INSTRUMENTACION INDUSTRIAL

Definicin de Instrumentacin Industrial

Instrumentacin: es el grupo de elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en ste.

Un ejemplo de un instrumento cotidiano es el reloj, el cual nos sirve para controlar el uso eficaz de nuestro tiempo.

En otras palabras, la instrumentacin es la ventana a la realidad de lo que est sucediendo en determinado proceso, lo que servir para determinar si el mismo va encaminado hacia donde deseamos. En caso contrario, podremos usar la instrumentacin para actuar sobre algunos parmetros del sistema y proceder de forma correctiva.

La instrumentacin es lo que ha permitido el gran avance tecnolgico de la ciencia actual en casos tales como: los viajes espaciales, la automatizacin de los procesos industriales y muchos otros de los aspectos de nuestro mundo moderno; ya que la automatizacin es solo posible a travs de elementos que puedan sensar lo que sucede en el ambiente, para luego tomar una accin de control pre-programada que actu sobre el sistema y obtener el resultado previsto.

CLASES DE INSTRUMENTOS

Los instrumentos de medicin y de control son relativamente complejos y su funcin puede comprenderse bien si estn incluidos dentro de una clasificacin adecuada. Como es lgico, pueden existir varias formas para c1asificar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se considerarn dos clasificaciones bsicas: la primera relacionada con la funcin del instrumento y la segunda con la variable del proceso.

Este modo de clasificarlos no es necesariamente el nico, pero se considera bastante completo.

1.- En funcin del instrumento

De acuerdo con la funcin del instrumento, obtenemos las formas siguientes:

INSTRUMENTOS CIEGOS:

Estos son aquellos que no tienen indicacin visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presin y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un ndice de seleccin de la variable, ya que slo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son tambin instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presin, nivel y temperatura sin indicacin.

INSTRUMENTOS INDICADORES:

Estos disponen de un ndice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Segn la amplitud de la escala se dividen en indicadores concntricos y excntricos. Existen tambin indicadores digitales que muestran la variable en forma numrica con dgitos.

INSTRUMENTOS REGISTRADORES:

Estos registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de grfico rectangular o alargado segn sea la forma del grfico. Los registradores de grfico circular suelen tener el grfico de 1 revolucin en 24 horas mientras que en los de grfico rectangular la velocidad normal del grfico es de unos 20 mm/hora.

ELEMENTOS PRIMARIOS:

Ellos estn en contacto con la variable y utilizan o absorben energa del medio controlado para dar al sistema de medicin una indicacin en respuesta a la variacin de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presin, fuerza, posicin, medida elctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variacin de presin del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variacin de fuerza electromotriz.

TRANSMISORES:

Estos captan la variable de proceso a travs del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de seal neumtica de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrnica de 4 a 20 mA de corriente continua. La seal neumtica de 3 a 15 psi equivale a 0,206 - 1,033 bar (0,21 - 1,05 Kg/cm2) por lo cual, tambin se emplea la seal en unidades mtricas 0,2 a 1 bar (0,2 a 1 Kg/cm2). Asimismo, se emplean seales electrnicas de 1 a 5 mA c.c., de 10 a 50 mA c.c. y de O a 20 mA c.c., la seal normalizada es de 4-20 mA c.c. La seal digital utilizada en algunos transmisores inteligentes es apta directamente para ordenador. El elemento primario puede formar o no parte integral del transmisor; el primer caso lo constituye un transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de caudal con la placa orificio como elemento primario.

TRANSDUCTORES:

Estos reciben una seal de entrada funcin de una o ms cantidades fsicas y la convierten modificada o no a una seal de salida. Son transductores, un rel, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presin de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presin de proceso a seal neumtica), etc.CONVERTIDORES:

Estos son aparatos que reciben una seal de entrada neumtica (3-15 psi) o electrnica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y despus de modificarla envan la resultante en forma de seal de salida estndar. Ejemplo: un convertidor P/I (seal de entrada neumtica a seal de salida electrnica, un convertidor I/P (seal de entrada elctrica a seal de salida neumtica). Este ltimo trmino es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una seal de instrumentos.

RECEPTORES:

Estos reciben las seales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envan otra seal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en seal neumtica, o 4-20 mA c.c. en seal electrnica, que actan sobre el elemento final de control.

CONTROLADORES:

Estos comparan la variable controlada (presin, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una accin correctiva de acuerdo con la desviacin. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de seal neumtica, electrnica o digital procedente de un transmisor.

ELEMENTO FINAL DE CONTROL:

Este recibe la seal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumtico, el elemento suele ser una vlvula neumtica o un servomotor neumtico que efectan su carrera completa de 3 a 15 psi (0,2-1 bar). En el control electrnico la vlvula o el servomotor anteriores son accionados a travs de un convertidor de intensidad a presin (I/P) o seal digital a presin que convierte la seal electrnica de 4 a 20 mA c.c. o digital a neumtica 3-15 psi. En el control elctrico el elemento suele ser una vlvula motorizada que efecta su carrera completa accionada por un servomotor elctrico. Las seales neumticas (3-15 psi o 0,2-1 bar o 0,2-1 Kg/cm2) y electrnica (4-20 mA c.c.) permiten el intercambio entre instrumentos de la planta. No ocurre as en los instrumentos de seal de salida digital (transmisores, controladores) donde las seales son propias de cada suministrador.2.- EN FUNCIN DE LA VARIABLE DE PROCESO

De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se clasifican en:

Instrumentos de caudal, nivel, presin, temperatura, densidad y peso especfico, humedad y punto de roco, viscosidad, posicin, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc. Esta clasificacin corresponde especficamente al tipo de las seales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversin de la seal de proceso. De este modo, un transmisor neumtico de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efecta convirtiendo las variaciones de presin del fluido que llena el bulbo y el capilar; el aparato receptor de la seal neumtica del transmisor anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumtico lo podramos considerar instrumento de presin, caudal, nivel o cualquier otra variable, segn fuera la seal medida por el transmisor correspondiente; un registrador potenciomtrico puede ser un instrumento de temperatura, de conductividad o de velocidad, segn sean las seales medidas por los elementos primarios de termopar, electrodos o dnamo. Asimismo, esta clasificacin es independiente del nmero y tipo de transductores existentes entre el elemento primario y el instrumento final. As ocurre en el caso de un transmisor electrnico de nivel de 4 a 20 mA c.c., un receptor controlador con salida de 4-20 mA c.c., un convertidor intensidad-presin (I/P) que transforma la seal de 4-20 mA c.c. a neumtica de 3-15 psi y la vlvula neumtica de control; todos estos instrumentos se consideran de nivel.

En la designacin del instrumento se utiliza en el lenguaje comn las dos clasificaciones expuestas anteriormente. Y de este modo, se consideran instrumentos tales como transmisores ciegos de presin, controladores registradores de temperatura, receptores indicadores de nivel, receptores controladores registradores de caudal, etc.3.- FUNCIONAMIENTO ANALGICO Y DIGITAL

Es posible, adems, clasificar la forma en que pueden ejecutarse las funciones bsicas enfocando la atencin a la naturaleza continua o discreta de las seales que representa la informacin. Las seales que varan en forma continua y que pueden tomar una infinidad de valores en cualquier intervalo dado, se llaman seales analgicas; los dispositivos que producen esas seales se llaman dispositivos analgicos. (Esto es rigurosamente cierto en un sentido macroscpico, ya que todos los efectos fsicos se convierten en discretos en consideraciones atomsticas.) En contraste, las seales que varan en pasos discretos y pueden as tomar solamente un nmero finito de valores diferentes, se describen como seales digitales; los aparatos que producen estas seales se llaman aparatos digitales. La mayora de los aparatos de medida actuales son del tipo analgico. Est aumentando la importancia de los instrumentos digitales, quiz principalmente debido al uso creciente de las computadoras digitales, tanto en los sistemas de reduccin de datos como en los automticos de control. Como la calculadora digital trabaja solo con seales digitales, cualquier informacin que se le suministre debe ser en la forma digital. La salida de la computadora tiene tambin forma digital. As, cualquier comunicacin con la computadora en el extremo de la entrada o de la salida debern darse en seales digitales. Como la mayor parte de las medidas actuales y aparatos de control son de naturaleza analgica, es necesario tener tanto convertidores analgicos a digitales (a la entrada de la computadora) como convertidores digitales a analgicos (a la salida de la computadora). Estos dispositivos sirven de "traductores" que permiten al calculista comunicarse con el mundo exterior, que es en su mayor parte de naturaleza analgica.Porque en los dispositivos de medicion electricos usan un rango de 4 a 20 mA?

4-20 mA es un estndar utilizado en instrumentacin y control. 4 mA representa el 0% de la seal y 20 mA representa el 100 % de seal. Se utiliza intensidad de corriente en vez de voltaje porque es menos sensible al ruido. El uso de 4 mA como valor mnimo permite distinguir entre una seal que est al 0 % y un cable roto o instrumento daado. Este estandar se desarroll en los aos 50 y hoy en da se sigue utilizando. Las ventajas del convenio de 4-20 mA es que su implementacin es de bajo coste y puede evitar muchos tipos de ruido.________________________________________________________________________

La forma mas popular para transmitir seales en instrumentacion industrial, aun hoy en dia, es el estandar 4 a 20 miliamperios DC. Esta es una seal estandar, que significa que la seal de corriente usada es usada proporcionalmente para representar seales de medidas o salidas (comandos).Tipicamente, un valor de 4 miliamperios de corriente representa 0% de medida, y un valor de 20 miliamperios representa un 100% de la medida, y cualquier otro valor entre 4 y 20 miliamperios representa un porcentaje entre 0% y 100%.Por ejemplo, si estamos calibrando un transmisor de temperatura a 4-20mA para medir rango de 50 a 250 grados C, podriamos representar los valores de corriente y temperatura como el siguiente grafico:Esta seal de 4-20mA tambien es usada para sistemas de control para comandar posicionadores en una valvula de control o en variadores de velocidad. En estos casos, el valor de miliamperios no representa una medida del proceso, pero si un grado el cual el elemento final de control influye en el proceso. Tipicamente (pero no siempre !!) los 4 miliamperios comandan a cerrar la valvula de control o parar un motor, mientras que 20 miliamperios comandan a abrir totalmente una valvula de control o poner un motor a su maxima velocidad.Por tanto, casi todos (aun hoy en dia) sistemas de control usan dos diferentes seales de 4-20mA: una para representar variables de proceso (PV) y una para representar comandos hacia un elemento final de control (la variable manipulada o MV).La relacion entre estas dos seales depender enteramente de la respuesta del controlador. No hay razon para decir que las dos seales van a ser iguales, por que representan dos cosas totalmente diferentes. De hecho, si el controlador es de accion inversa, es totalmente normal que las dos seales sean inversamente proporcionales, cuando la seal de proceso PV de incrementa va hacia el controlador de accion inversa entonces la seal de salida se decrementara. Si el controlador es puesto en modo "manual" por el operador, la seal de salida no sera automaticamente proporcionada a la seal de entrada PV del todo, en cambio esta seal sera totalmente manipulada a gusto del operador.

Proporcionando seales 4-20mA a variables medidasUna seal 4 a 20 mA representa alguna seal en una escala de 0 a 100 en porcentaje. Usualmente, es una escala lineal, como:Siendo una funcion lineal, podemos usar la ecuacion de una recta para proporcional las seales medidas a sus respectivos valores de corriente:

y = mx + bDonde:

y = Salida del intrumento

x = Entrada del Instrumento

m = Pendiente de la recta

b = punto de intercepto respecto a y (por ejemplo el "live zero" cero del rango del instrumento)Una vez determinada los valores adecuados para m y b, podemos entonces usar esta ecuacion lineal para predecir cualquier valor para y dado un valor x, y vice-versa. Esto sera muy util para nosotros cuando busquemos determinar el valor de seal 4-20mA de salida de cualquier transmisor, o la posicion de vastago de una valvula ente una salida de seal 4-20mA, o cualquier otra correspondencia entre una seal 4-20mA y alguna variable fisica.Antes que podamos usar la ecuacion para cualquier proposito, debemos determinar los valores de la pendiente (m) y el intercepto (b) apropiados para el intrumento que deseamos aplicar la ecuacion. Luego, veremos algunos ejemplos para hacer esto.Para la ecuacion lineal mostrada, podemos determinar el valor de la pendiente (m) dividiendo el "rise" entre el "run" es decir los rangos en miliamperios (4-20mA) y rango de apertura (0 -100 %).Para calcular el intercepto (b), todo lo que necesitamos hacer el resolver la ecuacion en un punto determinado (x - y). En este caso probamos el punto (0,4) es decir a 0% tenemos 4 miliamperios y calculamosAhora que tenemos nuestra ecuacion completa podemos describir la relacion entre la seal 4-20mA y un seal de apertura 0-100%, podemos usarla para determinar cuantos miliamperios representan cuaquier porcentaje de seal. Por ejemplo, supongamos que necesitamos convertir un porcentaje de 34.7% a su correspondiente seal de corriente de 4-20mA, como se representa en la siguiente graficaEntonces haramos algo como esto:Por tanto, 34.7% es equivalente a 9.552 miliamperios en una rango de seal de 4-20mA.