubicado en el nivel cero del contenedor. El extremo es conectado a un suministro de aire. Cuando se va a hacer la medición de nivel, el suministro de aire es regulado para que así la presión sea ligeramente más alta que la presión hidrostática. Este punto se encuentra al observar burbujas saliendo por el extremo inferior del tubo. Se lee entonces en el manómetro la indicación de nivel (pies, pulgadas, galones, etc.). Un instrumento muy popular que utiliza el método por presión hidrostática es el transmisor de presión diferencial; en realidad, este envía una señal normalizada proporcional a la diferencia de dos presiones, una debida al líquido cuyo nivel se desea determinar (entrada alta) y otra debida a la presión atmosférica (entrada baja), siempre y cuando sea un sistema abierto (tanque abierto a la atmósfera). Para el caso de tanques cerrados, la entrada "baja" debe conectarse ya sea directamente en contacto con el gas encerrado en el extremo superior del depósito o utilizando un fluido de sello. En todo caso, la calibración adecuada permitirá una señal de salida (electrónica o neumática) proporcional al nivel.

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Figura 4 : Medición con transmisor de presión diferencial (cortesía de Endress + Hauser) Los dispositivos radiactivos también pueden ser utilizados tanto para medición discreta como continua de nivel. Se utilizan fundamentalmente cuando el material a ser medido es muy corrosivo, cuando las temperaturas en el punto de medición durante el proceso son muy altas, o en general, cuando la situación no permite la instalación de elementos primarios dentro del recipiente de almacenamiento. En la aplicación de medición discreta o mejor dicho para detectar un determinado punto, la fuente radiactiva y su receptor, se montan a ambos lados del tanque al nivel deseado para la detección. Cuando el material se interpone entre el emisor y el receptor, se corta el suministro del material hacia el recipiente. En la aplicación que requiere una medición continua del nivel por este mismo método, se utilizan varias fuentes radiactivas y uno o más detectores.

Figura 5 : Método por radiactividad (cortesía de Endress + Hauser) Otro método indirecto para determinar el nivel de los materiales es medir el peso de los mismos, en forma mecánica o eléctrica. Los sistemas eléctricos utilizan las llamadas celdas de cargas basadas en galgas extensiométricas (ya mencionadas anteriormente).

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales A medida que las celdas son comprimidas por el peso del material dentro del recipiente, también cambia la resistencia de las galgas y por lo tanto varía la señal eléctrica a la salida del puente de Wheatstone usado en la medición. La medición puede ser analógica o digital y la escala estará calibrada en unidades de nivel.

2.2. MEDIDORES DE FLUJO La medición de flujo constituye tal vez, el eje más alto porcentaje en cuanto a medición de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de esta, ya que sin mediciones de flujo, sería imposible el balance de materiales, el control de calidad y aún la operación de procesos continuos. Existen muchos métodos para medir flujos, en la mayoría de los cuales, es imprescindible el conocimiento de algunas características básicas de los fluidos para una buena selección del mejor método a emplear. Estas características incluyen viscosidad, densidad, gravedad específica, compresibilidad, temperatura y presión, las cuales no vamos a detallar aquí. Básicamente, existen dos formas de medir el flujo: el caudal y el flujo total. El caudal es la cantidad de fluido que pasa por un punto determinado en cualquier momento dado. El flujo total de la cantidad de fluido por un punto determinado durante un periodo de tiempo específico. Veamos a continuación algunos de los métodos empleados para medir caudal. 2.2.1.

MEDICIÓN POR PRESIÓN DIFERENCIAL Utiliza dispositvos que originan una presión diferencial debido al paso de un fluido por una restricción. La razón de hacer esto es que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presiones entre dos puntos, antes y después de la restricción. Uno de estos elementos es la placa - orificio o placa perforada. Allí, el fluido sufre una disminución de su presión, la cual es mínima en el punto denominado "vena contracta". Si bien es cierto, la presión tiende a recuperarse, existe al final una pérdida de presión. Una placa- orificio se coloca en una tubería, sujeta entre dos bridas. La forma y ubicación del agujero son el rasgo distintivo de tres tipos de este dispositivo: la placa concéntrica, la excéntrica y la segmental; la selección de algunas de éstas depende de las características del fluido a medir. Existen tres tipos de tomas de presiones a ambos lados del elemento primario: tomas de bridas, tomas de tubería y tomas de vena contracta. Igualmente, aquí las características del fluido influirán en la elección de alguna de estas. Típicamente se utiliza un transmisor de presión diferencial para la toma de las presiones y el envío de una señal que represente al flujo. A esta señal sin embargo se le debe extraer la raíz cuadrada para obtener una respuesta lineal con respecto al flujo. Antiguamente se empleaban instrumentos especiales para tal fin. Hoy, esta es una función de software en instrumentos digitales. La placa perforada es finalmente, un elemento simple, barato, aunque no muy preciso, como otros dispositivos de presión diferencial. Aunque funcionalmente es sujeta a la erosión y daño, es fácil de reemplazar.

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Figura 6 : Medición con placa - orificio y transmisor de presión diferencial (cortesía de Endress + Hauser) Otra restricción de tubería para la medición del flujo es el tubo Venturi, el cual es especialmente diseñado a la longitud de la "tubería". Tiene la forma de dos embudos unidos por sus aberturas más pequeñas y se utiliza para tuberías grandes; es más preciso que la placa-orificio, pero es considerablemente más costoso y más difícil de instalar. Un promedio entre la placa-orificio y el tubo Venturi es la tobera de flujo, la cual asemeja la mitad de un tubo Venturi por donde entra el fluido; este dispositivo es tan preciso como el tubo Venturi, pero no tan costoso ni difícil de instalar. Las tomas de presión utilizadas para el tubo Venturi, están situadas en los puntos de máximo y mínimo diámetro de tubería. Para el caso de la tobera, se ubican según recomendaciones del fabricante. Otro elemento primario para medir flujo por el método de presión diferencial es el Tubo Pilot, el cual en su forma más simple, consiste en un tubo con un orificio pequeño en el punto de medición (impacto). Cuando el fluido ingresa al tubo, su velocidad es cero y su presión es máxima. La otra presión para obtener la medida diferencial, se toma de un punto cercano a la pared de la tubería. Realmente, el tubo Pilot mide velocidad de fluido y no caudal y además, no necesariamente el fluido debe estar encerrado en una tubería. Podría por ejemplo, ser usado para medir el flujo del agua de un río o flujo de aire al ser suspendido desde un avión. 2.2.2.

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

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

2.2.3.

MEDIDORES MAGNÉTICOS Utilizan la ley de inducción de Faraday, que establece que cuando una corriente pasa por un conductor y existe un campo magnético en dirección transversal al mismo, se crea un potencial eléctrico proporcional a la corriente. En la aplicación para medir caudal, se coloca un tubo aislado eléctricamente con un par de electrodos montados a ambos lados del tubo y rasantes con el fluido. Unas bobinas eléctricas se colocan alrededor del tubo de modo tal de generar un campo magnético en un plano perpendicular, tanto al eje del cuerpo del voltaje de salida es proporcional a la velocidad promedio del fluido; no interesa si este es laminar o turbulento. Además, es independiente de la viscosidad, densidad, temperatura y presión. Si bien es cierto, se requiere que el fluido tenga cierta conductividad mínima, la señal de salida no varía con el aumento de la conductividad, lo cual es una ventaja. En aplicaciones en donde es necesario medir flujo de masa, se puede lograr esto midiendo la densidad del fluido y multiplicando las dos señales.

2.2.4.

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

2.2.5.

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

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Figura 7 : Medidores magnético y vórtice (cortesía de Endress + Hauser) Existen otros medidores de caudal como son el de placa de impacto, que mide flujo, sumando la fuerza que el fluido desarrolla sobre un "blanco" que es una placa de disco; esta fuerza es proporcional a la raíz cuadrada del flujo, los de ultrasonido, que emplean un transmisor y un receptor (a veces instalados en el mismo receptáculo) para medir la desviación en frecuencia en la señal del transmisor, debido a la velocidad del fluido. En los casos de medición de caudal en canales abiertos, se pueden mencionar la represa, la tobera abierta y los vertederos en donde básicamente se mide nivel de fluido, que varía al pasar por estos dispositivos. Un pozo quieto adyacente al canal tiene un sensor de nivel (generalmente un flotador), cuya posición vertical varía en función del caudal. 2.2.6.

MEDIDORES DE FLUJO TOTAL Dentro de este tipo de dispositivos se tienen los denominados medidores de desplazamiento positivo, los cuales, separan la corriente de flujo en incrementos volumétricos individuales y cuentan dichos incrementos. Los medidores son fabricados de modo tal que cada instrumento volumétrico es conocido en forma precisa y la suma de estos incrementos da una medida muy aproximada del volumen total que pasa a través del medidor. La mayoría de los medidores de desplazamiento positivo son de tipo mecánico y usados principalmente para medir cantidades totales del fluido a ser transferido y a menudo se asocian a otros dispositivos para lograr acciones de indicación, registro o control. Entre los más utilizados, figuran los de disco oscilante, pistón oscilante, cicloidal, oval, birrotor, etc. Los medidores de flujo de masa en sus diversos tipos y los computadores de flujo, constituyen hoy en día una muestra del avance de la tecnología en la medición de esta variable. El medidor tipo Coriolis es un ejemplo de los primeros. Aquí el fluido fluyendo a través de un tubo vibrante causa una deflexión en el tubo proporcional al flujo de masa. Estos medidores tienen gran exactitud.

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UNIDAD

VI

Características de los Procesos

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Indice

Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. GENERALIDADES.............................................................................................. 1 2.2. CAMBIOS DE CARGA......................................................................................... 1 2.3. RETARDOS DEL PROCESO ................................................................................ 2

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UNIDAD VI “CARACTERISTICAS DE LOS PROCESOS” 1. INTRODUCCIÓN El control automático puede ser definido como la técnica de medir el valor de una variable y producir una respuesta contraria, para limitar esta desviación de la referencia seleccionada. Se pueden dar otras definiciones adecuadas, pero el control automático puede ser entendido mejor en términos sobre lo que se necesita, las ventajas que ofrece y las formas de energía que controla. 2. OBJETIVOS • •

Identificar las características más importantes de los procesos industriales. Reconocer la importancia de los cambios de carga y retardos y su influencia en el control automático de los procesos industriales.

2.1. GENERALIDADES El propósito básico para usar control automático, es de que la producción puede ser lograda más económicamente. Algunos procesos no serán posibles si no es por el uso de controles automáticos, la economía se logra así de diferentes formas: • • • • • •

Disminuyendo el costo de proceso. Eliminando o reduciendo los errores humanos. Mejorando el control de calidad Reduciendo el tamaño de equipos de proceso y el espacio que estos requieren. Proveyendo mayor seguridad en la operación. Minimizando el consumo de energía.

El control óptimo sin embargo, no solamente está en función de los dispositivos, equipos y sistemas a emplear, sino fundamentalmente del conocimiento del proceso que se desee controlar. Cada proceso exhibe dos efectos que deben tomarse en cuenta en la selección del equipo de control: los cambios de carga o cambios en la variable controlada debido a condiciones alteradas en el proceso y los retardos de proceso causados por sus características: capacitancia, resistencia y tiempo muerto. 2.2. CAMBIOS DE CARGA La carga de un proceso se define como la acumulación del agente de control requerido para mantener la condición de balance. La magnitud y la razón de cambio de la carga son los principales factores para la aplicación de los controladores automáticos. Los cambios de carga no son siempre fáciles de reconocer. Algunas de las causas son: • • • •

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Mayor o menor demanda del agente de control por parte del medio controlado Cambio en la calidad del agente de control Cambio en las condiciones ambientales Cambio en la cantidad de calor generado o absorbido en reacciones químicas

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2.3. RETARDOS DEL PROCESO Todos los dispositivos y procesos tienen capacidad para almacenar energía y resistirse a cambios. En este aspecto son similares y pueden ser comparados con las propiedades eléctricas de capacidad y resistencia. Al igual que un circuito eléctrico RC, en donde la salida es distorsionada con respecto a la entrada, la respuesta de un proceso al cambio de un parámetro se puede decir que sufre cierta distorsión. Esta distorsión o alteración se denomina retardo. Siempre ocurre un retardo de tiempo entre el cambio en la condición de un proceso y el momento en que un operador o un controlador automático lo nota. Este retardo se debe a tres causas distintas: el retardo inherente a un proceso, aquel debido al tiempo de respuesta del sensor o el elemento de detección o medición y el tiempo de transmisión de la señal; en algunos procesos los tres retardos son irrelevantes, pero en otros procesos no lo son. En la mayoría de los casos, uno de los tres tiene un efecto mucho mayor que los otros dos. Los retardos del proceso dependen de dos factores inherentes al mismo. La resistencia u oposición al flujo y la capacitancia o medida de la habilidad del proceso de almacenar energía o materia en función de alguna variable de referencia. En la figura mostrada a continuación se explica gráficamente el concepto de capacitancia. En ambos tanques designados para contener algún tipo de líquido, la capacidad es la misma como se puede deducir de las dimensiones de los mismos. Sin embargo si comparamos la capacidad o volumen de cada tanque por unidad de incremento en el nivel de líquido, evidentemente tendremos como resultado que esta relación es mayor en B. Área = 36m2

Área = 72m2 Altura = 8m Altura = 4m

Tanque A

Tanque B

Figura 1 : Ejemplo de Capacitancia El efecto de R y C se muestra a continuación. El tiempo que la variable de proceso tarda en alcanzar su valor final como respuesta a un cambio de carga en el mismo se denomina retardo de reacción. Dependiendo del conjunto de resistencias y capacitancias en un proceso, tendremos procesos denominados de primer orden, segundo orden, etc.

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Figura 2 : Retardo de reacción en un proceso Existe otro retardo que resulta de la falta de habilidad de un proceso a aceptar o entregar energía simultáneamente. Comúnmente se denomina retardo distanciavelocidad o tiempo muerto. Un ejemplo de esto, se puede apreciar en la respuesta de un intercambiador de calor. Cuando el flujo de agua de enfriamiento al intercambiador, cambia de repente, la temperatura del fluido de salida no responde tan rápido, no sigue una relación lineal. Debido a que la masa metálica del intercambiador sirve como un disipador de calor, su temperatura cambia lentamente.

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VII

Tipos de Control y Sintonía

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Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. CONTROL DE DOS POSICIONES ........................................................................ 1 2.2. ACCIONES DE CONTROL................................................................................... 2 2.2.1. ACCIÓN PROPORCIONAL ....................................................................... 2 2.2.2. ACCIÓN INTEGRATIVA........................................................................... 3 2.2.3. ACCIÓN DERIVATIVA............................................................................. 3 2.3. RESPUESTAS DE CONTROL COMBINADAS ......................................................... 4 2.3.1. CONTROL PROPORCIONAL..................................................................... 4 2.3.2. CONTROL PROPORCIONAL - INTEGRATIVO (PI)...................................... 4 2.3.3. CONTROL PROPORCIONAL - DERIVATIVO (PD)....................................... 5 2.3.4. CONTROL DE TRES MODOS (PID) .......................................................... 5 2.4. SINTONÍA DE CONTROLADORES....................................................................... 5 2.5. MÉTODOS DE AJUSTE DE CONTROLADORES ..................................................... 6 2.5.1. MÉTODO DEL TANTEO........................................................................... 7 2.5.2. MÉTODO DE GANANCIA LÍMITE ............................................................10 2.5.3. MÉTODO DE LA CURVA DE REACCIÓN...................................................10

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UNIDAD VII “TIPOS DE CONTROL Y SINTONIA” 1. INTRODUCCIÓN Mucha de la teoría de control que gobierna a los sistemas actuales, fue desarrollada hace más de cincuenta años. Durante esa época, la naturaleza de los procesos fue observada y analizada exhaustivamente. Se estudió las características dinámicas y se volcaron estos estudios en expresiones matemáticas que se confirmaron en experimentos reales. Debido a que las respuestas de control (modos) que se usaron entonces, siguen siendo parte fundamental de los requerimientos de procesos actuales más sofisticados, es necesario estudiarlos y entenderlos. Haremos una revisión de los principales modos de control. 2. OBJETIVOS • •

Identificar los distintos modos de control automático y sus características principales. Reconocer las formas o métodos para ajustar los controladores de procesos industriales.

2.1. CONTROL DE DOS POSICIONES En la forma más simple del control automático. En algunos casos se llama control todo-nada (on-off), pero en verdad este último es un tipo de control de dos posiciones. El control de dos posiciones es usado normalmente cuando la variable controlada no tiene porque mantenerse en un valor preciso. Un ejemplo sencillo lo constituye un termostato en un horno eléctrico. Cuando se supera un valor fijado de temperatura, el dispositivo abre el circuito eléctrico. Cuando el valor de la temperatura desciende más de lo necesario, nuevamente el termostato cierra el circuito de alimentación a las resistencias calefactoras. Lo mismo sucede en sistemas industriales; el control on-off es usado a menudo, cuando existen grandes capacidades y la energía entrante y saliente es pequeña comparada con la capacitancia del sistema. Las salidas el controlador hacia válvulas, elementos calefactores, etc. en posiciones extremas proveen un control aceptable en la mayoría de los casos. Debido a que la salida del controlador solamente puede adoptar dos posibles valores, el efecto sobre el proceso es una típica oscilación de la variable alrededor del set point. Este, responde aumentando o disminuyendo su valor según la orden del controlador, aunque su velocidad de reacción dependerá de la capacitancia del sistema. Una variación del control on off constituye un sistema en donde se necesita calentamiento y enfriamiento. Aquí, existe una banda muerta alrededor del set point, en donde no se usa ni calentamiento ni enfriamiento. Cuando la temperatura crece sobre el set point, excediendo la mitad de la banda muerta, la válvula de enfriamiento se abre. Cuando desciende por debajo del set point, excediendo la banda muerta, la válvula de calentamiento se abre. Este tipo de control se denomina control on-off multiposición. En un sistema con gran capacitancia, la frecuencia del ciclo es muy baja dando más tiempo de vida al equipo. Esto es apreciable en calefactores eléctricos usados en el ciclo de calentamiento. Frecuencias muy bajas de ciclo producen muchas desviaciones con respecto al set point. Muchos sistemas pueden tolerar el ciclaje continuo y la poca precisión en el control y la banda muerta es ajustada para permitir una optimización de la frecuencia. Si se necesita un control más preciso, se deben usar otras formas.

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2.2. ACCIONES DE CONTROL Se observó anteriormente que el control on-off tiene como característica principal, hacer que la variable controlada oscile alrededor del set point. En aplicaciones que requieren mayor precisión en el control, se pueden aplicar las acciones o modos que describiremos a continuación. 2.2.1.

ACCIÓN PROPORCIONAL El control de dos posiciones produce variaciones y un ciclaje continuo que muchos procesos no pueden tolerar. El control proporcional modula al elemento final de control en forma continua entre los límites máximos y mínimos (on y off) y es la base de trabajo de la mayoría de los controladores actuales. Su nombre se deriva del hecho de que la salida del controlador es proporcional a la diferencia entre el set point y la variable medida, es decir, a la señal de error (e). La constante de proporcionalidad es conocida como ganancia (Kp). También es posible expresar ésta por la llamada banda proporcional (BP) que se define como el porcentaje de cambio de plena escala en la entrada requerida para cambiar la salida de 0 a 100%. La banda proporcional es la inversa de la ganancia expresada en porcentaje. Es decir a modo de ejemplo, una BP de 50% equivale a una ganancia de 2. Hay que recordar por lo tanto al sintonizar un controlador, que el aumentar la ganancia significa disminuir la BP. La relación entre la entrada y la salida de un controlador se da en la siguiente fórmula: S.C.= Kp e + mo En donde: S.C. es la salida del controlador Kp es la ganancia e es la señal de error mo es la salida para error cero. La ganancia o banda son ajustables y se sintonizan en el campo para una respuesta óptima a cambios del proceso. La mayoría de controladores utilizan ganancia en vez de BP. Debe notarse que para cada valor de la ganancia existe sólo una apertura de válvula para lograr un determinado nivel de líquido en el tanque. Para cualquier otra apertura de válvula, habrá un error que es inherente a este modo de control y que se denomina "offset". En muchos procesos se necesita reducir o eliminar este error. Una posibilidad de lograrlo es aumentando la ganancia (reduciendo la BP); sin embargo, esto puede llevar al sistema hacia la inestabilidad y eventualmente volverse el control en uno de dos posiciones. Por otro lado, si se quiere lograr una gran estabilidad en el proceso y para esto se recurre a disminuir Kp, también se estará aumentando al offset.

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TECSUP Virtual 2.2.2.

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales ACCIÓN INTEGRATIVA Se define como la respuesta de un controlador que es proporcional a la duración de la señal de error (desviación). Los controladores proporcionales siempre se desvían del set point cuando están sujetos a cambios de carga. Esto no es tolerable para la mayoría de los sistemas de control industrial y el modo integral o integrativo (reset) es a menudo combinado con el control proporcional para eliminar su offset. Este es el propósito principal. El modo de control integral puede incluso ser combinado tanto con el proporcional como el derivado o derivativo (rate) para formar un controlador de 3 modos. El nombre del integrativo o integral debe a su aproximada relación matemática con la señal de error. La cantidad de reset es proporcional al área de error y es expresada por la ecuación: S.C.= Ki ∫ edt + mo En donde: S.C. es Ki es e es t es mo es

la salida del controlador en un tiempo dado. la constante integrativa en repeticiones por minuto la señal de error tiempo la salida para error cero.

La salida del controlador integral, está constantemente cambiando mientras existe una desviación. La razón del cambio, depende no sólo de la del error sino también de su duración. La expresión, repeticiones por minuto, significa el número de veces por minuto que la acción integral hace una corrección igual en magnitud, a la corrección de la acción proporcional. Algunos fabricantes, prefieren utilizar las unidades inversas (minutos por repetición), es decir, el tiempo en minutos necesario para repetir la acción proporcional. La función integral tiene un efecto lateral desventajoso; cuando ocurre una desviación sostenida, un controlador con acción integral, puede eventualmente salirse de la escala. Esto puede ocurrir cuando un lazo es abierto para alguna transferencia a control manual, por ejemplo. En este caso la acción integral forzará a la banda proporcional a ir hacia su límite tratando de corregir su error; esto se puede evitar desconectando automáticamente el circuito de reset. 2.2.3.

ACCIÓN DERIVATIVA Este tercer modo de control se define como la parte de la respuesta de un controlador, proporcional a la razón de cambio de la entrada. Esta acción sólo se puede usar con el controlador proporcional formando un control de dos modos o también controlada no sólo con el modo proporcional sino también como el modo integral formando un control de tres modos. La acción derivada es útil a menudo en sistemas con grandes cantidades de inercia o retardos como ocurre con temperatura. Como el cambio en la salida de un controlador derivativo depende de la razón de cambio de la señal de error, entrega una gran cantidad de corrección para una señal de error que varía rápidamente, mientras el error es aún pequeño.

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales Debido a esto, pareciera como que la acción derivada se anticipa a los cambios; debido a esto, también se le conoce como acción anticipatoria o de anticipo. Matemáticamente, este modo puede expresarse como sigue: S.C.= Td (de/dt) + mo En donde Td es el tiempo de la acción derivada en minutos de anticipo (a veces se anota como Kd) Este tiempo es el intervalo en el cual la acción derivada adelanta a la acción proporcional en la salida. Este, es la diferencia en el tiempo en obtener un particular cambio de la salida con sólo acción proporcional y con la acción derivada.

2.3. RESPUESTAS DE CONTROL COMBINADAS Las respuestas de control han sido discutidas en forma individual; veamos como es que se pueden combinar. No es totalmente cierto que las acciones integral y derivada hayan sido discutidas enteramente por separado, debido a que están muy relacionadas con la respuesta proporcional. Al discutir los modos combinados, la terminología más usada se refiere a modo proporcional (P), a dos modos (proporcional más integral: PI o proporcional más derivada: PD) o a tres modos (PID). El propósito aquí es definir los tres términos y discutir brevemente sus aplicaciones. 2.3.1.

CONTROL PROPORCIONAL El hablar aquí sobre un modo de control no combinado con otro, podría significar que está fuera de lugar aquí. Sin embargo, la respuesta proporcional es el modo con el cual los otros importantes modos, son combinados. Es necesario entonces comprender, que el modo proporcional es la respuesta básica de control de los controladores automáticos. El control proporcional es adecuado para sistemas que tienen pequeñas capacitancias y por lo tanto, necesitan respuestas rápidas a cambios de carga. Este tipo de sistemas requiere bandas proporcionales angostas. El control solo proporcional es además adecuado en donde cambios de carga son relativamente pequeños y en donde el control preciso no es crítico. Si se necesita un control preciso, el offset inherente en el control proporcional, determina que ser requieren funciones adicionales de control para lograr un mejor control.

2.3.2.

CONTROL PROPORCIONAL - INTEGRATIVO (PI) Procesos que usan bandas proporcionales anchas para evitar las oscilaciones están sujetos al offset. A menor Kp, o a mayor cambio de carga en el proceso, mayor es el offset; por ejemplo, esto sucede en los lazos de control de flujo.

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales Para estos lazos, se requiere adicionar la acción integral o reset. Su uso, reduce la respuesta proporcional en cierto grado, pero esto se ve compensado con la eliminación del offset, tan cuestionado en el control sólo proporcional. Cuando la acción integral es añadida al controlador, éste continua su acción mientras permanezca la derivación (error); por lo tanto, hace que ésta se vuelva cero (la variable medida regresa al set point).

2.3.3.

CONTROL PROPORCIONAL - DERIVATIVO (PD) El propósito de la acción derivada es aumentar la velocidad de respuesta del lazo cerrado. En procesos difíciles de controlar (multicapacidad), la adición de este modo es a veces preferible a la acción integral. Mejora tanto la velocidad como la estabilidad de la respuesta de control, particularmente en sistemas lentos. Esta acción es inversa a la integral en el sentido que acelera en vez de retardar la acción integral. La acción derivada añadida al modo proporcional no es deseable en sistemas como los de flujo, en donde los problemas de ruido (causados por la turbulencia del flujo o acciones de bombeo) debido a la propia acción derivada se ven amplificados y producen inestabilidad. El control PD es a menudo usado en sistemas de control discontinuo (tipo Batch), en donde las interrupciones periódicas eliminan los problemas que se presentan cuando el modo de reset o integral es usado.

2.3.4.

CONTROL DE TRES MODOS (PID) En muchos lazos de control, particularmente en aquellos difíciles de controlar, es deseable el uso del control proporcional – integral - derivado (PID) La acción derivada tiene el efecto de eliminar los sobre-picos (overshoot) que comúnmente aparecen cuando se añade la acción integral a la acción proporcional. La acción derivada además, atenúa la característica de retardo introducida por la acción integral. No hay duda que existe una gran interacción en los tres modos, cuando son usados a la vez. El ajuste de uno de ellos afecta a los otros dos, lo cual a veces dificulta la sintonía de ajuste de un controlador.

2.4. SINTONÍA DE CONTROLADORES La estabilidad en el control es la característica del sistema que hace que la variable regrese al punto de consigna, referencia o set point después de una perturbación. Los criterios de estabilidad deseables son los siguientes: •

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Criterio de área mínima o de razón de amortiguamiento: indica que el área de curva de recuperación debe ser mínima, para lograr que la desviación, debe tener el valor mínimo. Se ha encontrado que esta área es mínima cuando la relación de amplitud entre las crestas de los dos ciclos sucesivos es 0.25, es decir, que cada onda equivale a una cuarta parte de la anterior. Este criterio es el más importante y se aplica especialmente en los procesos en donde la desviación es tan importante como el valor de la misma.

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Criterio de mínima perturbación: este requiere una curva de recuperaciones no cíclicas y se aplica cuando por ejemplo, las correcciones rápidas o cíclicas de una válvula de control de vapor, pueden perturbar seriamente las presiones de vapor de alimentación e incluir en otros procesos alimentados por la misma fuente. Otro caso puede ser el control en cascada en que la señal de salida de un controlador varíe cíclicamente y se aplique como punto de consigna en un segundo controlador creándole serias variaciones de carga. Criterio de amplitud mínima: de acuerdo con este criterio, la amplitud de desviación debe ser mínima, lo cual se aplica especialmente a procesos en que el producto o el equipo puede ser dañado por desviaciones momentáneas excesivas y en este caso la magnitud de la desviación es más importante que su duración. Por ejemplo, en el caso de fusión de algunas aleaciones metálicas, el sobrepasar temporalmente una determinada temperatura puede destruir el metal. Se aplica también este criterio en el caso de procesos exotérmicos con el punto de consigna próxima a la temperatura de disparo de la reacción incontrolable.

2.5. MÉTODOS DE AJUSTE DE CONTROLADORES Existen varios sistemas para ajustar los controladores al proceso, es decir, para la banda proporcional (ganancia), el tiempo de acción integral (minutos/repetición) y el tiempo de acción derivada (minutos de anticipo) del controlador, caso de que posea las tres acciones, se acoplen adecuadamente con el resto de los elementos del bucle de control – proceso +transmisor + válvula de control. Este acoplamiento debe ser tal que, ante una perturbación, se obtenga una curva de recuperación que satisfaga cualquiera de los criterios mencionados para que el control sea estable, en particular, el de área mínima con una relación de amortiguación de 0.25 entre crestas sucesivas de la onda. Para que este acoplamiento entre el controlador y el proceso sea posible, es necesario un conocimiento inicial de las características estáticas y dinámicas del sistema controlado. Existen dos métodos fundamentales para determinar estas características, el método analítico y el experimental. El método analítico se basa en determinar la ecuación relativa la dinámica del sistema, es decir, su evolución en función del tiempo. Este método es generalmente difícil de aplicar por la complejidad de los procesos industriales y la dificultad de obtener datos suficientemente aproximados. Es un método muy laborioso que requiere normalmente el empleo de una computadora, en particular en el caso de procesos muy complejos. En el método experimental, las características estáticas y dinámicas del proceso se obtienen a partir de una medida o de una serie de medidas realizadas en el proceso real. Estas respuestas del proceso pueden efectuarse de tres formas principales: • • •

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Método de tanteo Método de sensibilidad límite. Método de curva de reacción

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TECSUP Virtual 2.5.1.

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales MÉTODO DEL TANTEO Este método requiere que el controlador y el proceso estén bien instalados completamente y trabajando en su forma normal. El procedimiento general se basa en poner en marcha el proceso con la mínima acción en todos los modos e incrementarlas después poco a poco individualmente, hasta obtener la estabilidad deseada. Para provocar cambios de carga en el proceso, y observar sus reacciones, se mueve el punto de consigna arriba y abajo en ambas direcciones, lo suficiente para lograr una perturbación considerable, pero no demasiado grande que pueda dañar el producto, perjudicar la marcha de la planta o bien crear perturbaciones intolerables en los procesos asociados. Es necesario que pase un tiempo suficiente después de cada desplazamiento del punto de consigna, para observar el efecto total del último ajuste obteniendo algunos ciclos de la respuesta ante la perturbación creada. En procesos muy lentos ello puede requerir hasta 2 ó 3 horas. Para ajustar controladores proporcionales, se empieza con una ganancia pequeña (o banda ancha) y se aumenta gradualmente observando el comportamiento del sistema hasta obtener la estabilidad deseada. Hay que hacer notar que al aumentar la ganancia, aumenta la inestabilidad y que al reducirla se incrementa el error de offset. Para ajustar los controladores P + I, se procede del siguiente modo: Con la acción integral en su valor más bajo, se sigue el procedimiento descrito anteriormente para obtener el ajuste de la ganancia hasta una relación de amortiguamiento aproximado de 0.25. Como la acción integral empeora el control y al poseerla el instrumento, la ganancia debe ser un poco más baja (mayor banda proporcional); se reduce entonces ligeramente la ganancia y a continuación se incrementa por pasos la acción integral, creando al mismo tiempo perturbaciones en forma de desplazamientos del punto e consigna, hasta que empiecen a aumentar los ciclos. Un controlador PI bien ajustado lleva la variable al punto de consigna rápidamente y con pocos ciclos sin que éstos rebasen o bajen del punto de consigna según haya sido el signo de la perturbación. Al ajustar los controladores P + I + D, se procede del siguiente modo: Con la acción derivada e integral al mínimo, se incrementa la ganancia hasta obtener una relación de amortiguamiento de 0.25. Se aumenta lentamente la acción integral en la forma indicada anteriormente hasta acercarse al punto de inestabilidad. Se aumenta la acción derivada en pequeños incrementos, creando al mismo tiempo desplazamiento del punto de consigna hasta obtener en el proceso un comportamiento cíclico, reduciendo ligeramente la última banda derivada. Después de estos ajustes, puede aumentarse normalmente la ganancia con mejores resultados en el control.

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales Hay que señalar que una acción derivada óptima después de una perturbación, lleva la variable a la estabilización en muy poco ciclos. En otra forma de ajuste, para obtener un óptimo valor de la acción derivada, se trabaja primero con una ganancia que da lugar a una ligera oscilación (varios ciclos) ante una perturbación, con la acción integral reducida al mínimo. Se aumenta a continuación la acción derivada hasta eliminar el ciclo de la proporcional. Se aumenta de nuevo la acción proporcional hasta que los ciclos se inician, y se aumenta todavía más la acción derivada hasta eliminarlos, continuando con estos pasos hasta que el aumento de la acción derivada no mejore la eliminación de los ciclos producidos. Finalmente se ajusta la acción integral en la forma descrita anteriormente para eliminar el offset. Si los ajustes efectuados son excesivos, pueden obtenerse las oscilaciones: • • •

Oscilación proporcional Oscilación integral Oscilación derivativa

Para distinguirlas, se observan las siguientes reglas: • • •

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La oscilación integral tiene un periodo relativamente largo. La oscilación proporcional tiene un periodo relativamente moderado. La oscilación derivada tiene un periodo muy largo y la variable tarda bastante tiempo en estabilizarse.

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SP

SP

SP

Figura 1 : Efecto de la ganancia sobre la respuesta del proceso

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TECSUP Virtual 2.5.2.

Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales MÉTODO DE GANANCIA LÍMITE Este método fue desarrollado por Ziegler y Nichols, en 1941 y permite calcular los tres términos de ajuste del controlador a partir de los datos obtenidos en una prueba rápida de características del bucle cerrado del control. El método se basa en aumentar gradualmente la ganancia con los ajustes de integral y derivada en su valor más bajo, mientras se crean pequeños cambios en el punto de consigna, hasta que el proceso empieza a oscilar de modo continuo. Este valor de la ganancia se denomina "Ganancia Límite" (Kcu). Se anota el periodo del ciclo de las oscilaciones Pu en minutos, y la ganancia Kcu. Los ajustes de control que producirán aproximadamente una respuesta con una relación de amplitudes 0.25, se calculan como se muestra en la tabla 1.

Tabla 1 : Fórmulas para sensibilidad límite Este método se denomina también de “lazo cerrado” pues el controlador trabaja en todo momento en posición de “automático”. A diferencia de esto en el método que se explica a continuación, el controlador es operado en posición “manual” mientras se obtienen los parámetros del proceso. De allí que se le conozca como de “lazo abierto”. 2.5.3.

MÉTODO DE LA CURVA DE REACCIÓN El procedimiento general consiste en abrir el bucle cerrado de regulación antes de la válvula, es decir, operar directamente la válvula con el controlador en manual y crear un pequeño y rápido cambio en escalón en el proceso de entrada. La respuesta obtenida se introduce en un registrador con el mayor tamaño posible del gráfico para obtener la mayor exactitud. Del gráfico obtenido se determinan los valores indicados en la figura siguiente:

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Figura 2 : Método de la curva de reacción Las fórmulas a aplicar se observan en la tabla 2:

Tabla 2 : Fórmulas para curva de reacción Hay que señalar que los procedimientos de ganancia límite y de curva de reacción fueron deducidos empíricamente después de analizar muchos tipos de procesos industriales y ambos se basan en la respuesta del proceso ante una perturbación. Es evidente que las características del proceso no permanecen constantes en todo momento, por lo cual puede ocurrir que los valores de las acciones determinados en unas condiciones de cargas dadas, se aparten de los parámetros convenientes para otras condiciones de carga distintas. De aquí que es preferible realizar los ensayos en las peores condiciones de carga del proceso, para que, de este modo, los ajustes del controlador sean válidos en todas las condiciones de servicio. Observaciones análogas pueden aplicarse a los valores de los parámetros determinados con el método de tanteo, debiendo señalar, que para afinar los ajustes determinados con los otros dos métodos, es conveniente realizar un procedimiento de tanteo adicional.

FIN DE LA UNIDAD

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VIII

Válvulas de Control Automático

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Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. CAPACIDAD DE UNA VÁLVULA .......................................................................... 1 2.2. RANGEABILIDAD .............................................................................................. 1 2.3. PARTES DE UNA VÁLVULA DE CONTROL............................................................ 2 2.3.1. VÁLVULA............................................................................................... 2 2.3.2. ACTUADOR ........................................................................................... 4 2.4. POSICIONADOR DE VÁLVULA............................................................................ 5 2.4.1. ¿Por qué usar un posicionador? .............................................................. 6 2.5. ACCIÓN DE LA VÁLVULA................................................................................... 7

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UNIDAD VIII “VALVULAS DE CONTROL AUTOMATICO” 1. INTRODUCCIÓN Una válvula de control es el elemento de control final más comúnmente usado para regular el flujo de material en un proceso. En un lazo cerrado de control, es el único elemento resistivo que puede ser controlado. Las otras resistencias, varían de debido a cambios de flujo en el sistema o debido al revestimiento de las tuberías. Estas variaciones son indeseables y deben ser compensadas por la válvula de control. 2. OBJETIVOS • •

Reconocer las partes de una válvula de control. Identificar las características de las válvulas de control y posicionadores de válvula.

2.1. CAPACIDAD DE UNA VÁLVULA Los fabricantes han adoptado un término para indicar las capacidades de variación del flujo en las válvulas de control. Para este propósito se define el coeficiente Cv. Cv =q/ [ (∆P/ G)1/2 ] En donde q es el flujo volumétrico a través de la válvula (caudal) en galones por minutos, ∆P es la caída de presión a través de la válvula en psi (incluyendo las pérdidas en la entrada y la salida) y G es la gravedad específica del fluido. Dicho de otro modo, es el número de galones por minuto de agua a temperatura ambiente que pasará a través de una restricción con una caída de presión de 1 psi; por ejemplo, una válvula de control en la que al estar completamente abierta circulan 25 gpm de agua con una caída de presión de 1 psi, tiene un coeficiente máximo de 25. El flujo se obtiene similarmente a varios incrementos de apertura de válvula y por lo tanto se halla así el Cv para cada incremento. Se logra así la "curva característica" de la válvula. 2.2. RANGEABILIDAD Se define como la relación del flujo máximo y el mínimo que puede manejar una válvula. La rangeabilidad de las válvulas varía, dependiendo del tipo de cuerpo de válvula usado. Por ejemplo, la rangeabilidad de las válvulas de globo varía entre 30:1 a 50:1, por lo general. A lo anterior se le denomina rangeabilidad inherente. Tan importante como esta última, es la rangeabilidad instalada u operativa. Esta se define como la relación entre rangeabilidad y caída de presión:

Ro = ( q1 / q 2 )

( ∆ P 2/ ∆ P 1)

En donde q1 es el flujo inicial, q2 el final, ∆P1 es la caída de presión a través de la válvula y ∆P2 la final. Por ejemplo, el requerimiento de flujo puede caer de 100 a 25% mientras la presión crece de 16 a 100%. Entonces la rangeabilidad instalada será:

R = (100 / 25 ) 100 / 6 = 10 La importancia de analizar cercanamente los requerimientos del lazo no debe ser minimizada.

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2.3. PARTES DE UNA VÁLVULA DE CONTROL Debido a que las válvulas más usadas son las neumáticas, vamos a referirnos a estas para detallar las partes de una válvula de control. En general, una V.C.A. consta de dos partes principales: La válvula propiamente dicha y el actuador. La válvula es la parte que a través de la cual pasa y se constata el fluido y el actuador es el elemento encargado de efectuar la operación de control.

Figura 1 : Vista de corte de una válvula de control 2.3.1.

VÁLVULA Consta a su vez de las siguientes partes: • • •

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Cuerpo de válvula Elementos internos, como el asiento del obturador, el obturador, el vástago del obturador, la guía del mismo, etc., que están en contacto con el medio a controlar. Estopero, a través del cual se desplaza el vástago del obturador y que contiene los accesorios de sellado para evitar fugas de fluido. Generalmente contiene los medios de montaje del actuador.

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Fundamentos de Medición y Control de Variables Industriales Existen diversos tipos de válvulas, las cuales varían en el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador o tapón. Por otro lado, se habla también de acción de válvula, es decir, si el empujar el vástago de la válvula origina un movimiento de empujar para cerrar (push–to-close) o de empujar para abrir (push–to–open).

Figura 2 : Válvula “push-to-close”

Figura 3 : Válvula “push-to-open”

Con respecto a los obturadores, la forma de los mismos varía mucho dependiendo de la aplicación. Este, determina la característica del caudal de la válvula, es decir, la relación que existe entre la posición del obturador y el caudal de paso de fluido. Según su forma física se puede hallar de obturadores de globo, mariposa, aguja, bola, compuerta, etc. con respecto a la forma de control de flujo, los obturadores o tapones caen dentro de tres tipos básicos: apertura rápida, lineal y de igual porcentaje o isoporcentual. Discutamos estos tipos y algunas de sus modificaciones: •

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Apertura rápida: permite un cambio rápido del caudal para un pequeño recorrido del vástago. Cerca del 90% de la capacidad de la válvula se obtiene al 30% de apertura de la válvula y se logra una relación lineal hasta ese punto. Se utiliza principalmente para servicio onoff o en válvulas autoreguladas. Incluso son útiles en sistemas con caídas constantes de presión, en donde se requiere una característica lineal. Lineal : produce un flujo directamente proporcional a la apertura de válvula. Una variación del 50% del vástago origina una igual variación en el flujo, etc. Esta relación produce una pendiente constante, de modo tal que cada cambio incremental de la posición del tapón produce un cambio similar en el flujo de válvula, si la caída de presión es constante. Se usan generalmente un control de nivel de líquidos y en aplicaciones en donde se requieren una ganancia constante. Igual Porcentaje: Una característica de igual porcentaje es aquella en la que a iguales incrementos de recorrido del vástago, se produce un porcentaje igual en el flujo existente. Por ejemplo, cuando el flujo es pequeño, el cambio en el mismo (para un cambio incremental) es pequeño; cuando el flujo es grande, el cambio es siempre proporcional a la cantidad que fluye antes del cambio. Estos tapones son usados en aplicaciones de control de presión en donde un pequeño porcentaje de la caída del sistema permite el control de la válvula.

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Parabólica modificada: Una curva de este tipo cae entre la lineal y la de igual porcentaje. Se usa en aplicaciones en donde la mayor parte de la caída de presión del sistema se da en la válvula de control. Lineal modificada: Cae entre la lineal y la apertura para flujos bajos y altos, la sensibilidad de la válvula es baja, es decir, que grandes recorridos del vástago producen pequeños cambios de flujo.

Figura 4 : Características de válvulas 2.3.2.

ACTUADOR Las válvulas de control pueden ser operadas neumáticamente, eléctricamente, hidráulicamente o por una combinación entre estas. La primera es la mayormente usada. Las fuerzas que los actuadores deben superar son causadas por la caída de presión a través de la válvula, la fricción entre el fluido y las partes móviles, el peso de estas partes y el desbalance del vástago que se hace significativo para grandes caídas de presión. Mencionaremos las características básicas de los actuadores usados para modulación del servicio y por lo tanto se excluyen las válvulas solenoides y otros operadores mecánicos y eléctricos usados en servicio on – off. •

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Neumáticos: pueden clasificarse en dos tipos básicos; el de resorte y diafragma y el de cilindro o pistón (sin resorte). El primero de ellos es el más usado y puede ser de “aire para bajar” (air-to-lower) o de “aire para subir” (air-to-raise). Aquí, interesa por qué lado ingresa la señal neumática proveniente del controlador. Si es por la parte superior del diagrama, obliga a que la deformación de éste, origine un desplazamiento del vástago hacia abajo, en cambio si el aire ingresa por debajo del diagrama, el movimiento será hacia arriba. Existen también actuadores de diagrama que son reversibles. De la combinación del actuador y la válvula dependerá la acción de la válvula de control. Si la señal neumática origina al final el cierre de la válvula (air-to-close) se hablará de acción directa y si por el contrario, la válvula se abre (airto-open), se tendrá una acción inversa. La variación de la acción de la

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válvula, tan fácilmente se puede lograr con un actuador reversible, también se puede dar con un actuador no reversible, no necesariamente cambiando la válvula, sino con la ayuda de un posicionador de válvula como se verá más adelante. Los actuadores sin resorte, del tipo de cilindro o pistón, se emplean cuando se requieren una gran potencia o una acción más rápida. Lo primero resulta de la habilidad para manejar presiones de alimentación más altas. Eléctricos: Se usan generalmente en áreas en donde no hay suministro de aire de alimentación o cuando se quiere prescindir de los sistemas neumáticos. Se basan en el control de la velocidad y el sentido de giro de un motor dc, utilizando una tarjeta electrónica como interfaz entre el controlador y el actuador de la válvula; por lo general se envía una señal realimentadora al controlador, que proviene de la salida de un potenciómetro ubicado en el mismo posicionador con el fin de que la apertura de la válvula corresponda al final a la señal de control. Electrohidráulicos: combinan la acción de la señal eléctrica de control con la fuerza que se puede lograr con presiones hidráulicas, acoplando a estas con un sistema de balance de fuerzas. Comúnmente, estos sistemas operan a presiones de hasta 3,000 psi, brindando potencia y velocidad para requerimientos de control de gran exactitud.

2.4. POSICIONADOR DE VÁLVULA Un posicionador de válvula es básicamente un dispositivo que sensa tanto la señal de un instrumento (controlador) como la posición del vástago de una válvula. Su función principal es la de asegurar que la posición de este vástago corresponda a la señal de salida del controlador o regulador. Por ejemplo, si el posicionador recibe una señal neumática de 35%, debe dar la suficiente presión de aire al actuador para hacer que el recorrido del vástago sea de 35% de todo su rango. Puede efectivamente ser descrito como un controlador de lazo cerrado, que tiene como señal de entrada a la del instrumento, su salida que va al diafragma del actuador y su señal de realimentación proveniente del vástago de la válvula. Es usado en válvulas que operan en rango partido, (como se verá en el siguiente capítulo), para invertir la acción de una válvula de control, para superar las fuerzas de fricción dentro de una válvula y en aplicaciones que requieren un control rápido y preciso. Normalmente, se monta sobre la válvula de control. Los posicionadores se pueden dividir neumáticos y electroneumáticos. Con respecto a los primeros, a su vez se subdividen en aquellos accionados por un sistema de balance de movimientos. Consiste básicamente de un fuelle que recibe la señal del controlador, una barra fija al fuelle por un lado y un relé neumático cuya tobera forma un sistema tobera-actuador con la barra. Mientras el fuelle se mueve respondiendo al cambio de la señal del instrumento, el arreglo tobera-obturador se mueve, admitiendo aire al diafragma o expulsando aire del mismo, hasta que la posición del vástago corresponda a la señal enviada por el controlador. En ese momento el posicionador estará nuevamente en equilibrio con la señal de control.

Unidad VIII

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Los posicionadores electroneumáticos surgieron por el uso cada vez mayor de sistemas de control electrónicos que actuan sobre válvulas de control neumáticas. Básicamente, consisten en una combinación de un conversor de corriente a presión (I/P) y un posicionador. Es un dispositivo de balance de fuerzas y se puede utilizar con acción directa o acción inversa. Es importante también señalar el empleo en algunos casos de posicionadores con comunicación digital como se ha mencionado anteriormente.

Figura 5 : Válvulas con Posicionadores (Cortesía PMV) 2.4.1.

¿POR QUÉ USAR UN POSICIONADOR? Las razones para no usar solamente una válvula de control neumática sin posicionador son las siguientes: •

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Mientras que la señal de 3-15 PSIG del controlador representa la posición requerida de la válvula, la válvula puede no alcanzar esa posición cuando es alimentada sólo por esa señal. Muchos factores son responsables de eso, como la fricción del vástago de la válvula, la presión del fluido del proceso, las fuerzas desbalanceadas del contacto de válvula y el tiempo requerido par cumplir grandes sobre-esfuerzos. El posicionador corrige estas condiciones utilizando todo el esfuerzo de su fuente de aire (hasta 100 PSIG) para manejar la válvula a la posición cuando es alimentada sólo por esa señal. Muchos factores son responsables de eso, como la fricción del vástago de la válvula, la presión del fluido del proceso, las fuerzas desbalanceadas del contacto de válvula y el tiempo requerido para cumplir grandes sobre-esfuerzos. Debido a que el posicionador tiene grandes puertas de alimentación y escape y una fuente independiente de aire, puede mover la válvula más rápido que lo que podría hacer el controlador. Existe un efecto llamado “histéresis” producido por la fricción de la guía del tapón deslizándose en el cuerpo de la válvula, la fricción del diafragma del actuador y el movimiento de las partes relacionadas. Además, desde que la fricción estática es mayor que la fricción de deslizamiento, el vástago de la válvula tiende a sobre-dispararse de la posición deseada. Se emplea el posicionador para eliminar o reducir apreciablemente este error.

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2.5. ACCIÓN DE LA VÁLVULA Los posicionadores de válvula son clasificados ya sea: de acción directa, en que la salida del posicionador se incrementa con un incremento de la señal de salida del controlador, o de acción inversa, en que la salida del posicionador decrece con un incremento en la señal de salida del controlador. Las válvulas pueden ser ya sea upto-close o down-to-close. En suma el posicionador puede accionar ya sea en la parte inferior o en la parte superior del diafragma. Con estas tantas posibles variaciones, hay evidentemente más de una combinación válvula-actuador-posicionador para una situación dada.

FIN DE LA UNIDAD

Unidad VIII

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UNIDAD

Estrategias de Control

IX

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Indice

Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. CONTROL EN CASCADA .................................................................................... 1 2.2. CONTROL DE RAZÓN........................................................................................ 3 2.3. CONTROL PREALIMENTADO (FEEDFORWARD)................................................... 4 2.4. CONTROL DE RANGO PARTIDO (SPLIT RANGE) ................................................. 5 2.5. CONTROL POR PROGRAMA ............................................................................... 6

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UNIDAD IX “ESTRATEGIAS DE CONTROL” 1. INTRODUCCIÓN Se ha revisado anteriormente aspectos importantes sobre los sistemas de control realimentados. Existen algunas aplicaciones sin embargo en las cuales no basta con tener un lazo simple como el estudiado para un control óptimo de uno o más procesos. Se requieren entonces algunas variaciones sobre lo anterior que son conocidas como estrategias de control. 2. OBJETIVOS • •

Reconocer las estrategias de control más importantes. Identificar las características y aplicaciones de las mismas

2.1. CONTROL EN CASCADA Es una técnica que usa dos sistemas de medición y control para manipular un solo elemento final de control. Su propósito es incrementar la estabilidad en problemas de control de procesos particularmente complejos. Esta ha sido usada durante años y es muy efectiva en muchas aplicaciones. La relación que existe entre los controladores es referida a una denominada de maestro-esclavo o de primario-secundario. La unidad maestra es el controlador de la variable cuyo valor es el de principal importancia. Por ejemplo en la figura 1 se simboliza un quemador, en donde el calor obtenido de la combustión de aire con combustible se transfiere a un determinado material, esta variable principal sería temperatura. El esclavo o unidad secundaria, es el controlador de la variable cuyo valor es importante sólo si afecta a la variable primaria. En el ejemplo anterior podría ser el flujo de combustible que alimenta al quemador. Se puede lograr un control de temperatura más cercano y estable con el sistema en cascada que con un control realimentado simple. El control en cascada realiza dos funciones importantes: reduce el efecto de los cambios de carga cerca a su fuente y mejora el control reduciendo el efecto de los retardos de tiempo. La segunda mención es la más obvia; típicamente ocurre en aplicaciones de temperatura y analíticas en donde estos retardos de tiempo son generalmente largos. El otro efecto es menos obvio y tal vez es mejor explicarlo tomando en cuenta el sistema simple. En la en el esquema superior de la figura 1 se muestra un control realimentado simple de temperatura del quemador antes mencionado. Aquí la temperatura es enviada por el transmisor (TT) al controlador (TC), e cual regula directamente el flujo de combustible de entrada a través de la válvula de control. Este sistema trabaja muy bien excepto, cuando los disturbios ocurren en el sistema de alimentación (ingreso de material; en la figura descrito como medio controlado) o cuando las variaciones del flujo de combustible afectan a la temperatura. Debido a la capacidad del fluido en el tanque y al retardo, el controlador no detecta inmediatamente los disturbios. Al tiempo que se hace la detención, probablemente el disturbio haya desaparecido y se produzca una acción cíclica.

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F medio controlado

T salida

TT

F combustible TC

F medio controlado

T salida

FC TT

FT

F combustible TC

Figura 1 : Comparación entre control simple y en cascada El esquema inferior de la figura 1 muestra como opera un sistema en cascada. El flujo de alimentación de combustible es medido a través del transmisor de flujo (FT) y controlado para mantenerlo en el valor deseado, independientemente de las variaciones del suministro. El controlador de temperatura es puesto en cascada con el controlador de flujo (FC), de modo tal que otras variaciones como velocidad de alimentación del producto, efectos de la temperatura ambiente y otros, sean superados, manteniéndose la variable principal (temperatura) al punto deseado.

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La salida de este controlador viene a ser el set point del controlador de flujo, variando lo que fuese necesario para mantener una temperatura correcta. Los sistemas en cascada no son siempre la solución para toda condición inestable en el proceso o para problemas de retardo de medición; sin embargo, proveen soluciones satisfactorias para muchos problemas de aplicación. 2.2. CONTROL DE RAZÓN Como su nombre lo indica, este tipo de control debe mantener una razón o relación fija entre dos variables. La aplicación más común es la de mantener una relación fija entre dos flujos y tales como aire-combustible en hornos, material de alimentación y catalizador en reactores y mezclas de dos o más materias primas en operaciones de mezclado. Existen algunas variaciones de esquemas de control usados para obtener una razón entre dos variables. El esquema predominante desde hace varios años usa una razón ajustable entre la variable primaria o no controlada y el índice de control de la variable secundaria o controlada. Aquí el flujo no controlado (primario) es medido y usado para controlar el otro flujo (secundario) para mantener la razón deseada. Para este fin se han empleado por mucho tiempo equipos denominados estaciones de razón con una escala ajustable en forma manual; posteriormente se emplearon controladores especiales. Actualmente esta relación se ajusta por software como una opción en controladores digitales que reciben las dos señales de campo correspondientes a las variables controlada y no controlada y entregan la señal de ajuste al elemento final de control en función a esta razón y al tipo de control elegido. La variable primaria no es siempre no controlada. A veces por diferentes razones también se controla. Como en el caso anterior, la señal transmitida primaria es alimentada a un dispositivo de razón cuya salida fija el punto de control del controlador secundario. Al usar sistemas de control de razón, uno debe asegurarse que ambas mediciones estén en las mismas unidades (ejemplo galones por minuto, libras por hora, etc.) y que las escalas usadas sean las mismas. Los sistemas de control de razón son muy comunes en procesos de mezclado en donde se requieren altas precisiones en la relación de mezcla. En la figura 2 se tiene un sistema de mezclado. Las señales representativas de los flujos medidos por los transmisores de flujo respectivos (FT-1 y FT-2) son enviadas al controlador de razón (FFC) para ajustar el flujo secundario a través de la válvula de control (FV). La razón como se ha mencionado es ajustada en el mismo controlador.

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FFC

FV

FT 1

FT 2

flujo controlado

flujo no controlado

salida

Figura 2 : Control de razón 2.3. CONTROL PREALIMENTADO (FEEDFORWARD) Consiste en la aplicación de una acción de control a un proceso antes de que ocurra una desviación en la variable controlada. En este punto, todas las discusiones sobre los principios de control se han centrado de modos de control que utilizan el concepto de realimentación (feedback) para regular variables de procesos. El control realimentado actúa sólo después de sensarse una desviación con respecto al set point. El control prealimentado teóricamente previene esa desviación. Esto lo logra midiendo las variables que causan cambios de carga en el proceso y manipulando aquellas variables que cancelan los efectos de cambios de carga antes de que aparezcan las perturbaciones. Esta técnica no es común en sistemas de control convencionales, debido tal vez, al poco conocimiento acerca del balance de energías de un proceso. Más bien es aplicable a sistemas de un controlador por computador o la lazos de control convencionales, a los cuales se les ha añadido funciones de computación o cálculo para incrementar sus capacidades de control.

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Este tipo de control es más aplicable a procesos difíciles de regular. Adicionalmente, se requiere un gran conocimiento del proceso y de como va a reaccionar el cambio de carga. El uso de este control se da mucho en sistemas en los cuales hay retardos de tiempo apreciables. Una falla de control prealimentado es su dependencia a la precisión. Para obtener un control perfecto, es necesario modelar exactamente el sistema. Esto no es posible debido a que las cargas y variables medidas son imprecisas y la información acerca de un proceso es relativamente insuficiente. Para permitir un mejor control, a menudo su usan lazos alimentados cuando se usa un control prealimentado. Sin embargo, el rol del control realimentado es reducido en este caso. En suma, hay algunas condiciones que permiten que el control prealimentado sea una técnica efectiva. Sin embargo, su necesidad de un mayor conocimiento del proceso para diseñar el sistema lo hacen más complejo que el control realimentado y por su naturaleza, impide la producción masiva de sistemas prealimentados ajustables. 2.4. CONTROL DE RANGO PARTIDO (SPLIT RANGE) Este tipo de control involucra dos válvulas operadas por el mismo controlador. Utilizando posicionadores de válvula es posible establecer el rango de acción para cada una de las válvulas. Bajo ciertas condiciones, es a menudo deseable tener una pequeña banda muerta entre las operaciones de las válvulas; el porcentaje de banda muerta varía según la aplicación. En algunos casos no se necesita una banda muerta y en otros se necesita un traslape en la acción de las válvulas. En la figura 3 podemos observar un ejemplo de esta estrategia. Se trata de controlar la presión de un gas en el tanque, manipulando la válvula de ingreso (A), de modo tal que a medida que la presión (medida por el transmisor PT) se va incrementando, el controlador (PC) envía una señal en ascenso de 3 a 15 psi para ir cerrando la válvula. Es importante señalar que A obedece a una parte de la señal de control (3-9 psi para el ejemplo). En realidad esto solamente se logra con la presencia de un posicionador de válvula que trabaja calibrado para ese rango. Si la presión debe ser disminuida, la señal del controlador, que debe ser en estas condiciones mayor que 9.6 psi (se ha empleado una banda muerta en este caso), irá abriendo la válvula de venteo (B), la cual debiera estar totalmente para una señal de 15 psi. Del mismo modo, B trabaja con un posicionador calibrado para el rango de 9.6-15 psi. PC

Venteo

B

La válvula B se abre con una señal de 9.6-15 psi

PT

A Suministro de N2

La válvula A se cierra con una señal de 3-9 psi

Figura 3 : Control de rango partido

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2.5. CONTROL POR PROGRAMA Es usado tanto en procesos continuos como en procesos tipo discontinuos para controlar operaciones de mezclado para eventos secuenciales, en operaciones de secado para controlar procesos batch o para otros esquemas de control que involucran secuencias repetitivas de eventos. Los controladores programables varían en complejidad y en flexibilidad de su ajuste. Actualmente, la secuencia de eventos puede fácilmente controlarse con los denominados controladores lógicos programables (PLC).

FIN DE LA UNIDAD

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Supervisión de Procesos

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Indice

Índice 1. 2.

INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1 OBJETIVOS............................................................................................................... 1 2.1. SISTEMAS DIGITALES EN LA INDUSTRIA........................................................... 1 2.2. PARTES DE UN SISTEMA DE SUPERVISIÓN POR COMPUTADORA........................ 2 2.3. SOFTWARE DE SUPERVISIÓN Y CONTROL......................................................... 3 2.4. INTERFAZ DEL OPERADOR ............................................................................... 4

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UNIDAD X “SUPERVISION DE PROCESOS” 1. INTRODUCCIÓN Anteriormente se hizo una reseña del avance de la tecnología y de como los sistemas de control han evolucionado principalmente con el uso de la electrónica. En este campo, el microprocesador ha jugado un papel preponderante por las ventajas logradas, tales como reducción del tamaño del equipo, mayor facilidad de cálculo, disminución de costos, versatilidad y adaptabilidad, etc. El desarrollo de computadoras digitales y la necesidad de integrar los dispositivos de control obligó a la aparición de las redes industriales y de protocolos de comunicación. Los sistemas de control computarizados tienen muchas aplicaciones, especialmente la de supervisión de los procesos. La clasificación de un sistema de este tipo depende de su tamaño, función y filosofías de control. 2. OBJETIVOS • •

Reconocer la importancia de las nuevas tecnologías utilizadas en la supervisión y control de los procesos industriales. Identificar las características de los sistemas de supervisión y control basados en computadora.

2.1. SISTEMAS DIGITALES EN LA INDUSTRIA El empleo de sistemas digitales en la Instrumentación y Control Automático de procesos industriales pasa por el empleo de equipos como transmisores, controladores de procesos, registradores y otros dispositivos individuales basados en microprocesadores, hasta sistemas integrados en donde las computadoras juegan un papel importante. Aquí nos referimos a estos últimos como “sistemas digitales”, los cuales tienen distintos tamaños, provienen de diversos fabricantes y son utilizados en variedad de aplicaciones. En la mayoría de los casos, un sistema digital cae en una categoría específica como Sistema de Control Distribuido (DCS), Controladores Lógicos Programables (PLC) o Control Supervisorio y de Adquisición de datos (SCADA). Estas categorías, históricamente han tenido diferencias funcionales: un DCS aplicado en control analógico de procesos continuos, un PLC que aparece como reemplazo de la lógica a relés y los sistemas SCADA para la recolección remota de datos. Actualmente un DCS puede reemplazar la lógica a relés, un PLC puede realizar control analógico y un SCADA, ambas cosas. Algunos sistemas no caen en ninguna categoría específica pero funcionalmente compiten con sistemas DCS, PLC o SCADA, como sucede con algunos de los denominados sistemas de control basados en PC. En algunas aplicaciones, es posible que más de un tipo de sistema digital sea capaz de hacer la tarea. Es importante notar sin embargo, que una aplicación determinada puede requerir un tipo específico de combinación de sistema(s) digital(es) debido a especificaciones que van más allá de simple similitudes. Aquí sin embargo nos vamos a referir en forma general a las partes y características de los llamados sistemas de supervisión y control por computadora.

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2.2. PARTES DE UN SISTEMA DE SUPERVISIÓN POR COMPUTADORA Todos los sistemas digitales están hechos de una combinación de hardware y software. El hardware se refiere a las partes físicas de los sistemas digitales tales como circuitos y equipos electrónicos, cables, monitores, fuentes de alimentación y otros. El software se refiere a aquella porción del sistema digital que existe como información binaria y es ejecutada o utilizada por el sistema. Mientras que los sistemas digitales pueden variar en tamaño desde el punto de vista del hardware, ellos también lo pueden hacer en funcionalidad desde el punto de vista del software. Es importante evaluar ambos aspectos en un sistema digital para determinar si las herramientas necesarias están presentes para implementar una aplicación con seguridad, efectividad y eficiencia. Usualmente un sistema de supervisión y control basado en computadora está formado por partes compatibles entre sí. A menudo sin embargo es imprescindible integrar equipos de diversos fabricantes para que el sistema cumpla plenamente con los objetivos para los cuales fue implementado.

Distributed Control System Network

Programmable Controller (PLC) Networks

Computer GW

Controller

PLC GW

PLC - DCS

M

Motor Drives

Remote I/O Remote I/O cards & cards & terms terms

Transmitters & Control Elements

Simple Sensors & Switches

Figura 1 : Ejemplo de Red Industrial (cortesía de Fieldbus Foundation) En general, las partes que componen un sistema tal, incluyen los sistemas de adquisición de datos, los dispositivos y equipos de medición y control, la computadora o computadoras que se integran con los demás elementos en una red industrial y el software de supervisión.

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Computadoras: Las computadoras con su hardware y software de base se caracterizan por corresponder básicamente a modelos de serie, sin aditamentos especiales para su uso en control industrial automático. En algunos casos sin embargo tienen un hardware especial pues son ubicadas en ambientes potencialmente agresivos. El software de base permite el funcionamiento de la computadora sin estar asociado a una aplicación específica, incluyendo sistema operativo, software para manejo de memoria adicional, etc. En general, para esta aplicación se utilizan computadoras de altas velocidades, abundante memoria RAM, discos duros de gran capacidad y monitores de color de alta resolución. También se realizan aplicaciones en red con el consiguiente requerimiento de tarjetas de red. El software de base incluye el sistema operativo. Sistemas de adquisición de datos: Su objetivo es la adquisición de un elevado número de señales provenientes de los dispositivos de campo. Son utilizados en sistemas internos y externos. PLC: Se les utiliza en aplicaciones que requieren control lógico, secuencial e incluso algo de control regulatorio. También en aquellas en donde no se requiere control alguno y se les utiliza como sistemas de adquisición de datos de pequeño y mediano tamaño. Instrumentos unilazo: en forma general estos instrumentos disponen de interfaces de comunicación que permiten su supervisión desde PCs. Se incluyen entre otros, controladores, cromatógrafos, registradores, totalizadores, etc. Otros: dispositivos programables (en BASIC, C, etc.) caracterizados por tener posibilidades de control con un alto grado de flexibilidad pero con mayor trabajo de programación para una aplicación específica.

2.3. SOFTWARE DE SUPERVISIÓN Y CONTROL Está específicamente diseñado para su uso en computadoras personales estándar, comunicadas con una variedad de equipos industriales. Este software cumple entre otras funciones: visualizar las variables de proceso, comunicaciones con el dispositivo de entradas y salidas (E/S), manejo de alarmas, registro histórico, etc. Para resolver estas funciones, se puede optar por dos alternativas: desarrollo de programas propios o utilizar paquetes de software. Las partes de un paquete de software para control basado en PC son básicamente cuatro programas y una base de datos dinámica. Esta última contiene la estrategia de control, que indica de donde vienen los datos, que se hace con ellos y a donde van. Su nombre se debe a que el valor de sus variables cambia constantemente en forma asociada a las variables de proceso. La definición de la estrategia de control se realiza mediante un programa diseñado para tal efecto. Otro programa permite crear las pantallas que permitirán al usuario ver la base de datos. Un tercer programa se ocupa de ejecutar la estrategia de control, cumpliendo las funciones de control que en ella se especifican. El cuarto programa el de visualización, toma las pantallas anteriormente creadas y las relaciona con la base de datos dinámica. Para que el software de control pueda comunicarse con los dispositivos de E/S requiere de los denominados drivers de comunicaciones. Este es un software cuya función es intercambiar datos entre el dispositivo de E/S y la base de datos de control ubicada en la memoria RAM de la PC. Actualmente los grandes fabricantes de software ofrecen una gran cantidad de drivers para permitir la comunicación del software con dispositivos de diversos fabricantes. Si bien es cierto esto incrementa el mercado de usuarios, los obliga también a mantener y actualizar los mismos.

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2.4. INTERFAZ DEL OPERADOR La interfaz entre un proceso ó máquina y el operador es el factor primario para conseguir un diálogo entre ambos. Aún cuando las señales llegan a la interfaz y permiten la acción del operador, hay que considerar la lentitud relativa de éste. Por lo tanto el operador, debido a las limitaciones humanas, constituye el cuello de botella principal del sistema de control. La interfaz, sea que tome la forma de una consola, una estación de trabajo u otra configuración, debe ser diseñada con el principal objetivo puesto en reducir los tiempos de respuesta del operador Las “figuras” ayudan mucho en la comprensión de parte del operador de que es lo que está sucediendo en el proceso ó la máquina. Este concepto siempre ha sido importante y en el tiempo los equipos y sistemas relacionados han evolucionado grandemente. Los displays gráficos se forman colocando una variedad de formas simbólicas en la pantalla que interactúan en muchos casos con las señales reales del proceso o máquina. La utilización y colocación adecuada en pantalla de tanto la información dinámica como la estática de estos gráficos, debe facilitar el trabajo del operador y no ser demasiada como para fatigarlo o confundirlo. Las formas y colores son factores también importantes y son ampliamente utilizados en la actualidad.

Figura 2 : Ejemplo de Interfaz Gráfica (cortesía de National Instruments) Los monitores o visualizadores empleados van desde aquellos que usan rayos catódicos, hasta los que utilizan cristal líquido (LCD). En lo que respecta a los dispositivos para el ingreso o requerimiento de información que se va a visualizar en pantalla o en general al sistema asociado, éstos van desde los teclados con funciones convencionales ó especiales, los dispositivos como los llamados mouse o trackball, joystick u otros, hasta la utilización de pantallas tipo touchscreen de diferentes tecnologías de fabricación que permiten estas acciones con la utilización de los dedos del operador actuando directamente sobre la pantalla misma.

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