control e instrumentacion - tecsup(definiciones)

5/28/2018 Control e Instrumentacion - TECSUP(Definiciones)

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Cooperacin Tcnica TECSUP/BID).


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UNIDADI

Tecnologas en laInstrumentacin Digital


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TECSUP Virtual Fundamentos de Medicin y Control de Variables Industriales

ndice

1. INTRODUCCIN........................................................................................................ 12. OBJETIVOS............................................................................................................... 1

2.1. GENERALIDADES.............................................................................................. 12.2. EVOLUCIN HISTRICA................................................................................... 3


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Unidad I Pag. 1

UNIDAD I

TECNOLOGAS EN INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL"

1. INTRODUCCINComo se ha comentado anteriormente, han habido en estas ltimas dcadas avancesconsiderables en la tecnologa de fabricacin de los dispositivos, equipos y sistemas deinstrumentacin y control industrial. Hagamos ahora una breve resea de como se ha dadoeste desarrollo para tener una idea general de las posibilidades actuales.

2. OBJETIVOS Revisar los conceptos de control manual y control automtico de procesos. Identificar las diversas tecnologas existentes en la instrumentacin industrial.2.1. GENERALIDADES

En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por eloperador (hoy an existe este tipo de control en muchas fbricas); la labor de esteoperador consista en observar lo que est sucediendo (tal es el caso de un descensoen la temperatura) y haca algunos ajustes (como abrir la vlvula de vapor), basadoen instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso porparte del operador.

Este lazo proceso a sensor, a operador, a vlvula, a proceso - se mantiene como unconcepto bsico en el control de procesos.

En el control manual, sin embargo, slo las reacciones de un operador experimentadomarcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errtico; ms an,esta persona estar siempre limitada por el nmero de variables que pueda manejar.

Por otro lado, la recoleccin de datos requiere de esfuerzos mayores para unoperador, que ya est dedicando tiempo importante en la atencin de los procesosobservados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir nmerosy datos, que evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso.

Todo esto se puede conjugar en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletosy difciles de manejar.

El control automtico a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos queconforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustesnecesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el controlmanual pero con muchas ventajas adicionales. Adicionalmente a esto, existen unaserie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir convarias funciones, algo que como se ha comentado, sera imposible de ser logrado porun operador con la precisin y eficiencia deseados.


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Telefona Bsica Tecsup Virtu@l

Pag. 2 Unidad I

Reservorio

Indicador

Instrumentista

Vlvula manual

Figura 1 : Control manual

Reservorio

Controlador

Vlvula de control

Sensor

Figura 2 : Control automtico


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Unidad I Pag. 3

2.2. EVOLUCIN HISTRICAEl control de los primeros procesos industriales se bas en la habilidad de losoperadores (control manual). En los aos siguientes, la aparicin de los controladoreslocales permiti al operador manejar varios lazos de control, pero subsista an elproblema de recoleccin de datos. Los controladores locales son an muy tiles, as

como tambin resistentes y simples. Sin embargo, debido a que estn directamenterelacionados con el proceso y por lo tanto estn diseminados a travs de toda laplanta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichosinstrumentos demande mucho tiempo.

El desarrollo de los dispositivos de control operados neumticamentemarc unmayor avance en el control de procesos. Aqu las variables pueden ser convertidas enseales neumticas y transmitidas a controladores remotos.

Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumtico realizaba simplesclculos basados en una seal de referencia (set point) y la variable del proceso yajustar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que eloperador poda controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizarlos cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radicaban enla lentitud de la respuesta del sistema de control de cambios rpidos y frecuentes y asu inadecuada aplicacin en situaciones en que los instrumentos estn demasiadoalejados (prdidas).

Alrededor de los 60, los dispositivos electrnicos aparecieron como alternativa dereemplazo a los controladores neumticos. Los controladores electrnicos para un lazocerrado, son rpidos, precisos y fciles de integrar en pequeos lazos interactivos; sinembargo, la mejora en cuanto a operacin con respecto a los neumticos erarelativamente pequea y adems la recopilacin de datos, an no muy fcil demanejar.

Algn tiempo despus de la aparicin de los sistemas de control electrnicosanalgicos, el desarrollo de los microprocesadores permiti el surgimiento de lostransmisores ycontroladores digitales, as como de los controladores lgicosprogramables (PLC), adems, de sistemas especializados como por ejemplo, lasmquinas de control numrico computarizado (CNC).

El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicacin,aparecen los sistemas de control digital directo (DDC), hasta los sistemas desupervisin y control actuales, con los cuales se logra manejar un gran nmero de

procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, analizar y optimizar diversasunidades y plantas e incluso, realizar otras actividades, como planificacin demantenimiento, control de calidad, inventario, etc.

Independientemente de la tecnologa, la evolucin de las tcnicas de control hantenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la accin directa delhombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos ysistemas automticos, sin embargo, existe una analoga muy clara entre estos ltimosy el hombre, en los que respecta a la forma de actuar.


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Telefona Bsica Tecsup Virtu@l

Pag. 4 Unidad I

Raciocinio

Accin

Sentidos

Cerebro

Manos, voz

Figura 3

Ser Humano

Impresin

sensorial

Decisin

Accin

Sensores

Unidad de control

Actuadores

Figura 4

Sistema automtico

Informacin

FIN DE LA UNIDAD


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UNIDADII

Componentes de unSistema de Control


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Tecsup Virtu@l Indice

ndice1. INTRODUCCIN........................................................................................................ 12. OBJETIVOS............................................................................................................... 1

2.1. SISTEMA DE CONTROL REALIMENTADO............................................................ 12.2. SENSORES....................................................................................................... 22.3. TRANSMISORES ............................................................................................... 32.4. CONTROLADORES............................................................................................ 52.5. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL .................................................................. 52.6. OTROS ELEMENTOS ......................................................................................... 6


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Unidad II Pag. 1

UNIDAD II

"COMPONENTES DE UN SISTEMA DE CONTROL"

1. INTRODUCCINAl hablar de sistemas de control, es necesario hacer una diferencia entre lo que es unsistema de mando y otro de regulacin. El primero est relacionado principalmente conprocesos de manufactura, en los cuales, la repeticin de secuencias es la caractersticafundamental. El segundo, tiene que ver con procesos en los que es necesario mantenerconstante el valor de una o ms variables, como sucede en un sistema realimentado. Eneste curso nos vamos a dirigir hacia el segundo tipo.

2. OBJETIVOS Identificar los componentes que forman parte de un tpico sistema de control

realimentado Conocer las funciones y caractersticas generales de estos componentes

2.1. SISTEMA DE CONTROL REALIMENTADOCon el fin de ver ms claramente la relacin de los componentes tpicos de un sistemaautomtico, se muestra en la figura 1 un diagrama en bloques de un sistema decontrol de lazo cerrado o realimentado. Cada bloque representa a un elemento cuyascaractersticas definen, en conjunto con los dems, el funcionamiento adecuado dedeterminado proceso en particular.

Aqu el proceso puede ser fsico o una reaccin qumica o conversin de energa.Existen distintos tipos de disturbiosque afectan las condiciones del proceso. Estosdisturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso.

La variable controlada, es el parmetro que se desea controlar hasta el valordeseado o referencia (set point). El sensor mide el valor de la variable controlada y eltransmisor, cambia este valor en una seal normalizada que puede ser transmitida.Esta seal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la funcin de losinstrumentos en el sistema tales como registro, indicacin, control y activacin dealarmas o enclavamiento.

En el caso del controlador que viene a ser el corazn del sistema, esta seal(variable medida)es comparada con el set point y la diferencia (desviacin) sirvepara el elemento final de control (comnmente una vlvula) para ajustar el valorde la variable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variable controladase dirija hacia el de la referencia.

Desde luego, no todos los sistemas de control automtico tienen exactamente estemodelo (llamado de realimentacin); existen variaciones como por ejemplo, el controlprealimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre estos, etc.basados en instrumentos de tecnologas antiguas o modernas; de todas estas

tecnologas, vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos deregulacin automtica, como veremos ms adelante.


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Pag. 2 Unidad I

ENCLAVAMIENTOS

ALARMAS

INDICADOR

REGISTRADOR

SENSOR

TRANSMISORCONTROLADOR

ELEMENTO

FINAL DE

CONTROL

PROCESO

SALIDAENTRADA

VARIABLE MANIPULADA

VARIABLE

CONTROLADA

VARIABLE

MEDIDASET

POINT

PROCESO

LAZO ABIERTO

LAZO CERRADO

ENTRADA SALIDA

Figura 1 : Sistema de control realimentado

Veamos ahora algunas consideraciones relacionadas a los componentes del diagramaanterior, desde los sensores hasta los elementos finales de control, mencionando

tambin aspectos de otros instrumentos no considerados en aquel diagrama, pero quetambin tienen importancia en algunos lazos de control.

2.2. SENSORESSon los elementos que detectan o sensan cambios en el valor de la variablecontrolada. A menudo se denominan elementos primarios y en algunos casosforman parte de un bloque con el llamado transmisoro aquel que recibe la salida delsensor y adapta esta seal con fines de transmitirla; a este conjunto se la denominatransductor.

En general, la respuesta de un sensor determina cuan bien se va efectuar la medicin,el registro o control de una variable; y su seleccin es el resultado de conocer bien lascaractersticas de un proceso.


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Algunas de las caractersticas ms importantes de un sensor o transductor quedefinen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolucin, etc., trminosincluidos en el glosario incluido en el Apndice I. Otro aspecto importante es eldenominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entreguela informacin final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendr unmejor control del proceso.

Los retardos de medicin implican errores mientras el proceso est cambiando. Lamedicin no es slo tarda, sino tambin inexacta, debido a que sigue cambiando, anteniendo ya una lectura disponible. A ms lentitud en la respuesta, ms inexactitud enla medicin cuando sea recibida. Un disturbio de corta duracin, sin embargo, puedeser completamente indetectado si su duracin es corta comparada con el retardo demedicin. En ese caso, probablemente el disturbio tendr mnimo efecto en elproceso.

La capacidad trmica de un sensor es funcin de su tamao, forma y material. Laresistencia al flujo de calor, sin embargo, depende de la naturaleza del fluido y de suvelocidad. Como ejemplo, la curva de respuesta de una termocupla expuesta colocadaen un fluido a temperatura, es una curva exponencial que llega al 83% de su amplitudfinal en un tiempo menor que al de una termocupla dentro de un termopozo. Ladiferencia en retardo se debe a la mayor capacidad (aumento de masa) del segundosensor.

En general, para cualquier variable a ser medida, estas consideraciones acerca deltiempo de respuesta son gravitantes en la respuesta de los otros elementos einstrumentos que existen en un determinado sistema de control.

2.3. TRANSMISORESLos transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten adistancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controladoro una combinacin de estos. Existen varios tipos de seales de transmisin:neumticas, electrnicas, hidrulicas y telemtricas. Las ms empleadas en laindustria son las electrnicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a lasneumticas como seales aplicadas a estos equipos; las seales hidrulicas se utilizanocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las seales telemtricascuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.

Los transmisores neumticos generan una seal neumtica variable linealmente, de 3a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 -100% de la

variable. Esta seal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes detransmisores y controladores neumticos en Estados Unidos. En los pases que utilizanel sistema mtrico decimal se emplea adems la seal 0,2-1 kg/cm2 que equivaleaproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las seales neumticasmencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como seales de entrada avlvulas de control o a sus posicionadores.

Los transmisores electrnicos generan varios tipos de seales elctricas de corrientecontinua y seales dgitales. Entre las primeras, las ms empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La seal electrnica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficientey de compromiso entre la distancia de transmisin y la robustez del equipo.


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Pag. 4 Unidad I

Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, est librede corrientes parsitas, emplea slo dos hilos que no precisan blindaje y permiteactuar directamente sobre miliampermetros, potencimetros, calculadores analgicos,etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la seal. El cero vivo con elque empieza la seal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avera porcorte de un hilo (la seal se anula) y de permitir el diferenciar todava ms el ruido

de la transmisin cuando la variable est en su nivel ms bajo.

Figura 2 : Transmisores digitales (cortesa de Yokogawa)

Los transmisores electrnicos se pueden catalogar en analgicos y digitales. Losprimeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundosen microprocesadores. Los transmisores analgicos estn hoy prcticamente endesuso y debido a su constitucin mecnica, presentan un ajuste del cero y delalcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

La tecnologa actual, ha hecho que los transmisores electrnicos, no slo incorporen alsensor formando un solo bloque, sino que adems, tengan posibilidades de control(PID) sobre el elemento final de control. A estos transmisores se les denominainteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre losanalgicos como veremos ms adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor de

seales digitales en estos transmisores determinar en algn momento laestandarizacin de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la seal analgicade 4-20 mA.


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2.4. CONTROLADORESUn controlador puede ser definido como un dispositivo que compara el valor de unavariable medida (seal de entrada) al valor deseado (set point) para producir unaseal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia paramanipular la variable controlada. La tecnologa de estos equipos ha variado desde

neumticos, hidrulicos hasta electrnicos, que son los empleados actualmente.Anteriormente, se mostr un tpico lazo de control automtico con los componentesbsicos: el elemento de deteccin (sensor) el elemento de medicin (transmisor), elelemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (vlvula uotro). Es de destacar que dos o ms de estos elementos pueden estar formando unsolo bloque, pero no es lo ms usual.

Figura 3 : Controladores digitales (cortesa de Honeywell)

En este lazo, el controlador el controlador responde como se ha dicho, a la diferenciaentre el set point y la variable medida y en base al tipo de control elegido, entregauna seal de control al elemento final. Durante muchos, aos se emplearoncontroladores neumticos actuando con las seales neumticas estndares antesmencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrnicosanalgicos y digitales. Los primeros, prcticamente ya no se fabrican (aunque todava

se utilizan) y han sido reemplazados por los ltimos, los cuales estn basados enmicroprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario ytienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores.

2.5. ELEMENTOS FINALES DE CONTROLSon aquellos que finalmente responden, dentro de un lazo de control para realizar uncambio en la variable controlada. En la mayora de los procesos las vlvulas decontrol, son las usadas, si se trata de controlar variables como flujo, presin, nivel,temperatura o mezcla de componentes. La mayora de los flujos de fluidos soncontrolados por vlvulas neumticas o elctricas, en otros casos se emplean bombas;

para servicios de gases a menudo se emplean vlvulas especiales y para slidos escomn hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidadelectrnico. Debido a que las vlvulas son los elementos finales de control msutilizados, estudiaremos sus caractersticas en el mdulo correspondiente.


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Pag. 6 Unidad I

2.6. OTROS ELEMENTOSDentro de este grupo podemos citar algunos dispositivos e instrumentos que realizanotro tipo de funciones como indicadores, registradores, conversores, alarmas einterruptores y elementos de funciones especiales.

En lo respecta a indicadores, se incluyen elementos que tienen escalas graduadas quepueden ser lineales o no; los indicadores pueden ser analgicos (con aguja indicadorao incluso con barras verticales de diferente color) o digitales que presentan la variablemedida en forma numrica.

Los registradores proveen registros continuos de las variables medidas con respecto altiempo, las cartas registradoras, usan esencialmente las mismas escalas que losinstrumentos indicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo:pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Las velocidades deregistro varan desde varios minutos por revolucin hasta varios das por revolucin,en el caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo acentmetros por hora, para los de carta de cinta. Los registradores multi-punto sonusados cuando se necesita ms de una variable.

Actualmente se dispone tambin de los llamados registradores inteligentes (basadosen microprocesadores) que van mucho ms all de registrar las tendencias de lasvariables (es posible hacer anlisis, reportes, etc.) siendo la tendencia a dejar deemplear papel y ms bien guardar los datos en memoria (accin hasta hace pocorealizada solamente por los llamados data loggers) y mostrarlos en una pantalla decristal lquido (LCD) o a travs de una computadora.

El desarrollo de controladores electrnicos cre la necesidad de contar condispositivos que convirtiesen seales de un tipo de energa a otro y de un nivel deseal a otro, como el conversor de corriente a presin para actuar sobre las vlvulasneumticas.

A menudo se requiere convertir seales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemaselectrnicos que reciben seales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores queenvan seales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizara un conversor de corriente acorriente aunque ya hoy en da, esto constituye una opcin de software y no dehardware, como tambin ha sucedido con los extractores de raz cuadrada y otrosdispositivos de clculo debido al desarrollo de la tecnologa digital.

Las funciones de alarma e interrupcin, se utilizan ante condiciones anormales de un

proceso. Los dispositivos empleados para estas funciones, pueden simplementeindicar o tambin realizar alguna accin de control.

Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversasaplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, vlvulas-solenoide, programadores,etc. cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo.


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Figura 4 : Registradores (cortesa de Endress + Hauser)

FIN DE LA UNIDAD


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UNIDADIII

Medicin de Presin


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2.1. UNIDADES DE PRESIN ................................................................................... 12.2. DISPOSITIVOS DE BALANCE DE GRAVEDAD ...................................................... 22.3. ELEMENTOS DE DEFORMACIN ELSTICA ........................................................ 22.4. TRANSDUCTORES ELCTRICOS DE PRESIN..................................................... 2


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UNIDAD III

MEDICION DE PRESION

1. INTRODUCCINEl trmino presin puede ser definido como la accin de una fuerza contra otra en sentidoopuesto. Usualmente es medida como fuerza por unidad de rea. Las unidades ms usadasindustrialmente incluyen al bar, libra por pulgada cuadrada (psi), atmsfera, pulgadas deagua y mercurio etc.

Existen varias formas de clasificar los elementos o dispositivos medidores de presin. Unade ellas, los divide en aquellos denominados de balance de gravedad, los que empleandispositivos de deformacin elstica y los que utilizan elementos que entregan unarespuesta elctrica representativa de la presin medida.

2. OBJETIVOS Identificar las diversas formas de medir presin en la Industria. Conocer las caractersticas de los dispositivos ms empleados para medir esta variable.2.1. UNIDADES DE PRESIN

El tipo de presin que mayormente se mide en los procesos industriales es ladenominada presin manomtrica que es la que tiene como referencia o punto departida a la presin atmosfrica. Para tal fin se emplean medidores llamadosmanmetros cuyas escalas estn graduadas en diversas unidades. En la tabla

siguiente podemos comparar las unidades ms importantes:

(1)nidad

psi kg/cm2 bar kPa H2O atm

psi 1 0,07031 0,06894 6,89475 27,68 0,06805

kg/cm2 14,2233 1 0,98067 98,0665 393,702 0,96785

bar 14,5038 1,01971 1 100 401,465 0,98692

kPa 0,14504 0,01019 0,01 1 4,01465 0.00987

H2O 0,03613 0,00252 0,00249 0,24909 1 0,00246

(i)tm

14,696 1,03322 1,01325 101,325 406,784 1

Tabla 1 : Comparacin de unidades de presin


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Pag. 2 Unidad III

2.2. DISPOSITIVOS DE BALANCE DE GRAVEDADMiden presiones desconocidas, balancendolas en contra de la fuerza gravitacional delquidos; a pesar de que son ms usados en laboratorio, encuentran aplicaciones enplantas industriales.

Dentro de los ms usados se encuentran los manmetros de tubo en "U", los de tuboinclinado, los de cubeta y los de cubeta de tubo inclinado. En estos casos, el lquidomanomtrico a utilizar es el mercurio, aunque el agua tambin se usa cuando se tratade medir presiones bajas. Adicionalmente a estos dispositivos, se tienen la de tipoflotador y aquellos con lquido de sello que poco a poco van siendo dejados de ladopor otros tipos de medidores.

2.3. ELEMENTOS DE DEFORMACIN ELSTICASon dispositivos que alteran su forma cuando son sometidos a presin. Dentro deestos, aparecen los tubos de Bourdon (en "C", en espiral y helicoidal), en donde laforma y tipo de material definen el rango de aplicacin; tambin, se utilizan losdenominados diafragmas, cpsulas y fuelles, generalmente comn en medicin depresiones relativamente ms bajas que para el caso de los tubos de Bourdon). Estoselementos han sido los ms empleados en la fabricacin de manmetros.

Figura 1 : Manmetros (cortesa de Dwyer)

2.4. TRANSDUCTORES ELCTRICOS DE PRESINCualquiera de los dispositivos de deformacin elstica puede ser unido a undispositivo elctrico para formar un transductor elctrico de presin. Estos, producencambios de resistencia, inductancia o capacitancia.

Dentro de los primeros se deben mencionar a las galgas extensiomtricas (straingages). Una galga extensiomtrica es simplemente un alambre muy fino formandouna grilla la cual est pegada a un papel especial. Cuando la grilla es afectada por lapresin, ocurre un cambio de resistencia de acuerdo a la siguiente frmula:

En donde es la resistividad del alambre, L la longitud del mismo y A, el rea de laseccin recta.


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Este tipo de transductor puede ser usado para detectar pequeos movimientos y porlo tanto pequeos cambios de presin. Las galgas extensiomtricas utilizan circuitoscon puente de Wheatstone para obtener una salida elctrica. Otro tipo de transductorsimilar emplea un disco elstico en el cual, el elemento de deformacin es de silicio yest sellado en un fluido con silicona y protegido por un diafragma.

El sensor tipo capacitivo consiste de dos placas conductivas y un dielctrico. Amedida que aumenta la presin, las placas tienden a apartarse, cambiando sucapacitancia. El fluido que est midiendo, sirve de dielctrico.

Debido a que la medicin de nivel y de flujo requieren en algunos casos medirpresin diferencial, este tipo de presin es de gran importancia en los procesosindustriales. Dentro de los dispositivos ms utilizados se emplean algunos cuya salidanormalizada, los convierte en transmisores, sean neumticos o electrnicos. En amboscasos se trata de instrumentos en donde una cpsula de diafragma o sensorcapacitivo sirve de sensor primario radicando desde luego la principal diferencia en laestructura de salida (transmisin).

Figura 2 : Transductores de presin (cortesa de Endress + Hauser)

FIN DE LA UNIDAD


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UNIDADIV

Medicin de Temperatura


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2.1. TERMMETROS................................................................................................ 12.2. SISTEMAS TRMICOS DE LLENADO................................................................... 22.3. MTODOS ELCTRICOS.................................................................................... 2

2.3.1. TERMOCUPLAS...................................................................................... 22.3.2. RTD...................................................................................................... 32.3.3. TERMISTORES....................................................................................... 42.3.4. SENSORES DE ESTADO SLIDO ............................................................. 42.3.5. PIRMETROS........................................................................................ 4


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UNIDAD IV

MEDICION DE TEMPERATURA

1. INTRODUCCINLa temperatura es una variable, que a diferencia de otras, debe ser medida en trminos delos efectos indirectos que tiene sobre las propiedades fsicas de los materiales o en loscambios producidos en circuitos elctricos (voltaje o resistencia). Cambios como estos,deben relacionarse con fenmenos reproducibles en laboratorio, tales como los puntos deebullicin y congelacin del agua. Los puntos de calibracin en laboratorios son a menudobasados en las temperaturas en las cuales existe un equilibrio lquido vapor de sustanciaspuras, como oxgeno, agua, sulfuro, plata y oro.

2. OBJETIVOS Identificar las diversas formas de medir temperatura en la Industria Conocer las caractersticas de los dispositivos ms empleados para medir esta variable2.1. TERMMETROS

Sobre un periodo de aos, por lo menos cinco escalas de temperaturas diferentes sehan usado en la medicin de esta variable. Las dos ms comnmente usadas,Fahrenreit y Centgrada, usan alcances (span) arbitrarios de 180F y 100Crespectivamente para los puntos de ebullicin y congelacin del agua. Otras dosescalas (Rankine y Kelvin) que tienen como referencia el cero absoluto.

Desde un punto de vista histrico, el primer dispositivo prctico para medirtemperatura fue el termmetro de vidrio, es por eso que empezaremos por l paraexaminar las diversas formas que existen para medir temperatura:

Termmetros de Vidrio: Las sustancias minerales se contraen o expanden unacierta cantidad por cada grado de cambio de temperatura. Este es el principio de laexpansin trmica. Cuando se aplica calor a un termmetro de vidrio que contiene porejemplo mercurio, ste se expande ms que el bulbo de vidrio que lo contiene. Ladiferencia en expansin, obliga al mercurio a subir por un tubo capilar en formauniforme con respecto al cambio de temperatura, de modo tal que con calibrar el tubocon una determinada escala, se tendr una lectura directa de la temperatura. Los

termmetros con mercurio se pueden usar desde 33F a +800C. Sin embargo, paratemperaturas muy bajas se utilizan termmetros que contienen alcohol (-300C a+600C).

Termmetros Bimetlicos: La operacin de estos dispositivos se basa en elprincipio de que los metales diferentes tienen diferentes coeficientes de expansintrmica. Si dos aleaciones metlicas diferentes son soldadas formando un espiral setiene el elemento bimetlico. Cuando este conjunto es calentado, tiende adesarrollarse debido a la diferente expansin trmica de cada aleacin. Si se conectaun puntero al espiral por medio de un eje, el puntero se mover e indicar latemperatura sobre una escala circular calibrada.


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Pag. 2 Unidad IV

2.2. SISTEMAS TRMICOS DE LLENADOUno de los sistemas ms antiguos para medir temperatura se basa en el uso determmetros actuados por presin, que utiliza sistemas "de llenado" (sistemas llenoscon lquido, gas o vapor) que responden a las variaciones de temperatura. Todos losfluidos, sean lquidos, vapores o gases, se expanden cuando son calentados y se

contraen cuando son enfriados. Este fenmeno se utiliza para expandir un elementode presin, usualmente un tubo de Bourdon el cual transmite el movimiento a unindicador o asociados a otros elementos para transmitir o registrar. Son bsicamentesistemas sencillos y robustos que sin embargo han ido desapareciendo dejando sulugar a otros tipos de formas de medicin que veremos a continuacin.

2.3. MTODOS ELCTRICOSExisten varias formas de obtener una seal elctrica que represente a la temperaturamedida. Dentro de stas podemos sealar a los sistemas de medicin que empleantermocuplas, RTD y otros.

2.3.1. TERMOCUPLASLa termocupla es una de los ms simples y comunes mtodos usados paradeterminar la temperatura de procesos. Cuando se requiere una indicacinremota o cuando se necesita displayar la temperatura de varios puntos, estemtodo es el ms apropiado. En 1821 T.J. Seebeck descubri que cuando seaplicaba calor a la unin de dos metales distintos, se generaba una fuerzaelectromotriz, la cual puede ser medida en otra juntura (fra) de estos dosmetales (conductores); estos conductores forman un circuito elctrico y lacorriente circula como consecuencia de la f.e.m. generada. Esto es vlidosiempre y cuando las temperaturas en las dos uniones sean distintas.

Figura 1 : Efecto Seebeck

Para una determinada combinacin de materiales, el voltaje de salida (enmilivoltios) vara en proporcin directa a la diferencia de temperatura entredichas uniones o junturas. Para que la medida corresponda a la temperatura

real, la juntura fra (fsicamente localizada a la entrada del instrumentoreceptor) debe mantenerse constante, comnmente referida a cero gradoscentgrados. Para lograr han aparecido en el tiempo varios mtodos, siendoactualmente utilizada la electrnica para tal fin. La juntura de medicin(unin caliente) desde luego, estar ubicada en el lugar en donde serequiere medir temperatura.

Figura 2 : Medicin con Termocupla


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Para temperaturas moderadas (hasta alrededor de 260 C), combinacionesde hierro y cobre, hierro y constantn (aleacin de cobre y nquel) sonusadas frecuentemente. A altas temperaturas (hasta alrededor de 1640C), los hilos son fabricados de platino o aleacin de platino y rodio.

A las termocuplas se les designa comnmente con una letra. As por

ejemplo, una termocupla tipo J es de hierro / constantn (la barra deseparacin es para indicar los materiales de cada hilo) y una de tipo K es decromel / alumel (el cromel es una aleacin de cromo y nquel y el alumel esde aluminio y nquel); mayores datos tcnicos acerca de las termocuplas sepueden observar en el Apndice II.

Existen varias combinaciones usadas en la fabricacin de termocuplas y laseleccin adecuada de estos sensores depende de su rango de utilizacin,salida en mV /C y los errores mximos en la medicin, adems de lascaractersticas mecnicas deseadas. Las termocuplas no siempre estn encontacto directo con el proceso. A menudo se emplean elementosprotectores que a la vez permiten remover una termocupla sin interrumpir elproceso. Tal es el caso de los termopozos.

Figura 3 : Termopozos (cortesa de Omega)2.3.2. RTD

Estos dispositivos cuyas siglas en ingls significan detectores resistivos detemperatura, han sido usados durante aos y an son muy populares en laactualidad. Se basan en el aumento de resistencia de un hilo conductor conel incremento de la temperatura. La magnitud de este cambio con respectoal cambio de temperatura en l, se llama "coeficiente trmico de resistencia"del material conductor.

Para la mayora de metales puros, este es constante sobre cierto rango detemperatura. Por ejemplo, el coeficiente del platino ( )es 0.00392 ohm /(ohm) (C) sobre un rango de 0C a 100C, teniendo una resistencia de 100ohmios para una temperatura de 0C, por lo que recibe el nombre de Pt -100. Para la mayora de conductores, el coeficiente mencionado () espositivo. Comnmente los materiales empleados incluyen platino, nquel,cobre, nquel hierro y tungsteno. Entre todos ellos, el platino es el msusado debido a su caracterstica lineal sobre la mayor parte de su rango;tambin el nquel, por su gran coeficiente de resistencia, aunque no tieneuna caracterstica lineal.


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Para el Pt 100, se puede utilizar la siguiente frmula para obtener larespuesta aproximada del sensor para una temperatura dada:

R = 100 (1 + T)

Debido al dimetro tan pequeo del hilo utilizado en estos RTD (0.05 mm),

su construccin incluye blindajes protectores contra choques mecnicos. Amenudo las sondas de resistencia se fabrican con tres o cuatro hilos desalida con fines de eliminar los efectos de cambio de resistencia en los hilosde extensin por cambios de la temperatura ambiente. Los circuitos demedicin comunes emplean puentes de Wheatstone.

2.3.3. TERMISTORESSon semiconductores hechos de carbn, germanio, silicio y mezclas deciertos xidos metlicos, que exhiben coeficientes de temperaturas elevadas,usualmente negativos (NTC). Su caracterstica es no lineal y exhiben loscambios ms grandes en rangos de temperatura criognicos por debajo de100K. Su resistencia es una funcin de temperatura absoluta. Lasprecisiones de estos dispositivos varan con el rango de temperatura. Porejemplo, un sensor de germanio puede tener una variacin de 0.005Ksobre un rango criognico de 1.5a 5K y de 0.1K sobre un rango de 40a 100K. Esto incluso puede variar con el tiempo de uso del sensor.

Adicionalmente, al uso de los termistores como dispositivos de temperatura,se usan en regulacin de voltaje, control de nivel de potencia, compensacinde otros sensores de temperatura, control de temperatura y comodetectores en analizadores.

2.3.4. SENSORES DE ESTADO SLIDOSon pequeos transductores que convierten una entrada de temperatura enuna corriente de salida proporcional a ella. Son especialmente utilizados enaplicaciones dentro del rango de 55C a 150C en donde se requieren granconfiabilidad, linealidad y exactitud. Una de las aplicaciones ms importanteses en la compensacin de la juntura fra para sistemas de medicin contermocupla.

2.3.5. PIRMETROSSon dispositivos que miden temperatura por encima del rango aplicable a lastermocuplas, a pesar que ciertas aleaciones, permiten a estas ltimas llegara 3000C aunque durante breves periodos. Algunos pirmetros pueden serusados para medir temperaturas tan bajas como 0C y tan altas como5000C con gran precisin.

Los pirmetros se clasifican en dos grupos; los denominados pirmetros deradiacin total y los llamados pirmetros de radiacin parcial. La pirometrade radiacin usa la propiedad de la radiacin trmica que es emitida portodos los materiales (excepto gases inertes) a una temperatura de ceroabsoluto. Es particularmente interesante debido a la no necesidad de

contacto directo con el material cuya temperatura se quiere medir.


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Los pirmetros de radiacin ms empleados actualmente son los infrarrojosque por la tecnologa digital que poseen los hacen cada vez ms verstilesque sus predecesores, permitiendo por ejemplo automticamente hacercompensacin por variaciones de la temperatura ambiente, ajuste deemisividad, etc.

Figura 4 : Pirmetro de Radiacin (cortesa de Omega)

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UNIDADV

Medicin de Nivel y Flujo


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2.1. MEDIDORES DE NIVEL ..................................................................................... 12.1.1. MEDICIN DIRECTA .............................................................................. 12.1.2. MEDICIN INDIRECTA........................................................................... 3

2.2. MEDIDORES DE FLUJO..................................................................................... 52.2.1. MEDICIN POR PRESIN DIFERENCIAL.................................................. 52.2.2. MEDIDORES DE REA VARIABLE ............................................................ 62.2.3. MEDIDORES MAGNTICOS..................................................................... 72.2.4. MEDIDOR A TURBINA............................................................................ 72.2.5. MEDIDOR DE VRTICE .......................................................................... 72.2.6. MEDIDORES DE FLUJO TOTAL ............................................................... 8


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UNIDAD V

MEDICION DE NIVEL Y FLUJO

1. INTRODUCCINExiste una gran variedad de dispositivos de medicin de nivel y flujo segn las necesidadesde la industria. En algunos casos la precisin es relativa y basta con tener una ideaaproximada de la variable o conocer cuando se llega a un lmite preestablecido. En otroscasos, se necesita un control preciso de estas variables por su efecto significativo en lacalidad del proceso, controlabilidad o an costo.

2. OBJETIVOS Identificar las diversas formas de medir nivel y flujo en la Industria Conocer las caractersticas de los dispositivos ms empleados para medir estas variables2.1. MEDIDORES DE NIVEL

Los medidores de nivel pueden clasificarse en dos grupos generales: directos eindirectos. Los primeros aprovechan la variacin de nivel del material (lquido o slidosgranulares) para obtener la medicin. Los segundos, usan una variable, tal comopresin, que cambia con el nivel del material. Para cada caso, existen instrumentosmecnicos y elctricos disponibles.

2.1.1. MEDICIN DIRECTALos primeros dispositivos usados para indicar nivel consistan de tubos de

vidrio de modo tal que el operador viese el fluido de proceso. Con el correrdel tiempo, los cristales planos del tipo reflexivo o transparente hanreemplazado a los anteriores. En el caso de que el fluido sea peligroso(corrosivo, txico, etc.) como para emplear vidrio, se utilizan los de tipomagntico, en los cuales un imn instalado en un flotador permite eldesplazamiento de un seguidor y este mecnicamente mueve un indicadorrelacionado a una escala graduada.

El empleo de flotadores es muy comn, generalmente para acciones decontrol (interruptores de nivel). Del mismo modo los desplazadores, tienenacciones similares a los flotadores o boyas, con la diferencia que su

movimiento, es ms restringido. Cuando el nivel de lquido cambia, lacantidad cubierta por el desplazador, va creciendo a medida que este essumergido. La fuerza es transferida a un sistema neumtico a travs de uneje y de all al indicador.

El mtodo de contacto puede ser empleado para slidos granulares o paralquidos; en estos casos se emplea una pesa o un flotador respectivamente.El inicio de medida se da por un pulsador o un temporizador, para poner lapesa o flotador conectado a un cable, en reposo sobre el material. Lo que sesensa realmente es la variacin de la tensin del cable cuando se entra encontacto con los slidos granulares o el lquido a medir. La indicacin del

nivel se da por intermedio de un circuito elctrico asociado al motor quesube y baja el cable.


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Los sondas elctricas propiamente dichas, emplean mtodos conductivos,capacitivos y ultrasnicos para medicin de nivel.

A causa de la distancia de los electrodos, la sonda de conductividad seasemeja a una buja. Estos dispositivos son usados con lquidos conductores.Los electrodos se alimentan con corriente continua, siendo montados dentro

del recipiente contenedor del lquido; cuando el lquido toma contacto concualquiera de los electrodos, una corriente elctrica fluye entre el electrodo ytierra. Este mtodo cuando se usa para algn tipo de control, es por logeneral para actuar sobre una bomba.

Figura 1 : Medicin por conductividad (cortesa de Endress +

Hauser)

El mtodo capacitivo utiliza una sonda como una de las placas de uncondensador, siendo la otra placa el contenedor mismo. El material entreellos, viene a ser dielctrico. El cambio de nivel origina un cambio en lasalida del circuito electrnico, proporcional al cambio de la capacidad (figura6), por lo que este mtodo es de indicacin continua del nivel a diferenciadel conductivo que sera entonces, uno discreto.

Figura 2 : Mtodo capacitivo (cortesa de Endress + Hauser)

Los medidores del tipo ultrasnico se usan tanto para medicin continua,como discreta de nivel, aunque generalmente su uso est dado en accionesde alarma.


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En todos los diseos, se genera una seal en frecuencia y la interrupcin odeteccin de la seal generada es la base para una accin de control(detectores discretos). En medicin continua, se mide el tiempo transcurridoentre la emisin de la seal y la recepcin de la reflejada.

Figura 3 : Medicin por ultrasonido (cortesa de Endress + Hauser)

2.1.2. MEDICIN INDIRECTAVarios tipos de dispositivos de medicin indirecta de nivel son en efectosensores de presin hidrostticos. El ms sencillo consiste en unmanmetro ubicado en el nivel cero de un contenedor de lquido.Cualquier incremento de nivel causa un aumento de la presin hidrosttica,la cual es medida con el manmetro. La escala del manmetro es graduadaen unidades de nivel.

En el caso de mtodo de burbujeo, se utiliza una tubera conectadaverticalmente en el contenedor. El extremo con abertura de la tubera esubicado en el nivel cero del contenedor. El extremo es conectado a unsuministro de aire. Cuando se va a hacer la medicin de nivel, el suministrode aire es regulado para que as la presin sea ligeramente ms alta que lapresin hidrosttica. Este punto se encuentra al observar burbujas saliendopor el extremo inferior del tubo. Se lee entonces en el manmetro laindicacin de nivel (pies, pulgadas, galones, etc.).

Un instrumento muy popular que utiliza el mtodo por presin hidrosttica

es el transmisor de presin diferencial; en realidad, este enva unaseal normalizada proporcional a la diferencia de dos presiones, una debidaal lquido cuyo nivel se desea determinar (entrada alta) y otra debida a lapresin atmosfrica (entrada baja), siempre y cuando sea un sistema abierto(tanque abierto a la atmsfera).

Para el caso de tanques cerrados, la entrada "baja" debe conectarse ya seadirectamente en contacto con el gas encerrado en el extremo superior deldepsito o utilizando un fluido de sello. En todo caso, la calibracinadecuada permitir una seal de salida (electrnica o neumtica)proporcional al nivel.


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Figura 4 : Medicin con transmisor de presin diferencial(cortesa de Endress + Hauser)

Los dispositivos radiactivos tambin pueden ser utilizados tanto paramedicin discreta como continua de nivel. Se utilizan fundamentalmentecuando el material a ser medido es muy corrosivo, cuando las temperaturasen el punto de medicin durante el proceso son muy altas, o en general,cuando la situacin no permite la instalacin de elementos primarios dentrodel recipiente de almacenamiento.

En la aplicacin de medicin discreta o mejor dicho para detectar un

determinado punto, la fuente radiactiva y su receptor, se montan a amboslados del tanque al nivel deseado para la deteccin. Cuando el material seinterpone entre el emisor y el receptor, se corta el suministro del materialhacia el recipiente. En la aplicacin que requiere una medicin continua delnivel por este mismo mtodo, se utilizan varias fuentes radiactivas y uno oms detectores.

Figura 5 : Mtodo por radiactividad (cortesa de Endress + Hauser)

Otro mtodo indirecto para determinar el nivel de los materiales es medir el

pesode los mismos, en forma mecnica o elctrica. Los sistemas elctricosutilizan las llamadas celdas de cargasbasadas en galgas extensiomtricas(ya mencionadas anteriormente).


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A medida que las celdas son comprimidas por el peso del material dentro delrecipiente, tambin cambia la resistencia de las galgas y por lo tanto vara laseal elctrica a la salida del puente de Wheatstone usado en la medicin.La medicin puede ser analgica o digital y la escala estar calibrada enunidades de nivel.

2.2.

MEDIDORES DE FLUJOLa medicin de flujo constituye tal vez, el eje ms alto porcentaje en cuanto amedicin de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene laimportancia de esta, ya que sin mediciones de flujo, sera imposible el balance demateriales, el control de calidad y an la operacin de procesos continuos.

Existen muchos mtodos para medir flujos, en la mayora de los cuales, esimprescindible el conocimiento de algunas caractersticas bsicas de los fluidos parauna buena seleccin del mejor mtodo a emplear. Estas caractersticas incluyenviscosidad, densidad, gravedad especfica, compresibilidad, temperatura y presin, lascuales no vamos a detallar aqu.

Bsicamente, existen dos formas de medir el flujo: el caudal y el flujo total. El caudales la cantidad de fluido que pasa por un punto determinado en cualquier momentodado. El flujo total de la cantidad de fluido por un punto determinado durante unperiodo de tiempo especfico. Veamos a continuacin algunos de los mtodosempleados para medir caudal.

2.2.1. MEDICIN POR PRESIN DIFERENCIALUtiliza dispositvos que originan una presin diferencial debido al paso de unfluido por una restriccin. La razn de hacer esto es que el caudal esproporcional a la raz cuadrada de la diferencia de presiones entre dospuntos, antes y despus de la restriccin. Uno de estos elementos es laplaca - orificioo placa perforada. All, el fluido sufre una disminucin desu presin, la cual es mnima en el punto denominado "vena contracta". Sibien es cierto, la presin tiende a recuperarse, existe al final una prdida depresin.

Una placa- orificio se coloca en una tubera, sujeta entre dos bridas. Laforma y ubicacin del agujero son el rasgo distintivo de tres tipos de estedispositivo: la placa concntrica, la excntrica y la segmental; la seleccin dealgunas de stas depende de las caractersticas del fluido a medir. Existen

tres tipos de tomas de presiones a ambos lados del elemento primario:tomas de bridas, tomas de tubera y tomas de vena contracta.Igualmente, aqu las caractersticas del fluido influirn en la eleccin dealguna de estas.

Tpicamente se utiliza un transmisor de presin diferencial para la toma delas presiones y el envo de una seal que represente al flujo. A esta seal sinembargo se le debe extraer la raz cuadrada para obtener una respuestalineal con respecto al flujo. Antiguamente se empleaban instrumentosespeciales para tal fin. Hoy, esta es una funcin de software en instrumentosdigitales. La placa perforada es finalmente, un elemento simple, barato,

aunque no muy preciso, como otros dispositivos de presin diferencial.Aunque funcionalmente es sujeta a la erosin y dao, es fcil de reemplazar.


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Figura 6 : Medicin con placa - orificio y transmisor de presin

diferencial (cortesa de Endress + Hauser)

Otra restriccin de tubera para la medicin del flujo es el tubo Venturi, elcual es especialmente diseado a la longitud de la "tubera". Tiene la formade dos embudos unidos por sus aberturas ms pequeas y se utiliza paratuberas grandes; es ms preciso que la placa-orificio, pero esconsiderablemente ms costoso y ms difcil de instalar. Un promedio entrela placa-orificio y el tubo Venturi es la tobera de flujo, la cual asemeja lamitad de un tubo Venturi por donde entra el fluido; este dispositivo es tanpreciso como el tubo Venturi, pero no tan costoso ni difcil de instalar.

Las tomas de presin utilizadas para el tubo Venturi, estn situadas en lospuntos de mximo y mnimo dimetro de tubera. Para el caso de la tobera,se ubican segn recomendaciones del fabricante.

Otro elemento primario para medir flujo por el mtodo de presin diferenciales el Tubo Pilot, el cual en su forma ms simple, consiste en un tubo conun orificio pequeo en el punto de medicin (impacto). Cuando el fluidoingresa al tubo, su velocidad es cero y su presin es mxima. La otra presinpara obtener la medida diferencial, se toma de un punto cercano a la paredde la tubera.

Realmente, el tubo Pilot mide velocidad de fluido y no caudal y adems, nonecesariamente el fluido debe estar encerrado en una tubera. Podra porejemplo, ser usado para medir el flujo del agua de un ro o flujo de aire alser suspendido desde un avin.

2.2.2. MEDIDORES DE REA VARIABLESe distinguen de los anteriores en que en aquellos existe una variacin depresin, mientras el rea permanece constante. Aqu sin embargo, lo quepermanece constante es la presin diferencial, gracias a la suficientevariacin del rea. Uno de estos es el rotmetro el cual consta de un tubo

cnico vertical que encierra un flotador; ste, dependiendo del caudal, tomauna posicin en el tubo que aumenta o disminuye el tamao del rea y asmantiene la presin constante. Una escala graduada dentro del tubo, estarcalibrada en unidades de presin y as tener una lectura directa de la misma.


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Los rotmetros se pueden fabricar con tubos de vidrio, metal y plstico.Estos dos ltimos se utilizan cuando el fluido es muy corrosivo o my oscuropara permitir la colocacin de una escala interna. En esos casos se usa unseguidor magntico relacionado a un imn colocado en el flotador interno yas transmitir mecnicamente la variacin del caudal a un indicador.

2.2.3.

MEDIDORES MAGNTICOSUtilizan la ley de induccin de Faraday, que establece que cuando unacorriente pasa por un conductor y existe un campo magntico en direccintransversal al mismo, se crea un potencial elctrico proporcional a lacorriente.

En la aplicacin para medir caudal, se coloca un tubo aislado elctricamentecon un par de electrodos montados a ambos lados del tubo y rasantes con elfluido. Unas bobinas elctricas se colocan alrededor del tubo de modo tal degenerar un campo magntico en un plano perpendicular, tanto al eje delcuerpo del voltaje de salida es proporcional a la velocidad promedio delfluido; no interesa si este es laminar o turbulento. Adems, es independientede la viscosidad, densidad, temperatura y presin.

Si bien es cierto, se requiere que el fluido tenga cierta conductividad mnima,la seal de salida no vara con el aumento de la conductividad, lo cual es unaventaja. En aplicaciones en donde es necesario medir flujo de masa, sepuede lograr esto midiendo la densidad del fluido y multiplicando las dosseales.

2.2.4. MEDIDOR A TURBINAUn instrumento de este tipo consiste de una rueda de turbina de precisin,montada en cojinetes de una porcin de tubera, y una bobinaelectromagntica colocada en la pared de la tubera, causa el giro de laturbina a una velocidad que vara directamente con el caudal del fluido deproceso. La interrupcin del campo magntico, con cada paso de cada hojade la turbina produce un pulso elctrico. La frecuencia de estos pulsosdetermina la velocidad del fluido.

2.2.5. MEDIDOR DE VRTICELa forma de medicin es parecida a la de la turbina. Sin embargo, aqu un

dispositivo fijo a la entrada de la tubera similar a una hlice, genera unmovimiento rotatorio al fluido. Otro dispositivo, se encarga posteriormentede restablecer el caudal original al fluido. La oscilacin de ste en el puntode medicin, es proporcional al caudal. Estas oscilaciones producenvariaciones de temperatura en un sensor colocado en el rea, variacionesque luego se convierten en pulsos de voltaje que son amplificados, filtradosy transformados en ondas cuadradas para ser luego ingresados a uncontador electrnico.


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Figura 7 : Medidores magntico y vrtice(cortesa de Endress + Hauser)

Existen otros medidores de caudal como son el de placa de impacto, quemide flujo, sumando la fuerza que el fluido desarrolla sobre un "blanco" quees una placa de disco; esta fuerza es proporcional a la raz cuadrada delflujo, los de ultrasonido, que emplean un transmisor y un receptor (a vecesinstalados en el mismo receptculo) para medir la desviacin en frecuenciaen la seal del transmisor, debido a la velocidad del fluido.

En los casos de medicin de caudal en canales abiertos, se puedenmencionar la represa, la tobera abierta y los vertederos en dondebsicamente se mide nivel de fluido, que vara al pasar por estosdispositivos. Un pozo quieto adyacente al canal tiene un sensor de nivel(generalmente un flotador), cuya posicin vertical vara en funcin delcaudal.

2.2.6. MEDIDORES DE FLUJO TOTALDentro de este tipo de dispositivos se tienen los denominados medidores dedesplazamiento positivo, los cuales, separan la corriente de flujo enincrementos volumtricos individuales y cuentan dichos incrementos. Losmedidores son fabricados de modo tal que cada instrumento volumtrico esconocido en forma precisa y la suma de estos incrementos da una medidamuy aproximada del volumen total que pasa a travs del medidor. Lamayora de los medidores de desplazamiento positivo son de tipo mecnico y

usados principalmente para medir cantidades totales del fluido a sertransferido y a menudo se asocian a otros dispositivos para lograr accionesde indicacin, registro o control. Entre los ms utilizados, figuran los de discooscilante, pistn oscilante, cicloidal, oval, birrotor, etc.

Los medidores de flujo de masa en sus diversos tipos y los computadoresde flujo, constituyen hoy en da una muestra del avance de la tecnologa enla medicin de esta variable. El medidor tipo Coriolis es un ejemplo de losprimeros. Aqu el fluido fluyendo a travs de un tubo vibrante causa unadeflexin en el tubo proporcional al flujo de masa. Estos medidores tienengran exactitud.

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UNIDADVI

Caractersticas de losProcesos


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TECSUP Virtual Indice

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2.1. GENERALIDADES.............................................................................................. 12.2. CAMBIOS DE CARGA......................................................................................... 12.3. RETARDOS DEL PROCESO ................................................................................ 2


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UNIDAD VI

CARACTERISTICAS DE LOS PROCESOS

1. INTRODUCCINEl control automtico puede ser definido como la tcnica de medir el valor de una variable yproducir una respuesta contraria, para limitar esta desviacin de la referencia seleccionada. Sepueden dar otras definiciones adecuadas, pero el control automtico puede ser entendidomejor en trminos sobre lo que se necesita, las ventajas que ofrece y las formas de energaque controla.

2. OBJETIVOS Identificar las caractersticas ms importantes de los procesos industriales. Reconocer la importancia de los cambios de carga y retardos y su influencia en el control

automtico de los procesos industriales.

2.1. GENERALIDADESEl propsito bsico para usar control automtico, es de que la produccin puede serlograda ms econmicamente. Algunos procesos no sern posibles si no es por el uso decontroles automticos, la economa se logra as de diferentes formas:

Disminuyendo el costo de proceso. Eliminando o reduciendo los errores humanos. Mejorando el control de calidad Reduciendo el tamao de equipos de proceso y el espacio que estos requieren. Proveyendo mayor seguridad en la operacin. Minimizando el consumo de energa.El control ptimo sin embargo, no solamente est en funcin de los dispositivos, equiposy sistemas a emplear, sino fundamentalmente del conocimiento del proceso que sedesee controlar. Cada proceso exhibe dos efectos que deben tomarse en cuenta en laseleccin del equipo de control: los cambios de carga o cambios en la variablecontrolada debido a condiciones alteradas en el proceso y los retardos de procesocausados por sus caractersticas: capacitancia, resistencia y tiempo muerto.

2.2. CAMBIOS DE CARGALa carga de un proceso se define como la acumulacin del agente de control requeridopara mantener la condicin de balance. La magnitud y la razn de cambio de la cargason los principales factores para la aplicacin de los controladores automticos. Loscambios de carga no son siempre fciles de reconocer. Algunas de las causas son:

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


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2.3. RETARDOS DEL PROCESOTodos los dispositivos y procesos tienen capacidad para almacenar energa y resistirse acambios. En este aspecto son similares y pueden ser comparados con las propiedadeselctricas de capacidad y resistencia. Al igual que un circuito elctrico RC, en donde lasalida es distorsionada con respecto a la entrada, la respuesta de un proceso al cambio

de un parmetro se puede decir que sufre cierta distorsin. Esta distorsin o alteracinse denomina retardo.

Siempre ocurre un retardo de tiempo entre el cambio en la condicin de un proceso y elmomento en que un operador o un controlador automtico lo nota. Este retardo se debea tres causas distintas: el retardo inherente a un proceso, aquel debido al tiempo derespuesta del sensor o el elemento de deteccin o medicin y el tiempo de transmisinde la seal; en algunos procesos los tres retardos son irrelevantes, pero en otrosprocesos no lo son. En la mayora de los casos, uno de los tres tiene un efecto muchomayor que los otros dos.

Los retardos del proceso dependen de dos factores inherentes al mismo. La resistenciau oposicin al flujo y la capacitancia o medida de la habilidad del proceso de almacenarenerga o materia en funcin de alguna variable de referencia.

En la figura mostrada a continuacin se explica grficamente el concepto decapacitancia. En ambos tanques designados para contener algn tipo de lquido, lacapacidad es la misma como se puede deducir de las dimensiones de los mismos. Sinembargo si comparamos la capacidad o volumen de cada tanque por unidad deincremento en el nivel de lquido, evidentemente tendremos como resultado que estarelacin es mayor en B.

Tanque A Tanque B

rea = 36m2

rea = 72m2

Altura = 8m

Altura = 4m

Figura 1 : Ejemplo de Capacitancia

El efecto de R y C se muestra a continuacin. El tiempo que la variable de proceso tardaen alcanzar su valor final como respuesta a un cambio de carga en el mismo sedenomina retardo de reaccin. Dependiendo del conjunto de resistencias y capacitanciasen un proceso, tendremos procesos denominados de primer orden, segundo orden, etc.


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Figura 2 : Retardo de reaccin en un proceso

Existe otro retardo que resulta de la falta de habilidad de un proceso a aceptar o

entregar energa simultneamente. Comnmente se denomina retardo distancia-velocidad o tiempo muerto. Un ejemplo de esto, se puede apreciar en la respuesta de unintercambiador de calor. Cuando el flujo de agua de enfriamiento al intercambiador,cambia de repente, la temperatura del fluido de salida no responde tan rpido, no sigueuna relacin lineal. Debido a que la masa metlica del intercambiador sirve como undisipador de calor, su temperatura cambia lentamente.

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UNIDADVII

Tipos de Control ySintona


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2.1. CONTROL DE DOS POSICIONES........................................................................ 12.2. ACCIONES DE CONTROL................................................................................... 2

2.2.1. ACCIN PROPORCIONAL ....................................................................... 22.2.2. ACCIN INTEGRATIVA........................................................................... 32.2.3. ACCIN DERIVATIVA............................................................................. 3

2.3. RESPUESTAS DE CONTROL COMBINADAS ......................................................... 42.3.1. CONTROL PROPORCIONAL..................................................................... 42.3.2. CONTROL PROPORCIONAL - INTEGRATIVO (PI)...................................... 42.3.3. CONTROL PROPORCIONAL - DERIVATIVO (PD)....................................... 52.3.4. CONTROL DE TRES MODOS (PID) .......................................................... 5

2.4. SINTONA DE CONTROLADORES....................................................................... 5

2.5. MTODOS DE AJUSTE DE CONTROLADORES ..................................................... 62.5.1. MTODO DEL TANTEO........................................................................... 72.5.2. MTODO DE GANANCIA LMITE ............................................................102.5.3. MTODO DE LA CURVA DE REACCIN...................................................10


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UNIDAD VII

TIPOS DE CONTROL Y SINTONIA

1. INTRODUCCINMucha de la teora de control que gobierna a los sistemas actuales, fue desarrollada hacems de cincuenta aos. Durante esa poca, la naturaleza de los procesos fue observada yanalizada exhaustivamente. Se estudi las caractersticas dinmicas y se volcaron estosestudios en expresiones matemticas que se confirmaron en experimentos reales. Debido aque las respuestas de control (modos) que se usaron entonces, siguen siendo partefundamental de los requerimientos de procesos actuales ms sofisticados, es necesarioestudiarlos y entenderlos. Haremos una revisin de los principales modos de control.

2. OBJETIVOS Identificar los distintos modos de control automtico y sus caractersticas principales. Reconocer las formas o mtodos para ajustar los controladores de procesos industriales.2.1. CONTROL DE DOS POSICIONES

En la forma ms simple del control automtico. En algunos casos se llama controltodo-nada (on-off), pero en verdad este ltimo es un tipo de control de dosposiciones.El control de dos posiciones es usado normalmente cuando la variable controlada notiene porque mantenerse en un valor preciso. Un ejemplo sencillo lo constituye untermostato en un horno elctrico. Cuando se supera un valor fijado de temperatura, eldispositivo abre el circuito elctrico. Cuando el valor de la temperatura desciende ms

de lo necesario, nuevamente el termostato cierra el circuito de alimentacin a lasresistencias calefactoras.

Lo mismo sucede en sistemas industriales; el control on-off es usado a menudo,cuando existen grandes capacidades y la energa entrante y saliente es pequeacomparada con la capacitancia del sistema. Las salidas el controlador hacia vlvulas,elementos calefactores, etc. en posiciones extremas proveen un control aceptable enla mayora de los casos. Debido a que la salida del controlador solamente puedeadoptar dos posibles valores, el efecto sobre el proceso es una tpica oscilacin de lavariable alrededor del set point. Este, responde aumentando o disminuyendo su valorsegn la orden del controlador, aunque su velocidad de reaccin depender de la

capacitancia del sistema.

Una variacin del control on off constituye un sistema en donde se necesitacalentamiento y enfriamiento. Aqu, existe una banda muerta alrededor del set point,en donde no se usa ni calentamiento ni enfriamiento. Cuando la temperatura crecesobre el set point, excediendo la mitad de la banda muerta, la vlvula de enfriamientose abre. Cuando desciende por debajo del set point, excediendo la banda muerta, lavlvula de calentamiento se abre. Este tipo de control se denomina control on-offmultiposicin. En un sistema con gran capacitancia, la frecuencia del ciclo es muy bajadando ms tiempo de vida al equipo. Esto es apreciable en calefactores elctricosusados en el ciclo de calentamiento. Frecuencias muy bajas de ciclo producen muchas

desviaciones con respecto al set point. Muchos sistemas pueden tolerar el ciclajecontinuo y la poca precisin en el control y la banda muerta es ajustada para permitiruna optimizacin de la frecuencia. Si se necesita un control ms preciso, se debenusar otras formas.


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2.2. ACCIONES DE CONTROLSe observ anteriormente que el control on-off tiene como caracterstica principal,hacer que la variable controlada oscile alrededor del set point. En aplicaciones querequieren mayor precisin en el control, se pueden aplicar las acciones o modos quedescribiremos a continuacin.

2.2.1. ACCIN PROPORCIONALEl control de dos posiciones produce variaciones y un ciclaje continuo quemuchos procesos no pueden tolerar. El control proporcional modula alelemento final de control en forma continua entre los lmites mximos ymnimos (on y off) y es la base de trabajo de la mayora de los controladoresactuales.

Su nombre se deriva del hecho de que la salida del controlador esproporcional a la diferencia entre el set point y la variable medida, es decir, ala seal de error (e). La constante de proporcionalidad es conocida comoganancia (Kp). Tambin es posible expresar sta por la llamada bandaproporcional (BP) que se define como el porcentaje de cambio de plenaescala en la entrada requerida para cambiar la salida de 0 a 100%.

La banda proporcional es la inversa de la ganancia expresada en porcentaje.Es decir a modo de ejemplo, una BP de 50% equivale a una ganancia de 2.Hay que recordar por lo tanto al sintonizar un controlador, que el aumentarla ganancia significa disminuir la BP. La relacin entre la entrada y la salidade un controlador se da en la siguiente frmula:

S.C.= Kp e + mo

En donde:

S.C. es la salida del controladorKp es la gananciae es la seal de errormo es la salida para error cero.

La ganancia o banda son ajustables y se sintonizan en el campo para unarespuesta ptima a cambios del proceso. La mayora de controladoresutilizan ganancia en vez de BP.

Debe notarse que para cada valor de la ganancia existe slo una apertura devlvula para lograr un determinado nivel de lquido en el tanque. Paracualquier otra apertura de vlvula, habr un error que es inherente a estemodo de control y que se denomina "offset".

En muchos procesos se necesita reducir o eliminar este error. Unaposibilidad de lograrlo es aumentando la ganancia (reduciendo la BP); sinembargo, esto puede llevar al sistema hacia la inestabilidad y eventualmentevolverse el control en uno de dos posiciones. Por otro lado, si se quierelograr una gran estabilidad en el proceso y para esto se recurre a disminuir

Kp, tambin se estar aumentando al offset.


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2.2.2. ACCIN INTEGRATIVASe define como la respuesta de un controlador que es proporcional a laduracin de la seal de error (desviacin). Los controladores proporcionalessiempre se desvan del set point cuando estn sujetos a cambios de carga.Esto no es tolerable para la mayora de los sistemas de control industrial y el

modointegral o integrativo (reset) es a menudo combinado con el controlproporcional para eliminar su offset. Este es el propsito principal. El modode control integral puede incluso ser combinado tanto con el proporcionalcomo el derivado o derivativo (rate) para formar un controlador de 3 modos.El nombre del integrativo o integral debe a su aproximada relacinmatemtica con la seal de error. La cantidad de reset es proporcional alrea de error y es expresada por la ecuacin:

S.C.= Ki edt + mo

En donde:S.C. es la salida del controlador en un tiempo dado.Ki es la constante integrativa en repeticiones por minutoe es la seal de errort es tiempomo es la salida para error cero.

La salida del controlador integral, est constantemente cambiando mientrasexiste una desviacin. La razn del cambio, depende no slo de la del errorsino tambin de su duracin.

La expresin, repeticiones por minuto, significa el nmero de veces porminuto que la accin integral hace una correccin igual en magnitud, a lacorreccin de la accin proporcional. Algunos fabricantes, prefieren utilizarlas unidades inversas (minutos por repeticin), es decir, el tiempo enminutos necesario para repetir la accin proporcional.

La funcin integral tiene un efecto lateral desventajoso; cuando ocurre unadesviacin sostenida, un controlador con accin integral, puedeeventualmente salirse de la escala. Esto puede ocurrir cuando un lazo esabierto para alguna transferencia a control manual, por ejemplo. En estecaso la accin integral forzar a la banda proporcional a ir hacia su lmitetratando de corregir su error; esto se puede evitar desconectando

automticamente el circuito de reset.

2.2.3. ACCIN DERIVATIVAEste tercer modo de control se define como la parte de la respuesta de uncontrolador, proporcional a la razn de cambio de la entrada. Esta accinslo se puede usar con el controlador proporcional formando un control dedos modos o tambin controlada no slo con el modo proporcional sinotambin como el modo integral formando un control de tres modos. Laaccin derivada es til a menudo en sistemas con grandes cantidades deinercia o retardos como ocurre con temperatura. Como el cambio en la

salida de un controlador derivativo depende de la razn de cambio de laseal de error, entrega una gran cantidad de correccin para una seal deerror que vara rpidamente, mientras el error es an pequeo.


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Debido a esto, pareciera como que la accin derivada se anticipa a loscambios; debido a esto, tambin se le conoce como accin anticipatoria ode anticipo.

Matemticamente, este modo puede expresarse como sigue:

S.C.= Td (de/dt) + moEn donde Td es el tiempo de la accin derivada en minutos de anticipo (aveces se anota como Kd)

Este tiempo es el intervalo en el cual la accin derivada adelanta a la accinproporcional en la salida. Este, es la diferencia en el tiempo en obtener unparticular cambio de la salida con slo accin proporcional y con la accinderivada.

2.3. RESPUESTAS DE CONTROL COMBINADASLas respuestas de control han sido discutidas en forma individual; veamos como esque se pueden combinar. No es totalmente cierto que las acciones integral y derivadahayan sido discutidas enteramente por separado, debido a que estn muyrelacionadas con la respuesta proporcional.

Al discutir los modos combinados, la terminologa ms usada se refiere a modoproporcional (P), a dos modos (proporcional ms integral: PI o proporcional msderivada: PD) o a tres modos (PID). El propsito aqu es definir los tres trminos ydiscutir brevemente sus aplicaciones.

2.3.1. CONTROL PROPORCIONALEl hablar aqu sobre un modo de control no combinado con otro, podrasignificar que est fuera de lugar aqu. Sin embargo, la respuestaproporcional es el modo con el cual los otros importantes modos, soncombinados. Es necesario entonces comprender, que el modo proporcionales la respuesta bsica de control de los controladores automticos.

El control proporcional es adecuado para sistemas que tienen pequeascapacitancias y por lo tanto, necesitan respuestas rpidas a cambios decarga. Este tipo de sistemas requiere bandas proporcionales angostas.

El control solo proporcional es adems adecuado en donde cambios de cargason relativamente pequeos y en donde el control preciso no es crtico. Si senecesita un control preciso, el offset inherente en el control proporcional,determina que ser requieren funciones adicionales de control para lograr unmejor control.

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

de flujo.


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Para estos lazos, se requiere adicionar la accin integral o reset. Su uso,reduce la respuesta proporcional en cierto grado, pero esto se vecompensado con la eliminacin del offset, tan cuestionado en el control sloproporcional.

Cuando la accin integral es aadida al controlador, ste continua su accin

mientras permanezca la derivacin (error); por lo tanto, hace que sta sevuelva cero (la variable medida regresa al set point).

2.3.3. CONTROL PROPORCIONAL - DERIVATIVO (PD)El propsito de la accin derivada es aumentar la velocidad de respuesta dellazo cerrado. En procesos difciles de controlar (multicapacidad), la adicinde este modo es a veces preferible a la accin integral. Mejora tanto lavelocidad como la estabilidad de la respuesta de control, particularmente ensistemas lentos. Esta accin es inversa a la integral en el sentido que aceleraen vez de retardar la accin integral.

La accin derivada aadida al modo proporcional no es deseable en sistemascomo los de flujo, en donde los problemas de ruido (causados por laturbulencia del flujo o acciones de bombeo) debido a la propia accinderivada se ven amplificados y producen inestabilidad.

El control PD es a menudo usado en sistemas de control discontinuo (tipoBatch), en donde las interrupciones peridicas eliminan los problemas que sepresentan cuando el modo de reset o integral es usado.

2.3.4. CONTROL DE TRES MODOS (PID)En muchos lazos de control, particularmente en aquellos difciles decontrolar, es deseable el uso del control proporcional integral - derivado(PID)

La accin derivada tiene el efecto de eliminar los sobre-picos (overshoot)que comnmente aparecen cuando se aade la accin integral a la accinproporcional. La accin derivada adems, atena la caracterstica de retardointroducida por la accin integral. No hay duda que existe una graninteraccin en los tres modos, cuando son usados a la vez. El ajuste de unode ellos afecta a los otros dos, lo cual a veces dificulta la sintona de ajustede un controlador.

2.4. SINTONA DE CONTROLADORESLa estabilidad en el control es la caracterstica del sistema que hace que la variableregrese al punto de consigna, referencia o set point despus de una perturbacin. Loscriterios de estabilidad deseables son los siguientes:

Criterio de rea mnima o de razn de amortiguamiento: indica que el rea decurva de recuperacin debe ser mnima, para lograr que la desviacin, debe tenerel valor mnimo. Se ha encontrado que esta rea es mnima cuando la relacin deamplitud entre las crestas de los dos ciclos sucesivos es 0.25, es decir, que cada

onda equivale a una cuarta parte de la anterior. Este criterio es el ms importantey se aplica especialmente en los procesos en donde la desviacin es tanimportante como el valor de la misma.


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Criterio de mnima perturbacin: este requiere una curva de recuperaciones nocclicas y se aplica cuando por ejemplo, las correcciones rpidas o cclicas de unavlvula de control de vapor, pueden perturbar seriamente las presiones de vaporde alimentacin e incluir en otros procesos alimentados por la misma fuente. Otrocaso puede ser el control en cascada en que la seal de salida de un controladorvare cclicamente y se aplique como punto de consigna en un segundo

controlador crendole serias variaciones de carga. Criterio de amplitud mnima: de acuerdo con este criterio, la amplitud dedesviacin debe ser mnima, lo cual se aplica especialmente a procesos en que elproducto o el equipo puede ser daado por desviaciones momentneas excesivasy en este caso la magnitud de la desviacin es ms importante que su duracin.Por ejemplo, en el caso de fusin de algunas aleaciones metlicas, el sobrepasartemporalmente una determinada temperatura puede destruir el metal.

Se aplica tambin este criterio en el caso de procesos exotrmicos con el punto deconsigna prxima a la temperatura de disparo de la reaccin incontrolable.

2.5. MTODOS DE AJUSTE DE CONTROLADORESExisten varios sistemas para ajustar los controladores al proceso, es decir, para labanda proporcional (ganancia), el tiempo de accin integral (minutos/repeticin) y eltiempo de accin derivada (minutos de anticipo) del controlador, caso de que posealas tres acciones, se acoplen adecuadamente con el resto de los elementos del buclede control proceso +transmisor + vlvula de control.

Este acoplamiento debe ser tal que, ante una perturbacin, se obtenga una curva derecuperacin que satisfaga cualquiera de los criterios mencionados para que el controlsea estable, en particular, el de rea mnima con una relacin de amortiguacin de0.25 entre crestas sucesivas de la onda.

Para que este acoplamiento entre el controlador y el proceso sea posible, es necesarioun conocimiento inicial de las caractersticas estticas y dinmicas del sistemacontrolado. Existen dos mtodos fundamentales para determinar estas caractersticas,el mtodo analtico y el experimental.

El mtodo analtico se basa en determinar la ecuacin relativa la dinmica del sistema,es decir, su evolucin en funcin del tiempo. Este mtodo es generalmente difcil deaplicar por la complejidad de los procesos industriales y la dificultad de obtener datossuficientemente aproximados. Es un mtodo

muy laborioso que requiere normalmente el empleo de una computadora, enparticular en el caso de procesos muy complejos.

En el mtodo experimental, las caractersticas estticas y dinmicas del proceso seobtienen a partir de una medida o de una serie de medidas realizadas en el procesoreal. Estas respuestas del proceso pueden efectuarse de tres formas principales:

Mtodo de tanteo Mtodo de sensibilidad lmite. Mtodo de curva de reaccin


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