MEDICIÓN E INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL. 1. GENERALIDADES.
Evolución Histórica de los Instrumentos de Medición y Control.
Desde la antigüedad medir es una necesidad vital para el hombre. La medida surge debido a la necesidad de informar a los demás de las actividades de caza y recolección, como por ejemplo: a qué distancia se encontraba la presa, que tiempo transcurría para realizar la recolección; o hasta donde eran marcados los límites de la población. En último lugar surgieron los sistemas de medidas, en las poblaciones con las actividades del mercado. Todos los sistemas de medidas de longitud derivaron de las dimensiones del cuerpo humano (codo, pie...), de sus acciones y de las acciones de los animales. Otros sistemas como los del tiempo, también derivaron del ser humano y más concretamente de los fenómenos cíclicos que afectaban a la vida del hombre. Por su parte, el control automático ha desempeñado desde los primeros tiempos, un papel de relevante importancia, así como una función vital en el desempeño de la ingeniería y la ciencia. Además de su extrema importancia en los sistemas de vehículos espaciales, de guiado de misiles, etc., el control automático se ha vuelto una parte importante e integral de los procesos modernos e industriales y de manufactura. El primer trabajo significativo, en control automático fue el regulador de velocidad centrífugo de James Watt para el control de la velocidad de una máquina de vapor, en el siglo XVIII. Minorsky, Hazen y Nyquist, entre muchos otros aportaron trabajos importantes en las etapas iniciales del desarrollo de la teoría de control. En 1922, Minorsky trabajó en los controladores automáticos para dirigir embarcaciones y mostró que la estabilidad puede determinarse a partir de las ecuaciones diferenciales que describen el sistema. En 1932, Nyquist, diseñó un procedimiento relativamente simple para determinar la estabilidad de sistemas en lazo cerrado, con base en la respuesta en lazo abierto en estado estable cuando la entrada aplicada es una senoidal. En 1934, Hazen quien introdujo el término servomecanismos para los sistemas de control de posición, analizó el diseño de los servomecanismos con relevadores, capaces de seguir con precisión una entrada cambiante. Durante la década de los cuarenta los métodos de la respuesta en frecuencia, hicieron posible que los ingenieros diseñaran sistemas de control lineales en lazo cerrado que cumplieran con los requerimientos de desempeño. A finales de los años 40 y principio de los 50 se desarrolló por completo el método del lugar geométrico de las raíces propuesto por Evans. Los métodos de respuesta en frecuencia y del lugar geométrico de las raíces, que forman el núcleo de la teoría de control clásica, conducen conducen a sistemas estables que satisfacen un conjunto conjunto más o menos arbitrario de requerimientos de desempeño. En general, estos sistemas son aceptables pero no óptimos en forma significativa. Desde el final de la década de los cincuenta, el énfasis en los problemas de diseño de control se ha movido del diseño de uno de muchos sistemas que trabajen apropiadamente al diseño de un sistema óptimo de algún modo significativo.
Conforme
las plantas modernas con muchas entradas y salidas se vuelven más y más complejas, la descripción de un sistema de control moderno requiere de una gran cantidad de ecuaciones. La teoría del control clásica, que trata de los sistemas con una entrada y una salida, pierde su solidez ante sistemas con entradas y salidas múltiples Desde alrededor de 1960, debido a que la disponibilidad de las computadoras digitales hizo posible el análisis en el dominio del tiempo de sistemas complejos, la teoría de control moderna, basada en el análisis en el dominio del tiempo y la síntesis a partir de variables de estados, se ha desarrollado para enfrentar la creciente complejidad de las plantas modernas y los requerimientos limitativos respecto de la precisión, el peso y el costo en aplicaciones militares, espaciales e industriales. Durante los años comprendidos entre 1960 y 1980,se investigaron a fondo el control optimo tanto de sistemas determinísticos como estocásticos, y el control adaptable, mediante el aprendizaje de sistemas complejos. De 1980 a la fecha, los descubrimientos en la teoría de control moderna se centraron en el control robusto, el control de H, y temas asociados. Ahora que las computadoras digitales se han vuelto más baratas y más compactas, se usan como parte integral de los sistemas de control. Las aplicaciones recientes de la teoría de control moderna incluyen sistemas ajenos a la ingeniería, como los biológicos, biomédicos, económicos y socioeconómicos.
Uso de los instrumentos de medición y control:
-Sensores y Transmisores:
Son
los elementos de control encargados de medir las perturbaciones, y las variables controladas. Son las principales fuentes de información de cómo va el proceso. Un elemento crucial para la selección de un sensor es su capacidad de transmitir información fácilmente.
Aplicaciones de los sensores y transmisores: y
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Permiten realizar las operaciones de medición en el sistema de control. En el sensor se produce un fenómeno mecánico, eléctrico o similar, el cual se relaciona con la variable de proceso que se mide; el transmisor, a su vez, convierte este fenómeno en una señal que se puede transmitir y, por lo tanto, ésta tie ne relación con la variable del proceso. Permite definir la ganancia en un sensor sensor/transmisor siendo esta la relación del rango de la entrada respecto al rango de la salida, donde en todo el proceso de operación dicha ganancia permanece constante. presentan algunos de los sensores industriales más comunes: de presión, de flujo, de temperatura y de nivel. El sensor diferencial de presión se usa para medir flujo, mediante el cual se mide el diferencial de presión, en la sección transversal de un orificio, mismo que, a su vez, se relaciona el flujo volumétrico, mientras que el transmisor electrónico de diferencial de presión se usa para recibir dicho flujo volumétrico La mayoría de los sensores-transmisores garantizan una respuesta dinámica mucho más rápida que la del proceso; en consecuencia, sus constantes de tiempo se pueden
considerar despreciables y, por tanto, la función de transferencia la otorga la ganancia pura
- Válvulas de Control: Las válvulas de control no son más que reguladores de flujo que constituyen los elementos finales de control más usuales y se les encuentra en las plantas de proceso, donde manejan los flujos para mantener en los puntos de control las variables que se deben controlar.
Usos de las válvulas de control: y
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La válvula de control actúa como una resistencia variable en la línea de proceso; mediante el cambio de su apertura se modifica la resistencia al flujo y, en consecuencia, el flujo mismo. La mayoría de las válvulas de control se opera de manera neumática y, consecuentemente, la energía que se les aplica es aire comprimido. Permiten regular la temperatura a la que sale el fluido bajo proceso a través de válvulas de vapor que manejan flujo de vapor al intercambiador de calor Dentro de las válvulas de control se encuentran las válvulas de vapor que son empleadas para operar en condiciones de mucha seguridad donde se detiene el flujo de vapor Son
utilizadas en el manejo de las tasas de flujo mediante la producción o absorción de una caída de presión en el sistema, la cual deberá ser lo más mínima posible / Permiten lograr que se reduzcan las características no lineales de la combinación sensor/transmisor/unidad de proceso para que este tenga una ganancia constante. las válvulas con característica de flujo lineal se usan comúnmente en circuitos de nivel de líquido, y en otros procesos en los que la caída de presión a través de la válvula es bastante constante. Las válvulas con característica de flujo de abertura rápida se usan principalmente en servicios de abierto-cerrado, en los que se requiere un gran flujo tan pronto como la válvula se comienza a abrir. Finalmente,
las válvulas con característica de flujo de porcentaje igual son probablemente las más comunes; puesto que generalmente son usadas en servicios donde se esperan grandes variaciones en la caída de presión; o en aquellos en los que, a través de la válvula, se toma un pequeño porcentaje de la caída to tal de presión en el sistema.
-Controladores (por retroalimentación): son aquellos que reciben las señales de los sensores y deciden la acción que se debe tomar, comparando esa señal del proceso que llega del transmisor, con la variable que se controla, contra el punto de control para luego enviar la señal
apropiada a la válvula de control, o cualquier otro elemento final de control, para mantener la variable que se controla en dicho punto de control.
Usos de los controladores: y
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Determina las acciones necesarias para mantener las variables de un proceso en el valor deseado (controlador de procesos) Asegura las secuencias necesarias de producción en base a un programa preestablecido (PLC). Compara
en los procesos el valor de una variable medida (señal de entrada) al valor deseado (set point) para producir una señal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia para manipular la variable controlada. Abarca una tecnología en electrónicos.
equipos que
varía
desde neumáticos, hidráulicos hasta
Existen los controladores proporcionales que son considerados los más simples, porque sólo tienen un parámetro de ajuste, aunque operan con una desviación en la variable que se controla en algunos procesos, como en el uso de un tanque de mezclado. Los controladores proporcionales son empleados en los casos en que el proceso se controla dentro de una banda del punto de control; sin e mbargo, en los procesos en que el control debe estar en el punto de control, los controladores proporcionales no proporcionan un control satisfactorio. Los controladores PID se utilizan en procesos donde las constantes de tiempo son largas. Ejemplos típicos de ello son los circuitos de temperatura y los de concentración. Los procesos en que las constantes de tiempo son cortas (capacitancia pequeña) son rápidos y susceptibles al ruido del proceso, son característicos de este tipo de proceso los circuitos de control de flujo y los circuitos para controlar la presión en corrientes de líquidos. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrónicos analógicos y digitales. Los primeros, prácticamente ya no se fabrican (aunque todavía se utilizan) y han sido reemplazados por los últimos, los cuales están basados en microprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores. Entre una de las aplicaciones de los controladores electrónicos son de alarma e interrupción, ya que se utilizan ante condiciones anormales de un proceso. Los dispositivos empleados para estas funciones, pueden simplemente indicar o también realizar alguna acción de control. Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversas aplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, válvulas-solenoide, programadores, etc. cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo.
-Elemento final de control: Es el dispositivo físico que lleva a cabo la decisión del controlador. Típicamente es una válvula aunque también puede ser una bomba de velocidad variable, una compuerta, entre otros.
Usos de los elementos de control final y
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Permiten responder, dentro de un lazo de control para realizar un cambio en la variable controlada en un determinado proceso. La mayoría de los flujos de fluidos son controlados por válvulas neumáticas o eléctricas, en otros casos se emplean bombas; para servicios de gases a menudo se emplean válvulas especiales y para sólidos es común hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidad electrónico. Entre estos dispositivos e instrumentos que realizan otro tipo de funciones se encuentran los indicadores, registradores, conversores, alarmas e interruptores y elementos de funciones especiales. Los indicadores, son usualmente empleados debido a que incluyen elementos que tienen escalas graduadas que pueden ser lineales o no; los indicadores pueden ser analógicos (con aguja indicadora o incluso con barras verticales de diferente color) o digitales que presentan la variable medida en forma numérica.
- Registradores: son aquellos instrumentos que proveen de un soporte visual y registro histórico del funcionamiento del sistema.
Usos de los registradores: y
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proveen registros continuos de las variables medidas con respecto al tiempo, específicamente son empleados en las cartas registradoras, donde usan esencialmente las mismas escalas que los instrumentos i ndicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo: pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Emplean velocidades de registro que varían desde varios minutos por revolución hasta varios días por revolución, en el caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo a centímetros por hora, para los de carta de cinta. Actualmente se dispone de los llamados registradores inteligentes (basados en microprocesadores) que van mucho más allá de registrar las tendencias de las variables (es posible hacer análisis, reportes, etc.) siendo la tendencia a dejar de emplear papel y más bien guardar los datos en memoria y mostrarlos en una pantalla de cristal líquido (LCD) o a través de una computadora.
- Transductores: Elementos del sistema de control que convierten magnitudes físicas que no pueden ser utilizadas para el control en otras que sí lo pueden ser (una corriente eléctrica o una señal neumática,).
Aplicaciones de los transductores: y
Entre ellos se encuentran los piezoeléctricos cuyos usos generalmente son: la medida de precisión de la cámara de combustión de un motor de explosión; la medida de precisión de las maquina industriales, por ejemplo, de fabricación de objetos de plásticos con moldes.
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En Ortopedia, recuperación o Fisiología del trabajo y deportes, estos transductores, montados en placas adecuadas, dan resultados excelentes. Para otro tipo de transductores como lo son los Infrarrojos su aplicación es variada puesto que permiten ver objetos en la oscuridad. Estos instrumentos consisten básicamente en una lámpara que emite un haz de rayos infrarrojos, a veces denominados luz negra, y un telescopio que recibe la radiación reflejada por el objeto y la convierte en una imagen visible. Los transductores Magnetoresistores: (MRS) la corriente cambia como variación con respecto a la amplitud del campo magnético, son usados en sensores, potenciómetros, detección de rotación, Compensación de temperatura (transistores de salida) En el caso de los activos en los últimos tiempos se incremente notablemente el uso de células fotovoltaicas como alternativa a otras fuentes de alimentación contaminantes. También son usadas para calentar el agua de calefacciones. Para los transductores capacitivos sus aplicaciones son: por su versatilidad y característica de poder detectar todo tipo de materiales, es un transductor muy bueno para todo tipo de procesos industriales. Detecta plástico, metal, agua y en general todo clase de objetos. Además existe mucha diversidad de transductores de este tipo, los hay, por ejemplo, para detectar liquido (lo cual no podríamos hacer con ninguna de los anteriores) poniendo como material dialéctico entre las armaduras dicho liquido. Los inductivos tienen gran aplicabilidad, ya que no necesitan de un contacto directo para detectar. Por ello se usan en toda clase de industria en la cual se ne cesite captar el pase de una pieza o carro transportador metálico, así por ejemplo en la industria automovilística (coches). Su escaso desgaste (no tiene rozamientos) hacen de él un excelente transductor industrial de gran duración.
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Finalmente
los transductores fotoeléctricos que generalmente se conocen como ópticos su uso es muy variado, nos encontramos con este tipo de transductores en puertas automáticas de cocheras, en procesos industriales para detectar objetos de cualquier tipo. Otra aplicación fundamental de estos transductores pueda ser la de alarma, puesto que el haz luminoso no es detectable por el ojo humano (infrarrojo).
2.
FUNDAMENTOS
Definición de Medición de variables.
DE LA MEDICIÓN DE VARIABLES.
La medición de variables, es posible conocer las magnitudes de los parámetros físicos de los sistemas de control que se analizan con el fin de mantener un control adecuado sobre las mismas. Para ello se emplean diversos instrumentos de medición tales como termómetros, manómetros, termopares, entre muchos otros. En el control automático de procesos existen diferentes tipos de variables: variable controlada y variable manipulada. La variable controlada es aquella que se debe mantener o controlar dentro de un valor deseado, mientras que la variable manipulada es aquella que se utiliza para mantener
a la variable controlada en el punto de fijación o punto de control. Finalmente, cualquier variable que ocasione que la variable controlada se desvíe de su punto de fijación se denomina perturbación o trastorno.
Unidades de Errores.
Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida. Si el sistema está en régimen permanente existe el llamado error estático. En condiciones dinámicas el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características comunes a los sistemas físicos: absorben energía del proceso y esa transferencia requiere cierto tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato. Siempre que las condiciones dinámicas, existirá en mayor o menor grado llamado error dinámico (diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento): su valor depende del tipo de fluido de proceso, de su velocidad, del elemento primario (termopar, bulbo y capilar), de los medios de protección (vaina), entre otros. El error medio del instrumento es la medida aritmética de los errores en cada punto de la medida de determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable de medida. Cuando
una medición se realiza con la participación de varios instrumentos, colocados uno a continuación del otro, el valor final de la medición estará constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos. Si
el límite de error relativo de cada instrumento es ± a ± b ± c ± d, el máximo error posible en la medición será la suma de dichos valores, es decir ±(a +b + c +d). Pero como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo tiempo su error máximo en todas las circunstancias medidas, se toma como error total de una medición de la raíz cuadrada de la suma algebraica de los cuadrados de los errores máximos de los instrumentos, es decir, la expresión:
Elementos de un Sistema de Medición.
Cada
-
sistema de control posee sus componentes básicos, los cuales son:
Sensor: Conocido también como elemento primario. Transmisor: El cual se conoce como elemento secundario. Controlador: se conoce como el cerebro del sistem a de control. Elemento Final de control: Normalmente se trata de una válvula de control. Otros elementos finales de control empleados son las bombas de velocidad variable, los motores eléctricos y los transportadores.
La importancia de estos componentes radica en que realizan las tres operaciones básicas que deben estar presentes en todo sistema de control, éstas son: - Medición: La medición de la variable que se controla se hace generalmente mediante la combinación de sensor y transmisor. - Decisión: Con base en la medición, el controlador decide qué hacer para mantener la variable en el valor que se desea.
- Acción: Como resultado de la decisión del controlador, se debe realizar una acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por el elemento final de control.
Procesamiento
de la información.
El funcionamiento de los elementos de un sistema de medición se encuentra entrelazado con el procesamiento de la información. Se puede observar como ocurre dicho proceso a través del siguiente ejemplo, en el cual se tiene un sistema de control de la temperatura de una corriente en un intercambiador de calor: El primer paso es medir la temperatura de salida de la corriente de proceso, esto se hace mediante un sensor (termopar, termómetros, entre otros). El sensor se conecta físicamente al transmisor, el cual capta la salida del sensor y la convierte en una señal lo suficientemente intensa como para transmitirla al controlador. El controlador recibe la señal que está en relación con la temperatura, la compara con el valor que se desea, y según el resultado de la comparación, decide que hacer para mantenerlo en el valor deseado. Basado en la decisión, el controlador envía otra señal al elemento final de control, el cual a su vez maneja el flujo de vapor de calefacción.
Términos relacionados con la señal y el campo de medición.
Exactitud:
Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida.
Precisión:
Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento (intervalo donde es admisible que sitúe la magnitud de la medida), y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio durante un período de tiempo determinado (normalmente 1 año). Existen varias formas para expresar la precisión: - Tanto por ciento del alcance. - Directamente en unidades de la variable medida. - Tanto por ciento de la lectura efectuada. - Tanto por ciento del valor máximo del campo de me dida. - Tanto por ciento de la magnitud de la escala.
Sensibilidad:
Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Es el valor mínimo en que se ha de modificar la variable para apreciar un cambio medible en el índice o en la pluma de registro del instrumento.
Repetibilidad:
Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma, del índice o de la señal de salida, del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo se ntido de variación, recorriendo todo el campo.
Histéresis:
Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente.
Campo de Medida (range):
Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento; viene expresado estableciendo los dos valores extremos.
Alcance (span):
Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento
Campo de Medición con elevación de cero:
Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del campo.
Campo de medida con supresión de cero:
Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del campo.
Elevación de Cero:
Es la cantidad con la que el valor ceor de la variable supera el valor inferior del campo. Puede expresarse en unidades de la variable medida o en % de alcance.
Fiabilidad:
Medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de los límites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas.
Resolución:
Magnitud de los cambios de los cambios en escalón de la señal de salida (expresados en tanto por ciento de la salida de toda la escala) al ir variando continuamente la medida en todo el campo.
Resolución Infinita:
Capacidad
de proporcionar una señal de salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo el instrumento.
Trazabilidad:
Propiedad del resultado de las mediciones realizadas con un instrumento o con un patrón, tal que puede relacionarse con patrones nacionales o internacionales, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones, con todas las incertidumbres determinadas.
Ruido:
Cualquier
perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas, que modifican la transmisión, indicación o registro de los datos deseados.
Linealidad:
Aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.
Estabilidad:
Capacidad
de un instrumento para mantener su comportamiento durante su vida útil y de almacenamiento especificadas.
Reproductibilidad:
Capacidad
de reproducción de un instrumento de las medidas repetitivas de la lectura o señal de salida para el mismo valor de la variable medida alcanzado en ambos sentidos, en las mismas condiciones de servicio y a lo largo de un período de tiempo determinado.
