OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES

EL SISTEMA DE CONTROL AUTOMTICO1.1 INTRODUCCINEn la era contempornea la produccin industrial se ha caracterizado principalmente por la optimizacin de los procesos empleando avances tecnolgicos de la comunicacin y el control a fin de lograr productos a bajo costo, alta calidad capaces de cumplir con los estndares exigidos por el mercado. Las diversas formas de automatizar los procesos y servicios se realizan a travs del uso de sensores, controladores y actuadores, es decir sistemas de control automticos sintonizados, lo cual permitir un buen control del proceso de produccin, minimizando los recursos humanos. La tecnologa actual permite supervisar y controlar diversas industrias del tipo productivo o manufacturero en tiempo real. En nuestro pas el control y la automatizacin a travs de la electrnica han experimentado un cambio importante en la mayora de las industrias, para ampliar y mantener su posicin en los respectivos campos de accin.

1.2 CONTROL AUTOMTICOSe entiende por control automtico, el mantener estable una variable de proceso mediante un dispositivo, por lo general electrnico, cuyo valor deseado (Set Point) est almacenado en la memoria de ste y al recibir la seal de la variable controlada realiza los clculos y estima la accin sobre la variable manipulada, corrigiendo y estabilizando el sistema de control. Este dispositivo electrnico es conocido como controlador de lazo simple o multilazo, basado en C (Microcontrolador); PLC (Controlador Lgico Programable) y PC (Computadora Personal). Para mostrar de una manera ms fcil un sistema de control (figura 1) se tomar como ejemplo un proceso tpico de intercambio de calor.ENTRA DA D E A G U A F R IA

VALVULA DE V APO R

S A L ID A D E A G U A C A L IE N T E

E N TRA DA DE V APO R

BU LB O

TE RM O M E TR O IN D IC A D O R

Figura 1 Intercambiador de Calor a ser controlado

OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALESSi el Intercambiador de Calor (proceso), fuese manejado solamente por un hombre; sera como se detalla en la figura 2.ENT RADA DE AG FRIA UA

sensor

procesoaccin correctora

SALIDA DE AG CALIENT UA E

ENT RADA DE VAPO R

controlador

com para com puta

Lazo de Control

Figura 2. - Representacin del control del intercambiador por una persona

Analicemos el Sistema de Control Manual de la figura 2, donde el operador mide la temperatura de salida, compara el valor deseado, calcula cuanto ms abrir la vlvula de vapor, y hace las correcciones correspondientes; as las funciones bsicas del control manual realizado por un ser humano son: Medir Comparar Calcular Corregir

Luego los fundamentos de un Sistema De Control Automtico deben de provenir de las funciones bsicas del control manual realizadas por un ser humano.

1.3 ELEMENTOS DEL SISTEMA DE CONTROL AUTOMTICOUn sistema de control automtico se divide en cuatro grupos de instrumentos los cuales se presentan en la figura 3: Mediciones Primarias. Transmisin de Seales. Controladores Automticos. Elementos de Control Final.

OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALESFigura 3. Elementos de un sistema de control

1.3.1.

MEDICIONES PRIMARIAS. (ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIN)

Los elementos primarios de medicin de variables del proceso, son sensores algunos usados para lectura e indicacin y otros para transformar la variable medida en una seal elctrica, los ms usados en la industria son los de nivel, de presin, de temperatura, de flujo, de proximidad entre otros. Tambin son conocidos con el nombre de detectores.

1.3.2.

TRANSMISIN DE SEALES. (TRANSMISORES)

Los Transmisores captan la variable del proceso a travs del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de seal neumtica de margen de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrnica de 4 a 20 mA de corriente continua. En muchos casos los transmisores tienen incorporados el elemento primario de medicin Esta seal va hacia la entrada del controlador para ser comparada con el valor de referencia o set point determinando el error y la accin de control.

1.3.3.

CONTROLADORES AUTOMTICOS (CONTROLADORES)Los Controladores son instrumentos que comparan la variable controlada (presin, nivel, temperatura, flujo) con un valor deseado o set point, programado por un operador; emitiendo una seal de correccin hacia el actuador, de acuerdo con la desviacin. Los controladores pueden ser del tipo: neumtico, electrnico, analgicos digitales; as como computadoras con tarjetas de adquisicin de datos y PLC (Controladores Lgicos Programables).

1.3.4.

ELEMENTOS DE CONTROL FINAL (ACTUADORES)

Los actuadores son los elementos finales de control, tienen por funcin alterar el valor de la variable manipulada con el fin de corregir o limitar la desviacin del valor controlado, respecto al valor deseado. Los fabricantes actualmente proveen una serie de actuadores como: motores, vlvulas, rels, y switches. A continuacin describiremos los actuadores ms importantes:

1.4 TERMINOLOGIA DE CONTROLDado el Diagrama en bloques de un sistema de control clsico se pueden observar los siguientes trminos

OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALESFigura 4. Diagrama de bloques de un sistema de control realimentado

PUNTO DE CONTROL (Set Point).- Seal que fija el valor de la Variable controlada a unnivel de control deseado.

VARIABLE CONTROLADA.- Variable que es objeto de medicin y control. VARIABLE MANIPULADA.- Variable que afecta el valor de la variable de medida ocontrolada.

AGENTE DE CONTROL.- Seal requerida para operar al elemento de control de lavariable manipulada, necesaria para mantener controlado a su valor deseado. valor definido por el punto de control. es controlada.

MEDIO CONTROLADO.- Es el proceso, energa o material el cual va a ser ajustado a un PROCESO.- Son funciones colectivas realizadas por equipos en las cuales una variablePROCESO CONTINUO.- Cuando no existe flujo de material producido de una seccin del proceso a otra. PROCESO DISCONTINUO.- Cuando el material est sujeto a tratos diferentes, conforme este fluye a travs del proceso.

ERROR.- Diferencia entre el valor actual de la variable controlada y el punto de control.La seal de error cuando es registrada toma el nombre de DESVIACIN (OFFSET).

REALIMENTACIN.- Seal o accin de control que luego de ser medida es comparadacon el SET Point, para producir una seal de error utilizada para reducir este error, estabilizando la accin del sistema control automtico. fabricacin, conversin, procesos de tratamiento.

INSTRUMENTOS PARA PROCESOS. Instrumentos usados para medicin y control de

1.5 DOCUMENTACIN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL. (IDENTIFICACIN Y SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTOS)Todos los diagramas de control de procesos estn compuestos de smbolos, identificaciones y lneas, para la representacin grfica de ideas, conceptos y aparatos involucrados en el proceso; a su vez, describen las funciones a desempear y las interconexiones entre ellos. Estos smbolos e identificaciones son usados para ayudar a atender el proceso y proporcionar informacin acerca del mismo. En el rea de medicin y control se usa un conjunto estndar de smbolos para preparar esquemas de los sistemas de control de procesos. Los smbolos usados en estos diagramas estn generalmente basados en los estndares ISA (Sociedad de Instrumentos de Amrica) y ANSI (Instituto de Estndares Americano) El simbolismo e identificacin pueden representar dispositivos de mquinas y funciones, el grado de detalle de las representaciones depende del uso de los smbolos, pueden ser extremadamente simples o complejos. El smbolo y la identificacin son herramientas grficas utilizadas para lograr captar una imagen grfica, usadas frecuentemente como un medio electrnico para clasificar documentos y mostrar la forma de instrumentar y controlar un proceso. Al realizar una representacin documentada se debe presentar conceptos generales, dibujos ms detallados, especificaciones narrativas, esquemas y otros necesarios, para

OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALEScumplir con los objetivos de las herramientas de comunicacin estandarizados segn las normas Internacionales de la Instrumental Society of America (ISA). Finalmente el uso de estos smbolos de identificacin debe servir para comunicar conceptos de las formas ms sencilla, clara y exactamente posible.

1.5.1

SIMBOLISMO

El simbolismo es un proceso abstracto en el cual las caractersticas salientes de los dispositivos o funciones son representados de forma simple por figuras geomtricas como crculos, rombos, tringulos y otros para escribir caracteres como letras y nmeros identificando la ubicacin y el tipo de instrumento a ser utilizado. Entre los smbolos ms empleados tenemos:

1. FIGURAS GEOMTRICASLas figuras geomtricas son usadas para representar funciones de medicin y control en el proceso, as como dispositivos y sistemas; para la cual se utilizan:

CRCULOSEl Crculo se usa para indicar la presencia de un instrumento y como elemento descriptor; como smbolo de un instrumento representa, el concepto de un dispositivo o funcin. En la figura 5, se muestra un dispositivo indicador de Presin (PI):

PI 1

Figura 5.- Circulo como instrumento

Como elemento descriptor es usado para proporcionar informacin acerca de otro smbolo. En la figura 6, se muestra una vlvula para el control de Flujo (FV):

FV 2

Figura 6.- Crculo como identificador

OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALESLa diferencia entre ambos usos est en la inclinacin de la lnea saliente del crculo y en el trazo incompleto para el caso del descriptor. El elemento descriptor suele llevar adems un cdigo proporcionando informacin adicional sobre el tipo de instrumento y el tipo de variable medida. La localizacin del instrumento en la planta se indica dibujando: a. Ninguna lnea para instrumentos montados en planta (o campo)

P I 1

Figura 7.- Instrumento en el campo

b. Una lnea slida dividiendo el crculo para instrumentos montados en paneles de salas de control (de fcil acceso para el operador).

P I 1

Figura 8 - Instrumento montado en panel

c. Una lnea entrecortada dividiendo el crculo para instrumentos montados detrs de paneles o gabinetes (de fcil acceso para el operador).

FY 3Figura 9.- Instrumento montado detrs del panel

d. Una lnea slida doble dividiendo el crculo para instrumentos montados en paneles auxiliares o secundarios.

P I 1

OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALESFigura 10.- Instrumento montado en panel auxiliar

e. Lneas entrecortadas dobles dividiendo el crculo para instrumentos montados detrs de paneles secundarios.FY 4

Figura 11.- Instrumento montado detrs de panel auxiliar

En el caso de tener demasiados paneles, dificultando la interpretacin de panel principal o panel secundario se puede usar combinaciones de letras distinguiendo los paneles unos de otros: P1, P2,.(paneles); RI, (soportes). Sin embargo, sea cual sea el sistema de descripcin usado, se debe indicar en la leyenda del diagrama.P1 P2 P3

T IC 1

W IC 1

S IC 1

Figura 12.- Designadores de Posicin

CUADRADOS PEQUEOSUno de los primeros usos de los cuadrados pequeos es la representacin de actuadores del tipo solenoide, en este uso se prefiere dibujar el cuadrado con una letra S inscrita en l.s

Figura 13.- Representacin de un actuador de solenoide

Los cuadrados pequeos son tambin usados para representar actuadores de pistn dibujando para esto una pequea T representando el pistn y lneas simples y dobles para pistones de simple y doble accin respectivamente.

OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALESFigura 14 - Representacin de un actuador de pistn

Figura 15.- Representacin de un actuador de pistn de doble accin

Otros actuadores, se pueden representar inscribiendo un cuadrado con la combinacin E/H para indicar actuadores electro hidrulicos o con una X para representar actuadores no clasificados.E H

Figura 16.- Representacin de un actuador electrohidralico

X

Figura 17.- Representacin de un actuador no convencional

El cuadrado pequeo puede representar dibujndose al lado del cuerpo de la vlvula.

tambin

un

posicionador

Figura 18 - Representacin de un posicionador para vlvula

Uno de los ms recientes usos para los cuadrados es la representacin de bloques de funciones o como indicador de funcin.FY 5

Figura 19.- Indicador de funcin

OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES CUADRADOS GRANDESCon la llegada del control compartido y visualizadores o pantallas mostrando datos de diversos lazos, se requera poder distinguir instrumentos independientes y aquellos cuyos componentes se encuentran repartidos en diversos gabinetes no pudiendo reconocrseles como localizados en un slo lugar. La solucin se encontr usando un cuadrado alrededor del smbolo del instrumento. Esto indica la funcin cumplida por varios elementos no localizados en un slo gabinete.P IC 2

Figura 20.- Simbolismo de control compartidoP IC 2

Figura 21.- Simbolismo de funcin compartida

1.5.2 SIMBOLISMO DE SEALESLas lneas de unin para envo de seales o conexiones de los sistemas de control tambin deben ser presentadas ms finas en relacin a tuberas de proceso, tal como se muestra en el cuadro 1.

Fuente: Instrumental Society of America (ISA)

Cuadro 1.- Lneas de Seales

OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES 1.5.3. SIMBOLISMO DE FUNCIONESEl simbolismo utilizado para determinar las funciones de cada instrumento se presentan a continuacin en el cuadro 2.N1 2 3 4 5 6 7 8

FUNCINSUMATORIA PROMEDIO DIFERENCIA PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVADA MULTIPLICACIN DIVISIN EXTRACCIN DE RAZ

SMBOLO

N11

FUNCINFUNCIN NO LINEAL FUNCIN TIEMPO MAYOR MENOR LIMITE ALTO LIMITE BAJO PROPORCIONAL REVERSIBLE LIMITE DE VELOCIDAD CONVERSIN

SIMBOLO

f( x )f( t)

nK 1 :1 2 :1

12 13 14 15

>

d /d tX

16 17 18

- k

9

n

19

*/

10

EXPONENCIAL

X

n

20

SEAL DEL MONITOR**L

Fuente: Instrumental Society of America (ISA)

Cuadro 2.- Bloque de Funciones

**H

1.5.4.

SIMBOLISMO DE INSTRUMENTOS

La representacin de los instrumentos como sensores y controladores se muestran en el cuadro 3.LOCALIZACIN PRIMARIA NORMALMENTE ACCESIBLE PARA EL PROGRAMADOR INSTRUMENTOS DISCRETOS MONTADO EN CAMPO LOCALIZACIN AUIXILIAR NORMALMENTE ACCESIBLE PARA EL OPERADOR

CONTROL MECANICO

FUNCION DE COMPUTADOR

CONTROL LGICO PROGRAMABLE

Fuente: Instrumental Society of America (ISA)

Cuadro.3.- Representacin de los Instrumentos

>

> >***H

L

OPERACIN Y SINTONA DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES 1.5.5 IDENTIFICACIN DE ELEMENTOSLa identificacin de los smbolos y elementos debe ser alfa numrica, los nmeros representan la ubicacin y establecen el lazo de identidad, y la codificacin alfabtica identifica al instrumento y a las acciones a realizar, ver figura 22.P r im e r a L e t r a ( A - Z )In s tr u m e n t o d e M e d id a

L e t r a s S u c e s iv a s ( A - Z )

F u n c i o n e s p a s iv a s d e s a l i d a y l a s p o s ib l e s m o d i f i c a c io n e s

# # #U b ic a c i n o p o s ic i n d e l E le m e n to (0 - 9 )

Figura 22.- Representacin alfa-numrica

1. LETRAS DE IDENTIFICACIN PARA INSTRUMENTOSCada instrumento se identifica mediante un sistema de letras, clasificadas en cuanto a la funcin, (cuadro 4).

LETRA

PRIMERA LETRAVARIABLE MEDIDA MODIFICADO Anlisis (composicin) Combustin Conductividad, Concentracin Densidad, Peso Especifico Voltaje Flujo Mano (accin manual) Corriente Elctrica Tiempo Nivel Humedad Libre a eleccin Presin Cantidad Radiacin Velocidad, Frecuencia Temperatura Multivariable Integrado, Totalizado Seguridad Razn del cambio de

LETRA SUCESIVAFUNCIONES PASIVAS FUNCIONES DE LECTURAS DE SALIDA SALIDA Alarma, incluye Interloook y Emergencia Regulacin (ON OFF) Control MODIFICADAS

4A B C D E F G H I K L M N O P Q R S T U W

Diferencial Sensor Fraccin Dispositivo de visin Alarma de alta Indicacin (indicador) Luz Libre a eleccin Oroficio, restriccin Punto de prueba conexin Registro Interruptor Transmisor Multifuncin Pozo Valvula Libre a eleccin Libre a eleccin Rle, Computadora Actuador, Manejador Libre a eleccin Multifuncin Multifuncin Alarma de baja Intermedio Medio

Peso (fuerza) Vibracin o Anlisis V Mecnico X Libre a eleccin Eje X Evento, Estado, Y Eje Y Presencia Posicin, Z Eje Z Dimensionamiento Fuente: Instrumental Society of America (ISA)

Cuadro 4 Letras para identificacin de instrumentos

2. COMBINACIONES POSIBLES DE LETRAS PARA IDENTIFICACIN DE INSTRUMENTOSPrimera LetraA B C D E F FQ FF G H I J K K M N O P PD Q R S T

Variables MedidasAnlisis Combustin Conductividad Densidad Voltaje Flujo Cantidad de flujo Flujo Promedio Corriente Elctrica Tiempo Nivel ARC BRC

ControladoresAIC BIC AC BC

Dispositivos de salidaRegistros AR BR Indicadores AI BI

Interruptores y Dispositivos de Transmisin de Alarmas Solenoides, ElementosRegistros ASH BSH ASL BSL ASHL BSHL ART BRT Indicadores AIT BIT AT BT Reles AY BY primarios AE BE

Punto de muestreo AP

ERC FRC FQRC FFRC

EIC FIC FFIC FFIC HIC IIC JIC KIC LIC

EC FC FFC HC

FCV

ER FR FQR FFR

EI FI FQI FFI

ESH FSH FQSH FFSH

ESL FSL FQSL FFSL

ESHL FSHL

ERT FRT

EIT FIT FQIT

ET FT FQT

EY FY FQY

EE FE FQE

FP

IRC JRC KRC LRC

KC LC

KCV LCV

IR JR KR LR

II JI KI LI

ISH JSH KSH LSH

ISL JSL KSL LSL

HS ISHL JSHL KSHL LSHL

IRT JRT KRT LRT

IIT JIT KIT LIT

IT JT KT LT

IY JY KY LY

IE JE KE LE

Humedad

Presin PRC PIC Presin Diferencial PDRC PDIC Cantidad QRC QIC Radiacin RRC RIC Velocidad SRC SIC Frecuencia TDRC TDIC Temperatura TD diferencial U Multivariable Vibracin Anlisis V Mecnico W Peso WRC WIC WD Peso Diferencial WDRC WDIC Evento, Estado Y YIC Presencia Posicin Z ZRC ZCI Dimensionamiento ZD Posicin ZDRC ZDIC Fuente: Instrumental Society of america (ISA)

PC PDC RC SC TDC

PCV PDCV

SCV TDCV

PR PDR QR RR SR TR TDR

PI PDI QI RI SI TI TDI

PSH PDSH QSH RSH SSH TSH TDSH

PSL PDSL QSL RSL SSL TSL TDSL

PSHL QSHL RSHL SSHL TSHL

PRT PDRT QRT RRT SRT TRT TDRT

PIT PDIT QIT RIT SIT TIT TDIT

PT PDT QT RT ST TT TDT

PY PDY QY RY SY TY TDY

PE PDE QE RE SE TE TDE

PP PDP QP TP TDP

VR WC WDC YC ZC ZDC ZCV ZDCV WCV WDCV WR WDR YR ZR ZDR

VI WI WDI YI ZI ZDI

VSH WSH WDSH YSH ZSH ZDSH

VSL WSL WDSL YSL ZSL ZDSL

VSHL WSHL YSHL ZSHL

VRT WRT WDRT YRT ZRT ZDRT

VIT WIT WDIT YIT ZIT ZDIT

VT WT WDT YT ZT ZDT

VY WY WDY YY ZY ZDY

VE WE WDE YE ZE ZDE

Cuadro 5 Combinaciones de letras para identificar instrumentos

1.5.6 DIAGRAMA DE FLUJOLos diagramas de flujo detallan las acciones multidisciplinarias mostradas durante las operaciones unitarias, del proceso y de ingeniera.

1. DIAGRAMA DE PROCESOS O EQUIPOSA continuacin se muestra los principales equipos y la forma de representarse:

C ic l n C o lu m n a d e d e s t ila c i n

C o lu m n a e m p a c a d a p a r a d e s t il a c i n

S e c a d o r, A d s o rv e d o r

Secador d is c o n t in u o

Secador de fa ja

Secador de ta m b o r

Secador r o ta t o r io

Secador R o ta t o r io

E v a p o ra d o r C ir c u l a c i n , f u e r z a e x t r a c t o r c e n t r if u g o ( liq u i d o /li q u id o )

E v a p o ra d o r C o n v e c c i n n a tu ra l

Figura 23.a.- Representacin de equipos

E v a p o ra d o r E f e c t o m u l t ip l e

V ib r a d o r , p r o t e g id o

H id r o p r o te c t o r

F iltr o r o t a to r io

P r e c ip ita d o r

filt r o d e b o la s

M o lin o d e b o la s

M o l in o d e r o d i l l o s

Lavador

F iltr o p r e n s a

M o lin o d e d is c o s M o lin o

Tanque

g ira to rio

Figura 23.b.- Representacin de equipos

2. DIAGRAMA DE TUBERAS E INSTRUMENTACIN

PD C 401

T IC 301

TT 301

TT 301

P r o d u c toTV 301

VaporI/P FY 101 TV 301

14"

L LT 201 H LT 201

P ro d u c to

I/P LAH 201 FT 101 PD I 401 PY 401

F IC 101

Leyenda: FT : Transmisor de Flujo FIC : Controlador Indicador de flujo FY : Rel de Flujo LAH: Nivel con Alarma de Alta LT : Transmisor de Nivel I/P : Corriente/Neumtico PY : Rel de presin PDI: Indicador Presin Diferencial PDC: Controlador Presin Diferencial TT : Transmisor de Temperatura TV : Vlvula de Temperatura TIC: Controlador Indicador de Temperatura Seal Capilar Seal elctrica Seal Neumtica

Figura 24.- Diagrama de tuberas e instrumentacin de un Proceso de Destilacin

MEDICIN DE VARIABLES DE PROCESOEn este captulo se analizar la mayora de instrumentos utilizados en la medicin de diversas variables de operacin, identificando su rango de aplicacin, ventajas y desventajas, facilitando de esta manera la seleccin de cualquier elemento primario de control.

2.1 MEDICIN DE PRESINLa presin es la fuerza ejercida por un medio, sobre una unidad de rea, generalmente expresado en Pascal (Pa) [N/m2]. Usualmente estos instrumentos registran una diferencia de presiones tomando como referencia a la atmosfrica, y se le denomina "presin manomtrica".

Presin Manomtrica ( Pman )

Presin Absoluta (Pabs)

Pabs = Patm + Pman

Presin Atmosfrica (Patm) Presin Vacuomtrica (Vaco) P Presin Absoluta (Pabs) ( P ) = (Pb) + ( Pv )

Figura 25.- Relacin de Presiones

Frecuentemente la presin es igualada a la unidad de fuerza ejercida por una columna de fluido, tales como el mercurio y el agua. Esto es idntico a la unidad de fuerza ofrecida en una columna de mercurio de 760 mm de altura sobre su base, por lo tanto es comn referirse a la "presin atmosfrica estndar" como 760 mmHg. Las unidades de presin mas utilizadas son: El Pascal (Pa) El Bar El Psi Bar = 10N/cm2 = 105Pa = 14,7psi

Una presin manomtrica negativa es llamada "vaco". En adicin a las unidades de presin conocidas tenemos el micrn [ ] (1 =10-6mmHg = 9.871 Pa).

2.1.1

CLASIFICACIN DE LOS MEDIDORES DE PRESIN1. SEGN LA NATURALEZA DE LA MEDIDA: De presin atmosfrica De presin relativa De presin diferencial De presin al vaco (Barmetros) (Manmetros) (Manmetros diferenciales) (Vacumetros)

2. SEGN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO: Gravitacionales Elsticos Transductores (columna lquida) (deformacin de materiales) (conversin a seal elctrica)

2.1.2.

MEDIDORES DE PRESION MAS USADOS1. MANMETRO DE TUBO EN "U" Las presiones aplicadas a ambos brazos del tubo en "U" y el fluido del manmetro es desplazado hasta obtener la fuerza de equilibrio hidrosttico. La ecuacin representa esta expresin es obtenida a partir de la frmula siguiente considerando la densidad del lquido y la diferencia de altura de nivel manomtrica. donde: P : :

h

Presin medida : Altura diferencial de nivel Densidad del lquido

P= hx

2. MANMETRO DE TUBO "BOURDN" Es un elemento elstico que operan bajo el principio de la deflexin o deformacin, balanceando la presin con las fuerzas elsticas Consta de un tubo de seccin elptica enrollado como un arco circular de cierto radio, usualmente menor de 360. Al aplicarse la presin al tubo, este tiende a desenrollarse y el movimiento es transmitido a una aguja indicadora por algn sistema de cremallera pin.

a b Figura 26 .- Manmetros de Tubo Bourdon (a) (Cortesa de Automation) (b) (Cortesa del Colegio Heidelberg de Espaa)

3 TRANSDUCTORES DE PRESINEl transductor es un dispositivo para transformar una variacin fsica en una seal elctrica, en forma proporcional, a fin de procesar y transmitir a distancia para propsitos de registro control. Por ejemplo los Transductores de presin transforman las deformaciones fsicas en seal elctrica, y son apropiadas a cualquier rango. Para las lecturas se pueden interconectar con indicadores simples o registradores especiales. Segn su principio se pueden tener transductores de: Resistencia, Potencimetros, Capacidad, Piezo-elctricos, De bandas, Induccin, etc A. TRANSDUCTORES MAGNTICOS Existen dos grupos segn el funcionamiento: Transductores de inductancia variable y transductores de reluctancia variable.

Figura 27 .- Transductores de presin magnticos (Cortesa de Control Inteligente)

1 TRANSDUCTORES DE INDUCTANCIA VARIABLE Consiste en el desplazamiento de un ncleo mvil dentro de una bobina al aumentar la inductancia en forma casi proporcional al ncleo contenido dentro de la bobina. Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medicin, tienen una respuesta lineal, son pequeos y de construccin robusta y no precisan ajustes crticos en el montaje. Su precisin es del orden de +/- 1%. El grfico siguiente muestra el funcionamiento del transductor.

P

Ncleo Magntico Mvil

Figura 28.- Transductor de Inductancia Variable

2

TRANSDUCTORES DE RELUCTANCIA VARIABLE Consisten en un imn permanente o un electroimn el cual crea un campo magntico dentro del cual se mueve una armadura de material magntico. El movimiento de la armadura es pequeo sin contacto alguno de las partes fijas, por lo cual no existe rozamiento eliminndose la histresis mecnica tpico de otros instrumentos. Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisin es del orden de 5%.

P

Ncleo Magntico Mvil Figura 29.- Transductor de Reluctancia Variable

B. TRANSDUCTORES CAPACITIVOS Se basan en la variacin de capacidad producida en un condensador al desplazarse una de las placas por la aplicacin de presin como indica la figura 3.12. La placa mvil tiene forma de diafragma y se encuentra dividida entre dos placas fijas, de este modo se tiene dos condensadores, uno de capacidad fija o referencia y otro de capacidad variable, pudiendo compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados por corriente alterna. Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeo tamao y su construccin robusta, tienen un pequeo desplazamiento volumtrico y son adecuados para medidas estticas y dinmicas. Su seal de salida es dbil necesitando de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medicin.

P re s i nS eal de s a li d a

O s c ila d o r d e a lt a f r e c u e n c ia

Figura 30- Transductor Capacitivo

C. GALGAS EXTENSOMTRICAS (Strein Gages) Son elementos a base de semiconductores que por la accin de una presin varan su longitud y dimetro (resistencia) Existen dos tipos de galgas extensomtricas: los cementados estn formados por varios lazos de hilo muy fino pegados a una hoja base de cermica, papel o plstico, y los sin cementar, donde los hilos de resistencia descansan entre un armazn y otro mvil bajo una ligera tensin inicial.

H ilo d e c o n e x i n

H ilo a c tiv o

B a s e fle x ib le

H ilo s a c t iv o s A rm a z nF u e rz a

F u e rz a

F u e rz a

(a) Cementada

(b) sin cementar

Figura 31.- Galgas Extensomtricas

D. TRANSDUCTORES PIEZOELCTRICOS Son materiales cristalinos deformndose fsicamente por la accin de una presin, generando una seal elctrica, los materiales tpicos en los transductores piezoelctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de soportar temperaturas del orden de 150C en servicio continuo y de 230C en servicio intermitente. Son elementos ligeros, de pequeo tamao y de construccin robusta. Su seal de respuesta a una variacin de presin es lineal y son adecuados para medidas dinmicas, al ser capaces de dar respuestas frecuenciales de hasta un milln de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios de temperatura y precisan ajustes de impedancia en caso de fuerte choque. Asimismo su seal de salida es relativamente dbil necesitando de amplificadores y acondicionadores de seal pudiendo introducir errores en la medicin.Presin

Am plificador

Figura 32.- Transductor Piezoelctrico

Figura 33.- Transductor Piezoelctrico Diferencial (Cortesa de Dresser Instruments )

2.2. MEDICIN DE TEMPERATURALa Medida de la temperatura constituye una de las mediciones ms comunes e importantes efectuadas en los procesos industriales, establecindose sus limitaciones segn el tipo de aplicacin, la precisin, velocidad de captacin, distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesario. Las escalas de temperatura se dividen en absolutas y relativas; a su vez las unidades mas utilizadas son: Relativos: Grado Celsius Grado Fahrenheit Absolutos: Grado Kelvin Grado Rankine Se utiliza una gran variedad de transductores para medir temperatura, algunos de ellos la convierten directamente en una seal elctrica, y otros emplean la combinacin con un transductor. Los medidores de temperatura ms comunes son: Termmetros de vidrio Termocuplas Termorresistencia (RTD) Termistores. Sensores de semiconductor. Pirmetros de radiacin.

2.2.1.

MEDIDORES DE TEMPERATURA1. TERMMETROS DE VIDRIO Este instrumento posee un depsito de vidrio el cual contiene un lujo cuyo cuerpo se dilata por accin de calor expandindose a travs del tubo capilar graduado para medir la temperatura en las unidades sealadas por el termmetro. Los mrgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

Mercurio Pentano Alcohol Tolueno

-

35 hasta + 280C 200 hasta + 20C 110 hasta + 50C 70 hasta + 100C

Figura 34.- Termmetro de Vidrio (Cortesa de Anvi)

2. TERMOCUPLASLas termocuplas, tambin llamados comnmente Termopares, se utilizan extensamente, ofreciendo un rango de temperaturas ms amplio y una construccin robusta. Adems, no precisan alimentacin de ningn tipo y su reducido precio los convierte en una opcin muy atractiva para grandes sistemas de adquisicin de datos. Sin embargo, para superar algunos de los inconvenientes inherentes a los termopares y obtener resultados de calidad, es importante entender la naturaleza de estos dispositivos. A. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El comportamiento de un termopar se basa en la teora del gradiente, segn la cual los propios hilos constituyen el sensor. Cuando se calienta uno de los extremos de un hilo, le produce una tensin en funcin del gradiente de temperatura desde uno de los extremos del hilo al otro, y el coeficiente de Seebeck, una constante de proporcionalidad, vara de un metal a otro. El sensor es un circuito formado por dos cables distintos, unidos en ambos extremos, desarrollando un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas en las dos uniones a las cuales se les conoce como juntura de medicin y juntura de referencia. Esto se puede observar en la figura siguiente.M etal A

Juntura de Referencia

Flujo de corriente

Juntura de Medicin

Metal BLlam a

Fig 35 Representacin delas uniones o juntura de una Termocupla

Figura 36.- Tipos de Termopares y accesorios (Cortesa de Omega)

B CLASIFICACIN La clasificacin de las termocuplas ha sido establecida por la ANSI, tomando en cuenta la respuesta de voltaje versus temperatura, el desempeo en el medio ambiente y la vida til. Cuadro 3.1 Tipo de TermocuplasTipos de Termocupla B C E J K N R S T Nombre de los Materiales Platino 30% Rodio (+) Platino 6% Rodio (-) Tungsteno 5% Renio (+) Tungsteno 26% Renio (-) Cromel (Cr -Ni) (+) Constantn (Cu - Ni) (-) Acero (+) Constantn (-) Cromel (+) Alumel (-) Nicrosil (+) Nisil (-) Platino 13% Rodio (+) Platino (-) Platino 10% Rodio (+) Platino (-) Cobre (+) Constantn (-) Usos Aplicaciones Rango (F) 100 - 3270 3000 - 4200 32 - 1800 -300 1600 -300 2300 1200 - 2300 32 - 2900 32 - 2800 -300 750 mV NOTAS Contaminado fcilmente Requiere proteccin No resiste la oxidacin El de mayor voltaje / C Atmsfera reductora. Hierro se oxida a altas temperaturas Atmsferas Oxidantes Uso general. Mejor resistencia a oxidacin. Atmsfera Oxidante Contaminado fcilmente Contaminado fcilmente Atmsfera Oxidante Estable a temp. Criognicas Atm. Oxidantes y reductoras

0.007 - 13.499 0 75.12 -7.52 50.05 -5.51 51.05 0 18.636 0 15.979 -5.28 20.80

Fuente: Instrumentacin para Ingenieros de Proceso

100 90 80

mv)

70 60

E J

termopar (

50

nstan

tant a

40 30 20 10 0 10 0

Salida

Tungste

no 5%re

el alum melCro renio no 26% o-tungste ni

tan

n

del

Hier o -c

el-co

K

on s

P la 1 P la 1

tin o 3 % tin o 0%

-p la tin o r o d io -p la tin o r o d io

C ro m

tin Platino 6% rodio-pla

o 30% rodio1000 2000 3000

T e m p e r a tu r a (C )Figura 37.- Caractersticas de salida de termopares

3. TERMORESISTENCIAS (RTD)El cambio en la resistencia de un metal hace posible medir la temperatura a travs del paso de corriente elctrica. La construccin clsica de un RTD consiste en una bobina de alambre delgado de cobre, nquel o platino fijado a un bastidor de soporte. Tambin se fabrican depositando una pelcula delgada de platino sobre un substrato de cermica. Estos RTDs, requieren menos platino y son ms baratos. Los RTDs se caracterizan por tener una excelente linealidad en el rango de operacin. Para trabajos a baja temperatura se emplean resistencias de carbn. Cuando se necesita bajo costo se emplean cobre y nquel, pero con la desventaja de una linealidad reducida. Los rangos de los RTDs varan entre 10 ohms para los modelos de jaula y varios miles de ohms para los RTDs de pelcula metlica. Para detectar cambios de resistencia presentes en los RTDs se emplean puentes de Wheatstone. La aplicacin de este sensor, se realiza en cualquier actividad industrial y los rangos de temperaturas; segn el material utilizado son:

Platino Cobre Nquel

: -200 a 650 C : -100 a 260 C : -100 a 205 C

Pelcula de platino : -50 a 550 C

Fig. 38 Termorresistencia PT100 Cortesa de Endress + Hausser

A. VENTAJAS Comportamiento lineal en amplio rango de operacin. Amplio rango de temperatura, aplicacin para altas temperaturas. Fcil de intercambiar (estndar). Mejor estabilidad a altas temperatura. Alta relacin seal a ruido: mejora la exactitud y permite distancias mayores entre el sensor y el equipo de medicin.

B. DESVENTAJAS - La magnitud de la fuente de corriente debe ser menor a 5mA para no causar un aumento de temperatura (1C ) en el RTD. - Baja sensibilidad. - Alto costo. - No sensa la temperatura en un punto. - Afectado por choques y vibraciones.

4. TERMISTORESLos Termistores son semiconductores electrnicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado y presentando una curva caracterstica lineal cuando la temperatura es constante. Para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente. Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen caractersticas no lineales. Son de pequeo tamao y su tiempo de respuesta depende de laFigura 39.- Montaje de Termistores Comerciales(Cortesa de gmelectronica)

capacidad trmica y de la masa del termistor variando de fracciones de segundo a minutos.

Los termistores encuentran su principal aplicacin en la compensacin de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacumetros. Los termistores, son detectores resistivos fabricados normalmente de semiconductores cermicos, ofrecen una impedancia mas alta con respecto a los RTD, la reduccin de los errores provocados por los hilos conductores hacen bastante factible el uso de la tcnica de dos hilos. Su alto rendimiento (un gran cambio de resistencia con un pequeo cambio de temperatura) permite obtener medidas de alta resolucin y reduce an ms el impacto de la resistencia de los hilos conductores. Por otra parte, la bajsima masa trmica del termistor minimiza la carga trmica en el dispositivo sometido a prueba. Como inconveniente del termistor es su falta de linealidad. Exigiendo un algoritmo de linealizacin para obtener mayores resultados.

5. TRANSDUCTORES DE SEMICONDUCTORES

TEMPERATURA

BASADOS

EN

Existen muchos dispositivos basados en la sensibilidad trmica de los semiconductores para funcionar como transductores. Los tres tipos ms comunes son: las resistencias semiconductoras volumtricas, los diodos y los circuitos integrados.

A. RESISTENCIAS SEMICONDUCTORAS VOLUMTRICAS Son los dispositivos semiconductores ms sencillos. Varan su resistencia con un coeficiente positivo de temperatura de 0,7% por C. Trabajan en un rango de temperaturas desde los -65C hasta los 200C siendo razonablemente lineales (0.5%). Tienen el aspecto de resistencias de W y su resistencia nominal va desde 10 hasta 10k con tolerancias de 1% a 20%. Son dispositivos de bajo costo. Su principal desventaja, se debe a los efectos del propio calentamiento. B. DIODOS SEMICONDUCTORES Su principio de funcionamiento se basa en la proporcionalidad del voltaje de juntura el diodo a la temperatura del mismo, para los diodos de Slice el factor de proporcionalidad es de -2.2mV/C . Los rojos de temperaturas de este sensor es de -40C hasta 15C. Son muy utilizados por su bajo costo, lineales, bastante lineales y de respuesta rpida.

Desventaja: dos diodos del mismo tipo pueden tener diferentes valores iniciales de voltaje de juntura, por lo tanto se deben incluir circuitos de calibracin. C. CIRCUITOS INTEGRADOS Este tipo de transductor es altamente lineal y el porcentaje de error es menor al 0.05% en cierto rango de temperatura. Como trabaja con corrientes el ruido no lo afecta, y como estas son pequeas el calentamiento propio es despreciable. Adems puede ser utilizado como un sensor remoto de temperatura pues las cadas en la lnea sern muy pequeas.

6. PIRMETROS DE RADIACINLos pirmetros de radiacin se basan en la ley de Stefan-Boltzman (K), donde la intensidad de energa radiante(w) emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta(T) del mismo, es decir, W=KT4. Desde el punto de vista de medicin de temperaturas industriales, las longitudes de onda trmicas abarcan desde 0,1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiacin visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda 0,45 micras para el valor violeta hasta 0,70 micras para el rojo. Los pirmetros de radiacin total miden la temperatura captando toda o parte de la energa emitida por un cuerpo. Los pirmetros pticos miden la temperatura de un cuerpo en funcin de la radiacin luminosa emitida. A. PIRMETROS PTICOS Los pirmetros pticos manuales se basan en la desaparicin del filamento de una lmpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos de corriente variable constante en la lmpara, con variacin del brillo de la imagen de la fuente; ver figura 40

F i lt r o

L a m p a ra d e c o m p a ra c io n

P e rs ia n a

P e r s ia n a

L e n te

T e m p e ra tu ra d e m a s ia d o b a ja

T e m p e ra tu ra c o rre c ta V e n ta n ill a de e n fo q u e

L e n te

V e n t a n illa de e n fo q u e

L a m p a ra d e e n fo q u e

T e m p e ra tu ra d e m a s ia d o a lta

Figura 40 .- Pirmetros pticos a).Corriente Variable b). Variacin de brillo de la fuente

Los pirmetros pticos automticos consisten en un disco rotativo para modular la radiacin del objeto y la de una lmpara estndar incidiendo en un fototubo multiplicador. Este enva una seal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua convenientemente acondicionada para modificar la corriente de alimentacin de la lmpara estndar hasta coincidir con el brillo de la radiacin del objeto y de la lmpara. En algunos modelos, el acondicionamiento de seal se realiza con un microprocesador permitiendo alcanzar una precisin de 0,5% en la lectura. El pirmetro dirigido sobre una superficie incandescente no proporciona una temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra.S u p e r f ic ie d e l o b je t o q u e s e e s ta e x a m in a n d o F ila m e n t o d e l p ir o m e t r o

Figura 41.- Principio del Pirmetro ptico de desaparicin de filamento

B. PIRMETROS DE RADIACIN TOTAL El pirmetro de radiacin total, figura 42 est formado por una lente de pyrex, slice o fluoruro de calcio concentrando la radiacin del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeas dimensiones y montados en serie. La radiacin est enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa los hace muy sensible a pequeas vibraciones de la energa radiante, y,O b je t o L e n te T e rm o p ila

TR

adems muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiacin est ennegrecida, para aumentar sus propiedades de absorcin y proporcionar la fuerza electromotriz mxima (f.e.m.).Figura 42.- Pirmetro de Radiacin total

La f.e.m. proporcionada por la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unin caliente (radiacin procedente del objeto enfocado) y la unin fra. Esta ltima coincide con la de la caja del pirmetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensacin de sta se lleva a cabo mediante una resistencia de nquel conectada en paralelo con los bornes de conexin del pirmetro y colocado en su interior para igualar la temperatura de este cuerpo. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la bobina de nquel, compensado la prdida de la f.e.m. de la termopila para calentar el cuerpo del instrumento. En los bornes de la termopila va conectado un cable de cobre llegando hasta el instrumento. La compensacin descrita se utiliza para temperaturas ambientes mximas de 120C. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeracin por aire o por agua, disminuyendo la temperatura de la caja en unos 10 a 40C por debajo de la temperatura ambiente.

En la medicin de bajas temperaturas, la compensacin se efecta utilizando adems una resistencia termosttica adicional manteniendo constante la temperatura de la caja en unos 50C, valor mayor a la temperatura ambiente y lo suficientemente baja como para no reducir apreciablemente la diferencia de temperatura til. La relacin entre la f.e.m. generada y la temperatura del cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente si siempre la imagen de la superficie del cuerpo emisor de la radiacin cubre totalmente la unin caliente de la termopila. El fabricante normaliza la relacin entre las dimensiones del objeto y su distancia al lente, para garantizar buenas condiciones de lectura. Las lentes de pyrex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 a 1750C, la lente de slice fundida en el intervalo de 450 a 1250C y la lente de fluoruro de calcio, con un ngulo de enfoque ancho para captar la mayor cantidad posible de energa, de 50 a 200C.

2.3 MEDICIN DE NIVELLos medidores de nivel de lquidos pueden trabajar en base a lecturas directas tales como la sonda, cinta y plomada, instrumentos con flotador, nivel de cristal, o en base a medidas indirectas o inductivas como los de membrana y de presin; tambin se pueden utilizar las caractersticas conductivas de los lquidos para realizar mediciones, entonces se tendrn los capacitivos, los conductivos, los resistivos, de radiacin, y otros. El nivel (h) es a menudo usado para inferir volumen (V), a travs del rea superficial (A) del recipiente.

V=hxA

h

area A

Figura 43.- Representacin del Volumen

El nivel (h) puede tambin ser usado para calcular la masa (m), a partir de la definicin de la densidad ( ). m = Vx Cuando se realicen las mediciones se deber tener cuidado con ciertas condiciones de operacin pudiendo afectar a los sensores.

Las unidades de nivel empleados en la industria son las mismas unidades de longitud por ejemplo, el pie, metro, y sus submltiplos dependiendo de la altura. 2.3.1 CLASIFICACIN DE LOS MEDIDORES DE NIVELLos medidores de nivel se pueden clasificar segn: A. La caracterstica de medicin Sensores de medida directa Instrumentos basados en la Presin Hidrosttica Instrumentos basados en el desplazamiento Instrumentos basados en la emisin de rayos Gamma Sensores de ionizacin Qumica Transductores Conductor - Electroltico Transductores Potencial Electroltico B El tipo de material sensado Sensores de nivel para lquidos Sensores de nivel para slidos C El tipo de medicin Sensores de punto fijo Sensores de nivel Continuo

2.3.2

MEDIDORES DE NIVEL MAS USADOS 1. SENSORES DE NIVEL DE LQUIDOSA. SENSORES DE MEDIDA DIRECTA

- El Medidor de Sonda El medidor de sonda consiste en una varilla o regla graduada de longitud conveniente para introducirla en el depsito. La determinacin del nivel se efecta por lectura directa de la longitud mojada por el lquido. Otro sistema parecido es el medidor de cinta graduada y plomada siendo usada cuando la regla graduada tenga un difcil acceso al fondo del tanque. - Medidor de Nivel de Tubo de vidrio El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metlicos y cerrados con prensaestopas unidas al tanque por tres vlvulas, 2 de cierre de seguridad en los extremos para impedir el escape de lquidos en caso de rotura del cristal y una de purga. Se emplea para presiones hasta 7 bares; a presiones mas elevadas el cristal es grueso, de seccin rectangular y esta protegido por una armadura metlica.

cristal normal

Figura 44a.- Indicador de Nivel en Bypass

Figura 44 b.- Nivel de Cristal (Cortesa de Fortunecity)

- Sensores de Flotador Estos instrumentos tienen un flotador para experimentar la fuerza de la gravedad y la fuerza opositora del liquido. Un sistema flotante simple usa un brazo rgido indicando el nivel del lquido a travs de ngulo el cual puede ser medido por un transductor de posicin (potencimetro) Para objetos flotantes verticales presenta un error debido a los cables suspensores y para minimizarlo se utilizan flotadores de mayor rea de la seccin transversal.palanca varilla tubo de torsin

flotador

Figura 45.- Sensor tipo Flotador

Transductores de Nivel de FlotadorFigura 46.- Sensores de Flotador (Cortesa de Phoenix)

Existen tambin los flotadores ferromagnticos encontrndose sobre el lquido contenido en un tubo de vidrio (o cmara de vidrio). En la parte externa de la cmara se tiene una escala graduada tambin magnetizada pero de menor poder de atraccin con respecto al magneto flotante. El indicador de esta escala tiene dos colores, plateado hacia el exterior y rojo hacia el lquido, de tal manera cuando el nivel vara el magneto flotante atraer esta escala dejando el plateado hacia el interior y el rojo al exterior facilitando la lectura en la escala. B. INSTRUMENTOS BASADOS EN LA PRESIN HIDROSTTICA - Medidor Manomtrico El manomtro mide la presin debida a la altura de lquido (h) existente entre el nivel del tanque y el eje del instrumento.

hP

h aparenteP

(a)

(b)

Figura 47.- Medidor Manomtrico (Cortesa de Fortunecity)

Figura 48.- Sensores de Presin Manomtricos

- Medidor de Tipo Burbujeo Emplea un tubo sumergido en el lquido haciendo burbujear aire mediante un rotmetro con un regulador de caudal. La presin del aire en la tubera equivale a la presin hidrosttica ejercida por la columna de lquido, es decir el nivel. El manmetro puede colocarse hasta distancias de 200m.Medicin de nivel

Tubo de cobre 1/4" OD

Alimentacin Nivel Mximo Nivel Minimo Rotmetro con regulador caudalDPI

Al receptor

Extremo biselado

a) Tanque abierto

b) Tanque cerrado

Figura 49.- Medidor de Tipo Burbujeo (Cortesa de Fortunecity)

C. INSTRUMENTOS BASADOS EN EL DESPLAZAMIENTO

Consisten en un flotador parcialmente sumergido en el lquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsin unido rgidamente al tanque. El tubo de torsin se caracteriza fundamentalmente porque el ngulo de rotacin de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir el momento ejercido por el flotador segn el Principio de Arqumedes, sufre un empuje(E) hacia arriba.

E= g . S . H

g : peso especfico del lquido S : seccin del flotador H : altura sumergida del flotador

fuerza hacia arriba desde la masa de liquido desplazadaA

trasductor de posicin angulardL

fuerza hacia abajo(a)

H (b)

paralela a la gravedad

Figura 50.- Instrumentos basados en el Desplazamiento (Cortesa de Fortunecity)

D. SENSORES BASADOS EN CARACTERSTICAS ELCTRICAS - Medidor de Nivel Conductivo o Resistivo Consiste en uno o varios electrodos y un rel elctrico o electrnico el cual vara cuando el lquido moja dichos electrodos. La impedancia mnima es del orden de los 20 MW/cm y la tensin de alimentacin es alterna para evitar la oxidacin debido a la electrlisis; cuando el lquido moja los electrodos se cierra el circuito electrnico y circula una corriente segura del orden de los 2mA, el rel electrnico dispone de un sistema de retardo impidiendo su enclavamiento ante una onda del nivel del lquido o ante cualquier perturbacin momentnea. El instrumento se emplea como una alarma de control de nivel de alta o baja.

A 220v 50HzRel

Rel Elctrico

Medicin de nivel A

Electrodo

220v 50Hz

Electrodo superior

Electrodo inferior

LIQUIDO CONDUCTOR

LIQUIDO

a - lquido conductor

b - lquido poco conductor

Figura 51.- Medidor de Nivel Conductivo (Cortesa de Phoenix)

Figura 52.- Medidor de Nivel Conductivo (Cortesa de Fortunecity)

- El Medidor Capacitivo Mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el lquido y las paredes del tanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel, en fluidos no conductores, se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone del fluido y de las conexiones superiores. En Lquidos conductores el electrodo esta aislado usualmente con tefln interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo.

El circuito electrnico siguiente alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva del conjunto y permite aliviar en parte el recubrimiento del electrodo por el producto.R

C1 C2 R = Resistencia C1 = Capacidad C2 = Capacidad fija fija variable

c -puente de capacidades

Figura 53.- Medidores Capacitivos (Cortesa de Fortunecity y de Phoenix)

E. INSTRUMENTOS BASADOS EN SISTEMAS DE ULTRASONIDO Se basa en la emisin de un impulso ultrasnico a una superficie reflectante y el retorno del eco a un receptor. El retardo en la captacin del eco depende del nivel del tanque. Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 KHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexin el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del lquido. En las figura 104 se ven disposiciones de los detectores utilizndose en

caso de alarmas o de indicacin continua de nivel.Montaje Superior Montaje Lateral

alarma

En aire En lquido Indicacin continua

Figura 54.- Disposiciones de los Detectores (Cortesa de Fortunecity)

En las aplicaciones de alarma los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada amortigundose cuando el lquido los moja. En el caso de indicacin continua, la fuente ultrasnica genera impulsos detectados por el receptor una vez transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda de la superficie del lquido.

Figura 55.- Sensores Ultrasnicos de Presin (Cortesa de Honeywell)

F. SISTEMA BASADO EN LA EMISIN DE RAYOS GAMMA Consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger transformando la radiacin gamma recibida en una seal elctrica de corriente continua. Este sistema se emplea; en tanques de acceso difcil o peligroso.

Fuente

Receptor

100% nivel

0

100 % seal de salida

Fuentes100%

nivel

0

100 % seal de salida

Banda de Fuentes

100% nivel

0

100 % seal de salida

Figura 56.- Medidor de nivel Radioactivo (Cortesa de Fortunecity)

2. SENSORES DE NIVEL DE SLIDOSSe pueden distinguir: los de puntos fijos y los de medida continua. A. DETECTORES DE NIVEL DE PUNTO FIJO Los sensores de nivel de punto fijo ms empleados son: el diafragma, el cono suspendido, la varilla flexible, el medidor conductivo, las paletas rotativas y los ultrasonidos. Los sensores de nivel por punto fijo tienen como aplicacin tpica mantener el nivel de slido entre dos puntos mnimo y mximo, en cada uno de los cuales hay un detector.

Interruptor

sonda

Cuando el material descienda ms Figura 57.- Medidor de Nivel abajo del detector inferior, este pone en marcha automticamente la maquinaria de alimentacin del producto, llenndose el tanque hasta alcanzar el detector ubicado en el nivel alto, instante en el cual se detiene el llenado del tanque. El ciclo se repite continuamente.-

DETECTOR DE DIAFRAGMA

Consiste en accionar un interruptor automticamente cuando entra en contacto con una membrana. El material del diafragma puede ser tela, goma, neopreno o fibra de vidrio. Esta tcnica tiene como ventajas su bajo costo y tambin puede emplearse en tanques cerrados, sometidos a baja presin. Su desventaja es no permitir materiales granulares de tamaos superiores a unos 80mm de dimetro. Tiene una precisin de +/- 50 mm.

Tanque

in te r r u p t o r

Figura 58.- Detector de Diafragma

cono

-

CONO SUSPENDIDO

El cono suspendido, acciona un cabezal interruptor de goma cuando el nivel del slido lo alcanza, puede interruptor usarse como nivel de alta o Figura 59.- Cono suspendido de baja. Es un dispositivo barato, pero se usa slo en tanques abiertos y se debe tener cuidado del material al ser descargado sobre el tanque para no daarlo. Sus usos tpicos son en carbn, grano y caliza.-

VARILLA FLEXIBLE Consiste en una varilla de acero conectada a un diafragma de latn donde est contenido el interruptor. El material, al entrar en contacto con la varilla lo acciona. Este dispositivo slo se usa como detector de nivel de alta y se emplea en tanques abiertos. Para evitar falsas alarmas por vibracin o cada del material, se suele incorporar un retardo al dispositivo, es usado en materiales como el carbn y tiene una precisin de +/- 25 mm.

Indicador

Figura 60.- Varilla Flexible

-

PALETAS ROTATIVAS Consiste en un motor sncrono en cuyo eje vertical, tiene acoplados paletas; cuando el nivel de los slidos llega hasta trabarse, entonces el soporte del motor trata de girar en sentido contrario, accionando a dos interruptores, uno como indicador de nivel y otro desconecta el motor, cuando el nivel baja, y las paletas quedan libres para girar, el motor vuelve ha funcionar y a hacer girar las paletas hasta la subida del nivel de slidos nuevamente.R e l

Figura 61.- Paletas Rotativa (Cortesa de Honeywell)

El eje de las paletas puede ser flexible o rgido, para adaptarse as a las diversas condiciones de trabajo dentro del silo, incluso puede hacerse este dispositivo para soportar presiones (bajas) y a prueba de explosiones. Tienen una precisin de +/- 25 mm y pueden trabajar con materiales de muy diversas densidades. B. DETECTORES DE NIVEL CONTINUO Los medidores de nivel continuo ms empleados son: el de peso mvil, el de bscula, el capacitivo, el de presin diferencial, el de ultrasonidos y el de radiacin.

-

Medidores de nivel de peso mvil Consiste en sostener un peso mvil con un cable desde la parte superior de un silo, mediante Programador poleas; el motor y el y detector programador situados al exterior establecen un ciclo de trabajo del peso, como se Indicador ve en la figura 3.3.4, cuando el material alcanza al peso, se activa el motor y lo sube, Motor y luego lo baja hasta chocar este con el material nuevamente, repitindose el ciclo. Figura 62.- Medidores de Peso Mvil

-

Medidores de nivel de bscula

Consiste en pesar toda la tolva, con material, determinando el nivel del material

Figura 63.- Medidor de Bscula

indirectamente, a travs del peso. El sistema es caro, en caso de grandes tolvas, puede trabajar a altas presiones y temperaturas, su precisin llega a +/- 1% de error.

-

Medidor de nivel de ultrasonidos Esta tcnica tambin puede usarse como medidor de nivel por puntos donde se dispone un emisor y un receptor de ultrasonido, en forma horizontal como muestra la figura, cuando el receptor deja de recibir el ultrasonido, se debe a la interferencia del material entre el emisor y el receptor, activndose la alarma indicadora de nivel. La manera de usar el ultrasonido para una medida de nivel continuo es disponer el emisor y el receptor verticalmente, enviando una onda hacia el material el cual rebota en l, llegando hasta el receptor; el tiempo de retardo depende de la altura del material. El sensor es adecuado para sistemas con mucho polvo, humedad, humos o vibraciones; si la superficie de nivel no es regular puede dar medidas errneas. Tiene una precisin de +/- 1 y es construido a prueba de explosiones.R e c e p to r E m is o r

Figura 64.- Medidor de Ultrasonidos

Figura 65.- Medidor de Ultrasonido (Cortesa de Honeywell)

-

Medidor de Nivel de Radiacin Trabaja de manera similar al caso de los lquidos, se dispone el emisor y receptor de rayos gamma como se muestra en la figura 3.38, el nivel de los slidos queda determinado por el grado de radiacin recibido, en relacin con el emitido. Siendo proporcional a la cantidad de material interpuesto entre emisor y receptor.

D e te c to r

F u e n te

Figura 66.- Medidor de Nivel de Radiacin

El instrumento puede trabajar a temperaturas de hasta 1300 C y presiones de hasta 130 kg/cm2. Admite control neumtico o electrnico, aunque es de costo elevado y debe ser calibrado para cada tanque. Solo se puede usar en materiales a quienes no afecte la radiactividad. Su precisin es de +/-1% y su campo de medida es de 0.5 m por cada fuente.

2.4. MEDICIN DE FLUJOEl flujo es una medida muy comn en los procesos qumicos, ya sea para expresar cantidades de produccin, alimentacin de productos a los distintos equipos o circulacin de slidos, lquidos o gases. El flujo nos dice cuan rpido se esta moviendo un fluido. Puede ser expresado de tres maneras: flujo volumtrico, flujo msico y velocidad de fluido. El flujo volumtrico (Q ) indica el volumen de un fluido pasando por un punto en una unidad de tiempo [m3/s]. Flujo msico (Qm ) esta dado en unidades de masa en una unidad de tiempo [kg/s]. La velocidad del fluido (Qv) es expresada en [m/s]. Estas tres cantidades estn

relacionadas: Q Qm = Qv = flujo volumtrico flujo msico = Q * = velocidad de fluido = Q/A

Donde, es la densidad de fluido y A es el rea de la seccin transversal.

2.4.1.

MEDIDORES DE FLUJOLa diversidad de propiedades de los distintos materiales hace necesario una seleccin del tipo de transductor a utilizar. En general los transductores de flujo estn divididos en dos grupos el primero introduce una obstruccin y utiliza la energa de fluidos para poder medirlo a travs de la presin diferencial tales como: el placa orificio, el tuvo Ventur, los tubos de Pitot, las turbinas, las paletas y los rotmetros; el segundo denominados no intrusivos incluyen las tcnicas electromagnticas y de ultrasonido.

1. Placa OrificioEs el ms simple de los medidores por presin diferencial. Se coloca una placa con un orificio en la lnea de fluido, la cada de presin originada por el instrumento es medida con un transductor de presin diferencial.P2 P1

FLUJOALTA PRESION BAJA PRESION

Figura 67.- Placa Orificio

La ecuacin de Bernoulli es fundamental en la mecnica de fluidos, estableciendo la relacin de la energa cintica y la energa potencial entre dos puntos del flujo de un fluido no compresible, aqu obtenindose la relacin entre el flujo y la cada de presin a travs del orificio. donde :Q =K P2 P 1

Q = flujo k = constante dada por la geometra del orificio y la unidad de medida P2 = presin del lado de entrada P1 = presin del lado de salida

La placa orificio tiene grandes ventajas. Es simple de disear, construir, instalar y mantener, puede ser usado en la mayora de fluidos sin partculas en suspensin.

2. Tubo VenturiEn lugar de una abrupta obstruccin en la lnea de fluido, el dimetro del tubo es suavemente disminuido. La relacin entre el flujo y la presin diferencial es la misma de la placa de orificio. Como no hay una cada repentina hay menor tendencia a la obstruccin de la lnea. Sin embargo la presin en el lado de salida es muy cercana a la presin del lado de entrada, por lo tanto el error en la medicin es mayor en el Venturi en comparacin a la placa orificio. El Tubo

Venturi es ms costoso y requiere mayor espacio en la lnea.

Figura 68.- Tubo Venturi

3. VrtexUno de los medidores de flujo mas usados en la industria y la investigacin es el VRTEX. Los instrumentos de vrtex estn basados en el efecto Von Karman donde un cuerpo en forma de cono genera alternativamente vrtices (reas de baja presin e inestabilidad) desfasados en 180, cuya frecuencia es directamente proporcional a la velocidad y , por lo tanto, al caudal.

Figura 69- Principio de funcionamiento del medidor VRTEX

As cuando el flujo de un fluido gaseoso esta cerca de los cantos del sensor los efectos relativos a la viscosidad producen vrtices y perturbaciones; la frecuencia shedding (f) esta dada por la siguiente formula:f = St .v d

donde: v : velocidad del fluido d : dimetro de entrada del vortex St : "numero de Strouhal", este es un parmetro significativo para la medicin de flujo en el VORTEX.

Esta frecuencia de Shedding (f) es directamente proporcional a la velocidad del fluido y no es afectada por los cambios en la densidad y/o viscosidad. Si la constante de Strouhal (St) para un VORTEX dado es conocida, la velocidad del flujo puede ser medida por medio de la frecuencia shedding del VORTEX. Este instrumento tiene un sensor piezoelctrico puesto dentro del VORTEX y fuera de la turbulencia, cuando los vrtices estn chocando producen un derrame hacia arriba, la direccin de la perturbacin altera la frecuencia del VORTEX Las Caractersticas Principales del medidor vrtex se detalla a continuacin: Se puede usar en lquidos, gases o vapores. Posee partes no movibles.

del fluido. proceso. remoto.

Los contactos del sensor no estn expuestos al proceso Posee un error aproximado de 0.3 % de la velocidad. Seal analgica de salida estndar de 4-20 mA. Presenta compensacin ante posibles vibraciones en el Se presenta en componentes integrados o de control Salida de voltaje pulsante para integrar el sistema en una estrategia de control.

Figura 70.- Medidor de Flujo VORTEX (Cortesa de Tokyokeiso)

4. Sensor Magntico de FlujoEl principio de operacin del flujmetro est basado en la ley de Faraday, en la cual el estado del voltaje inducido a travs de todo conductor se mueve en ngulo recto respecto a un campo magntico siendo proporcional a la velocidad de ese conductor. Este sensor debe ser utilizado en para medir caudales de lquidos que tengan una conductividad superior a 3 micromhos/cm.

E =V .B.DDIAMETRO D ELECTRODO LINEAS MAGNETICAS B VOLTAJE E REVESTIMIENTO MAGNETICO TUBERIA DEL FLUIDO FLUIDO PRODUCTO LIQUIDO

Donde:E : Voltaje generado en conductor V : Velocidad del conductor B : Campo Magntico D : Dimetro del conductor

VELOCIDAD V

Figura 71- Principio de funcionamiento del sensor magntico

5. Flujo Ultrasnicos (Efecto Doppler)El principio bsico de operacin hace uso del desplazamiento en frecuencia (efecto Doppler) de una seal ultrasnica reflejada por partculas suspendidas (25 ppm) o burbujas de gas (>4TD se puede aproximar a la FDT del bloque PID por la siguiente frmula simplificada:

(1 + TI .s ) + (1 + TD .s ) T (s) = K P TI s

Obsrvese que la accin proporcional se supone que acta sobre el total de la respuesta, de esta forma la constante integral y derivativa representan siempre el peso relativo de cada una de estas acciones para una unidad de accin proporcional.

En la mayor parte de casos la aplicacin de controladores industriales se resolver mediante un hardware estndar especfica, y el usuario deber nicamente programar o ajustar las constantes KP, KI y KD. La ejecucin en s es, por tanto, sencilla, aunque la eleccin de los mencionados parmetros no es siempre tan simple, pues suelen aparecer problemas de inestabilidad o de falta de rapidez. Muchos reguladores o controladores actuales suelen incorporar una funcin de autoajuste, denominada aveces autotuning que se encarga de ajustar las constantes por aprendizaje o a base de inyectar ciertas seales de control que le permitan determinar el comportamiento de la planta. Hay que sealar tambin que la mayora de controladores digitales incorporan frmulas correctivas para evitar excesivo rebasamiento o un comportamiento demasiado brusco o incluso para cambiar las constantes KP, KI y KD en funcin de los valores de la planta, dando lugar a lo que se llama un control adaptativo.

3.2.5.

CONTROLADORES TODO O NADA (ON OFF)Un sistema de control todo a nada es aquel cuya salida o elemento de accionamiento de la planta tiene solo dos posiciones: conectado y desconectado o, en general, mxima y mnima salida. La funcin de transferencia de este tipo de sistemas es completamente distinta de las empleadas hasta ahora en este captulo, ya que a la entrada se tienen magnitudes continuas y la salida, en cambio, es de tipo lgico (1 o 0) . La funcin de transferencia es, pues, de tipo lgico. En general, se trata de funciones de comparacin o bloques de comparacin. El diagrama de bloques de un sistema todo o nada es como el que se indica en la siguiente figura, en el puede verse que desde el punto de vista de la entrada del sistema trabaja como la mayor parte de sistemas que manejan magnitudes continuas, es decir comparando una magnitud de consigna con una realimentacin, pero su salida es de tipo lgico (pasa o no pasa).

Figura 87 Bloque de control todo o nada

Las ecuaciones que expresan el comporta miento del sistema son las siguientes:

(t ) = E (t ) R (t )C (T =1 ) C (t) =0

si si

E (t ) > R (t ) E (t ) < R (t )

Este tipo de controles son aplicables, en general, cuando la planta a controlar se comporta como un retardo de primer orden con una constante de tiempo muy grande. Un ejemplo tpico lo constituye el termostato de algunos sistemas de climatizacin ambiental que no disponen de una regulacin continua de la potencia calorfica, sino simplemente de un interruptor que conecta toda la potencia disponible o la desconecta. En la prctica este tipo de sistemas tienen una cierta histresis o banda muerta en la cual no actan, lo cual se demuestra con las siguiente figura y ecuaciones respectivamente:C (T =1 ) C (T = 0 )

si si

E (t ) > R (t ) + h / 2 E (t ) < R (t ) h / 2

Donde h es la banda muerta o error umbral, por debajo del cual el sistema no reacciona. En estos casos el esquema simblico es el indicado en la figura siguiente.

Figura 88 Esquema simblico de un controlador todo o nada con histresis.

La evolucin temporal tpica de la seal de control y de salida de un sistema de este tipo se representa a continuacin:

Figura 89 Evolucin de las seales en un sistema todo o nada con histresis.

SINTONIA DE CONTROLADORES

5.1 GENERALIDADESSe dice que un controlador est sintonizado al proceso, cuando la Banda Proporcional (Ganancia), el tiempo de accin integrativa (MPR) y el tiempo de accin derivativa (minutos de anticipacin), estn acoplados adecuadamente con el resto de los elementos del lazo de control (proceso, sensor, transmisor y vlvula de control) El acoplamiento entre los elementos del lazo debe ser tal que ante una perturbacin, se obtenga una curva de recuperacin que satisfaga los criterios bsicos de estabilidad; para ello es necesario tener un conocimiento inicial de las caractersticas estticas y dinmicas del sistema controlado. Los objetivos del ajuste y sintona de controladores son: Que el sistema se recobre rpidamente frente a un disturbio, con un mnimo porcentaje de amortiguamiento. Que el sistema alcance la estabilidad tan pronto como sea posible; es decir ante un cambio tipo escaln debe existir un mnimo de tiempo de duracin. Que se equilibre la variable controlada se encuentre lo ms cerca posible al valor del Set Point Existen varios mtodos para sintonizar controladores, una clasificacin generalizada los separa en mtodos de lazo abierto y mtodos de lazo cerrado, los cuales se estudiarn ms adelante, pero se basan en el principio fundamental de oscilacin.

Figura 90. Principio fundamental de Oscilacin Salida del Controlador Entrada VCA Desplazamiento de Fase = Suma de todos los desplazamientos de fase del lazo Cada bloque introduce un desplazamiento de fase, adems por la realimentacin negativa existe un desfase de 180. Si se cambia la frecuencia de la onda senoidal de entrada hasta que la salida muestre un desplazamiento de fase total de 360, entonces la salida estar en fase con la entrada a esta frecuencia s:

Ganancia en Lazo Abierto =

=

KV.KP.KC

KC.KV.KP.

=1

El Sistema oscilar indefectiblemente, el cual depender de la ganancia del lazo.

Ganancia < 1

Ganancia = 1

Ganancia > 1

Fig. 91 Relacin de Oscilacin - Ganancia Como la realimentacin del sistema es negativa; el desplazamiento de fase del lazo debe ser de 180. La ganancia del proceso depende de la ganancia de los equipos, pero la ganancia del controlador es ajustable indirectamente mediante la Banda Proporcional. Para cada proceso, solamente hay una banda proporcional especfica que haga que la ganancia del lazo sea 1. A esta banda se la conoce se le conoce con el nombre de ULTIMA BANDA PROPORCIONAL (Bpu); y el perodo correspondiente se le denomina ULTIMO PERODO (Tu). El ajuste de la Banda Proporcional determinar que la oscilacin se mantenga, se incremente o sea nula; por lo tanto el valor de la Bpu define el margen de estabilidad, por que un sistema de control no puede operar con una BP < Bpu. La dificultad de obtener modelos con funciones de transferencia exactas para algunos procesos ha conducido a la creacin de mtodos prcticos de base emprica como las reglas de Ziegler Nichols que son normas de uso comn para determinar los valores de ganancia ptimos de un controlador., que han resultado tan tiles que se siguen utilizando 40 aos de su desarrollo. Consisten en dos mtodos separados. En el primero de ellos se requiere la respuesta escaln de un ciclo abierto de la planta, mientras que en el segundo se emplean los resultados de experimentos realizados con el controlador ya instalado.

5.2 CRITERIOS DE ESTABILIDAD5.2.1. CRITERIO DE REA MNIMA O RAZN DE AMORTIGUAMIENTOIndica que el rea de la curva de recuperacin debe ser mnima para lograr la estabilidad en el tiempo ms corto. Se ha encontrado que esta rea es mnima, cuando la relacin de amplitud entre las crestas de dos ciclos sucesivos es 0,25 es decir que cada onda equivale a una cuarta parte de la anterior.

B = 0,25 A

B=

1 A A

Figura 92. Criterio de rea mnima, Onda representativa y Ecuacin de Relacin

5.2.2. CRITERIO DE REBASAMIENTO MNIMOEste criterio se aplica en la puesta en marcha del proceso, e intenta que la variable no sobrepase el punto de consigna, o lo haga con el mnimo de rebasamiento, con el fin de evitar posibles daos en el proceso.

Figura 93. Criterio de rebasamiento mnimo, respuesta representativa

5.2.3. CRITERIO DE AMPLITUD MNIMASegn este criterio, la amplitud de desviacin debe ser mnima. Se aplica a procesos en los que el producto o el equipo pueden ser daados por desviaciones momentneas excesivas. En este caso la magnitud de la desviacin es ms importante que su duracin.

Figura 94 Criterio de amplitud mnima, respuesta representativa

5.3 METODOS DE SINTONIA5.3.1. MTODO DE LAZO ABIERTOLa sintona de lazo abierto se basa en la curva de respuesta del sistema ante una entrada en escaln. El lazo de control se abre entre el controlador y la vlvula; para ello se pasa el controlador a manual y se opera directamente sobre la vlvula de control, entre los mtodos ms conocidos tenemos: Curva de reaccin del proceso. Mnima integral del valor absoluto del error. Los parmetros de un modelo de tiempo muerto de primer orden (ganancia, constante de tiempo y tiempo muerto) se pueden determinar a partir de la respuesta emprica de la variable controlada a un cambio brusco (en forma de escaln) en la variable manipulada. Esta respuesta, que se denomina curva de reaccin del proceso.

ANLISIS DE LA CURVA DE REACCIN DEL PROCESO PARA UNA ENTRADA EN ESCALNEste mtodo es el ms simple y ms aplicado para estimar los parmetros de un modelo de tiempo muerto (ganancia, constante de tiempo y tiempo muerto de la salida) se pueden determinar a partir de la respuesta emprica de la variable controlada a un cambio brusco (en forma de escaln) en la variable manipulada.

TRAZADO DE LA CURVA DE REACCIN DE UN PROCESOPROCEDIMIENTO. La curva de reaccin de un proceso puede obtenerse ajustando manualmente la variable manipulada; se deber obtener varias curvas de reaccin del proceso con cambios de la variable manipulada de diferentes tamaos y direcciones para garantizar que los datos sean vlidos y el proceso sea casi lineal. El cambio en la variable manipulada debe ser lo suficientemente grande como para producir un cambio en la variable controlada sustancialmente mayor que el ruido de la seal pero no tan grande que constituya una perturbacin importante del proceso. Los pasos para obtener la Curva de Reaccin del proceso son: 1. Abrir el lazo de control, colocando el controlador en modo manual. Efectuar un cambio tipo escaln en el elemento final de control (Variable Manipulada), aproximadamente 20% ( p). Obtener el registro de la curva de reaccin del proceso en la salida del transmisor.

2.3.

Figura 95. Curva de Reaccin del Proceso Valores Caractersticos.

Se observa en la curva: L: Atraso efectivo en minutos. T: Tiempo de carrera necesario para que la variable medida alcance el 63,2% de la curva de reaccin. 4. Calcular N:N = % DE ELEVACIN TIEMPO DE CARRERA

5.

Aplicar las ecuaciones segn el modo de control:

Clculo de KC, KI y KD. Ecuaciones de Ziegler & Nichols para lazo abiertoMODO DE CONTROL CONTROL P CONTROL PI MTODO DE REACCIN DEL PROCESO KC = p/N L KC = 0.90 p/ N L, KI =L/0,3 CONTROL PID KC = 1,20 p/ N L KI = L/0,5 KD = 0,5 L Ecuaciones segn el grfico de la figura 95

5.3.2.

MTODO DE LAZO CERRADOLa sintona de lazo cerrado se basa en la obtencin de una onda sostenida a partir de una serie de perturbaciones al sistema tipo escaln. As para cada proceso, solamente hay una banda proporcional especfica que hace que la ganancia del lazo sea 1. A esta banda se la conoce se le conoce con el nombre de ULTIMA BANDA PROPORCIONAL (Bpu); y el perodo correspondiente se le denomina ULTIMO PERODO (Tu). Existen varios mtodos para sintonizar controladores en lazo cerrado, para lo cual es necesario tener los conceptos de respuesta de frecuencia de un controlador PID que se estudiar a continuacin. RESPUESTA DE FRECUENCIA DE UN CONTROLADOR PID La respuesta de frecuencia de un controlador PID es importante para la sintona, es por ello que en la siguiente figura se tiene una respuesta de frecuencia ideal, la cual contrasta con la frecuencia real.

Figura 96 Respuesta de frecuencia ideal

Figura 97 Respuesta de frecuencia real

1. A bajas frecuencias la ganancia est limitada por la ganancia de reset del controlador. 2. A altas frecuencias la ganancia es afectada por la inercia, capacitancia y resistencia.

La frecuencia donde la ganancia es afectada por estos parmetros se conocecomo respuesta de frecuencia del controlador (fr) Variando la BP la brecha se desplaza hacia arriba (Angosta) o hacia abajo (Ancha).

Reset Grande (Rep/Min) Menor Brecha Reset Pequeo (Rep/Min) Mayor Brecha

Rate Grande (Min) Menor Brecha Rate Pequeo (Min) Mayor Brecha

Figura 98 Relacin de la Banda Proporcional con el Reset y Rate

Cuando se sintoniza un controlador, se mueve la Brecha a una optima posicin para el mejor rendimiento. El primer requisito para sintonizar es que la frecuencia caracterstica fc se encuentre dentro de la Brecha del Controlador. Los ajustes del controlador deben mover la Brecha y para que sean efectivos, ellos deben cambiar a fc. El sistema debe ser estable; que se recupere rpidamente ante un disturbio y que tenga un mnimo porcentaje de amortiguamiento.Figura 99 Frecuencia Caracterstica dentro de la brecha del controlador

Un controlador sintonizado tiene una banda tan angosta como sea posible y tan alta como le permita el sistema y en ella estar la (fc)

Mtodos de Sintona de lazo Cerrado.Se producen perturbaciones con el instrumento en automtico conectado al bucle de control, entre los mtodos ms conocidos tenemos: Ganancia lmite, Offereins, Chindambara.

1. EL MTODO DE GANANCIA LMITEFue desarrollado por Ziegler & Nichols y se basa en estrechar gradualmente la banda proporcional con los ajustes de integral y su derivada en su valor ms bajo, mientras se van creando cada vez pequeos cambios en el punto de consigna, hasta que el proceso empieza a oscilar de modo continuo. La banda proporcional que da lugar a esta primera oscilacin se denomina Banda Proporcional Lmite PBu y a su inversa se le llama Ganancia Lmite. Esta oscilacin se caracteriza por tener Pu (ltimo perodo) en minutos; si seguimos disminuyendo la Banda Proporcional, se obtendr una respuesta cada vez ms oscilante hasta alcanzar una respuesta no amortiguada de amplitud creciente.

Figura100 Medicin del ltimo periodo

Amplitud Decreciente Ganancia < 1

Amplitud Constante Ganancia = 1

Amplitud Creciente Ganancia > 1

Clculo de la Banda Proporcional, Reset y Rate para la sintona de lazo cerrado Para obtener una respuesta con una amortiguacin de 0,25 se deber hacer los siguientes ajustes. MODO DE CONTROL CONTROL P MTODO DE GANANCIA LMITE BP = 2PBu BP = 2,2PBu CONTROL PI Ti = Pu /1,2 (min/rep) BP = 1,7PBu CONTROL PID Ti = Pu /2 (min/rep) Td = Pu/8 (min)

Ejemplo. Dada la siguiente onda para un proceso bajo control, automtico despus de ajustar la BP. de un valor grande a un mnimo de 20%; sabiendo que la velocidad de carta es de 3cm por minuto y el controlador trabaja en modo PID, se pide calcular: a) BP ptima. b) La accin reset en Rep/min. c) La accin rate en min. Solucin Datos: T = e/v Pu = 18cm/3cm/min = 6min Pbu = 20% a) BP = 1,7Pbu BP = 34% b) Ti = Pu/2 Ti = 6/2 = 3min/rep c) Td = Pu/8 Td = 6/8 = 0,75min

2. EL MTODO DE OFFEREINSEste mtodo se deriva del mtodo de Ganancia Lmite, una vez determinada la PBu se efectan los siguientes pasos: 1. Se aplica una BP de 1,2 PBu con lo cual el proceso est todava en el umbral de oscilacin. 2. Se introduce algo de accin derivada y si el proceso se hace ms inestable no debe aplicarse la accin derivada. Se ajusta a la BP en 2Bpu y se procede directamente al punto 4. 3. Si al introducir la accin derivada, el proceso se hace menos estable, se disminuye ms la BP hasta encontrar otra PBu; se aplica nuevamente una BP de 1,3Pbu y se aumenta el tiempo de la accin derivada hasta que el proceso sea menos inestable; y as se procede sucesivamente hasta que el sistema ya no pueda mejorarse. Se ajusta el instrumento con el ltimo tiempo de accin derivada y se aumenta la BP al doble de la PBu encontrada; pasando a continuacin al punto 4. 4. Se coloca un valor cada vez ms pequeo del tiempo de accin integral (min/rep) hasta que el sistema oscile (valor Tiu) y se sita en el instrumento el valor 3Tiu. Se comprueba el grado de amortiguamiento (debe ser 0,25)

3. EL MTODO DE OFFEREINSEste mtodo es el ms usado en un 90 % de los casos. El procedimiento general se basa en poner en marcha el proceso con bandas anchas en todas las acciones y estrecharlas poco a poco individualmente, hasta obtener la estabilidad deseada. Para provocar las perturbaciones y observar sus reacciones, se mueve el punto de consigna hacia arriba o hacia abajo, segn la variable controlada. El punto de consigna debe volver a su valor inicial tan pronto como la variable empieza a cambiar de valor.

GRFICA DE LA RESPUESTA DEL PROCESO ANTE UNA PERTURBACIN A continuacin se muestra diferentes respuestas de controladores ante una perturbacin tipo escaln

El grfico del controlador P, muestra como ha reducido tanto el tiempo de subida como el error en rgimen permanente, ha incrementado el sobreimpulso y disminuido, en una pequea cantidad el tiempo de establecimiento.

Figura 103 Respuesta de un controlador P

En el grafico del controlador PI, se observa que se ha reducido el valor de la ganancia proporcional (Kp) porque el controlador integral tambin reduce el tiempo de subida e incrementa el sobreimpulso tal y como hace el controlador proporcional (efecto doble). La respuesta muestra como el controlador integral elimina el error en rgimen permanente.Figura 104 Respuesta de un controlador PI

En el grafico del controlador PID, se ha observa un sistema sin sobreimpulso, con un tiempo de subida rpido y sin error en rgimen permanente.

Figura 105 Respuesta de un controlador PID

PRECAUSIONES Tenga en cuenta que, si no es necesario, no tiene porqu implantar los tres controladores (proporcional, derivativo e integral) en un nico sistema. Por ejemplo, si un controlador PI proporciona una respuesta suficientemente entonces no es necesario implantar el controlador derivativo en el sistema ya que este podra oscilar insosteniblemente; por eso mantenga el controlador tan sencillo como sea posible.

5.4 CONTROLADORES AUTOSINTONIZABLES5.4.1. GENERALIDADESLa sintona de controladores estudiados hasta ahora son considerados de sintona manual, pero hoy en da la tecnologa nos ofrece la posibilidad de tener controladores con sintona automtica, los cuales son conocidos como controladores adaptivos. Los controladores autosintonizables son aquellos en los cuales los parmetros del controlador tales como la ganancia, el tiempo de accin integral y derivativa son ajustados automticamente en funcin a las caractersticas estticas y dinmicas del proceso.

5.4.2. TCNICAS DE AUTOSINTONIZACINEntre las tcnicas ms empleadas tenemos: Autosintona (Autotuning), Adaptacin (Self-Tuning) y Ganancia Programada (Gain Scheduling).

1. AUTOSINTONA (AUTOTUNING)En este tipo de sintona el controlador se sintoniza automticamente ante un requerimiento del usuario. El controlador internamente ante una perturbacin calcula los parmetros PID adecuados.

Figura 106 Principio de funcionamiento de un controlador autotuning

CARACTERISTICAS Son aquellos que son sintonizados automticamente a la demanda del operador a pesar que cambie la dinmica del proceso. Esta tcnica se basa en el anlisis de la respuesta del error del proceso sin usar un modelo del mismo. Se ofrece como opcin en muchos controladores de lazo simple y multilazo incluyendo a productos de sistemas de control distribuido. Pueden ser realizados con dispositivos externos.

2. ADAPTACIN (SELF TUNING)En este tipo de sintona el controlador monitorea el proceso continuamente, adems es utilizado para manejar las no linealidades de un proceso, el Self Tuning cambia si la respuesta es muy lenta y resetea los parmetros si la respuesta es oscilatoria.

Figura 107 Principio de funcionamiento de un controlador con self tuning

CARACTERISTICAS Los parmetros de estos controladores se ajustan continuamente para adecuarse a los cambios de la dinmica de los procesos y los disturbios que la afectan. Se basan en modelos matemticos de la dinmica del proceso Son llamados tambin controladores de adaptacin.

3. GANANCIA PROGRAMADA (GAIN SCHEDULING)En este tipo de sintona el controlador asigna ganancia en el tiempo a donde se requiera cambio de control; es necesario para ello determinar las variables del programa que estn relacionadas con los cambios dinmicos del proceso. Las variables de programacin pueden ser: variable medida, variable manipulada o cualquier otra seal.

Figura 108 Principio de funcionamiento de un controlador con gain scheduling

CARACTERSTICAS Son aquellos que son sintonizados basndose en tablas establecidas de ganancias de proceso, como consecuencia de las experiencias del operador. Es una tcnica que trata con procesos que poseen variaciones en el tiempo o situaciones en las que los requerimientos de control cambian con las condiciones de operacin. Se requiere identificar las variables de programacin y cuantificar su rango en un nmero de condiciones discretas de operacin. Los parmetros de control se determinan automticamente cuando el sistema se encuentra en una condicin de operacin.

5.4.3. PRINCIPIO DE AUTOSINTONIAEn este tipo de sintona los parmetros PID se ajustan automticamente segn las caractersticas dinmicas del sistema o proceso, en base a aproximaciones

sucesivas cuyos modelos o reglas estn establecidas. Los parmetros sern almacenados en memoria EEPROM para su uso futuro, el proceso de Autosintona se realiza una sola vez en un sistema, pero si la carga ha sido cambiada o bien si ocurre otro cambio fundamental en el sistema, posiblemente habr que realizar la Autosintona, es decir cuando se realiza la instalacin, montaje, ampliacin o modificacin de un proceso.

5.4.3.

PARMETROS DE CONFIGURACIN Y PROCEDIMIENTO DE SINTONALos parmetros de configuracin de los controladores autosintonizables suelen ser diferentes, dependiendo de la serie, modelo y fabricante, as por ejemplo , presentamos los parmetros del controlador de la serie MYCONT modelo XR15 de la firma ENDRESS + HAUSER. PROCEDIMIENTO DE AUTOSINTONA DE UN CONTROLADOR PID. 1 Paso: Verifique las condiciones de seguridad para el arranque del sistema: posicin inicial de vlvulas, alimentacin de aire y otros. 2 Paso: Energice el sistema de control, coloque el set Point en 50% y espere a que la variable de proceso X se estabilice. 3 Paso: Coloque el controlador en modo manual y anote el valor del set Point. 4 Paso: Ajuste el parmetro Y para una desviacin > 5% (por ejemplo 10%). 5 Paso: Presione la tecla Enter por ms de 5 segundos. La pantalla mostrar el parmetro Xp1. 6 Paso: Seleccione el parmetro Tn y ajstelo. Si el proceso no requiere accin integrativa ajuste Tn = 3600. 7 Paso: Seleccione el parmetro Tv y ajstelo. Si el proceso no requiere accin derivativa ajuste Tv = 0000. 8 Paso: Seleccione el parmetro S y ajstelo a 1. 9 Paso: Seleccione el parmetro Yd y ajstelo entre 5 ..... 100%. 10 Paso: Presione la tecla Enter por ms de 5 segundos. La pantalla mostrar de nuevo el parmetro Y. 11 Paso: Presione simultneamente las teclas Enter y el de Seleccin de Dgito / Decrementar (primero la tecla Enter). El parmetro S debe oscilar. Espere durante algunos segundos, mientras S oscila. NOTA: Mientras el valor S oscile el sistema est trabajando y slo debe esperarse a que termine su tarea La optimizacin arranca cuando el cambio del valor del proceso es mucho menor que 1% por minuto. Si el valor del proceso oscila debe cancelarse la accin mediante la tecla Manual Auto. Si el procedimiento exitoso el controlador mismo se coloca en modo Automtico y el control se har con los nuevos parmetros ptimos autoseteados por el controlador. Entonces, siga los siguientes pasos: 12 Paso: Verifique la estabilidad del sistema introduciendo una variacin en escaln del set-point del controlador. La respuesta en el registrador debe mostrar la pronta recuperacin del sistema logrando la estabilidad en un valor de la variable del proceso muy cercano al set-point . Tambin verifique la ausencia de offset. 13 Paso: De ser necesario, realice pequeos reajustes en ambos sentidos de la banda proporcional, del reset y del rate por separado, para conseguir un

sintonizado fino a fin de obtener la respuesta que mejor se adapte al proceso. 14 Paso: Grafique la curva de respuesta observada en el registrador. Si el procedimiento no es exitoso, el valor m oscila. Entonces se debe colocar el controlador en modo Manual, la variable de correccin Y deber ser reducida al valor de arranque y deber seguirse los siguientes pasos. 15 Paso: Presione la tecla Ent